本实用新型属于采油设备技术领域，具体涉及一种水力振荡器。
背景技术：
随着各大油田开发，大斜度井、水平井和多分支水平井等复杂结构井应用的数量越来越多，井眼越来越不规则，井斜角大，滑动钻进模式的钻柱和井壁之间的摩阻越来越大，导致钻压传递效率低，严重制约了钻进速度和延伸能力。
自20世纪90年代以来，国外多家石油公司致力于水力振荡器研发，目前具有代表性并已经商业化应用的是NOV研发的产品，大量实践表明，其水力振荡器结构简单，摩擦阻力降低75％-80％，定向效果好，广泛应用于大斜度井、水平井和多分支井等钻井作业中，并长期占领着我国大部分市场。
与国外相比，国内水力振荡器的研制起步较晚，最近10年提出了10多种水力振荡器，大部分产品由于工具输出的水击力和频率等限制，降低摩阻的效果不理想，而未能获得商业应用。另外有部分企业通过引进消化吸收国外的产品，经过多年实践改进，成功应用于现场。
NOV(美国国民油井华高公司)水力振荡器由动力部分、阀轴总成和振荡短节组成，动力部分是一个2:1单螺杆马达，马达转子的下端固定一个阀片，钻井液通过动力部分时，驱动转子旋转，由于单螺杆的运动特性，动阀片随转子末端在一个平面上做往复运动。与动力部分连接的是阀轴总成，主要部件为耐磨套和定阀片，动阀片和定阀片紧密配合，由于转子的转动，导致两个阀片相错和重合，周期性的相对运动使阀轴总成的有效流通面积也周期性变化。两个阀门最小重合时，钻井液通过工具的有效流通面积最小，产生最大的水击压力波；两个阀门完全重合时，钻井液通过工具的有效流通面积最大，产生的压降最小；有效流通面积周期性变化导致上游的压力同步周期性变化。动力部分使上游压力周期性的变化作用在振荡短节的活塞上，形成的作用力不断的压其内的弹簧，形成振动。通过流体压力周期性变化，作用在振荡短节内部的弹簧，由于压力时大时小，短节的活塞在压力和弹簧的双重作用下，轴向上往复运动，造成与工具连接的其它钻柱在轴向上往复运动。水力振荡器使相邻的钻具在井眼产生纵向往复运动，钻具在井底的静摩擦变为动摩擦，摩擦阻力大大降低，工具可以有效的减少因井眼轨迹产生钻具拖拉现象，保证钻头作用于岩石的有效钻压，从而提高机械钻速和延伸能力。
但是，成功商业化应用的NOV水力振荡器也存在突出的技术矛盾问题，即动力部分为2:1的单头螺杆马达，其定子为橡胶，属于易损件，寿命较短，当通过提高转子的转速获得更高水击频率时，工具的寿命急剧下降；另外，当通过调整参数，使阀轴总成的最大有效流通面积和最小流通面积之比更大，以获得更强水击力时，工具消耗的水力压降急剧升高，使钻头的水马力显著下降，机械钻速不仅不提高，还降低了机械钻速。
技术实现要素：
本实用新型实施例涉及一种水力振荡器，至少可解决现有技术的部分缺陷。
本实用新型实施例涉及一种水力振荡器，包括壳体、芯轴、活塞、弹簧和阀轴总成，所述芯轴伸入至所述壳体内且通过花键套与所述壳体花键连接，所述活塞与所述芯轴固连，所述弹簧套设于所述芯轴上且夹设于所述活塞与所述花键套之间，所述阀轴总成包括与所述壳体固连的阀轴以及可转动套装于所述阀轴上的阀套，所述阀轴具有轴向流道、与所述轴向流道导通的回流流道以及与所述轴向流道导通且沿所述阀轴周向环形设置的多个第一导液孔，所述阀套具有沿其周向环形设置且可与各所述第一导液孔导通的多个第二导液孔，所述第一导液孔与所述第二导液孔导通时构成一折向流道；所述阀套与所述壳体之间形成有于所述回流流道连通的环空流道。
作为实施例之一，每一所述第一导液孔的轴线与该第一导液孔入口端所对应的阀轴径向线之间具有一夹角，各所述第一导液孔组成第一旋流式导液通道。
作为实施例之一，每一所述第二导液孔的轴线与该第二导液孔入口端所对应的阀套径向线之间具有一夹角，各所述第二导液孔组成第二旋流式导液通道，所述第二旋流式导液通道的旋向与所述第一旋流式导液通道的旋向相反。
作为实施例之一，所述第一导液孔和所述第二导液孔的数量均为3～8个。
作为实施例之一，所述折向流道的转折角为30°～90°。
作为实施例之一，所述第二导液孔的孔径大于所述第一导液孔的孔径。
作为实施例之一，所述回流流道包括沿所述阀轴周向环形设置的多个回流孔，各所述回流孔均自所述环空流道侧向所述轴向流道侧向下倾斜设置。
作为实施例之一，所述阀轴内壁呈台阶轴结构且内壁大直径段位于该阀轴靠近所述活塞的一侧。
作为实施例之一，所述阀轴外壁呈台阶轴结构且外壁小直径段位于该阀轴靠近所述活塞的一侧，所述外壁小直径段上螺接有锁紧螺母，所述阀套套装于所述外壁小直径段上且夹设于所述锁紧螺母与所述阀轴外壁台阶面上。
作为实施例之一，所述壳体底部螺纹连接有下部接头，于所述活塞下方的所述壳体内壁上加工有台肩，所述锁紧螺母顶端与所述台肩抵接，所述阀轴底端与所述下部接头抵接。
本实用新型实施例至少具有如下有益效果：
当钻井液从钻杆流入阀轴内时，大部分液体从其第一导液孔喷出，并从第二导液孔流出，由于上述的折向流道的使液体转向的作用，使得钻井液可以不断冲击阀套(各第二导液孔的孔壁)，钻井液在折向流道内的流动速度不变，但方向发生剧烈变化；根据动量守恒原理知，钻井液流经各折向流道时，其动量发生改变，其反作用力产生动量矩，阀套受到高速钻井液冲击并从具有一定速度和方向的钻井液中取得能量，发生旋转。随着阀套的旋转，阀轴的第一导液孔与阀套的第二导液孔的有效流通面积逐渐减小，直到阀套旋转一定角度，阀套的各第二导液孔与阀轴的各第一导液孔完全错开，从而关闭各折向流道；由于惯性作用，阀套继续旋转，阀轴的各第一导液孔与阀套的各第二导液孔的有效流通面积逐渐增大，使阀套继续受到高速钻井液冲击旋转。这样，随阀套与阀轴之间的有效流通面积周期性变化，由大变小，再由小变大，不断的形成水击波，使上游钻井液压力周期性的变化并作用在活塞上，形成的作用力不断的压壳体内的弹簧，形成振动。通过壳体内流体压力周期性变化，活塞在该周期性变化的压力和弹簧力的双重作用下，轴向上往复运动，造成与钻井工具连接的其它钻柱在轴向上往复运动。水力振荡器使相邻的钻具在井眼产生纵向往复运动，钻具在井底的静摩擦变为动摩擦，摩擦阻力大大降低，钻井工具可以有效地减少因井眼轨迹产生钻具拖拉的现象，保证钻头作用于岩石的有效钻压，从而提高机械钻速和延伸能力。
本实用新型中，上述的阀轴总成为全金属件，即阀轴、阀套等均为金属件，使得该水力振荡器无橡胶件，使用寿命长，设备生产及维护成本较低。
上述水力振荡器，水击频率取决于各导液孔的数量以及阀套的旋转速率；经合理地设计，水击频率范围为10-50Hz，阀套的旋转速度可达到3000r/min，这是单螺杆马达无法实现的。
上述水力振荡器的振荡力取决于钻井液流量、流动的断续时间等，由于本该水力振荡器的结构简单，消耗的水力压降小，可以通过调整阀轴总成的参数，使水击现象更剧烈，产生的水击波压强更大，形成的振荡力更大，这是单螺杆马达驱动的水力振荡器无法克服的矛盾问题。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本实用新型实施例提供的水力振荡器的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的阀轴总成在壳体内的安装结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的阀轴总成的结构示意图；
图4～图11为图3中沿A-A的剖视图，其中，
图4～图9示出了不同的第一导液孔与第二导液孔数量配合的示意图；
图10和图11示出了阀轴总成的有效流通面积的变化示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1，本实用新型实施例提供一种水力振荡器，包括壳体3、芯轴1、活塞5、弹簧4和阀轴总成6；所述芯轴1伸入至所述壳体3内且通过花键套2与所述壳体3花键连接，从而该芯轴1可以带动壳体3旋转而且可相对于壳体3上下滑动；上述活塞5、弹簧4及阀轴总成6均收容于该壳体3内，其中，所述活塞5与所述芯轴1固连，一般采用螺纹连接的方式固定，所述弹簧4套设于所述芯轴1上且夹设于所述活塞5与所述花键套2之间，本实施例中，该弹簧4采用碟簧组。一般地，上述壳体3、芯轴1、活塞5和弹簧4均是同轴设置的；该芯轴1和活塞5均是中空结构，可容液体流通。
如图2～图11，上述阀轴总成6包括与所述壳体3固连的阀轴602以及可转动套装于所述阀轴602上的阀套603，所述阀轴602具有轴向流道、与所述轴向流道导通的回流流道以及与所述轴向流道导通且沿所述阀轴602周向环形设置的多个第一导液孔6021，所述阀套603具有沿其周向环形设置且可与各所述第一导液孔6021导通的多个第二导液孔6031，所述第一导液孔6021与所述第二导液孔6031导通时构成一折向流道；所述阀套603与所述壳体3之间形成有于所述回流流道连通的环空流道606。上述阀轴602是中空上下贯通的结构，便于钻井液进入其轴腔中以及流入至该阀轴602上方与活塞5接触；上述阀套603套装于阀轴602上且可相对于该阀轴602转动，一般地，二者呈紧密套接的结构，即阀套603内径与阀轴602外径基本相同；上述折向流道即是液体流经其内时会发生转向，具体地说，是液体从第一导液孔6021流入第二导液孔6031的过程中会发生转向。而从阀套603的各第二导液孔6031流出的液体进入到上述的环空流道606中，再经上述的回流流道进入至轴向流道内。
基于上述结构，当钻井液从钻杆流入阀轴602内时，大部分液体从其第一导液孔6021喷出，并从第二导液孔6031流出，由于上述的折向流道的使液体转向的作用，使得钻井液可以不断冲击阀套603(各第二导液孔6031的孔壁)，钻井液在折向流道内的流动速度不变，但方向发生剧烈变化；根据动量守恒原理知，钻井液流经各折向流道时，其动量发生改变，其反作用力产生动量矩，阀套603受到高速钻井液冲击并从具有一定速度和方向的钻井液中取得能量，发生旋转。随着阀套603的旋转，阀轴602的第一导液孔6021与阀套603的第二导液孔6031的有效流通面积逐渐减小，直到阀套603旋转一定角度，阀套603的各第二导液孔6031与阀轴602的各第一导液孔6021完全错开，从而关闭各折向流道；由于惯性作用，阀套603继续旋转，阀轴602的各第一导液孔6021与阀套603的各第二导液孔6031的有效流通面积逐渐增大，使阀套603继续受到高速钻井液冲击旋转。这样，随阀套603与阀轴602之间的有效流通面积周期性变化，由大变小，再由小变大，不断的形成水击波，使上游钻井液压力周期性的变化并作用在活塞5上，形成的作用力不断的压壳体3内的弹簧4，形成振动。通过壳体3内流体压力周期性变化，活塞5在该周期性变化的压力和弹簧4力的双重作用下，轴向上往复运动，造成与钻井工具连接的其它钻柱在轴向上往复运动。水力振荡器使相邻的钻具在井眼产生纵向往复运动，钻具在井底的静摩擦变为动摩擦，摩擦阻力大大降低，钻井工具可以有效地减少因井眼轨迹产生钻具拖拉的现象，保证钻头作用于岩石的有效钻压，从而提高机械钻速和延伸能力。
本实施例中，上述的阀轴总成6为全金属件，即阀轴602、阀套603等均为金属件，使得该水力振荡器无橡胶件，使用寿命长，设备生产及维护成本较低。
上述水力振荡器，水击频率取决于各导液孔的数量以及阀套603的旋转速率；经合理地设计，水击频率范围为10-50Hz，阀套603的旋转速度可达到3000r/min，这是单螺杆马达无法实现的。
上述水力振荡器的振荡力取决于钻井液流量、流动的断续时间等，由于本该水力振荡器的结构简单，消耗的水力压降小，可以通过调整阀轴总成6的参数，使水击现象更剧烈，产生的水击波压强更大，形成的振荡力更大，这是单螺杆马达驱动的水力振荡器无法克服的矛盾问题。
进一步对上述的阀轴总成6的参数进行优化：
对于上述的第一导液孔6021与第二导液孔6031的设计，可以有多种实施例，如第一导液孔6021可以是沿阀轴602径向开设的，而第二导液孔6031则是非径向孔；本实施例中，为获得较好的振荡效果，如图4～图11，优选地，每一第一导液孔6021的轴线与该第一导液孔6021入口端所对应的阀轴602径向线之间具有一夹角，各第一导液孔6021组成第一旋流式导液通道。作为优选实施例，各第一导液孔6021在阀轴602侧壁上均匀环形布置，即各第一导液孔6021的轴线与该第一导液孔6021入口端所对应的阀轴602径向线之间的夹角都相同，沿阀轴602内壁周向，每相邻两第一导液孔6021入口之间的周向间距相同，沿阀轴602外壁周向，每相邻两第一导液孔6021出口之间的周向间距相同。进一步优选地，每一所述第二导液孔6031的轴线与该第二导液孔6031入口端所对应的阀套603径向线之间具有一夹角，各所述第二导液孔6031组成第二旋流式导液通道，所述第二旋流式导液通道的旋向与所述第一旋流式导液通道的旋向相反。同样地，各第二导液孔6031优选为在阀套603侧壁上均匀环形布置。在图4～图9的实施例中，上述各第一导液孔6021组成的第一旋流式导液通道呈顺时针旋向，各第二导液孔6031组成的第二旋流式导液通道呈逆时针旋向；反之亦可。采用上述结构，各第一导液孔6021与各第二导液孔6031所导通形成的折向流道的转向效果较好，经第一导液孔6021喷出的钻井液能够直接冲击第二导液孔6031的孔壁从而高速冲击阀套603，水击现象更剧烈，产生的水击波压强更大，形成的振荡力更大。
作为可行的实施例，如图4～图9，所述第一导液孔6021和所述第二导液孔6031的数量均为3～8个，二者的数量可以相同也可以不同，优选为设计第一导液孔6021与第二导液孔6031的数量相同且一一对应，其中一导液孔与一第二导液孔6031连通时，其它的第一导液孔6021与第二导液孔6031一一对应连通，或者，第一导液孔6021的数量少于第二导液孔6031的数量，可以获得更佳的水击效果；
作为可行的实施例，如图4～图9，所述折向流道的转折角为30°～90°，可以满足对阀套603的冲击效果；
作为可行的实施例，如图4～图9，所述第二导液孔6031的孔径大于所述第一导液孔6021的孔径，可以延长第一导液孔6021与第二导液孔6031的连通时间，水击效果更佳。
作为可行的实施例，如图2和图3，第一导液孔6021的高度与第二导液孔6031的高度优选为相同，第一导液孔6021的高度占阀轴602轴向流道长度的1/3～1/2，保证二者之间的匹配连通流量；
作为可行的实施例，如图2和图3，所述阀轴602内壁呈台阶轴结构且内壁大直径段位于该阀轴602靠近所述活塞5的一侧，即上述阀轴602轴向流道存在变径的过程，进一步地，该阀轴602内管呈文丘里结构，可以有效地增大各第一导液孔6021周围的流体流速，上述的水击效果及振荡效果更佳。
接续上述的水力振荡器的结构，如图2和图3，所述回流流道包括沿所述阀轴602周向环形设置的多个回流孔605，各所述回流孔605均自所述环空流道606侧向所述轴向流道侧向下倾斜设置，经阀套603甩出的钻井液可以快速回流至轴向流道内。本实施例中，该回流孔605的数量在3～6个，优选为4个。
接续上述的水力振荡器的结构，如图2和图3，所述阀轴602外壁呈台阶轴结构且外壁小直径段位于该阀轴602靠近所述活塞5的一侧，所述外壁小直径段上螺接有锁紧螺母601，所述阀套603套装于所述外壁小直径段上且夹设于所述锁紧螺母601与所述阀轴602外壁台阶面上。其中，上述阀套603可通过多个环形轴承与阀轴602套接，保证二者之间的相对旋转运动流畅。进一步地，如图2，所述壳体3底部螺纹连接有下部接头，于所述活塞5下方的所述壳体3内壁上加工有台肩，所述锁紧螺母601顶端与所述台肩抵接，所述阀轴602底端与所述下部接头抵接，采用该结构，可实现上述阀轴总成6在壳体3的稳定安装。其中，上述锁紧螺母601设置有密封圈，可与壳体3内密封接触。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。