CN112112570B - 增大射流水力振荡器输出功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增大射流水力振荡器输出功率的方法，将涡腔体与活塞体连接，活塞体与活塞套筒滑动连接，在活塞体与活塞套筒之间设置碟簧；在从涡腔体到活塞套筒的压力介质流道中，设置沿轴向相对运动机构，所述的轴向相对运动机构利用由涡腔体激振产生的轴向相对运动，改变压力介质的通流截面；由上述步骤使激振产生的输出功率增大。通过采用涡腔体配合沿轴向相对运动机构的方案，能够使涡腔体的振动幅度增大，且振动频率降低，进而增大射流水力振荡器输出功率，获得符合井下施工需要的振动形态，即适当的振幅和振动频率。

Description

增大射流水力振荡器输出功率的方法

技术领域

本发明涉及石油钻采设备领域，特别是一种增大射流水力振荡器输出功率的方法。

背景技术

目前油田的钻井已从直井发展为定向井和水平井，钻具通常紧贴下侧井壁，钻具在井壁的摩擦过大，影响钻进效率，使钻压难以传递至钻头。为克服该缺陷，现有技术中出现了水力振荡器的方案，通过水力振荡器将钻具的静摩擦变为动摩擦，以降低摩阻。现有的水力振荡器通常有三种结构，1、螺杆马达结构，通过螺杆驱动动片旋转，使动片与静片之间的孔的通流截面发生周期变化从而产生振动。存在的问题是，该方案的压耗较高，通常达到3~4 Mpa，而且使用寿命通常低于500小时，而且螺杆马达的价格非常高昂，例如类似中国专利文献CN205778542U中的结构。2、射流结构，利用涡腔体产生振动，利用压力介质的周期变化产生高频振动，但是该方案的压耗仅有0.2-0.3 Mpa，频率较高，且频率无法控制。例如中国专利文献CN104963624A中的结构。3、涡轮结构，通过涡轮转子驱动动片旋转，使动片与静片之间的孔的通流截面发生周期变化从而产生振动。该方案存在的问题是，结构较为复杂，转动部件过多，成本高昂，损耗较高，且涡轮转子转速较高，使工具的输出频率较高，不易控制，使用寿命也较短。例如中国专利文献CN104895517A中记载的结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种增大射流水力振荡器输出功率的方法，能够克服现有技术中的缺陷，能够增大射流水力振荡器的输出功率，产生符合井下施工需要的振动形态，包括合适的振幅和振动频率，且压耗较低，活动部件少，使用寿命长。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种增大射流水力振荡器输出功率的方法，将涡腔体与活塞体连接，活塞体与活塞套筒滑动连接，在活塞体与活塞套筒之间设置碟簧；

在从涡腔体到活塞套筒的压力介质流道中，设置沿轴向相对运动机构，所述的轴向相对运动机构利用由涡腔体激振产生的轴向相对运动，改变压力介质的通流截面；

由上述步骤使激振产生的输出功率增大。

优选的方案中，外套筒内固设有涡腔体，在涡腔体一端设有进流孔，在涡腔体另一端设有出流孔，出流孔位于涡腔的圆心位置；

活塞体的外壁设有外花键段，活塞套筒的内壁设有内花键段，外花键段与内花键段滑动啮合，以相对滑动并传递扭矩；

沿轴向相对运动机构的结构为：在进流孔的进入端或者在出流孔的进入端设有滑槽，动滑块滑动安装在滑槽内，动滑块的行程的一端部分的覆盖进流孔或出流孔，行程的另一端，完全离开进流孔或出流孔，以交替的限制进流孔的通流截面。

优选的方案中，滑槽的两端构成第一撞击面和第二撞击面，用于与动滑块产生撞击，以将涡腔体的激振传递给动滑块。

优选的方案中，活塞体与活塞套筒之间的碟簧，用于使活塞体与活塞套筒之间更为接近；

在滑槽的两侧设有片簧，片簧与动滑块连接；

片簧趋于使动滑块从上游方向远离进流孔或出流孔。

优选的方案中，片簧的一端插在弧形槽内，片簧的另一端插在动滑块内，片簧至少一端为活动连接；

动滑块的底面与滑槽的底面之间设有间隙。

优选的方案中，活塞体与活塞套筒之间的碟簧，用于使活塞体与活塞套筒之间更为接近；

在动滑块的下游方向设有弹簧，弹簧趋于使动滑块从上游方向远离进流孔或出流孔。

优选的方案中，外套筒内固设有涡腔体，在涡腔体的下游设有活塞体，活塞体与活塞套筒滑动套接，在活塞体与活塞套筒之间设有碟簧，碟簧用于驱使活塞体和活塞套筒更接近；活塞体的外壁设有外花键段，活塞套筒的内壁设有内花键段，外花键段与内花键段滑动啮合，以相对滑动并传递扭矩；

沿轴向相对运动机构的结构为：活塞体设有轴向通孔，在活塞体远离涡腔体的端头设有活塞头，活塞头设有与轴向通孔连通的中空腔体，活塞头的自由端封闭，在侧壁设有活塞头侧流孔；

在活塞头的中空腔体内设有沿轴向滑动的滑环，滑环与穿过活塞头的连接杆的一端固定连接，连接杆的另一端与固定座固定连接，固定座与活塞套筒固定连接，滑环位于活塞头侧流孔的边缘位置，以使滑环行程的一端部分的覆盖活塞头侧流孔。

优选的方案中，连接杆与活塞头滑动密封连接；

所述的滑环为环状结构，滑环的外壁与活塞头的内壁滑动密封连接，滑环的内壁通过多个第一横向连接杆与连接杆固定连接，第一横向连接杆之间的空隙构成过流通道；

固定座的外壁与活塞套筒固定连接，固定座通过多个第二横向连接杆与连接杆固定连接，第二横向连接杆之间的空隙构成过流通道。

优选的方案中，所述的活塞头侧流孔成径向布置或向下游的方向倾斜布置，在活塞头的端面还设有沿轴向的活塞头出流道，活塞头出流道与活塞头侧流孔连通；

所述的活塞头侧流孔为多个，活塞头出流道相应的为多个。

优选的方案中，所述的滑环位于活塞头侧流孔的上游侧；

当活塞体与活塞套筒相对运动，滑环的行程一端完全离开活塞头侧流孔。

本发明提供的一种增大射流水力振荡器输出功率的方法，通过采用涡腔体配合沿轴向相对运动机构的方案，能够使涡腔体的振动幅度增大，且振动频率降低，进而增大射流水力振荡器输出功率，获得符合井下施工需要的振动形态，即适当的振幅和振动频率。本发明方法的射流水力振荡器活动部件较少，使用寿命长，损失在驱动部件的压耗极低，输出效率高。与由螺杆马达或涡轮结构驱动的动、静片激振结构不同，本发明的压阻仅有很小部分被驱动装置或传动机构消耗，大部分都转化为振动输出，从而有效输出功率较高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构剖视示意图。

图2为本发明中涡腔体背面的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视示意图。

图4为本发明另一优选方案的整体结构剖视示意图。

图5为本发明中涡腔的滑槽和动滑块的结构示意图。

图6为本发明中涡腔体的立体图。

图7为本发明的另一优选方案的整体结构剖视示意图。

图8为本发明的活塞头的立体图。

图9为本发明中活塞头的局部放大剖视图。

图10为本发明的振动曲线示意图。

图中：外套筒1，涡腔体2，进流道201，进流孔202，出流孔203，出流道204，涡腔205，中心流道206，外环道207，切换流道208，切向流道209，滑槽21，动滑块22，片簧23，第一撞击面24，第二撞击面25，弧形槽26，弹簧27，活塞体3，活塞头侧流孔31，活塞头出流道32，活塞头33，外花键段4，内花键段5，碟簧6，连接头7，滑环71，连接杆72，固定座73，第一横向连接杆74，第二横向连接杆75，密封圈8，活塞套筒9。

具体实施方式

实施例1：

如图1~9中，一种增大射流水力振荡器输出功率的方法，将涡腔体2与活塞体3连接，活塞体3与活塞套筒9滑动连接，在活塞体3与活塞套筒9之间设置碟簧；

在从涡腔体2到活塞套筒9的压力介质流道中，设置沿轴向相对运动机构，所述的轴向相对运动机构利用由涡腔体2激振产生的轴向相对运动，改变压力介质的通流截面；

由上述步骤使激振产生的输出功率增大。由此结构，以涡腔体2的激振使沿轴向相对运动机构产生轴向相对运动，然后再使沿轴向相对运动机构来改变压力介质的通流截面，进而使活塞体3与活塞套筒9之间在碟簧的作用下将压力介质的压阻转换成振动，使激振的输出功率增大。从而克服了现有技术中射流水力振荡器输出功率过小以及振幅过小的问题。

实施例2：

在实施例1的基础上，优选的方案如图1~6中，外套筒1内固设有涡腔体2，在涡腔体2一端设有进流孔202，在涡腔体2另一端设有出流孔203，出流孔203位于涡腔205的圆心位置；

活塞体3的外壁设有外花键段4，活塞套筒9的内壁设有内花键段5，外花键段4与内花键段5滑动啮合，以相对滑动并传递扭矩；

如图2、4中，沿轴向相对运动机构的结构为：在进流孔202的进入端或者在出流孔203的进入端设有滑槽21，动滑块22滑动安装在滑槽21内，动滑块22的行程的一端部分的覆盖进流孔202或出流孔203，行程的另一端，完全离开进流孔202或出流孔203，以交替的限制进流孔202的通流截面。由此结构，由于涡腔体2产生的振动，振动方向为沿着外套筒1的轴向方向，而动滑块22在滑槽21内沿着轴向滑动，在涡腔体2振动条件下产生相对运动，从而间歇的覆盖部分进流孔202或出流孔203，使通流面积减少，振动曲线发生变化，由于动滑块22的滑动行程较长，在滑动过程中，并不会急剧的改变通流面积，因此使涡腔体2以及和涡腔体2固定连接的外套筒1产生多个振动曲线的叠加，曲线图形如图10中所示。其中振幅较小的曲线由涡腔体2在压力介质的影响下产生。而振幅较大的曲线由动滑块22交替覆盖进流孔202或出流孔203产生。从而实现增大输出功率，增大涡腔体2振动幅度和降低涡腔体2振动频率的效果，以获得符合井下施工需要的振动形态。优选的，通过改变动滑块22的行程即可改变振动幅度和振动频率。设置的片簧23，一是能够通过阻尼降低振动频率，二是能够减少动滑块22的摩擦力。

优选的方案中，滑槽21的两端构成第一撞击面24和第二撞击面25，用于与动滑块22产生撞击，以将涡腔体2的激振传递给动滑块22。设置的第一撞击面24和第二撞击面25能够将涡腔体2振动产生的动能传递给动滑块22往复运动，且由于涡腔体2的动量远大于动滑块22的动量，因此动滑块22能够获得较高的滑动速度，直至与行程另一端的端面撞击，但是动滑块22的往复运动的频率还是低于涡腔体2由压力介质产生的自振频率，因此动滑块22在滑动过程中获得较低的振动频率并增大振幅。

优选的方案中，活塞体3与活塞套筒9之间的碟簧，用于使活塞体3与活塞套筒9之间更为接近；

在滑槽21的两侧设有片簧23，片簧23与动滑块22连接；片簧23与滑槽21连接的位置设有弧形槽26，以避免片簧23变形的干涉。由此结构，以使片簧23具有足够的变形空间。

片簧23趋于使动滑块22从上游方向远离进流孔202或出流孔203。由此结构，确保振动形态的连续性，避免动滑块22随着滑槽21运动。

优选的方案中，片簧23的一端插在弧形槽26内，片簧23的另一端插在动滑块22内，片簧23至少一端为活动连接；

动滑块22的底面与滑槽21的底面之间设有间隙。由此方案，能够大幅降低动滑块22的底面与滑槽21的底面之间的摩擦，从而确保动滑块22的振动频率输出保持稳定。

另一可选的方案如图6中，活塞体3与活塞套筒9之间的碟簧，用于使活塞体3与活塞套筒9之间更为接近；在动滑块22的下游方向设有弹簧27，弹簧27趋于使动滑块22从上游方向远离进流孔202或出流孔203。由此结构，以使振动连续，避免动滑块22随着滑槽21运动。

优选的方案如图1~6中，在涡腔体2另一端背面两侧设有出流道204，出流孔203通过出流道204与活塞体3的轴向通孔连通；

进流孔202通过一条切换流道208与中心流道206和切向流道209连通，中心流道206和切向流道209均与涡腔205连通，其中中心流道206指向出流孔203的方向，切向流道209沿切向指向涡腔205的边缘，以使涡腔体2在通入压力介质时产生振动。涡腔205在压力介质下产生的振动是整个水力振荡器激振的源头。由于篇幅所限，本例中的涡腔体2并不限于本例中描述的结构，也可以被替换为其他能够产生高频激振的结构，例如冲击器中的激振块，偏心涡轮，偏心叶片等能够使压力介质产生振动的结构。

以下以设置在涡腔205内的动滑块22的结构为例加以说明，设置在进流道201的动滑块22的结构和动作相似。使用时，压力介质从图4中外套筒1的左侧进入，在涡腔体2时，从进流道201进入到进流孔202内，如图4、6中，压力介质先从切换流道208经过中心流道206经出流孔203排出，由于出流孔203的排出受阻，压力介质沿着切向流道209形成涡流，将中心流道206阻断，直到中心流道206中的压力增大突破涡流，由于涡流的变化，构成激振。由此压力变化，因此产生振动，并使涡腔体2自振。外环道207缓冲部分压力介质，从而降低振动频率。随着涡腔体2的自振，涡腔体2通过第一撞击面24和第二撞击面25撞击动滑块22的两端，驱动动滑块22沿着滑槽21滑道往复运动，并在运动过程中部分的覆盖出流孔203，随着出流孔203的通流截面变小，压力介质的压力随之减小，压力介质施加给活塞体3右侧端面的压力随之降低，在碟簧6的作用下，活塞体3向右运动，而随着动滑块22向图4中的左侧运动，出流孔203的通流截面变大，压力介质的压力随之增大，压力介质施加给活塞体3右侧端面的压力随之相应增加，压缩碟簧6使活塞体3向图4的左侧运动。直至动滑块22被撞击后再次向右运动。需要说明的，在活塞体3往复运动时，涡腔体2仍在压力介质的作用下产生自振，该自振的频率高于活塞体3往复运动的频率，且涡腔体2的自振也是动滑块22往复运动的动力。设置的片簧23用于克服动滑块22的静摩擦力，从而避免动滑块22随着涡腔体2的自振振动。本发明的结构运动部件较少，驱动损耗小，有效输出功率较高，使用寿命较长。

实施例3：

在实施例1的基础上，优选的方案如图7~9中，外套筒1内固设有涡腔体2，在涡腔体2的下游设有活塞体3，活塞体3与活塞套筒9滑动套接，在活塞体3与活塞套筒9之间设有碟簧6，碟簧6用于驱使活塞体3和活塞套筒9更接近；活塞体3的外壁设有外花键段4，活塞套筒9的内壁设有内花键段5，外花键段4与内花键段5滑动啮合，以相对滑动并传递扭矩；

沿轴向相对运动机构的结构为：活塞体3设有轴向通孔，在活塞体3远离涡腔体2的端头设有活塞头33，活塞头33设有与轴向通孔连通的中空腔体，活塞头33的自由端封闭，在侧壁设有活塞头侧流孔31；

在活塞头33的中空腔体内设有沿轴向滑动的滑环71，滑环71与穿过活塞头33的连接杆72的一端固定连接，连接杆72的另一端与固定座73固定连接，固定座73与活塞套筒9固定连接，滑环71位于活塞头侧流孔31的边缘位置，以使滑环71行程的一端部分的覆盖活塞头侧流孔31。由此结构，由涡腔体2的激振，使活塞体3与活塞套筒9之间产生相对运动，而滑环71与活塞头侧流孔31之间也产生相对运动。而在滑环71一端的部分行程中，会覆盖活塞头侧流孔31，从而导致活塞头侧流孔31的过流截面发生变化，从而使涡腔体2振幅被放大，使压力介质更多的压阻被转换成振动，从而使射流水力振荡器的输出功率增大。

优选的方案如图9中，连接杆72与活塞头33滑动密封连接；

所述的滑环71为环状结构，滑环71的外壁与活塞头33的内壁滑动密封连接，滑环71的内壁通过多个第一横向连接杆74与连接杆72固定连接，第一横向连接杆74之间的空隙构成过流通道；优选的，第一横向连接杆74的迎水面设有倒角或倒圆，以进一步减少第一横向连接杆74对压力介质的扰动。本例中第一横向连接杆74采用放射状布置，第一横向连接杆74与滑环71和连接杆72采用焊接连接。

固定座73的外壁与活塞套筒9固定连接，固定座73通过多个第二横向连接杆75与连接杆72固定连接，第二横向连接杆75之间的空隙构成过流通道。优选的，多个第二横向连接杆75成放射状布置，中间设有圆盘结构，连接杆72穿过圆盘结构与螺母螺纹连接，由此结构，便于安装。

优选的方案中，所述的活塞头侧流孔31成径向布置或向下游的方向倾斜布置，在活塞头33的端面还设有沿轴向的活塞头出流道32，活塞头出流道32与活塞头侧流孔31连通；本例中的下游的方向是指图7中右侧的方向。

所述的活塞头侧流孔31为多个，活塞头出流道32相应的为多个。本例中的活塞头侧流孔31为3个，沿圆周均布，采用2个或4个、5个、6个乃至更多也是可行的，更多的活塞头侧流孔31能够减小活塞头侧流孔31的直径，从而涡腔体2产生的激振能够进一步被放大。即较小的振动行程也能使活塞头侧流孔31的通流截面按百分比计产生较大的变化。

优选的方案如图9中，所述的滑环71位于活塞头侧流孔31的上游侧；由此结构与碟簧6配合，将激振放大。此处所述的上游侧是指图7、9中的左侧。

当活塞体3与活塞套筒9相对运动，滑环71的行程一端完全离开活塞头侧流孔31。

涡腔体2的结构如实施例2中所述，使用时，涡腔体2由于涡流的变化，构成激振。活塞体3随之在活塞套筒9内发生振动，轴向振动幅度约为0.5~1cm。由活塞体3的振动，滑环71与活塞头33之间也发生相对运动，滑环71部分的覆盖活塞头侧流孔31，活塞头侧流孔31的通流截面减小，压力介质对活塞头33的推力也相应降低，在碟簧6的作用下，活塞体3向图1中的右侧运动，而随着活塞头33向右运动，滑环71固定不动，活塞头侧流孔31完全脱离滑环71的覆盖，活塞头侧流孔31的通流截面恢复，压力介质推动活塞头33向左运动，由此将活塞体3的振幅增大，轴向振动幅度约为1~3cm。从而将射流水力振荡器有效输出功率增大。本发明的结构运动部件少，驱动损耗小，压阻转化效率高，有效输出功率较高，使用寿命较长。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。因记载的篇幅所限，本例中未能将所有的组合方案加以举例，因此，上述实施例中的技术特征，在互不冲突的前提下，能够互相组合以产生更多的技术方案。

Claims (4)

1.一种增大射流水力振荡器输出功率的方法，其特征是：

将涡腔体（2）与活塞体（3）连接，活塞体（3）与活塞套筒（9）滑动连接，在活塞体（3）与活塞套筒（9）之间设置碟簧；

在从涡腔体（2）到活塞套筒（9）的压力介质流道中，设置沿轴向相对运动机构，所述的轴向相对运动机构利用由涡腔体（2）激振产生的轴向相对运动，改变压力介质的通流截面；

由上述步骤使激振产生的输出功率增大；

外套筒（1）内固设有涡腔体（2），在涡腔体（2）的下游设有活塞体（3），活塞体（3）与活塞套筒（9）滑动套接，在活塞体（3）与活塞套筒（9）之间设有碟簧（6），碟簧（6）用于驱使活塞体（3）和活塞套筒（9）更接近；活塞体（3）的外壁设有外花键段（4），活塞套筒（9）的内壁设有内花键段（5），外花键段（4）与内花键段（5）滑动啮合，以相对滑动并传递扭矩；

沿轴向相对运动机构的结构为：活塞体（3）设有轴向通孔，在活塞体（3）远离涡腔体（2）的端头设有活塞头（33），活塞头（33）设有与轴向通孔连通的中空腔体，活塞头（33）的自由端封闭，在侧壁设有活塞头侧流孔（31）；

在活塞头（33）的中空腔体内设有沿轴向滑动的滑环（71），滑环（71）与穿过活塞头（33）的连接杆（72）的一端固定连接，连接杆（72）的另一端与固定座（73）固定连接，固定座（73）与活塞套筒（9）固定连接，滑环（71）位于活塞头侧流孔（31）的边缘位置，以使滑环（71）行程的一端部分的覆盖活塞头侧流孔（31）。

2.根据权利要求1所述的一种增大射流水力振荡器输出功率的方法，其特征是：连接杆（72）与活塞头（33）滑动密封连接；

所述的滑环（71）为环状结构，滑环（71）的外壁与活塞头（33）的内壁滑动密封连接，滑环（71）的内壁通过多个第一横向连接杆（74）与连接杆（72）固定连接，第一横向连接杆（74）之间的空隙构成过流通道；

固定座（73）的外壁与活塞套筒（9）固定连接，固定座（73）通过多个第二横向连接杆（75）与连接杆（72）固定连接，第二横向连接杆（75）之间的空隙构成过流通道。

3.根据权利要求1所述的一种增大射流水力振荡器输出功率的方法，其特征是：所述的活塞头侧流孔（31）成径向布置或向下游的方向倾斜布置，在活塞头（33）的端面还设有沿轴向的活塞头出流道（32），活塞头出流道（32）与活塞头侧流孔（31）连通；

所述的活塞头侧流孔（31）为多个，活塞头出流道（32）相应的为多个。

4.根据权利要求1~3任一项所述的一种增大射流水力振荡器输出功率的方法，其特征是：所述的滑环（71）位于活塞头侧流孔（31）的上游侧；

当活塞体（3）与活塞套筒（9）相对运动，滑环（71）的行程一端完全离开活塞头侧流孔（31）。

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