CN108468514B - 一种用于井下水力振荡器的振荡装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振荡装置，具体涉及一种用于井下水力振荡器的振荡装置。它由振荡短节构成，振荡短节由外管体、花键套、振荡短节接头、射流元件、缸套、活塞杆、振荡活塞、花键轴、旋转套、振荡盘和缸盖构成，外管体的一端通过花键套螺纹安装有振荡短节接头；外管体内装有射流元件,射流元件一侧的外管体内通过缸套和缸盖安装有活塞杆，活塞杆的一端端头通过固定螺母安装有振荡活塞；活塞杆的另一端延伸至缸盖外端。该振荡短节结构简单，安装方便，具有径向尺寸小，水平钻井稳定性好，能有效防止托压的问题，可实现水力轴向振动，可有效降低水平井作业中的摩阻，提高水平井作业的效率。特别适用于长水平、大斜度及多分支水平井等作业使用。

Description

一种用于井下水力振荡器的振荡装置

技术领域

本发明涉及一种振荡装置，具体涉及一种用于井下水力振荡器的振荡装置。

背景技术

近年来，随各大油田勘探技术的不断深入，油井井身结构复杂度逐渐增加，长水平、大斜度及多分支水平井等的数量增加等问题对钻井工程提出了新的现实要求，使水力振荡器等工具的发展空间和需求得到了提升。就如何提高水平井水平段长度和实现快速钻进等问题成为了石油产业相关研究关注的焦点。复杂的井身结构，不仅对钻井技术和方法提出了较高的要求，而且较大的井斜角使石油钻杆柱与井壁间的摩擦阻力明显增大，降低了钻压的传递效率，影响了机械钻进速度。国内外学者就如何提高水平井中水平段长度和实现快速钻进等问题进行了大量的研究工作。井下动力钻具如水力振荡器等由于具有提高机械钻速、增加单只钻头进尺、便于定向控制井眼轨迹并且能使滑动送钻时钻柱与井壁之间的静摩擦转变为滑动摩擦以减小摩阻等诸多优点，使其发展空间和需求得到了大大的提升，也得到了广大科研工作者的高度关注。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种能够有效减小钻柱与井壁之间的摩擦阻力、避免卡钻事故的发生，进而提高钻井效率的用于井下水力振荡器的振荡装置。

本发明的技术方案是：

一种用于井下水力振荡器的振荡装置,它由振荡短节构成，振荡短节由外管体、花键套、振荡短节接头、射流元件、缸套、活塞杆、振荡活塞、花键轴、旋转套、振荡盘和缸盖构成，外管体的一端通过花键套螺纹安装有振荡短节接头；外管体内一端通过安装座固装有射流元件, 射流元件一侧的外管体内通过缸套和缸盖安装有活塞杆，活塞杆的一端端头通过固定螺母安装有振荡活塞；活塞杆的另一端延伸至缸盖外端；花键套和振荡短节接头内通过旋转套安装有花键轴；旋转套的内壁上和与其对应的花键轴圆周上设置有螺旋弹道，螺旋弹道内设置有旋转钢球；旋转套一侧的花键轴上通过同步套安装有滑动钢球，花键轴与活塞杆螺纹连接。

所述的射流元件为矩形体，射流元件由中间板、左侧板和右侧板构成，中间板的一侧设置有左侧板，左侧板上设置有下连通孔，中间板的另一侧设置有右侧板；右侧板上设置有上连通孔；中间板、左侧板和右侧板之间通过螺钉相互固定。

所述的中间板由劈尖、上中间板和下中间板构成，上中间板和下中间板呈上下状设置，上中间板和下中间板之间的一端设置喇叭状的液流进口，另一端设置V字形的液流出口，液流进口与液流出口连通；液流出口内设置有劈尖，上中间板上设置有上液流腔，上液流腔与右侧板上设置的上连通孔和液流出口分别连通，上液流腔一侧的上中间板上设置有上反馈液流腔，与上反馈液流腔对应的左侧板上设置有上反馈流道，上反馈流道一端与上反馈液流腔连通，上反馈流道另一端与液流出口连通；下中间板上设置有下液流腔，下液流腔与左侧板上设置的下连通孔和液流出口分别连通，下液流腔一侧的下中间板上设置有下反馈液流腔，与下反馈液流腔对应的右侧板上设置有下反馈流道，下反馈流道一端与下反馈液流腔连通，下反馈流道另一端与液流出口连通。

所述的花键轴上设置有花键轴中心孔，花键轴中心孔一端的花键轴圆周上径向设置有连通孔，连通孔与花键轴中心孔连通。

所述的旋转套为筒状体，旋转套的一端端口上固装有振荡盘，振荡盘上偏心设置有液流口。

所述的振荡盘一侧的振荡短节接头的中心孔内设置有堵板，堵板上偏心设置有液流孔，液流口与液流孔滑动密封连接。

所述的缸套为圆柱体，缸套内设置有活塞腔，活塞腔前端的缸套上设置有上进液孔，活塞腔通过上进液孔与液流出口连通；活塞腔下方的缸套上设置有缸套下流道，缸套下流道的一端与液流出口连通；缸套下流道的另一端与活塞腔连通。

所述的缸套圆周一侧设置有左流道，左流道与左侧板上设置的下连通孔连通，缸套圆周另一侧设置有右流道，右流道与右侧板上设置的上连通孔连通。

所述的缸盖与活塞杆之间设置有旋转轴承，旋转轴承一侧的缸盖与活塞杆之间设置有密封圈，缸盖的圆周上与缸套的左流道和右流道对应状设置有缸盖左流道和缸盖右流道，左流道与缸盖左流道连通，右流道与缸盖右流道连通。

本发明的有益效果在于：

该振荡装置结构简单，安装方便，具有径向尺寸小，水平钻井稳定性好，能有效防止托压的问题，工作时通过与振动短节的配合构成井下水力振荡器，并在工作过程中配合连续管作业，可实现水力轴向振动，可有效降低水平井作业中的摩阻，提高水平井作业的效率。特别适用于长水平、大斜度及多分支水平井等作业使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为本发明的射流元件的剖视结构示意图，

图3为图2中的A—A向截面结构示意图，

图4为图2中的B—B向截面结构示意图，

图5为图2中的C—C向截面结构示意图，

图6为本发明的缸套的剖视结构示意图，

图7为图8的截面结构示意图，

图8为本发明的缸盖的剖视结构示意图，

图9为缸盖的截面结构示意图，

图10为本发明的与振动短节的连接示意图，

图11为图10中振动短节的结构示意图。

图中：1、振动短节，2、振荡短节，3、芯轴，4、上接头，5、下接头，6、外管，7、中间接头，8、活塞，9、隔套，10、推板，11、碟簧，12、芯轴中接头，13、芯轴下接头，14、平衡孔，15、外管体，16、花键套，17、振荡短节接头，18、缸套，19、活塞杆，20、振荡活塞，21、花键轴，22、旋转套，23、振荡盘，24、缸盖，25、安装座，26、中间板，27、左侧板，28、右侧板，29、下连通孔，30、上连通孔，31、劈尖，32、上中间板，33、下中间板，34、液流进口，35、液流出口，36、上液流腔，37、上反馈液流腔，38、上反馈流道，39、下液流腔，40、下反馈液流腔，41、下反馈流道，42、活塞腔，43、上进液孔，44、缸套下流道，45、左流道，46、右流道，47、旋转轴承，48、缸盖左流道，49、缸盖右流道，50、螺旋弹道,51、旋转钢球，52、同步套，53、滑动钢球，54、液流口，55、花键轴中心孔，56、连通孔，57、液流孔。

具体实施方式

该用于井下水力振荡器的振荡装置由振荡短节2构成，振荡短节2由外管体15、花键套16、振荡短节接头17、射流元件、缸套18、活塞杆19、振荡活塞20、花键轴21、旋转套22、振荡盘23和缸盖24构成，外管体15的一端通过花键套16螺纹安装有振荡短节接头17；外管体15内一端固定安装有安装座25，安装座2一侧通过固定螺栓固装有射流元件。

射流元件为矩形体，射流元件由中间板26、左侧板27和右侧板28构成，中间板26的一侧设置有左侧板27，左侧板27上设置有下连通孔29，中间板26的另一侧设置有右侧板28；右侧板28上设置有上连通孔30；中间板26、左侧板27和右侧板28之间通过螺钉相互固定。

中间板26由劈尖31、上中间板32和下中间板33构成，上中间板32和下中间板33呈上下状设置，上中间板32和下中间板33之间的一端设置喇叭状的液流进口34，另一端设置有V字形的液流出口35，液流进口34与液流出口35连通；液流出口35内设置有劈尖31，劈尖31呈锥形体，由于劈尖31设置在液流出口35内，在其锥尖的作用下，可将流入的液体劈分成上下两部分。

上中间板32上设置有上液流腔36，上液流腔36与右侧板28上设置的上连通孔30和液流出口35分别连通，上液流腔36一侧的上中间板28上设置有上反馈液流腔37，与上反馈液流腔37对应的左侧板27上设置有上反馈流道38，上反馈流道38一端与上反馈液流腔37连通，上反馈流道38另一端与液流出口35连通；上反馈液流腔37与液流进口34尾端连通。

下中间板33上设置有下液流腔39，下液流腔39与左侧板27上设置的下连通孔29和液流出口35分别连通，下液流腔39一侧的下中间板33上设置有下反馈液流腔40，与下反馈液流腔40对应的右侧板28上设置有下反馈流道41，下反馈流道41一端与下反馈液流腔40连通，下反馈流道41另一端与液流出口35连通。下反馈液流腔40与液流进口34尾端连通。

射流元件一侧的外管体15内通过缸套18和缸盖24安装有活塞杆19，缸套18为圆柱体，缸套18内设置有活塞腔42，活塞腔42前端的缸套18上设置有上进液孔43，活塞腔42前端通过上进液孔43与液流出口35连通；活塞腔42下方的缸套18上设置有缸套下流道44，缸套下流道44的一端与液流出口35连通；缸套下流道35的另一端与活塞腔42后端连通。

缸套18圆周一侧设置有左流道45（左流道45由缸套18圆周左侧的凹槽配合外管体15的内壁形成），左流道45与左侧板27上设置的下连通孔29连通，缸套18圆周另一侧设置有右流道46（右流道46由缸套18圆周右侧的凹槽配合外管体15的内壁形成），右流道46与右侧板28上设置的上连通孔30连通。

活塞腔42内活塞杆19的一端端头通过固定螺母安装有振荡活塞20；活塞杆19的另一端延伸至缸盖24外端；缸盖24与活塞杆19之间设置有旋转轴承47，旋转轴承47一侧的缸盖24与活塞杆19之间设置有密封圈，以保证缸套18内的密封。缸盖24的圆周上与缸套18的左流道45和右流道46对应状设置有缸盖左流道48和缸盖右流道49，左流道45与缸盖左流道48连通，右流道46缸盖右流道49连通。

缸盖24一侧的花键套16和振荡短节接头17内通过旋转套22安装有花键轴21；延伸至缸盖24外端的活塞杆19与花键轴21螺纹连接。花键轴21与花键套16之间为滑动键连接；旋转套22的内壁上和与其对应的花键轴21圆周上分别设置有螺旋弹道50，螺旋弹道50内设置有旋转钢球51；为保持旋转钢球51的均匀设置，旋转钢球51可通过保持架设置，以避免工作过程中旋转钢球51挤堆。旋转套22与振荡短节接头17之间设置有滚珠轴承，以保证旋转套22转动的灵活性。

旋转套22一侧的花键轴21上通过同步套52安装有滑动钢球53，用于花键轴21的支撑及滑动。同步套52和旋转套22分别为筒状体，同步套52的圆周上轴向均布有安装槽，用于滑动钢球53的安装，旋转套22的一端端口上固装有振荡盘23，振荡盘23上偏心设置有液流口54。

花键轴21上设置有花键轴中心孔55，花键轴中心孔55一端的花键轴21圆周上径向设置有连通孔56，连通孔56与花键轴中心孔55连通。连通孔56同时与缸盖左流道48和缸盖右流道49连通。

振荡盘23一侧的振荡短节接头17的中心孔内设置有堵板，堵板上偏心设置有液流孔57，液流口54与液流孔57滑动密封连接（间歇接触连接）。

该振荡短节2通过外管体15与振动短节1螺纹连接构成井下水力振荡器。振动短节1由芯轴3、上接头4、下接头5、外管6、中间接头7和活塞8构成，外管6的一端通过中间接头7螺纹安装有下接头5，外管6的另一端螺纹安装有上接头4，外管6内设置有芯轴3，芯轴3的一端延伸至上接头4外端，芯轴3为变径管状体，芯轴3与上接头4之间为滑动连接。

外管6内的芯轴3上通过隔套10和推板9安装有碟簧11；推板11与外管6内壁滑动连接。中间接头7内的芯轴3上通过芯轴中接头12和芯轴下接头13安装有活塞8，活塞8外周与中间接头7内壁之间为滑动连接；活塞8外周与中间接头7之间设置有密封圈；以保证活塞8与中间接头7之间的密封性。芯轴中接头12和芯轴下接头13分别为管状体，芯轴中接头12与芯轴3螺纹连接；芯轴中接头12的一端与芯轴下接头13螺纹连接，芯轴中接头12的另一端与推板10接触连接。上接头4和中间接头7的圆周上分别设置有平衡孔14，以在工作中保证外管6内、外的压力平衡。振动短节1通过下接头5与振荡短节2的外管体15螺纹连接。

井下水力振荡器配合连续油管工作时，钻井液首先由振动短节1的芯轴3中间的通孔进入至振荡短节2内，进入至振荡短节2内的钻井液经射流元件的液流进口34进入至射流元件，由于液流进口34呈喇叭状，钻井液大进小出，具有一定的限流作用，在液流进口34的作用下，钻井液形成高压射流，然后经液流出口35射出，这一过程中，由于液流出口35内设置有锥形体的劈尖31，在劈尖31的作用下，钻井液被劈分成上下两部分。劈尖31上部分的钻井液经上进液孔43进入至振荡活塞20前端的活塞腔42内，劈尖31下部分的钻井液经缸套下流道44在振荡活塞20的后端面处汇集，并形成压力作用至振荡活塞20的后端面上，同时由于缸套下流道44的容积相对活塞腔42容积小，在振荡活塞20的后端面处汇集的钻井液充满腔体后，其压力推动振荡活塞20前行（向活塞腔42左端运行）；这一过程中，振荡活塞20的前端面挤压活塞腔42内的钻井液，迫使活塞腔42内的钻井液由上进液孔43排出。

钻井液由上进液孔43排出以及振荡活塞20前行的同时，振荡活塞20通过活塞杆19带动花键轴21前行，由于花键轴21通过旋转套22安装在振荡短节接头17，且旋转套22的内壁上和与其对应的花键轴21圆周上分别设置有螺旋弹道50，螺旋弹道50内设置有旋转钢球51；活塞杆19带动花键轴21前行的过程中，在螺旋弹道50和螺旋弹道50内设置的旋转钢球51作用下，旋转套22开始转动，由此带动振荡盘23转动，从而使液流口54与液流孔57之间产生周期性的闭合和开启。

振荡活塞20前行的过程中，劈尖31上部分的钻井液不再经上进液孔43进入至活塞腔42内；此时，劈尖31上部分的以及上进液孔43内的钻井液一部分经上反馈流道38进入上反馈液流腔37，另一部分钻井液进入至上液流腔36内。

由于上反馈液流腔37与液流进口34尾端连通，进入上反馈液流腔37的钻井液与源源不断进入至液流进口34的钻井液汇集后，由缸套下流道44在振荡活塞20的后端面处不断汇集，由此使振荡活塞20不断前行，并运行至极限位置。

进入至上液流腔36内的钻井液经上连通孔30、右流道46、缸盖右流道49和连通孔56进入至花键轴中心孔55内；然后经液流口54和液流孔57排出，由于液流口54和液流孔57分别呈偏心设置；且振荡盘23随旋转套22转动；振荡盘23转动过程中使液流口54与液流孔57之间产生周期性的闭合和开启；由此使得过流面积周期性的改变，进而形成压力脉冲，该压力脉冲经振荡短节接头17、花键套16和外管体15即可反作用于振动短节1上。

液流口54与液流孔57之间产生周期性的闭合和开启的过程中，其闭合时（液流口54与液流孔57呈错位状态时），钻井液流道被整体截断；振动短节1内的钻井液同时在液流进口34的限流作用下形成汇集，并作用至活塞8的右侧端面上，随着钻井液的压力增加，推动活塞8前行（向右移动），这一过程中；活塞8带动芯轴中接头12和芯轴下接头13整体运动，从而带动芯轴3由上接头4伸出，形成芯轴3的轴向冲击力；该轴向冲击力配合振荡短节2的压力脉冲带动连续油管，可使连续油管与井壁之间的静摩擦转化为动摩擦，并改变摩擦方向，由此减少了摩擦造成的能量损失，起到了降低摩阻的功能。芯轴3由上接头4伸出的同时，芯轴中接头12通过推板9压缩碟簧11使其发生弹性形变并蓄能；当碟簧11被压缩至极限时，液流口54与液流孔57之间形成开启时（液流口54与液流孔57呈重合状态时），钻井液流道被整体连通；钻井液经液流进口34再次进入至射流元件内，此时，振动短节1的钻井液压力小于碟簧11的张力，在碟簧11的作用下，芯轴3复位。

再次进入至射流元件内的钻井液在在劈尖31的作用下，再次被劈分成上下两部分。劈尖31下部分的钻井液由于缸套下流道44处于满液状态不再进入缸套下流道44内，劈尖31上部分的钻井液经上进液孔43进入至活塞腔42内并作用至振荡活塞20的前端面上，随着压力的增加，推动振荡活塞20后行复位，这一过程中，振荡活塞20的这一过程中，振荡活塞20的后端面挤压活塞腔42内的钻井液，迫使振荡活塞20后端的活塞腔42内的钻井液由缸套下流道44排出。

钻井液由缸套下流道44排出以及振荡活塞20后行复位的同时，振荡活塞20通过活塞杆19带动花键轴21后行复位，由于花键轴21通过旋转套22安装在振荡短节接头17，且旋转套22的内壁上和与其对应的花键轴21圆周上分别设置有螺旋弹道50，螺旋弹道50内设置有旋转钢球51；活塞杆19带动花键轴21后行的过程中，在螺旋弹道50和螺旋弹道50内设置的旋转钢球51作用下，旋转套22开始反向转动，由此带动振荡盘23反向转动，从而使液流口54与液流孔57之间再次产生周期性的闭合和开启。

振荡活塞20后行复位的过程中，劈尖31上部分的钻井液经上进液孔43不断进入至活塞腔42内；此时，劈尖31下部分的以及缸套下流道44内的钻井液一部分经下反馈流道41进入下反馈液流腔40，另一部分钻井液进入至下液流腔39内。

由于下液流腔39与液流进口34尾端连通，进入下液流腔39的钻井液与源源不断进入至液流进口34的钻井液汇集后，由上进液孔43进入并在振荡活塞20前端的活塞腔42内不断汇集，由此使振荡活塞20不断后行，并运行至极限位置。

进入至下液流腔39内的钻井液经下连通孔29、左流道45、缸盖左流道48和连通孔56进入至花键轴中心孔55内；然后经液流口54和液流孔57排出，由于液流口54和液流孔57分别呈偏心设置；且振荡盘23随旋转套22转动；振荡盘23转动过程中使液流口54与液流孔57之间产生周期性的闭合和开启；由此使得过流面积周期性的改变，进而形成压力脉冲，该压力脉冲经振荡短节接头17、花键套16和外管体15即可反作用于振动短节1上，至此一个工作循环完成。

该井下水力振荡器结构简单，安装方便，具有径向尺寸小，水平钻井稳定性好，能有效防止托压的问题，工作过程中配合连续管作业，同时在振荡短节2的压力脉冲和振动短节1的轴向冲击的双重配合作用下，可实现水力轴向振动，进而可使连续油管与井壁之间的静摩擦转化为动摩擦，并改变摩擦方向，由此减少了摩擦造成的能量损失，降低了摩阻，由此提高了水平井作业的效率。特别适用于长水平、大斜度及多分支水平井等作业使用。

Claims (1)

1.一种用于井下水力振荡器的振荡装置；它由振荡短节（2）构成，其特征在于：振荡短节（2）由外管体（15）、花键套（16）、振荡短节接头（17）、射流元件、缸套（18）、活塞杆（19）、振荡活塞（20）、花键轴（21）、旋转套（22）、振荡盘（23）和缸盖（24）构成，外管体（15）的一端与振动短节（1）的下接头（5）螺纹连接；外管体（15）的另一端通过花键套（16）螺纹安装有振荡短节接头（17）；外管体（15）内一端通过安装座（25）固装有射流元件, 射流元件一侧的外管体（15）内通过缸套（18）和缸盖（24）安装有活塞杆（19），活塞杆（19）的一端端头通过固定螺母安装有振荡活塞（20）；活塞杆（19）的另一端延伸至缸盖（24）外端；花键套（16）和振荡短节接头（17）内通过旋转套（22）安装有花键轴（21）；旋转套（22）的内壁上和与其对应的花键轴（21）圆周上设置有螺旋弹道（50），螺旋弹道（50）内设置有旋转钢球（51）；旋转套（22）一侧的花键轴（21）上通过同步套（52）安装有滑动钢球（53），花键轴（21）与活塞杆（19）螺纹连接；

所述的射流元件为矩形体，射流元件由中间板（26）、左侧板（27）和右侧板（28）构成，中间板（26）的一侧设置有左侧板（27），左侧板（27）上设置有下连通孔（29），中间板（26）的另一侧设置有右侧板（28）；右侧板（28）上设置有上连通孔（30）；中间板（26）、左侧板（27）和右侧板（28）之间通过螺钉相互固定；

所述的中间板（26）由劈尖（31）、上中间板（32）和下中间板（33）构成，上中间板（32）和下中间板（33）呈上下状设置，上中间板（32）和下中间板（33）之间的一端设置喇叭状的液流进口（34），另一端设置V字形的液流出口（35），液流进口（34）与液流出口（35）连通；液流出口（35）内设置有劈尖（31），上中间板（32）上设置有上液流腔（36），上液流腔（36）与右侧板（28）上设置的上连通孔（30）和液流出口（35）分别连通，上液流腔（36）一侧的上中间板（26）上设置有上反馈液流腔（37），与上反馈液流腔（37）对应的左侧板（27）上设置有上反馈流道（38），上反馈流道（38）一端与上反馈液流腔（37）连通，上反馈流道（38）另一端与液流出口（35）连通；下中间板（33）上设置有下液流腔（39），下液流腔（39）与左侧板（27）上设置的下连通孔（29）和液流出口（35）分别连通，下液流腔（39）一侧的下中间板（33）上设置有下反馈液流腔（40），与下反馈液流腔（40）对应的右侧板（28）上设置有下反馈流道（41），下反馈流道（41）一端与下反馈液流腔（40）连通，下反馈流道（41）另一端与液流出口（35）连通；

所述的旋转套（22）为筒状体，旋转套（22）的一端端口上固装有振荡盘（23），振荡盘（23）上偏心设置有液流口（54）；

所述的振荡盘（23）一侧的振荡短节接头（17）的中心孔内设置有堵板，堵板上偏心设置有液流孔（57），液流口（54）与液流孔（57）滑动密封连接；

所述的缸套（18）为圆柱体，缸套（18）内设置有活塞腔（42），活塞腔（42）前端的缸套（18）上设置有上进液孔（43），活塞腔（42）通过上进液孔（43）与液流出口（35）连通；活塞腔（42）下方的缸套（18）上设置有缸套下流道（44），缸套下流道（44）的一端与液流出口（35）连通；缸套下流道（44）的另一端与活塞腔（42）连通。

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