振荡射流式压力脉冲发生装置

摘要

本发明提供了一种振荡射流式压力脉冲发生装置，包括：上接头和下接头分别开设有上接头中心流体通道和下接头中心流体通道，外管的两端通过螺纹分别与上接头和下接头连接，涡流式射流振荡器设置在外管内部并分别与所述上接头和下接头对接；涡流式射流振荡器开设有射流振荡器入口并连接一个射流振荡腔，射流振荡腔下方设置有两个导流块，两个导流块的内侧形成涡流腔入口，两个导流块的外侧均设置有控制道，涡流腔入口下方设置有涡流腔，涡流腔开设有涡流腔出口与下接头中心流体通道连通。本发明结构简单，无需额外机构，只依靠内部流体通道设置，即可自激产生周期性的压力波动；无任何可移动部件，便于加工制造，坚固耐用。

权利要求

1.一种振荡射流式压力脉冲发生装置，其特征在于，包括：

外管、上接头、下接头和涡流式射流振荡器，所述上接头和下接头分别开设有上接头中心流体通道和下接头中心流体通道，所述外管的两端通过螺纹分别与所述上接头和下接头连接，所述涡流式射流振荡器设置在所述外管内，所述涡流式射流振荡器的两端分别与所述上接头和下接头对接；

所述涡流式射流振荡器开设有射流振荡器入口，所述射流振荡器入口连接一个射流振荡腔，所述射流振荡腔下方设置有两个导流块，两个所述导流块的内侧形成涡流腔入口，两个所述导流块的外侧均设置有控制道，所述涡流腔入口下方设置有至少一个涡流腔，所述涡流腔开设有涡流腔出口，所述涡流腔出口与所述下接头中心流体通道连通，所述导流块靠近所述射流振荡腔的一端设置有导流面，所述导流块靠近涡流腔一端设置有射流附壁面。

2.根据权利要求1所述的振荡射流式压力脉冲发生装置，其特征在于，所述涡流式射流振荡器的上端与所述上接头接触并通过密封圈密封，所述涡流式射流振荡器的下端与所述下接头接触并压紧设置。

3.根据权利要求1所述的振荡射流式压力脉冲发生装置，其特征在于，所述涡流式射流振荡器为多个零件的装配体，或所述涡流式射流振荡器通过增材制造技术一体化制造。

4.根据权利要求3所述的振荡射流式压力脉冲发生装置，其特征在于，所述涡流式射流振荡器由基板和盖板组成。

5.根据权利要求4所述的振荡射流式压力脉冲发生装置，其特征在于，所述基板与盖板上分别设置一个涡流腔出口，或在所述基板与盖板其中之一上设置单个涡流腔出口。

6.根据权利要求1所述的振荡射流式压力脉冲发生装置，其特征在于，两个所述控制道关于振荡射流式压力脉冲发生装置的轴线对称，所述控制道分别连通所述涡流腔和所述射流振荡腔。

7.根据权利要求1所述的振荡射流式压力脉冲发生装置，其特征在于，所述涡流腔出口的形心与所述涡流腔的形心径向同轴。

8.根据权利要求1所述的振荡射流式压力脉冲发生装置，其特征在于，设置多个所述涡流腔时，每个涡流腔均可设置涡流腔出口，或在最下方的所述涡流腔设置涡流腔出口。

9.根据权利要求1所述的振荡射流式压力脉冲发生装置，其特征在于，所述射流振荡腔外轮廓设置为矩形或圆弧形；所述涡流腔的腔体外轮廓设置为圆形或圆弧形。

说明书

振荡射流式压力脉冲发生装置

技术领域

[0001] 本发明涉及钻井内施工作业工具技术领域，特别涉及一种振荡射流式压力脉冲发生装置。

背景技术

[0002] 连续油管作业因其安全、可靠和高效的特点，目前已经触及到所有常规与非常规油管作业领域范畴。但是在水平井或定向井钻井过程中，连续油管钻具拖压现象严重，尤其是在井眼曲率较大或长水平段会产生较大摩阻，不能提供足够钻压。摩阻大、钻压传递困难不仅导致低效钻进效率，还容易造成粘卡等井下复杂事故。针对这些问题，在井下钻具中添加压力脉冲振荡减阻工具是目前常用的有效措施。振荡减阻工具使钻柱在轴线方向上产生一定频率和振幅的蠕动,将静摩擦力转变为动摩擦力，减少管柱与井壁之间的摩阻，防止托压的产生。现有的振荡减阻装置是以钻井液作为动力源，通过压力脉冲发生装置将液体能量转变为机械能，并伴生周期性变化的一定频率压力脉冲，所产生的压力脉冲作用于轴向振荡机构，使其产生沿轴向的振动。

[0003] 现有的压力脉冲发生装置如专利CN102704842A一种钻井用水力振荡器、CN103696693A钻井用水力振荡器、CN105089501A一种水力振荡器、CN106639944A一种涡轮式井下水力振荡器所描述，这些振荡发生装置主要采用旋转阀脉冲原理，通过眼孔流道重叠面积周期性的变化，使钻井液瞬时流量改变，产生压力脉冲，进而脉冲压力波传递至振荡机构产生轴向振动。但由于结构复杂，这些压力发生装置易损零部件较多，在井下复杂条件下使用寿命有限。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种振荡射流式压力脉冲发生装置，其目的是为了解决现有各类压力脉冲发生装置结构复杂、易损零件多、使用寿命有限等问题。

[0005] 为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种振荡射流式压力脉冲发生装置，包括：

[0006] 外管、上接头、下接头和涡流式射流振荡器，所述上接头和下接头分别开设有上接头中心流体通道和下接头中心流体通道，所述外管的两端通过螺纹分别与所述上接头和下接头连接，所述涡流式射流振荡器设置在所述外管内，所述涡流式射流振荡器的两端分别与所述上接头和下接头对接；

[0007] 所述涡流式射流振荡器开设有射流振荡器入口，所述射流振荡器入口连接一个射流振荡腔，所述射流振荡腔下方设置有两个导流块，两个所述导流块的内侧形成涡流腔入口，两个所述导流块的外侧均设置有控制道，所述涡流腔入口下方设置有至少一个涡流腔，所述涡流腔开设有涡流腔出口，所述涡流腔出口与所述下接头中心流体通道连通。

[0008] 其中，所述涡流式射流振荡器的上端与所述上接头接触并通过密封圈密封，所述涡流式射流振荡器的下端与所述下接头接触并压紧设置。

[0009] 其中，所述导流块靠近所述射流振荡腔的一端设置有导流面，所述导流块靠近涡流腔一端设置有射流附壁面。

[0010] 其中，所述涡流式射流振荡器为两个甚至多个零件的装配体，或所述涡流式射流振荡器通过增材制造技术一体化制造。

[0011] 其中，所述涡流式射流振荡器由基板和盖板组成。

[0012] 其中，所述基板与盖板上分别设置一个涡流腔出口，或在所述基板与盖板其中之一上设置单个涡流腔出口。

[0013] 其中，两个所述控制道关于振荡射流式压力脉冲发生装置的轴线对称，所述控制道分别连通所述涡流腔和所述射流振荡腔。

[0014] 其中，所述涡流腔出口的形心与所述涡流腔的形心径向同轴。

[0015] 其中，设置多个所述涡流腔时，每个涡流腔均可设置涡流腔出口，或在最下方的述涡流腔设置涡流腔出口。

[0016] 其中，所述射流振荡腔外轮廓设置为矩形或圆弧形；所述涡流腔的腔体外轮廓设置为圆形或圆弧形。

[0017] 本发明的工作原理为：由于科安达效应，流体介质经射流振荡器入口加速，主射流进入射流振荡腔后会偏离入口中心轴线形成偏转射流，弯向左右其中一侧，流经一侧导流块上的导流面后，通过涡流腔入口，进入涡流腔，同样由于科安达效应，进入涡流腔的流体会偏向另一侧导流块的射流附壁面，流体介质通过射流附壁面切向进入涡流腔，形成顺时针或逆时针高速旋转的涡流，同时部分流体通过当前导流块对侧的控制道流回射流振荡腔形成回流，由于回流的扰动，使偏转射流的主射流切换并偏转到另一侧导流块的导流面上，之后主射流流动路径切换至另一侧导流块的射流附壁面，此时主射流与涡流腔内的涡流发生冲击并削弱涡流，产生压力波动，随着涡流的衰退，流体从涡流腔出口流出，并逐渐在涡流腔内重新形成方向相反的涡流。相同的，重新形成的涡流中部分流体会通过控制道返回射流振荡腔，再次作用在主射流上并重复上述过程。由于涡流式射流振荡器的自激振荡特性，振荡射流式压力脉冲发生装置产生周期性的压力波动，形成压力脉冲。

[0018] 本发明的上述方案有如下的有益效果：

[0019] 本发明结构简单，无需额外机构，只依靠内部流体通道设置，即可自激产生周期性的压力波动；无任何可移动部件，便于加工制造，坚固耐用；可提供与其他类型压力脉冲振荡减阻装置产生的脉冲压力相比频率与波动幅度均易调控。

附图说明

[0020] 图1为本发明的振荡射流式压力脉冲发生装置的实施例1结构图；

[0021] 图2为本发明的图1的A‑A剖面图；

[0022] 图3为本发明的图1的B‑B剖面图；

[0023] 图4为本发明的图1的C‑C剖面图；

[0024] 图5为本发明的振荡射流式压力脉冲发生装置的实施例1构造的工具的流体仿真模拟压力脉冲波形；

[0025] 图6为本发明的振荡射流式压力脉冲发生装置的实施例2结构图；

[0026] 图7为本发明的振荡射流式压力脉冲发生装置的实施例3结构图；

[0027] 图8为本发明的振荡射流式压力脉冲发生装置的实施例3构造的工具的流体仿真模拟压力脉冲波形。

[0028] 【附图标记说明】

[0029] Ⅰ‑上接头；Ⅱ‑外管；Ⅲ‑涡流式射流振荡器；Ⅳ‑下接头；Ⅴ‑基板；Ⅵ‑盖板；1‑上接头中心流体通道；2‑下接头中心流体通道；3‑射流振荡器入口；4‑射流振荡腔；5‑导流块；6‑涡流腔入口；7‑涡流腔；8a‑左控制道；8b‑右控制道；9‑涡流腔出口；10‑排空道；11‑导流面；12‑射流附壁面；13‑异形导流块；14‑第二涡流腔；15‑第二涡流腔出口；16a‑第二左控制道；
16b‑第二右控制道；17‑中心控制通道。

具体实施方式

[0030] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

[0031] 本发明针对现有各类压力脉冲发生装置结构复杂、易损零件多、使用寿命有限等问题，提供了一种振荡射流式压力脉冲发生装置。

[0032] 实施例1

[0033] 如图1至图4所示，本发明的实施例提供了一种振荡射流式压力脉冲发生装置，包括：外管Ⅱ、上接头Ⅰ、下接头Ⅳ和涡流式射流振荡器Ⅲ，所述上接头Ⅰ和下接头Ⅳ分别开设有上接头中心流体通道1和下接头中心流体通道2，所述外管Ⅱ的两端通过螺纹分别与所述上接头Ⅰ和下接头Ⅳ连接，所述涡流式射流振荡器Ⅲ设置在所述外管Ⅱ内，所述涡流式射流振荡器Ⅲ的两端分别与所述上接头Ⅰ和下接头Ⅳ对接，所述涡流式射流振荡器Ⅲ的上端与所述上接头Ⅰ接触并通过密封圈密封，所述涡流式射流振荡器Ⅲ的下端与所述下接头Ⅳ接触并压紧设置；所述涡流式射流振荡器Ⅲ开设有射流振荡器入口3，所述射流振荡器入口3为锥形入口或锥直型喷嘴或圆弧入口型喷嘴；所述射流振荡器入口3连接一个射流振荡腔4，所述射流振荡腔4下方设置有两个导流块5，所述导流块5为楔形，两个所述导流块5的内侧形成涡流腔入口6，所述涡流腔入口6下方设置有至少一个涡流腔7，两个所述导流块5的外侧均设置有控制道分别为左控制道8a和右控制道8b，两个所述控制道关于振荡射流式压力脉冲发生装置的轴线对称，所述控制道分别连通所述涡流腔7和所述射流振荡腔4；所述涡流腔7开设有涡流腔出口9，所述涡流式射流振荡器Ⅲ从上部圆柱形逐渐过渡为板形，所述板形部分与外管Ⅱ形成排空道10，所述排空道10分别连通所述涡流腔出口9和所述下接头Ⅳ中开设的下接头中心流体通道2。

[0034] 所述导流块5靠近所述射流振荡腔4的一端设置有导流面11，所述导流面11为圆弧形，所述导流块5靠近涡流腔7一端设置有射流附壁面12。

[0035] 其中，所述涡流式射流振荡器Ⅲ为两个甚至多个零件的装配体，或所述涡流式射流振荡器Ⅲ通过增材制造技术一体化制造，在本实施例中所述涡流式射流振荡器Ⅲ由基板Ⅴ和盖板Ⅵ组成，所述基板Ⅴ和盖板Ⅵ通过螺栓连接。

[0036] 其中，所述基板Ⅴ与盖板Ⅵ上分别设置一个涡流腔出口9，或在所述基板Ⅴ与盖板Ⅵ其中之一上设置单个涡流腔出口9，在本实施例中所述基板Ⅴ与盖板Ⅵ上分别设置一个涡流腔出口9。

[0037] 其中，所述涡流腔出口9的形心与所述涡流腔7的形心径向同轴。

[0038] 其中，设置多个所述涡流腔7时，每个涡流腔7均可设置涡流腔出口9，或在最下方的述涡流腔7设置涡流腔出口9，在本实施例中设置有一个所述涡流腔7。

[0039] 其中，所述射流振荡腔4外轮廓设置为矩形或圆弧形；所述涡流腔7的腔体外轮廓设置为圆形或圆弧形。

[0040] 本实施例的工作原理为：由于科安达效应，流体介质经射流振荡器入口3加速，主射流进入射流振荡腔4后会偏离入口中心轴线形成偏转射流，弯向左右其中一侧，流经一侧导流块5上的导流面后，通过涡流腔入口6，进入涡流腔7，同样由于科安达效应，进入涡流腔7的流体会偏向另一侧导流块5的射流附壁面，流体介质通过射流附壁面12切向进入涡流腔
7，形成顺时针或逆时针高速旋转的涡流，同时部分流体通过当前导流块5对侧的控制道8流回射流振荡腔4形成回流，由于回流的扰动，使偏转射流的主射流切换并偏转到另一侧导流块5的导流面11上，之后主射流流动路径切换至另一侧导流块11的射流附壁面12，此时主射流与涡流腔7内的涡流发生冲击并削弱涡流，产生压力波动，随着涡流的衰退，流体从涡流腔出口9流出，并逐渐在涡流腔7内重新形成方向相反的涡流。相同的，重新形成的涡流中部分流体会通过控制道8返回射流振荡腔4，再次作用在主射流上并重复上述过程。由于涡流式射流振荡器的自激振荡特性，振荡射流式压力脉冲发生装置产生周期性的压力波动，形成压力脉冲，压力脉冲波形如图5所示。

[0041] 实施例2

[0042] 本实施例的结构与实施例1相似，区别在于增加了异形导流块13、第二涡流腔14和第二涡流腔出口15，本实施例中涡流式射流振荡器Ⅲ的流体通道设置如图6所示。

[0043] 相较于实施例1，本实施例的涡流式射流振荡器Ⅲ在涡流腔7的下方依次增加了一个异形导流块13和一个第二涡流腔14，异形导流块13将与基板Ⅴ和盖板Ⅵ形成第二左控制道16a和第二右控制道16b；基板Ⅴ和盖板Ⅵ上分别额外增设有一个第二涡流腔出口15；作为此实施例的一种改进，涡流腔7和第二涡流腔14中可在至少一个腔体重设置涡流腔出口，连通排空道10。

[0044] 如图6设置的流体通道，经射流振荡器入口3加速后，由于科安达附壁效应，假设主射流依次经过射流振荡腔4、涡流腔入口6后，先偏向射流附壁面12，通过右控制道16b进入第二涡流腔14，并且在异形导流块13的分流作用下，部分流体介质进入涡流腔7，同时，涡流腔7和第二涡流腔14中形成了顺时针高速旋转的涡流，产生背压；之后，部分流体通过左控制道8a和第二左控制道16a流回射流振荡腔4形成回流，由于回流的扰动，主射流会扫略至导流面11，切换至射流附壁面12，通过控制道进入第二涡流腔14，此时主射流与涡流腔7和第二涡流腔14内的涡流发生冲击并削弱涡流，产生压力波动，随着涡流的衰退，流体从涡流腔出口9和第二涡流腔出口15流出，之后又重新形成逆时针方向的涡流和背压并重复上述过程。由于涡流式射流振荡器的自激振荡特性，振荡射流式压力脉冲发生装置产生周期性的压力波动，形成压力脉冲。

[0045] 本实施例提供的涡流式振荡射流压力脉冲发生装置具有振荡频率低、平均压降低的特点，能够有效降低井下钻具的摩擦阻力，并且对井下随钻测量系统的正常工作具有良性影响。

[0046] 实施例3

[0047] 本实施例与实施例2中的涡流式射流振荡器Ⅲ工作原理基本相同。如图7所示，相较于实施例2，本实施例的区别在于更改了异形导流块13的形状，在所述异形导流块13上增加了一个中心控制通道17，所述中心控制通道17连通所述涡流腔7和第二涡流腔14，实施例3的压力波形如图8所示。根据不同的使用情况，还可按实际情况在涡流腔7位置处选择性的设置涡流腔出口。本实施例提供的涡流式振荡射流压力脉冲发生装置具有频率低，峰值附近压力持续时间较长的特点，可形成近梯形压力脉冲波形，流体能量利用率较高，对减少钻具拖压、传递钻压有良性效果。

[0048] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。