本發明屬于石油煤層氣鉆進領域，涉及pdc鉆頭，具體是一種具有軸向沖擊能力的pdc鉆頭。
背景技術：
1、pdc鉆頭憑借其高效的切削性能在軟至中硬地層的鉆孔施工中被廣泛應用。但是，隨著鉆井技術的發展和地層復雜程度的增加，傳統pdc鉆頭在面對復雜、堅硬地層時，其局限性逐漸顯現。受限于單一的旋轉切削機制，傳統pdc鉆頭在遭遇高強度巖石或硬質地層時，往往面臨進尺速率緩慢、磨損速度加快、卡鉆和跳鉆現象頻發等挑戰，從而對鉆孔施工的效率和成本控制構成了嚴峻的考驗。因此，如何提高pdc鉆頭在堅硬復雜地層中的鉆進性能，保證其在復雜堅硬地層中的高效率長壽命鉆進，成為當前鉆井技術領域亟待解決的關鍵問題。
2、專利號為cn?114439373?b的發明專利提出一種用于硬地層的沖擊剪切復合鉆頭，利用鉆井液過流面積的變化來產生沖擊載荷作用于沖擊齒上，根據流體力學原理，鉆井液流經變截面通道時，會發生能量損失，尤其是在過流面積變化較大時，易產生旋渦或紊流，從而導致壓力能轉化為熱能等其他形式的能量而損耗掉，沖擊效果大大降低。專利號cn113931576?b的發明專利提出一種沖、切復合鉆具，依靠水力馬達產生沖擊載荷，通過傳動結構將沖擊載荷傳遞給沖擊機構，從而使沖擊鉆頭沖擊碎巖，該技術結構相對復雜，凸輪和滾輪在高壓、高頻沖擊下長期滾動摩擦，容易造成凸輪和滾輪的磨損加劇，導致它們的輪廓形狀發生改變，從而影響滾輪的運動軌跡，導致彈簧的蓄力和釋力過程不再穩定，沖擊鉆頭的沖擊運動也變得不規則，沖擊效果大打折扣。專利號cn
3、112593848b的發明專利提出一種pdc鉆頭復合沖擊裝置，通過沖錘機構和換向閥機構產生周期性的水力脈沖，該技術對鉆井液性能也存在一定的依賴性，鉆井液的粘度、剪切力等特性可能會影響水力脈沖的形成和傳遞效率，并且換向閥的控制精度和響應速度不夠高也可能導致脈沖的產生不夠精確，進而影響沖擊功的穩定性。
4、因此，亟需提出一種具有軸向沖擊功能的pdc鉆頭，利用高壓水推動齒輪齒條機構移動，從而產生沖擊載荷作用于pdc鉆頭上進行沖擊碎巖。
技術實現思路
1、針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于，提供一種具有軸向沖擊能力的pdc鉆頭，以解決現有技術中pdc鉆頭在堅硬復雜地層中鉆進效率低的技術問題。
2、為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案予以實現：
3、一種具有軸向沖擊功能的pdc鉆頭，包括依次相連的鉆頭體、連接套筒和沖擊機構；
4、所述鉆頭體包括沿軸向向后直徑依次減小的前導段、中間段和尾部段；
5、所述連接套筒包括沿軸向向后直徑減小的第一圓筒段和第二圓筒段，所述第一圓筒段與所述中間段配合連接；
6、所述沖擊機構包括軸向前端與所述連接套筒連接的外管，所述外管中設置有上齒條機構和下齒條機構，所述外管的軸向前端設置所述鉆頭體的尾部段；所述外管中還設置有固定桿，所述固定桿上可轉動設置有齒輪，所述齒輪分別與所述上齒條機構和下齒條機構嚙合；所述上齒條機構和下齒條機構之間設置有壓縮彈簧。
7、本發明還包括以下技術特征：
8、所述鉆頭體內部設置有沿軸向分布的中心盲孔；所述前導段的軸向前端面上沿圓周均勻設置有多個刀翼，相鄰所述刀翼之間形成流道，每一個流道上設置有連通所述中心盲孔與鉆頭體外部的水眼；刀翼上設置有pdc切削齒；所述鉆頭體的尾部段的側壁上沿周向均勻開設有多個側壁通孔。
9、所述外管的內壁上對稱開設有一對矩形槽；所述外管的內壁上沿軸向向前分別開設有多個沿周向均勻分布的第一內側壁盲孔、兩個對稱的第二內側壁盲孔和多個沿周向均勻分布的第三內側壁盲孔；外管上沿圓周均勻設置有多個軸向盲孔，每個所述軸向盲孔連通一個第一內側壁盲孔和一個第三內側壁盲孔。
10、所述上齒條機構包括分別可移動設置在所述外管的一對矩形槽的軸向后段中的第一上橫桿和第一下橫桿，所述第一上橫桿的橫向后端和第一下橫桿的橫向后端之間設置有圓臺，所述圓臺的外徑與所述外管的內壁直徑相同；所述第一上橫桿的橫向前端設置有第一豎桿；所述第一上橫桿、圓臺和第一下橫桿形成“口”型結構；所述第一上橫桿的底部內壁上設置有上齒條；所述第一下橫桿為中空“u”形結構；
11、所述第一豎桿上設置有沿軸向分布的第一通孔和與其垂直且連通的第二通孔；
12、所述下齒條機構包括可移動設置在所述外管的一對矩形槽的軸向前段中的第二上橫桿和第二下橫桿，所述第二下橫桿的軸向后段伸入所述第一下橫桿中且其頂部內壁上設置有下齒條；所述第二上橫桿軸向前端和第二下橫桿的軸向前端之間設置有第二豎桿；所述第二上橫桿、第二豎桿和第二下橫桿形成“u”型結構；
13、所述第二豎桿上設置有沿軸向分布的第三通孔和與其垂直且連通的第四通孔。
14、所述外管的兩個第二內側壁盲孔中共同設置固定桿，所述固定桿上可轉動設置齒輪，所述齒輪的頂部和底部分別與所述上齒條和下齒條嚙合。
15、所述第一通孔和第三通孔中均設置有導桿；兩個所述導桿之間設置壓縮彈簧。
16、所述鉆頭體的中間段沿外圓周面均勻開設有多個鍵槽；所述第一圓筒段的內壁上沿周向均勻設置有多個內花鍵，多個所述鍵槽與多個內花鍵一一對應連接。
17、所述連接套筒的第二圓筒段的外壁上開設有公螺紋，所述外管的軸向前端上開設有母螺紋，所述母螺紋與所述公螺紋配合連接。
18、所述第二通孔和第四通孔中均設置有緊固螺栓。
19、位于所述鉆頭體的尾部段的軸向后端的外管中設置有限位環。
20、所述pdc切削齒的外壁為波浪形。
21、所述pdc切削齒的材料為氟化處理后的微米級金剛石微粉和納米級金剛石微粉的混合粉。
22、本發明與現有技術相比，有益的技術效果是：
23、(1)本發明中的沖擊機構將高壓水的液壓能轉化為精準的直線運動，沖擊行程、頻率和能量可通過齒輪模數、齒條長度和水壓精確調控，避免傳統液動沖擊器的隨機波動。同時，齒輪與齒條的配合具有良好的運動確定性，傳動穩定，相比于其他依靠復雜機械結構或不穩定流體動力的沖擊方式，這種方式能夠保證每次沖擊能量和力度相對穩定，從而減少因沖擊能量波動導致的破巖不徹底或者鉆頭過度磨損等問題，也解決了現有技術中pdc鉆頭在堅硬復雜地層中鉆進效率低的技術問題。
24、(2)本發明的沖擊機構的可調性強，通過調整高壓水的壓力和流量，能夠較為方便地調節齒輪齒條機構的運動速度和沖擊力大小，從而適應不同硬度和地質條件的巖石。
25、(3)本發明的沖擊機構無“水錘效應”，沖擊均勻。傳統液動沖擊依賴鉆井液突然截流(如閥的快速啟閉)產生水錘效應，易受鉆桿內壓力變化影響，導致沖擊功周期衰減；本發明中的齒輪與齒條的配合，通過勻速推進+瞬間釋放的方式沖擊，避免了壓力波動，保證了沖擊能量的穩定性。
26、(3)本發明的沖擊機構對鉆井液的性能依賴較低，傳統的液動沖擊依賴鉆井液的粘度、密度和清潔度來傳遞能量，而本發明中鉆井液主要起到傳遞高壓水的作用，而不直接參與沖擊過程，對鉆井液的固相含量、流變性等要求極低，即使在鉆井液性能發生一定變化(如粘度降低、密度增加等)的情況下，鉆頭的沖擊功能仍然能夠正常發揮，從而保證鉆井作業的穩定性和連續性。
27、(4)通過沖擊機構使得pdc鉆頭產生反復的軸向沖擊動載，一方面，沖擊動載使得鉆頭對巖石的作用力瞬間增大，能夠增強鉆頭的碎巖效果，顯著提升鉆進速度，特別是在硬質地層或研磨性較強的地層中效果更佳。另一方面，pdc鉆頭的反復沖擊動載能夠在巖石內部產生應力波，促使巖石內部形成裂紋并快速擴展，從而降低巖石的整體強度，并為后續的切削破碎提供有利條件，從而提高機械鉆速。再者，沖擊動載可有效降低鉆頭在硬質和不均勻地層中的扭矩波動，避免因地層突變引起的卡鉆和跳鉆問題，從而提高鉆頭碎巖的穩定性。
28、(5)基于玉米葉子邊緣鋸齒形的結構特征在增強剛性和鋒利性方面的優勢，對pdc切削齒進行仿生設計。通過將pdc切削齒的外圓周面設計成波浪形結構，使得其切削刃呈現波浪形特征，一方面，能夠將切削過程中產生的應力分散到更大的表面區域，避免局部應力集中，從而減少pdc切削齒在高沖擊力下發生斷裂或崩裂的可能性，顯著提高其抗沖擊性能。另一方面，波浪形狀的切削刃能夠與巖石之間形成更多的接觸點，這些接觸點在切削過程中能夠更有效地分散切削力，使切削過程更加平穩。再者，波浪形切削刃結構能夠在巖石上產生一系列交錯的切削痕跡，形成多個小型巖脊，從而有助于巖石的體積破碎。
29、(6)在pdc切削齒原材料制備中，采用微米級金剛石微粉和納米級金剛石微粉混合并氟化處理。一方面，納米級金剛石顆粒具有更高的表面積，能夠增加燒結驅動力，提高顆粒之間的結合強度，而微米級金剛石顆粒則提供了結構支撐，使材料在強度和韌性之間取得平衡，這種多級尺度的結構能夠顯著增強pdc切削齒的抗壓性能。另一方面，納米級金剛石顆粒能夠分散應力集中區域，阻止裂紋的形成和擴展，pdc切削齒在受到外部沖擊或高壓時更不容易發生斷裂，從而提高其抗沖擊性能。再者，氟化涂層有利于增強顆粒表面的化學穩定性，有效抵御高溫下的氧化和化學侵蝕，從而提高pdc切削齒的熱穩定性。