CN113338805A - 复合振动的水力振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合振动的水力振荡器，石油天然气井下工具领域，它包括管体，管体内设有偏心涡轮，偏心涡轮的外壁与管体内壁之间构成可相对转动的滑动套接结构，在偏心涡轮设有沿轴向贯通的倾斜孔，倾斜孔与管体的轴线之间具有夹角，倾斜孔的内壁设有涡轮叶片。涡轮叶片为沿倾斜孔内壁圆周布置的多个螺旋叶片，螺旋叶片延展的互相连接在一起。通过采用偏心涡轮的方案，在井下施工时串接一个或多个在钻具上，即能够实现钻具不同位置的径向振动，从而解决钻具井下托压的问题。而且结构简单，便于加工和装配，实现成本低。

Description

复合振动的水力振荡器

技术领域

本发明涉及石油天然气井下工具领域，特别是一种复合振动的水力振荡器。

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，现有技术中采用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、CN 104405287 A、CN 211648054 U中记载的结构。但是现有技术中各种方案都存在架构复杂，加工成本高昂的问题，随着井的长度增加，现有的工具也难以完全满足施工需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种复合振动的水力振荡器，能够以较为简化的结构实现克服井下托压的问题，以较低的压耗实现径向振动，且能够降低使用成本，优选的方案中，还能够实现径向和轴向的复合振动。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种复合振动的水力振荡器，它包括管体，管体内设有偏心涡轮，偏心涡轮的外壁与管体内壁之间构成可相对转动的滑动套接结构，在偏心涡轮设有沿轴向贯通的倾斜孔，倾斜孔与管体的轴线之间具有夹角，倾斜孔的内壁设有涡轮叶片。

优选的方案中，所述的涡轮叶片为沿倾斜孔内壁圆周布置的多个螺旋叶片，螺旋叶片延展的互相连接在一起。

优选的方案中，所述的偏心涡轮为多个，多个偏心涡轮沿轴向布置。

优选的方案中，在管体靠近下游的一端还设有限位阶台，限位阶台的位置固设有定阀片，定阀片上设有沿管体轴向贯通的过流孔，过流孔为偏心孔；

偏心涡轮位于定阀片的上游，偏心涡轮与定阀片接触；

偏心涡轮的偏心孔与过流孔之间的通流截面大小随偏心涡轮旋转周期性变化。

优选的方案中，偏心涡轮的倾斜孔靠近上游的一端与管体为同心结构，靠近下游的一端与管体为偏心结构。

优选的方案中，所述的涡轮叶片位于靠近上游的一端；

位于下游的一端不设涡轮叶片。

优选的方案中，在偏心涡轮的上游还固设有导流筒，导流筒内设有导流孔，导流孔为倒锥形结构，靠近上游的一端内径较大，靠近下游的一端内径较小，导流筒下游端面与偏心涡轮的端面接触。

优选的方案中，导流孔下游内径小于或等于倾斜孔上游内径。

优选的方案中，导流筒下游端面与偏心涡轮的端面之间设有端面密封圈；

偏心涡轮的外壁与管体内壁之间设有外壁轴承，外壁轴承沿轴向设置至少两组；

偏心涡轮的端面与定阀片的端面之间设有端面轴承。

优选的方案中，所述的水力振荡器在钻具上间隔一段距离串接一个。

本发明提供了一种复合振动的水力振荡器，通过采用偏心涡轮的方案，在井下施工时串接一个或多个在钻具上，即能够实现钻具不同位置的径向振动，从而解决钻具井下托压的问题。而且结构简单，便于加工和装配，实现成本低。优选的方案中，将偏心涡轮的倾斜孔与具有偏心孔的定阀片组合成变通流截面的阀组，能够产生复合振动，包括叠加的径向振动和轴向振动，更有利于振动波的传递，使效果覆盖范围内的钻具的静摩擦转化为动摩擦，更利于井下钻压的传递。本发明大幅简化了结构，而且压耗较低，能够在钻具上间隔一段距离串接多个，使振动效果充分传递到钻具的各个节段，进一步优选的方案中，还能够方便地通过更换不同偏心距的定阀片来适应不同的地质结构，使压耗和振动效果处于最优状态。

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为本发明的主视图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为图2的B-B剖视图。

图4为本发明的振动曲线示意图。

图中：管体1，外锥连接头11，内锥连接头12，限位阶台13，导流筒2，导流孔21，偏心涡轮3，涡轮叶片31，外壁轴承32，端面轴承33，端面密封圈34，倾斜孔35，定阀片4，过流孔41。

具体实施方式

如图1~3中，一种复合振动的水力振荡器，它包括管体1，管体1内设有偏心涡轮3，偏心涡轮3的外壁与管体1内壁之间构成可相对转动的滑动套接结构，在偏心涡轮3设有沿轴向贯通的倾斜孔35，倾斜孔35与管体1的轴线之间具有夹角，倾斜孔35的内壁设有涡轮叶片31。由此结构，当压力介质通过偏心涡轮3，即带动偏心涡轮3转动，由于偏心涡轮3为偏心结构，带动整个管体1产生径向振动，当管体1通过两端的外锥连接头11和内锥连接头12串接在钻具上，则将振动以横波的方式传递给钻具，从而解决钻具井下托压的技术问题。

优选的方案如图3中，所述的涡轮叶片31为沿倾斜孔35内壁圆周布置的多个螺旋叶片，螺旋叶片延展的互相连接在一起。优选的，涡轮叶片31为沿倾斜孔35内壁圆周均匀布置的三个螺旋叶片，每个螺旋叶片在圆周上相距120°，每个螺旋叶片的中部互相连接在一起。

优选的方案中，所述的偏心涡轮3为多个，多个偏心涡轮沿轴向布置。由此结构，以降低加工难度，图中未示出。

优选的方案中，在管体1靠近下游的一端还设有限位阶台13，可选的方案中，限位阶台13通过机加工在管体1内壁上生成，另一可选的方案中，限位阶台13通过固装，例如过盈装配或螺纹装配的套环生成。限位阶台13的位置固设有定阀片4，定阀片4与管体1内壁之间，通过螺纹或互相咬合的沟槽实现周向定位，通过限位阶台13实现轴向定位；或者定阀片4的端面与限位阶台13之间通过互相咬合的沟槽实现周向定位，通过限位阶台13实现轴向定位。定阀片4上设有沿管体1轴向贯通的过流孔41，过流孔41为偏心孔；

偏心涡轮3位于定阀片4的上游，偏心涡轮3与定阀片4滑动接触；本例中的上游是指图2中的左端。压力介质从该端进入到管体1内。

如图3中所示，偏心涡轮3的偏心孔与过流孔41之间的通流截面大小随偏心涡轮3旋转周期性变化。由通流截面的变化，压力介质会产生周期性的振动，并将该振动以纵波的方式传递给钻具，振动图形如图4中所示，图4中的左侧显示了偏心孔与过流孔41相距90°的投影变化，右侧显示了叠加的振动波形，其中T表示一个周期。与偏心涡轮3的偏心振动经优化组合，能够进一步扩大振动传递范围。优选的，定阀片4的过流孔41的偏心距可以通过更换来调节，便于适应不同的井下地质条件，以达到最优化的效果。本例中的优化效果是指，在抗托压效果、压耗和使用成本之间达到平衡。经测算，由于本发明的结构简化，因此生产制造成本大幅降低，且体积也相应减小，即便在转具上串接多个，总压耗和使用成本也低于现有技术中振荡效果较佳的螺杆马达式水力振荡器。

优选的方案如图2中，偏心涡轮3的倾斜孔35靠近上游的一端与管体1为同心结构，靠近下游的一端与管体1为偏心结构。由此结构，便于和导流筒2配合以降低偏心涡轮3的轴向压力。避免因压力介质的压力过高，将偏心涡轮3压死在定阀片4或限位阶台上。

优选的方案中，所述的涡轮叶片31位于靠近上游的一端；位于下游的一端不设涡轮叶片31。由此结构，更便于驱动偏心涡轮3转动，避免偏心涡轮3卡住，而且该设计能够在相同的管体直径下，使通流截面的变化范围更大。

优选的方案如图2中，在偏心涡轮3的上游还固设有导流筒2，导流筒2内设有导流孔21，导流孔21为倒锥形结构，靠近上游的一端内径较大，靠近下游的一端内径较小，导流筒2下游端面与偏心涡轮3的端面密封滑动接触。上游是指图2中的左端，下游是指图2中的右端。优选的方案中，导流孔21下游内径小于或等于倾斜孔35上游内径。导流筒2的作用在于，一是降低偏心涡轮3的轴向压力。二是提高压力介质的流速，使压力介质更好的对涡轮叶片31做功，以驱动偏心涡轮3旋转。进一步优选的方案中，在导流筒2下游中心位置设有锥形的导流帽，导流帽的尖端对准上游，以使压力介质更多的作用在涡轮叶片31根部的位置。导流帽的结构在图中未示出。

优选的方案如图2中，导流筒2下游端面与偏心涡轮3的端面之间设有端面密封圈34；由于偏心涡轮3主要受到图2中从左向右的压力，因此该处设置密封圈34形成密封，并补偿因偏心涡轮3轴向窜动的间隙变化。

偏心涡轮3的外壁与管体1内壁之间设有外壁轴承32，外壁轴承32沿轴向设置至少两组；本例中的外壁轴承32优选的采用聚四氟乙烯滑动轴承。外壁轴承32的结构为环状镶嵌或多个柱状镶嵌。采用滚珠轴承也是可行的。

偏心涡轮3的端面与定阀片4的端面之间设有端面轴承33，以承受偏心涡轮3的轴向压力。端面轴承33优选采用聚四氟乙烯滑动轴承。采用滚珠轴承也是可行的。

优选的方案中，所述的水力振荡器在钻具上间隔一段距离串接一个。本发明的优势在于结构简单，因此价格较为便宜，而且压耗较低，因此能够在钻具上串接多个，尤其适用于长水平井钻进作业中。

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，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。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。

Claims (10)

1.一种复合振动的水力振荡器，其特征是：它包括管体（1），管体（1）内设有偏心涡轮（3），偏心涡轮（3）的外壁与管体（1）内壁之间构成可相对转动的滑动套接结构，在偏心涡轮（3）设有沿轴向贯通的倾斜孔（35），倾斜孔（35）与管体（1）的轴线之间具有夹角，倾斜孔（35）的内壁设有涡轮叶片（31）。

2.根据权利要求1所述的一种复合振动的水力振荡器，其特征是：所述的涡轮叶片（31）为沿倾斜孔（35）内壁圆周布置的多个螺旋叶片，螺旋叶片延展的互相连接在一起。

3.根据权利要求1所述的一种复合振动的水力振荡器，其特征是：所述的偏心涡轮（3）为多个，多个偏心涡轮沿轴向布置。

4.根据权利要求1所述的一种复合振动的水力振荡器，其特征是：在管体（1）靠近下游的一端还设有限位阶台（13），限位阶台（13）的位置固设有定阀片（4），定阀片（4）上设有沿管体（1）轴向贯通的过流孔（41），过流孔（41）为偏心孔；

偏心涡轮（3）位于定阀片（4）的上游，偏心涡轮（3）与定阀片（4）接触；

偏心涡轮（3）的偏心孔与过流孔（41）之间的通流截面大小随偏心涡轮（3）旋转周期性变化。

5.根据权利要求1、2、4任一项所述的一种复合振动的水力振荡器，其特征是：偏心涡轮（3）的倾斜孔（35）靠近上游的一端与管体（1）为同心结构，靠近下游的一端与管体（1）为偏心结构。

6.根据权利要求5所述的一种复合振动的水力振荡器，其特征是：所述的涡轮叶片（31）位于靠近上游的一端；

位于下游的一端不设涡轮叶片（31）。

7.根据权利要求5所述的一种复合振动的水力振荡器，其特征是：在偏心涡轮（3）的上游还固设有导流筒（2），导流筒（2）内设有导流孔（21），导流孔（21）为倒锥形结构，靠近上游的一端内径较大，靠近下游的一端内径较小，导流筒（2）下游端面与偏心涡轮（3）的端面接触。

8.根据权利要求7所述的一种复合振动的水力振荡器，其特征是：导流孔（21）下游内径小于或等于倾斜孔（35）上游内径。

9.根据权利要求7所述的一种复合振动的水力振荡器，其特征是：导流筒（2）下游端面与偏心涡轮（3）的端面之间设有端面密封圈（34）；

偏心涡轮（3）的外壁与管体（1）内壁之间设有外壁轴承（32），外壁轴承（32）沿轴向设置至少两组；

偏心涡轮（3）的端面与定阀片（4）的端面之间设有端面轴承（33）。

10.根据权利要求1~4、6~9任一项所述的一种复合振动的水力振荡器，其特征是：所述的水力振荡器在钻具上间隔一段距离串接一个。

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