一种水力振荡器

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，具体为一种水力振荡器。

背景技术

在长水平井、大位移井及多分支水平井中，钻进过程中钻柱与井壁之间摩阻较大时常产生托压现象，导致无法实施有效钻压，严重影响钻进速度。其中水力振荡器是近年来应用较为广泛的提速工具， 现有的水力振荡器有螺杆式水力振荡器、涡轮式水力振荡器、射流式水力振荡器等。但现有的水力振荡器都存在一些的问题：结构复杂易损坏、加工难度大、成本高、工作稳定性差、工具易冲蚀、使用寿命短等缺点。

因此，如何简化水力振荡器的结构，提高其工作稳定性及可靠性，延长其使用寿命，减少生产成本是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种水力振荡器，这种水力振荡器用于解决现有技术中水力振荡器结构复杂易损坏、使用寿命短的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种水力振荡器由振荡短节和脉冲发生短节组成，振荡短节通过其上筒螺纹连接脉冲发生短节的下筒；脉冲发生短节包括下筒、振荡活塞、压力转换筒、限位套、下接头，下筒下端与下接头螺纹连接，下筒是上部为实心柱体的筒体，实心柱体设置有中心流道，多个过流孔均匀分布在中心流道四周，振荡活塞由活塞筒上端设置锥形塞头构成，锥形塞头向上伸入到中心流道中，锥形塞头根部沿圆周方向有两个通液孔，通液孔与活塞筒的内腔相通；压力转换筒为缩径筒，压力转换筒上端为连接筒，连接筒螺纹连接在活塞筒下端，压力转换筒下端插入到限位套中，限位套安装在衬套与下接头之间，衬套与压力转换筒之间的腔体为液压腔，连接筒的筒底设置进液孔，压力转换筒下部设置泄流孔，压力转换筒下行时，泄流孔被限位套封堵；限位套上部用于限制压力转换筒的下行程，限位套下部与压力转换筒滑动连接。

上述方案中振荡短节包括花键芯轴、碟簧、上筒、柱塞，碟簧通过花键套下端与柱塞上端进行轴向定位，柱塞容纳于上筒内部且设置于碟簧下方，柱塞与花键芯轴通过螺纹连接；上筒设有呼吸孔和泄压孔，呼吸孔与碟簧所在腔体连通，使碟簧所在腔体压力与外界一致，柱塞与下筒之间设置有上腔，柱塞上行时，打开泄压孔，上腔与外界相通，柱塞恢复原位时关闭泄压孔。

上述方案中呼吸孔设置于上筒中上部，与碟簧所在腔体相连，泄压孔沿圆周方向均匀分布于上筒中下部，未起振时位于柱塞上下密封圈之间，且通过柱塞上的密封圈密封。

上述方案中下筒实心柱体设有四个过流孔，振荡活塞上端的锥形塞头与中心流道配合实现过流面积控制，过流孔用来减小该工具的压耗。

上述方案中振荡活塞、压力转换筒和衬套均采用高强度高韧性的耐磨合金钢材质。

有益效果

1、本发明通过振荡活塞内腔与液压腔液压差的耦合，塞头与中心流道分离和接触，使过流面积周期性改变并产生脉冲射流，为振荡短节提供周期性的振动能量，实现钻具在工作过程中产生一定频率的振动，从而有效改善了钻压传递条件，达到减摩降阻的目的，结构简单紧凑，使用寿命长。

2、本发明在液压的作用下，随着振荡活塞周期性的上下运动，液压腔腔内的液压随之增大或减小，脉冲发生短节作用在下接头对钻头产生一定频率的轴向冲击力，有利于提高破岩效率。

3、本发明无需采用螺杆式、涡轮式或射流式结构，脉冲发生短节采用全金属材料，其中振荡活塞、压力转换筒和衬套均采用高强度高韧性的耐磨合金钢材质，耐高温高压，拆装方便，制造成本低，易损件少，可靠性高。

4、本发明提供了一种用于钻井技术领域的具有减阻提速双作用的水力振荡器，其无需采用螺杆式、涡轮式或射流式结构，通过振荡活塞内腔与液压腔液压差的耦合，在水力振荡器工作过程中能够产生一定频率的振动，从而实现钻进过程中减摩降阻，有效缓解钻柱托压；同时该工具还能对钻头施加一定频率的轴向冲击力，具有提高破岩效率的效果。

附图说明

图1为振荡短节的结构示意图；

图2为本发明脉冲发生短节的结构示意图；

图3为图2中的A-A剖视图；

图4为图2中的B-B剖视图；

图5为本发明未起振时的结构示意图；

图6为本发明起振时的结构示意图。

图中：1-花键芯轴，2-密封圈1，3-花键套，4-外花键，5-承压环，6-碟簧，7-柱塞，8-上筒，9-中心流道，10-通液孔，11-下筒，12-振荡活塞，13-泄流孔，14-限位套，15-下接头，16-内花键，17-呼吸孔，18-密封圈2，19-上腔，20-泄压孔，21-过流孔，22-塞头，23-衬套，24-进液孔，25-液压腔，26-压力转换筒。

具体实施方式

结合图1-6所示，这种水力振荡器由振荡短节和脉冲发生短节组成，脉冲短节与振荡短节配合，实现钻具在工作过程中产生一定频率的振动和冲击，从而达到减摩降阻和提高破岩效率的目的，并能有效缓解钻具与井壁之间的托压问题。振荡短节通过其上筒8螺纹连接脉冲发生短节的下筒11；脉冲发生短节包括下筒11、振荡活塞12、压力转换筒26、限位套14、下接头15，下筒11下端与下接头15螺纹连接，下筒是上部为实心柱体的筒体，实心柱体设置有中心流道9和过流孔21，振荡活塞12由活塞筒上端设置塞头22构成，塞头22为锥形塞头，向上伸入到中心流道9中，锥形塞头根部沿圆周方向有两个通液孔10，通液孔与活塞筒的内腔相通；压力转换筒26为缩径筒，压力转换筒上端为连接筒，连接筒螺纹连接在活塞筒下端，压力转换筒下端插入到限位套14中，限位套安装在衬套23与下接头15之间，衬套23与压力转换筒之间的腔体为液压腔25，连接筒的筒底设置进液孔24，压力转换筒下部设置泄流孔13，压力转换筒下行时，泄流孔被限位套封堵；限位套上部用于限制压力转换筒的下行程，限位套下部与压力转换筒滑动连接。

衬套容纳于下筒11内部，振荡活塞12容纳于衬套23内部，振荡活塞上端加工成锥形塞头，未起振时与下筒上端中心流道9贴合，所述塞头22根部沿圆周方向有两个通液孔10，通液孔与振荡活塞12的中心流道9相通，压力转换筒26容纳于衬套内部，位于振荡活塞12下端且与振荡活塞通过螺纹连接，限位套14容纳于下筒内部，位于衬套23下方，通过下接头进行轴向定位，且限位套设置有凸台，对压力转换筒26进行限位，防止压力转换筒进液孔与限位套贴合，所述压力转换筒26、衬套23、限位套14之间形成液压腔。

下筒上端设有中心流道9和四个过流孔21，所述振荡活塞上端的塞头与中心流道配合实现过流面积控制，所述过流孔21用来减小该工具的压耗，所述衬套23由下筒11和限位套14固定，所述压力转换筒上端有两个进液孔24沿圆周方向均匀分布，与液压腔相连，所述压力转换筒下端有两个泄流孔13沿圆周方向均匀分布，与液压腔相连。

振荡短节为水力振荡器传统结构，包括花键芯轴1、花键套3、上筒8、碟簧6、柱塞7，另外在传统结构的基础上设有一个呼吸孔17和两个泄压孔20于上筒。所述花键套3与上筒8通过螺纹连接，所述碟簧6套于花键芯轴下端，容纳于上筒内部，碟簧6通过花键套下端与柱塞上端进行轴向定位，柱塞7容纳于上筒8内部，设置于碟簧6下方，与花键芯轴通过螺纹连接。所述呼吸孔17设置于上筒中上部，与碟簧所在腔体相连，所述泄压孔20沿圆周方向均匀分布于上筒中下部，未起振时位于柱塞上下密封圈之间，且通过柱塞上的密封圈18密封。所述上筒下端连接脉冲发生短节，形成上腔。

花键芯轴1为外壁具有三级台阶的空心轴，花键芯轴1与花键套3通过键连接，花键套3下端螺纹连接上筒8，承压环5和碟簧6套在花键芯轴1外，花键芯轴1下端与活塞螺纹连接，碟簧6上端抵在承压环5下，碟簧6下端抵在活塞上端面上。碟簧6为所述柱塞提供复位力的第一复位件，柱塞7容纳于上筒8内部，位于碟簧6下端，与花键芯轴1下端通过螺纹连接，上筒8设有呼吸孔17和泄压孔20，且呼吸孔17与碟簧6所在腔体连通，使碟簧6所在腔体压力与外界一致；泄压孔20位于柱塞7上下密封圈之间，通过密封圈18密封，未起振时，泄压孔20处于关闭状态。上筒8下端与脉冲发生短节连接，形成上腔19。

脉冲发生短节中所有零件都为金属材料，且无易损坏的密封件，其中振荡活塞、压力转换筒和衬套均采用高强度高韧性的耐磨合金钢材质，用来提高振荡活塞、压力转换筒和衬套的耐磨性，减小压力转换筒与衬套相对滑动时的磨损，耐高温高压，延长了钻具的使用寿命。

振荡活塞12容纳于下筒11，振荡活塞上端锥形塞头22与下筒上端中心流道9贴合，压力转换筒26位于振荡活塞12下方并与振荡活塞12通过螺纹连接，设置有容纳于下筒内部的衬套23，设置有容纳于下筒且位于衬套下方的限位套14，通过与下接头15连接用于轴向定位，且限位套14上端有凸台，对压力转换筒26进行限位，防止进液孔24与限位套14贴合，所述下筒11与下接头15螺纹连接。且下筒11上端开有4个过流孔，沿圆周均匀分布，塞头22根部沿圆周方向有两个均匀分布的通液孔，与中心流道相连，压力转换筒26上端开有两个进液孔24，沿圆周均匀分布，压力转换筒26下端开有两个泄流孔13，沿圆周均匀分布。

对于所述振荡短节，安装时首先将密封圈2安装到花键芯轴1和柱塞7指定密封槽位置，然后将花键芯轴1的外花键4与花键套3的内花键16滑动啮合，承压环5与碟簧6依次从花键芯轴1的下端套在花键芯轴1上，并将柱塞7与花键芯轴1通过螺纹连接，接着将上筒8从柱塞7下面套入与花键套3通过螺纹连接，然后将振荡活塞12与压力转换筒26通过螺纹连接，并且与衬套23和限位套14依次塞进下筒11中。

将安装好的脉冲发生短节通过下筒11与上筒8螺纹相连，最后将下接头15与下筒11螺纹相连接，下接头15与钻柱或者钻头螺纹相连，如图5所示。

工作过程中，钻井液通过所述花键芯轴1的内流道流入下筒11的中心流道9，由于振荡活塞12上的塞头22与中心流道9贴合，液体只能通过下筒11上端的过流孔继续向下流动，使塞头22上方的上腔19的液压不断升高，推动柱塞7向上移动压缩碟簧6。同时振荡活塞12在上腔18液压的作用下逐渐下移并推动压力转换筒下移，液体从塞头22根部的过流孔10流入中心流道，压力转换筒26在随着振荡活塞12下移的过程中挡住液压腔25的泄流孔13，液体只能通过进液孔24进入液压腔25内，无法通过泄流孔13排出，同时压力转换筒26下移压缩液压腔25使其液压不断增大。

进一步的，直至柱塞7向上移动到泄压孔20上方，由于泄压孔20打开，因此塞头22上腔19的液压迅速减小，从而振荡短节中被压缩的碟簧6伸长，并带动柱塞7及花键芯轴1复位，振荡短节产生一次往复振动。同时由于上腔19液压减小，而液压腔25内的液压大于上腔19内液压，在上腔19与液压腔25液压差的作用下，推动压力转换筒26与振荡活塞12向上移动，使塞头21再次封闭中心流道9。如此往复，通过塞头22上腔19与液压腔25的液压差的耦合，塞头22与中心流道9分离和贴合，使过流面积周期性改变并产生脉冲射流，为振荡短节提供周期性的振动能量。同时当振荡活塞12下移时，振荡活塞将能量传递给压力转换筒26，并在液压腔25液压的作用下将能量通过限位套14和下接头15传递给下部钻具，对下部钻具产生一定频率的轴向冲击力，有利于提高钻头破岩效率。