CN113389492A - 一种可控水力振荡器 - Google Patents

Abstract

一种可控水力振荡器，涉及石油机械技术领域，该可控水力振荡器包括振荡机构和控制机构，所述振荡机构用于将所述水力振荡器产生的压力波动转换为轴向振动；所述控制机构用于控制所述水力振荡器的轴向振动的启动和停止；本发明的控制机构可用于控制第二容置腔与内部流道处于连通或关闭状态。当钻井中不需要振动时，通过投球方式，将控制机构的调整芯轴调整到第二位置，内部流道与第二容置腔断开，内部压力变化无法进入第二容置腔，不会产生振动；当钻井中需要振动时，通过投球方式，将控制机构的调整芯轴调整到第一位置，内部流道与第二容置腔连通，压力变化可以进入第二容置腔，产生振动。

Description

一种可控水力振荡器

技术领域

本发明涉及水力振荡器技术领域，具体涉及一种可控水力振荡器。

背景技术

在石油天然气钻井过程中经常遇到托压的情况，需要使用水力振荡器产生轴向振动，解决托压问题，提高机械钻速。由于地层原因或钻井设计要求，在个别地层不需要水力振荡器起作用，防止起到反面效果，需要使水力振荡器处于不工作状态，满足现场要求。常规水力振荡器一直处于工作状态，不能达到预想的效果。

中国发明专利CN201220249059.0公开了一种钻井用水力振荡器，由水力驱动总成、定阀总成、底部总成、振动短节组成，振动短节与水力驱动总成相连，转子与振动阀相连，定阀总成安装在底部总成上，动力壳体与底部总成相连。钻井液驱动转子旋转，转子带动振动阀振动，使振动阀和定阀的流通孔相互交错，调制出简谐性压力波，压力波向上传递给碟形弹簧，带动振动壳体在轴向发生持续的简谐性振动，有效改善钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻进速度。但该技术方案中没有用于打开或者关闭上述振荡功能的水力振荡器控制机构。

在水力振荡系统中，水力振荡器产生的压力波动作用于振荡机构上，在水力振荡器工作时，振荡机构始终处于工作状态，无法调整其是否处于工作状态。

发明内容

本发明针对现有技术中所存在的上述技术问题提供了可控水力振荡器，能够通过投球控制水力振荡器是否产生轴向振动。

为实现上述技术目的，本发明实施方式提供了一种可控水力振荡器，包括振荡机构和控制机构，所述振荡机构用于将所述水力振荡器产生的压力波动转换为轴向振动；所述控制机构用于控制所述水力振荡器的轴向振动的启动和停止；

所述振荡机构包括主轴、碟簧、主轴接头、活塞壳体、活塞和挡圈；其中，所述碟簧位于所述主轴的外侧，所述主轴接头与所述主轴螺纹连接；所述活塞位于所述主轴接头和所述活塞壳体之间的第一环形空间内；所述挡圈与所述主轴接头的下端螺纹连接，所述挡圈用于限制所述活塞轴向方向的运动幅度；

所述控制机构包括调整芯轴、轴承、弹簧和下接头；所述调整芯轴位于所述主轴接头的内侧；所述调整芯轴与所述主轴接头可上下滑动且密封连接；所述调整芯轴的下端与所述轴承的上端相抵，所述轴承的下端与所述弹簧的上端相抵；所述弹簧的下端与所述下接头固定连接；所述下接头与所述活塞壳体通过螺纹连接；所述下接头上固定设有径向延伸的销钉；所述调整接头的外轮廓设有大致沿着周向延伸的凹槽；所述销钉与所述凹槽嵌合；

所述凹槽包括多个间隔排列的第一位置和第二位置，所述第一位置和第二位置具有不同的高度；所述第一位置的高度位置低于所述第二位置的高度位置；所述凹槽内还设有第三位置，所述第三位置在轴向上位于第一、第二位置的相对侧，且在周向上位于相邻的两个第一位置和第二位置之间；

两个相邻的所述第三位置之间形成向第一、第二位置侧突起的第一导向角；从周向上看，在所述第一导向角的第一侧形成有与所述第一位置在轴向方向相对的第一斜面；

相邻的第一位置和第二位置之间形成有向第三位置侧突起的第二导向角；从周向上看，第二导向角的所述第一侧形成有与所述第三位置在轴向方向相对的第二斜面；

所述调整芯轴设有轴向延伸并贯穿该调整芯轴的芯轴内孔；所述芯轴内孔的顶部设有缩孔部；所述缩孔部的内孔孔径小于所述芯轴内孔的孔径；在所述调整芯轴的上端还设有连通所述调整芯轴的上端面和所述芯轴内孔的节流孔；

所述芯轴内孔内形成与所述主轴、所述下接头的内孔连通的第一容置腔；所述主轴接头与所述活塞壳体之间的环形腔体为第二容置腔；所述活塞位于所述第二容置腔内；在所述调整芯轴的侧壁上设有径向延伸的连通孔；调整芯轴能够沿着其轴线方向上下滑动，当所述调整芯轴处于第二位置时，所述连通孔被主轴接头封闭；当所述调整芯轴处于第一位置时，连通孔能够连通第一容置腔和第二容置腔。

优选地，所述活塞的内轮廓与所述主轴接头可轴向滑动且密封连接；所述活塞的外轮廓与所述活塞壳体可轴向滑动且密封连接。

优选地，所述节流孔可为多个，多个所述节流孔围绕所述调整芯轴轴线均匀布设。

优选地，所述弹簧的下端抵在滤网的上端面，所述滤网的下端面与所述下接头相抵，所述滤网的外壁上设有多个过水缝隙。

优选地，所述滤网的底壁上设有多个过水孔。

优选地，所述滤网的外侧底壁设有多个支撑爪，相邻的两个支撑爪之间设有能够通过泥浆的孔道。

优选地，所述滤网的外侧设有环形凹槽。

优选地，所述水力振荡器还包括波动发生机构，所述波动发生机构安装于所述控制机构的下侧，所述波动发生机构包括外壳体、芯轴、动阀块和定阀块，所述外壳体与所述下接头固定连接，所述芯轴位于所述外壳体的内部，所述芯轴与所述外壳体之间的第二环形空间内设有涡轮单元，所述芯轴的下端与所述动阀块连接，所述定阀块与所述外壳体连接，所述动阀块的端面与所述定阀块的端面相抵，所述芯轴的上端安装有切换体，所述切换体上设有与所述芯轴的内孔连通的中心孔和与所述第二环形空间连通的边缘孔，所述边缘孔的孔径小于所述中心孔的孔径，所述边缘孔位于所述中心孔的上侧；所述定阀块上设有多个围绕其轴线均匀布设的第一通孔，所述动阀块上设有多个围绕其轴线均匀布设的第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔均位于所述第二环形空间内。

优选地，所述可控水力振荡器还包括底部接头和滤网，所述底部接头与所述外壳体的下端连接，所述滤网设于所述底部接头的内孔中。

优选地，所述切换体与所述调整芯轴固定连接，所述芯轴与所述切换体转动连接。

本发明实施方式中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本发明的控制机构可用于控制第二容置腔与内部流道处于连通或关闭状态。当钻井中不需要振动时，通过投球方式，将控制机构的调整芯轴调整到第二位置，内部流道与第二容置腔断开，内部压力变化无法进入第二容置腔，不会产生振动；当钻井中需要振动时，通过投球方式，将控制机构的调整芯轴调整到第一位置，内部流道与第二容置腔连通，压力变化可以进入第二容置腔，产生振动。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的可控水力振荡器的结构示意图。

图2为图1下半部分的放大图。

图3为图1中的调整芯轴外圆展开图。

图4为本发明另一种实施方式的可控水力振荡器的结构示意图。

图5为本发明又一种实施方式的可控水力振荡器的结构示意图。

图中，

1-主轴，2-碟簧，3-主轴接头，4-活塞壳体，5-活塞，6-挡圈，7-调整芯轴，71-缩孔部，72-节流孔，73-芯轴内孔，74-连通孔，75-凹槽，8-销钉，9-轴承，10-弹簧，11-滤网，111-过水缝隙，112-过水孔，113-支撑爪，114,环形凹槽，12-下接头；14-支撑环，15-涡轮单元，16-切换体，1601-中心孔，1602-边缘孔，17-动阀块，18-定阀块，19-芯轴，20-外壳体，21-底部接头，

P1、P1’-第一位置，P2-第二位置，P3-第三位置，F1-第一斜面，F2-第二斜面，C1-第一导向角，C2-第二导向角。

具体实施方式

通过解释以下本申请的优选实施方案，本发明的其他目的和优点将变得清楚。

第一实施方式

图1为本发明一种实施方式的可控水力振荡器的结构示意图。图2为图1下半部分的放大图。

如图1和图2所示，一种可控水力振荡器包括振荡机构和控制机构，该振荡机构用于将水力振荡器产生的压力波动转换为轴向振动。该控制机构用于控制水力振荡器的轴向振动的启动和停止。

具体地，振荡机构包括主轴1、碟簧2、主轴接头3、活塞壳体4、活塞5和挡圈6。其中，振荡机构的碟簧2位于主轴1外侧，主轴接头3的母扣与主轴1的公扣通过螺纹连接。活塞5位于主轴接头3和活塞壳体4之间的第一环形空间内。活塞5的内轮廓与主轴接头3可轴向滑动且密封连接。活塞5的外轮廓与活塞壳体4。活塞5可将水力振荡器产生的压力波动转换为轴向振动。挡圈6与主轴接头3的下端螺纹连接，用于限制活塞5轴向方向的运动幅度。

控制机构包括调整芯轴7、销钉8、轴承9、弹簧10、滤网11和下接头12。控制机构的调整芯轴7位于主轴接头3的内侧。调整芯轴7与主轴接头3可上下滑动且密封连接。调整芯轴7的下端与轴承9的上端相抵，轴承9的下端与弹簧10的上端相抵。弹簧10的下端抵在滤网11的上侧。滤网11在下接头12的内侧。下接头12与活塞壳体4通过螺纹连接。下接头12上固定设有径向延伸的销钉8。调整接头7的外轮廓设有大致沿着周向延伸的凹槽。销钉8与调整接头7的凹槽配合。

调整芯轴7设有轴向延伸并贯穿该调整芯轴7的芯轴内孔73。芯轴内孔73的顶部设有缩孔部71。缩孔部71的内孔孔径小于芯轴内孔73的孔径。在调整芯轴7的上端还设有连通调整芯轴7的上端面和芯轴内孔73的节流孔72。该节流孔72可以为多个，多个节流孔72环绕调整芯轴7轴线均匀布设。

调整芯轴7的芯轴内孔73内形成与主轴1、下接头12的内孔连通的第一容置腔；主轴接头3与活塞壳体4之间的环形腔体为第二容置腔。活塞5位于该第二容置腔内。在调整芯轴7的侧壁上设有径向延伸的连通孔74。调整芯轴7能够沿着其轴线方向上下滑动，其滑动到的底端极限位置为第一位置，其滑动到的顶端极限位置为第二位置。当调整芯轴7处于第二位置时，连通孔74被主轴接头3封闭，即处于封闭状态；当调整芯轴7处于第一位置时，连通孔74能够连通第一容置腔和第二容置腔，即处于打开状态。当连通孔74处于封闭状态时，水力振荡器不能够产生轴向振动；当连通孔74处于打开状态时，水力振荡器能够将其产生的压力波动转换为轴向振动。

控制机构可用于控制第二容置腔与内部流道处于连通或关闭状态。当钻井中不需要振动时，通过投球方式，将控制机构的调整芯轴7调整到第二位置，内部流道与第二容置腔断开，内部压力变化无法进入第二容置腔，不会产生振动；当钻井中需要振动时，通过投球方式，将控制机构的调整芯轴7调整到第一位置，内部流道与第二容置腔连通，压力变化可以进入第二容置腔，产生振动。

图3为图1中的调整芯轴外圆展开图。

如图3所示，在调整芯轴7的外轮廓上设有凹槽75。凹槽75大致沿着调整芯轴7的周向延伸。凹槽75包括多个间隔排列的第一位置和第二位置，第一位置和第二位置具有不同的高度位置。第一位置的高度位置低于第二位置的高度位置。凹槽75内还设有第三位置，第三位置在轴向上位于第一、第二位置的相对侧，且在周向上位于相邻的两个第一位置和第二位置之间。

两个相邻的第三位置P3之间形成向第一、第二位置P1、P2侧突起的第一导向角C1。从周向上看，在第一导向角C1的第一侧(例如图3中的左侧)形成有与所述第一位置P1在轴向方向相对的第一斜面F1。相邻的第一位置P1和第二位置P2之间形成有向第三位置P3侧突起的第二导向角C2。从周向上看，第二导向角C2的所述第一侧形成有与所述第三位置P3在轴向方向相对的第二斜面F2。

施工时，投入所需的一号球，小排量循环，当一号球到达调整芯轴7的缩孔部71时，堵塞缩孔部71，系统压力升高，缩孔部71周围的节流孔72允许少量的泥浆通过，维持循环，不会产生憋泵。由于压力升高，在销钉8的限位下，会推动调整芯轴7与轴承9沿表面的凹槽75旋转，从第一位置P1运动到第一斜面F1并沿着第一斜面F1运动至第三位置P3；排量继续升高，投入的球在压力作用下继续向下运动，到达滤网11；调整芯轴7在弹簧10的作用下，运动第二斜面F2并沿着第二斜面F2运动至到第二位置P2；到此，形成一次切换。通过继续投球的方式，可以在从第二位置P2运动到第三位置P3’，再由第三位置P3’运动到第一位置P1’，从而完成第二切换。

经过多次切换，投入的球逐渐进入到滤网11中，流体从滤网11外侧循环，不会影响正常钻井，投入球的数量与设计滤网11所能装入的球的数量有关；通过往复投球方式，满足多个井段的使用要求。优选地，在滤网11的外轮廓上设有周向延伸的多个过水缝隙111。进一步地，在滤网11的下端面上设有多个过水孔112。上述过水缝隙111和过水孔112用于通过泥浆。在滤网11的外轮廓设有环形凹槽114，在滤网11的底部外侧设有多个支撑爪113。支撑爪113与下接头12连接。在相邻的两个支撑爪113之间设有能够通过泥浆的孔道。从而，泥浆可以通过过水缝隙111、环形凹槽114和支撑爪113之间的孔道流通。

主轴接头3与调整芯轴7之间通过主轴接头3内部的密封起到密封作用。调整芯轴7与下接头12之间的也设有密封，在调整芯轴7处于第二位置时，防止泥浆进入第二容置腔。

销钉8的数量，调整芯轴7一圈第一位置、第二位置、第三位置的个数可根据实际需要进行设计，销钉8数量需与调整芯轴7上凹槽75的数量相匹配。优选地，销钉8和凹槽75数量均选多个，提高销钉8抵抗变形的能力。

在一些实施例中，采用浮动活塞5形式，活塞5置于主轴接头3外侧，内外各有两道密封，在第二容置腔处于开放状态时，泥浆作用于活塞5的下侧，形成轴向振动。在第二容置腔处于封闭状态时，活塞5下侧的压力与上侧压力平衡，达到稳定的状态。

综上，上述水力振荡器包括振荡机构和控制机构，两机构安装于水力振荡器之上。上述控制机构可以安装于振动机构下侧，通过投球方式控制振荡机构振荡与否。

第二实施方式

本实施方式在第一实施方式的基础上进行了进一步的改进，本实施方式还可以通过投入不同直径的球控制振荡机构是否工作。另外，本实施方式中在弹簧10的下侧采用支撑环14替代滤网11，而将滤网11安装于可控水力振荡器的最下端。

具体地，如图4所示，可控水力振荡器还包括波动发生机构。波动发生机构安装于控制机构的下侧。波动发生机构用于在可控水力振荡器内产生压力波动。

波动发生机构包括外壳体20、芯轴19、动阀块17和定阀块18。外壳体20与下接头12固定连接。芯轴19位于外壳体20的内部，芯轴19与外壳体20之间可转动连接。芯轴19与外壳体20之间的第二环形空间内设有涡轮单元15。涡轮单元15用于驱动芯轴19转动。

芯轴19的下端与动阀块17连接，定阀块18与外壳体20连接，动阀块17的端面与定阀块18的端面相抵。定阀块17上设有多个围绕其轴线均匀布设的第一通孔，动阀块18上设有多个围绕其轴线均匀布设的第二通孔，第一通孔和第二通孔均位于第二环形空间内。当芯轴19旋转时，驱动动阀块17转动，动阀块17上的第二通孔与定阀块18上的第一通孔交替连通和切断，从而在可控水力振荡器中形成压力波动。

本实施方式中，芯轴19的上端安装有切换体16，切换体16上设有与芯轴19的内孔连通的中心孔1601和与第二环形空间连通的边缘孔1602，边缘孔1602的孔径小于中心孔1601的孔径，边缘孔1602位于中心孔1601的上侧。上述边缘孔1602可以为一个或者多个。

可控水力振荡器还包括底部接头21和滤网11，底部接头21与外壳体20的下端连接，滤网11设于底部接头21的内孔中。

工作时，通过投入一号球(直径与缩孔部71和中心孔1601相匹配)来打开或者关闭控制机构的切换位置，完成操作后通过加压，一号球下移至中心孔1601处并将中心孔1601封堵。泥浆由边缘孔进入第二环形空间驱动涡轮工作，涡轮驱动芯轴19和动阀块17转动，由此产生压力波动。

当需要关闭波动产生机构时，通过向管具内投入二号球(直径与边缘孔的直径相匹配)，二号球封堵边缘孔，这时，所产生的压力压迫一号球通过中心孔，并且二号球直径较小也随着水流由中心孔通过。上述一号球和二号球均落入滤网11内。

另外，上述二号球的数量与边缘孔的数量相匹配，逐一实现边缘孔的封堵。

综上所述，本实施方式中，通过投入不同直径的一号球和二号球可以实现波动发生机构和振荡机构的打开/关闭。

第三实施方式

本实施方式在第二实施方式的基础上进行了进一步的改进，本实施方式中，切换体1601与调整芯轴7连接，从而通过一次投球即可实现振荡机构和波动发生机构的启动/停止，大幅提高了工作效率。

具体地，如图5所示，调整芯轴7的下端与切换体16的上端螺纹连接，振荡机构和波动发生机构实现相互联动。芯轴19的上端与切换体16的上端可转动连接。

工作时，首先投入一号球，一号球首先卡在缩孔部71处，切换振荡机构的工作状态为开启状态。增大系统压力，一号球穿过缩孔部71至中心孔1601处，封堵中心孔1601，泥浆由边缘孔1602进入第二环形空间驱动涡轮工作。由此，水力振荡器切换为工作状态。

需要关闭水力振荡器时，投入二号球，二号球堵塞边缘孔1602，泥浆压力驱动切换体16下行，切换体16拉动调整芯轴7下移，将振荡机构的工作状态切换为关闭状态。系统压力进一步挤压一号球通过中心孔1601，当一号球通过中心孔1601后，二号球也随着通过中心孔1601。一号球和二号球均被滤网回收。由此，水力振荡器由开启状态切换为关闭状态。

参考本申请的优选技术方案详细描述了本申请的装置，然而，需要说明的是，在不脱离本申请的精神的情况下，本领域技术人员可在上述公开内容的基础上做出任何改造、修饰以及变动。本申请包括上述具体实施方案及其任何等同形式。

Claims (10)

1.一种可控水力振荡器，其特征在于，包括振荡机构和控制机构，所述振荡机构用于将所述水力振荡器产生的压力波动转换为轴向振动；所述控制机构用于控制所述水力振荡器的轴向振动的启动和停止；

所述振荡机构包括主轴、碟簧、主轴接头、活塞壳体、活塞和挡圈；其中，所述碟簧位于所述主轴的外侧，所述主轴接头与所述主轴螺纹连接；所述活塞位于所述主轴接头和所述活塞壳体之间的第一环形空间内；所述挡圈与所述主轴接头的下端螺纹连接，所述挡圈用于限制所述活塞轴向方向的运动幅度；

所述控制机构包括调整芯轴、轴承、弹簧和下接头；所述调整芯轴位于所述主轴接头的内侧；所述调整芯轴与所述主轴接头可上下滑动且密封连接；所述调整芯轴的下端与所述轴承的上端相抵，所述轴承的下端与所述弹簧的上端相抵；所述弹簧的下端与所述下接头固定连接；所述下接头与所述活塞壳体通过螺纹连接；所述下接头上固定设有径向延伸的销钉；所述调整接头的外轮廓设有大致沿着周向延伸的凹槽；所述销钉与所述凹槽嵌合；

所述凹槽包括多个间隔排列的第一位置和第二位置，所述第一位置和第二位置具有不同的高度；所述第一位置的高度位置低于所述第二位置的高度位置；所述凹槽内还设有第三位置，所述第三位置在轴向上位于第一、第二位置的相对侧，且在周向上位于相邻的两个第一位置和第二位置之间；

两个相邻的所述第三位置之间形成向第一、第二位置侧突起的第一导向角；从周向上看，在所述第一导向角的第一侧形成有与所述第一位置在轴向方向相对的第一斜面；

相邻的第一位置和第二位置之间形成有向第三位置侧突起的第二导向角；从周向上看，第二导向角的所述第一侧形成有与所述第三位置在轴向方向相对的第二斜面；

所述调整芯轴设有轴向延伸并贯穿该调整芯轴的芯轴内孔；所述芯轴内孔的顶部设有缩孔部；所述缩孔部的内孔孔径小于所述芯轴内孔的孔径；在所述调整芯轴的上端还设有连通所述调整芯轴的上端面和所述芯轴内孔的节流孔；

所述芯轴内孔内形成与所述主轴、所述下接头的内孔连通的第一容置腔；所述主轴接头与所述活塞壳体之间的环形腔体为第二容置腔；所述活塞位于所述第二容置腔内；在所述调整芯轴的侧壁上设有径向延伸的连通孔；调整芯轴能够沿着其轴线方向上下滑动，当所述调整芯轴处于第二位置时，所述连通孔被主轴接头封闭；当所述调整芯轴处于第一位置时，连通孔能够连通第一容置腔和第二容置腔。

2.根据权利要求1所述的可控水力振荡器，其特征在于，所述活塞的内轮廓与所述主轴接头可轴向滑动且密封连接；所述活塞的外轮廓与所述活塞壳体可轴向滑动且密封连接。

3.根据权利要求1所述的可控水力振荡器，其特征在于，所述节流孔可为多个，多个所述节流孔围绕所述调整芯轴轴线均匀布设。

4.根据权利要求1所述的可控水力振荡器，其特征在于，所述弹簧的下端抵在滤网的上端面，所述滤网的下端面与所述下接头相抵，所述滤网的外壁上设有多个过水缝隙。

5.根据权利要求4所述的可控水力振荡器，其特征在于，所述滤网的底壁上设有多个过水孔。

6.根据权利要求5所述的可控水力振荡器，其特征在于，所述滤网的外侧底壁设有多个支撑爪，相邻的两个支撑爪之间设有能够通过泥浆的孔道。

7.根据权利要求6所述的可控水力振荡器，其特征在于，所述滤网的外侧设有环形凹槽。

8.根据权利要求1所述的可控水力振荡器，其特征在于，所述水力振荡器还包括波动发生机构，所述波动发生机构安装于所述控制机构的下侧，所述波动发生机构包括外壳体、芯轴、动阀块和定阀块，所述外壳体与所述下接头固定连接，所述芯轴位于所述外壳体的内部，所述芯轴与所述外壳体之间的第二环形空间内设有涡轮单元，所述芯轴的下端与所述动阀块连接，所述定阀块与所述外壳体连接，所述动阀块的端面与所述定阀块的端面相抵，所述芯轴的上端安装有切换体，所述切换体上设有与所述芯轴的内孔连通的中心孔和与所述第二环形空间连通的边缘孔，所述边缘孔的孔径小于所述中心孔的孔径，所述边缘孔位于所述中心孔的上侧；所述定阀块上设有多个围绕其轴线均匀布设的第一通孔，所述动阀块上设有多个围绕其轴线均匀布设的第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔均位于所述第二环形空间内。

9.根据权利要求8所述的可控水力振荡器，其特征在于，所述可控水力振荡器还包括底部接头和滤网，所述底部接头与所述外壳体的下端连接，所述滤网设于所述底部接头的内孔中。

10.根据权利要求8所述的可控水力振荡器，其特征在于，所述切换体与所述调整芯轴固定连接，所述芯轴与所述切换体转动连接。

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