振荡器的制作方法

本发明涉及钻井技术领域，特别是涉及一种振荡器。

背景技术：

随着油气资源开发逐步向深部地层推进，水平井、大位移井井眼长度不断增长。在水平段或倾斜段中，在重力作用下，钻井用的钻柱通常回与井壁长距离接触。

在现有技术中，通常采用施加纵向压力的方式来进行钻井。相应地，钻具、钻头等均沿着纵向方向来进行振动。然而，这导致钻柱与井壁之间存在非常大的摩擦阻力，并因此会导致钻进困难。钻进困难例如具体表现在钻进所需耗能大，钻进速度低等。这无疑会大幅延长钻井周期，显著增加作业成本。

因此，需要一种能够降低作业成本的振荡器。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种振荡器，这种振荡器在用于水平井、大位移井的钻井作业中时能够有效地降低作业成本。

根据本发明提出了一种振荡器，所述振荡器连接在上部钻具和下部钻具之间，所述振荡器包括：与所述上部钻具固定连接的上部主体；以及与所述下部钻具固定相连的下部主体；其中，所述上部主体和所述下部主体之间能产生相对的纵向移动和相对的周向转动。

上部主体和下部主体之间的相对的纵向移动和相对的周向转动使得上部主体和/或下部主体以及与它们相连的上部钻具和下部钻具能相对于外层的井壁产生相对的纵向移动和相对的轴向转动。通过这种运动方式，使得钻具与井壁之间的相对运动较为剧烈，并由此能够大幅地降低钻具与井壁之间的摩擦力。因此，能够通过相对较小的驱动力来进行较为高速的钻进作业。这非常有利于缩短钻井周期，降低作业成本。

在一个实施例中，所述上部主体至少部分地套设在所述下部主体内，其中，在所述上部主体的外侧壁上构造有第一螺旋引导件，所述第一螺旋引导件具有纵向方向和周向方向的延伸分量，并且在所述下部主体的内侧壁上构造有与所述第一螺旋引导件相匹配的第二螺旋引导件，在所述上部主体和所述下部主体之间发生相对的纵向移动时，在所述第一螺旋引导件和所述第二螺旋引导件的配合下，所述上部主体和所述下部主体之间还发生相对的周向转动。

在一个实施例中，在所述上部主体的下端处连接有至少一个活塞体，所述至少一个活塞体与所述下部主体的内侧壁密封式滑动配合，在所述至少一个活塞体的下方的所述下部主体内设置有流体振荡机构，所述流体振荡机构构造为能使通过其中的流体的压力发生周期性的变化，所述流体的压力的周期性变化能够传递至所述至少一个活塞体的下方以推动所述至少一个活塞体。

在一个实施例中，所述至少一个活塞体包括第一活塞体和间隔开设置在所述第一活塞体下方的第二活塞体，所述第一活塞体与所述上部主体的下端直接连接，在所述第一活塞体和所述第二活塞体之间设置有沿纵向方向延伸的连接杆，所述下部主体在所述第一活塞体和所述第二活塞体之间与所述第一活塞体和所述第二活塞体间隔开地构造有径向向内延伸的凸起部，所述凸起部与所述连接杆密封式滑动配合，在所述第一活塞体的下方，所述下部主体的内侧壁、所述凸起部与所述连接杆包围形成第一压力腔，所述连接杆构造为中空的，在所述连接杆的侧壁上构造有与所述第一压力腔相连通的连通孔，所述连接杆构造为能够将所述流体振荡机构的流体的压力传递至所述第一压力腔内，在所述第一活塞体的上方形成第一平衡腔，在所述下部主体的侧壁上构造有将所述第一平衡腔与外部环境相连通的第一连通孔，在所述第二活塞体的下方形成第二压力腔，所述流体振荡机构的流体的压力能够传递至所述第二压力腔内，在所述第二活塞体的上方，所述连接杆、所述凸起部和所述下部主体的内侧壁包围形成第二平衡腔，在所述下部主体的侧壁上构造有将所述第二平衡腔与外部环境相连通的第二连通孔。

在一个实施例中，所述流体振荡机构包括：固定设置在所述下部主体内的固定阀板，在所述固定阀板上构造有沿纵向方向贯穿所述固定阀板的固定流通孔；以及能围绕所述下部主体的纵向轴线旋转的旋转阀板，所述旋转阀板与所述固定阀板相邻地设置在所述固定阀板的朝向所述至少一个活塞体的一侧，在所述旋转阀板上构造有沿纵向方向贯穿所述旋转阀板的旋转流通孔；其中，所述固定流通孔和所述旋转流通孔构造为相对于所述下部主体的纵向轴线偏心设置，在所述旋转阀板旋转时，所述固定流通孔和所述旋转流通孔相重叠的部分的面积周期性地变化。

在一个实施例中，所述固定流通孔和所述旋转流通孔在第一状态下具有最大的重叠面积，所述最大的重叠面积与所述固定流通孔和/或所述旋转流通孔的面积相等；和/或所述固定流通孔和所述旋转流通孔在第二状态下具有最小的重叠面积，所述最小的重叠面积与所述固定流通孔和/或所述旋转流通孔的面积之比在0.1-0.5之间，优选地在0.2-0.3之间。

在一个实施例中，所述流体振荡机构还包括固定连接在所述旋转阀板的上方的内管道，所述内管道连通至所述上部主体和所述至少一个活塞体的内腔，并与所述旋转阀板上的旋转流通孔相连通，所述内管道套设在所述下部主体内并与所述下部主体间隔开，在所述内管道与所述下部主体之间形成环形腔，在所述内管道的上端和下端处分别构造有贯穿所述内管道的侧壁的上通孔和下通孔，所述通孔将所述内管道的内部空间与所述环形腔相连通，在所述环形腔内的所述上通孔与所述下通孔之间设置有驱动涡轮组件，所述驱动涡轮组件构造为能响应于流过其中的流体而带动所述内管道旋转。

在一个实施例中，所述流体振荡机构还包括设置在所述内管道上方的所述下部主体内的振荡放大器，所述振荡放大器构造为能够将来自于所述内管道的流体的振荡放大并传递给所述至少一个活塞体。

在一个实施例中，在所述第一活塞体的上方，所述下部主体构造有朝向下方的台阶面，在所述台阶面与所述第一活塞体之间设置有碟簧组，所述碟簧组构造为能在所述第一活塞体靠近所述台阶面时推动所述第一活塞体背离所述台阶面移动。

在一个实施例中，所述上部主体包括第一段和从所述第一段向下延伸的第二段，所述第一段的外径大于所述第二段的外径，在所述第一段和所述第二段之间的连接处形成朝向下方的第一抵挡面，在所述下部主体的内侧形成有能与所述抵挡面相配合的第二抵挡面，在所述上部主体的第二段外侧壁上嵌入有卡接部，所述卡接部径向向外延伸至凸出于所述第二段的外侧壁，在所述下部主体的内侧壁上构造有用于容纳所述卡接部的槽，所述槽的上侧壁与下侧壁之间的距离大于所述卡接部的长度，其中，在所述第一抵挡面和所述第二抵挡面相接触时，所述卡接部与所述槽的上侧壁之间构造有间隙。

与现有技术相比，本发明的优点在于：上部主体和下部主体之间的相对的纵向移动和相对的周向转动使得上部主体和/或下部主体以及与它们相连的上部钻具和下部钻具能相对于外层的井壁产生相对的纵向移动和相对的轴向转动。通过这种运动方式，使得钻具与井壁之间的相对运动较为剧烈，并由此能够大幅地降低钻具与井壁之间的摩擦力。因此，能够通过相对较小的驱动力来进行较为高速的钻进作业。这非常有利于缩短钻井周期，降低作业成本。

附图说明

在下文中参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的一个实施方案的振荡器的结构；

图2显示了图1中的振荡器的一部分的放大图；

图3显示了图1中的振荡器的另一部分的放大图；

图4显示了根据本发明的一个实施方案的上部主体的结构；且

图5显示了根据本发明的一个实施方案的第二活塞体和连接杆的结构。

在附图中，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。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1-图3显示了根据本发明的振荡器1的一个实施例，其中，图2和图3分别显示了图1中的振荡器1的一部分的放大图。

如图1-图3所示，振荡器1包括大体上呈圆筒状的上部主体10和大体上呈圆筒状的下部主体20。在所显示的实施例中，下部主体20由多个部件构成，包括从上到下依次固定连接的引导壳体21，辅助壳体22，第一活塞壳体23，第二活塞壳体24，振荡壳体25和下接头26。然而，应当理解的是，根据需要，下部主体20也可由更多的独立部件构成，或者上述部件中的一个或多个部件可成形为一体。

上部主体10包括用于与上部钻具相连的上接头，连接在上接头之下的第一段11和连接在第一段11之下的第二段12。如图4所示，可在第一段11的外侧壁上构造有第一引导件111，在引导壳体21的相应的内壁上构造有相匹配的第二引导件(未显示)。第一引导件111构造为螺旋形的，具有沿纵向方向和周向方向延伸的路径。在第一段11套设在引导壳体21内时，第一引导件111和第二引导件能相互滑动配合。由此，在上部主体10相对于下部主体20沿着纵向方向移动时，在第一引导件和第二引导件的配合下，上部主体10和下部主体20之间能发生相对的周向转动。

在图4所示的优选的实施例中，第一引导件111可形成为螺旋花键。该螺旋花键可通过在第一段11上开槽来形成。第一引导件111优选地延伸至第一段11与第二段12相连的端面处。

第一段11的外径大于第二段12的外径，在第一段11与第二段12之间的连接处构造有朝向下方的抵挡面。引导壳体21构造有相应的朝向上方的抵挡面。在引导壳体21和第一段11的抵挡面相互接触时，上部主体10相对于下部主体20处于最下端位置。

在第二段12的外侧壁上可嵌入有卡接部123，卡接部123径向向外延伸至凸出于第二段12的外侧面。引导壳体21的下端与辅助壳体22包围形成用于容纳该卡接部123的槽213。如图2所示，槽213的的长度(即，槽213的上侧壁和下侧壁之间的距离)大于卡接部123的长度。在上部主体10相对于下部主体20处于最下端位置时，槽213的上侧壁与卡接部123间隔开。由此，允许上部主体10带着卡接部123相对于下部主体20向上移动，直到卡接部123与槽213的上侧壁相接触为止。通过这种设置可限制上部主体10相对于下部主体20沿纵向方向的移动范围。

如图2所示，上部主体10还包括从第二段12向下延伸的第三段13。第三段13的下端处通过螺纹固定连接有第一活塞体31。该第一活塞体31与第一活塞壳体23的内侧壁密封式滑动配合。在第一活塞体31的上方，在辅助壳体22的下端、第一活塞壳体23与上部主体10之间包围形成第一平衡腔41。优选地，在该第一平衡腔41内设置有弹性件30，该弹性件30的一端抵在第一活塞体31上，另一端抵在辅助壳体22的下端面上。弹性件30优选为碟簧组。这种弹性件30的刚性和恢复能力较好，有利于延长振荡器1的使用寿命。

在第一活塞体31的下方连接有沿着纵向方向延伸的连接杆32，在连接杆32的下方通过螺纹而固定连接有第二活塞体33。第二活塞体33与第二活塞壳体24的内侧壁密封式滑动配合。第一活塞体23的下端径向向内凸出而形成凸出部233。该凸出部233与连接杆32密封式滑动配合。由此，在凸出部233、第一活塞壳体23的内侧壁与连接杆32的包围下，可在第一活塞体31的下方形成第一压力腔42。在凸出部233、第二活塞壳体24的内侧壁与连接杆32的包围下，可在第二活塞体33的上方形成第二平衡腔43。在第二活塞体33的下方的第二活塞壳体24内形成第二压力腔44。

应当理解的是，在图1-图3所示的实施例中，设置了两级活塞结构。然而，根据需要，也可只设置单极活塞结构或更多级活塞结构(例如，3级、4级或5级等)。

在该第二压力腔44的下方，振荡器1还包括流体振荡机构。该流体振荡机构构造为与上部主体10、第一活塞体31、连接杆32和第二活塞体33中的流体通道以及第二压力腔44相连通。在连接杆32的上端处开设有贯穿其侧壁以将第一压力腔42与连接杆32中的流体通道相连通的压力连通孔321。钻井液可通过流体通道自上而下流入到流体振荡机构内。流体振荡机构能够使其中的钻井液产生振荡，即，使其压力发生变化。流体振荡机构中的流体压力的变化能够导致与其相连通的第一压力腔42和第二压力腔44中的压力相应地变化，以推动第一活塞体31和第二活塞体33向上移动。

在这里，第一平衡腔41可通过构造于第一活塞壳体23的侧壁上的第一连通孔231而与外部环境相连通。第二平衡腔43可通过构造于第二活塞壳体24的侧壁上的第二连通孔241而与外部环境相连通。由此，第一平衡腔41和第二平衡腔43内的压力可大致上不变。

如图5所示，连接杆32可与第二活塞体33一体成形。在连接杆32的侧壁上设置有两排压力连通孔321。

参见图3，设置在设置在第二压力腔44下方的流体振荡机构包括固定设置在下接头26上并被振荡壳体25的内壁所包围的固定阀板82，以及设置在固定阀板82上方的旋转阀板81。旋转阀板容纳于振荡壳体25内，并且可围绕着振荡器1的纵向轴线旋转。在旋转阀板81上设置有沿纵向贯穿该旋转阀板81的旋转流通孔811。相应地，在固定阀板82上设置有沿纵向贯穿该固定阀板82的固定流通孔821。旋转流通孔811与固定流通孔821相连通，并与上方的第二活塞腔44和下方的下接头26内的流通通道相连通。并且，旋转阀板81和固定阀板82构造为旋转流通孔811与固定流通孔821相连通的面积随着旋转阀板81的转动而变化。通过这种方式，可随着旋转阀板81的转动而周期性地改变那里的流体的流速和压力，并由此使流体产生振荡，产生相应的低压脉冲信号和高压脉冲信号。该振荡可相应地传递到上方的第一压力腔42和第二压力腔44中。

在图3所示的实施例中，旋转阀板81直接放置在固定阀板82上，由此，可通过调整旋转流通孔811与固定流通孔821相重叠的面积来改变旋转流通孔811与固定流通孔821相连通的面积。例如，为此，旋转流通孔811和固定流通孔821可均相对于纵向轴线偏心地设置。优选地，在第一状态下，旋转流通孔811和固定流通孔821完全重叠。此时，旋转流通孔811和固定流通孔821之间的流通面积最大，相应地针对流体而产生了低压脉冲信号。在第二状态下，旋转流通孔811和固定流通孔821仅部分重叠。此时，旋转流通孔811和固定流通孔821之间的流通面积最小，相应地针对流体而产生了高压脉冲信号。在第二状态下，该最小的重叠面积(流通面积)与固定流通孔和/或旋转流通孔的面积之比在0.1-0.5之间，优选地在0.2-0.3之间。在该范围内，能够在不明显影响钻井液流向下部钻具的情况下最有效地引起振荡。

另外，流体振荡机构可包括设置在旋转阀板81与第二压力腔44之间的内管道61。内管道61与旋转阀板81固定连接，并且内管道的内部通道与旋转阀板81上的旋转流通孔811相连通。内管道的内部通道又与第二压力腔44相连通。内管道61套设在振荡壳体25内，并与振荡壳体25间隔开，以在它们之间形成环形腔。在内管道61的上端处构造有沿径向方向贯穿内管道61以将内管道61的内部通道与环形腔相连通的上通孔611。在内管道61的下端处构造有沿径向方向贯穿内管道61以将内管道61的内部通道与环形腔相连通的下通孔612。下通孔612优选地具有沿纵向方向的延伸分量，以使其大体上沿着径向向内的方向逐渐向下倾斜。由此，流入到内管道61中的流体中的一小部分可通过上通孔611流入到环形腔内，并通过下通孔612而流回到内管道61中。在环形腔内可设置有驱动涡轮组件90。驱动涡轮组件90包括上轴承静套92和下轴承静套95，它们相对于振荡壳体25固定。驱动涡轮组件90还包括上轴承动套91和下轴承动套94，它们相对于内管道61固定，并分别旋转式套设在上轴承静套92和下轴承静套95内。在上轴承静套92和上轴承动套91与下轴承静套95和下轴承动套94之间设置有驱动涡轮定子和转子93。该定子相对于振荡壳体25而固定，转子相对于内管道61而固定。在流体流过驱动涡轮定子和转子93时，能够带动转子相对于定子转动，并由此带动内管道61和旋转阀板81转动。

应当理解的是，驱动涡轮定子和转子93自身的结构为本领域的技术人员所熟知的，在此不加赘述。

优选地，在内管道61与第二压力腔44之间还设置有振荡放大器50。振荡放大器50用于将来自于旋转阀板81处的高压脉冲信号和低压脉冲信号放大，以利于其作用在活塞体上，带动活塞体移动。例如，振荡放大器50可以是自激放大器，自激放大器内部具有能够实现压力脉冲的叠加、共振和放大的腔体。该自激放大器本身的结构为本领域的普通技术人员所熟知的，在此不加赘述。

下面将结合图1-5而对本发明的振荡器1的工作过程进行详细说明，并由此来进一步显示振荡器1的优势。

在工作过程中，上部主体10与上部钻具固定连接，下部主体20的下接头26与下部钻具固定连接。钻井液可通过上部钻具而流入到上部主体10内的流通通道中，并由此而流向第一压力腔42和第二压力腔44，以及下方的流体振荡机构50、内管道61、下接头26和下部钻具。流入到内管道61中的钻井液可通过上通孔611而进入到环形腔中，驱动驱动涡轮组件90中的转子进行转动，并由此带动内管道61和旋转阀板81一起转动。

在旋转阀板81转动到第一状态时，产生低压脉冲信号。该低压脉冲信号通过振荡放大器50而传递给第一压力腔42和第二压力腔44。此时，第一压力腔42和第二压力腔44中的压力小于第一平衡腔41和第二平衡腔43中的压力，或者不足以驱动第一活塞体31和第二活塞体33向上移动。上部主体10的第一段11与第二段12之间的台阶面与引导壳体21上的相应的台阶面相接触(图1所显示的状态)。

在旋转阀板81转动到第二状态时，产生高压脉冲信号。该高压脉冲信号通过振荡放大器50而传递给第一压力腔42和第二压力腔44。第一压力腔42和第二压力腔44中的压力增大至足以将第一活塞体31和第二活塞体33向上推动，并由此推动上部主体10相对于下部主体20向上移动。此时，在螺旋形的第一引导件111和第二引导件的相互配合下，上部主体10一边相对于下部主体20向上移动，一边相对于下部主体20周向地转动。由此，可带动上部钻具相对于下部钻具一边向上移动，一边周向转动。

此后，旋转阀板81又向第一状态转动。随着转动，第一压力腔42和第二压力腔44中的压力降低。在弹性件30的推动下，第一活塞体31和第二活塞体33向下移动。上部主体10相对于下部主体20向下移动。同时，在第一引导件111和第二引导件的作用下，上部主体10相对于下部主体20反向地周向转动。相应地，可带动上部钻具相对于下部钻具一边向下移动，一边反向地周向转动。

重复上述过程，可使振荡器1带动着上部钻具和下部钻具一起产生纵向和周向两个方向上的相对复杂和剧烈的移动。由此，可使钻具与井壁之间的动摩擦与静摩擦的比例发生变化，使得动摩擦所占比例更多。这非常有利于降低钻井过程中的摩擦阻力，并由此有利于以较低的耗能来提高钻井速度。经由此，可大幅降低钻井周期，并降低作业成本。

这里的上部钻具和下部钻具均为钻柱。

应当理解的是，根据井下状况，在上部钻具相对于下部钻具周向转动时，对于井壁来说，可表现为上部钻具或下部钻具发生周向转动，或者上部钻具和下部钻具均发生了周向转动。

还应当理解的是，本文中所使用的方位用语“上”和“下”为相对概念。“上”为靠近井口一侧的方向，“下”为靠近井底一侧的方向。“上”和“下”的使用并不使得本发明中的振荡器1拘泥于用于竖直井段。

同样地，还用当理解的是，本文中所说的“纵向”为沿着钻井路径的方向。该路径并不限于直线方向，也包含倾斜和水平的方向。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。