阀式水力振荡器

摘要

本发明公开了一种阀式水力振荡器，其涉及石油钻井设备技术领域，包括：振荡短节；阀式控制短节，包括:壳体；调节件，其包括：调节件外圆筒部，调节件内圆筒部，调节件内圆筒部的上端呈封堵状态，调节件内圆筒部与调节件外圆通部之间相连并形成第一流道，调节件内圆筒部具有第一通孔和第二通孔；第一弹性件，第一弹性件能使得调节件沿上下移动；静阀座；第一阀芯，第一阀芯与静阀座内圆筒部之间设置有第二弹性件；第二阀芯，第二阀芯与静阀座外圆筒部之间具有第三弹性件，第二阀芯的下方与第三流道相连通，第二阀芯的侧壁上开设有第四通孔。本申请在工作过程中不易造成零部件的损坏，从而能够有效延长阀式水力振荡器的使用寿命。

权利要求

1.一种阀式水力振荡器，其特征在于，所述阀式水力振荡器包括：振荡短节，所述振荡短节在内部压力波动作用下在轴向上能够产生往复振荡；

与振荡短节相连接的阀式控制短节，所述阀式控制短节包括:壳体；

设置在所述壳体中的调节件，其包括：调节件外圆筒部，至少部分穿设在所述调节件外圆筒部中的调节件内圆筒部，所述调节件内圆筒部的上端呈封堵状态，所述调节件内圆筒部的外侧壁与所述调节件外圆通部的内侧壁之间相连并形成第一流道，所述调节件内圆筒部的侧壁上具有第一通孔和位于所述第一通孔下方的第二通孔；

设置在所述调节件和所述壳体之间的第一弹性件，所述第一弹性件能使得所述调节件沿上下移动；

静阀座，所述静阀座包括：静阀座外圆筒部，所述静阀座外圆筒部与所述壳体相固定，所述静阀座外圆筒部与壳体之间形成第三流道；穿设在所述静阀座外圆筒部内的静阀座内圆筒部，所述静阀座外圆筒部与所述静阀座内圆筒部之间形成第二流道且部分连接在一起，所述第二流道能通过所述第一通孔与所述调节件内圆筒部内部相连通，所述静阀座外圆筒部与所述静阀座内圆筒部连接处开设有与第三流道相连通的第三通孔，所述第二通孔能与所述第三通孔相连通；

设置在所述静阀座内圆筒部中的第一阀芯，所述第一阀芯与所述静阀座内圆筒部之间设置有第二弹性件，以使所述第一阀芯能上下移动；

设置在所述静阀座外圆筒部中、位于所述第一阀芯下方的第二阀芯，所述第二阀芯与所述静阀座外圆筒部之间具有第三弹性件以使所述第二阀芯能上下移动，所述第二阀芯的下方与所述第三流道相连通，所述第二阀芯的侧壁上开设有第四通孔，以使所述第二阀芯内部与所述第二流道相连通；当所述调节件受到向下推力时，所述调节件内圆筒部能与第一阀芯的外凸台接触，以推动所述第一阀芯向下运动，使得所述第一阀芯与所述第二阀芯间距离减小，进而使所述第一阀芯与所述第二阀芯之间的过流面积减小。

2.根据权利要求1所述的阀式水力振荡器，其特征在于，所述壳体包括：上接头、与所述上接头相连接的连接筒、与所述连接筒相连接的下接头，所述上接头的内壁侧具有第一台阶，所述调节件的上端外侧壁具有调节件外缘，所述第一台阶和所述调节件外缘之间形成第一环状空间，所述第一弹性件设置在所述第一环状空间中，所述第一弹性件的两端分别抵住所述第一台阶和所述调节件外缘；所述连接筒的内壁具有环形凸起，所述静阀座外圆筒部上端外侧壁具有静阀座外圆筒部外缘，所述静阀座外圆筒部外缘卡入在所述环形凸起与所述上接头下端之间以进行限位；所述下接头的上端伸入至所述连接筒中并抵住所述静阀座外圆筒部。

3.根据权利要求2所述的阀式水力振荡器，其特征在于，所述第二阀芯外依次套设有阀芯座、第四弹性件和下挡圈，所述阀芯座具有阀芯座圆筒部、位于所述阀芯座圆筒部下端的沿径向延伸的阀芯座外凸台、位于所述阀芯座外凸台侧壁上的阀芯座凸起部，相邻所述阀芯座凸起部之间具有间隙，所述阀芯座外凸台抵住所述静阀座外圆筒部，所述阀芯座圆筒部位于所述静阀座外圆筒部和所述第二阀芯之间并抵住所述第三弹性件，所述下挡圈下端抵住所述下接头上端，所述下挡圈具有下挡圈内环部和位于所述下挡圈内环部侧壁上的下挡圈凸起部，所述挡圈凸起部之间具有间隙，所述第三流道通过相邻所述阀芯座凸起部之间的间隙、所述挡圈凸起部之间的间隙与所述第二阀芯的下方相连通；所述第二阀芯的下端连接有能抵住所述下挡圈的第二阀芯芯环。

4.根据权利要求1所述的阀式水力振荡器，其特征在于，所述第一阀芯大体呈圆筒状态，所述第一阀芯的侧壁具有向径向延伸的第一阀芯外凸台，所述第一阀芯的下端连接有第一阀芯芯环，所述静阀座内圆筒部下端具有沿径向延伸的静阀座内圆筒部内缘，所述内缘位于所述第一阀芯芯环和所述第一阀芯外凸台之间，所述第一阀芯外凸台与所述静阀座内圆筒部内缘之间具有第二环状空间，所述第二弹性件位于所述第二环状空间中，所述第二弹性件分别抵住所述第一阀芯外凸台和所述静阀座内圆筒部内缘。

5.根据权利要求1所述的阀式水力振荡器，其特征在于，所述振荡短节包括：滑动芯轴、传动接头、短节壳体、碟簧、活塞机构和支撑接头，所述传动接头的下端外侧壁与所述短节壳体上端的内侧壁相螺纹连接，所述滑动芯轴穿设在所述传动接头和所述短节壳体中，所述支撑接头上端的外侧壁与所述短节壳体下端的内侧壁相连接，所述滑动芯轴的侧壁上具有第二台阶，所述碟簧套设在所述滑动芯轴上，所述活塞机构连接在所述传动芯轴的下端，所述碟簧的下端能抵住所述活塞机构和所述支撑接头的上端，所述碟簧的上端能抵住传动接头的下端和所述第二台阶，所述滑动芯轴与所述传动接头之间能够相对滑动；

所述活塞机构包括：与所述传动芯轴的下端连接的中空的活塞轴座，套设在所述活塞轴座上的活塞环以及对所述活塞环进行固定的压紧螺母，所述活塞环的外侧与所述支撑接头相贴。

6.根据权利要求5所述的阀式水力振荡器，其特征在于，所述滑动芯轴的侧壁上具有位于所述第二台阶上方的第三台阶、位于所述第三台阶上方的第四台阶，所述传动接头的内侧壁上具有与所述第三台阶相匹配的第五台阶，所述第四台阶与所述第三台阶之间的滑动芯轴的侧壁上具有凹槽，所述凹槽中设置有密封圈。

说明书

阀式水力振荡器

技术领域

[0001] 本发明涉及石油钻井设备技术领域，特别涉及一种阀式水力振荡器。

背景技术

[0002] 随着石油工业的发展，为满足非常规油气资源的开发，水平井、大位移井使用的比例不断提高。然而，在水平井和大位移井中，由于井筒与井壁之间的接触面积不断增大，从
而造成摩阻的不断增大，最终可能会形成“托压”现象，钻压无法传递到钻头，机械钻速低，
钻井成本高；同时还会出现憋压、跳钻等状况，严重影响水平井和大位移井的中靶率及井眼
质量，这也是制约水平井、大位移井技术发展的一个重要因素。在解决这些问题的方法中，
可以通过在钻柱上增加能够产生一定预期振动的井下机械装置，该类井下机械装置在近几
年发展迅速。其中一种井下机械装置为水力振荡器，在井下钻柱引入水力振荡器可以使钻
柱产生一定频率和振幅的周期性的振动，使送进过程中的钻柱的静摩擦变成动摩擦，这样
在减小送进过程中的摩擦阻力、提高机械钻速、增加水平进尺和缩短钻进周期方面具有明
显优势。

发明内容

[0003] 目前的水力振荡器一般主要由动力短节、阀轴总成和振荡短节组成，其中，动力短节主要包括涡轮马达或螺杆马达，阀轴总成包括动阀片和静阀片，动阀片与静阀片端面紧
密配合。在水力振荡器工作过程中，动力短节中的涡轮马达或螺杆马达带动动阀片不断旋
转，动阀片在静阀片上端面往复运动不断改变流道的过流面积，从而使工具流道中的压力
产生波动，进而驱动振荡短节对钻柱产生往复推力。但是，上述结构下的水力振荡器在工作
过程中，动阀片与静阀片端面紧密贴合，磨损严重，导致工具寿命较短。而且，当驱动短节为
螺杆马达时，由于螺杆马达工作过程中转子在轴向上存在一定振动，会带动动阀片与静阀
片发生碰撞，这可能会导致阀片损坏，工具失效。

[0004] 为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种阀式水力振荡器，相对比于现有技术，其在工作过程中不易造成零部件的损坏，从而能够有
效延长阀式水力振荡器的使用寿命。

[0005] 本发明实施例的具体技术方案是：

[0006] 一种阀式水力振荡器，所述阀式水力振荡器包括：

[0007] 振荡短节，所述振荡短节在内部压力波动作用下在轴向上能够产生往复振荡；

[0008] 与振荡短节相连接的阀式控制短节，所述阀式控制短节包括:

[0009] 壳体；

[0010] 设置在所述壳体中的调节件，其包括：调节件外圆筒部，至少部分穿设在所述调节件外圆筒部中的调节件内圆筒部，所述调节件内圆筒部的上端呈封堵状态，所述调节件内
圆筒部的外侧壁与所述调节件外圆通部的内侧壁之间相连并形成第一流道，所述调节件内
圆筒部的侧壁上具有第一通孔和位于所述第一通孔下方的第二通孔；

[0011] 设置在所述调节件和所述壳体之间的第一弹性件，所述第一弹性件能使得所述调节件沿上下移动；

[0012] 静阀座，所述静阀座包括：静阀座外圆筒部，所述静阀座外圆筒部与所述壳体相固定，所述静阀座外圆筒部与壳体之间形成第三流道；穿设在所述静阀座外圆筒部内的静阀
座内圆筒部，所述静阀座外圆筒部与所述静阀座内圆筒部之间形成第二流道且部分连接在
一起，所述第二流道能通过所述第一通孔与所述调节件内圆筒部内部相连通，所述静阀座
外圆筒部与所述静阀座内圆筒部连接处开设有与第三流道相连通的第三通孔，所述第二通
孔能与所述第三通孔相连通；

[0013] 设置在所述静阀座内圆筒部中的第一阀芯，所述第一阀芯与所述静阀座内圆筒部之间设置有第二弹性件，以使所述第一阀芯能上下移动；

[0014] 设置在所述静阀座外圆筒部中、位于所述第一阀芯下方的第二阀芯，所述第二阀芯与所述静阀座外圆筒部之间具有第三弹性件以使所述第二阀芯能上下移动，所述第二阀
芯的下方与所述第三流道相连通，所述第二阀芯的侧壁上开设有第四通孔，以使所述第二
阀芯内部与所述第二流道相连通。

[0015] 优选地，所述壳体包括：上接头、与所述上接头相连接的连接筒、与所述连接筒相连接的下接头，所述上接头的内壁侧具有第一台阶，所述调节件的上端外侧壁具有调节件
外缘，所述第一台阶和所述调节件外缘之间形成第一环状空间，所述第一弹性件设置在所
述第一环状空间中，所述第一弹性件的两端分别抵住所述第一台阶和所述调节件外缘；所
述连接筒的内壁具有环形凸起，所述静阀座外圆筒部上端外侧壁具有静阀座外圆筒部外
缘，所述静阀座外圆筒部外缘卡入在所述环形凸起与所述上接头下端之间以进行限位；所
述下接头的上端伸入至所述连接筒中并抵住所述静阀座外圆筒部。

[0016] 优选地，所述第二阀芯外依次套设有阀芯座、第四弹性件和下挡圈，所述阀芯座具有阀芯座圆筒部、位于所述阀芯座圆筒部下端的沿径向延伸的阀芯座外凸台、位于所述阀
芯座外凸台侧壁上的阀芯座凸起部，相邻所述阀芯座凸起部之间具有间隙，所述阀芯座外
凸台抵住所述静阀座外圆筒部，所述阀芯座圆筒部位于所述静阀座外圆筒部和所述第二阀
芯之间并抵住所述第三弹性件，所述下挡圈下端抵住所述下接头上端，所述下挡圈具有下
挡圈内环部和位于所述下挡圈内环部侧壁上的下挡圈凸起部，所述挡圈凸起部之间具有间
隙，所述第三流道通过相邻所述阀芯座凸起部之间的间隙、所述挡圈凸起部之间的间隙与
所述第二阀芯的下方相连通；所述第二阀芯的下端连接有能抵住所述下挡圈的第二阀芯芯
环。

[0017] 优选地，所述第二阀芯的上端具有沿径向延伸的第二阀芯外缘，所述第二阀芯外缘上具有第五通孔，以使所述第三流道通过所述第五通孔、所述第四通孔与所述第二阀芯
内部相连通。

[0018] 优选地，所述第一阀芯大体呈圆筒状态，所述第一阀芯的侧壁具有向径向延伸的第一阀芯外凸台，所述第一阀芯的下端连接有第一阀芯芯环，所述静阀座内圆筒部下端具
有沿径向延伸的静阀座内圆筒部内缘，所述内缘位于所述第一阀芯芯环和所述第一阀芯外
凸台之间，所述第一阀芯外凸台与所述静阀座内圆筒部内缘之间具有第二环状空间，所述
第二弹性件位于所述第二环状空间中，所述第二弹性件分别抵住所述第一阀芯外凸台和所
述静阀座内圆筒部内缘。

[0019] 优选地，所述振荡短节包括：滑动芯轴、传动接头、短节壳体、碟簧、活塞机构和支撑接头，所述传动接头的下端外侧壁与所述短节壳体上端的内侧壁相螺纹连接，所述滑动
芯轴穿设在所述传动接头和所述短节壳体中，所述支撑接头上端的外侧壁与所述短节壳体
下端的内侧壁相连接，所述滑动芯轴的侧壁上具有第二台阶，所述碟簧套设在所述滑动芯
轴上，所述活塞机构连接在所述传动芯轴的下端，所述碟簧的下端能抵住所述活塞机构和
所述支撑接头的上端，所述碟簧的上端能抵住传动接头的下端和所述第二台阶，所述滑动
芯轴与所述传动接头之间能够相对滑动；

[0020] 所述活塞机构包括：与所述传动芯轴的下端连接的中空的活塞轴座，套设在所述活塞轴座上的活塞环以及对所述活塞环进行固定的压紧螺母，所述活塞环的外侧与所述支
撑接头相贴。

[0021] 优选地，所述滑动芯轴的侧壁上具有位于所述第二台阶上方的第三台阶、位于所述第三台阶上方的第四台阶，所述传动接头的内侧壁上具有与所述第三台阶相匹配的第五
台阶，所述第四台阶与所述第三台阶之间的滑动芯轴的侧壁上具有凹槽，所述凹槽中设置
有密封圈。

[0022] 本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

[0023] 本申请中的阀式水力振荡器通过钻井液的液压驱动调节件、第一阀芯和第二阀芯产生滑动，进而使得第一阀芯和第二阀芯之间的流道的过流面积呈周期性变化，由小到大，
再由大到小，不断形成水击压力波，压力波向上传递至振荡短节，以使得振荡短节在压力波
动作用下在轴向上产生往复振荡。这样就克服了具有阀式水力振荡器的钻柱与井壁间的静
摩擦阻力，即将位于阀式水力振荡器以上部分的管柱与井壁间的静摩擦力转变成动摩擦
力，摩擦阻力减小，有效降低了钻压的损耗，提高了钻压传递效率。本申请中的阀式水力振
荡器省去了涡轮或螺杆驱动短节，有效减小了工具长度，提高工具应用范围。同时阀式控制
短节存在一钻井液启动流量，在起下钻阶段小流量条件下，工具不工作，保证了工具振荡短
节用于纯钻的时间。在钻进过程中流量增大，阀式控制短节开始工作，第二阀芯往复振荡改
变第一阀芯与第二阀芯间之间流道的过流面积，在工作过程中第一阀芯与第二阀芯间可以
不接触，这样第一阀芯、第二阀芯就不会发生碰撞与磨损，从而能够有效提高阀芯的工作寿
命，进而提高整个工具的寿命。

[0024] 参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权
利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实
施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使
用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

[0025] 在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并
不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可
以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

[0026] 图1为本发明实施例中阀式水力振荡器的结构示意图；

[0027] 图2为本发明实施例中阀式控制短节的结构示意图；

[0028] 图3为本发明实施例中振荡短节中滑动芯轴的结构示意图；

[0029] 图4为本发明实施例中阀式控制短节的调节件的结构示意图；

[0030] 图5为本发明实施例中静阀座的结构示意图；

[0031] 图6为本发明实施例中第一阀芯的结构示意图；

[0032] 图7为本发明实施例中第二阀芯的结构示意图；

[0033] 图8为本发明实施例中阀芯座的结构示意图；

[0034] 图9为本发明实施例中下挡圈的结构示意图。

[0035] 以上附图的附图标记：

[0036] 1、振荡短节；2、连接短节；3、阀式控制短节；101、滑动芯轴；1011、第二台阶；1012、第三台阶；1013、第四台阶；1014、凹槽；1015、外花键； 102、传动接头；1021、第五台阶；103、
短节壳体；104、碟簧；105、活塞机构；1051、活塞轴座；1052、活塞环；1053、压紧螺母；106、支
撑接头；107、调节圆筒；301、上接头；3011、第一台阶；302、调节件；3021、调节件外缘； 
3022、调节件外圆筒部；3023、调节件内圆筒部；3024、第一流道；3025、第一通孔；3026、第二
通孔；303、第一弹性件；304、连接筒；305、静阀座；3051、静阀座外圆筒部；3052、静阀座内圆
筒部；3053、静阀座外圆筒部外缘；3054、第二流道；3055、第三通孔；3056、静阀座内圆筒部
内缘；306、第一阀芯；3061、第一阀芯外凸台；3062、第一阀芯芯环；307、第二弹性件；308、第
二阀芯； 3081、第二阀芯外缘；3082、第五通孔；3083、第二阀芯芯环；3084、第四通孔；309、
第三弹性件；310、阀芯座；3101、阀芯座圆筒部；3102、阀芯座外凸台；3103、阀芯座凸起部；
311、第四弹性件；312、下挡圈；3121、下挡圈内环部；3122、下挡圈凸起部；313、下接头；314、
第一环状空间；315、第二环状空间；316、第三流道。

具体实施方式

[0037] 结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解
成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变
形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元
件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”
另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、
“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的
连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，
可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、
“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

[0038] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个
相关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0039] 相对比于现有技术，为了能够在工作过程中不易造成零部件的损坏，从而能够有效延长阀式水力振荡器的使用寿命，在本申请中提出了一种阀式水力振荡器，图1为本发明
实施例中阀式水力振荡器的结构示意图,图2为本发明实施例中阀式控制短节的结构示意
图,如图1和图2所示，阀式水力振荡器可以包括：振荡短节1，振荡短节1在内部压力波动作
用下在轴向上能够产生往复振荡；与振荡短节1相连接的阀式控制短节3，阀式控制短节3包
括:壳体；设置在壳体中的调节件302，其包括：调节件外圆筒部3022，至少部分穿设在调节
件外圆筒部3022 中的调节件内圆筒部3023，调节件内圆筒部3023的上端呈封堵状态，调节
件内圆筒部3023的外侧壁与调节件外圆通部的内侧壁之间相连并形成第一流道 3024，调
节件内圆筒部3023的侧壁上具有第一通孔3025和位于第一通孔3025下方的第二通孔3026；
设置在调节件302和壳体之间的第一弹性件303，第一弹性件303能使得调节件302沿上下移
动；静阀座305，静阀座305包括：静阀座外圆筒部3051，静阀座外圆筒部3051与壳体相固定，
静阀座外圆筒部3051与壳体之间形成第三流道316；穿设在静阀座外圆筒部3051内的静阀
座内圆筒部3052，静阀座外圆筒部3051与静阀座内圆筒部3052之间形成第二流道3054且部
分连接在一起，第二流道3054能通过第一通孔3025与调节件内圆筒部3023内部相连通，静
阀座外圆筒部3051与静阀座内圆筒部3052连接处开设有与第三流道316相连通的第三通孔
3055，第二通孔3026能与第三通孔3055相连通；设置在静阀座内圆筒部3052中的第一阀芯
306，第一阀芯306与静阀座内圆筒部3052之间设置有第二弹性件307，以使第一阀芯306能
上下移动；设置在静阀座外圆筒部3051中、位于第一阀芯306下方的第二阀芯308，第二阀芯
308与静阀座外圆筒部3051之间具有第三弹性件309以使第二阀芯308能上下移动，第二阀
芯308的下方与第三流道316相连通，第二阀芯308的侧壁上开设有第四通孔3084，以使第二
阀芯308 内部与第二流道3054相连通。

[0040] 本申请中的阀式水力振荡器通过钻井液的液压驱动调节件302、第一阀芯 306和第二阀芯308产生滑动，进而使得第一阀芯306和第二阀芯308之间的流道的过流面积呈周
期性变化，由小到大，再由大到小，不断形成水击压力波，压力波向上传递至振荡短节1，以
使得振荡短节1在压力波动作用下在轴向上产生往复振荡。这样就克服了具有阀式水力振
荡器的钻柱与井壁间的静摩擦阻力，即将位于阀式水力振荡器以上部分的管柱与井壁间的
静摩擦力转变成动摩擦力，摩擦阻力减小，有效降低了钻压的损耗，提高了钻压传递效率。
本申请中的阀式水力振荡器省去了涡轮或螺杆驱动短节，有效减小了工具长度，提高工具
应用范围。同时阀式控制短节3存在一钻井液启动流量，在起下钻阶段小流量条件下，工具
不工作，保证了工具振荡短节1用于纯钻的时间。在钻进过程中流量增大，阀式控制短节3开
始工作，第二阀芯308往复振荡改变第一阀芯306与第二阀芯308间之间流道的过流面积，在
工作过程中第一阀芯306与第二阀芯308间可以不接触，这样第一阀芯306、第二阀芯308就
不会发生碰撞与磨损，从而能够有效提高阀芯的工作寿命，进而提高整个工具的寿命。

[0041] 为了能够更好的了解本申请中的阀式水力振荡器，下面将对其做进一步解释和说明。如图1所示，阀式水力振荡器可以包括：振荡短节1，振荡短节1 在内部压力波动作用下
在轴向上能够产生往复振荡；与振荡短节1相连接的阀式控制短节3，阀式控制短节3用于在
钻井液的液压驱动下产生液压压力的波动。振荡短节1的内部与阀式控制短节3的内部相连
通，一般而言，振荡短节 1位于阀式控制短节3的上方。为了便于振荡短节1与阀式控制短节
3之间的连接，两者之间可以通过连接短节2连接在一起。

[0042] 图3为本发明实施例中振荡短节中滑动芯轴的结构示意图，如图1和图3 所示，振荡短节1可以包括：滑动芯轴101、传动接头102、短节壳体103、碟簧104、活塞机构105和支撑
接头106。传动接头102的下端外侧壁与短节壳体 103上端的内侧壁相螺纹连接，传动接头
102的下端的内径小于短节壳体103 上端的内径。滑动芯轴101穿设在传动接头102和短节
壳体103中，滑动芯轴 101与传动接头102之间能够相对滑动。支撑接头106上端的外侧壁与
短节壳体103下端的内侧壁相连接，支撑接头106上端的内径小于短节壳体103下端的内径。
滑动芯轴101的侧壁上具有第二台阶1011，碟簧104套设在滑动芯轴 101上，活塞机构105连
接在传动芯轴的下端，碟簧104的下端能抵住活塞机构105和支撑接头106的上端，碟簧104
的上端能抵住传动接头102的下端和第二台阶1011。

[0043] 在一种可行的实施方式中，如图1所示，滑动芯轴101外套设有调节圆筒 107，调节圆筒107上端抵住传动接头102，下端抵住碟簧104，通过调节圆筒 107的长度可以调节碟簧
104的压缩量，从而控制振荡短节1的振荡幅度。

[0044] 如图1所示，活塞机构105可以包括：与传动芯轴的下端连接的中空的活塞轴座1051，套设在活塞轴座1051上的活塞环1052以及对活塞环1052进行固定的压紧螺母1053，
活塞环1052的外侧与支撑接头106相贴。中空的活塞轴座1051与滑动芯轴101的内部相连
通，活塞轴座1051的外径大于滑动芯轴101下端的外径，从而能够抵住碟簧104。压紧螺母
1053拧设在活塞轴座1051 的下端从而将活塞环1052上下固定死。当活塞机构105下方的钻
井液的压力增大时，钻井液的压力会作用下活塞环1052上，从而驱动整个滑动芯轴101压缩
碟簧104向上运动。活塞机构105下方的钻井液的压力再减小时，在碟簧104 的作用下，会驱
动整个滑动芯轴101向下运动，如此循环，振荡短节1在压力波动作用下在轴向上产生往复
振荡。

[0045] 如图1和图3所示，滑动芯轴101的侧壁上具有位于第二台阶1011上方的第三台阶1012、位于第三台阶1012上方的第四台阶1013，传动接头102的内侧壁上具有与第三台阶
1012相匹配的第五台阶1021，当滑动芯轴101向下运动至一定程度后，第五台阶1021能够抵
住第三台阶1012，防止滑动芯轴101 再进一步向下运动，实现限位作用。第四台阶1013与第
三台阶1012之间的滑动芯轴101的侧壁上具有凹槽1014，凹槽1014中设置有密封圈，密封圈
外侧抵住传动接头102的内侧壁，如此可以实现滑动芯轴101与传动接头102之间的密封。滑
动芯轴101外侧第三台阶1012处设置有外花键1015，传动接头102 的第五台阶1021处设置
有内花键，外花键1015与内花键相配合，如此可以实现滑动芯轴101与传动接头102之间的
相对滑动，且两者之间不会发现相对转动，防止滑动芯轴101与上端相连接的部件之间发生
脱离。

[0046] 图2为本发明实施例中阀式控制短节的结构示意图，如图2所示，阀式控制短节3可以包括:壳体、调节件302、第一弹性件303、静阀座305、第一阀芯306和第二阀芯308。壳体，
壳体可以包括：上接头301、与上接头301相连接的连接筒304、与连接筒304相连接的下接头
313。

[0047] 调节件302设置在壳体中，图4为本发明实施例中阀式控制短节的调节件的结构示意图，如图4所示，调节件302可以包括：调节件外圆筒部3022，至少部分穿设在调节件外圆
筒部3022中的调节件内圆筒部3023，调节件内圆筒部3023的上端呈封堵状态，调节件内圆
筒部3023的外侧壁与调节件外圆通部的内侧壁之间相连并形成第一流道3024，调节件内圆
筒部3023的侧壁上具有第一通孔3025和位于第一通孔3025下方的第二通孔3026。

[0048] 如图2所示，第一弹性件303设置在调节件302和壳体之间的，第一弹性件303能使得调节件302能沿上下移动。上接头301的内壁侧具有第一台阶 3011，如图4所示，调节件
302的上端外侧壁具有调节件外缘3021，第一台阶 3011和调节件外缘3021之间形成第一环
状空间314，第一弹性件303设置在第一环状空间314中，第一弹性件303的两端分别抵住第
一台阶3011和调节件外缘3021。上接头301上可以开设有连通第一环状空间314的开孔，当
第一弹性件303被压缩时，可以排出第一环状空间314中的气体或液体。第一弹性件303 一
般可以采用弹簧。

[0049] 图5为本发明实施例中静阀座的结构示意图静阀座，如图5所示，静阀座 305可以包括：静阀座外圆筒部3051，静阀座外圆筒部3051与壳体相固定，静阀座外圆筒部3051与壳
体之间形成第三流道316；穿设在静阀座外圆筒部3051 内的静阀座内圆筒部3052，静阀座
外圆筒部3051与静阀座内圆筒部3052之间形成第二流道3054且部分连接在一起，第二流道
3054能通过第一通孔3025与调节件内圆筒部3023内部相连通，静阀座外圆筒部3051与静阀
座内圆筒部3052 连接处开设有与第三流道316相连通的第三通孔3055。当调节件302向下
移动后，第二通孔3026能与第三通孔3055相连通。

[0050] 如图2所示，连接筒304的内壁具有环形凸起，静阀座外圆筒部3051上端外侧壁具有静阀座外圆筒部外缘3053，静阀座外圆筒部外缘3053卡入在环形凸起与上接头301下端
之间以进行限位。

[0051] 如图2所示，第一阀芯306设置在静阀座内圆筒部3052中的，第一阀芯 306与静阀座内圆筒部3052之间设置有第二弹性件307，以使第一阀芯306能上下移动。第二弹性件307
一般可以采用弹簧。具体而言，图6为本发明实施例中第一阀芯的结构示意图，如图2和图6
所示，第一阀芯306大体呈圆筒状态，第一阀芯306的侧壁具有向径向延伸的第一阀芯外凸
台3061，第一阀芯306 的下端连接有第一阀芯芯环3062，静阀座内圆筒部3052下端具有沿
径向延伸的静阀座内圆筒部内缘3056，内缘位于第一阀芯芯环3062和第一阀芯外凸台 
3061之间，第一阀芯外凸台3061与静阀座内圆筒部内缘3056之间具有第二环状空间315，第
二弹性件307位于第二环状空间315中，第二弹性件307分别抵住第一阀芯外凸台3061和静
阀座内圆筒部内缘3056。当第一阀芯306向上运动到一定程度时，调节件内圆筒部3023的下
端能抵住第一阀芯306的上端。通过上述方式，第一阀芯306与静阀座内圆筒部3052之间能
够通过第二弹性件 307实现上下往复的运动，且上下往复运动的位置受到限制和控制。

[0052] 如图2所示，第二阀芯308设置在静阀座外圆筒部3051中、位于第一阀芯 306下方，第二阀芯308与静阀座外圆筒部3051之间具有第三弹性件309以使第二阀芯308能上下移
动，第二阀芯308的下方与第三流道316相连通。第二阀芯308的侧壁上开设有第四通孔
3084，以使第二阀芯308内部与第二流道 3054相连通。图7为本发明实施例中第二阀芯的结
构示意图，如图7所示，第二阀芯308的上端具有沿径向延伸的第二阀芯外缘3081，第二阀芯
外缘3081 上具有第五通孔3082，以使第三流道316通过第五通孔3082、第四通孔3084 与第
二阀芯308内部相连通。第三弹性件309一般可以采用弹簧。第二阀芯308 的下端连接有能
抵住下挡圈312的第二阀芯芯环3083

[0053] 如图2所示，下接头313的上端伸入至连接筒304中并抵住静阀座外圆筒部3051。在一种可行的实施方式中，为了使得第二阀芯308的下方与第三流道 316相连通，第二阀芯
308外依次套设有阀芯座310、第四弹性件311和下挡圈 312。图8为本发明实施例中阀芯座
的结构示意图，如图8所示，阀芯座310具有阀芯座圆筒部3101、位于阀芯座圆筒部3101下端
的沿径向延伸的阀芯座外凸台3102、位于阀芯座外凸台3102侧壁上的阀芯座凸起部3103，
相邻阀芯座凸起部3103之间具有间隙，阀芯座外凸台3102抵住静阀座外圆筒部3051，阀芯
座圆筒部3101位于静阀座外圆筒部3051和第二阀芯308之间并抵住第三弹性件309，下挡圈
312下端抵住下接头313上端。图9为本发明实施例中下挡圈的结构示意图，如图9所示，下挡
圈312具有下挡圈内环部3121和位于下挡圈内环部3121侧壁上的下挡圈凸起部3122，挡圈
凸起部之间具有间隙。第三流道316通过相邻阀芯座凸起部3103之间的间隙、挡圈凸起部之
间的间隙与第二阀芯308的下方相连通。通过上述方式，使得阀芯座310抵住第三弹性件
309，并能使第三流道316通过阀芯座凸起部3103之间的间隙、挡圈凸起部之间的间隙实现
与第二阀芯308的下方连通。第四弹性件311一般采用起到减振作用的碟簧104片，这样可以
有效减轻第二阀芯308往复运动时对壳体产生的冲击。

[0054] 由于调节件302能够压缩第一弹性件303从而向下移动，因此，调节件302 与静阀座305之间能产生相对位移。所以，阀式水力振荡器至少具有两个状态，在第一状态下，静阀
座305将第二通孔3026封堵，第一通孔3025处于开启状态；在第二状态下，静阀座305将第一
通孔3025封堵，第二通孔3026与第三通孔3055相连通。

[0055] 本申请中的阀式水力振荡器的工作原理如下：

[0056] 阀式水力振荡器在刚开始的工作过程中，钻井液由上部钻柱通过振荡短节 1的滑动芯轴101下流至阀式控制短节3。然后依次通过调节件302的第一流道 3024、第一通孔
3025、第一阀芯306、第二阀芯308和下接头313流入下部钻柱，也可以通过调节件302的第一
流道3024、静阀座305的第二流道3054、第二阀芯308和下接头313流入下部钻柱，然后经钻
头喷嘴流出进入钻柱与井壁环空，在钻柱内部与环空产生压差。

[0057] 在上述过程中，调节件内圆筒部3023的外侧壁、调节件外圆筒部3022内侧壁、上接头301内侧壁等共同构成一压力腔体，调节件302上端面承受钻柱内部高压，第一台阶3011
和调节件外缘3021之间形成的第一环状空间314通过上接头301侧壁的开孔与外环空相连
为低压，在压差作用下调节件302向下运动压缩第一弹性件303。

[0058] 在钻柱下端的钻头未接触井底阶段时，钻井液流量较小，钻柱内外压差小，调节件302所受向下的推力小，调节件302向下运动的距离较小，未接触第一阀芯306的第一阀芯外
凸台3061，同时调节件内圆筒部3023的第一通孔3025 与静阀座305上端的第一流道3024连
通，第一阀芯306上下端部流体压力平衡，第一阀芯306不上下运动，阀式水力振荡器不真正
工作。

[0059] 当钻头接触井底开始钻进时，钻井液流量增加引起钻柱内外压差增大，调节件302所受向下推力增加，继续向下运动与第一阀芯306的第一阀芯外凸台 3061接触，推动第一
阀芯306向下运动，同时压缩第二弹性件307。当调节件外圆筒部3022下端与静阀座305上端
面接触时，调节件302、第一阀芯306运动到达限制位置，停止运动，此时第一阀芯306与第二
阀芯308间距离最小，两者之间的流道过流面积最小，产生的压降最大。钻井液流经第二阀
芯308的第二阀芯外缘3081的第五通孔3082时产生压降，在第二阀芯外缘3081上下端产生
压差，推动第二阀芯308向下运动，同时压缩第三弹性件309。第二阀芯 308向下运动过程
中，第二阀芯308与第一阀芯306间的距离不断增加，第一阀芯306与第二阀芯308间流动的
过流面积增加，导致流经动第二阀芯外缘3081 的第五通孔3082的流量减小，作用在第二阀
芯外缘3081的推力不断减小。当钻井液向下推力小于第三弹性件309向上推力后，第二阀芯
308做减速运动至停止，此时第一阀芯306与第二阀芯308间距离最大，流道过流面积最大，
产生的压降最小。随后，第二阀芯308在第三弹性件309的作用下上行复位，第二阀芯308与
第一阀芯306间的距离不断减小，当第二阀芯芯环3083上端面与下挡圈312接触时，第二阀
芯308到达限制位置停止运动，此时第二阀芯308 与第一阀芯306间恢复到最小距离。

[0060] 随着第二阀芯308与第一阀芯306间的流道过流面积发生周期性变化，由小到大，再由大到小，在此期间不断形成水击压力波，向上传递至振荡短节1 的活塞环1052的端面
上。当第二阀芯308与第一阀芯306间过流面积最小时，钻井液流经产生的压降最大，振荡短
节1活塞环1052下端面承受高压，上端面为低压，在压差作用下活塞环1052推动滑动芯轴
101上行伸出短节壳体103。此时，滑动芯轴101上行，同时压缩碟簧104，并对位于阀式水力
振荡器上方的钻柱产生一定推力，以克服钻柱与井壁间的静摩擦阻力，滑动芯轴101上方的
钻柱会产生一定运动，滑动芯轴101上行伸出短节体103，这样上方的管柱与井壁间的静摩
擦力转变为动摩擦力，摩擦阻减小，如此降低了钻压的损耗，提高了钻压传递效率。当第二
阀芯308与第一阀芯306间过流面积最大时，钻井液流经产生的压降最小，振荡短节1中滑动
芯轴101在碟簧104的作用下下行复位。这样在周期性压力波动作用下，滑动芯轴101在轴向
上往复运动带动相邻钻柱在井眼内产生周期往复运动，使得钻柱在井底的静摩擦变为动摩
擦，摩擦阻力大大降低，如此保证了施加在钻头上的有效钻压，从而提高了机械钻速。

[0061] 在钻进完成起钻阶段，钻井液流量减小钻柱内外压差减小，调节件302所受向下的推力减小，在第一弹性件303作用下调节件302上行复位，同时调节件内圆筒部3023上的第
一通孔3025开启，第二通孔3026关闭，调节件内圆筒部3023内部通过第一通孔3025、静阀座
305与连接筒304间的第三流道316 与第二阀芯308下端低压流道连通，第一阀芯306端部流
体压力达到平衡状态，第一阀芯306在第二弹性件307作用下上行复位，当第一阀芯芯环
3062与静阀芯座310内圆筒部下端面接触，第一阀芯306到达限制位置停止运动，整个阀式
水力振荡器停止工作。

[0062] 披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实
质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或
“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件
或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何
属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提
供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步
骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成
分、部件或步骤。

[0063] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为
说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容
并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化
或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。