CN112431568A - 双向水力振荡器 - Google Patents

Abstract

本说明书提供了一种双向水力振荡器，包括：容纳有传动短节的外套筒；套设于传动短节外部的第一芯轴和第二芯轴，第一芯轴与第二芯轴之间形成液压腔，传动短节具有与液压腔相连的进液孔和泄流孔；为芯轴提供复位力的第一复位件；设置有与泄流孔对应的第一通孔的静阀；设置有与进液孔相连通的第二通孔的动阀；为动阀提供复位力的第二复位件；至少部分动阀能在第一位置和第二位置之间滑动穿设于传动短节内，位于第一位置时，动阀遮挡于泄流孔与第一通孔之间，位于第二位置时，第一通孔与泄流孔连通。本说明书提供过的双向水力振荡器能够产生两个方向的往复振荡作用，可大幅度作用在井底钻柱上的摩擦阻力，提高钻井效率。

Description

双向水力振荡器

技术领域

本申请涉及石油与天然气工程技术领域，尤其涉及一种双向水力振荡器。

背景技术

随着油气资源的开发的逐渐深入，水平井、大位移井等复杂结构井的钻井数量不断增加。相对于常规的直井而言，这些井型的井斜角较大，井眼在油层中水平延伸相当长一段距离，能够增大与油气层的接触面积，因此成为提高油井产能和采收率的重要手段。

水平井和大位移井内的管柱在自重作用下通常处于偏心状态，容易贴在井眼的底部，增加了管柱下行阻力，导致钻压无法及时有效地传递到钻头，致使机械钻速低，钻井成本高。随着井眼长度的增加，管柱上的摩阻值也随之增大，形成“托压”现象。当钻柱与井壁之间摩阻增大到一定程度时，容易引起钻柱扭曲变形，严重影响水平井和大位移井的中靶率及井眼质量。

现有技术中，通常在钻柱上增加井底振荡工具以产生一定的预期振动，从而使井底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，这对于减小钻柱摩擦阻力、提高机械钻速等方面具有明显优势。井底振荡工具的振荡动力来源主要是靠钻柱内的压力波动，可以通过螺杆或者涡轮马达来驱动盘阀的连续转动调制振荡工具的水力脉冲腔内的压力波动，并作用在振荡芯轴上，以促使芯轴作往复运动。

然而，现有这些方式产生的压力波动只能够在单一方向上产生作用，使得井底振荡工具只能产生单一方向的往复振荡作用，这对于钻柱的降摩减阻效果，尚有不足。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本申请提供了一种双向水力振荡器，所述双向水力振荡器通过动阀来调节液压腔内的压力波动，并使得双向水力振荡器能够产生两个方向的往复振荡作用，能够大幅度作用在井底钻柱上的摩擦阻力，提高钻井效率。

为了达到上述目的，本申请提供的技术方案如下所述：

一种双向水力振荡器，包括：

容纳有传动短节的外套筒；

套设于所述传动短节外部的第一芯轴和第二芯轴，所述第一芯轴与所述第二芯轴之间形成液压腔，所述传动短节具有与所述液压腔相连的进液孔和泄流孔；

为所述芯轴提供复位力的第一复位件；

设置有与所述泄流孔对应的第一通孔的静阀；

设置有与所述进液孔相连通的第二通孔的动阀；

为所述动阀提供复位力的第二复位件；

至少部分所述动阀能在第一位置和第二位置之间滑动穿设于所述传动短节内，位于第一位置时，所述动阀遮挡于所述泄流孔与所述第一通孔之间，所述第二复位件和所述第一复位件蓄积弹性势能，位于第二位置时，所述第一通孔与所述泄流孔连通，所述第二复位件和所述第一复位件释放蓄积的弹性势能。

作为一种优选的实施方式，所述外套筒在其纵长延伸方向上具有相对的第一端和第二端，所述第一端和所述第二端均连接有防掉件，所述防掉件具有中心孔，所述芯轴的一端从所述中心孔穿设而出并固定连接有接头。

作为一种优选的实施方式，所述芯轴设置有沿径向向外突出并与所述外套筒内壁相抵的第一环形凸台，所述芯轴、所述防掉件和所述外套筒之间围设出用于容纳第一复位件的第一环形腔，所述第一复位件的一端与所述第一环形凸台相抵靠，另一端与所述防掉件相抵靠，所述外套筒设置有与所述第一环形腔相连通的第一辅助孔。

作为一种优选的实施方式，所述动阀具有中空腔体，所述动阀的一端从所述传动短节伸出，所述动阀具有与所述第一芯轴的内壁相抵的端面，所述中空腔体内设置有用于产生压差的节流器，所述节流器位于所述第二通孔与所述动阀的端面之间。

作为一种优选的实施方式，所述端面为沿径向向外突出的第二环形凸台，所述第一芯轴、所述动阀与所述传动短节之间围设出用于容纳第二复位件的第二环形腔，所述第二复位件的一端与所述传动短节相抵靠，另一端与所述第二环形凸台相抵靠，所述动阀内壁上设置有与所述第二环形腔相连通的第二辅助孔。

作为一种优选的实施方式，所述静阀的一端从所述传动短节伸出并与所述第二芯轴固定连接，所述静阀具有与所述第二芯轴的内壁相抵的第三环形凸台，所述第二芯轴、所述静阀与所述传动短节之间围设出用于容纳第三复位件的第三环形腔，所述第三复位件的一端与所述第三环形凸台相抵靠，另一端与所述传动短节相抵靠。

作为一种优选的实施方式，所述动阀具有圆筒状的第一本体，所述静阀具有圆筒状的第二本体，所述第一通孔设置在所述第二本体上；所述动阀在第一位置时，所述第二本体穿设于所述第一本体中，所述第二本体的下端形成有第四环形凸台，所述第四环形凸台的外径小于所述第三环形凸台但不小于所述第一本体的内径。

作为一种优选的实施方式，所述第一芯轴的内壁固定连接有限位环，所述第一芯轴的内壁还设置有弹性挡圈，所述动阀在第一位置与第二位置之间滑动时，所述动阀的端面位于所述限位环与所述弹性挡圈之间。

作为一种优选的实施方式，所述传动短节的外壁沿轴向设置有第一限位部和第二限位部，所述第一限位部和所述第二限位部位于所述第一芯轴的第一环形凸台与所述第二芯轴的第一环形凸台之间。

作为一种优选的实施方式，所述第一芯轴与所述传动短节之间设置有第一滑动机构，所述第二芯轴与所述传动短节之间设置有第二滑动机构，所述第一滑动机构、所述第二滑动机构包括：设置在所述芯轴内壁上的扇形凹槽；设置在所述传动短节的外壁上与所述扇形凹槽相配合的扇形凸台。

有益效果：

本申请实施方式提供的双向水力振荡器，能通过动阀上方的压力液的推动和第二复位件使得动阀在第一位置和第二位置之间来回滑动，动阀能够交替遮挡于传动短节的泄流孔与静阀的第一通孔之间，从而使液压腔的泄流孔的过流面积作周期性变化。

在泄流孔的过流面积作周期性变化的过程中，液压腔内不断能形成水击压力波，推动第一芯轴和第二芯轴伸出。结合第一复位件的作用，第一芯轴和第二芯轴不断做伸缩运动，可在轴向上产生一定频率和振幅的振动。第一芯轴可带动上部相邻钻柱在井眼内产生周期往复运动，第二芯轴可带动下部相邻钻柱在井眼内产生周期往复运动，使得钻柱在井底的静摩擦变为动摩擦，大大降低了钻柱与井壁间的摩擦阻力，保证钻压能够及时有效地施加到钻头上，从而提高机械钻速。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请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申请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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动力的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书实施例提供的双向水力振荡器的结构示意图；

图2为本说明书实施例提供的双向水力振荡器的动阀为下行状态的示意图；

图3为本说明书实施例提供的双向水力振荡器的芯轴为伸出状态的示意图；

图4为图1中A位置放大示意图；

图5为图1中B位置放大示意图；

图6为图1中C位置放大示意图；

图7为本说明书实施例中动阀下行至极限位置时图1中C位置放大图；

图8为本说明书实施例提供的外套筒的结构示意图；

图9为本说明书实施例提供的芯轴的结构示意图；

图10为图9的剖视图；

图11为本说明书实施例提供的传动短节的结构示意图；

图12为本说明书实施例提供的动阀的结构示意图；

图13为本说明书实施例提供的静阀的结构示意图；

附图标记说明：

1、外套筒；11、第一辅助孔；2、传动短节；21、进液孔；22、泄流孔；3、第一芯轴；4、第二芯轴；5、液压腔；6、第一复位件；7、静阀；71、第一通孔；8、动阀；81、第二通孔；82、第二辅助孔；9、第二复位件；10、防掉件；12、上接头；13、下接头；14、第一环形凸台；15、第一环形腔；16、节流器；17、第二环形凸台；18、第三环形凸台；19、第二环形腔；20、第三复位件；23、第四环形凸台；24、限位环；25、弹性挡圈；251、环形凹槽；26、第一限位部；27、第二限位部；28、扇形凹槽；29、扇形凸台。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所限定的范围内。

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。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。

下面将结合图1至图13对本说明书实施例的双向水力振荡器进行解释和说明。需要说明的是，为了便于说明，在本发明的实施例中，相同的附图标记表示相同的部件。而为了简洁，在不同的实施例中，省略对相同部件的详细说明，且相同部件的说明可互相参照和引用。

具体的，将图1至图3中所示意的向左的方向定义为“上端”，将图1至图3中所示意的向右的方向定义为“下端”。值得注意的是，本说明书中的对各方向定义，只是为了说明本说明书技术方案的方便，并不限定本说明书实施例的双向水力振荡器在包括但不限定于使用、测试、运输和制造等等其他可能导致装置方位发生颠倒或者位置发生变换的场景中的方向。

请参阅图1至图13所示，所述双向水力振荡器包括：容纳有传动短节2的外套筒1；套设于所述传动短节2外部的第一芯轴3和第二芯轴4，所述第一芯轴3与所述第二芯轴4之间形成液压腔5，所述传动短节2具有与所述液压腔5相连的进液孔21和泄流孔22；为所述芯轴提供复位力的第一复位件6；设置有与所述泄流孔22对应的第一通孔71的静阀7；设置有与所述进液孔21相连通的第二通孔81的动阀8；为所述动阀8提供复位力的第二复位件9；至少部分所述动阀8能在第一位置和第二位置之间滑动穿设于所述传动短节2内，位于第一位置时，所述动阀8遮挡于所述泄流孔22与所述第一通孔71之间，所述第二复位件9和所述第一复位件6蓄积弹性势能，位于第二位置时，所述第一通孔71与所述泄流孔22连通，所述第二复位件9和所述第一复位件6释放蓄积的弹性势能。

具体的，如图8所示，外套筒1作为双向水力振荡器的壳体，具有容纳腔室。外套筒1整体为圆筒结构，外套筒1在其纵长延伸方向上具有相对的第一端和第二端。所述第一端可以对应于图1至图3中所示意的向左的方向，为“上端”。所述第二端可以对应于图1至图3中所示意的向右的方向，为“下端”。

所述传动短节2容纳于外套筒1中，用于连接第一芯轴3和第二芯轴4。所述第一芯轴3和所述第二芯轴4均为中空的圆柱筒体，所述第一芯轴3和所述第二芯轴4同轴套设于传动短节2的外部，第一芯轴3靠近外套筒1的第一端，第二芯轴4靠近外套筒1的第二端。从而，双向水力振荡器通过设置第一芯轴3和第二芯轴4能够产生两个方向的往复振荡作用，具体的，第一芯轴3可以用于带动上部钻柱在井眼内产生往复振荡作用，第二芯轴4可带动下部钻柱在井眼内产生往复振荡作用。

进一步的，为了有利于第一芯轴3和第二芯轴4在外套筒1的轴向上运动。第一芯轴3与传动短节2之间设置有第一滑动机构，同样的，第二芯轴4与传动短节2之间设置有第二滑动机构。

在一个具体的实施例中，如图9至图11所示，所述第一滑动机构、所述第二滑动机构包括：设置在所述芯轴内壁上的扇形凹槽28；设置在所述传动短节2的外壁上与所述扇形凹槽28相配合的扇形凸台29。

在本实施例中，传动短节2的外侧壁设置多个扇形凸台29，多个扇形凸台29沿传动短节2的周向均布设置。第一芯轴3和第二芯轴4的内壁设置有与所述扇形凸台29相配合的扇形凹槽28，传动短节2的扇形凸台29与芯轴的扇形凹槽28等角度和等高度设置。从而，当芯轴沿外套筒1轴向运动时，扇形凸台29轴向滑动设置于芯轴的扇形凹槽28，起到很好的导向作用。

进一步的，如图9和图10所示，所述芯轴设置有沿径向向外突出并与所述外套筒1内壁相抵的第一环形凸台14，所述扇形凹槽28设置在所述第一环形凸台14内部，第一环形凸台14的高度大于扇形凹槽28的深度。所述传动短节2的扇形凸台29与第一环形凸台14内侧的扇形凹槽28形成滑动机构。

为了对第一芯轴3和第二芯轴4的轴向运动进行限位，如图11所示，在本说明书中，所述传动短节2的外壁沿轴向设置有第一限位部26和第二限位部27，所述第一限位部26和所述第二限位部27位于所述第一芯轴3的第一环形凸台14与所述第二芯轴4的第一环形凸台14之间。

具体的，所述第一限位部26和所述第二限位部27可以是环状的凸起或者是凸块，其中第一限位部26用于对第一芯轴3的第一环形凸台14进行限位，第二限位部27用于对第二芯轴4的第一环形凸台14进行限位。根据第一芯轴3和第二芯轴4的运动方向不同，以图1至图3所示的方向为例，第一芯轴3的第一环形凸台14位于第一限位部26的上端，第二芯轴4的第一环形凸台14位于第二限位部27的下端。

如图1和图11所示，第一芯轴3和第二芯轴4的第一环形凸台14之间形成液压腔5，为了向所述液压腔5进液和泄流，传动短节2上开设有用于进液的进液孔21和用于泄流的泄流孔22。所述进液孔21和所述泄流孔22可以在传动短节2的周向上分别设置有多个。

与钻井液的流向相对应，进液孔21位于泄流孔22的上方，当泄流孔22被封堵时，钻井液通过进液孔21进入液压腔5，随着钻井液的持续流动，液压腔5内部的高压将推动第一环形凸台14，使得第一芯轴3向上端移动，第二芯轴4向下端移动。当泄流孔22打开时，液压腔5内的流体由泄流孔22泄流，作用在第一环形凸台14上的推力减小，从而在第一复位件6的带动下，使得第一芯轴3和第二芯轴4复位。这也可以看出，随着泄流孔22周期性的封闭和打开，第一芯轴3和第二芯轴4可作周期性的运动，从而产生周期性的振荡作用。

在本说明书中，如图1所示，所述外套筒1的第一端和所述第二端均连接有防掉件10，所述防掉件10具有中心孔，所述芯轴的一端从所述中心孔穿设而出并固定连接有接头。具体的，所述外套筒1的第一端和第二端可以与防掉件10固定连接，优选为螺纹连接，防掉件10增加了外套筒1的长度，第一芯轴3和第二芯轴4能够沿着防掉件10的中心孔密封滑动穿设。为了便于第一芯轴3和第二芯轴4带动与之相邻的钻柱作周期性的振荡作用，第一芯轴3在伸出防掉件10的一端固定连接有上接头12，第二芯轴4在伸出防掉件10的一端固定连接有下接头13。所述上接头12用于连接上部钻柱，上接头12的内部可以设置有用于连接的螺纹孔，同样的，下接头13用于连接下部钻柱。

所述防掉件10不仅用于增加外套筒1的长度，其可以与芯轴的第一环形凸台14相配合形成用于安装第一复位件6的腔室。如图1、图4和图8所示，所述防掉件10可以具有与外套筒1的端部相配接的主体部，主体部的端部与芯轴、外套筒1之间围设出容纳第一复位件6的第一环形腔15。所述第一复位件6具体是碟簧组，第一复位件6的一端与所述第一环形凸台14相抵靠，另一端与所述防掉件10的主体部的端面相抵靠，所述外套筒1设置有与所述第一环形腔15相连通的第一辅助孔11。

所述第一辅助孔11用于建立第一环形腔15与井壁环空的连通关系。在传动短节2的泄流孔22呈打开状态时，钻井液的路径至少包括液压腔5——泄流孔22——钻柱喷嘴——钻柱与井壁的环空——第一环形腔15，如此可以允许环空低压流体通过第一辅助孔11进入第一环形腔15，从而平衡第一芯轴3和第二芯轴4承压端面两端的压差，增大对芯轴的反向推力，可以使得芯轴伸出后能够顺利复位。所述第一辅助孔11分别位于外套筒1的上端和下端，与两个第一环形腔15的位置相对应。

为了便于传动短节2上的泄流孔22周期性的封闭和打开，本说明书中的双向水力振荡器还包括动阀8和静阀7。如图5和图6所示，具体的，动阀8位于静阀7的上方，所述动阀8和静阀7均具有用于流通钻井液的中空腔室，且穿设于传动短节2中。所述静阀7设置有与泄流孔22对应的第一通孔71，动阀8设置有与进液孔21相连通的第二通孔81。

在一个实施方式中，所述动阀8的一端从所述传动短节2伸出，所述动阀8具有与所述第一芯轴3的内壁相抵的端面。具体的，动阀8位于传动短节2和第一芯轴3之间，动阀8的上端与第一芯轴3相抵，动阀8的下端穿设于传动短节2内。

所述动阀8能在第一位置和第二位置之间滑动。当向钻柱内注入钻井液时，动阀8的端面在高压钻井液的推动下朝向外套筒1的第二端滑动，并移动至第一位置。如图2和图7所示，动阀8移动至传动短节2与静阀7之间，并遮挡于泄流孔22与第一通孔71之间，阻止液压腔5内的流体泄流。在第二复位件9的带动下，动阀8可以移动至第二位置，泄流孔22与第一通孔71之间无法形成遮挡，液压腔5内的液流自泄流孔22流出。这也可以看出，随着动阀8在第一位置和第二位置之间周期性的运动，可使得传动短节2上的泄流孔22作周期性的封闭和打开，作用在第一芯轴3和第二芯轴4端面的压力波可使得芯轴作周期性的运动，从而产生周期性的振荡作用。

进一步的，所述动阀8上的第二通孔81可以始终与传动短节2的进液孔21相连通。所述第二通孔81可以设置有多个，在动阀8的周向上等距布置，第二通孔81位于传动短节2的进液孔21上方，以保证液压腔5始终能够进液。

在一个实施方式中，如图4和图12所示，所述动阀8的端面为沿径向向外突出的第二环形凸台17，所述第一芯轴3、所述动阀8与所述传动短节2之间围设出用于容纳第二复位件9的第二环形腔19，所述第二复位件9的一端与所述传动短节2相抵靠，另一端与所述第二环形凸台17相抵靠，所述动阀8内壁上设置有与所述第二环形腔19相连通的第二辅助孔82。

具体的，所述第二复位件9可以是弹簧，用于为动阀8提供复位件，使得动阀8能够在第一位置与第二位置之间来回移动。所述第二辅助孔82用于建立第二环形腔19与动阀8的中空腔室的连接关系，使动阀8第二环形凸台17上下端面压力平衡，减小动阀8复位过程中的压差阻力，以辅助第二复位件9将动阀8复位。

进一步的，动阀8的中空腔体内还可以设置有用于产生压差的节流器16，所述节流器16位于所述第二通孔81与所述动阀8的端面之间。

所述节流器16具体是节流喷嘴，用于在其两端产生压差。在钻井液通过上接头12和第一芯轴3流入动阀8中的节流器16，在节流器16的上下流道产生压差。从而，动阀8上端面受高压流体作用，动阀8下端面受低压流体作用，动阀8下端的压力始终能够小于动阀8上端压力，保证在压差推力达到一定程度时能够推动动阀8下移。

在本说明书中，动阀8的运动存在一启动流量，在起下钻阶段小流量条件下，工具不工作，保证了工具用于纯钻的时间。

具体的，在钻头未接触井底阶段，钻井液流量较小，节流喷嘴产生的压差小，动阀8所受推力小，向下运动距离较小，尚未移动至第一位置，传动短节2上的泄流孔22未被遮挡。此时，传动短节2的进液孔21和钻头喷嘴处产生的压差均较小，作用在第一芯轴3和第二芯轴4两端的推力较小，不足以推动芯轴运动，工具不工作。

在本说明书中，如图1至图4所示，所述第一芯轴3的内壁固定连接有限位环24，所述第一芯轴3的内壁还设置有弹性挡圈25，所述动阀8在第一位置与第二位置之间滑动时，所述动阀8的端面位于所述限位环24与所述弹性挡圈25之间。

具体的，所述第一芯轴3的内壁可以设置有连接部，用于连接限位环24。所述连接部可以是螺纹。第一芯轴3的内壁还可以设置有一环形凹槽251，用于容纳弹性挡圈25。所述限位环24和所述弹性挡圈25用于限制动阀8的最大运动位移。弹性挡圈25与第二环形凸台17之间的距离可以大于第二复位件9的压缩距离，动阀8在移动时，第二环形凸台17在限位环24与弹性挡圈25之间内往复运动。

在一个实施方式中，如图1和图13所示，所述静阀7的一端从所述传动短节2伸出并与所述第二芯轴4固定连接，所述静阀7具有与所述第二芯轴4的内壁相抵的第三环形凸台18，所述第二芯轴4、所述静阀7与所述传动短节2之间围设出用于容纳第三复位件20的第三环形腔，所述第三复位件20的一端与所述第三环形凸台18相抵靠，另一端与所述传动短节2相抵靠。

所述第三环形凸台18上可以设置有螺纹连接部，用于与第二芯轴4的内壁螺纹连接，第二芯轴4在轴向伸出的过程中，也将带动静阀7伸出。在第一芯轴3和第二芯轴4伸出的过程中，动阀8运动至第一位置，并遮挡于静阀7与泄流孔22之间，此时静阀7随第二芯轴4的伸出，其第一通孔71也逐渐远离泄流孔22，可以进一步避免液压腔5内高压流体的液流。

在第三复位件20的带动下，可以使得静阀7复位。所述第三复位件20可以是弹簧，第三复位件20与第二复位件9可以在位置上对称，从而配合第二复位件9的调节，在泄流孔22过流面积改变的过程中，对于静阀7的位置起到调节作用。

在一个具体的实施例中，所述动阀8具有圆筒状的第一本体，所述静阀7具有圆筒状的第二本体，所述第一通孔71设置在所述第二本体上；所述动阀8在第一位置时，所述第二本体穿设于所述第一本体中，所述第二本体的下端形成有第四环形凸台23，所述第四环形凸台23的外径小于所述第三环形凸台18但不小于所述第一本体的内径。

进一步的，静阀7的第二本体的上部可以为圆锥体，在圆锥体的下方，第四环形凸台23的上方设置第一通孔71。所述第四环形凸台23的外径可以与动阀8第一本体的内径相等。动阀8在第一位置和第二位置之间移动时，静阀7的圆锥体可以滑动穿设在第一本体的内部。

在本说明书中，如图1至图3所示，所述双向水力振荡器连接为一个整体，由外壳体、振荡总成和控制阀总成三部分组成。其中，外壳体由上部防掉件10、外套筒1和下部防掉件10依次固定连接而成。振荡总成包括第一芯轴3、传动短节2和第二芯轴4，第一芯轴3和第二芯轴4同轴设置在外套筒1内，并套设在传动短节2外部，传动短节2位于第一芯轴3与第二芯轴4之间。控制阀总成包括动阀8和静阀7，其中，动阀8穿设于第一芯轴3和传动短节2内，静阀7穿设于第二芯轴4和传动短节2内。

为了更方便的理解本说明书，下面将结合图1至图13，对于本说明书实施例提供的双向水力振荡器的工作过程作进一步阐述。

双向水力振荡器工作过程中，上部钻柱的钻压将通过上接头12、第一芯轴3、传动短节2、第二芯轴4、下接头13传递至下部钻柱。上部钻柱的扭矩将通过钻压通过上接头12、第一芯轴3、第一芯轴3与传动短节2之间的第一滑动机构、传动短节2、传动短节2与第二芯轴4之间的第二滑动机构、第二芯轴4、下接头13传递至下部钻柱。钻井液通过双向水力振荡器和下部钻柱，经钻头喷嘴流出进入钻柱与井壁环空，在钻柱内部与环空产生压差。

其中，第一环形腔15通过第一辅助孔11与环空低压流道连通，第二环形腔19通过第二辅助孔82与钻柱内部高压流道连通。第一芯轴3和第二芯轴4的第一环形凸台14受液压腔5内的高压钻井液作用。

在钻井液通过上接头12和第一芯轴3流入动阀8内部的节流器16时，在节流器16的上下流道产生一压差。动阀8的第二环形凸台17受高压流体作用。在钻头未接触井底阶段，钻井液流量较小，节流器16产生的压差小，动阀8所受压差推力小，向下运动距离较小。当钻头接触井底开始钻进时，钻井液流量增加引起钻柱内外压差增大，动阀8所受压差推力增加，开始向下运动。

在本说明书中，按照动阀8的复位运动形式，工具的工作可分为两种工作方式，下面将对于两种工作方式进行分别阐述。

在第一种工作方式中，第二复位件9采用高刚度的螺旋弹簧，动阀8依靠第二复位件9完成复位。如图2和图3所示，当动阀8向下运动至第一位置时，能够遮挡于传动短节2的泄流孔22与静阀7的第一通孔71之间，泄流孔22的过流面积减小产生的压差增大，液压腔5内的高压钻井液作用在第一芯轴3和第二芯轴4两端的压差推力增大，推动第一芯轴3向上运动伸出外壳体，同时压缩第一复位件6。同时，推动第二芯轴4向下运动伸出外壳体，同时压缩第一复位件6。

此时，动阀8在移动至第一位置的过程中也在压缩第二复位件9，第二复位件9对动阀8的反作用力逐渐增大，使得动阀8做减速运动。当动阀8速度为0时，动阀8运动至极限位置，如图7所示，动阀8到达第一位置。此时第二复位件9对动阀8的推力大于钻井液压差推力，同时，第二复位件9还通过第二辅助孔82的进液能够辅助第二复位件9带动动阀8复位。动阀8在第二复位件9作用下开始反向运动复位。

在动阀8复位过程中，传动短节2的泄流孔22的过流面积逐渐增大，产生的压差减小，作用在第一芯轴3和第二芯轴4的压差推力减小，第一芯轴3和第二芯轴4在第一复位件6的作用下复位收回外壳体。动阀8在反向复位过程中复位弹簧作用力逐渐减小，动阀8做减速运动，当动阀8的第二环形凸台17抵靠在限位环24的下端面，动阀8到达第二位置，此时工具完成一个周期工作。随后，在钻井液的持续注入过程中，动阀8在压差推力作用下再次下行重复上一周期动作。

在第二种工作方式时，第二复位件9采用低刚度的螺旋弹簧，动阀8依靠第一芯轴3完成复位。当动阀8所受压差推力增加开始向下运动，由于低刚度弹簧对动阀8产生的反作用力较小，动阀8运动至弹性挡圈25上端后停止运动，动阀8由于压差力作用，其第二环形凸台17的下端面被压紧在弹性挡圈25上端，同时动阀8下端遮挡传动短节2的泄流孔22。泄流孔22的过流面积减小产生的压差增大，作用在第一芯轴3和第二芯轴4两端的压差推力增大，推动第一芯轴3和第二芯轴4分别向上、向下运动伸出外壳体，同时压缩第一复位件6。

在第一芯轴3的上行过程中，由于弹性挡圈25的作用，其能够带动动阀8共同上行。动阀8在上行过程中，传动短节2的泄流孔22的过流面积逐渐增大，产生的压差减小，作用在第一芯轴3和第二芯轴4压差推力减小。第一芯轴3和第二芯轴4在第一复位件6的作用下复位收回外壳体，工具完成一个周期工作。在第一芯轴3复位收回外壳体过程中，动阀8在压差推力作用又继续向下运动，工具开始重复周期行的振荡动作。

在第一种工作方式中，弹性挡圈25距第二环形凸台17之间的距离可以大于高刚度的螺旋弹簧的压缩距离。在第二种工作方式中，需要依靠弹性挡圈25带动动阀8上移，相较于第一种工作方式而言，弹性挡圈25需要靠近限位环24设置，以能够保证第一芯轴3上移时能够带动动阀8一同上移。

在工具的两种工作方式下，都是通过控制动阀8的周期性运动，使传动短节2的泄流孔22的过流面积的周期性变化，由大到小，再由小到大，不断形成水击压力波，作用在第一芯轴3和第二芯轴4的端面，推动第一芯轴3和第二芯轴4在轴向上产生一定频率和振幅的振动。

第一芯轴3带动上部相邻钻柱在井眼内产生周期往复运动，第二芯轴4带动下部相邻钻柱在井眼内产生周期往复运动，使得钻柱在井底的静摩擦变为动摩擦，大大降低了钻柱与井壁间的摩擦阻力，保证钻压能够及时有效地施加到钻头上，从而提高机械钻速。本说明书提供过的双向水力振荡器省去了涡轮或螺杆驱动短节，有效减小了工具长度，提高工具应用范围。在钻进过程中，工具能够同时推动上部和下部钻柱产生周期性振动，大幅度作用在井底钻柱上的摩擦阻力，提高钻井效率。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

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。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。

Claims (10)

1.一种双向水力振荡器，其特征在于，包括：

容纳有传动短节的外套筒；

套设于所述传动短节外部的第一芯轴和第二芯轴，所述第一芯轴与所述第二芯轴之间形成液压腔，所述传动短节具有与所述液压腔相连的进液孔和泄流孔；

为所述芯轴提供复位力的第一复位件；

设置有与所述泄流孔对应的第一通孔的静阀；

设置有与所述进液孔相连通的第二通孔的动阀；

为所述动阀提供复位力的第二复位件；

至少部分所述动阀能在第一位置和第二位置之间滑动穿设于所述传动短节内，位于第一位置时，所述动阀遮挡于所述泄流孔与所述第一通孔之间，所述第二复位件和所述第一复位件蓄积弹性势能，位于第二位置时，所述第一通孔与所述泄流孔连通，所述第二复位件和所述第一复位件释放蓄积的弹性势能。

2.如权利要求1所述的双向水力振荡器，其特征在于，所述外套筒在其纵长延伸方向上具有相对的第一端和第二端，所述第一端和所述第二端均连接有防掉件，所述防掉件具有中心孔，所述芯轴的一端从所述中心孔穿设而出并固定连接有接头。

3.如权利要求2所述的双向水力振荡器，其特征在于，所述芯轴设置有沿径向向外突出并与所述外套筒内壁相抵的第一环形凸台，所述芯轴、所述防掉件和所述外套筒之间围设出用于容纳第一复位件的第一环形腔，所述第一复位件的一端与所述第一环形凸台相抵靠，另一端与所述防掉件相抵靠，所述外套筒设置有与所述第一环形腔相连通的第一辅助孔。

4.如权利要求1所述的双向水力振荡器，其特征在于，所述动阀具有中空腔体，所述动阀的一端从所述传动短节伸出，所述动阀具有与所述第一芯轴的内壁相抵的端面，所述中空腔体内设置有用于产生压差的节流器，所述节流器位于所述第二通孔与所述动阀的端面之间。

5.如权利要求4所述的双向水力振荡器，其特征在于，所述端面为沿径向向外突出的第二环形凸台，所述第一芯轴、所述动阀与所述传动短节之间围设出用于容纳第二复位件的第二环形腔，所述第二复位件的一端与所述传动短节相抵靠，另一端与所述第二环形凸台相抵靠，所述动阀内壁上设置有与所述第二环形腔相连通的第二辅助孔。

6.如权利要求1所述的双向水力振荡器，其特征在于，所述静阀的一端从所述传动短节伸出并与所述第二芯轴固定连接，所述静阀具有与所述第二芯轴的内壁相抵的第三环形凸台，所述第二芯轴、所述静阀与所述传动短节之间围设出用于容纳第三复位件的第三环形腔，所述第三复位件的一端与所述第三环形凸台相抵靠，另一端与所述传动短节相抵靠。

7.如权利要求6所述的双向水力振荡器，其特征在于，所述动阀具有圆筒状的第一本体，所述静阀具有圆筒状的第二本体，所述第一通孔设置在所述第二本体上；所述动阀在第一位置时，所述第二本体穿设于所述第一本体中，所述第二本体的下端形成有第四环形凸台，所述第四环形凸台的外径小于所述第三环形凸台但不小于所述第一本体的内径。

8.如权利要求7所述的双向水力振荡器，其特征在于，所述第一芯轴的内壁固定连接有限位环，所述第一芯轴的内壁还设置有弹性挡圈，所述动阀在第一位置与第二位置之间滑动时，所述动阀的端面位于所述限位环与所述弹性挡圈之间。

9.如权利要求3所述的双向水力振荡器，其特征在于，所述传动短节的外壁沿轴向设置有第一限位部和第二限位部，所述第一限位部和所述第二限位部位于所述第一芯轴的第一环形凸台与所述第二芯轴的第一环形凸台之间。

10.如权利要求1所述的双向水力振荡器，其特征在于，所述第一芯轴与所述传动短节之间设置有第一滑动机构，所述第二芯轴与所述传动短节之间设置有第二滑动机构，所述第一滑动机构、所述第二滑动机构包括：设置在所述芯轴内壁上的扇形凹槽；设置在所述传动短节的外壁上与所述扇形凹槽相配合的扇形凸台。

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