利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器的制作方法

本发明涉及一种用于石油钻井、地质钻探、固井和连续油管领域中的利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器。

背景技术：

随着经济不断发展，油气需求量越来越大，而我国浅层油气资源则口益枯竭，油气开发技术不断进步，油气井的深度增大，深井、超深井的数目增多。使钻井工程面临的地层工作环境更加复杂，钻井深度不断增加，岩石在底层围压作用下硬度和强度都会有明显增加，导致钻头破岩效率不高。钻头在钻进深井地层时，普遍存在钻进速度很慢、钻井花费的成本高，而钻井速度的提高关键在于如何提高钻头的破岩效率。根据现场实验实践研究数据表明，在旋转钻进的同时对钻头施加周期性冲击载荷，有利于提高钻头的破岩效率，提高钻进的速度。为丰富振动工具的种类，推动快速钻井技术的发展，开发一种新的旋转轴向振动的振荡器尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种靠液体流动使涡轮旋转改变流道产生振动的振荡器，解决深井、超深井中钻头破岩效率和机械钻速不高的问题，也可加快固井速度和用于连续油管中。利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器通过旋转开关旋转实现液体流道周期性变化，利用流道变化导致流体液压力周期性变化，从而产生变化的轴向力作用于钻头加快钻头的破岩效率。

本发明的技术方案是：利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器通过螺纹连接安装在钻头后部，所述的利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器包括涡轮总成、振荡短节、转换接头，在振荡短节前端连接冲击接头，后端连接涡轮总成；所述的涡轮总成包括涡轮本体、角接触球轴承、防掉环a、限位套筒a、涡轮定子、涡轮转子、涡轮传动键、限位套筒b、矩形密封圈、涡轮轴、圆柱滚子轴承、推力球轴承、防掉环b，依次将涡轮转子、涡轮定子和限位套筒b通过涡轮传动键安装在涡轮轴上，将防掉环a安装在涡轮轴的上部，将两个角接触球轴承反向安装在涡轮本体和涡轮轴上部，预先将限位套筒a和矩形密封圈安装到涡轮本体上，再通过花键配合将涡轮定子放入涡轮本体内，从上到下依次将圆柱滚子轴承、推力球轴承和防掉环b安装在涡轮轴下部；转换接头，转换接头上部通过螺纹连接与涡轮本体连接；所述的振荡短节包括旋转开关、卡环、拼环、内撑套、支撑块、流道块、振荡本体，旋转开关通过螺纹与涡轮轴连接，将转换接头下部通过螺纹与振荡本体上部连接，将流道块通过卡环、拼环和内撑套安装到振荡本体内，当钻井液流过涡轮总成，涡轮转子旋转，涡轮转子通过键传递扭矩使涡轮轴旋转，涡轮轴旋转通过螺纹连接带动旋转开关旋转，旋转开关改变钻井液进入流道块的形式，钻井液在流道块的两个流体流道入口周期性变化，使液体压力产生周期性变化，驱动振荡短节产生轴向振动，通过振荡本体将振动向前传递，作用在钻头上，从而能加快钻头破岩速度，防止卡钻，提高钻井效率。

上述方案中利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器，其特征在于：振荡短节内部是由2件结构对称的流道块组成，旋转开关在涡轮轴的带动下旋转相应地改变液体进入流道块方式，使液体流动压力产生周期型变化，从而产生轴向振动冲击力。

上述方案中在流道块进液口和旋转开关间设有支撑块，用于让旋转开关与振荡短节的两个流道口存在一定的距离，目的是防止流体流道堵死导致涡轮总成不能正常工作。

上述方案中的利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器，按流道进液口数目分为二孔型、三孔型、四孔型和多孔型利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器，按流道形状分为R型、U型和V型利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器。

上述方案中的利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器，振荡短节内部流体流道进液口数目不同，目的是在不改变涡轮转速条件下实现不同的振动频率。二孔型利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器两孔是中心对称分布，三孔型利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器三孔是周向120度均匀分布，四孔型利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器的四孔分布有圆周均匀分布和中心轴对称两种形式，根据不同的钻井实际工况选择相适应的孔数目能更加有效地提高钻井效率。

上述方案中的利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器，振荡短节内部流体流道的形状改变液体流动方式，从而改变液体压力并产生振动。流道形状分为R型、U型和V型，其中U型和V型流道是轴对称流道，R型流道是综合U型和V型特点设计的一种流道，R型流道不光产生轴向振动还能得到相应的径向振动防止卡钻和加快钻头破岩速度、提高效率。

本发明的有益效果是：(1)利用钻井液驱动涡轮带动旋转开关旋转周期性改变流道，导致液体压力周期性变化从而使R型短节产生轴向振动，简化了机械结构，提高了工具可靠性，工具压耗较低，有效节利用钻井能量；(2)能够为钻头提供额外的具有一定频率的轴向冲击，加速钻头破岩，提高钻井机械钻速，缩短钻井周期，节省钻机租凭费用、材料和人工成本；(3)涡轮旋转振动冲击器内无弹性体，可以适用于大部分工作环境，不受化学腐蚀、温度的影响；(4)延长钻头的使用寿命，减少起下钻的次数，使用范围比较广还能增加分支井、水平井等结构井的井深。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明图1中的A-A截面图。

图3是本发明图1中的B-B截面图。

图4是本发明图1中的C-C截面图。

图5旋转开关结构示意图。

图6旋转开关结构三维示意图。

图7钻井液在R型短节流道中流动示意图。

图8钻井液在R型短节流道中流动示意图。

图9是R型流道块结构示意图

图10是V型流道块结构示意图。

图11是U型流道块结构示意图。

图12是三孔型流道块结构示意图。

图13是四孔对称型流道块结构示意图。

图14是四孔周向均匀分布型流道块结构示意图。

图中1.涡轮本体，2.角接触球轴承，3.防掉环a，4.限位套筒a，5.涡轮定子，6.涡轮转子，7.涡轮传动键，8.限位套筒b，9.矩形密封圈，10.涡轮轴，11.圆柱滚子轴承，12.推力球轴承，13.防掉环b，14.转换接头，15.包括旋转开关，16.卡环，17.拼环，18.内撑套，19.支撑块，20.流道块，21.振荡本体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参见附图1，利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器通过螺纹连接固定安装在钻头后部，该利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器包括涡轮总成、振荡短节、转换接头，在振荡短节前端连接冲击接头，后端连接涡轮总成；所述的涡轮总成包括涡轮本体1、角接触球轴承2、防掉环a3、限位套筒a4、涡轮定子5、涡轮转子6、涡轮传动键7、限位套筒b8、矩形密封圈9、涡轮轴10、圆柱滚子轴承11、推力球轴承12、防掉环b13，依次将涡轮转子6、涡轮定子5和限位套筒b8通过涡轮传动键7安装在涡轮轴10上，将防掉环a3安装在涡轮轴10的上部，将两个角接触球轴承2反向安装在涡轮本体1和涡轮轴10上部，预先将限位套筒a4和矩形密封圈9安装到涡轮本体1上，再通过花键配合将涡轮定子5放入涡轮本体1内，从上到下依次将圆柱滚子轴承11、推力球轴承12和防掉环b13安装在涡轮轴10下部。利用防掉环a3防止涡轮转子轴向运动，防掉环b13用于支撑推力轴承12，利用转换接头上部台阶放置轴承和涡轮轴台阶防止涡轮轴掉下。

所述的振荡短节包括旋转开关15、卡环16、拼环17、内撑套18、支撑块19、流道块20、振荡本体21，流道块20是利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器的振荡短节的核心部件，按流道进液口数目分为二孔型、三孔型、四孔型和多孔型利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器，按流道形状分为R型、U型和V型利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器，根据不同的工况选择相适应的流道形式，旋转开关15通过螺纹与涡轮轴10连接，将转换接头14下部通过螺纹与振荡本体21上部连接，将流道块20通过卡环16、拼环17和内撑套18安装到振荡本体21内，当钻井液流过涡轮总成，涡轮转子6旋转，涡轮转子6通过键传递扭矩使涡轮轴10旋转，涡轮轴10旋转通过螺纹连接带动旋转开关15旋转，旋转开关15改变钻井液进入流道块20的形式，钻井液在流道块20的两个流体流道入口周期性变化，使液体压力产生周期性变化，驱动振荡短节产生轴向振动，通过振荡本体21将振动向前传递，作用在钻头上，从而能加快钻头破岩速度，防止卡钻，提高钻井效率。