一种涡轮式水力脉冲振荡器

本发明涉及石油钻井，尤其涉及一种涡轮式水力脉冲振荡器。

背景技术：

1、随着油气开采逐渐向着深井、超深井以及水平井等复杂井发展，钻柱在深部以及水平段钻进中的摩阻随着钻井深度的增加而急剧增加，导致钻压传递效率低下，钻进效率低下，容易引起压差卡钻等问题，如何降低钻具在深井、超深井以及水平井中的摩阻，成为了石油钻井中急需解决的一个重要问题。针对以上问题，提出一种涡轮式水力脉冲振荡器，该工具将涡轮的高速旋转运动转化为活塞轴的周期性上下往复运动，周期性的改变钻井液在工具中的过流面积，从而形成周期性的水力脉冲作用，将钻柱在钻井过程中的静摩擦转变为动摩擦，有效增加钻压的传递效率，以及钻井机械的钻进效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种涡轮式水力脉冲振荡器。解决现有技术中深井、超深井以及水平井钻进中钻柱摩阻大，钻进效率低下等问题，该工具通过周期性的改变钻井液流体过流面积，形成周期性的水力脉冲作用，将钻柱静摩擦转变为动摩擦，增加钻井机械的钻进效率。

2、为实现以上目标，本发明采用的技术方案：

3、一种涡轮式水力脉冲振荡器，由上接头、第一挡环、推力球轴承组、涡轮外壳、第二挡环、涡轮芯轴、涡轮组、圆柱凸轮、密封外壳、销轴、滚轮、活塞轴、轴端分流器和下接头组成；所述涡轮外壳上部与上接头螺纹连接，下部与下接头螺纹连接，形成中空的环形空腔，从上至下依次连接第一挡环、推力球轴承组、涡轮外壳、第二挡环、涡轮芯轴、涡轮组、圆柱凸轮、密封外壳、销轴、滚轮、活塞轴和轴端分流器；

4、所述上接头设有第一中心流道、第一抵台；所述第一挡环通过螺纹连接于涡轮芯轴上部；

5、所述涡轮芯轴上设有第二中心流道、第二抵台、第一径向流道、第三抵台和中心螺纹孔；所述第二中心流道和第一径向流道常通；所述第一径向流道为环形阵列通孔，数量为2～6个；所述推力球轴承组安装于第一挡环与第二抵台之间；

6、所述圆柱凸轮设有第一凸台、第四抵台和凸轮槽，所述凸轮槽分为凸轮推程段和凸轮槽回程段，所述凸轮槽推程段所占圆心角为凸轮槽回程段的1.5～3倍；所述凸轮推程段的数量为2～4个；所述凸轮回程段的数量与凸轮推程段的数量一致；所述第一凸台通过螺纹连接于中心螺纹孔中；所述涡轮组安装于第三抵台和第四抵台之间；所述第二挡环安装于推力球轴承组和涡轮组之间；

7、所述密封外壳设有第一轴向流道、第五抵台、和第一中空腔；所述第五抵台抵靠于涡轮组下方；所述第一轴向流道的数量为6～12个；所述圆柱凸轮、销轴、滚轮和活塞轴安装于第一中空腔中；

8、所述活塞轴设有第一周向孔和第一防转轴段；所述第一周向空的数量与凸轮槽推程段数量一致；所述第一防转轴段安装于第三中心流道中；第一防转轴段的形状为三角形、四边形、六边形和八边形；

9、所述所述销轴安装于第一周向孔中；所述滚轮安装与凸轮槽中，并通过销轴与活塞轴相连，带动活塞轴做上下往复运动；

10、所述轴端分流器设有第三中心流道、第二径向流道和第二轴向流道；所述第三中心流道与第二径向流道和第二轴向流道常通；所述第二径向流道的数量为3～12个；所述第二轴向流道的数量与第二径向流道的数量一致；所述第三中心流道的面积是第二轴向流道的面积和2～4倍；所述轴端分流器上部与密封外壳下部通过螺纹连接；所述轴端分流器与密封外壳之间形成第一腔体；所述第一腔体与第二径向流道和第二轴向流道常通，第一腔体与第三中心流道间歇性连通；

11、所述下接头设有第四中心流道；所述第四中心流道通过第二径向流道和第二轴向流道与第一腔体常通；所述第四中心流道与第三中心流道常通；

12、当钻井液从第一中心流道流入装置后，经第二中心流道和第一径向流道进入涡轮组，推动涡轮组高速旋转，从而带动涡轮芯轴高速旋转，圆柱凸轮与涡轮芯轴螺纹连接，并跟随涡轮芯轴一同高速旋转，由于防转轴段的作用，使得活塞轴跟随圆柱凸轮的旋转周期性的上下往复运动；当活塞轴处于上止点位置时，第三中心流道与第一腔体连通，钻井液经第二径向流道分别从第二轴向流道和第三中心流道进入第四中心流道，当活塞轴处于下止点位置时，第三中心流道与第一腔体不连通，钻井液只能经第二径向流道和第二轴向流道进入第四中心流道；钻井液从第一腔体到第四中心流道的过流面积减小，形成水锤作用；在活塞轴周期性的上下运动过程中，钻井液从第一腔体到第四中心流道的过流面积周期性的增加和减少，形成周期性的水力脉冲作用。

13、本发明的有益效果：

14、本发明提供一种涡轮式水力脉冲振荡器，利用涡轮转动带动涡轮芯轴旋转，从而带动圆柱凸轮旋转，将圆柱凸轮的旋转运动转化为活塞轴的上下往复运动，使得钻井液在轴端分流器中的过流面积周期性的变大和变小，产生周期性的水力脉冲作用，将钻井过程中钻柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，减小摩阻，增加钻井机械钻进效率。

技术特征：

1.一种涡轮式水力脉冲振荡器，由上接头(1)、第一挡环(2)、推力球轴承组(3)、涡轮外壳(4)、第二挡环(5)、涡轮芯轴(6)、涡轮组(7)、圆柱凸轮(8)、密封外壳(9)、销轴(10)、滚轮(11)、活塞轴(12)、轴端分流器(13)和下接头(14)组成；所述涡轮外壳(4)上部与上接头(1)螺纹连接，下部与下接头(14)螺纹连接，形成中空的环形空腔，从上至下依次连接第一挡环(2)、推力球轴承组(3)、涡轮外壳(4)、第二挡环(5)、涡轮芯轴(6)、涡轮组(7)、圆柱凸轮(8)、密封外壳(9)、销轴(10)、滚轮(11)、活塞轴(12)和轴端分流器(13)；

2.根据权利要求1所述的一种涡轮式水力脉冲振荡器，其特征在于所述涡轮芯轴(6)设有第二中心流道(601)、第二抵台(602)和第一径向流道(603)；所述第二中心流道(601)与第一径向流道(603)常通；所述第一径向流道(603)位环形阵列通孔，数量为3～6个。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮式水力脉冲振荡器，其特征在于所述圆柱凸轮(8)设有第一凸台(801)、第四抵台(802)、凸轮槽(803)，所述凸轮槽(803)分为凸轮推程段(804)和凸轮槽回程段(805)所述凸轮推程段(804)所占圆心角是凸轮槽回程段(805)的1.5～3倍；所述凸轮推程段(804)的数量位2～4个；所述凸轮槽回程段(805)的数量与凸轮推程段(804)一致。

4.根据权利要求1和权利要求3所述的一种涡轮式水力脉冲振荡器，其特征在于所述改变凸轮推程段(804)和凸轮槽回程段(805)的数量可以改变涡轮式脉冲振荡器的的水力脉冲震荡频率。

5.据权利要求1所述的一种涡轮式水力脉冲振荡器，其特征在于所述密封壳体(9)设有环形阵列的第一轴向流道(901)；所述第一轴向流道(901)与第一腔体(15)常通；所述第一轴向流道(901)的数量为6～12个。

6.据权利要求1所述的一种涡轮式水力脉冲振荡器，其特征在于所述活塞轴(12)设有第一周向孔(121)和第一防转轴段(122)；所述第一周向孔(121)的数量与凸轮推程段(804)的数量一致；所述第一防转轴段(122)的形状为三角形、四边形、六边形和八边形。

7.据权利要求1所述的一种涡轮式水力脉冲振荡器，其特征在于所述轴端分流器(13)设有第三中心流道(131)、第二径向流道(132)和第二轴向流道(133)；所述第二径向流道(132)、第二轴向流道(133)与第一腔体(15)和第四中心流道(141)常通；所述第三中心流道(131)以第一腔体(15)周期性连通；所述第二径向流道(132)的数量为3～12个；所述第二轴向流道(133)的数量与第二径向流道(132)的数量一致；所述第三中心流道(131)的面积是第二轴向流道(133)的面积和2～4倍。

技术总结本发明涉及一种涡轮式水力脉冲振荡器，主要由上接头、涡轮外壳、第一挡环、推力球轴承组、第二挡环、涡轮组、涡轮芯轴、圆柱凸轮、活塞轴、密封外壳、轴端分流器和下接头组成；所述涡轮外壳上部与上接头螺纹连接，下部与下接头螺纹连接，形成中空的环形空间，从上至下依次连接第一挡环、推力球轴承组、第二挡环、涡轮芯轴、涡轮组、圆柱凸轮、活塞轴、密封外壳和轴端分流器；钻井液从上接头进入，钻井液推动涡轮旋转，从而带动圆柱凸轮旋转，在圆柱凸轮的作用下推动活塞轴周期性上下往复运动，产生周期性的脉冲振荡；本发明解决现有钻井技术中深部钻井时钻柱托压、摩阻大等问题，通过周期性水力脉冲作用将钻柱静摩擦变为动摩擦，提高钻井效率。技术研发人员：祝效华,石忠玉,刘一双,石昌帅受保护的技术使用者：西南石油大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18