随着石油能源的逐渐耗竭,在全世界的范围内展开了一场针对页岩气开采的热潮,根据国内与国外研究学者和专家们对于页岩气资源的勘探开发经验表明,水平井钻探技术对于页岩气藏的成功开发是一项关键的技术,在页岩气水平井连续油管的作业中,在水平段1500~2000m连续油管由于摩阻增大,轴向载荷增加极易产生正弦屈曲和螺旋屈曲而自锁,导致连续油管无法达到目的深度使得作业失败,解决页岩气水平井连续油管自锁的关键在于减小井筒的摩擦力。本文针对页岩气水平井钻进中的托压和自锁问题设计了一种Φ73轴向水力振荡器,该水力振荡器由轴向振动短节与水力振荡短节两大部分组成,水力振荡器的动力由钻井液提供,首先钻井液经过轴向振动短节的芯轴中心通孔进入水力振荡短节,通过射流元件喷嘴后形成高速射流,在射流元件内部进行附壁切换,驱动下部活塞在缸体内做往复运动。同时,与活塞杆下端相连的直旋作动器使节流孔上方旋转套做往复摆动运动,周期性地改变节流口的过流断面面积,使得振荡短节入口处产生周期性的脉冲压力波。当压力升高时,流体压力作用轴向振动短节,迫使芯轴压缩碟簧组向左运动,芯轴伸出,当压力降低时,已压缩的碟簧组释放能量,推动芯轴向右运动。这样下部的水力振荡短节为上部的轴向振动短节提供了动力,从而驱动连续油管往复运动,在滑动钻进中解决托压问题。研究发现,在井眼中振动传播的距离与振动减摩工具的工作振幅成正比关系,因此本文设计的水力振荡器轴向振动短节与水力振荡短节能够形成共振以增大其工作振幅,以达到更好的解决托压问题。本文首先针对振动减摩进行了大量的资料收集与阅读分析,对国内外振动减摩工具的研究方法以及设计方法进行了学习,提出了设计小直径连续油管用轴向水力振荡器的目的与意义。随后结合国内外振动减摩工具的研发经验,分析对比了几种振动减摩工具的工作原理以及其优缺点,确定了本文创新设计的水力振荡器的结构,随后介绍了其工作原理并对水力振荡器的创新性演变过程进行了研究,在研究过程中利用了TRIZ创新理论中的振动原理、变害有益原理以及事先防范原理和机械替代原理分别对Φ73轴向水力振荡器的振动性能进行提升以及结构进行完善。接下来介绍了射流元件附壁机理,并对其结构尺寸进行了设计,并且基于流体力学知识对水力振荡器振荡短节中射流元件附壁时的流场进行了简单推导,之后利用SolidWorks三维绘图软件以及hypermesh网格划分软件建立了水力振荡器振荡短节中射流元件活塞缸体流动区域模型,针对射流元件的流场进行了数值模拟并利用FLUENT动网格技术对附壁射流元件动态切换的流场进行了数值模拟,模拟以及分析了在不同的入射流量情况下各个通道的流量与它之间的关系,并选择合适的入射流量既可以使得射流元件能够进行附壁切换又可以降低其切换的难度,并且在给定的条件下模拟得到了水力振荡器振荡短节的激振频率为7赫兹。再然后基于前面的得到的振荡短节激振频率,结合振动力学知识对水力振荡器振动短节部分建立了振动数学力学模型并对水力振荡器振动短节的结构以及内部的碟簧—芯轴进行了设计,设计出的碟簧—芯轴振动系统的固有频率与振荡短节激振频率相近,该固有频率为7.2赫兹,能够使水力振荡器振动短节形成共振以增大振动振幅。最后对水力振荡器振荡短节中直旋作动器流道口不同的孔径大小进行了水击模拟,模拟发现水击压力随着流道口半径的减小而增大。以上这些研究和模拟对Φ73轴向水力振荡器的振动性能有一定提升以及结构进行了更加全面的完善和优化,提高了解决页岩气水平井连续油管钻探过程中的托压问题的能力,为以后进一步研究Φ73轴向水力振荡器提供了一定的基础。