三维振动水力振荡器及加工方法与流程

1.本发明涉及石油天然气井下工具领域，特别是一种三维振动水力振荡器及加工方法。


背景技术：

2.目前油田的钻井已从直井发展为定向井和水平井，钻具通常紧贴下侧井壁，钻具在井壁的摩擦过大，影响钻进效率，使钻压难以传递至钻头。为克服该缺陷，现有技术中采用水力振荡器将钻具的静摩擦变为动摩擦，以降低摩阻。现有的水力振荡器通常有三种结构，1、螺杆马达结构，通过螺杆驱动动片旋转，使动片与静片之间的孔的通流截面发生周期变化从而产生振动。存在的问题是，该方案的压耗较高，通常达到3~4 mpa，而且使用寿命通常低于500小时，而且螺杆马达的价格非常高昂，例如类似中国专利文献cn205778542u中的结构。2、射流结构，利用涡腔体产生振动，利用压力介质的周期变化产生高频振动，但是该方案的压耗仅有0.2
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0.3 mpa，频率较高，且频率无法控制。例如中国专利文献cn104963624a中的结构。3、涡轮结构，通过涡轮转子驱动动片旋转，使动片与静片之间的孔的通流截面发生周期变化从而产生振动。该方案存在的问题是，结构较为复杂，转动部件过多，成本高昂，损耗较高，且涡轮转子转速较高，使工具的输出频率较高，不易控制，使用寿命也较短。例如中国专利文献cn104895517a、cn 104405287 a、cn 211648054 u中记载的结构。但是现有技术中各种方案都存在架构复杂，加工成本高昂的问题，随着井的长度增加，现有的工具也难以完全满足施工需求。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种三维振动水力振荡器，能够以较为简化的结构实现克服井下托压的问题，以较低的压耗实现径向振动和轴向振动的三维振动，且能够降低使用成本。
4.本发明所要解决的另一技术问题是提供一种三维振动水力振荡器的加工方法，能够方便的和高精度的制备三维振动水力振荡器中的核心部件偏心涡轮。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种三维振动水力振荡器，它包括管体，管体内设有偏心涡轮，偏心涡轮的外壁与管体内壁之间构成可相对转动的滑动套接结构，在偏心涡轮的涡轮体设有沿轴向贯通的倾斜孔，倾斜孔与管体的轴线之间具有夹角，倾斜孔的内壁设有内套筒，内套筒内固设有涡轮叶片；在管体内还设有定阀片，定阀片位于偏心涡轮的下游，偏心涡轮与定阀片接触，定阀片上设有沿管体轴向贯通的过流孔，过流孔为偏心孔。
6.优选的方案中，所述的涡轮叶片为沿内套筒内壁圆周布置的多个螺旋叶片，螺旋叶片的中心通过连接柱互相连接在一起。
7.优选的方案中，在管体靠近下游的一端还设有限位阶台，定阀片固设在限位阶台上；
偏心涡轮的倾斜孔与过流孔之间的通流截面大小随偏心涡轮旋转周期性变化。
8.优选的方案中，偏心涡轮的倾斜孔靠近上游的一端与管体为同心结构，靠近下游的一端与管体为偏心结构。
9.优选的方案中，内套筒沿轴向分为螺旋段和直线段；螺旋段内设有涡轮叶片，螺旋段位于内套筒靠近上游的一端；直线段位于靠近下游的一端，直线段内不设涡轮叶片。
10.优选的方案中，在偏心涡轮的上游还固设有导流筒，导流筒内设有导流孔，导流孔为倒锥形结构，靠近上游的一端内径较大，靠近下游的一端内径较小，导流筒下游端面与偏心涡轮的端面接触；导流孔下游端与该处的倾斜孔同心。
11.优选的方案中，导流筒下游端面与偏心涡轮的端面之间设有端面密封圈；偏心涡轮的外壁与管体内壁之间设有外壁轴承，外壁轴承沿轴向设置至少两组；偏心涡轮的端面与定阀片的端面之间设有端面轴承。
12.一种用于加工上述的三维振动水力振荡器的方法，包括以下步骤：s1、加工成型涡轮叶片；s2、将各个涡轮叶片通过连接柱焊接在一起，构成涡轮叶片总成；s3、精加工涡轮叶片总成的外轮廓形状；s4、将涡轮叶片总成固设在内套筒内；s5、在涡轮体上加工倾斜孔；倾斜孔的轴线与涡轮体的轴线具有夹角；倾斜孔的轴线在靠近涡轮体的上游端的位置与涡轮体的轴线相交；s6、将内套筒固设在倾斜孔内；通过以上步骤完成偏心涡轮的加工。
13.优选的方案中，内套筒沿轴向分为螺旋段和直线段；螺旋段内设有涡轮叶片，螺旋段位于内套筒靠近上游的一端；直线段位于靠近下游的一端，直线段内不设涡轮叶片；涡轮叶片靠近涡轮体的上游端。
14.优选的方案中，在内套筒的壁上设有多个焊接孔，焊接孔的位置与涡轮叶片的外缘位置对应，通过焊接孔焊接连接涡轮叶片。
15.本发明提供了一种三维振动水力振荡器，通过采用偏心涡轮的方案，将偏心涡轮的倾斜孔与具有偏心孔的定阀片组合成变通流截面的阀组，能够产生复合振动，包括叠加的径向振动和轴向振动，更有利于振动波的传递，使效果覆盖范围内的钻具的静摩擦转化为动摩擦，解决了井下托压的问题，更利于井下钻压的传递。本发明大幅简化了结构，而且压耗较低，能够在钻具上间隔一段距离串接多个，使振动效果充分传递到钻具的各个节段，进一步优选的方案中，还能够方便地通过更换不同偏心距的定阀片来适应不同的地质结构，使压耗和振动效果处于最优状态。本发明提供的制备方法，能够以较为便利的方式，加工出结构复杂的偏心涡轮，从而解决偏心涡轮的制造难题。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明的偏心涡轮的主视剖视图。
17.图2为本发明的内套筒与涡轮叶片的爆炸立体图。
18.图3为本发明的主视图。
19.图4为图3的a
‑
a剖视图。
20.图5为图4的b
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b剖视图。
21.图6为本发明的振动曲线示意图。
22.图中：管体1，外锥连接头11，内锥连接头12，限位阶台13，导流筒2，导流孔21，偏心涡轮3，涡轮叶片31，外壁轴承32，端面轴承33，端面密封圈34，倾斜孔35，连接柱36，螺旋段37，直线段38，内套筒39，涡轮体30，焊接孔301，定阀片4，过流孔41，夹角a。
具体实施方式
23.实施例1：一种三维振动水力振荡器，它包括管体1，管体1内设有偏心涡轮3，偏心涡轮3的外壁与管体1内壁之间构成可相对转动的滑动套接结构，在偏心涡轮3的涡轮体30设有沿轴向贯通的倾斜孔35，倾斜孔35与管体1的轴线之间具有夹角a，倾斜孔35的内壁设有内套筒39，内套筒39内固设有涡轮叶片31；在管体1内还设有定阀片4，定阀片4位于偏心涡轮3的下游，偏心涡轮3与定阀片4接触，定阀片4上设有沿管体1轴向贯通的过流孔41，过流孔41为偏心孔。偏心涡轮3的倾斜孔35与过流孔41之间的通流截面大小随偏心涡轮3旋转周期性变化。由此结构，当压力介质通过偏心涡轮3，即带动偏心涡轮3转动，由于偏心涡轮3为偏心结构，带动整个管体1产生径向振动，当管体1通过两端的外锥连接头11和内锥连接头12串接在钻具上，则将振动以横波的方式传递给钻具。如图5中所示，偏心涡轮3的偏心孔与过流孔41之间的通流截面大小随偏心涡轮3旋转周期性变化。由通流截面的变化，压力介质会产生周期性的振动，并将该振动以纵波的方式传递给钻具，形成轴向振动，振动图形如图6中所示。优选的，定阀片4的过流孔41的偏心距可以通过更换来调节，便于适应不同的井下地质条件，以达到最优化的效果。本例中的优化效果是指，在抗托压效果、压耗和使用成本之间达到平衡。经测算，由于本发明的结构简化，因此生产制造成本大幅降低，且体积也相应减小，即便在转具上串接多个，总压耗和使用成本也低于现有技术中振荡效果较佳的螺杆马达式水力振荡器。采用内套筒39的结构，并在内套筒39内设置涡轮叶片31的方案，大幅降低了偏心涡轮3的加工难度，尤其是在倾斜孔35内设置涡轮叶片31的技术难题。
24.优选的方案如图4中，所述的涡轮叶片31为沿内套筒39内壁圆周布置的多个螺旋叶片，螺旋叶片的中心通过连接柱36互相连接在一起。优选的，涡轮叶片31为沿倾斜孔35内壁圆周均匀布置的三~四个螺旋叶片，每个螺旋叶片在圆周上相距120
°
，每个螺旋叶片的中部互相连接在一起。压力介质通过涡轮叶片31时，推动偏心涡轮3旋转。优选的，每个螺旋叶片通过连接柱36焊接连接在一起。
25.优选的方案如图4中，在管体1靠近下游的一端还设有限位阶台13，定阀片4固设在限位阶台13上。可选的方案中，限位阶台13通过机加工在管体1内壁上生成，另一可选的方
案中，限位阶台13通过固装，例如过盈装配或螺纹装配的套环生成。限位阶台13的位置固设有定阀片4，定阀片4与管体1内壁之间，通过螺纹或互相咬合的沟槽实现周向定位，通过限位阶台13实现轴向定位；或者定阀片4的端面与限位阶台13之间通过互相咬合的沟槽实现周向定位，通过限位阶台13实现轴向定位。
26.优选的方案如图4中，偏心涡轮3的倾斜孔35靠近上游的一端与管体1为同心结构，靠近下游的一端与管体1为偏心结构。本例中的上游是指图4中的左侧，下游指图4中的右侧。由此结构，更便于驱动偏心涡轮3转动，避免偏心涡轮3卡住。还便于和导流筒2配合以降低偏心涡轮3的轴向压力。避免因压力介质的压力过高，将偏心涡轮3压死在定阀片4上。
27.优选的方案中，内套筒39沿轴向分为螺旋段37和直线段38；螺旋段37内设有涡轮叶片31，螺旋段37位于内套筒39靠近上游的一端；直线段38位于靠近下游的一端，直线段38内不设涡轮叶片31。由此结构，能够在相同的管体直径下，使通流截面的变化范围更大。参见图1、图2中的结构。
28.优选的方案如图4中，在偏心涡轮3的上游还固设有导流筒2，导流筒2内设有导流孔21，导流孔21为倒锥形结构，靠近上游的一端内径较大，靠近下游的一端内径较小，导流筒2下游端面与偏心涡轮3的端面接触；导流孔21下游端与倾斜孔35同心。导流筒2的作用在于，一是降低偏心涡轮3的轴向压力。二是提高压力介质的流速，使压力介质更好的对涡轮叶片31做功，以驱动偏心涡轮3旋转。进一步优选的方案中，在导流筒2下游中心位置设有锥形的导流帽，导流帽的尖端对准上游，以使压力介质更多的作用在涡轮叶片31根部的位置。导流帽的结构在图中未示出。
29.优选的方案如图4中，导流筒2下游端面与偏心涡轮3的端面之间设有端面密封圈34；由于偏心涡轮3主要受到图4中从左向右的压力，因此该处设置密封圈34形成密封，并补偿因偏心涡轮3轴向窜动的间隙变化。
30.偏心涡轮3的外壁与管体1内壁之间设有外壁轴承32，外壁轴承32沿轴向设置至少两组；优选的，本例中的外壁轴承32采用聚四氟乙烯滑动轴承。外壁轴承32的结构为环状镶嵌或多个柱状镶嵌。采用滚珠轴承也是可行的。
31.偏心涡轮3的端面与定阀片4的端面之间设有端面轴承33。以承受偏心涡轮3的轴向压力。端面轴承33优选采用聚四氟乙烯滑动轴承。采用滚珠轴承也是可行的。本发明的优势在于能够获得较高的加工精度。适合于小批量的制造和生产。
32.实施例2：实施例1中的方案，能够以简化的结构实现钻具的径向和轴向复合振动，而且实现成本较低，具有广阔的应用前景，但是其中偏心涡轮3存在较大的加工难度。为解决该技术难题。在实施例1的基础上，一种用于加工上述的三维振动水力振荡器的方法，包括以下步骤：s1、加工成型涡轮叶片31；涡轮叶片31通常在专用的碾压辊设备上碾压成型。
33.s2、将各个涡轮叶片31通过连接柱36焊接在一起，构成涡轮叶片总成；焊接过程中需要采用用于固定涡轮叶片31的工装，以确保涡轮叶片31与连接柱36之间的连接精度。
34.s3、精加工涡轮叶片总成的外轮廓形状；此处的外轮廓形状是指涡轮叶片总成在轴向和径向投影面上的轮廓形状。精加工包括外圆磨削加工。
35.s4、将涡轮叶片总成固设在内套筒39内；
优选的方案如图2中，在内套筒39的壁上设有多个焊接孔301，焊接孔301的位置与涡轮叶片31的外缘位置对应，通过焊接孔301焊接连接涡轮叶片31。
36.优选的方案如图1中，内套筒39沿轴向分为螺旋段37和直线段38；螺旋段37内设有涡轮叶片31，螺旋段37位于内套筒39靠近上游的一端；直线段38位于靠近下游的一端，直线段38内不设涡轮叶片31；涡轮叶片31靠近涡轮体30的上游端。
37.s5、在涡轮体30上加工倾斜孔35；倾斜孔35的轴线与涡轮体30的轴线具有夹角a；倾斜孔35的轴线在靠近涡轮体30的上游端的位置与涡轮体30的轴线相交；加工时，通过工装将涡轮体30支承至与倾斜孔35加工刀具的轴线一致，然后再进行钻孔和镗孔加工，即可实现倾斜孔35的加工。
38.s6、将内套筒39固设在倾斜孔35内；本例中优选采用过盈配合的方式将内套筒39固设在倾斜孔35内。或者采用在内套筒39与涡轮体30之间加工多个沿圆周均布的销孔，然后打入锁定销的方式进行固定。
39.通过以上步骤完成偏心涡轮3的加工。
40.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本技术中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。