一种螺杆式井下水力振荡器技术领域
本发明涉及一种螺杆式井下水力振荡器，属石油井下设备技术领域。
背景技术
近年来，随各大油田勘探技术的不断深入，油井井身结构复杂度逐渐增加，长水
平、大斜度及多分支水平井等的数量增加等问题对钻井工程提出了新的现实要求，使水力
振荡器等工具的发展空间和需求得到了提升。就如何提高水平井水平段长度和实现快速钻
进等问题成为了石油产业相关研究关注的焦点。复杂的井身结构，不仅对钻井技术和方法
提出了较高的要求，而且较大的井斜角使石油钻杆柱与井壁间的摩擦阻力明显增大，降低
了钻压的传递效率，影响了机械钻进速度。国内外学者就如何提高水平井中水平段长度和
实现快速钻进等问题进行了大量的研究工作。井下动力钻具如水力振荡器等由于具有提高
机械钻速、增加单只钻头进尺、便于定向控制井眼轨迹并且能使滑动送钻时钻柱与井壁之
间的静摩擦转变为滑动摩擦以减小摩阻等诸多优点，使其发展空间和需求得到了大大的提
升，也得到了广大科研工作者的高度关注。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种能够有效减小钻柱与井
壁之间的摩擦阻力、避免卡钻事故的发生，进而提高钻井效率的螺杆式井下水力振荡器。
本发明的技术方案是：
一种螺杆式井下水力振荡器，包括上壳体、下壳体、上接头、下接头、花键套和旁通阀，
其特征在于：上壳体和下壳体之间通过旁通阀相互螺纹连接，下壳体的端头螺纹安装有下
接头，上壳体的端头通过花键套安装有上接头；下壳体内通过定位套筒和装配套筒装有螺
杆马达，螺杆马达一侧通过阀盘底座装有阀盘；阀盘底座上装有推力轴承，推力轴承一侧的
阀盘底座上安装有阀座，推力轴承另一侧的阀盘底座上安装有扶正轴承；旁通阀一侧的上
壳体内设置有台阶轴；台阶轴上通过台阶轴端帽和挡圈装有活塞，活塞一侧的台阶轴上装
有蝶形弹簧；蝶形弹簧与活塞接触连接。
所述的阀盘上偏心设置有过流孔，过流孔两侧的阀盘上对称设置有排液孔。
所述的过流孔上方的阀盘上通过滑槽设置有滑块。
所述的螺杆马达包括马达定子和马达转子，马达定子由定子橡胶和定子外套构
成，定子橡胶通过挤压变形安装在定子外套内，定子外套通过套筒实现轴向定位；马达定子
与下壳体螺纹连接。
所述的马达转子端头与滑块连接，马达转子通过滑块与阀盘滑动接触连接。
所述的扶正轴承与装配套筒之间设置有平衡腔。
装配套筒与阀盘底座和阀盘之间设置有平衡间隙，平衡间隙与平衡腔连通。
所述的台阶轴与上接头螺纹连接。
所述的花键套一端与上壳体螺纹连接；花键套另一端与上接头键连接。
所述的上壳体上设置有壳体液流孔。
所述的旁通阀由控制阀体、阀芯、弹簧和控制阀座构成；阀体内通过控制阀座装有
阀芯；控制阀座与阀芯之间设置有弹簧；所述的控制阀体上设置有阀体液流孔，阀芯上设置
有阀芯液流孔。
本发明技术方案与现有技术相比的优点在于：
该螺杆式井下水力振荡器通过马达转子下接滑块的往复运动使阀盘过流面积发生变
化产生压力脉冲，从而使碟形弹簧上的作用力改变并发生变形，并将运动传递到与上接头
连接的钻柱上，使钻柱与井壁之间的摩擦条件发生变化、钻柱弹性送钻的瞬时滑动摩擦系
数的增长速度降低，从而降低钻柱与井壁之间的摩擦阻力，且能有效地避免卡钻等事故的
发生，具有大幅度提高钻井效率，降低钻井成本的特点。此外阀盘上的滑块可以替代螺杆转
子与阀盘间的摩擦，从而可以有效提高螺杆马达的寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的A—A向的截面结构示意图；
图3为本发明的旁通阀的结构示意图。
图中：1、上壳体，2、下壳体，3、上接头，4、下接头，5、花键套，6、旁通阀，7、控制阀
体，8、阀芯，9、弹簧，10、控制阀座，11、阀体液流孔，12、阀芯液流孔，13、定位套筒，14、装配
套筒，15、马达定子，16、马达转子，17、阀盘底座，18、阀盘，19、过流孔，20、排液孔， 21、推力
轴承，22、底座固定套，23、扶正轴承，24、滑块，25、平衡腔，26、台阶轴，27、台阶轴端帽，28、
活塞，29、蝶形弹簧，30、壳体液流孔，31、螺钉。
具体实施方式
该螺杆式井下水力振荡器包括上壳体1、下壳体2、上接头3、下接头4、花键套5和旁
通阀6。上壳体1和下壳体2之间通过旁通阀6相互螺纹连接。旁通阀6由控制阀体7、阀芯8、弹
簧9和控制阀座10构成；阀体7内通过控制阀座10装有阀芯8；控制阀座10与阀芯8之间设置
有弹簧9。控制阀体7上设置有阀体液流孔11，阀芯8上设置有阀芯液流孔12。
下壳体2的端头螺纹安装有下接头4，上壳体1的端头通过花键套5安装有上接头3；
花键套5一端与上壳体1螺纹连接；花键套5另一端与上接头3键连接。
下壳体2内通过定位套筒13和装配套筒14装有螺杆马达，螺杆马达包括马达定子
15和马达转子16（单头螺杆），马达定子16与下壳体2螺纹连接。
螺杆马达一侧通过阀盘底座17装有阀盘18。阀盘底座17与阀盘18之间通过螺钉31
连接固定。阀盘18上偏心设置有过流孔19，过流孔19两侧的阀盘18上对称设置有排液孔20。
过流孔上方的阀盘18上通过滑槽设置有滑块24。
马达转子16的一端端头与滑块24连接，马达转子16通过滑块24与阀盘18滑动接触
连接。滑块24的目的是用于封堵过流孔19，以在工作过程中改变阀盘18的过流面积。阀盘底
座17上装有推力轴承21，推力轴承21一侧的阀盘底座17上安装有底座固定套22，推力轴承
21另一侧的阀盘底座17上安装有扶正轴承23；装配套筒14通过马达定子15和扶正轴承23固
定，由此实现轴向定位。扶正轴承23与装配套筒14之间设置有平衡腔25；装配套筒14与阀盘
底座17和阀盘18之间设置有平衡间隙，平衡间隙与平衡腔25和阀盘18上腔连通，其目的是
保持阀盘18两侧的压力平衡。阀盘底座17通过与底座固定套22的螺纹连接实现安装在阀座
22上的推力轴承21和扶正轴承23的固定，通过下接头4与下壳体2螺纹连接卡紧推力轴承
21，从而实现马达转子16的轴向定位与压紧。推力轴承21并用于承受阀盘18和马达转子16
的轴向力并保证其对中性。推力轴承21一侧由扶正轴承23和阀盘底座17的轴肩进行轴向定
位。
旁通阀6一侧的上壳体1内设置有台阶轴26；台阶轴26与上接头3螺纹连接。台阶轴
26上通过台阶轴端帽27和挡圈装有活塞28，活塞28一侧的台阶轴26上装有蝶形弹簧29；蝶
形弹簧29与活塞28接触连接。
该螺杆式井下水力振荡器的上壳体1上设置有壳体液流孔30，用于将泄露进蝶形
弹簧29空间内的钻井液排出到钻柱环形空间。
该螺杆式井下水力振荡器由于活塞28通过台阶轴端帽27固定在台阶轴26上，并由
台阶轴26通过螺纹连接在上接头3上，且与花键套5的内台阶面形成台阶配合；从而配合活
塞28可对套在台阶轴26上的碟形弹簧29进行轴向固定，由此在提升钻柱时可防止卡钻等事
故致使钻头掉落井底的现象。
该水力振荡器由上接头3、花键套5、台阶轴26、上壳体1、碟形弹簧29、活塞28、台阶
轴端帽27构成振动短节。
由定位套筒13、扶正轴承23、马达定子15、马达转子16、装配套筒14、阀盘18、阀盘
底座17、推力轴承21、下壳体2、底座紧固套22、下接头4构成动力短节。该水力振荡器的滑块
24下端面与阀盘18上端面直接接触且存在高频摩擦，易导致滑块24的端面磨损。当滑块24
端面没有磨损时，滑块24在阀盘槽内往复运动不产生周向扭矩，当滑块24端面磨损后，马达
转子下降，将导致滑块24的端面与阀盘18的滑槽侧面产生过大的摩擦而产生周向扭矩，此
时，在该扭矩的作用下，将导致滑块24端面磨损加剧。
该水力振荡器由于在阀盘底座17上安装了推力轴承21和扶正轴承23，且阀盘底座
17与阀盘18通过螺栓连接。在滑块24端面磨损之后产生的扭矩作用下，阀盘18随阀盘底座
17一起轴向旋转，由此可将滑块24的柱面磨损消除，以保证脉冲压力的性能并延长工具的
工作寿命。
该水力振荡器工作时，其上部通过上接头3与钻杆连接，下部通过下接头4与钻柱
及钻头连接。工作过程中，钻杆内部高压钻井液的作用驱动马达转子16旋转，使马达转子16
端头旋转且沿径向往复运动，从而将高压钻井液的动能转化为高速旋转的机械能，由于马
达转子16的端头与滑块24连接，且马达转子16通过滑块24与阀盘18滑动接触连接；滑块24
随马达转子16旋转且径向往复滑动，这一过程中，滑块24与阀盘18上的过流孔19发生交错
重叠，使钻井液在通过时的流通面积发生周期性变化，进而使阀盘18上游液流压力发生周
期性变化。
当滑块24与阀盘18之间的过流面积变小时，阀盘18上游压力升高，当过流面积最
小时，即当滑块24将阀盘18的过流孔19完全挡住，此时钻井液由阀盘18两侧的排液孔20流
过，滑块24上游高压液流脉冲压力达到极大值。极大值的液流压力作用在活塞28和台阶轴
26上使碟形弹簧29压缩并将钻井液的高压动能转变为碟簧势能进行存储，碟形弹簧29的压
缩运动通过壳体将运动传递到钻头，从而使井底钻具向下振动。
当滑块24与阀盘18之间的过流面积变大时，滑块24上游压力降低，此前处于压缩
状态的碟形弹簧29释放能量，碟形弹簧29伸长并通过该水力振荡器的壳体将运动传递到钻
头，使钻头向上运动。当过流面积最大时，即当滑块24与阀盘18的过流孔19之间没有重叠面
积，滑块24上游高压液流脉冲压力达到极小值。由于螺杆马达在高压钻井液作用下可提供
稳定的旋转运动，并具有一定的周期，在周期性压力脉冲作用下，该水力振荡器即可产生沿
轴向的周期性高频蠕动，使钻柱与井壁之间的摩擦条件发生变化、钻柱弹性送钻的瞬时滑
动摩擦系数的增长速度降低，从而降低摩阻、提高机械钻速。
该水力振荡器可通过控制阀盘18两侧排液孔20及过流孔19的面积大小进而方便
的控制最小压力值，在相同的压力幅值下，可将最小压力值设计到非常小，从而降低最大压
力值，由此减轻了工具内压对壳体的损害而延长工作寿命。
该水力振荡器的旁通阀6在通入一定压力的钻井液时，阀芯8由于压力作用而向下
移动，从而关闭旁通阀6内的阀芯液流孔12；当压力消失时，阀芯8在弹簧9的作用下向上移
动，阀体液流孔11打开，钻井液排出。在将钻头取出井底时，由于螺杆马达的封闭性，钻柱内
的钻井液将由阀体液流孔11流入环形空间而不至于从钻柱上端溢出至井口处。
该水力振荡器的装配套筒14和阀盘18的间隙可以引入钻井液，以润滑推力轴承21
和扶正轴承23，并可减少阀盘18上腔脉冲压力的作用面积以减小推力轴承21上的负载并对
扶正轴承23的上侧进行降温，从而延长了推力轴承21的工作寿命，进而延长该水力振荡器
的使用寿命。同时，钻井液可以通过底座紧固套22与下接头4之间的间隙对推力轴承21和扶
正轴承23进行润滑并降低推力轴承21和扶正轴承23工作时的温度，以提高推力轴承21和扶
正轴承23的使用寿命。