井斜与水垂比可调的旋转钻进大型比例实验台架的制作方法

本发明涉及一种用于开展大斜度井、定向井和水平井模拟钻进的大型比例实验台架，该实验装置可开展多种井身结构条件下，旋转钻柱钻进动力学参数、摩阻扭矩、钻柱涡动与屈曲行为等实验研究工作。

背景技术：

在油气钻探相关工艺及井下工具的研究过程中，常常面临因实验条件限制，无法有效开展大规模的模拟钻进实验研究，以致无法获得支撑后续相关研究的关键性技术资料。虽然开展实验井或现场钻进实验是最佳的实验方案，但过高的成本、技术要求以及安全因素，成为限制其开展大规模实验的主要原因，因此必须寻找一种更为经济、有效的实验方法。

井斜与水垂比可调的旋转钻进大型比例实验台架便是一种功能强大的综合实验台架，它针对现有实验台架存在的井身结构不可调、流体循环介质使用单一、无法模拟实钻破岩等问题，采用多滑轨架单元组成可调节的实验台架基座，借助液力举升装置可模拟各种井斜角条件下的钻进，并利用先进的非接触式位移数据采集模块测量钻柱运动位移，避免了常规测量方法导致的误差，同时可对钻柱运动状态进行可视化观测。该实验装置将为油气钻探技术的相关研究工作，提供强有力的实验手段。

技术实现要素：

本发明目的是：针对现有实验台架的不足，特提供一种可开展旋转钻柱钻进动力学参数、摩阻扭矩、钻柱涡动与屈曲行为等实验研究工作的井斜与水垂比可调的旋转钻进大型比例实验台架。

为达到上述目的，本发明特提供一种井斜与水垂比可调的旋转钻进大型比例实验台架，所采用的技术方案是：井斜与水垂比可调的旋转钻进大型比例实验台架，包括动力端系统、井身系统、井底微钻系统和数据采集系统，其特征在于：可拆分式移动滑轨架和可伸缩滑轨架顺序连接组成整个实验台架的基座，液力举升装置一端固定在可拆分式移动滑轨架上，另一端固定在可伸缩滑轨架上，可伸缩滑轨架铰接在可拆分式移动滑轨架上，动力端系统安装在可伸缩滑轨架顶端，井身系统安装在可拆分式移动滑轨架和可伸缩滑轨架上，井身系统上端与动力端系统连接，另一端与井底微钻系统连接，井底微钻系统安装在可拆分式移动滑轨架末端；动力端系统由液力伺服机构、调速电机、流体入口腔、压力传感器1、流体旁通阀、快接转换接头组成，压力传感器1上端安装在液力伺服机构上，下端与推力轴承固定，流体旁通阀安装在流体入口腔内，上端与推力轴承连接，下端通过螺纹与快接转换接头连接，流体旁通阀上部安装有同步带轮，通过同步带与调速电机连接，流体入口腔外端与入口水管连接，快接转换接头通过螺纹与pvc管连接；井身系统由pvc管、玻璃管、钢丝软管和调整支座组成，玻璃管安装在可伸缩滑轨架与可拆分式移动滑轨架上，连接部位采用钢丝软管作为过渡连接，调整支座用以支撑钢丝软管，玻璃管顶端安装有出口水管，pvc管安装在玻璃管与钢丝软管内，pvc管下端安装微钻头，紧邻微钻头的pvc管侧开有流体循环孔；井底微钻系统由微钻头、岩石箱、岩石安装导轨、岩石安装导轨支座、岩石箱导轨和压力传感器2组成，岩石上下表面安装有岩石安装导轨，配合岩石安装导轨支座一起放置在岩石箱内，岩石后端面与岩石箱支撑面间安装有压力传感器2，岩石安装导轨将玻璃管下端法兰紧压在岩石前端面上，岩石箱通过岩石箱导轨安装在可拆分式移动滑轨架上；数据采集系统由调速电机电流检测仪表、压力传感器数据采集模块、非接触式位移数据采集模块、高速摄像机和计算机组成；

使用井斜与水垂比可调的旋转钻进大型比例实验台架，包括以下步骤：

（1）根据实验井身结构特点，调整可伸缩滑轨架倾斜角度与长度，调整可拆分式移动滑轨架长度，并在井底微钻系统中安装实验岩石样块，同时将根据钻具组合特点而特制的pvc管放入玻璃管与钢丝软管中；

（2）启动调速电机，带动整个pvc管和微钻头旋转至目标转速，同时启动液力伺服机构，轴向移动动力端系统，对pvc管施加轴向载荷；

（3）根据钻井工艺特点，从入口水管泵入相应的流体介质，经pvc管、玻璃管后从出口水管排出，建立流体介质的循环；

（4）通过压力传感器数据采集模块采集压力传感器1和压力传感器2的数据，pvc管转速可通过调速电机自带的数显仪表读出，调速电机扭矩可根据电流检测仪表获得的电流值计算得出，通过非接触式位移数据采集模块测出特定位置处的pvc管在玻璃管轴向平面内的运动轨迹，以上所有采集数据均通过计算机进行存储和分析；

（5）采用高速摄像机获取某长度段内pvc管的运动状态。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：（1）该实验装置采用液压举升系统，可实现一个平台开展多种井身结构条件下的模拟钻进实验研究；（2）由于提供了密封条件下的流体介质流通通道，可模拟泥浆、气体、泡沫等多种循环流体介质环境，扩大实验装置的适用范围；（3）井底采用了微钻头破岩模拟钻头破岩钻进，相比传统铰接等方法，实验结果更加精确；（4）采用了诸如非接触式等先进的数据采集模块，提高了数据采集的精度；（5）实验台架功能齐全、造价合理，具有很好的经济性，能满足多种工况下的实验要求。

附图说明

图1为本发明井斜与水垂比可调的旋转钻进大型比例实验台架的结构示意图；

图2为本发明井斜与水垂比可调的旋转钻进大型比例实验台架的动力端系统结构示意图；

图3为本发明井斜与水垂比可调的旋转钻进大型比例实验台架的井底微钻系统结构示意图；

图中：1可伸缩滑轨架；2液压举升装置；3玻璃管；4钢丝软管；5调整支座；6pvc管；7可拆分式移动滑轨架；8液力伺服机构；9调速电机；10压力传感器1；11推力轴承；12同步带；13流体入口腔；14流体旁通阀；15快接转换接头；16入口水管；17微钻头；18岩石箱；19岩石安装导轨；20岩石安装导轨支座；21岩石；22压力传感器2，23岩石箱导轨；24出口水管。

具体实施方式

由图1~3所示，本发明涉及的井斜与水垂比可调的旋转钻进大型比例实验台架由动力端系统、井身系统、井底微钻系统和数据采集系统组成。可拆分式移动滑轨架（7）和可伸缩滑轨架（1）顺序连接组成整个实验台架的基座，液力举升装置（2）一端固定在可拆分式移动滑轨架（7）上，另一端固定在可伸缩滑轨架（1）上，可伸缩滑轨架（1）铰接在可拆分式移动滑轨架（7）上，动力端系统安装在可伸缩滑轨架（1）顶端，井身系统安装在可拆分式移动滑轨架（7）和可伸缩滑轨架（1）上，井身系统上端与动力端系统连接，另一端与井底微钻系统连接，井底微钻系统安装在可拆分式移动滑轨架（7）末端；动力端系统由液力伺服机构（8）、调速电机（9）、流体入口腔（13）、压力传感器1（10）、流体旁通阀（14）、快接转换接头（15）组成，压力传感器1（10）上端安装在液力伺服机构（8）上，下端与推力轴承（11）固定，流体旁通阀（14）安装在流体入口腔（13）内，上端与推力轴承（11）连接，下端通过螺纹与快接转换接头（15）连接，流体旁通阀（14）上部安装有同步带轮，通过同步带（12）与调速电机（9）连接，流体入口腔（13）外端与入口水管（16）连接，快接转换接头（15）通过螺纹与pvc管（6）连接；井身系统由pvc管（6）、玻璃管（3）、钢丝软管（4）和调整支座（5）组成，玻璃管（3）安装在可伸缩滑轨架（1）与可拆分式移动滑轨架（7）上，连接部位采用钢丝软管（4）作为过渡连接，调整支座（5）用以支撑钢丝软管（4），玻璃管（3）顶端安装有出口水管（23），pvc管（6）安装在玻璃管（3）与钢丝软管（4）内，pvc管（6）下端安装微钻头（17），紧邻微钻头（17）的pvc管（6）侧开有流体循环孔；井底微钻系统由微钻头（17）、岩石箱（18）、岩石安装导轨（19）、岩石安装导轨支座（20）、岩石箱导轨（23）和压力传感器2（22）组成，岩石上下表面安装有岩石安装导轨（19），配合岩石安装导轨支座（20）一起放置在岩石箱（18）内，岩石后端面与岩石箱（18）支撑面间安装有压力传感器2（22），岩石安装导轨（19）将玻璃管（3）下端法兰紧压在岩石前端面上，岩石箱（18）通过岩石箱导轨（23）安装在可拆分式移动滑轨架（7）上；数据采集系统由调速电机电流检测仪表、压力传感器数据采集模块、非接触式位移数据采集模块、高速摄像机和计算机组成；

采用井斜与水垂比可调的旋转钻进大型比例实验台架，包括以下步骤：

（1）根据实验井身结构特点，调整可伸缩滑轨架（1）倾斜角度与长度，调整可拆分式移动滑轨架（7）长度，并在井底微钻系统中安装实验岩石样块，同时将根据钻具组合特点而特制的pvc管（6）放入玻璃管（3）与钢丝软管（4）中；

（2）启动调速电机（9），带动整个pvc管（6）和微钻头（17）旋转至目标转速，同时启动液力伺服机构（8），轴向移动动力端系统，对pvc管（6）施加轴向载荷；

（3）根据钻井工艺特点，从入口水管（16）泵入相应的流体介质，经pvc管（6）、玻璃管（3）后从出口水管（24）排出，建立流体介质的循环；

（4）通过压力传感器数据采集模块采集压力传感器1（10）和压力传感器2（22）的数据，pvc管（6）转速可通过调速电机（9）自带的数显仪表读出，调速电机（9）扭矩可根据电流检测仪表获得的电流值计算得出，通过非接触式位移数据采集模块测出特定位置处的pvc管（6）在玻璃管（3）轴向平面内的运动轨迹，以上所有采集数据均通过计算机进行存储和分析；

（5）采用高速摄像机获取某长度段内pvc管（6）的运动状态。