本發(fā)明涉及一種在石油開采領(lǐng)域中，大位移井、水平井和其它結(jié)構(gòu)復(fù)雜井中用于減小鉆柱與井壁摩擦阻力，幫助鉆柱送進(jìn)和有效施加鉆壓的凸輪馬達(dá)式水力振蕩器。

背景技術(shù)：

在石油開采領(lǐng)域中，大位移井、水平井、水平分支井和其他結(jié)構(gòu)復(fù)雜井的數(shù)量不斷增加，隨著井眼水平段長度的不斷增加，鉆柱受到井壁施加的摩擦阻力也會不斷增大，致使鉆柱難以下入設(shè)計井深，并且在鉆壓和摩擦阻力的共同作用會發(fā)生撓曲變形。由于鉆柱受到井壁摩擦阻力的作用，無法向鉆頭施加準(zhǔn)確的鉆壓，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率，一旦發(fā)生井下遇阻或著卡鉆現(xiàn)象更是會對整個鉆井過程產(chǎn)生重大影響。因此減小鉆柱摩擦阻力，有效送進(jìn)鉆柱，向鉆頭準(zhǔn)確施加鉆壓是大位移井、水平井、水平分支井和其他結(jié)構(gòu)復(fù)雜井鉆井技術(shù)的一個核心問題。

水力振蕩器是減小鉆柱摩擦阻力的主要工具，該工具通過鉆井液的水擊作用向鉆柱施加周期性的軸向振動，有效減小鉆井過程中鉆柱與井壁的摩擦阻力，提高鉆井破巖效率。現(xiàn)有的水力振蕩器主要由動力總成和閥門總成構(gòu)成，動力總成由橡膠定子和單螺桿轉(zhuǎn)子組成，動力總成工作壽命低，國內(nèi)使用的水力振蕩器壽命平均只有一百多個小時，嚴(yán)重制約了水力振蕩器的發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：為了改善目前單螺桿水力振蕩器使用壽命短，無法滿足長時間鉆井作業(yè)要求的問題，特提供一種凸輪馬達(dá)式水力振蕩器。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：本發(fā)明一種凸輪馬達(dá)式水力振蕩器，是由動力總成和閥門總成組成；動力總成主要包括：上接頭、主軸頂環(huán)、上定位環(huán)、頂端定子短節(jié)、定子殼體、葉片、凸輪轉(zhuǎn)子、中間定子短節(jié)、轉(zhuǎn)子定位銷、螺釘、葉片彈簧、轉(zhuǎn)子主軸、底端定子短節(jié)、定子隔環(huán)、下定位環(huán)、主軸底環(huán)、上定子定位銷、下定子定位銷；閥門總成主要包括：主軸接頭、閥門殼體、動閥環(huán)、靜閥環(huán)、套環(huán)、碟簧、限位套、襯套、下接頭；其結(jié)構(gòu)特征是：所述上接頭與減震器螺紋連接，所述下接頭與鉆柱連接；所述動力總成的定子殼體與所述閥門總成的閥門殼體螺紋連接。

進(jìn)一步，所述轉(zhuǎn)子主軸上安裝有六級凸輪轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子主軸中段上設(shè)置有六排半圓形凹槽，所述轉(zhuǎn)子定位銷安裝在所述轉(zhuǎn)子主軸上設(shè)置的六排半圓形凹槽中，所述轉(zhuǎn)子主軸與凸輪轉(zhuǎn)子用轉(zhuǎn)子定位銷周向定位，相鄰?fù)馆嗈D(zhuǎn)子長軸夾角為30°；所述底端定子短節(jié)安裝在最下端凸輪轉(zhuǎn)子上，所述中間定子短節(jié)安裝在中間四個凸輪轉(zhuǎn)子上，所述中間定子短節(jié)下端凹槽iii與所述底端定子短節(jié)上端凸肩ii配合；所述頂端定子短節(jié)安裝在頂端凸輪轉(zhuǎn)子上，所述頂端定子短節(jié)下端凹槽ii與第一級中間定子短節(jié)上端凸肩i配合。

進(jìn)一步，所述頂端定子短節(jié)設(shè)置有4個定位面i，其中兩個相對定位面i上設(shè)置有半圓形凹槽i，另兩個相對定位面i上開有通槽i；所述中間定子短節(jié)外壁都設(shè)置有4個定位面ii，其中兩個相對定位面ii上開有通槽ii；所述底端定子短節(jié)設(shè)置有4個定位面iii，其中兩個相對的定位面iii上設(shè)置有通槽ii，所有通槽處在同一平面；所述頂端定子短節(jié)上端凹槽i與所述上定位環(huán)下端凸臺i配合；所述底端定子短節(jié)下端凹槽iv與所述下定位環(huán)上端凸臺ii配合。

進(jìn)一步，所述底端定子短節(jié)下端裝有定子隔環(huán)；所述主軸底環(huán)中心設(shè)置有通孔，所述主軸底環(huán)的中心通孔表面鑲有硬質(zhì)合金層；所述轉(zhuǎn)子主軸下部表面鑲有硬質(zhì)合金層，所述主軸底環(huán)套入轉(zhuǎn)子主軸下部；所述主軸底環(huán)與所述轉(zhuǎn)子主軸下部采用間隙配合。

進(jìn)一步，所述主軸接頭上端與所述轉(zhuǎn)子主軸下端螺紋連接，所述主軸接頭下端軸向設(shè)置有一階梯盲孔，盲孔內(nèi)部周向均勻設(shè)置三個斜孔連通內(nèi)外腔，所述動閥環(huán)與所述主軸接頭下部采用過盈配合，所述動閥環(huán)設(shè)置有一軸向偏心通孔；所述靜閥環(huán)設(shè)置有一偏心通孔，所述靜閥環(huán)與所述套環(huán)上部采用間隙配合；所述襯套置入所述下接頭臺階孔內(nèi)，所述套環(huán)下部與所述下接頭上部螺紋連接，所述套環(huán)內(nèi)部裝有限位套，所述限位套內(nèi)部裝有碟簧；所述閥門殼體與所述下接頭中部螺紋連接；所述頂端定子短節(jié)的通槽i中裝有葉片；所述中間定子短節(jié)的通槽ii中裝有葉片；所述底端定子短節(jié)的通槽iii中裝有葉片。

進(jìn)一步，所述轉(zhuǎn)子主軸置入定子殼體內(nèi)腔，所述頂端定子短節(jié)用上定子定位銷周向定位，所述底端定子短節(jié)用下定子定位銷周向定位；所述定子殼體與所述葉片兩端部對應(yīng)位置處設(shè)置有通孔，通孔外端加工有螺紋，所述葉片彈簧置入定子殼體的通孔內(nèi)，所述螺釘旋入通孔螺紋段；所述閥門殼體上端與所述定子殼體下端螺紋連接，所述主軸底環(huán)安裝在所述閥門殼體內(nèi)部臺階上；所述主軸頂環(huán)中心設(shè)置有通孔，所述主軸頂環(huán)中心通孔內(nèi)表面鑲有硬質(zhì)合金層；所述轉(zhuǎn)子主軸1上端外部鑲有硬質(zhì)合金層；所述轉(zhuǎn)子主軸上端與所述主軸頂環(huán)中心通孔采用間隙配合；所述主軸頂環(huán)安裝在轉(zhuǎn)子主軸上端部，所述主軸頂環(huán)安裝在定子殼體內(nèi)腔臺階上；

進(jìn)一步，所述定子殼體上端與所述上接頭下端采用螺紋連接；所述上接頭上端與上部減震器連接。

本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明通過閥門總成改變鉆井液過流面積，產(chǎn)生周期性的水擊現(xiàn)象，有效減小鉆井過程中鉆柱與井壁的摩擦阻力，提高鉆井破巖效率；(2)本發(fā)明采用凸輪馬達(dá)作為動力，通過容積控制相關(guān)參數(shù)，控制可靠；(3)本振蕩器采用凸輪馬達(dá)作為動力，使用壽命長。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種凸輪馬達(dá)式水力振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是上定位環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是頂端定子短節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是中間定子短節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是底端定子短節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是圖下定位環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是圖1a-a截面剖視圖；

圖8是圖1b-b截面剖視圖；

圖9是圖1c-c截面剖視圖；

圖10是圖1d-d截面剖視圖；

圖11是圖1e-e截面剖視圖；

圖12是圖1f-f截面剖視圖；

圖13是圖1g-g截面剖視圖；

圖14是圖1h-h截面剖視圖；

圖15是圖1i-i截面剖視圖；

圖16是圖1j-j截面剖視圖；

圖17是圖1k-k截面剖視圖；

圖18是圖1l-l截面剖視圖；

圖中：1.上接頭，2.主軸頂環(huán)，3.上定位環(huán)，4.頂端定子短節(jié)，5.定子殼體，6.葉片，7.凸輪轉(zhuǎn)子，8.中間定子短節(jié)，9.轉(zhuǎn)子定位銷，10螺釘，11.葉片彈簧，12.轉(zhuǎn)子主軸，13.底端定子短節(jié)，14.定子隔環(huán)，15.下定位環(huán)，16.主軸底環(huán)，17.主軸接頭，18.閥門殼體，19.動閥環(huán)，20.靜閥環(huán)，21.套環(huán)，22.碟簧，23.限位套，24.襯套，25.下接頭，26.上定子定位銷，27.下定子定位銷，28.動力總成，29.閥門總成，3a.進(jìn)液通槽，3b.凸臺i，4a.凹槽i，4b.半圓形凹槽i，4c凹槽ii，4d.傾斜通槽i，4e.通槽i，4f.定位面i，8a.凸肩i，8b.定位面ii，8c.凹槽iii，8d.傾斜通槽ii，8e.通槽ii，13a.凸肩ii，13b.半圓形凹槽ii，13c.凹槽iv，13d.傾斜通槽iii，13e.通槽iii，13f.定位面iii，15a.排液通槽，15b.凸臺ii，30a.進(jìn)液流道i，30b.進(jìn)液流道ii，31a.排液流道i，31b排液流道ii。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明一種凸輪馬達(dá)式水力振蕩器，是由動力總成28和閥門總成29組成；動力總成28主要包括：上接頭1、主軸頂環(huán)2、上定位環(huán)3、頂端定子短節(jié)4、定子殼體5、葉片6、凸輪轉(zhuǎn)子7、中間定子短節(jié)8、轉(zhuǎn)子定位銷9、螺釘10、葉片彈簧11、轉(zhuǎn)子主軸12、底端定子短節(jié)13、定子隔環(huán)14、下定位環(huán)15、主軸底環(huán)16、上定子定位銷26、下定子定位銷27；閥門總成29主要包括：主軸接頭17、閥門殼體18、動閥環(huán)19、靜閥環(huán)20、套環(huán)21、碟簧22、限位套23、襯套24、下接頭25；其結(jié)構(gòu)特征是：所述上接頭1與減震器螺紋連接，所述下接頭25與鉆柱連接；所述動力總成28的定子殼體5與所述閥門總成29的閥門殼體18螺紋連接；所述轉(zhuǎn)子主軸上12安裝有六級凸輪轉(zhuǎn)子7，所述轉(zhuǎn)子主軸12中段上設(shè)置有六排半圓形凹槽，所述轉(zhuǎn)子定位銷9安裝在所述轉(zhuǎn)子主軸12上設(shè)置的六排半圓形凹槽中，所述轉(zhuǎn)子主軸12與凸輪轉(zhuǎn)子用轉(zhuǎn)子定位銷9周向定位，相鄰?fù)馆嗈D(zhuǎn)子長軸夾角為30°；所述底端定子短節(jié)13安裝在最下端凸輪轉(zhuǎn)子7上，所述中間定子短節(jié)8安裝在中間四個凸輪轉(zhuǎn)子7上，所述中間定子短節(jié)8下端凹槽iii8c與所述底端定子短節(jié)13上端凸肩ii13a配合；所述頂端定子短節(jié)4安裝在頂端凸輪轉(zhuǎn)子7上，所述頂端定子短節(jié)4下端凹槽ii4c與第一級中間定子短節(jié)8上端凸肩i8a配合；所述頂端定子短節(jié)4設(shè)置有4個定位面i4f，其中兩個相對定位面i4f上設(shè)置有半圓形凹槽i4b，另兩個相對定位面i4f上開有通槽i4e；所述中間定子短節(jié)8外壁都設(shè)置有4個定位面ii8b，其中兩個相對定位面ii8b上開有通槽ii8e；所述底端定子短節(jié)13設(shè)置有4個定位面iii13f，其中兩個相對的定位面iii13f上設(shè)置有通槽ii8e，所有通槽處在同一平面；所述頂端定子短節(jié)4上端凹槽i4a與所述上定位環(huán)3下端凸臺i3b配合；所述底端定子短節(jié)13下端凹槽iv13c與所述下定位環(huán)15上端凸臺ii15b配合；所述底端定子短節(jié)13下端裝有定子隔環(huán)14；所述主軸底環(huán)16中心設(shè)置有通孔，所述主軸底環(huán)16的中心通孔表面鑲有硬質(zhì)合金層；所述轉(zhuǎn)子主軸12下部表面鑲有硬質(zhì)合金層，所述主軸底環(huán)16套入轉(zhuǎn)子主軸12下部；所述主軸底環(huán)16與所述轉(zhuǎn)子主軸12下部采用間隙配合；所述主軸接頭17上端與所述轉(zhuǎn)子主軸12下端螺紋連接，所述主軸接頭17下端軸向設(shè)置有一階梯盲孔，盲孔內(nèi)部周向均勻設(shè)置三個斜孔連通內(nèi)外腔，所述動閥環(huán)19與所述主軸接頭17下部采用過盈配合，所述動閥環(huán)19設(shè)置有一軸向偏心通孔；所述靜閥環(huán)20設(shè)置有一軸向偏心通孔，所述靜閥環(huán)20與所述套環(huán)21上部采用間隙配合；所述襯套24置入下接頭25臺階孔內(nèi)，所述套環(huán)21下部與所述下接頭25上部螺紋連接，所述套環(huán)21內(nèi)部裝有限位套23，所述限位套23內(nèi)部裝有碟簧22；所述閥門殼體18與所述下接頭25中部螺紋連接；所述頂端定子短節(jié)4的通槽i4e中裝有葉片6；所述中間定子短節(jié)8的通槽ii8e中裝有葉片6；所述底端定子短節(jié)13的通槽iii13e中裝有葉片6；所述轉(zhuǎn)子主軸12置入定子殼體5內(nèi)腔，所述頂端定子短節(jié)4用上定子定位銷26周向定位，所述底端定子短節(jié)13用下定子定位銷27周向定位；所述定子殼體5與所述葉片6兩端部對應(yīng)位置處設(shè)置有通孔，通孔外端加工有螺紋，所述葉片彈簧11置入定子殼體5的通孔內(nèi)，所述螺釘10旋入通孔螺紋段；所述閥門殼體18上端與所述定子殼體5下端螺紋連接，所述主軸底環(huán)16安裝在閥門殼體18內(nèi)部臺階上；所述主軸頂環(huán)2中心設(shè)置有通孔，所述主軸頂環(huán)2中心通孔內(nèi)表面鑲有硬質(zhì)合金層；所述轉(zhuǎn)子主軸12上端外部鑲有硬質(zhì)合金層；所述轉(zhuǎn)子主軸12上端與所述主軸頂環(huán)2中心通孔采用間隙配合；所述主軸頂環(huán)2安裝在轉(zhuǎn)子主軸12上端部，所述主軸頂環(huán)2安裝在定子殼體5內(nèi)腔臺階上，所述定子殼體5上端與所述上接頭1下端采用螺紋連接；所述上接頭1上端與上部減震器連接。

如圖1、圖3和圖10所示，所述上定位環(huán)3下端開有兩個進(jìn)液通槽3a；所述上定位環(huán)3下端設(shè)置有兩個凸臺i3b，所述頂端定子短節(jié)4上端開有兩個凹槽i4a，所述上定位環(huán)3下端凸臺i3b與所述頂端定子短節(jié)4下端凹槽i4a配合；所述轉(zhuǎn)子主軸12中段軸向設(shè)置有六組半圓形凹槽，每組12個凹槽在圓周方向均布，六組凹槽在圓周方向相位相同；所述凸輪轉(zhuǎn)子7的外廓是橢圓形狀，中心設(shè)置一個通孔，通孔周向均勻設(shè)置12個半圓形凹槽，凹槽半徑與轉(zhuǎn)子主軸12上的凹槽半徑一致。

如圖3和圖9所示，所述頂端定子短節(jié)4的一對定位面i4f上設(shè)置有半圓形凹槽i4b，所述頂端定子短節(jié)4和所述定子殼體5由上定子定位銷26周向定位；所述頂端定子短節(jié)4另一對定位面i4f上設(shè)置有通槽i4e，該對定位面i4f兩側(cè)設(shè)置有傾斜通槽i4d；所述頂端定子短節(jié)4上端設(shè)置有凸起外緣封閉排液流道i31a和排液流道ii31b；所述進(jìn)液流道i30a和所述進(jìn)液流道ii30b保持流通；所述頂端定子短節(jié)4的下端設(shè)置有4個凹槽ii4c；所述葉片6安裝在頂端定子短節(jié)4定位面i4f上的通槽i4e內(nèi)，所述葉片彈簧11安裝在定子殼體5通孔內(nèi)螺釘10安裝在定子殼體5通孔外端。

如圖4、圖11所示，所述中間定子短節(jié)8一對定位面ii8b上設(shè)置有通槽ii8e，該對定位面ii8b兩側(cè)設(shè)置有傾斜通槽ii8d，所述中間定子短節(jié)8和所述定子殼體5裝配后形成進(jìn)液流道i30a、進(jìn)液流道ii30b、排液流道i31a和排液流道ii31b；所述中間定子短節(jié)8的4個定位面ii8b上端設(shè)置有凸肩i8a，所述中間定子短節(jié)8下端設(shè)置有凹槽iii8c；所述葉片6安裝在中間定子短節(jié)8定位面ii8b上的通槽ii8e內(nèi)，所述葉片彈簧11安裝在定子殼體5通孔內(nèi)，螺釘10安裝在定子殼體5通孔外端。

如圖5、圖6、圖16和圖17所示，所述底端定子短節(jié)13一對定位面iii13f上設(shè)置有半圓形凹槽ii13b，所述底端定子短節(jié)13和所述定子殼體5由下定子定位銷27周向定位；所述底端定子短節(jié)13的另一對定位面iii13f上設(shè)置有通槽iii13e，該對定位面iii13f兩側(cè)設(shè)置有傾斜通槽iii13d；所述底端定子短節(jié)13下端設(shè)置有凸起外緣封閉進(jìn)液流道i30a和進(jìn)液流道ii30b，排液流道i31a和排液流道ii31b上端保持流通；4個定位面iii13f上端設(shè)置有凸肩ii13a；所述底端定子短節(jié)13下端設(shè)置有4個凹槽iv13c，所述下定位環(huán)15上端設(shè)置有4個凸臺ii15b，所述底端定子短節(jié)13下端凹槽iv13c與所述下定位環(huán)15上端凸臺15b配合；所述下定位環(huán)15下端開有兩個排液通槽15a；所述葉片6安裝在底端定子短節(jié)13定位面iii13f上的通槽iii13e，所述葉片彈簧11安裝在定子殼體5通孔內(nèi)，所述螺釘10安裝在定子殼體5通孔外端。

本發(fā)明一種凸輪馬達(dá)式水力振蕩器的工作原理是：本發(fā)明上端與減震器連接，鉆井液進(jìn)入動力總成28，經(jīng)進(jìn)液流道i30a和進(jìn)液流道ii30b分別進(jìn)入頂端定子短節(jié)4、中間定子短節(jié)8、底端定子短節(jié)13和凸輪轉(zhuǎn)子7之間的腔室，驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)子7轉(zhuǎn)動；多級凸輪轉(zhuǎn)子7與轉(zhuǎn)子主軸12固定連接，多級凸輪轉(zhuǎn)子7圓周方向具有不同的初始相位，保證轉(zhuǎn)子主軸12轉(zhuǎn)速和扭矩穩(wěn)定；轉(zhuǎn)子主軸12通過主軸接頭17帶動動閥環(huán)19旋轉(zhuǎn)，由于動閥環(huán)19和靜閥環(huán)20的通孔都有偏心，故動閥環(huán)19和靜閥環(huán)20通流面積周期性變化，鉆井液產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，通過減震器將水擊力轉(zhuǎn)換為軸向震蕩力，使鉆柱產(chǎn)生周期性軸向振動。

本發(fā)明采用凸輪式馬達(dá)作為動力，取代了單螺桿馬達(dá)的驅(qū)動方式，增加了使用壽命。以上是本發(fā)明的典型實施例，基于本發(fā)明的權(quán)利要求基本原理的其他形式在本發(fā)明范圍之內(nèi)。