CN111577141B - 钻井用涡轮式水力振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种钻井用涡轮式水力振荡器，包括振动短节总成和动力短节总成，动力短节总成内设置静阀和动阀，动阀上设置动阀流道，静阀上设置静阀流道；动阀流道与静阀流道连通的过流面积呈周期性变化，以使流入的钻井液产生轴向的简谐性压力波；动力短节总成内设置涡轮轴和涡轮旋转驱动结构，涡轮轴的顶部连接调节喷嘴，调节喷嘴用于调节流经涡轮旋转驱动结构的钻井液流量以调节简谐性压力波的频率；简谐性压力波能传递至振动短节总成，振动短节总成能在其作用下发生持续的轴向上的简谐性振动。本发明解决深井油基泥浆钻进过程中的托压、粘卡现象，克服现有水力振荡器的不足，将静摩擦力转换为动摩擦力，降低摩阻，增加有效钻压，有效提高机械钻速。

Description

钻井用涡轮式水力振荡器

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井技术领域，尤其涉及一种钻井用涡轮式水力振荡器。

背景技术

随着石油勘探开发技术开展,为提升开采收率、增加油气田产量，水平井、侧向井、大位移井所占比例越来越大，但此类井由于井眼轨迹复杂、钻柱与井壁岩石间摩擦力较大，使得钻井过程中钻柱出现托压、粘卡现象，尤其在滑动钻进过程中，在一定时间内钻柱与井壁岩石处于相对静止状态，由于静摩擦力远大于摩擦力，这增加了钻柱下放阻力，使得通过钻柱施加到钻头上的钻压减少，从而导致机械钻速较低、钻井周期变长、钻井成本增加，严重制约了水平井、侧向井、大位移井的发展，为此急需研发一种新型井下工具，用于降低钻井过程中钻柱与井壁岩石间过大的摩擦阻力。

为解决因钻柱与井壁摩擦力过大带来的诸多问题，国内外对钻柱振动减阻技术进行了大量研究，研制出了水力振荡器。水力振荡器主要由振荡短节总成和动力短节总成组成。水力振荡器利用钻井液液压能作为动力源，通过动力短节总成内部调节喷嘴结构改变钻井液流道面积，使钻井液产生周期性压力脉冲，压力脉冲作用于振荡短节总成，通过振荡短节总成的轴向振动带动钻柱周期性轴向振动，从而改变钻柱与井壁岩石间接触方式，将钻柱与井壁岩石间静摩擦状态转变为动摩擦状态，降低钻柱与井壁岩石间摩擦阻力，解决钻井过程中因摩擦阻力过大出现的托压、粘卡现象，大幅降低摩阻、扭矩，避免钻头承受过大的冲击作用，从而达到提高机械钻速、降低钻井成本效果。

目前，现有水力振荡器从工具的驱动动力部分来区分，可以将其分为螺杆驱动式和涡轮驱动式，即工具的动力短节结构不同，而工具的振荡短节的结构基本类似。两类不同的水力振荡器都已经在现场得到了应用，并取得了一定的使用效果。其中，螺杆驱动式的水力振荡器由于其转速较为恒定且转速较低，使得其振动幅值较大，频率较低。但是螺杆驱动式的水力振荡器的压降较大，同时由于其内部包含有橡胶材料的定子，使得其不能在油基泥浆中使用且不能耐高温，这些不足的地方限制了该类水力振荡器的应用范围。而另一类的水力振荡器为涡轮驱动式水力振荡器，该类工具能很好的弥补螺杆驱动式的水力振荡器的不足，但是该类工具也存在一定的问题，如涡轮的转速较高，使得其频率过高，幅值较低，即振荡力相对较小，现场应用效果较差。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种钻井用涡轮式水力振荡器，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻井用涡轮式水力振荡器，解决深井油基泥浆钻进过程中的托压、粘卡现象，并且克服现有水力振荡器的不足，将静摩擦力转换为动摩擦力，降低摩阻，增加有效钻压，有效提高机械钻速。

本发明的目的是这样实现的，一种钻井用涡轮式水力振荡器，包括顺序连接的振动短节总成和动力短节总成，所述振动短节总成和所述动力短节总成内分别设置轴向贯通的第一轴向流道和第二轴向流道；所述动力短节总成内设置固定的静阀和能转动的动阀，所述动阀上轴向贯通设置动阀流道，所述静阀上贯通设置与所述动阀流道连通的静阀流道；所述动阀流道与所述静阀流道连通的过流面积随动阀的转动呈周期性变化，以使流入所述动力短节总成内的钻井液产生轴向的简谐性压力波；所述动力短节总成内设置涡轮轴和涡轮旋转驱动结构，所述涡轮轴的顶部连接调节喷嘴，所述调节喷嘴用于调节流经涡轮旋转驱动结构的钻井液流量以调节简谐性压力波的频率；所述简谐性压力波能传递至所述振动短节总成，所述振动短节总成能在简谐性压力波作用下发生持续的轴向上的简谐性振动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述振动短节总成包括上接头和第一外筒结构，所述上接头周向固定且同轴滑动穿设于所述第一外筒结构内，所述上接头的底部连接能沿所述第一外筒结构的内壁密封滑动的活塞结构，所述上接头位于所述活塞结构的上方套设碟簧，所述活塞结构能在简谐性压力波作用下带动所述上接头上移且能在碟簧的作用下带动所述上接头下移，所述上接头和所述活塞结构上设置所述第一轴向流道；

所述动力短节总成包括所述涡轮轴和第二外筒结构，所述涡轮轴同轴且径向间隔地套设于第二外筒结构内，所述第二外筒结构与所述第一外筒结构连接；所述涡轮轴与所述第二外筒结构之间的环空内设置能驱动涡轮轴转动且转速可调的所述涡轮旋转驱动结构，所述涡轮轴上贯通设置与第一轴向流道连通的所述第二轴向流道，所述涡轮轴上位于涡轮旋转驱动结构的下方设置径向贯通的引流孔道，所述涡轮轴位于所述引流孔道下方设置环空封隔器；所述涡轮轴的底部连接所述动阀，所述第二外筒结构内位于所述动阀的下方固定套设所述静阀，所述动阀流道和所述静阀流道均为大于半圆的弧形流道。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第二外筒结构包括上下顺序连接的轴向中空的螺杆外壳和阀接头，所述螺杆外壳的顶部通过轴向中空的防掉接头与所述第一外筒结构连通；

所述涡轮轴位于所述阀接头内的端部连接轴向中空的阀盘转子，所述阀盘转子能随所述涡轮轴转动，所述动阀固定连接于所述阀盘转子内，所述动阀的顶面与所述涡轮轴的底面之间呈间隔设置构成缓冲空间；所述阀接头内固定设置轴向中空的第一静阀锁紧座和第二静阀锁紧座，所述第一静阀锁紧座的上部固定套设所述静阀，所述静阀的顶面顶抵于所述动阀的底面，所述第二静阀锁紧座的上部套设于所述第一静阀锁紧座内，且所述第二静阀锁紧座的顶面顶抵于所述静阀的底面。

在本发明的一较佳实施方式中，所述涡轮轴的顶部连通设置所述调节喷嘴，所述调节喷嘴用于将流向第二轴向流道的钻井液分流到所述涡轮轴与所述第二外筒结构之间的环空。

在本发明的一较佳实施方式中，所述涡轮旋转驱动结构包括套设于所述涡轮轴上的多级涡轮转子，所述螺杆外壳内套设与多级涡轮转子匹配的多级涡轮定子；所述防掉接头的下部套设于所述螺杆外壳内，所述涡轮轴上位于所述涡轮旋转驱动结构的上方设置上扶正轴承，上扶正轴承的内圈固定套设于所述涡轮轴上且其底面与多级涡轮转子的顶面顶抵，上扶正轴承的外圈固定套设于所述螺杆外壳内，上扶正轴承的外圈上设置轴向贯通的上轴承过流孔，上扶正轴承的外圈与所述防掉接头的底面之间顶抵设置第一套筒；

所述螺杆外壳内位于所述涡轮旋转驱动结构的下方设置直径呈减小设置的第一台阶部，所述涡轮轴上位于所述涡轮旋转驱动结构的下方设置下扶正轴承，下扶正轴承的内圈固定套设于所述涡轮轴上且其顶面与多级涡轮转子的底面顶抵，下扶正轴承的外圈固定套设于所述螺杆外壳内，下扶正轴承的外圈上设置轴向贯通的下轴承过流孔；下扶正轴承的外圈与所述第一台阶部之间顶抵设置第二套筒。

在本发明的一较佳实施方式中，所述涡轮轴上与所述第一台阶部对应的位置设置直径呈增大设置的第二台阶部，所述第一台阶部和所述第二台阶部之间设置所述封隔器，所述封隔器封隔所述涡轮轴和所述螺杆外壳之间的环空；所述引流孔道连通第二套筒的内腔和第二轴向流道。

在本发明的一较佳实施方式中，所述阀接头的上部套设于所述螺杆外壳内；所述涡轮轴上位于所述第二台阶部的下方套设止推轴承，所述止推轴承为四支点球轴承，止推轴承的外圈顶面顶抵于所述第一台阶部的底面，止推轴承的内圈顶面顶抵于所述第二台阶部的底面；止推轴承的外圈底面顶抵于所述阀接头的顶面，止推轴承的内圈底面与所述阀盘转子的顶面之间顶抵设置第三套筒。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一外筒结构包括顺序连接的轴向中空的上接头外壳、碟簧套筒、活塞缸筒和活塞接头，所述上接头外壳的下部套设于所述碟簧套筒内，所述活塞缸筒的上部套设于所述碟簧套筒内；所述碟簧设置于所述碟簧套筒内，所述碟簧套筒内位于所述上接头外壳的底面下方套设有第四套筒，所述第四套筒的底面和所述活塞缸筒的顶面分别构成碟簧的上限位面和下限位面；所述上接头上设置第三台阶部，所述第三台阶部能顶抵于所述碟簧的顶端；所述上接头的底部外侧套设所述活塞结构，所述活塞结构的顶面能顶抵于所述碟簧的底端且能向上压缩所述碟簧。

在本发明的一较佳实施方式中，所述活塞结构设置于所述活塞缸筒内；所述活塞结构包括轴向中空的第一活塞部、第二活塞部和第三活塞部，所述第一活塞部的上部套设于所述上接头的底部外侧，所述第二活塞部套设于所述第一活塞部的下部且所述第二活塞部的外径呈增大设置，第二活塞部的外壁能沿活塞缸筒的内壁密封滑动；所述第三活塞部套设于所述第一活塞部的底部；所述活塞缸筒内设置直径呈减小设置的第四台阶部，所述第二活塞部的顶面能顶抵于所述第四台阶部上，所述第四台阶部构成所述活塞结构的上限位部；所述上接头外壳的内壁上自顶部向内设置花键槽，所述上接头的外壁上设置能沿花键槽滑动的花键部，所述花键部的底面能轴向顶抵于第四套筒的顶面上，第四套筒的顶面构成上接头的下限位部。

在本发明的一较佳实施方式中，所述活塞接头上设置轴向贯通的接头通孔，所述接头通孔的顶部设置直径自下而上渐增的锥孔部。

由上所述，本发明提供的一种钻井用涡轮式水力振荡器具有如下有益效果：

本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器，通过动阀和静阀的过流面积周期性变化，使流入动力短节总成内的钻井液产生轴向的高频简谐性压力波，使钻头射流破岩压力呈柔性周期性变化而有效破岩，提高机械钻速；动阀旋转一周能实现两次压力脉冲，且可通过振动短节总成提供轴向振动，钻井液在为钻头自身提供旋转切削力的同时，还能提供一定强度的冲击切削力，将静摩擦力转换为动摩擦力，增加有效钻压，有效提高机械钻速；

本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器中，涡轮轴的上端有分流钻井液的调节喷嘴，通过更改不同尺寸的调节喷嘴来调节涡轮旋转驱动结构的转速，从而调节钻井用涡轮式水力振荡器的振荡频率，实现钻井参数可调的目的；

本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器中，采用四支点球轴承作为涡轮旋转驱动结构的轴向载荷的承载机构，且涡轮旋转驱动结构无径向摆动，增加了钻井用涡轮式水力振荡器的使用寿命和稳定性；

本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器，无径向摆动，可在较小流量下，实现较高频率轴向振动，大大减小钻具组合在钻井时的摩擦阻力，使用寿命长；

本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器，具有结构简单、操作方便、安全可靠、压速低、适应性强、不影响钻具结构等特点，对于提高钻速、降低成本具有重要的意义。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1：为本发明的钻井用涡轮式水力振荡器的示意图。

图2：为本发明的振动短节总成处示意图。

图3：为本发明的动力短节总成处示意图。

图4：为图3中Ⅰ处放大图。

图5：为图3中Ⅱ处放大图。

图6：为图3中Ⅲ处放大图。

图7：为本发明的上接头外壳的示意图。

图8：为图7中A向视图。

图9：为本发明的动阀的俯视图。

图10：为本发明的静阀的俯视图。

图11：为本发明的静阀的主视图。

图中：

100、钻井用涡轮式水力振荡器；

101、第一轴向流道；102、第二轴向流道；

200、振动短节总成；300、动力短节总成；

1、上接头；2、密封件；3、上接头外壳；4、第四套筒；

5、碟簧套筒；6、碟簧；

7、第一活塞部；8、第二活塞部；9、第三活塞部；10、活塞缸筒；

11、活塞接头；111、接头通孔；112、锥孔部；

12、防掉接头；

13、螺杆外壳；14、第一套筒；

15、上扶正轴承的外圈；16、上扶正轴承的内圈；

17、涡轮轴；

18、多级涡轮定子；19、多级涡轮转子；

20、下扶正轴承的外圈；21、下扶正轴承的内圈；

22、第二套筒；23、封隔器；24、止推轴承；25、第三套筒；

26、阀盘转子；

27、动阀；271、动阀流道；

28、静阀；281、静阀流道；

29、阀接头；30、第二静阀锁紧座；31、第一静阀锁紧座；

32、引流孔道；

33、调节喷嘴。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。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元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，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的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是旨在于限制本申请。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。

如图1至图11所示，本发明提供一种钻井用涡轮式水力振荡器100，包括顺序连接的振动短节总成200和动力短节总成300，振动短节总成200和动力短节总成300内分别设置轴向贯通的第一轴向流道101和第二轴向流道102；动力短节总成300内设置固定的静阀28和能转动的动阀27，动阀27上轴向贯通设置动阀流道271，静阀28上贯通设置与动阀流道连通的静阀流道281；动阀流道271与静阀流道281连通的过流面积随动阀的转动呈周期性变化，以使流入动力短节总成300内的钻井液产生轴向的简谐性压力波；动力短节总成300内设置涡轮轴和涡轮旋转驱动结构，涡轮轴的顶部连接调节喷嘴，调节喷嘴用于调节流经涡轮旋转驱动结构的钻井液流量以调节简谐性压力波的频率；简谐性压力波能传递至振动短节总成200，振动短节总成200能在简谐性压力波作用下发生持续的轴向上的简谐性振动。

本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器，通过动阀和静阀的过流面积周期性变化，使流入动力短节总成内的钻井液产生轴向的高频简谐性压力波，使钻头射流破岩压力呈柔性周期性变化而有效破岩，提高机械钻速；动阀旋转一周能实现两次压力脉冲，且可通过振动短节总成提供轴向振动，钻井液在为钻头自身提供旋转切削力的同时，还能提供一定强度的冲击切削力，将静摩擦力转换为动摩擦力，增加有效钻压，有效提高机械钻速；涡轮轴的上端有分流钻井液的调节喷嘴，通过更改不同尺寸的调节喷嘴可以调节涡轮旋转驱动结构的转速，从而调节钻井用涡轮式水力振荡器的振荡频率，实现钻井参数可调的目的；本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器，无径向摆动，可在较小流量下，实现较高频率的轴向振动，大大减小钻具组合在钻井时的摩擦阻力，使用寿命长。

进一步，如图1、图2所示，振动短节总成200包括上接头1和第一外筒结构，上接头1周向固定且同轴滑动穿设于第一外筒结构内，上接头1的顶部设置内锥螺纹孔，上接头1通过锥螺纹连接上部钻杆(现有技术)，上接头1的底部连接能沿第一外筒结构的内壁密封滑动的活塞结构，上接头1位于活塞结构的上方套设碟簧6，活塞结构能在简谐性压力波作用下带动上接头1上移且能在碟簧6的作用下带动上接头1下移(复位)，上接头1和活塞结构上设置第一轴向流道101；

如图1、图3所示，动力短节总成300包括涡轮轴17和第二外筒结构，涡轮轴同轴且径向间隔地套设于第二外筒结构内，第二外筒结构与第一外筒结构连接；涡轮轴17与第二外筒结构之间的环空内设置能驱动涡轮轴转动且转速可调的涡轮旋转驱动结构，涡轮轴17上贯通设置与第一轴向流道101连通的第二轴向流道102，如图5所示，涡轮轴17上位于涡轮旋转驱动结构的下方设置径向贯通的引流孔道32，涡轮轴17位于引流孔道32下方设置环空封隔器23，封隔器23为环状结构；涡轮轴17的底部连接动阀27，第二外筒结构内位于动阀27的下方固定套设静阀28，如图9、图10、图11所示，动阀流道271和静阀流道281均为大于半圆的弧形流道，弧形流道大于半圆设置，保证动阀流道271和静阀流道281全程连通，且动阀27旋转一周其过流面积自小变大再自大变小，实现两次压力脉冲。涡轮旋转驱动结构转速可调，即可实现随涡轮轴17同步转动的动阀27的转速，因过流面积变化而形成的压力脉冲频率随之调整，从而调节钻井用涡轮式水力振荡器100的振荡频率。

进一步，如图1、图3所示，第二外筒结构包括上下顺序连接的轴向中空的螺杆外壳13和阀接头29，螺杆外壳13的顶部通过轴向中空的防掉接头12与第一外筒结构连通；螺杆外壳13和阀接头29通过螺纹连接；阀接头29的底部通过锥螺纹连接下部钻杆，下部钻杆的底端连接钻头；

如图6所示，涡轮轴17位于阀接头29内的端部连接轴向中空的阀盘转子26，阀盘转子26的上部通过螺纹连接套设于涡轮轴17的底部，阀盘转子26能随涡轮轴17转动，动阀27固定连接于阀盘转子26内，动阀27的顶面与涡轮轴17的底面之间呈间隔设置构成缓冲空间，动阀流道271与静阀流道281连通的过流面积随动阀的转动呈周期性变化，钻井液在缓冲空间内进行缓冲，避免压力变化带来憋压等故障；阀接头29内固定设置轴向中空的第一静阀锁紧座31和第二静阀锁紧座30，第一静阀锁紧座31的上部固定套设静阀28，静阀28的顶面顶抵于动阀27的底面，第二静阀锁紧座30的上部套设于第一静阀锁紧座31内，且第二静阀锁紧座30的顶面顶抵于静阀28的底面。

进一步，如图1、图3、图4所示，涡轮轴17的顶部连通设置调节喷嘴33，调节喷嘴33用于将流向第二轴向流道102的钻井液部分分流到涡轮轴17与第二外筒结构之间的环空，进而达到调节流经涡轮旋转驱动结构的钻井液流量以调节简谐性压力波的频率的目的。调节喷嘴33的轴心处设置贯通过孔，贯通过孔的孔径可以调整，贯通过孔较小时，钻井液进入涡轮轴17与第二外筒结构之间的环空内流量较大，涡轮旋转驱动结构转速大，贯通过孔较大时，钻井液进入涡轮轴17与第二外筒结构之间的环空内流量较小，涡轮旋转驱动结构转速小；通过更改不同尺寸的调节喷嘴来调节涡轮旋转驱动结构(涡轮)的转速，从而调节钻井用涡轮式水力振荡器100的振荡频率。

进一步，如图1、图3所示，涡轮旋转驱动结构包括套设于涡轮轴上的多级涡轮转子19，螺杆外壳13内套设与多级涡轮转子19匹配的多级涡轮定子18，多级涡轮转子19和多级涡轮定子18之间构成有便于钻井液流动的过流空间(现有技术)；防掉接头12的下部套设于螺杆外壳13内，防掉接头12通过锥螺纹与螺杆外壳13连接；涡轮轴17上位于涡轮旋转驱动结构的上方设置上扶正轴承，上扶正轴承的内圈16固定套设于涡轮轴17上(涡轮轴17上固定套设定位螺母，定位螺母的底面与上扶正轴承的内圈16顶面顶抵)且其底面与多级涡轮转子19的顶面顶抵，如图4所示，上扶正轴承的外圈15固定套设于螺杆外壳13内，上扶正轴承的外圈15上设置轴向贯通的上轴承过流孔，上扶正轴承的外圈15与防掉接头12的底面之间顶抵设置第一套筒14，在本实施方式中，调节喷嘴33位于第一套筒14内腔处，第一套筒14内腔构成分流缓冲区，第一套筒14的内腔通过上轴承过流孔连通涡轮旋转驱动结构出的环空；

螺杆外壳13内位于涡轮旋转驱动结构的下方设置直径呈减小设置的第一台阶部，涡轮轴17上位于涡轮旋转驱动结构的下方设置下扶正轴承，下扶正轴承的内圈21固定套设于涡轮轴17上且其顶面与多级涡轮转子19的底面顶抵，下扶正轴承的外圈20固定套设于螺杆外壳13内，如图5所示，下扶正轴承的外圈20上设置轴向贯通的下轴承过流孔；下扶正轴承的外圈20与第一台阶部之间顶抵设置第二套筒22。

在本实施方式中，涡轮轴17上与第一台阶部对应的位置设置直径呈增大设置的第二台阶部，第一台阶部和第二台阶部之间设置封隔器23，封隔器23封隔涡轮轴17和螺杆外壳13之间的环空；引流孔道32连通第二套筒22的内腔和第二轴向流道102。封隔器23封隔环空，保证流经涡轮旋转驱动结构的钻井液经引流孔道32返回涡轮轴17内的第二轴向流道102。

进一步，如图1、图3所示，阀接头29的上部套设于螺杆外壳13内，阀接头29通过螺纹连接螺杆外壳13；涡轮轴17上位于第二台阶部的下方套设止推轴承24，止推轴承24为四支点球轴承，止推轴承的外圈顶面顶抵于第一台阶部的底面，止推轴承的内圈顶面顶抵于第二台阶部的底面；止推轴承的外圈底面顶抵于阀接头29的顶面，止推轴承的内圈底面与阀盘转子26的顶面之间顶抵设置第三套筒25。采用四支点球轴承作为涡轮旋转驱动结构(涡轮)的轴向载荷的承载机构，且涡轮旋转驱动结构(涡轮)无径向摆动，增加了钻井用涡轮式水力振荡器100的使用寿命和稳定性。

进一步，如图1、图2所示，第一外筒结构包括顺序连接的轴向中空的上接头外壳3、碟簧套筒5、活塞缸筒10和活塞接头11，为保证上接头1与上接头外壳3之间的密封性，上接头1的外壁与上接头外壳3的内壁之间设置密封件2，可以是橡胶密封圈等；

上接头外壳3的下部套设于碟簧套筒5内，上接头外壳3通过锥螺纹连接于碟簧套筒5，活塞缸筒10的上部套设于碟簧套筒5内，活塞缸筒10通过螺纹连接于碟簧套筒5；碟簧6设置于碟簧套筒5内，碟簧套筒5内位于上接头外壳3的底面下方套设有第四套筒4，第四套筒4的底面和活塞缸筒10的顶面分别构成碟簧6的上限位面和下限位面；上接头1上设置第三台阶部，第三台阶部能顶抵于碟簧6的顶端；上接头1的底部外侧套设活塞结构，活塞结构的顶面能顶抵于碟簧6的底端且能向上压缩碟簧6。

进一步，如图2所示，活塞结构设置于活塞缸筒10内；活塞结构包括轴向中空的第一活塞部7、第二活塞部8和第三活塞部9，上接头1的内腔、第一活塞部7的内腔和第三活塞部9的内腔连通构成第一轴向流道101；第一活塞部7的上部套设于上接头1的底部外侧，第二活塞部8套设于第一活塞部7的下部且第二活塞部8的外径呈增大设置，第二活塞部8的外壁沿活塞缸筒10的内壁密封滑动；第三活塞部9套设于第一活塞部7的底部；活塞缸筒10内设置直径呈减小设置的第四台阶部，第二活塞部8的顶面能顶抵于第四台阶部上，第四台阶部构成活塞结构的上限位部。如图7、图8所示，上接头外壳3的内壁上自底部向上设置花键槽，上接头的外壁上设置能沿花键槽滑动的花键部，上接头和上接头外壳通过花键连接实现周向固定且轴向滑动连接；花键部的底面能轴向顶抵于第四套筒4的顶面上，第四套筒4的顶面构成上接头的下限位部。第四台阶部和花键部的底面对上接头的轴向运动进行限位。

动力短节总成300内动阀流道271和静阀流道281全程连通，且动阀27旋转一周其过流面积自小变大再自大变小，实现两次压力脉冲，防掉接头12下部的钻井液的压力呈周期性的变化,从而调制出简谐性压力波；防掉接头12下部的钻井液的压力升高时，活塞结构下方液体压力增大，活塞结构带动上接头1向上运动，碟簧6被压缩，防掉接头12下部的钻井液的压力降低，活塞结构在碟簧6的作用下带动上接头1下移复位，活塞接头及上接头上下往复运动，即振动短节总成200在动力短节总成300传来的简谐性压力波作用下发生持续的轴向上的简谐性振动，钻井用涡轮式水力振荡器100为钻头提供一定强度的轴向冲击切削，由此提高了钻进速度和破岩效率。

在本实施方式中，如图1、图2所示，活塞接头11通过螺纹连接于活塞缸筒10，防掉接头12通过螺纹连接于活塞接头11；活塞接头11上设置轴向贯通的接头通孔111，接头通孔的顶部设置直径自下而上渐增的锥孔部112。第一轴向流道101通过活塞接头11的接头通孔111、防掉接头12的内腔连通动力短节总成300内的第二轴向流道102。钻井液通过第一轴向流道101、活塞接头11的接头通孔111、防掉接头12的内腔、第二轴向流道102、动阀流道271、静阀流道281和阀接头29的内腔流向钻头，为钻头提供自身的旋转切削力。

本发明的钻井用涡轮式水力振荡器100的使用过程如下：

钻井用涡轮式水力振荡器100串接于上部钻杆和下部钻杆之间，下入井内；

开始钻削时，由钻井泵输出的钻井液通过上部钻杆和振动短节总成200流入动力短节总成300，在调节喷嘴33的分流作用下，部分钻井液经涡轮轴17上的第二轴向流道102、动阀流道271、静阀流道281和阀接头29的内腔流向钻头，为钻头提供自身的旋转切削力；一部分钻井液分流到涡轮轴17两侧的环空，驱动多级涡轮转子19转动,多级涡轮转子19带动涡轮轴17转动，从而带动动阀27转动。在封隔器23的封隔作用下，经涡轮旋转驱动结构的钻井液经引流孔道32返回涡轮轴17内的第二轴向流道102。

在动阀27转动的过程中，动阀27和静阀28的过流面积发生周期性变化,构成压力脉冲，防掉接头12下部的钻井液的压力呈周期性的变化,调制出简谐性压力波；防掉接头12下部的钻井液的压力升高时，活塞结构下方液体压力增大，活塞结构带动上接头1向上运动，碟簧6被压缩，防掉接头12下部的钻井液的压力降低，活塞结构在碟簧6的作用下带动上接头1下移复位，活塞接头及上接头上下往复运动，即振动短节总成200在动力短节总成300传来的简谐性压力波作用下发生持续的轴向上的简谐性振动，这种简谐性振动沿轴向传递到上部钻杆和下部钻杆,改变钻柱与井壁间的摩擦阻力；钻井用涡轮式水力振荡器100为钻头提供一定强度的轴向冲击切削；

随着防掉接头12下部的钻井液的压力周期性变化，通过涡轮轴17、动阀27、静阀28将这种周期性压力波传给钻头射流，使得破岩压力也呈周期性变化，由此提高了钻井组合的钻进速度和破岩效率。

由上所述，本发明提供的一种钻井用涡轮式水力振荡器具有如下有益效果：

本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器，通过动阀和静阀的过流面积周期性变化，使流入动力短节总成内的钻井液产生轴向的高频简谐性压力波，使钻头射流破岩压力呈柔性周期性变化而有效破岩，提高机械钻速；动阀旋转一周能实现两次压力脉冲，且可通过振动短节总成提供轴向振动，钻井液在为钻头自身提供旋转切削力的同时，还能提供一定强度的冲击切削力，将静摩擦力转换为动摩擦力，增加有效钻压，有效提高机械钻速；

本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器中，涡轮轴的上端有分流钻井液的调节喷嘴，通过更改不同尺寸的调节喷嘴来调节涡轮旋转驱动结构的转速，从而调节钻井用涡轮式水力振荡器的振荡频率，实现钻井参数可调的目的；

本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器中，采用四支点球轴承作为涡轮旋转驱动结构的轴向载荷的承载机构，且涡轮旋转驱动结构无径向摆动，增加了钻井用涡轮式水力振荡器的使用寿命和稳定性；

本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器，无径向摆动，可在较小流量下，实现较高频率轴向振动，大大减小钻具组合在钻井时的摩擦阻力，使用寿命长；

本发明提供的钻井用涡轮式水力振荡器，具有结构简单、操作方便、安全可靠、压速低、适应性强、不影响钻具结构等特点，对于提高钻速、降低成本具有重要的意义。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种钻井用涡轮式水力振荡器，其特征在于，包括顺序连接的振动短节总成和动力短节总成，所述振动短节总成和所述动力短节总成内分别设置轴向贯通的第一轴向流道和第二轴向流道；所述动力短节总成内设置固定的静阀和能转动的动阀，所述动阀上轴向贯通设置动阀流道，所述静阀上贯通设置与所述动阀流道连通的静阀流道；所述动阀流道与所述静阀流道连通的过流面积随动阀的转动呈周期性变化，以使流入所述动力短节总成内的钻井液产生轴向的简谐性压力波；所述动力短节总成内设置涡轮轴和涡轮旋转驱动结构，所述涡轮轴的顶部连接调节喷嘴，所述调节喷嘴用于调节流经涡轮旋转驱动结构的钻井液流量以调节简谐性压力波的频率；所述简谐性压力波能传递至所述振动短节总成，所述振动短节总成能在简谐性压力波作用下发生持续的轴向上的简谐性振动；

所述振动短节总成包括上接头和第一外筒结构，所述上接头周向固定且同轴滑动穿设于所述第一外筒结构内，所述上接头的底部连接能沿所述第一外筒结构的内壁密封滑动的活塞结构，所述上接头位于所述活塞结构的上方套设碟簧，所述活塞结构能在简谐性压力波作用下带动所述上接头上移且能在碟簧的作用下带动所述上接头下移，所述上接头和所述活塞结构上设置所述第一轴向流道；

所述动力短节总成包括所述涡轮轴和第二外筒结构，所述涡轮轴同轴且径向间隔地套设于第二外筒结构内，所述第二外筒结构与所述第一外筒结构连接；所述涡轮轴与所述第二外筒结构之间的环空内设置能驱动涡轮轴转动且转速可调的所述涡轮旋转驱动结构，所述涡轮轴上贯通设置与第一轴向流道连通的所述第二轴向流道，所述涡轮轴上位于涡轮旋转驱动结构的下方设置径向贯通的引流孔道，所述涡轮轴位于所述引流孔道下方设置环空封隔器；所述涡轮轴的底部连接所述动阀，所述第二外筒结构内位于所述动阀的下方固定套设所述静阀，所述动阀流道和所述静阀流道均为大于半圆的弧形流道。

2.如权利要求1所述的钻井用涡轮式水力振荡器，其特征在于，所述第二外筒结构包括上下顺序连接的轴向中空的螺杆外壳和阀接头，所述螺杆外壳的顶部通过轴向中空的防掉接头与所述第一外筒结构连通；

所述涡轮轴位于所述阀接头内的端部连接轴向中空的阀盘转子，所述阀盘转子能随所述涡轮轴转动，所述动阀固定连接于所述阀盘转子内，所述动阀的顶面与所述涡轮轴的底面之间呈间隔设置构成缓冲空间；所述阀接头内固定设置轴向中空的第一静阀锁紧座和第二静阀锁紧座，所述第一静阀锁紧座的上部固定套设所述静阀，所述静阀的顶面顶抵于所述动阀的底面，所述第二静阀锁紧座的上部套设于所述第一静阀锁紧座内，且所述第二静阀锁紧座的顶面顶抵于所述静阀的底面。

3.如权利要求2所述的钻井用涡轮式水力振荡器，其特征在于，所述涡轮轴的顶部连通设置所述调节喷嘴，所述调节喷嘴用于将流向第二轴向流道的钻井液分流到所述涡轮轴与所述第二外筒结构之间的环空。

4.如权利要求2所述的钻井用涡轮式水力振荡器，其特征在于，

所述涡轮旋转驱动结构包括套设于所述涡轮轴上的多级涡轮转子，所述螺杆外壳内套设与多级涡轮转子匹配的多级涡轮定子；所述防掉接头的下部套设于所述螺杆外壳内，所述涡轮轴上位于所述涡轮旋转驱动结构的上方设置上扶正轴承，上扶正轴承的内圈固定套设于所述涡轮轴上且其底面与多级涡轮转子的顶面顶抵，上扶正轴承的外圈固定套设于所述螺杆外壳内，上扶正轴承的外圈上设置轴向贯通的上轴承过流孔，上扶正轴承的外圈与所述防掉接头的底面之间顶抵设置第一套筒；

所述螺杆外壳内位于所述涡轮旋转驱动结构的下方设置直径呈减小设置的第一台阶部，所述涡轮轴上位于所述涡轮旋转驱动结构的下方设置下扶正轴承，下扶正轴承的内圈固定套设于所述涡轮轴上且其顶面与多级涡轮转子的底面顶抵，下扶正轴承的外圈固定套设于所述螺杆外壳内，下扶正轴承的外圈上设置轴向贯通的下轴承过流孔；下扶正轴承的外圈与所述第一台阶部之间顶抵设置第二套筒。

5.如权利要求4所述的钻井用涡轮式水力振荡器，其特征在于，所述涡轮轴上与所述第一台阶部对应的位置设置直径呈增大设置的第二台阶部，所述第一台阶部和所述第二台阶部之间设置所述封隔器，所述封隔器封隔所述涡轮轴和所述螺杆外壳之间的环空；所述引流孔道连通第二套筒的内腔和第二轴向流道。

6.如权利要求5所述的钻井用涡轮式水力振荡器，其特征在于，所述阀接头的上部套设于所述螺杆外壳内；所述涡轮轴上位于所述第二台阶部的下方套设止推轴承，所述止推轴承为四支点球轴承，止推轴承的外圈顶面顶抵于所述第一台阶部的底面，止推轴承的内圈顶面顶抵于所述第二台阶部的底面；止推轴承的外圈底面顶抵于所述阀接头的顶面，止推轴承的内圈底面与所述阀盘转子的顶面之间顶抵设置第三套筒。

7.如权利要求2所述的钻井用涡轮式水力振荡器，其特征在于，所述第一外筒结构包括顺序连接的轴向中空的上接头外壳、碟簧套筒、活塞缸筒和活塞接头，所述上接头外壳的下部套设于所述碟簧套筒内，所述活塞缸筒的上部套设于所述碟簧套筒内；所述碟簧设置于所述碟簧套筒内，所述碟簧套筒内位于所述上接头外壳的底面下方套设有第四套筒，所述第四套筒的底面和所述活塞缸筒的顶面分别构成碟簧的上限位面和下限位面；所述上接头上设置第三台阶部，所述第三台阶部能顶抵于所述碟簧的顶端；所述上接头的底部外侧套设所述活塞结构，所述活塞结构的顶面能顶抵于所述碟簧的底端且能向上压缩所述碟簧。

8.如权利要求7所述的钻井用涡轮式水力振荡器，其特征在于，所述活塞结构设置于所述活塞缸筒内；所述活塞结构包括轴向中空的第一活塞部、第二活塞部和第三活塞部，所述第一活塞部的上部套设于所述上接头的底部外侧，所述第二活塞部套设于所述第一活塞部的下部且所述第二活塞部的外径呈增大设置，第二活塞部的外壁能沿活塞缸筒的内壁密封滑动；所述第三活塞部套设于所述第一活塞部的底部；所述活塞缸筒内设置直径呈减小设置的第四台阶部，所述第二活塞部的顶面能顶抵于所述第四台阶部上，所述第四台阶部构成所述活塞结构的上限位部；所述上接头外壳的内壁上自顶部向内设置花键槽，所述上接头的外壁上设置能沿花键槽滑动的花键部，所述花键部的底面能轴向顶抵于第四套筒的顶面上，第四套筒的顶面构成上接头的下限位部。

9.如权利要求7所述的钻井用涡轮式水力振荡器，其特征在于，所述活塞接头上设置轴向贯通的接头通孔，所述接头通孔的顶部设置直径自下而上渐增的锥孔部。

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