CN212105744U - 一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，属石油、天然气开采井下工具技术领域。该振动器由振动器本体构成，振动器本体由振动器壳体、涡轮轴、旋转截流块、固定截流块和谐振增强件构成；振动器壳体内装有涡轮轴；涡轮轴下方的壳体阶梯通孔内固装有谐振增强件，谐振增强件与涡轮轴之间装有旋转截流块和固定截流块。该振动器的谐振增强件上设置有三个不等经的谐振腔，可形成赫姆霍兹效应并高倍增强放大高压钻井液的脉冲效果，由此产生的轴向脉冲引起管串蠕动，由此使得压力传递效率更高，缓解托压效果更好。解决了现有水力振荡器由于结构原因，导致振动功率有所欠缺，不能彻底解决钻杆与井壁之间存在的摩阻和托压的问题。

Description

一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器

技术领域

本实用新型涉及一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，属石油、天然气开采井下工具技术领域。

背景技术

随着钻井深度不断增加，井深结构越发复杂，长水平、大斜度及多分支水平井等的数量增加等问题的日益突出，我国油气资源勘探开发已进入难开采时代，

目前工程中将上述复杂油气井归结为非常规油气资源。其中，部分非常规井由于地层岩性致密，可钻性差，使用常规钻井方式钻井时，钻井周期长，钻井过程中遇到的复杂情况多，在水平段钻井过程中由于钻杆与井壁贴合以及钻屑返出效率低的原因导致钻杆与井壁之间存在较大的摩阻，出现托压现象，使得钻压传递效率降低，水平钻进长度和钻速降低，容易引起粘卡等井下复杂事故的发生。导致钻井成本也急剧增加，直接影响到油田的勘探开发速度和成本。为解决上述问题，通常在工具管串上加装水力振荡器，加装的水力振荡器可产生周期性脉冲振动，该周期性的脉冲振动可以很好地降低摩阻，提高钻井效率；但是由于现有水力振荡器的结构原因，振动功率有所欠缺，不能彻底解决钻杆与井壁之间存在的摩阻和托压问题，因此有必要对其进行改进。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种通过液体驱动涡轮激发谐波，并对该谐波进行放大，使其产生高倍增强的水力脉冲，从而使工具具备自振能力，进而减少管柱与井眼之间的摩阻，提高钻进过程中钻压传递的涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器。

本实用新型的技术方案是：

一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，它由振动器本体构成，其特征在于：所述的振动器本体由振动器壳体、涡轮轴、旋转截流块、固定截流块和谐振增强件构成；振动器壳体的阶梯通孔内呈上下间隔状过盈安装有上限位块和下限位块，上限位块和下限位块之间通过上下对称设置的止推轴承安装有涡轮轴；涡轮轴下方的壳体阶梯通孔内固装有谐振增强件，谐振增强件与涡轮轴之间的壳体阶梯通孔内呈上下状安装有旋转截流块和固定截流块，涡轮轴底部与旋转截流块固定连接；旋转截流块与固定截流块滑动接触连接。

所述的涡轮轴顶端安装有端盖，端盖通过固定螺栓与上限位块固定连接。

所述的上限位块和下限位块之间的涡轮轴上装有涡轮转子，上限位块和下限位块之间的壳体内壁上设置有涡轮定子。

所述的上限位块和下限位块上分别设置有冲击过流孔。

所述的固定截流块呈圆盘状，固定截流块上对称设置有脉冲孔。

所述的旋转截流块上对称设置有液流孔，旋转截流块下表面与脉冲孔对应状固装有堵杆，液流孔与堵杆呈十字交叉设置；堵杆底部端头设置有堵头；堵头与脉冲孔滑动接触连接。

所述的谐振增强件呈圆柱状，谐振增强件上由上至下依次设置有入口谐振腔、中部谐振腔和出口谐振腔；中部谐振腔与出口谐振腔连通；入口谐振腔通过连通孔与中部谐振腔连通；所述的入口谐振腔、中部谐振腔和出口谐振腔由上至下依次呈阶梯状设置。

所述的出口谐振腔由间隔状设置的左谐振腔室和右谐振腔室连构成；左谐振腔室和右谐振腔室之间通过间隔设置的横向孔连通。

所述的左谐振腔室和右谐振腔室底部分别设置有收缩喷口；左谐振腔室和右谐振腔室直径相等。

本实用新型的有益效果是：

该涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器结构简单紧凑，有利于井口操作和运输作业，工作过程中通过高压钻井液的冲击带动涡轮轴转动，进而带动旋转截流块转动，旋转截流块与固定截流块相配合，由于固定截流块上有两个脉冲孔，旋转截流块旋转一周固定截流块的脉冲孔开启2次，这种周期性的开启与关闭形成脉动冲击，此时流体不会马上全部排出腔体，而是形成涡环紊流，腔体内部压力升高。当液体压力升高到一定程度时，涡流被破坏，排出腔体的液体进入谐振增强件，由于谐振增强件上设置有三个不等经的谐振腔，从而形成赫姆霍兹效应并高倍增强放大高压钻井液的脉冲效果，由此产生的轴向脉冲引起管串蠕动，由此使得压力传递效率更高，缓解托压效果更好。解决了现有水力振荡器由于结构原因，导致振动功率有所欠缺，不能彻底解决钻杆与井壁之间存在的摩阻和托压的问题。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的振动器壳体的结构示意图；

图3为本实用新型的截流块的结构示意图；

图4为本实用新型的谐振增强件的结构示意图。

图中：1、振动器壳体，2、涡轮轴，3、旋转截流块，4、固定截流块，5、谐振增强件，6、上限位块，7、下限位块，8、端盖，9、冲击过流孔，10、液流孔，11、堵杆，12、堵头，13、入口谐振腔，14、中部谐振腔，15、连通孔，16、左谐振腔室，17、右谐振腔室，18、横向孔，19、收缩喷口,20、脉冲孔。

具体实施方式

该涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器由振动器本体构成，振动器本体由振动器壳体1、涡轮轴2、旋转截流块3、固定截流块4和谐振增强件5构成；振动器壳体1的阶梯通孔内呈上下间隔状过盈安装有上限位6块和下限位块7，上限位块6和下限位块7上分别设置有冲击过流孔9。上限位块6和下限位块7之间通过上下对称设置的止推轴承安装有涡轮轴2；上限位块6和下限位块7之间的涡轮轴2上装有涡轮转子，上限位块6和下限位块7之间的振动器壳体1内壁上设置有涡轮定子（涡轮组件）；涡轮轴2顶端安装有端盖8，端盖8通过固定螺栓与上限位块6固定密封连接，以对止推轴承形成防护。

涡轮轴2下方的壳体阶梯通孔内固装有谐振增强件5，谐振增强件5与涡轮轴2之间的壳体阶梯通孔内呈上下状安装有旋转截流块3和固定截流块4，旋转截流块3和固定截流块4分别呈圆盘状，固定截流块4上对称设置有脉冲孔20。

旋转截流块3上对称设置有液流孔10，旋转截流块3下表面与脉冲孔20对应状固装有堵杆11，液流孔10与堵杆11呈十字交叉设置；堵杆11底部端头设置有堵头12；涡轮轴2底部与旋转截流块3固定连接；旋转截流块3通过堵头12与固定截流块4的脉冲孔20滑动间隙接触连接。

该振动器的谐振增强件5呈圆柱状，谐振增强件5上由上至下依次设置有入口谐振腔13、中部谐振腔14和出口谐振腔；中部谐振腔14与出口谐振腔连通；入口谐振腔13通过连通孔15与中部谐振腔14连通。出口谐振腔由间隔状设置的左谐振腔室16和右谐振腔室17连构成；左谐振腔室16和右谐振腔室17之间通过间隔设置的横向孔18连通；左谐振腔室16和右谐振腔室17底部分别设置有收缩喷口19；左谐振腔室16和右谐振腔室17直径相等。入口谐振腔13、中部谐振腔14和出口谐振腔由上至下依次呈阶梯状设置。

该振动器按其功能可分为动力机构、脉冲发生机构和谐振高倍增强机构。

动力机构由涡轮轴2、涡轮组件，即涡轮转子、涡轮定子构成，动力机构工作过程中通过高压钻井液的冲击带动涡轮轴2转动，从而产生旋转动力。

脉冲发生机构由旋转截流块3、固定截流块4构成；脉冲发生机构工作时，旋转截流块3在涡轮轴2的作用下周向转动，旋转截流块3通过堵头12与固定截流块4的脉冲孔20滑动间隙接触连接，形成周期性的间歇连通，这种周期性的开启与关闭形成脉动冲击，由此使脉冲孔20的过流面积形成周期性的大、小变化，从而产生轴向脉冲，并进入谐振增强件5。

谐振高倍增强机构由谐振增强件5构成，脉冲发生机构产生的轴向脉冲进入谐振增强件5被高倍增强放大，然后经收缩喷口19下行并作用在钻头上，由此对钻头形成轴向冲击震动，彻底解决钻杆与井壁之间存在的摩阻和托压问题。其工作原理如下：

谐波高倍增强原理即流体（高压钻井液）通过谐振腔的出口收缩断面产生的自激压力激动反馈回谐振腔形成压力反馈振荡，谐振高倍增强机构可使反馈压力振荡频率与谐振腔固有频率相等而形成共振产生空化。

本实用新型谐振增强件5的谐振喷嘴直径的最佳理论公式：

式中：D-收缩喷口19直径；

q-射流流量，L/min；

p-射流压强，Mpa；

n-喷嘴个数；

b-喷口修正系数，一般取值为0.1-0.3。

谐振增强件5的入口谐振腔13直径为D1，出口谐振腔（左、右谐振腔室）直径为D2、长度为L，收缩喷口直径为D、长度为L1。

谐振腔固有频率f由下式确定：

式中：a-谐振腔的扰动波速；

L-谐振腔的长度；

K_N-模数系数；

式中：N-谐振腔内的振荡模数，N=1,2,3......，取N=1；

c-为常数值，由实验确定；

式中：-临界斯特劳哈尔数；

式中：D-谐振喷口直径，m；

V-谐振喷嘴射流速度，m/s；

当时，谐振增强件内将产生最强烈的谐振：

具体为：该振动器工作时，进入振动器壳体1内的高压钻井液冲击涡轮组件带动涡轮轴2转动，从而带动旋转截流块3整体转动，完成冲击涡轮组件的高压钻井液经冲击过流孔9继续下行并进入下限位块7下方的阶梯通孔内，由于固定截流块4对阶梯通孔形成密封封堵，使得固定截流块4与下限位块7之间形成汇流腔；同时由于固定截流块3上有两个脉冲孔20，旋转截流块3旋转一周固定截流块的脉冲孔20形成2次开启，这种周期性的开启与关闭形成脉动冲击，由此使脉冲孔20的过流面积形成周期性的大、小变化，从而产生轴向脉冲并进入谐振增强件5。

脉冲孔20周期性的开启与关闭过程中高压钻井液不会马上全部排出汇流腔，而是形成涡环紊流，并使汇流腔内部压力升高。当液体压力升高到一定程度时，涡环紊流被破坏，排出汇流腔的高压钻井液随机进入谐振增强件5。由于谐振增强件5上设置有三个不等经的谐振腔，进入谐振增强件5的高压钻井液从而形成赫姆霍兹效应并高倍增强放大高压钻井液的脉冲，并产生反馈压力振荡，由此产生的轴向脉冲引起管串蠕动。

当入口谐振腔13、中部谐振腔14和出口谐振腔压力波动的频率一致时，各腔室内液体发生声谐共振，产生自振空化效应，形成强烈的空化射流使得水力谐波得到高倍增强；即，形成赫姆霍兹效应并高倍增强放大高压钻井液的脉冲效果，由此产生的轴向脉冲引起管串蠕动，同时配合高压钻井液的脉冲冲击力；由此使得压力传递效率更高，缓解托压效果更好。解决了现有水力振荡器由于结构原因，导致振动功率有所欠缺，不能彻底解决钻杆与井壁之间存在的摩阻和托压的问题。

Claims (10)

1.一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，它由振动器本体构成，其特征在于：所述的振动器本体由振动器壳体（1）、涡轮轴（2）、旋转截流块（3）、固定截流块（4）和谐振增强件（5）构成；振动器壳体（1）的阶梯通孔内呈上下间隔状过盈安装有上限位块（6）和下限位块（7），上限位块（6）和下限位块（7）之间通过上下对称设置的止推轴承安装有涡轮轴（2）；涡轮轴（2）下方的壳体阶梯通孔内固装有谐振增强件（5），谐振增强件（5）与涡轮轴（2）之间的壳体阶梯通孔内呈上下状安装有旋转截流块（3）和固定截流块（4），涡轮轴（2）底部与旋转截流块（3）固定连接；旋转截流块（3）与固定截流块（4）滑动接触连接。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，其特征在于：所述的涡轮轴（2）顶端安装有端盖（8），端盖（8）通过固定螺栓与上限位块（6）固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，其特征在于：所述的上限位块（6）和下限位块（7）之间的涡轮轴（2）上装有涡轮转子，上限位块（6）和下限位块（7）之间的壳体内壁上设置有涡轮定子。

4.根据权利要求3所述的一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，其特征在于：所述的上限位块（6）和下限位块（7）上分别设置有冲击过流孔（9）。

5.根据权利要求1所述的一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，其特征在于：所述的固定截流块（4）呈圆盘状，固定截流块（4）上对称设置有脉冲孔（20）。

6.根据权利要求1所述的一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，其特征在于：所述的旋转截流块（3）上对称设置有液流孔（10），旋转截流块（3）下表面与脉冲孔（20）对应状固装有堵杆（11），液流孔（10）与堵杆（11）呈十字交叉设置；堵杆（11）底部端头设置有堵头（12）；堵头（12）与脉冲孔（20）滑动接触连接。

7.根据权利要求1所述的一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，其特征在于：所述的谐振增强件（5）呈圆柱状，谐振增强件（5）上由上至下依次设置有入口谐振腔（13）、中部谐振腔（14）和出口谐振腔；中部谐振腔（14）与出口谐振腔连通；入口谐振腔（13）通过连通孔（15）与中部谐振腔（14）连通。

8.根据权利要求7所述的一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，其特征在于：所述的入口谐振腔（13）、中部谐振腔（14）和出口谐振腔由上至下依次呈阶梯状设置。

9.根据权利要求8所述的一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，其特征在于：所述的出口谐振腔由间隔状设置的左谐振腔室（16）和右谐振腔室（17）连构成；左谐振腔室（16）和右谐振腔室（17）之间通过间隔设置的横向孔（18）连通。

10.根据权利要求9所述的一种涡轮激发的水力谐波高倍增强振动器，其特征在于：所述的左谐振腔室（16）和右谐振腔室（17）底部分别设置有收缩喷口（19）；左谐振腔室（16）和右谐振腔室（17）直径相等。

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