CN105569595A - 水力振荡器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种水力振荡器，包括：上接头；上喷嘴，密封安装在上接头内；下喷嘴，密封安装在上接头内；定位套，安装在上接头内、并位于上喷嘴和下喷嘴之间；和下接头，与上接头相连接，并压紧下喷嘴、定位套和上喷嘴于上接头内部的阶梯面上。本申请提供的水力振荡器利用水力学中的赫姆霍兹原理，通过共振腔达到了水力脉冲振动的目的，不会阻止正常的工作排量，同时还具备结构简单，维护方便的优点。

Description

水力振荡器

技术领域

本申请涉及石油开采设备技术，尤指一种水力振荡器。

背景技术

水力振荡器是利用连续油管在水平井中降低静摩擦，增加下入深度，提高钻磨效率的最有效工具。目前已经在使用的水力振荡器是利用旋转阀脉冲的原理，这种原理的水力振荡器在结构上有阻断液流的不利之处，对于钻磨过程中的液体上返有一定的害处。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种水力振荡器利用水力学中的赫姆霍兹原理，通过共振腔达到了水力脉冲振动的目的，不会阻止正常的工作排量，同时还具备结构简单，维护方便的优点。

为了达到本申请目的，本申请提供了一种水力振荡器，包括：上接头；上喷嘴，密封安装在所述上接头内；下喷嘴，密封安装在所述上接头内；定位套，安装在所述上接头内、并位于所述上喷嘴和所述下喷嘴之间；和下接头，与所述上接头相连接，并压紧所述下喷嘴、所述定位套和所述上喷嘴于所述上接头内部的阶梯面上。

可选地，所述上喷嘴与所述上接头之间设置有密封圈。

可选地，所述下喷嘴与所述下接头之间设置有密封圈。

可选地，所述下接头的连接嘴上设置有密封圈。

可选地，所述上接头内腔室长度l₁与所述上喷嘴的直径d₁的比为2.0～2.8。

可选地，所述下喷嘴的直径d₂与所述上喷嘴的直径d₁的比为1.0～1.4。

可选地，所述上接头内的腔室直径d与所述上喷嘴的直径d₁的比为8.6～9.0。

可选地，所述上喷嘴采用出口带圆柱段的锥度为22度～24度的渐缩形喷嘴。

可选地，所述上接头内腔室长度l₁与所述上喷嘴的直径d₁的比为2.4，所述下喷嘴的直径d₂与所述上喷嘴的直径d₁的比为1.2，所述上接头内的腔室直径d与所述上喷嘴的直径d₁的比为8.8，所述上喷嘴采用出口带圆柱段的锥度为23度的渐缩形喷嘴。

与现有技术相比，本申请提供的水力振荡器利用水力学中的赫姆霍兹原理，通过共振腔达到了水力脉冲振动的目的，不会阻止正常的工作排量，同时还具备结构简单，维护方便的优点。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请所述的水力振荡器的机理图；

图2为本申请所述的水力振荡器的共振腔的结构示意图；

图3为图2的等效线路图；

图4为本申请一个实施例所述的水力振荡器的剖视结构示意图。

其中，图4中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1上接头，2上喷嘴，3下喷嘴，4定位套，5下接头，6密封圈。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图描述本申请一些实施例的水力振荡器。

本申请提供的水力振荡器，如图4所示，包括：上接头(1)；上喷嘴(2)，密封安装在所述上接头(1)内；下喷嘴(3)，密封安装在所述上接头(1)内；定位套(4)，安装在所述上接头(1)内、并位于所述上喷嘴(2)和所述下喷嘴(3)之间；和下接头(5)，与所述上接头(1)相连接，并压紧所述下喷嘴(3)、所述定位套(4)和所述上喷嘴(2)于所述上接头(1)内部的阶梯面上。

本申请提供的水力振荡器利用水力学中的赫姆霍兹原理，通过共振腔达到了水力脉冲振动的目的，不会阻止正常的工作排量，同时还具备结构简单，维护方便的优点。

可选地，所述上喷嘴(2)与所述上接头(1)之间设置有密封圈(6)。

可选地，所述下喷嘴(3)与所述下接头(5)之间设置有密封圈(6)，所述下接头(5)的连接嘴上设置有密封圈(6)。

可选地，所述上接头(1)内腔室长度l₁与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为2.0～2.8，所述下喷嘴(3)的直径d₂与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为1.0～1.4，所述上接头(1)内的腔室直径d与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为8.6～9.0，所述上喷嘴(2)采用出口带圆柱段的锥度为22度～24度的渐缩形喷嘴。

具体地，所述上接头(1)内腔室长度l₁与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为2.4，所述下喷嘴(3)的直径d₂与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为1.2，所述上接头(1)内的腔室直径d与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为8.8，所述上喷嘴(2)采用出口带圆柱段的锥度为23度的渐缩形喷嘴。

水力振荡器原理如下：

1、自激振荡脉冲产生的机理

根据流体诱发自激振荡原因，可将流体自激振荡分为三类：

A.流体动力学激励，即通过剪切层不稳定性产生扰动，并使扰动放大，再经反馈作业使扰动加强。

B.流体共振激励，即通过共振波效应引起脉动，在合适的流体结构中产生驻波，将压力放大。

C.流体弹性激励，即通过结构固体边界周期性变形来产生脉动。

事实上，在实际自激振荡脉冲中，并不是某一个原因单独起作用的，往往是三个原因共同发生作业将连续射流转变为脉冲射流，其机制图如图1所示。

2、A.流阻：把定常流动状态下的流体部件的流阻定义为该流体部件两端的压力差与通过它的流量之比，即：

$R_m=\frac{\mathrm{\Δ}P}{G}$

当流型为层流时，ΔP与G成线性关系，有：

$R_m=\frac{\mathrm{\Δ}P}{Au\mathrm{\ρ}}=\frac{128\mathrm{\μ}l}{{\mathrm{\π\ρd}}^4}$

当流型为紊流时，ΔP与G的关系为：

ΔP＝KGⁿ

R_m＝KG^n-1

式中：u-速度；d-入口或出口直径；1-入口或出口段长度；n-流体的特性系数；μ-流体的动力粘性系数；ρ-流体的密度

流阻的大小是由Helmholtz共振腔本身的结构参数和材料决定的，就如同电阻是由本身的结构尺寸和材料性质决定，而与电流和电压无关一样，但是目前还没有计算流阻的理论公式，为了方便计算，根据流体网络理论给出了它的定义，由定义可以知道，对于层流来说，只要流体类型确定，入口和出口的结构一定，流阻就相应地确定下来，而对于本文所研究的Helmholtz共振腔而言，流体流态全部为紊流状态，所以流阻除了与流量有关以外，还与流性指数、经验常数有关。

B.流容

实际流体都存在可压缩性，对于液体来说，要在较大的压力下才能表现出。任何体积一定的容器都具有可压缩流体相联系的流体容量，容器内压力的变化会引起其中流体质量的变化，容器内流体质量随压力的升高而增加，即容器内将产生质量的聚集，Helmholtz共振腔利用了碰撞下游壁的边界层流体反馈、放大产生压力的变化，从而导致流量的变化。

流体的流容定义为体积的变化与引起体积变化的压力变化之比，即：

对于流体管路，流容为：式中，α-声速。

3、流感

在流体网格理论中，任何发生高速瞬态流动的地方，都会由于流体的惯性使流体质量加速或减速，导致压力的变化。与电学中的电感定义相对应，流感可以定义为管两端的压力变化与流量变化率之比，即：进一步推导得：L_m＝l/A，

式中，l-腔室长度；A-腔室截面积。

流感是液体惯性的表现，它把压能转变为动能而存储起来。

在后面的讨论中，采用的是质量流阻、质量流感、质量流容，为方便书写，将下标”m”略去。

4、求解Helmholtz共振腔的固有频率

共振腔结构示意图及其等效线路图如图2和图3所示。

根据水电比拟的流体网格理论，在Helmholtz共振腔的进口和出口，由于流体速度很高，所以应该同时考虑出现流阻和流感，因而在等效线路图中，有两个不同的流阻和两个不同的流感。由对应的等效线路图，可以列出流量和压力的关系，方程如下：

G＝G₁-G₂

$P_1-P_2={\mathrm{GR}}_2+L_1\frac{dG}{dt}+G_2{R}_2+L_2\frac{{\mathrm{dG}}_2}{dt}$

$\frac{1}{C}\∫G_{1}dt=G_2{R}_2+L_2\frac{{\mathrm{dG}}_2}{dt}$

显然，线路的总阻抗为：

$\begin{array}{c}Z=R_1+{\mathrm{j\ωL}}_1+\frac{\frac{1}{j\mathrm{\ω}C}\left(R_2+{\mathrm{j\ωL}}_2\right)}{R_2+{\mathrm{j\ωL}}_2+\frac{1}{j\mathrm{\ω}C}}\\ =R_1+\frac{R_2}{{\mathrm{\ω}}^2{C}^2{R}_2^2+{\left(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_{2}C\right)}^2}+j\mathrm{\ω}\[L_1+\frac{L_2-{\mathrm{\ω}}^2{L}_{2}C-R_2^{2}C}{{\mathrm{\ω}}^2{C}^2{R}_2^2+{\left(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_{2}C\right)}^2}\]\end{array}$

虚部为0时，开始谐振，即：

$L_1+\frac{L_2-{\mathrm{\ω}}^2{L}_{2}C-R_2^{2}C}{{\mathrm{\ω}}^2{C}^2{R}_2^2+{\left(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_{2}C\right)}^2}=0$

求解固有频率：

令ω²＝x，则上式变形为如下形式：

$L_1{(1-{\mathrm{xL}}_{2}C)}^2+L_1{\mathrm{xC}}^2{R}_2^2=L_2^{2}C-L_2-R_2^{2}C$

整理后得：

$L_1{L}_2^2{C}^2{x}^2+\left(L_1{C}^2{R}_2^2-2L_1{L}_{2}C-L_2^{2}C\right)x+\left(L_1+L_2-R_2^{2}C\right)=0$

这是一个一元二次方程，求解得：

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{2L_1{L}_2+L_2^2-L_1{\mathrm{CR}}_2^4\±\sqrt{L_1{C}^2{R}_2^4-4L_1^2{L}_2{\mathrm{CR}}_2^2+2L_1{L}_2^2{\mathrm{CR}}_2^2+L_2^4}}{2L_1{L}_2^{2}C}}$

由得：

式中正负号的取舍应使表达式有意义为准。

再由流体网络理论中得出的L₁，L₂，C，R₂的表达式代入上式中，即可求出Helmholtz共振腔的固有频率。

由上述求解方法可以看出，共振腔的固有频率不但与入口、出口的长度和直径有关，而且与腔室的直径和长度也有关。即Helmholtz共振腔固有频率完全由共振腔本身的参数决定，只有在外加作用力的频率与共振腔的固有频率相等或成整数倍时，谐振才能发生，因此在实际应用中可以根据使用条件，采取改变参数L和C的办法使得共振腔达到谐振。

5、Helmholtz(亥姆赫兹)共振腔发生揩振的条件

CROW和CHAMPAGNE对无撞击射流结构的研究表明，在射流中，轴对称拢动获得最大增幅的频率，对应于Strouhal数等于0.3左右。由已推导出振荡腔的固有频率计算公式，当腔内的压力扰动频率接近这一自然频率时，压力扰动将大大地放大。就这种装置而言，形成信号放大的最重要环节是扰动从撞击区向自由剪切层近分离区的逆向传播。反过来，这种逆向反射的扰动一旦到达剪切层的近分离区，便涡量脉动又从剪切层返回并得以放大，这样最终在撞击区产生周期性扰动，所以腔室入口与出口的相互干涉必须有一个正确的相位关系。

由给出的Helmholtz共振腔的固有频率再由Strouhal数的表达式，可以得到如下关系式：

S＝0.3n

$S=\frac{fD}{U}$

其中，m，n＝1，2，3，4......

由上式可以得到：

由此可以求出谐振时的最优流量G，其关系式如下：

由上式可以看出，对于给定的Helmholtz共振腔，它的直径和固有频率是不变的，所以流量只是(m/n)的函数，即：G_优＝f(m/n)

6、共振腔的设计

影响自激振荡效果的因素包括主要结构参数(腔室长度，上下游喷嘴直径，碰撞壁形状，腔室形状等)

A.腔室长度的设计

假设共振腔的上喷嘴直径为d₁,腔室长度为l,在淹没条件下，随着l/d₁的增大振荡越强，当l/d₁＝2.4时，振荡效果最好，此后若再增大，振荡效果将变差。

B.碰撞壁的设计

采用120度锥形截面，由于在实际使用过程中，碰撞壁一直处于强烈的冲蚀状态，其磨损不可避免，随着碰撞壁磨损加剧，压力脉动将逐渐减小，当磨损半径在0-0.13mm范围内时，能形成强烈的自激振荡脉冲，因此，应当使用而磨损的材料做为碰撞壁。

C.上下游喷嘴直径

假设上下流喷嘴直径的比为d₂/d₁，那么在d₂/d₁＝1.2时脉动现象最佳。

D.腔室形状和直径

采用圆柱形内腔，假设腔室直径与上喷嘴直径之比为d/d₁,取d/d₁＝8.8。

E.上喷嘴形状

采用出口带圆柱段的锥度为23度的渐缩形喷嘴。

本申请涉及到对赫姆霍兹原理的使用，是通过在共振腔产生共振频率(8～13HZ)，在共振频率的影响下，井下工具串和连续油管就像是在井内流动的物体，降低了连续油管和井壁接触所产生的静摩擦力，这样就可以让连续油管的重量和注入头的力把连续油管推的更深。

本申请与现有技术对比分析：

1、现有的水力振荡器为旋转脉冲原理，是通过不断的改变液体流通通道大小来实现压力的波动，从而带动振动短节的振动；本申请是通过流体力学上的赫姆霍兹原理，巧妙地共振腔设计可以使得液流达到自激振荡的目的，同时可以引起整个连续油管的自激振荡，降低的不仅仅是工具串的摩擦阻力，也降低了已入井连续油管的摩擦阻力，室的工作效率更高。

2、现有的水力振荡器多为螺杆马达带动脉冲器旋转，螺杆马达的维修费用相当昂贵，寿命成本很高，维修难度也较大，遇到不洁净的液流会引起重大的故障；本申请的水力振荡器结构简单，通过复杂的水力计算，可以认为的改变振动频率，对液流的洁净度敏感度低，使用寿命更长。

3、现有的水力振荡器需要改变液流面积，因而造成对下游马达供液的不稳定性冲击，使得马达的工作效率不能充分发挥。本申请的振荡器没有采用截流的手段，也流通道畅通，对马达能效的发挥提供了至关重要的作用。

综上所述，本申请提供的水力振荡器利用水力学中的赫姆霍兹原理，通过共振腔达到了水力脉冲振动的目的，不会阻止正常的工作排量，同时还具备结构简单，维护方便的优点。

在本申请的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种水力振荡器，其特征在于，包括：

上接头(1)；

上喷嘴(2)，密封安装在所述上接头(1)内；

下喷嘴(3)，密封安装在所述上接头(1)内；

定位套(4)，安装在所述上接头(1)内、并位于所述上喷嘴(2)和所述下喷嘴(3)之间；和

下接头(5)，与所述上接头(1)相连接，并压紧所述下喷嘴(3)、所述定位套(4)和所述上喷嘴(2)于所述上接头(1)内部的阶梯面上。

2.根据权利要求1所述的水力振荡器，其特征在于，所述上喷嘴(2)与所述上接头(1)之间设置有密封圈(6)。

3.根据权利要求1所述的水力振荡器，其特征在于，所述下喷嘴(3)与所述下接头(5)之间设置有密封圈(6)。

4.根据权利要求1所述的水力振荡器，其特征在于，所述下接头(5)的连接嘴上设置有密封圈(6)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的水力振荡器，其特征在于，所述上接头(1)内腔室长度l₁与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为2.0～2.8。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的水力振荡器，其特征在于，所述下喷嘴(3)的直径d₂与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为1.0～1.4。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的水力振荡器，其特征在于，所述上接头(1)内的腔室直径d与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为8.6～9.0。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的水力振荡器，其特征在于，所述上喷嘴(2)采用出口带圆柱段的锥度为22度～24度的渐缩形喷嘴。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的水力振荡器，其特征在于，所述上接头(1)内腔室长度l₁与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为2.4，所述下喷嘴(3)的直径d₂与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为1.2，所述上接头(1)内的腔室直径d与所述上喷嘴(2)的直径d₁的比为8.8，所述上喷嘴(2)采用出口带圆柱段的锥度为23度的渐缩形喷嘴。