随着全球经济的快速发展以及人们生活水平不断提高,人们对油气资源的需求也不断增加,目前常规的油气田开发已经不能满足人们的需求,油气的开发必然向更复杂的地层方向发展。在水平井、大位移井等复杂结构井的油气勘探开发中,井眼轨迹难以控制、机械钻速低、钻柱托压等现象会给钻井过程带来很大的问题。为解决上述问题,振荡冲击器应运而生,并且产生了很好的作用效果。本文设计了一种新型负压脉冲振荡器工具用于减小水平井、大位移井的摩擦阻力,并且根据其工作原理进行相应的结构设计、运动学分析、力学分析、动力学分析和流体仿真研究。以下是本文的主要研究内容:结合目前冲击振荡器的研究现状,设计一种新型负压脉冲振荡器,详细分析了负压脉冲振荡器的结构组成和工作原理,并对动力总成进行设计计算,分析了螺杆马达和阀轴总成的运动规律,建立马达和阀轴总成的运动分析模型,对比分析了两种阀口设计方案,并且对减振总成进行了刚度分析。根据算例计算得出螺杆马达和阀轴总成都做周期性运动,阀轴总成的转动频率与钻井液的输入流量成正比,阀轴总成的流面积随径向喷嘴的直径增大而增大;碟簧系统的刚度随着碟簧变形的增大而下降,使得减振总成的隔振能力得到增强。完成工具的结构设计之后,利用运动学分析结果对负压脉冲振荡器的力学特性进行分析,通过流体的工作压降和水击特性得出负压脉冲振荡器产生的冲击力大小。结合算例参数,得出负压脉冲振荡器的工作压降、水击压强和产生的轴向冲击力的算例结果,通过算例结果得出以下规律:当输入工具的流体流量一定时,阀轴总成径向喷嘴直径越大,工具的压降和产生的水击压强越大,工具产生的轴向力冲击力越大。基于ANSYS Fluent仿真软件,对工具阀轴总成内部流体的流动状态进行仿真,分析不同径向喷嘴情况下阀轴总成内部流体速度和压力的分布情况;并且分析流体输入流量对流体运动的影响。最后根据流体仿真结果验证理论计算结果的准确性和合理性。建立负压脉冲振荡器工具在水平井中的轴向振动动力学分析模型,分析工具产生的轴向振动对钻柱系统振动效果的影响,再结合算例参数,分析负压脉冲振荡器的径向喷嘴直径、安装位置、输入流量和压力对钻柱振动效果的影响。根据算例分析结果得出:径向喷嘴的直径越大,工具产生的振动效果越明显;在一定范围内,工具安装在距离钻头越远,分析段钻柱的振动效果越好;工具振动频率随输入流量越的增大而增大。在钻井实际应用中,可根据工具消耗的压降和振动对随钻测量工具的影响,而合理的选择径向喷嘴直径和安装位置。综上所述,本文根据负压脉冲振荡器的结构原理,建立其运动学分析模型和力学分析模型,建立负压脉冲振荡器在水平井段钻柱振动动力学模型,分析其振动效果,并通过有限元流体仿真分析结果验证理论计算的准确性,为负压脉冲振荡器工具今后的现场应用选型和钻井提速提供理论依据。