CN113431499A - 三维振动水力振荡器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维振动水力振荡器及制备方法，涉及石油天然气井下工具领域，它包括管体，管体内设有铸造而成的偏心涡轮，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；在管体内还设有定阀片，定阀片位于偏心涡轮偏心涡轮的下游，偏心涡轮与定阀片接触，定阀片上设有沿管体轴向贯通的过流孔，过流孔为偏心孔。制备时，型芯以倾斜的方式支承在偏心涡轮型腔内。以浇注的方式，方便大批量的制作出结构复杂的偏心涡轮，从而解决偏心涡轮的制造难题。

Description

三维振动水力振荡器及制备方法

技术领域

本发明涉及石油天然气井下工具领域，特别是一种三维振动水力振荡器及制备方法。

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三维振动水力振荡器，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和轴向振动的复合振动，且能够降低使用成本。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种三维振动水力振荡器的制备方法，能够方便的制备三维振动水力振荡器中的核心部件偏心涡轮。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种三维振动水力振荡器，它包括管体，管体内设有铸造而成的偏心涡轮，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；

在管体内还设有定阀片，定阀片位于偏心涡轮偏心涡轮的下游，偏心涡轮与定阀片接触，定阀片上设有沿管体轴向贯通的过流孔，过流孔为偏心孔。

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，在管体靠近下游的一端还设有限位阶台，定阀片固设在限位阶台上；

偏心涡轮的倾斜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偏心涡轮上游的一端；

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；

导流孔下游内径小于或等于倾斜孔上游内径，且在该处位置同心。

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。

一种用于制备上述的三维振动水力振荡器的方法，包括以下步骤：

S1、按偏心涡轮的轮廓形状制作砂箱的偏心涡轮型腔；

S2、以模具制作型芯；

所述的型芯上设有用于生成涡轮叶片的螺旋腔，在螺旋腔之间设有柱形腔；

S3、型芯以倾斜的方式支承在偏心涡轮型腔内；

倾斜的方式是指型芯的轴线与偏心涡轮型腔的轴线具有夹角；

型芯的轴线在靠近偏心涡轮型腔一端的位置与偏心涡轮型腔的轴线相交；

S4、浇注、脱模后得到偏心涡轮。

一种用于制备上述的三维振动水力振荡器的方法，包括以下步骤：

S1、按偏心涡轮的轮廓形状制作砂箱的偏心涡轮型腔；

S2、以模具制作型芯；

所述的型芯设有螺旋段和直线段，螺旋段上设有用于生成涡轮叶片的螺旋腔，在螺旋腔之间设有柱形腔；

S3、型芯以倾斜的方式支承在偏心涡轮型腔内；

倾斜的方式是指型芯的轴线与偏心涡轮型腔的轴线具有夹角；

型芯的轴线在螺旋段靠近偏心涡轮型腔一端的位置与偏心涡轮型腔的轴线相交；

S4、浇注、脱模后得到偏心涡轮。

优选的方案中，型芯采用覆膜砂制作；浇注采用高铬铸铁。

本发明提供了一种三维振动水力振荡器，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，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，解决井下托压的问题。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。本发明提供的制备方法，能够以浇注的方式，方便的制作出结构复杂的偏心涡轮，从而解决偏心涡轮的大批量制造难题。

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为本发明的偏心涡轮砂箱合模时主视图。

图2为本发明的型芯的立体图。

图3为本发明的主视图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为图4的B-B剖视图。

图6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，砂箱5，偏心涡轮型腔6，型芯7，直线段71，螺旋腔72，第一支承柱73，第二支承柱74，螺旋段75，柱形腔76，夹角a。

具体实施方式

实施例1：

如图3~5中，一种三维振动水力振荡器，它包括管体1，管体1内设有铸造而成的偏心涡轮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a，倾斜孔35的内壁设有涡轮叶片31；

在管体1内还设有定阀片4，定阀片4位于偏心涡轮3偏心涡轮3的下游，偏心涡轮3与定阀片4接触，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的倾斜孔与过流孔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。如图5中所示，偏心涡轮3的倾斜孔与过流孔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，形成轴向振动，振动图形如图6中所示。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4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三~四个螺旋叶片，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。压力介质通过涡轮叶片31时，推动偏心涡轮3旋转。

优选的方案如图4中，在管体1靠近下游的一端还设有限位阶台13，定阀片4固设在限位阶台13上；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。

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。参见图1、图2中的结构。

优选的方案如图4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的端面接触；

导流孔21下游内径小于或等于倾斜孔35上游内径。且在该处位置同心。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4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。本例中的上游是指图4中的左侧，下游指图4中的右侧。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。

优选的方案如图4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4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；优选的，本例中的外壁轴承32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。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图1、2一种用于制备上述的三维振动水力振荡器的方法，包括以下步骤：

S1、按偏心涡轮3的轮廓形状制作砂箱5的偏心涡轮型腔6；

S2、以模具制作型芯7；优选的，型芯7采用覆膜砂制作；以获得足够的强度。

如图2中，所述的型芯7上设有用于生成涡轮叶片31的螺旋腔72，在螺旋腔72之间设有柱形腔76；

S3、型芯7以倾斜的方式支承在偏心涡轮型腔6内；在型芯7的两端分别设有第一支承柱73和第二支承柱74，通过第一支承柱73和第二支承柱74支承在偏心涡轮型腔6内。

倾斜的方式是指型芯7的轴线与偏心涡轮型腔6的轴线具有夹角a；

型芯7的轴线在靠近偏心涡轮型腔6一端的位置与偏心涡轮型腔6的轴线相交；由此结构，以使生成的偏心涡轮3在靠近导流孔21的一端与导流孔21为同心结构。

S4、浇注、脱模后得到偏心涡轮3。优选的方案中，浇注采用高铬铸铁。

例如高铬铸铁采用如下的组分按质量百分比：C：2.0～2.6％；Cr：12～17％；Si：0.6～1.2％；Mn：0.8～1.2％；P：≤0.035％；S：≤ 0.025％；Ni：0.8～1.2％；Mo：0.8～1.2％；其余为Fe及不可避免的杂质。

实施例3：

一种用于制备上述的三维振动水力振荡器的方法，包括以下步骤：

S1、按偏心涡轮3的轮廓形状制作砂箱5的偏心涡轮型腔6；砂箱5采用上下合模的结构，图1中示出的是砂箱5的下模结构。

S2、以模具制作型芯7；优选的，型芯7采用覆膜砂制作；以获得足够的强度。

如图1、2中所示，所述的型芯7设有螺旋段75和直线段71，螺旋段75上设有用于生成涡轮叶片31的螺旋腔72，在螺旋腔72之间设有柱形腔76；

S3、型芯7以倾斜的方式支承在偏心涡轮型腔6内；在型芯7的两端分别设有第一支承柱73和第二支承柱74，通过第一支承柱73和第二支承柱74支承在偏心涡轮型腔6内。

倾斜的方式是指型芯7的轴线与偏心涡轮型腔6的轴线具有夹角a；

型芯7的轴线在螺旋段75靠近偏心涡轮型腔6一端的位置与偏心涡轮型腔6的轴线相交；由此结构，以使生成的偏心涡轮3在靠近导流孔21的一端与导流孔21为同心结构。

S4、浇注、脱模后得到偏心涡轮3。优选的方案中，浇注采用高铬铸铁。

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)

1.一种三维振动水力振荡器，其特征是：它包括管体（1），管体（1）内设有铸造而成的偏心涡轮（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（a），倾斜孔（35）的内壁设有涡轮叶片（31）；

在管体（1）内还设有定阀片（4），定阀片（4）位于偏心涡轮（3）偏心涡轮（3）的下游，偏心涡轮（3）与定阀片（4）接触，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。

2.根据权利要求1所述的一种三维振动水力振荡器，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所述的一种三维振动水力振荡器，其特征是：在管体（1）靠近下游的一端还设有限位阶台（13），定阀片（4）固设在限位阶台（13）上；

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

4.根据权利要求1~3任一项所述的一种三维振动水力振荡器，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。

5.根据权利要求4所述的一种三维振动水力振荡器，其特征是：所述的涡轮叶片（31）位于靠近偏心涡轮（3）上游的一端；

位于下游的一端不设涡轮叶片（31）。

6.根据权利要求4所述的一种三维振动水力振荡器，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；

导流孔（21）下游内径小于或等于倾斜孔（35）上游内径，且在该处位置同心。

7.根据权利要求6所述的一种三维振动水力振荡器，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）。

8.一种用于制备权利要求1~4、6~7任一项所述的三维振动水力振荡器的方法，其特征是包括以下步骤：

S1、按偏心涡轮（3）的轮廓形状制作砂箱（5）的偏心涡轮型腔（6）；

S2、以模具制作型芯（7）；

所述的型芯（7）上设有用于生成涡轮叶片（31）的螺旋腔（72），在螺旋腔（72）之间设有柱形腔（76）；

S3、型芯（7）以倾斜的方式支承在偏心涡轮型腔（6）内；

倾斜的方式是指型芯（7）的轴线与偏心涡轮型腔（6）的轴线具有夹角（a）；

型芯（7）的轴线在靠近偏心涡轮型腔（6）一端的位置与偏心涡轮型腔（6）的轴线相交；

S4、浇注、脱模后得到偏心涡轮（3）。

9.一种用于制备权利要求5所述的三维振动水力振荡器的方法，其特征是包括以下步骤：

S1、按偏心涡轮（3）的轮廓形状制作砂箱（5）的偏心涡轮型腔（6）；

S2、以模具制作型芯（7）；

所述的型芯（7）设有螺旋段（75）和直线段（71），螺旋段（75）上设有用于生成涡轮叶片（31）的螺旋腔（72），在螺旋腔（72）之间设有柱形腔（76）；

S3、型芯（7）以倾斜的方式支承在偏心涡轮型腔（6）内；

倾斜的方式是指型芯（7）的轴线与偏心涡轮型腔（6）的轴线具有夹角（a）；

型芯（7）的轴线在螺旋段（75）靠近偏心涡轮型腔（6）一端的位置与偏心涡轮型腔（6）的轴线相交；

S4、浇注、脱模后得到偏心涡轮（3）。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征是：型芯（7）采用覆膜砂制作；浇注采用高铬铸铁。

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