随着石油产品消耗量的逐年上升以及环保意识的日益增强,如何清洁、经济、高效地开采地下石油资源已经成为各国面临的主要问题。针对这个问题,各国在石油钻井手段上相继进行了技术开发。大斜度井、水平井及水平分支井等复杂结构井钻进技术应运而生,被大量的应用到了钻井工程中。这些技术的出现有效地提高了石油产量,降低了成本,同时有效地减少了环境污染。国内石油开采行业也广泛应用了大斜度井、水平井及水平分支井等复杂结构井技术,但在实际应用过程中却存在很多问题,时常出现托压、粘卡现象,特别是在滑动钻进过程中,由于井体斜度的原因钻柱重力很难转化为作用在钻头上的压力,不能给钻头施加有效的钻压,直接影响了钻进速度和钻井周期。本文针对上述出现的问题,研究开发了一种石油钻井用水力振荡器,该设备主要由阀门系统、动力部分和配套部分(振荡／弹簧短节)组成。整个设备依靠钻井液驱动,钻井液流经位于振荡器中的动力部分产生旋转运动,带动阀门系统工作,使钻井液流量发生变化从而产生振荡器内部压强变化,压强的变化作用于振荡器中的弹簧短节上产生温和的振荡力,并通过钻具传递给钻头。这种温和的振动可减少钻具在井壁上的摩擦,降低粘卡可能性,有效提高钻压,提升钻进速度,缩短钻井周期。振动频率作为设计中的一个关键指标,将决定水力振荡器的使用性能。而振动频率的大小是由动力部分的运动情况决定的。本文对动力部分中的主体——螺杆马达的运动特性展开了研究,从理论上研究分析了马达转子的运动规律,并运用ADAMS运动仿真对其展开了运动仿真分析,仿真分析分析结果与理论分析结果相吻合。与此同时,还运用Matlab中的Simulink模块对转子启动过程的动态特性进行了仿真,仿真结果表明,马达在0.01s之后将进入正常的工作状态。由于水力振荡器自身工作特点及工作环境的因素,它在工作过程中将会受到来自自身和外部的激励,可能会产生非目标振动,这种无效振动将极大影响设备的功能,降低使用性能和寿命。所以,对水力振荡器的振动特性进行研究就非常必要。模态分析作为研究结构的振动特性的方法己被广泛应用。本课题就应用这一方法对水力振荡器进行了分析,由分析结果可知,水力振荡器固有模态频率均偏离振荡器工作频率以及钻头工作频率,可以避开共振。同时通过对比水力振荡器自由模态和约束模态的结果,发现施加约束后,水力振荡器模态受到较大影响,振型和频率均发生明显变化。最后按照设计方案试制样机并试验,试验结果表明水力振荡器的工作压力及工作频率均达到设计要求。