CN110485927A - 一种三维水力振荡减阻钻井工具 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种三维水力振荡减阻钻井工具，包括：外壳体；旋转轴，所述旋转轴的下部沿侧壁周向对称设置有贴合凸台；换向筒；所述贴合凸台与所述换向筒相抵靠；传动短节；所述传动短节上端同轴套设一周向密封端盖；所述周向密封端盖上端同轴套设一轴向密封端盖，所述周向密封端盖的外壁上设有周向密封凸台；其中，所述传动短节的内壁设置一轴向承压内凸台与所述轴向密封端盖构成允许钻井液周期性驱动所述传动短节轴向滑动的轴向压力腔体；所述传动短节的外壁设有的周向换液凹槽与所述周向密封端盖构成允许钻井液周期性驱动所述传动短节周向摆动的周向压力腔体。该钻井工具具有较佳的使用稳定性和可靠性。

Description

一种三维水力振荡减阻钻井工具

技术领域

本申请涉及钻井工具领域，尤其涉及一种三维水力振荡减阻钻井工具。

背景技术

随着石油工业的发展，为满足非常规油气资源的开发，水平井、大位移井的比例不断提高。在水平井和大位移井中，由于井筒与井壁接触面积增大，造成摩阻增大，形成“托压”现象，钻压无法传递到钻头，机械钻速低，钻井成本高；同时还会出现憋压、跳钻等状况，严重影响水平井和大位移井的中靶率及井眼质量，这也是制约水平井、大位移井技术发展的一个重要因素。在解决这些问题的方法中，通过在钻柱上增加井下机械装置以此产生一定的预期振动，在近几年发展迅速。

在井下钻柱引入三维水力振荡减阻钻井工具，可以使钻柱产生一定频率和振幅的周期性的振动，使送进过程中的钻柱的静摩擦变成动摩擦，在减小送进过程中的摩擦阻力、提高机械钻速、增加水平进尺和缩短钻进周期方面具有明显优势。

目前的三维水力振荡减阻钻井工具采用的脉冲发生装置主要有阀式、射流式、射吸式等结构，这些工具结构及工作原理复杂，特别是工具的碟簧组结构在往复压缩、恢复过程中导致碟簧失效较快，在井下特别是深井恶劣条件下使用寿命及稳定性、安全性无法满足钻井需要。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本申请的一个目的是提供一种三维水力振荡减阻钻井工具，以能够提高工具的稳定性和可靠性，适应深井作业环境，提升工具使用寿命。

本申请的另一个目的是提供一种三维水力振荡减阻钻井工具，以能够克服水平井钻进中存在的摩阻大、托压、钻井效率较低等问题，该三维水力振荡减阻钻井工具能对下部管柱产生高频率、小幅度的周期性的轴向和周向振动，有效提高机械钻速。

为达到上述至少一个目的，本申请采用如下技术方案：

一种三维水力振荡减阻钻井工具，包括：

外壳体；

同轴设置在外壳体内的旋转轴，所述旋转轴的下部沿侧壁周向对称设置有贴合凸台；

同轴套设于所述旋转轴下部外壁的换向筒；所述旋转轴下部的贴合凸台外壁与所述换向筒内壁相抵靠；

同轴套设于所述换向筒外壁的传动短节；所述传动短节上端同轴套设一周向密封端盖；所述周向密封端盖套设于所述换向筒外；所述周向密封端盖上端同轴套设一轴向密封端盖，所述轴向密封端盖的上端面抵靠在所述外壳体内壁的抵靠台阶；所述周向密封端盖的外壁上设有周向密封凸台；

其中，所述传动短节的内壁设置一轴向承压内凸台与所述轴向密封端盖构成允许钻井液周期性驱动所述传动短节轴向滑动的轴向压力腔体；

所述传动短节的外壁沿周向设置有多个周向承压外凸台以及位于所述周向承压外凸台之间的周向换液凹槽；所述周向换液凹槽与所述周向密封端盖构成允许钻井液周期性驱动所述传动短节周向摆动的周向压力腔体。

作为一种优选的实施方式，所述外壳体包括上接头、上短节和下短节，所述上短节的上端与所述上接头通过螺纹固定连接，所述上短节的下端与所述下短节通过螺纹固定连接；所述上短节的下端面在所述下短节内形成所述抵靠台阶。

作为一种优选的实施方式，所述旋转轴下部的贴合凸台沿轴向依次设置第一轴向配流通孔、周向配流通孔与第二轴向配流通孔；

所述换向筒的侧壁上与所述第一轴向配流通孔、所述第二轴向配流通孔对应高度位置沿轴向设有第一轴向换向通孔、第二轴向换向通孔；

所述换向筒的外侧壁沿轴向在所述第一轴向配流通孔和所述第二轴向配流通孔之间设置换向筒外凸台，所述换向筒外凸台的侧壁与所述周向配流通孔对应高度沿周向等间隔设置多个径向贯通的周向换向通孔；

所述传动短节的周向换液凹槽的内壁与所述周向换向通孔对应高度处沿周向等间隔设置多个周向进液通孔；所述周向进液通孔的宽度大于所述周向换向通孔的宽度；

所述第一轴向配流通孔与所述第一轴向换向通孔、所述第二轴向配流通孔与所述第二轴向换向通孔形成所述轴向压力腔体的供排液通道；

所述周向配流通孔与多个所述周向换向通孔、多个周向进液通孔构成所述周向压力腔体的供排液通道。

作为一种优选的实施方式，所述第一轴向配流通孔、所述周向配流通孔、所述第二轴向配流通孔均沿周向对称设置两个；所述第一轴向换向通孔、所述第二轴向换向通孔沿周向对称设置两个；所述周向换向通孔沿周向等间隔设置四个；所述周向进液通孔沿周向等间隔设置四个。

作为一种优选的实施方式，所述轴向密封端盖包括内圈轴向密封凸台和外圈轴向压紧凸台；所述轴向密封凸台的内壁设置螺纹与所述传动短节的上端内壁螺纹固定连接；所述轴向压紧凸台下端面与所述周向密封端盖同轴设置；

所述周向密封端盖包括端盖轴向定位环；所述端盖轴向定位环的上端面抵靠在所述轴向密封端盖的外圈轴向压紧凸台的下端面；所述端盖轴向定位环的下端面抵靠在所述传动短节的周向承压外凸台的上端面；所述端盖轴向定位环的下方沿周向对称设置两个周向密封凸台，所述周向密封凸台的外侧壁上设置有周向定位凹槽；所述周向定位凹槽周向固定地沿轴向可滑动地卡设于所述下短节内部的导向凸起；

所述周向密封端盖的周向密封凸台同轴套设与所述传动短节的周向换液凹槽内，将所述周向压力腔体分割为第一周向腔体与第二周向腔体。

作为一种优选的实施方式，所述换向筒的上端通过螺纹固定连接在所述上短节的下端内壁，所述换向筒外凸台将所述轴向压力腔体分割为第一轴向腔体与第二轴向腔体。

作为一种优选的实施方式，所述下短节的内部设置有花键槽，所述传动短节的外壁上设置能周向摆动地且沿轴向可滑动地卡设于所述花键槽内的花键。(周向对称设置扇形凸起；所述花键槽位于所述扇形凸起的下方)

作为一种优选的实施方式，所述旋转轴的内部同轴设置一中心孔构成第一钻井液通道；所述旋转轴与所述外壳体之间的环形空间构成第二钻井液通道；所述旋转轴的下部沿轴向设有两个相间隔的贴合凸台；所述贴合凸台之间的过流凹槽与所述换向筒构成泄流通道。

作为一种优选的实施方式，所述第二钻井液通道内在所述旋转轴外同轴套设有涡轮副和轴承组；

所述涡轮副包括沿轴向交替设置的涡轮定子和涡轮转子；所述轴承组包括同心设置于所述涡轮副的上端的第一扶正轴承，以及同心设置于所述涡轮副下端的第二扶正轴承；

所述旋转轴的侧壁在所述第二扶正轴承下端沿周向设置多个回流孔；所述第二钻井液通道内的钻井液通过所述回流孔流入第一钻井液流道；所述回流孔下方设有止推轴承，所述止推轴承座靠在所述上短节的内壁台阶上。

作为一种优选的实施方式，所述换向筒的下部内壁固定设置有节流座，所述节流座包括节流座本体和节流座凸起；所述节流座本体上沿所述节流座凸起的周向均匀设置有多个泄流通孔。

由上所述，本发明提供的三维水力振荡减阻钻井工具具有如下有益效果：

本发明的三维水力振荡减阻钻井工具结构简单，使用寿命长，能够推动下部钻柱做轴向往复和周向扭转运动，钻柱在井底的静摩擦变为动摩擦，钻柱与井壁间的摩擦阻力大幅度降低，有效减少钻头托压问题的产生，保证钻柱为钻头施加有效钻压，从而提高机械钻速和延伸能力。并且，本发明的三维水力振荡减阻钻井工具中没有复位碟簧组，结构简单，使用寿命长。

此外，本发明的三维水力振荡减阻钻井工具的换向是由涡轮定转子驱动旋转轴连续转动实现的，换向方式较为简单，工具的振荡频率可以根据调节涡轮转速实现控制，工具振荡频率高，钻进效率更高。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中的第二状态(反向振荡复位)时三维水力振荡减阻钻井工具剖视图。

图2为图1的第一状态(正向振荡伸出)时三维水力振荡减阻钻井工具剖视图。

图3是图1的旋转轴的示意图。

图4为图1的传动短节的示意图。

图5为图1的轴向密封端盖的示意图。

图6为图1的周向密封端盖的示意图。

图7为图1的换向筒的示意图。

图8A为第一状态时图1中A-A处剖视图。

图8B为第一状态时图1中B-B处剖视图。

图8C为第一状态时图1中C-C处剖视图。

图8D为第一状态时图1中C-C处剖视图。

图9A为第二状态时图1中A-A处剖视图。

图9B为第二状态时图1中B-B处剖视图。

图9C为第二状态时图1中C-C处剖视图。

图9D为第二状态时图1中D-D处剖视图。

附图标记说明：

1、外壳体

11、上接头、12、上短节、13、下短节

131、导向凸起；21、旋转轴；211、分流喷嘴；212、压紧螺母；213、回流孔；214、配流通孔；215、贴合凸台

2141、第一轴向配流通孔；2142、周向配流孔；2143、第二轴向配流通孔；2144、过流凹槽

22、涡轮副

221、涡轮定子；222、涡轮转子

23、轴承组

231、上扶正轴承；232、下扶正轴承；233、止推轴承

31、换向筒

311、换向通孔；312、换向筒外凸台

3111、第一轴向换向通孔；3112、第二轴向换向通孔

3113、第一周向换向通孔；3114、第二周向换向通孔

32、轴向密封端盖

321、轴向密封凸台；322、轴向压紧凸台

33、轴向压力腔体

331、第一轴向腔体；332、第二轴向腔体

34、周向密封端盖

341、轴向定位环；342；周向密封凸台；343、周向定位凹槽

35、周向压力腔体

351、第一周向腔体；352、第二周向腔体

36、传动短节

361、周向进液通孔；362、轴向承压内凸台；363、周向承压外凸台；364、传动花键；365、周向换液凹槽

3611、第一周向进液通孔；3612、第二周向进液通孔、

37、节流座

371、节流座本体；372、节流座凸起；373、泄流通道

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，本申请中所采用的“上”“下”方位可以根据该三维水力振荡减阻钻井工具的实际使用状态定义，另外，“上”“下”也可以根据与井口的远近进行定义，与在读者面对图1、图2时的“上”“下”相符。

请参阅图1至图9D。本申请一种实施例提供一种三维水力振荡减阻钻井工具，包括：外壳体1；同轴设置在外壳体1内的旋转轴21，同轴套设于所述旋转轴21下部外壁的换向筒31；同轴套设于所述换向筒31外壁的传动短节36。

具体的，所述旋转轴21的下部沿侧壁周向对称设置有贴合凸台215。所述旋转轴21下部的贴合凸台215外壁与所述换向筒31内壁相抵靠。所述传动短节36上端同轴套设一周向密封端盖34；所述周向密封端盖34套设于所述换向筒31外；所述周向密封端盖34上端同轴套设一轴向密封端盖32，所述轴向密封端盖32的上端面抵靠在所述外壳体1内壁的抵靠台阶；所述周向密封端盖34的外壁上设有周向密封凸台342。

其中，所述传动短节36的内壁设置一轴向承压内凸台362与所述轴向密封端盖32构成允许钻井液周期性驱动所述传动短节36轴向滑动的轴向压力腔体33。所述传动短节36的外壁沿周向设置有多个周向承压外凸台363以及位于所述周向承压外凸台363之间的周向换液凹槽365。所述周向换液凹槽365与所述周向密封端盖34构成允许钻井液周期性驱动所述传动短节36周向摆动的周向压力腔体35。

本实施例的三维水力振荡减阻钻井工具结构简单，使用寿命长，能够推动下部钻柱做轴向往复和周向扭转运动，钻柱在井底的静摩擦变为动摩擦，钻柱与井壁间的摩擦阻力大幅度降低，有效减少钻头托压问题的产生，保证钻柱为钻头施加有效钻压，从而提高机械钻速和延伸能力。并且，本实施例的三维水力振荡减阻钻井工具中没有复位碟簧组，结构简单，使用寿命长。

此外，本实施例的三维水力振荡减阻钻井工具的换向是由涡轮定转子222驱动旋转轴21连续转动实现的，换向方式较为简单，工具的振荡频率可以根据调节涡轮转速实现控制，工具振荡频率高，钻进效率更高。

本实施例的三维水力振荡减阻钻井工具通过设有轴向压力腔体33以及周向压力腔体35，利用钻井液周期性地驱动轴向压力腔体33和周向压力腔体35，使得传动短节36形成周期性的轴向振动和周向振动，从而带动下部钻井管柱产生周向及轴向的三维振动，形成三维水力振荡减阻钻井。

请继续参阅图1至图9D。所述外壳体1包括上接头11、上短节12和下短节13，所述上短节12的上端与所述上接头11通过螺纹固定连接。所述上短节12的下端与所述下短节13通过螺纹固定连接；所述上短节12的下端面在所述下短节13内形成所述抵靠台阶。

所述旋转轴21下部的贴合凸台215沿轴向设有多个配流通孔214，以形成不同的流道。所述旋转轴21下部的贴合凸台215沿轴向依次设置第一轴向配流通孔2141、周向配流通孔2142与第二轴向配流通孔2143。所述第一轴向配流通孔2141、所述周向配流通孔2142、所述第二轴向配流通孔2143均沿周向对称设置两个。

旋转轴21下部的贴合凸台215具有两个。两个贴合凸台215相间隔对称设置，两个贴合凸台215之间设有对称设置的过流凹槽2144。每个贴合凸台215上各设有沿轴向排列的一个所述第一轴向配流通孔2141、一个所述周向配流通孔2142、一个所述第二轴向配流通孔2143。

换向筒31的侧壁上设有与配流通孔214相对应设置的多个换向通孔311，以配合形成不同的流道。具体的，所述换向筒31的侧壁上与所述第一轴向配流通孔2141、所述第二轴向配流通孔2143对应高度位置沿轴向设有第一轴向换向通孔3111、第二轴向换向通孔3112。所述第一轴向换向通孔3111、所述第二轴向换向通孔3112沿周向对称设置两个。

所述换向筒31的外侧壁沿轴向在所述第一轴向配流通孔2141和所述第二轴向配流通孔2143之间设置换向筒外凸台312。所述换向筒外凸台312的侧壁与所述周向配流通孔2142对应高度沿周向等间隔设置多个径向贯通的周向换向通孔(3113、3114)。

所述传动短节36的周向换液凹槽365的内壁与所述周向换向通孔对应高度处沿周向等间隔设置多个周向进液通孔361。所述周向进液通孔361的宽度大于所述周向换向通孔(3113、3114)的宽度。所述周向换向通孔沿周向等间隔设置四个。所述周向进液通孔361沿周向等间隔设置四个。每个周向换液凹槽365中设有两个周向进液通孔(3611、3612)。

所述第一轴向配流通孔2141、过流凹槽2144与所述第一轴向换向通孔3111、所述第二轴向配流通孔2143与所述第二轴向换向通孔形成所述轴向压力腔体33的供排液通道。所述周向配流通孔2142、过流凹槽2144与多个所述周向换向通孔、多个周向进液通孔361构成所述周向压力腔体35的供排液通道。

具体的，周向配流通道沿周向包括第一周向配流通孔2142和第二周向配流通孔2142。相邻两个周向换向通孔包括第一周向换向通孔3113和第二周向换向通孔3114；位于同一周向换液凹槽365中的两个周向换液通孔包括第一周向进液通孔3611和第二周向进液通孔3612。其中，第一周向配流通孔2142、第一周向换向通孔3113、以及第一周向进液通孔3611形成一通道，第二周向配流通孔2142过流凹槽2144、第二周向换向通孔3114、第二周向进液通孔3612形成一通道，两个通道交替供液排液形成周向压力腔体35的供排液通道。

所述旋转轴21的内部同轴设置一中心孔构成第一钻井液通道。中心孔沿轴向将旋转轴21贯通。所述旋转轴21与所述外壳体1之间的环形空间构成第二钻井液通道。所述旋转轴21的下部沿轴向设有两个相间隔的贴合凸台215。所述贴合凸台215之间的过流凹槽2144与所述换向筒31构成泄流通道。

其中，第一钻井液通道与周向压力腔体35的供排液通道、轴向压力腔体33的供排液通道相通，以向周向压力腔体35、轴向压力腔体33内输入高压钻井液。泄流通道和周向压力腔体35的供排液通道、轴向压力腔体33的供排液通道相通，以排出低压钻井液。

所述轴向密封端盖32包括内圈轴向密封凸台321和外圈轴向压紧凸台322。所述轴向密封凸台321的内壁设置螺纹与所述传动短节36的上端内壁螺纹固定连接。所述轴向压紧凸台322下端面与所述周向密封端盖34同轴设置。

所述周向密封端盖34包括端盖轴向定位环341。所述端盖轴向定位环341的上端面抵靠在所述轴向密封端盖32的外圈轴向压紧凸台322的下端面。所述端盖轴向定位环341的下端面抵靠在所述传动短节36的周向承压外凸台363的上端面。所述端盖轴向定位环341的下方沿周向对称设置两个周向密封凸台342。所述周向密封凸台342的外侧壁上设置有周向定位凹槽343。所述周向定位凹槽343周向固定地沿轴向可滑动地卡设于所述下短节13内部的导向凸起131。

所述周向密封端盖34的周向密封凸台342同轴套设与所述传动短节36的周向换液凹槽365内，将所述周向压力腔体35分割为第一周向腔体351与第二周向腔体352。所述换向筒31的上端通过螺纹固定连接在所述上短节12的下端内壁。所述换向筒外凸台312将所述轴向压力腔体33分割为第一轴向腔体331与第二轴向腔体332。第一周向腔体351和第二周向腔体352交替输入高压钻井液排出低压钻井液，形成周向振动。第一轴向腔体331和第二轴向腔体332交替输入高压钻井液排出低压钻井液，形成轴向振动。

所述下短节13的内部设置有花键槽。所述传动短节36的外壁上设置能周向摆动地且沿轴向可滑动地卡设于所述花键槽内的花键364。下短节13设有周向对称设置扇形凸起。所述花键槽位于所述扇形凸起的下方。传动短节36通过与下短节13花键364连接，可以允许传动短节36沿轴向一定范围的移动，形成轴向振动。并且，花键364与花键槽之间为间隙配合，从而允许下短节13可以沿周向一定范围的转动，形成周向振动。

所述第二钻井液通道内在所述旋转轴21外同轴套设有涡轮副22和轴承组23。具体的，所述涡轮副22包括沿轴向交替设置的涡轮定子221和涡轮转子222。所述轴承组23包括同心设置于所述涡轮副22的上端的上扶正轴承231，以及同心设置于所述涡轮副22下端的下扶正轴承232。旋转轴21外固定设有将上扶正轴承231压紧固定的压紧螺母212。

所述旋转轴21的侧壁在所述下扶正轴承232下端沿周向设置多个回流孔213。所述第二钻井液通道内的钻井液通过所述回流孔213流入第一钻井液流道。所述回流孔213下方设有止推轴承233。所述止推轴承233座靠在所述上短节12的内壁台阶上。

所述换向筒31的下部内壁固定设置有节流座37。节流座37可以对钻井液进行节流，将钻井液的压力升高。所述节流座37包括节流座本体371和节流座凸起372。所述节流座本体371上沿所述节流座凸起372的周向均匀设置有多个泄流通孔373。节流座凸起372位于节流座本体371的上端，整体呈锥形结构。节流座凸起372伸入旋转轴21的中心孔的下端，形成狭窄节流通道。节流座本体371的下端设有外缘法兰盘，多个泄流通道372沿周向均匀设置于该外缘法兰盘上。

下面结合附图1至图9D详细描述本实施例所提供的三维水力振荡减阻钻井工具的工作过程，以便于理解本申请。

三维水力振荡减阻钻井工具在工作过程中，钻井液由上部钻柱通过上接头11流入外壳内，钻井液在节流座37的作用下压力升高。其中，一部分钻井液通过旋转轴21上端的分流喷嘴211直接流向旋转轴21中心孔，一部分钻井液经第二钻井液流道流入涡轮定子221和涡轮转子222的叶片间流道，驱动涡轮转子222旋转，带动旋转轴21顺时针旋转。驱动涡轮转子222转动后的钻井液经回流孔213重新进入第一钻井液流道中。

请参阅图8A至图8D。旋转轴21的中心孔(第一钻井液流道)、第二轴向配流通孔2143和第二轴向换向通孔3112构成轴向高压钻井液供液通道。高压钻井液经轴向高压钻井液供液通道流入第二轴向腔体332。旋转轴21与换向筒31之间的泄流通道、第一轴向换向通孔3111构成轴向低压钻井液排液通道，第一轴向腔体331内的低压钻井液经轴向低压钻井液排液通道排出。

传动短节36的轴向承压内凸台362形成第二轴向腔体332的底壁。换向筒外凸台312的下表面形成第二轴向腔体332的顶壁。轴向密封端盖32固定于传动短节36的上端。轴向密封端盖32的轴向密封凸台321形成第一轴向腔体331的顶壁，换向筒外凸台312的上表面形成第一轴向腔体331的底壁。

在该过程中，轴向承压内凸台362的表面承受高压钻井液压力，轴向密封端盖32的轴向密封凸台321的端面承受低压钻井液压力。在高低压腔体压差作用下，传动短节36沿轴向向下运动，并推动下部钻柱沿轴向向下运动。

旋转轴21的中心孔(第一钻井液流道)、周向配流通孔2142与第二周向换向通孔3114构成周向高压钻井液供液通道。高压钻井液经周向高压钻井液供液通道流入第二周向腔体352。旋转轴21与换向筒31之间的泄流通道、第一周向换向通孔3113构成周向低压钻井液排液通道。第一周向腔体351内低压钻井液经周向低压钻井液排液通道排出。

传动短节36的贴合凸台215沿周向具有第一侧端面和第二侧端面。其中，第一侧端面形成第一周向腔体351的侧壁，第二侧端面形成第二周向腔体352的侧壁。如此，传动短节36的贴合凸台215的第二侧端面为承受高压钻井液压力，传动短节36的贴合凸台215的第一侧端面为承受低压钻井液压力。在高低压腔体压差作用下，传动短节36沿周向顺时针正向运动，并推动下部钻柱沿周向正向运动。

此时旋转轴21、换向筒31、传动短节36位置处于第一运动状态。

参阅如图9A至图9D。旋转轴21顺时针继续转动，使得旋转轴21、换向筒31、传动短节36位置处于第二运动状态。

此时，旋转轴21的中心孔、第一轴向配流通孔2141与第一轴向换向通孔3111构成轴向高压钻井液供液通道。高压钻井液经轴向高压钻井液供液通道流入第一轴向腔体331。旋转轴21与换向筒31之间的泄流通道、第二轴向换向通孔构成轴向低压钻井液排液通道，第二轴向腔体332内的低压钻井液经轴向低压钻井液排液通道排出。

传动短节36的轴向承压内凸台362的表面为承受低压钻井液压力，轴向密封端盖32的轴向密封凸台321的端面为承受高压钻井液压力。在高低压腔体压差作用下，传动短节36沿轴向向上运动，并带动其下部钻柱沿轴向向上运动。

旋转轴21的中心孔、第一周向配流通孔2142与第一周向换向通孔3113构成周向高压钻井液供液通道。高压钻井液经周向高压钻井液供液通道流入第一周向腔体351。旋转轴21与换向筒31之间的泄流通道、第二周向换向通孔3114构成周向低压钻井液排液通道，周向第二腔体内低压钻井液经周向低压钻井液排液通道排出。

传动短节36的贴合凸台215的第一侧端面为承受低压钻井液压力。传动短节36的贴合凸台215的第二侧端面为承受低压钻井液压力。在高低压腔体压差作用下，传动短节36沿轴向逆时针反向运动，并推动下部钻柱沿周向反向运动。

随着旋转轴21的连续转动，轴向高压钻井液供液通道、低压钻井液排液通道与第一轴向腔体331、第二轴向腔体332周期性连通；周向高压钻井液供液通道、低压钻井液排液通道与第一周向腔体351、第二周向腔体352周期性连通，钻井液压差推动振荡结构沿轴向和周向做第一、第二运动状态往复运动，形成三维水力振荡进行钻井。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (10)

1.一种三维水力振荡减阻钻井工具，其特征在于，包括：

外壳体；

同轴设置在外壳体内的旋转轴，所述旋转轴的下部沿侧壁周向对称设置有贴合凸台；

同轴套设于所述旋转轴下部外壁的换向筒；所述旋转轴下部的贴合凸台外壁与所述换向筒内壁相抵靠；

同轴套设于所述换向筒外壁的传动短节；所述传动短节上端同轴套设一周向密封端盖；所述周向密封端盖套设于所述换向筒外；所述周向密封端盖上端同轴套设一轴向密封端盖，所述轴向密封端盖的上端面抵靠在所述外壳体内壁的抵靠台阶；所述周向密封端盖的外壁上设有周向密封凸台；

其中，所述传动短节的内壁设置一轴向承压内凸台与所述轴向密封端盖构成允许钻井液周期性驱动所述传动短节轴向滑动的轴向压力腔体；

所述传动短节的外壁沿周向设置有多个周向承压外凸台以及位于所述周向承压外凸台之间的周向换液凹槽；所述周向换液凹槽与所述周向密封端盖构成允许钻井液周期性驱动所述传动短节周向摆动的周向压力腔体。

2.如权利要求1所述三维水力振荡减阻钻井工具，其特征在于，所述外壳体包括上接头、上短节和下短节，所述上短节的上端与所述上接头通过螺纹固定连接，所述上短节的下端与所述下短节通过螺纹固定连接；所述上短节的下端面在所述下短节内形成所述抵靠台阶。

3.如权利要求2所述三维水力振荡减阻钻井工具，其特征在于，所述旋转轴下部的贴合凸台沿轴向依次设置第一轴向配流通孔、周向配流通孔与第二轴向配流通孔；

所述换向筒的侧壁上与所述第一轴向配流通孔、所述第二轴向配流通孔对应高度位置沿轴向设有第一轴向换向通孔、第二轴向换向通孔；

所述换向筒的外侧壁沿轴向在所述第一轴向配流通孔和所述第二轴向配流通孔之间设置换向筒外凸台，所述换向筒外凸台的侧壁与所述周向配流通孔对应高度沿周向等间隔设置多个径向贯通的周向换向通孔；

所述传动短节的周向换液凹槽的内壁与所述周向换向通孔对应高度处沿周向等间隔设置多个周向进液通孔；所述周向进液通孔的宽度大于所述周向换向通孔的宽度；

所述第一轴向配流通孔与所述第一轴向换向通孔、所述第二轴向配流通孔与所述第二轴向换向通孔形成所述轴向压力腔体的供排液通道；

所述周向配流通孔与多个所述周向换向通孔、多个周向进液通孔构成所述周向压力腔体的供排液通道。

4.如权利要求3所述三维水力振荡减阻钻井工具，其特征在于，所述第一轴向配流通孔、所述周向配流通孔、所述第二轴向配流通孔均沿周向对称设置两个；所述第一轴向换向通孔、所述第二轴向换向通孔沿周向对称设置两个；所述周向换向通孔沿周向等间隔设置四个；所述周向进液通孔沿周向等间隔设置四个。

5.如权利要求4所述三维水力振荡减阻钻井工具，其特征在于，所述轴向密封端盖包括内圈轴向密封凸台和外圈轴向压紧凸台；所述轴向密封凸台的内壁设置螺纹与所述传动短节的上端内壁螺纹固定连接；所述轴向压紧凸台下端面与所述周向密封端盖同轴设置；

所述周向密封端盖包括端盖轴向定位环；所述端盖轴向定位环的上端面抵靠在所述轴向密封端盖的外圈轴向压紧凸台的下端面；所述端盖轴向定位环的下端面抵靠在所述传动短节的周向承压外凸台的上端面；所述端盖轴向定位环的下方沿周向对称设置两个周向密封凸台，所述周向密封凸台的外侧壁上设置有周向定位凹槽；所述周向定位凹槽周向固定地沿轴向可滑动地卡设于所述下短节内部的导向凸起；

所述周向密封端盖的周向密封凸台同轴套设与所述传动短节的周向换液凹槽内，将所述周向压力腔体分割为第一周向腔体与第二周向腔体。

6.如权利要求5所述三维水力振荡减阻钻井工具，其特征在于，所述换向筒的上端通过螺纹固定连接在所述上短节的下端内壁，所述换向筒外凸台将所述轴向压力腔体分割为第一轴向腔体与第二轴向腔体。

7.如权利要求6所述三维水力振荡减阻钻井工具，其特征在于，所述下短节的内部设置有花键槽，所述传动短节的外壁上设置能周向摆动地且沿轴向可滑动地卡设于所述花键槽内的花键。(周向对称设置扇形凸起；所述花键槽位于所述扇形凸起的下方)

8.如权利要求7所述三维水力振荡减阻钻井工具，其特征在于，所述旋转轴的内部同轴设置一中心孔构成第一钻井液通道；所述旋转轴与所述外壳体之间的环形空间构成第二钻井液通道；所述旋转轴的下部沿轴向设有两个相间隔的贴合凸台；所述贴合凸台之间的过流凹槽与所述换向筒构成泄流通道。

9.如权利要求8所述三维水力振荡减阻钻井工具，其特征在于，所述第二钻井液通道内在所述旋转轴外同轴套设有涡轮副和轴承组；

所述涡轮副包括沿轴向交替设置的涡轮定子和涡轮转子；所述轴承组包括同心设置于所述涡轮副的上端的第一扶正轴承，以及同心设置于所述涡轮副下端的第二扶正轴承；

所述旋转轴的侧壁在所述第二扶正轴承下端沿周向设置多个回流孔；所述第二钻井液通道内的钻井液通过所述回流孔流入第一钻井液流道；所述回流孔下方设有止推轴承，所述止推轴承座靠在所述上短节的内壁台阶上。

10.如权利要求8所述三维水力振荡减阻钻井工具，其特征在于，所述换向筒的下部内壁固定设置有节流座，所述节流座包括节流座本体和节流座凸起；所述节流座本体上沿所述节流座凸起的周向均匀设置有多个泄流通孔。