专利名称：一种用于模拟底部钻具组合力学特性的测力装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于模拟底部钻具组合力学特性的测力装置，属于管柱动力学测试技术领域。
背景技术：
在石油勘探与开发过程中，钻井是必不可少的基本环节，具有资金和技术密集型特征。钻柱力学特性研究是现代钻井工程理论和技术的重要组成部分。随着钻井技术向高温高压井、深井超深井、特殊工艺井(包括定向井、水平井、大位移井、复杂结构井、丛式井、欠平衡钻井及套管钻井等)等方向发展，对管柱力学，特别是对底部钻具组合力学性能的研究提出了更高的要求，需要进一步掌握底部钻具组合防斜打直的机理。国内外许多学者对底部钻具组合的力学问题进行了大量理论研究，并通过建立理想模型和理论计算，取得了很多成果。比如，自1950年A.Lubinski较系统、全面地研究了竖直井中钻柱的受力与变形，开创了钻柱力学研究的新局面之后，先后出现了 B.H.Walker的能量法、W.B.Bradley和F.J.Fischer的差分法、白家祉的纵横弯曲法、K.K.Millheim的有限元法、高德利的加权余量法、狄勤丰的预弯曲动力学防斜打快钻具组合动力学模型等，但仅从理论角度了解并分析底部钻柱的动力学特性是不全面的。随着随钻测量技术的发展，国外已分别利用电缆传输、井下存储、基于底部钻柱动力学模型的地面测量和室内模拟测量等方法，对井下底部钻柱受力和运动特性进行了实验研究和现场测量，取得了较大发展(参见:US4324297、US4445578、US4662458、US4958517)，但仍存在难度大、经济成本高等缺点，且国内目前还不能很好的现场测量BHA动力学特性，缺少先进的地面和井下测量系统，因此，现阶段有必要进一步开展底部钻具组合力学特性的室内模拟研究。本
实用新型内容本实用新型的目的是，为了克服上述已存在的技术问题和不足，进一步提高室内实验模拟底部钻具组合力学性能的研究水平，特提供一种用于模拟底部钻具组合力学特性的测力装置。本实用新型实现其目的所采用的技术方案是:一种用于模拟底部钻具组合力学特性的测力装置，主要由安装座1、测力环2、应变片3、弹性片4、模拟钻铤5、模拟钻头6、拉压传感器压杆7、弹性片紧固螺栓8、弹性片紧固螺栓垫圈9、弹性片垫片10、拉压传感器压杆紧固螺栓11、拉压传感器12、底座13、测力环紧固螺栓14、拉压传感器紧固螺栓15构成。模拟钻铤5与模拟钻头6螺纹连接，其轴线与安装座I的轴线重合；测力环2嵌入安装座1，在测力环2内圆上切3个相间120°的刀槽安装弹性片4，弹性片4由弹性片紧固螺栓8固定在测力环2上，3个弹性片4围成的圆的直径等于模拟钻头6的直径，以保证3个弹性片4与模拟钻头6在初始状态下接触；通过改变弹性片4的厚度可以测量模拟钻头6的不同侧向力，并选择合适厚度的弹性片垫片10以保证3个弹性片4围成的内切圆的直径等于模拟钻头6的直径，测力环紧固螺栓14相间180°分布以固定测力环2 ;优选地，应变片3贴在弹性片4的两面以构成半桥连接的应变式测力传感器；优选地，拉压传感器压杆7安装在拉压传感器12上，顶端与模拟钻头6的顶端接触以测量模拟钻头6的轴向压力，拉压传感器压杆紧固螺栓11固紧拉压传感器压杆7以消除拉压传感器压杆7与拉压传感器12之间螺纹连接的间隙；底座13约束拉压传感器12的轴向位移；拉压传感器紧固螺栓15相间180°分布以约束拉压传感器12的横向位移。本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果:(1)能连续动态的、准确的测量模拟钻头的轴向压力及侧向力；(2)结构简单、制作方便，并容易测量不同直径的模拟钻头及其大小范围不同的侧向力。因此，为室内研究模拟底部钻具合的力学特性提供了有效的测量数据，进一步提高了底部钻具组合力学特性的研究水平。
图1为用于模拟底部钻具组合力学特性的测力装置装配图。图2为图1的A向剖面图。图3为图1的B向剖面图。图4a为用于模拟底部钻具组合力学特性的测力装置的弹性片和应变片装配图的主视图。图4b为用于模拟底部钻具组合力学特性的测力装置的弹性片和应变片装配图的俯视图。图5为用于测量模拟钻头侧向力和轴向压力的流程图。图中:1.安装座、2.测力环、3.应变片、4.弹性片、5.模拟钻铤、6.模拟钻头、7.拉压传感器压杆、8.弹性片紧固螺栓、9.弹性片紧固螺栓垫圈、10.弹性片垫片、11.拉压传感器压杆紧固螺栓、12.拉压传感器、13.底座、14.测力环紧固螺栓、15.拉压传感器紧固螺栓。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。如图1，图2，图3所示，本实用新型是一种用于模拟底部钻具组合力学特性的测力装置，主要由安装座1、测力环2、应变片3、弹性片4、拉压传感器压杆7、弹性片紧固螺栓8、弹性片紧固螺栓垫圈9、弹性片垫片10、拉压传感器压杆紧固螺栓11、拉压传感器12、底座13、测力环紧固螺栓14、拉压传感器紧固螺栓15构成，其中弹性片4用弹簧钢加工和制作。各组成部件的安装连接关系为:模拟钻铤5与模拟钻头6螺纹连接组成模拟底部钻具组合，其远离钻头端与驱动装置相连，近钻头端的模拟钻头6安装在测力装置内，测力装置的安装座I被夹具夹紧固定；测力环2嵌入安装座1，在测力环2内圆上切3个相间120°的刀槽安装弹性片4 ;如图4a、图4b所示，应变片3贴在弹性片4的两面以构成半桥连接的应变式测力传感器；弹性片4由弹性片紧固螺栓8固定在测力环2上，3个弹性片4围成的内切圆的直径等于模拟钻头6的直径，以保证3个弹性片4与模拟钻头6在初始状态下接触，构成测量模拟钻头6的侧向力的侧向力传感器；通过改变弹性片4的厚度可以测量模拟钻头6的不同侧向力，并选择合适厚度的弹性片垫片10以保证3个弹性片4围成的内切圆的直径等于模拟钻头6的直径；测力环紧固螺栓14相间180°分布以固定测力环2。[0018]拉压传感器12为北京安迪世纪电子有限公司生产的LCl 102型应变式拉压力传感器，出厂时已标定；拉压传感器压杆7安装在拉压传感器12上，顶端与模拟钻头6的顶端接触以测量模拟钻头6的轴向压力，拉压传感器压杆紧固螺栓11固紧拉压传感器压杆7以消除拉压传感器压杆7与拉压传感器12之间螺纹连接的间隙。底座13约束拉压传感器12的轴向位移；拉压传感器紧固螺栓15相间180°分布以约束拉压传感器12的横向位移。本实用新型的工作过程为:将应变片3贴在弹性片4的正反两面，接着将3个同样的弹性片4间隔120°由弹性片紧固螺栓8固定在测力环2上，构成侧向力传感器；如图5所示，使用之前对侧向力传感器进行标定，得到力与应变的对应关系；将侧向力传感器和拉压传感器12安装在安装座I上并被试验台上的夹具夹紧固定；通过信号电缆将侧向力传感器、拉压传感器12和信号采集模块、计算机连接在一起；将模拟井筒、模拟钻柱装夹在试验台上；通过试验台的加载系统为模拟钻柱加载一定的转速和轴向压力；这时信号采集模块按照已设好的采集频率采集信号，并存储在计算机中，待试验完成后读取已记录好的数据，然后根据标定数据进行数据转化，得到钻头的轴向力与侧向力。本实用新型可测量在模拟底部钻具组合旋转时模拟钻头处动态变化的轴向压力和侧向力，提高底部钻具组合力学性能的研究水平，进一步改进底部钻具组合设计和提高井眼轨迹的控制水平，从而减少起下钻次数、缩短钻井周期，降低钻井成本。
权利要求1.一种用于模拟底部钻具组合力学特性的测力装置，主要由安装座(I)、测力环(2)、应变片(3)、弹性片(4)、模拟钻铤(5)、模拟钻头(6)、拉压传感器压杆(7)、弹性片紧固螺栓(8)、弹性片紧固螺栓垫圈(9)、弹性片垫片(10)、拉压传感器压杆紧固螺栓(11)、拉压传感器(12)、底座(13)、测力环紧固螺栓(14)、拉压传感器紧固螺栓(15)构成，其特征是:模拟钻铤(5)与模拟钻头(6)螺纹连接，其轴线与安装座⑴的轴线重合；测力环(2)嵌入安装座(I)，在测力环⑵内圆上切3个相间120°的刀槽安装弹性片(4)，弹性片(4)由弹性片紧固螺栓⑶固定在测力环⑵上，3个弹性片(4)围成的内切圆的直径等于模拟钻头(6)的直径，以保证3个弹性片(4)与模拟钻头(6)在初始状态下接触；通过改变弹性片(4)的厚度可以测量模拟钻头(6)的不同侧向力，并选择合适厚度的弹性片垫片(10)以保证3个弹性片⑷围成的圆的直径等于模拟钻头(6)的直径；测力环紧固螺栓(14)相间180°分布以固定测力环(2)。
2.如权利要求1所述的测力装置，其特征是:应变片(3)贴在弹性片(4)的两面以构成半桥连接的应变式测力传感器。
3.如权利要求1所述的测力装置，其特征是:拉压传感器压杆(7)安装在拉压传感器(12)上，顶端与模拟钻头￠)的顶端接触以测量模拟钻头￠)的轴向压力，拉压传感器压杆紧固螺栓(11)固紧拉压传感器压杆(7)以消除拉压传感器压杆(7)与拉压传感器(12)之间螺纹连接的间隙；底座(13)约束拉压传感器(12)的轴向位移 ；拉压传感器紧固螺栓(15)相间180°分布以约束拉压传感器(12)的横向位移。
专利摘要本实用新型涉及一种用于模拟底部钻具组合力学特性的测力装置，主要由安装座、测力环、应变片、弹性片、模拟钻铤、模拟钻头、拉压传感器压杆、紧固螺栓、垫圈、垫片、紧固螺母、拉压传感器、底座构成。模拟钻铤与模拟钻头螺纹连接，其轴线与安装座轴线重合；测力环嵌入安装座，在测力环内圆上相间120°切槽安装3个弹性片；应变片贴在弹性片的两面构成半桥连接的梁式测力传感器；紧固螺栓将弹性片、垫圈、垫片固定在测力环上以测量模拟钻头的侧向力；拉压传感器压杆安装在拉压传感器上并由紧固螺母固紧以测量模拟钻头的轴向压力。本实用新型可测量模拟钻头处的轴向压力和侧向力，为改进底部钻具组合设计和提高井眼轨迹的控制水平提供依据。
文档编号E21B47/00GK202991008SQ20122069901
公开日2013年6月12日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者范永涛, 高德利, 房军, 宋执武 申请人:中国石油大学(北京)