随着勘探开发程度的不断深入,大港油田开发工作逐渐由常规油气藏向页岩油等非常规油气藏转移。长井段页岩油气储层水平井钻井普遍存在机械钻速低、建井周期长等问题。国内开展了采用冲击器加普通螺杆的复合钻进水平段提速试验,现场试验显示了螺杆驱动与冲击复合钻井技术的良好提速效果。冲击振动为提速提供了一种有效手段,但振动频率和冲击载荷等参数组合对破岩效率的影响机制尚不清楚,受到井下恶劣工作环境影响,工具的稳定性和寿命情况需要得到改进。在旋转冲击钻井技术和旋转冲击螺杆冲击器的研制基础上,本文设计了一种新的轴向振动发生装置,并完成了其零部件的设计与整体装配,依据动力学理论建立了工具的冲击频率、冲击功及冲击载荷的计算模型;利用Solid Works软件建立了轴向振动发生装置的三维模型,并在动力学分析模块中完成了动力学仿真实验,通过改变装置转速、冲程、弹簧预紧力等工作参数得到了基本运动规律与冲击力波形图解,验证了装置的冲击特性的可调制性;为了研究旋转冲击工具对破岩效率的影响,基于动力学仿真实验的结果建立了一套模拟旋转冲击破岩发生装置的实验系统并进行了PDC钻头的破岩实验,分析了不同的工作参数组合对破岩效率的影响,验证了破岩提速的可行性;基于旋转冲击破岩实验的结果开展了冲击螺杆工具的现场应用,通过对岩石可钻性的分析,建立了一套钻头优选方案以支持高效“PDC钻头+冲击螺杆”破岩技术,现场实验进一步的验证了冲击螺杆钻具破岩提速的可行性并为工具的结构优化提供了参考依据。研究结果表明,新设计的轴向振动发生装置能够为冲击工具提供周期性冲击载荷,冲击力波形在冲程为7 mm时最为稳定;实验条件下,设置冲频率10 Hz、钻压12 k N、冲程7 mm、弹簧预紧力为6.0 k N时,旋转冲击破岩装置的提速效率最高,达到66%,此时冲击载荷为20.11 k N;现场试验结果表明,冲击工具在井下使用效果良好,复合钻进时提速效率达到28%。