随着社会的不断发展,人类对石油天然气的需求越来越大,油气钻井也有向着深部地层发展的趋势。传统的钻进技术是使用井上的转盘驱动钻头旋转切削岩石,但随着钻井深度增加,地层越来越坚硬。使用传统的钻进技术时,钻头在坚硬地层中经常发生“打滑”现象,无法有效切削岩石,钻进效率因此大大降低,钻井周期和钻进成本也随之增加。而近几十年兴起的旋转冲击钻进技术是有效提高坚硬地层钻进效率的一项技术,它在传统的旋转钻进的基础上结合了冲击作用,该技术的核心装备是冲击器,能在钻头旋转的同时对钻头产生周期性的冲击作用以破碎岩石。由于井下工况复杂且环境恶劣,现有的各类型冲击器普遍存在冲击功不足,使用寿命短等问题,无法完全满足使用需求。本文大量调研了国内外各类型冲击器的结构及工作原理,介绍了国内外冲击器的发展历程和研究现状,在此基础上,结合实际钻井作业的需求,设计了一种新型的机械式冲击器。本文所设计的冲击器由动力机构(动力马达和传动轴)、动力转换机构(传动销,轨道)和冲击机构(冲锤、砧座)组成,动力机构产生动力,动力转换机构将传动轴的旋转运动转换为冲锤的往复运动,冲击机构产生冲击作用。动力部分最重要的部件是轨道、传动销与传动轴,传动销放置在轨道内,与冲锤连接,轨道随传动轴旋转,带动冲锤往复运动。轨道分为上下两部分,具有特殊的封闭曲面。本文从冲击器的冲锤必须满足的运动规律出发,将轨道沿径向“展开”到平面研究,提出了轨道的两种轨迹线,推导了在各轨迹线下冲锤的速度、加速度与轨道旋转角度的关系,得出了轨道的受力、扭矩与轨道转动角度的关系。为改进轨道受力情况,对所提出的轨道轨迹线进行了改进,计算得出的结果表明改进后轨道受力明显降低且对冲锤冲击末速度影响不大,而对冲锤的运动仿真结果也证明了轨迹线的设计及函数的推导较为正确。传统的液动冲击器由于利用液压驱动冲锤往复运动,其设计难点在于冲锤的运动规律无法完全确定,常需要对冲锤的运动规律做一些假设,因此设计的冲击器冲锤运动规律与实际运行规律有偏差,而本文设计的机械式冲击器冲锤的运动规律可以直接推导得出,这也是本文的创新所在。本文分析了涡轮马达与螺杆马达的特性,选定螺杆马达作为冲击器的动力马达,由于螺杆马达自转转速无法满足冲击器的冲击器的设计要求,本文改进了传动轴的结构用以替换万向轴,使其输出公转转速来满足设计要求,依据改进的参数设计了螺杆马达。根据关键件的实际受载情况使用相关强度理论和有限元软件对各关键件和螺纹连接进行了强度校核,校核结果表明冲击器关键件材料满足强度要求。最后本文结合设计的冲击器性能参数进行了辅助破岩仿真,建立了PDC钻头切削砂岩的模型。使用ABAQUS软件模拟了PDC钻头切削岩石的过程,对比分析了PDC钻头在冲击旋转作用、仅冲击作用、仅旋转作用下的岩石破碎效果,仿真结果显示冲击旋转作用下PDC钻头进尺最深,能持续破碎岩石并钻进,仅冲击作用下PDC钻头仅破碎了表层网格,而PDC钻头在仅旋转作用下仅在表层磨削,无法持续钻进,相同时间内进尺最少。对比分析表明砂岩产生破碎坑主要由于冲击作用,设计的冲击器能有效破碎岩石。