本发明专利技术涉及一种利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器，由涡轮总成、振荡短节、转换接头组成。所述的振荡短节前端连接冲击接头，后端连接涡轮总成，通过涡轮总成将液压能转化为涡轮轴机械能，流道旋转开关通过螺纹与涡轮轴连接，改变钻井液流道，使流体周期性变化地流入振荡短节，从而导致钻井液压力周期性变化，使振荡短节产生一定频率的轴向冲击，在钻头旋转破岩过程中对钻头施加一个轴向振动，从而提高钻头破岩效率。本发明专利技术的利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器利用钻井液流道周期性变化，产生一定频率的轴向冲击力，结构简单，不含电子元件与橡胶元件，对地层适应性强，有效提高钻井效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的涡轮旋转振动冲击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。本专利技术的技术方案是：利用钻井流体液压力的变化产生的涡激振动实现轴向冲击的钻井工具通过螺纹连接固定安装在钻头后部，所述的钻井工具包括涡轮总成、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、推力球轴承和限位环安装在涡轮轴下部；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。上述方案中利用流体压力变化产生振动实现轴向冲击的钻井工具，其特征在于：振荡短节内部特殊流道是由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振荡发生装置方式，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，目的是防止液体流道堵死导致涡轮不能正常工作。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，振荡短节内部特殊流道的结构设计如下，该专利技术按流道进液口数目可以分为二孔型、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，按流道形状可以分为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，振荡短节内部特殊流道进液口数目不同，旋转开关在涡轮机构的驱动下周期性改变液体入口，改变液体压力产生振动。设计流道孔的个数不同，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，该专利技术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，多孔的分布形式可以参考该专利技术四孔形式，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的提高钻井效率。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，振荡短节内部特殊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。本专利技术的流道形状分为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，该专利技术摘要图是设计的利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器中的一种R型二孔旋振冲击器，这专利技术能充分体现U型和V型改变液体压力的形式，在不对称的流道不光产生轴向振动还能得到相应的径振动防止卡钻和加快钻头破岩速度提高效率。本专利技术的有益效果是：(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是本专利技术的结构示意图。图2是本专利技术图1中的A-A截面图。图3是本专利技术图1中的B-B截面图。图4是本专利技术图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专利技术作进一步说明：参见附图1，利用钻井液流体压力的变化产生振动实现轴向冲击的钻井工具通过螺纹连接固定安装在钻头后部，该钻井工具包括涡轮总成、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和限位环13安装在涡轮轴10下部。利用防掉环a3本文档来自技高网...
【技术保护点】
利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器，其特征在于：所述的钻井工具包括涡轮总成、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a（3）、限位套筒a（4）、涡轮定子（5）、涡轮转子（6）、涡轮传动键（7）、限位套筒b（8）、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b（13），依次将涡轮转子（6）、涡轮定子（5）和限位套筒b（8）通过涡轮传动键（7）安装在涡轮轴（10）上，将防掉环a（3）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a（4）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）和限位环（13）安装在涡轮轴（10）下部；转换接头（14），转换接头（14）上部通过螺纹连接与涡轮本体（1）连接；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），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。...
【技术特征摘要】
1.利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器，其特征在于：所述的钻井工具包括涡轮总成、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a（3）、限位套筒a（4）、涡轮定子（5）、涡轮转子（6）、涡轮传动键（7）、限位套筒b（8）、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b（13），依次将涡轮转子（6）、涡轮定子（5）和限位套筒b（8）通过涡轮传动键（7）安装在涡轮轴（10）上，将防掉环a（3）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a（4）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）和限位环（13）安装在涡轮轴（10）下部；转换接头（14），转换接头（14）上部通过螺纹连接与涡轮本体（1）连接；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），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。2.根据权利要求1所述的利用涡轮与多孔流道实现涡激振动的振荡器，...
【专利技术属性】
技术研发人员：田家林，朱志，杨琳，杨毅，张堂佳，李居瑞，林晓月，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51
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