随着世界经济的快速发展,各国对油气资源的需求不断加大,而赋存较好的浅层油气资源日益枯竭,油气的勘探开采必然向更复杂的地层方向发展。当井深不断增加,岩石在地层围压作用下其硬度和强度都会明显增加,导致钻头破岩效率不高,寿命降低,钻井速度大幅下降等一系列问题,为了解决该问题,本文提出了一种新型螺杆式旋转冲击钻井工具(旋冲螺杆钻具),并利用油气井工程、机械设计及理论、振动、动力学、实验测试以及信号处理等相关理论与方法,展开了以下研究内容:详细介绍了旋冲螺杆钻具的结构组成和工作原理。根据工具的结构特征进行动力总成的基础计算研究,并分别对工具的三大系统进行了结构设计与力学分析:通过设计冲击系统凸轮结构的不同运动曲线,对比分析凸轮机构升角、受力、消耗扭矩,从而选择最优运动曲线;利用冲击凿岩相关理论,建立撞击理论模型,对冲击系统进行冲击力计算与分析;进行轴承系统的止推轴承设计分析,以及轴承橡胶减振器基础计算与分析;进行油密封系统设计与工作原理相关研究。通过分析旋冲螺杆钻具关键零部件工作过程力学关系,并结合钻具设计参数、工况参数以及相关力学计算方法,建立旋冲螺杆钻具水平井动力学分析模型,得到不同节点处的振动位移、振动速度以及系统的振动频谱图。另外,考虑工具“抛物线效应”以及“钻柱回弹”等因素,对比分析钻具关键结构的运动学、力学结果,包括对比分析不同转速和钻压下,滚子的位移运动轨迹情况;对比分析不同钻压下,凸轮-滚轮、上下轴承、冲击垫的力学结果。基于ADAMS仿真软件,对工具冲击系统进行动力学分析,对比分析不同钻压下,滚子与凸轮之间的接触力、上轴体与冲击垫之间的冲击力以及上轴体位移的仿真输出结果与相关理论计算结果,从而验证理论计算结果的合理性与准确性。根据旋冲螺杆钻具室内实验研究,对比分析了冲击频率、冲击力测试结果与相关理论计算结果;进行工具下井实验,根据现场实验数据及使用效果分析,旋冲螺杆钻具能够有效提高机械钻速。综上所述,本文根据旋冲螺杆钻具的结构及原理,对工具三大系统进行了结构设计与力学分析,建立了工具井下动力学轴向振动模型,通过ADAMS仿真软件和室内实验验证相关理论计算与模型的正确性,最后通过下井实验验证了工具现场的实用性。研究结果对今后相关钻井增速提效、钻头破岩技术、工具研究等有一定的参考价值。