CN115874938A - 一种双级自激式水力振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双级自激式水力振荡器，包括外筒组件；设置在所述外筒组件内的活塞，所述活塞的上端连接振动芯轴；设置在所述外筒组件内的双级自激振荡装置，所述双级自激振荡装置通过自激产生脉冲压力；其中，所述双级自激振荡装置产生的脉冲压力带动所述活塞沿轴向振动。本发明不需要连接脉冲发生器，其自身通过自激振荡产生脉冲压力，推动活塞周期性振动，从而带动钻柱周期性移动，使钻柱与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，减小整体的阻力。

Description

一种双级自激式水力振荡器

技术领域

本发明涉及一种双级自激式水力振荡器，属于油气勘探开发技术领域。

背景技术

随着非常规油气勘探开发的进程的加快，大位移井、水平井技术因其具有巨大经济效益并能够满足特殊作业目的而得以迅速推广应用。长水平段钻进过程中，随着井斜角的增大和裸眼井段长度的增加，钻柱由于重力作用与井壁长距离接触，钻柱与井壁间的摩阻(包括轴向摩擦力和摩擦扭矩)较大，导致滑动钻进时加不上钻压，工具面摆放困难、机械钻速很低。因此随着大位移井、水平井施工数量的增加，如何有效地减小钻柱的摩阻以提高机械钻速、增加井眼延伸能力成为研究和施工的重点之一。

目前，国内外应用于大位移井、水平井钻井的减摩阻方法主要有以下几个方面：钻井液性能的调节；加强井壁稳定性措施；加强固相控制技术；井眼轨迹的优化；优化钻具组合；使用各类减阻工具等。

但是，各种减阻提速工具都有一定的使用局限性，旋转导向设备成本高、混合钻头机械钻速低、部分降摩减阻稳定器减阻效果小。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种双级自激式水力振荡器，通过双级自激振荡装置发生脉冲压力，推动活塞周期性振动，从而带动钻柱周期性移动，使钻柱与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，减小整体的阻力。

本发明提出了一种双级自激式水力振荡器，包括：

外筒组件；

设置在所述外筒组件内的活塞，所述活塞的上端连接振动芯轴；

设置在所述外筒组件内的双级自激振荡装置，所述双级自激振荡装置通过自激产生脉冲压力；

其中，所述双级自激振荡装置产生的脉冲压力带动所述活塞沿轴向振动。

本发明的进一步改进在于，所述外筒组件包括下壳体，所述下壳体的内侧的中部设置有限位台阶，所述双级自激振荡装置设置在限位台阶的下方，所述活塞在所述限位台阶的上方移动。

本发明的进一步改进在于，所述双级自激振荡装置包括上自激振荡单元和下自激振荡单元，所述上自激振荡单元和所述下自激振荡单元的结构相同，其内部均设置有振荡腔体。

本发明的进一步改进在于，所述振荡腔体为柱形腔，其上端为向下凸的弧形或锥形面，下端为向下凹的弧形或锥形面。

本发明的进一步改进在于，所述活塞为环形的结构，其中部设置有通孔，下端形成压差面，上端的中部设置有用于安装所述振动芯轴的安装凹槽。

本发明的进一步改进在于，所述活塞的上面设置有复位碟簧，所述下壳体的外壁上设置有呼吸阀，所述呼吸阀位于所述活塞的上面的一侧。

本发明的进一步改进在于，所述下壳体的上端连接有防掉短节，所述防掉短节的上端连接有花键外筒，所述花键外筒的内壁上设置有内花键，所述振动芯轴的外壁上设置有与所述内花键相匹配的外花键。

本发明的进一步改进在于，所述防掉短节的内壁上设置有限位凹槽，所述振动芯轴的外壁上设置有防掉块，所述防掉块限定在所述限位凹槽内。

本发明的进一步改进在于，所述活塞的外壁与所述下壳体的内壁之间通过滑动密封件密封。

本发明的进一步改进在于，所述下壳体的下端通过下接头连接其他装置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所述一种双级自激式水力振荡器，不需要连接脉冲发生器，其自身通过双级自激振荡装置发生脉冲压力，推动活塞周期性振动，从而带动钻柱周期性移动，使钻柱与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，减小整体的阻力。

本发明解决长水平段水平井钻进摩阻大、定向托压严重、长水平段轨迹控制困难等难题，提高长水平段机械钻速及钻井效率，提高长水平段水平井延伸能力，降低钻井施工综合成本，以满足页岩气藏高效勘探开发的需求。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本发明的一个实施例的双级自激式水力振荡器的结构示意图；

图2所示为本发明的一个实施例的双级自激振荡装置的结构示意图。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：

1、外筒组件，2、活塞，3、双级自激振荡装置，11、下壳体，12、限位台阶，13、防掉短节，14、花键外筒，15、呼吸阀，16、限位凹槽，17、花键，18、下接头，21、振动芯轴，22、复位碟簧，23、防掉块，31、上自激振荡单元，32、下自激振荡单元，33、振荡腔体，34、上部开口，35、下部开口。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

图1示意性地显示了根据本发明的一种双级自激式水力振荡器，包括外筒组件1，所述外筒组件1内设置有活塞2，活塞2能够在外筒组件1内沿轴向上下移动。所述活塞2的上端设置有振动芯轴21。在外筒组件1的内部还设置有双级自激振荡装置3，所述双级自激振荡装置3安装在活塞2的下方，通过自激产生脉冲压力，脉冲压力带动活塞2沿轴向振动。

在根据本实施例所述的双级自激式水力振荡器中，流体在外筒组件1的内部流过，流到双级自激振荡装置3的位置产生振荡，向上形成脉冲压力，脉冲压力推动活塞2周期性移动，从而带动振动芯轴21移动。活塞2振动的过程中带动钻杆沿轴向移动，从而使钻杆与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，减小整体的阻力。

在一个实施例中，所述外筒组件1包括下壳体11，所述下壳体11的内侧的中部设置有限位台阶12，限位台阶12为环形的凸台，将下壳体11的内部分成上下两个部分，上部的空间用于活塞2振动、伸缩，下部的空间用于安装双级自激振荡装置3。

在一个实施例中，所述双级自激振荡装置3包括上自激振荡单元31和下自激振荡单元32，所述上自激振荡单元31和所述下自激振荡单元32的结构相同，其内部均设置有振荡腔体33。

在根据本实施例所述的双级自激式水力振荡器中，上自激振荡单元31的上端的中部设置有上部开口34，下端设置有下端开口，中部设置振荡腔体33。流体从上部开口34内进入到振荡腔体33内，在振荡腔体33内循环流动对上部开口34流入的流体形成周期性的阻力。下自激振荡单元32的结构与上自激振荡单元31的结构相同，其上部开口34连接上自激振荡单元31的下部开口35。两个自激振荡单元的振动叠加，形成比一个振荡单元更强烈的数倍的振荡，形成更强烈的脉冲压力。

在一个实施例中，所述振荡腔体33为柱形腔，其上端为向下凸的弧形或锥形面，下端为向下凹的弧形或锥形面。所述振荡腔体33这种结构能够约束流体在其内部循环流动，从而对上部开口34的流体形成周期性的阻力，并形成振荡。

在一个实施例中，所述活塞2为环形的结构，其中部设置有通孔，用于流通流体。上方的流体穿过活塞2并进入到双级自激振荡装置3内，下端形成压差面，上端的中部设置有用于安装所述振动芯轴21的安装凹槽。

在根据本实施例所述的双级自激式水力振荡器中，活塞2下方的双级自激振荡装置3产生脉冲压力，作用到活塞2下端的压差面上，推动活塞2向上移动。由于脉冲压力呈周期性变化，活塞2会在外筒组件1内沿轴向往复移动。

在一个实施例中，所述活塞2的上面设置有复位碟簧22，所述下壳体11的外壁上设置有呼吸阀15，所述呼吸阀15位于所述活塞2的上面的一侧。活塞2在沿轴向往复移动的过程中，通过呼吸阀15平衡活塞2上方的压力，使活塞2能够顺利地上下移动。

在活塞2向上移动时，压缩上方的空间，上方空间内的流体通过呼吸阀15排出；当活塞2向下移动时，活塞2上方的空间拉开，外部的流体通过呼吸阀15补充到上方空间内，平衡压力，使活塞2能够顺利移动。

在一个实施例中，下壳体11的上端连接有防掉短节13，所述防掉短节13的上端连接有花键外筒14，所述花键外筒14的内壁上设置有内花键，所述振动芯轴21的外壁上设置有与所述内花键相匹配的外花键。

在根据本实施例所述的双级自激式水力振荡器中，内花键和外花键可以是直花键，也可以是倾斜或螺旋式的花键，可以根据实际的需要进行选择。花键可以保证活塞2和振动芯轴21在振动时不会发生偏斜，螺旋式的花键还能够保证钻杆在轴向移动时还能够沿周向转动，从而进一步提高了动摩擦力，减小了静摩擦力。

在一个实施例中，所述防掉短节13的内壁上设置有限位凹槽16，所述振动芯轴21的外壁上设置有防掉块23，所述防掉块23限定在所述限位凹槽16内。在活塞2带动振动芯轴21移动时，防掉块23在限位凹槽16内移动。限位凹槽16限定了防掉块23的移动位置，从而限定了振动芯轴21和活塞2的移动位置。

在一个实施例中，所述活塞2的外壁与所述下壳体11的内壁之间通过滑动密封件密封。在活塞2滑动的过程中，避免流体通过活塞2与下壳体11之间的缝隙流动，影响活塞2两侧的压力差，从而影响活塞2移动。

在一个优选的实施例中，所述外筒组件1的底部设置有下接头18，下接头18通过螺纹与下壳体11相连。下接头18用于连接下游组件。

本实施例所述双级自激式水力振荡器工作方式如下：钻井液进入本实施例所述双级自激式水力振荡器后，经过双级自激振荡装置3，流体在上自激振荡单元31上部开口34进入振荡腔体33内，在振荡腔体33内循环流动对上部开口34流入的流体形成周期性的阻力，使上方流体的压力形成周期性变化。同样，流体进入到下自激振荡单元32的振荡腔体33后，在下自激振荡单元32的上部开口34形成周期性阻力，使上方流体的压力形成周期性变化。两个自激振荡单元的振动叠加，形成比一个振荡单元更强烈的数倍的振荡，形成更强烈的脉冲压力。该脉冲压力作用在活塞2的下端面上，而活塞的上方设置复位碟簧22为其提供向下的弹力。

在脉冲压力的一个振荡周期内，当压力逐渐增大到最大时，活塞2下方的压力克服复位碟簧22的弹力而推动活塞2向上移动，活塞2向上移动时带动振动芯轴21向上移动，直到防掉块23接触到限位凹槽16的最上端面。当压力逐渐减小到最小时，活塞2的下方的压力小于复位碟簧22的弹力，复位碟簧22推动活塞向下移动，活塞2向下移动时带动振动芯轴21向下移动，直到防掉块23接触到限位凹槽16的最下端面。这样，在脉冲压力的一个振荡周期内，振动芯轴21完成一次伸缩，并带动钻柱伸缩，钻柱与井壁之间产生滑动摩擦力，代替静摩擦力，减小了阻力。

在本发明中，方位用语“上”、“下”均以双级自激式水力振荡器的实际工作方位为参照。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双级自激式水力振荡器，其特征在于，包括：

外筒组件(1)；

设置在所述外筒组件(1)内的活塞(2)，所述活塞(2)的上端连接振动芯轴(21)；

设置在所述外筒组件(1)内的双级自激振荡装置(3)，所述双级自激振荡装置(3)通过自激产生脉冲压力；

其中，所述双级自激振荡装置(3)产生的脉冲压力带动所述活塞(2)沿轴向振动。

2.根据权利要求1所述的双级自激式水力振荡器，其特征在于，所述外筒组件(1)包括下壳体(11)，所述下壳体(11)的内侧的中部设置有限位台阶(12)，所述双级自激振荡装置(3)设置在限位台阶(12)的下方，所述活塞(2)在所述限位台阶(12)的上方移动。

3.根据权利要求2所述的双级自激式水力振荡器，其特征在于，所述双级自激振荡装置(3)包括上自激振荡单元(31)和下自激振荡单元(32)，所述上自激振荡单元(31)和所述下自激振荡单元(32)的结构相同，其内部均设置有振荡腔体(33)。

4.根据权利要求3所述的双级自激式水力振荡器，其特征在于，所述振荡腔体(33)为柱形腔，其上端为向下凸的弧形或锥形面，下端为向下凹的弧形或锥形面。

5.根据权利要求4述的双级自激式水力振荡器，其特征在于，所述活塞(2)为环形的结构，其中部设置有通孔，下端形成压差面，上端的中部设置有用于安装所述振动芯轴(21)的安装凹槽。

6.根据权利要求5所述的双级自激式水力振荡器，其特征在于，所述活塞(2)的上面设置有复位碟簧(22)，所述下壳体(11)的外壁上设置有呼吸阀(15)，所述呼吸阀(15)位于所述活塞(2)的上面的一侧。

7.根据权利要求2至6所述的双级自激式水力振荡器，其特征在于，所述下壳体(11)的上端连接有防掉短节(13)，所述防掉短节(13)的上端连接有花键外筒(14)，所述花键外筒(14)的内壁上设置有内花键，所述振动芯轴(21)的外壁上设置有与所述内花键相匹配的外花键。

8.根据权利要求7所述的双级自激式水力振荡器，其特征在于，所述防掉短节(13)的内壁上设置有限位凹槽(16)，所述振动芯轴(21)的外壁上设置有防掉块(23)，所述防掉块(23)限定在所述限位凹槽(16)内。

9.根据权利要求8所述的双级自激式水力振荡器，其特征在于，所述活塞(2)的外壁与所述下壳体(11)的内壁之间通过滑动密封件密封。

10.根据权利要求9所述的双级自激式水力振荡器，其特征在于，所述下壳体(11)的下端通过下接头(18)连接其他装置。

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