扭矩冲击器用的试验装置的制作方法

本实用新型涉及钻井设备领域，特别涉及一种扭矩冲击器用的试验装置。

背景技术：

随着油气资源被不断地深入开发，深井、超深井的钻井数量也在不断增多。在较深的硬地层中,钻具失效很大一部分是由于钻头的“卡-滑”现象所导致,为提高硬地层的钻探效率、延长井下工具寿命在常规钻井的基础上于PDC钻头的上设置了扭矩冲击器。扭矩冲击器，又叫扭力冲击器，其可以利用周期性高频扭向冲击钻井技术来提高硬地层的钻探效率。因此开展周期性高频扭向冲击钻井技术相关方面的研究显得极为重要。

目前对于扭矩冲击器的测试试验方面未见相关的标准及要求，其实施方案及手段也未见相关文献报道。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷中的至少一种，本实用新型所要解决的技术问题是提供了一种扭矩冲击器用的试验装置，其可以试验得出冲击器倾斜角度对冲击动态特性的影响，从而为水平井和造斜井的扭矩冲击器的冲击能量的优化提供依据。

本实用新型的具体技术方案是：

一种扭矩冲击器用的试验装置，包括：

底座；

支撑架，所述支撑架的一端与所述底座铰接；

夹具，设置在所述支撑架上，用于对扭矩冲击器进行限位和夹持；

驱动装置，所述驱动装置包括与所述底座铰接的活塞筒、能滑动地设置在所述活塞筒内的活塞、与所述活塞固定连接的活塞杆，所述活塞杆伸出所述活塞筒的一端与所述支撑架铰接；

角度定位装置，所述角度定位装置上开设有多个沿圆周方向排布的第一定位孔；

锁紧装置，所述锁紧装置包括与所述支撑架固定的锁定板，所述锁定板上设置有第二定位孔，所述锁紧装置还包括能插入所述第一定位孔和所述第二定位孔的定位销。

优选地，所述夹具包括设置在所述支撑架上的卡箍。

优选地，所述卡箍包括两个相对的弧形板，其中一个弧形板与所述支撑架固定连接，每个所述弧形板具有朝向另一个弧形板开口的弧形槽，两个所述弧形板之间设置有螺栓，以使两个所述弧形板能沿开口方向移动。

优选地，所述活塞杆与所述支撑架的连接处位于所述支撑架的中部。

优选地，所述试验装置包括设置在所述扭矩冲击器上游的卡瓦单元、设置在所述卡瓦上的上接头、设置在扭矩冲击器下游的扭矩冲击器连接部、固设在所述支撑架上的下接头、设置在所述扭矩冲击器连接部上并能相对所述下接头转动的转动接头。

优选地，所述试验装置包括用于采集扭矩冲击器的周向振动频率数据的频率检测装置。

优选地，所述锁紧装置包括壳体、设置在所述壳体内的第一传动齿、与所述第一传动齿啮合的第二传动齿、用于驱动所述第二传动齿的电动机，所述第一传动齿与所述定位销通过花键轴啮合，所述定位销与所述壳体之间设置有弹性元件。

优选地，所述壳体限定所述第一传动齿，以限制所述第一传动齿移动。

优选地，所述定位销伸入所述第一定位孔的一端具有楔形面。

优选地，所述定位销具有楔形面的相背对的侧面为平面。

优选地，所述试验装置包括设置在扭矩冲击器的入口和/或出口的压力计。

优选地，所述频率检测装置包括两个设置在扭矩冲击器连接部上并且相互垂直的传感器。

通过上述结构，本实用新型实施例能够模拟钻直井或斜井作业时扭矩冲击器在不同角度下的工作状态，以了解冲击器倾斜角度对冲击动态特性的影响，从而为水平井和造斜井的扭矩冲击器的冲击能量的优化提供依据，延长钻头及下部钻柱组合的寿命。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。

图1为本申请实施例中扭矩冲击器用的试验装置中的支撑架处于倾斜状态的结构示意图。

图2为本申请实施例中扭矩冲击器用的试验装置中的支撑架处于水平状态的结构示意图。

图3为底座的结构示意图。

图4为支撑架和扭矩冲击器的结构示意图。

图5A为夹具的一个结构示意图。

图5B为夹具的另一个结构示意图。

图6A为部分的锁紧装置处于第一状态的结构示意图。

图6B为部分的锁紧装置处于第二状态的结构示意图。

图7为扭矩冲击器用的试验装置的立体结构示意图。

以上附图的附图标记为：1、底座；2、第一支撑座；21、第二支撑座；22、第三支撑座；23、横梁；24、键槽；25、耳板座；26、第一耳板；27、第二耳板；28、第三耳板；281、第二定位孔；29、连接板；3、控制器；41、铆钉式接头；42、下接头；43、刚性滚珠；44、转动接头；45、扭矩冲击器连接部；46、扭矩冲击器主体；47、上接头；48、梯形螺母；49、卡瓦；50、内卡瓦连接器；5、出口压力计；6、X方向传感器；7、Y方向传感器；8、进口压力计；9、卡箍；91、螺母；92、螺栓；93、弧形板；10、支撑架；11、锁紧装置；110、楔形面；111、定位销；112、大齿轮；113、壳体；114、弹性元件；115、电机；116、小齿轮；117、第一支臂；118、第二支臂；119、第一定位孔；12、角度定位装置；13、驱动装置；131、活塞筒；132、活塞杆。

具体实施方式

结合附图和本实用新型具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本实用新型的细节。但是，在此描述的本实用新型的具体实施方式，仅用于解释本实用新型的目的，而不能以任何方式理解成是对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下，技术人员可以构想基于本实用新型的任意可能的变形，这些都应被视为属于本实用新型的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参照图1、图2以及图7所示，本申请实施例公开了一种扭矩冲击器用的试验装置，包括：底座1；支撑架10，所述支撑架10的一端与所述底座1铰接；夹具，设置在所述支撑架10上，用于对扭矩冲击器进行限位和夹持；驱动装置13，所述驱动装置13包括与所述底座1铰接的活塞筒131、能滑动地设置在所述活塞筒131内的活塞、与所述活塞固定连接的活塞杆132，所述活塞杆132伸出所述活塞筒131的一端与所述支撑架10铰接；角度定位装置12，所述角度定位装置12上开设有多个沿圆周方向排布的第一定位孔119；锁紧装置11，所述锁紧装置11包括与所述支撑架10固定的锁定板，所述锁定板上设置有第二定位孔281，所述锁紧装置11还包括能插入所述第一定位孔119和所述第二定位孔281的定位销111。

通过上述结构，本实用新型实施例能够模拟钻斜井作业时扭矩冲击器在不同角度下的工作状态，以了解冲击器倾斜角度对冲击动态特性的影响，从而为水平井和造斜井的扭矩冲击器的冲击能量的优化提供依据，延长钻头及下部钻柱组合的寿命。

具体的，底座1可以置于地面上，以对本申请实施例中的试验装置提供支撑。在本实施方式中，参照图3所示，底座1上可以设置有三个并列排布的横梁23。其中，位于底座1左侧的横梁23上设置有沿竖直方向延伸的第一支撑座2。第一支撑座2上与第一耳板26铰接。该第一耳板26与支撑架10的左端固定连接。位于底座1中部的横梁23上设置有沿竖直方向延伸的第二支撑座21。位于底座1右侧的横梁23上设置有沿竖直方向延伸的第三支撑座22。所述角度定位装置12包括设置在第二支撑座21上的第一支臂117以及设置在所述第三支撑座22上的第二支臂118。第一支臂117与第二支臂118固定连接。第二支臂118上设置有多个沿圆周方向排布的第一定位孔119。所述支撑架10固定有第三耳板28。第三耳板28上设置有第二定位孔281。在本实施方式中，在第二支臂118上每五度开设有一个的第一定位孔119。当然的，第一定位孔119的设置可以根据实际需要进行设置。在本实施方式中，在位于底座1中部的横梁23和位于右侧的横梁23之间设置有连接板29。所述连接板29上设置有耳板座25。

参照图1和图2所示，所述驱动装置13包括活塞筒131、活塞以及活塞杆132。活塞能在驱动作用下在带动活塞杆132相对活塞筒131移动。活塞杆132伸出所述活塞筒131的一端与固设在支撑架10中部的第二耳板27铰接。活塞筒131与设置在连接板29上的耳板座25铰接。由此，当活塞杆132伸长或缩回活塞筒131时，活塞杆132能够带动支撑架10相对底座1转动。

例如，图1中，支撑架10可以与底座1之间形成一锐角。图2中，支撑架10可以水平于底座1。

在一个优选的实施方式中，参照图3所示，横梁23上设置有多个沿横轴方向延伸的键槽24。第一支撑座2、第二支撑座21、第三支撑座22、耳板座25通过键槽24连接在横梁23上，从而使第一支撑座2、第二支撑座21、第三支撑座22、耳板座25在横轴方向进行一定程度的调整。

参照图1、图2、图5A和图5B所示，所述夹具设置在所述支撑架10上，用于对扭矩冲击器进行限位和夹持。参照图5A和图5B所示，所述夹具包括多个沿支撑架10的长轴方向排布的卡箍9。每一个卡箍9包括两个相对的弧形板93。其中位于下侧的弧形板93固定在支撑架10上。位于下侧的弧形板93具有朝上的弧形槽。位于上侧的弧形板93具有朝下的弧形槽。两个弧形板93的两侧可以通过螺栓92和螺母91连接，以调节两个弧形板93之间的间距，从而使弧形板93的弧形槽的弧形面与扭矩冲击器相切，从而适配于不同直径的扭矩冲击器。由此，本申请中的试验装置具有较好的适应性。

在本实施方式中，参照图6A和图6B所示，锁紧装置11包括壳体113、设置在所述壳体113内的大齿轮112、与所述大齿轮112啮合的小齿轮116、用于驱动所述小齿轮116的电动机，所述大齿轮112与所述定位销111通过花键轴啮合，以使当所述大齿轮112转动时，能够带动所述定位销111相对其移动。所述定位销111与所述壳体113之间设置有弹性元件114，从而能使定位销111复位。

优选地，所述定位销111伸入所述第一定位孔119以及第二定位孔281的一端呈楔形。

在试验台架的倾角不断增大时，此时锁紧装置11如图6A所示，此时定位销111的楔形面110朝上，由于此时角度定位装置12上的孔内侧面位于定位销111的楔形面110上，支撑架10受到活塞筒131(例如，油缸)的顶驱作用会使锁紧装置11的定位销111的楔形面110受到指向锁紧装置11内部分力，此时定位销111会向内部运动压缩定位装置的弹性元件114(例如，弹簧)，当定位销111随支撑架10上升到与第二定位孔281相对齐时，由于弹性元件114的弹性恢复会使定位销111插入锁定板的第二定位孔281中，由于此时定位销111的下端面为平面，因此定位销111此时可以防止锁定装置从支撑架10上滑落。

当试验倾角需要变小时，即支撑架10下降时，锁紧装置11的定位销111如图6B所示。此时定位销111的楔形面110朝下，定位销111的平面朝上。定位销111通过步进电机115驱动小齿轮116转动至该位置。当支撑架10下降到所需角度时，步进电机115反向转动使得定位销111转过180°转到如图6A所示的上升状态进行卡死。

在本实施方式中，参照图4所示，所述试验装置包括设置在所述扭矩冲击器主体46上游的卡瓦单元、设置在所述卡瓦上的上接头47、设置在扭矩冲击器主体46下游的扭矩冲击器连接部45、固设在所述支撑架10上的下接头42、设置在所述扭矩冲击器连接部45上并能相对所述下接头42转动的转动接头44、固定在所述下接头42和支撑架10上的铆钉式接头41。下接头42与转动接头44之间安装有刚性滚珠43和O型密封圈，在进行试验时扭矩冲击器连接部45发生周向的高频振动。转动接头44与扭矩冲击器主体46的中接口采用倒扣式螺纹连接，因此转动接口也处于轴向高频振动状态。当流体从入口向出口流动时，通过刚性滚珠43可以使转动接头44绕下接口发生相对转动。所述卡瓦单元包括卡瓦和内卡瓦连接器50。所述卡瓦的楔形面110与内卡瓦连接器50的楔形面110相接触连接，并采用梯形螺母48来调节卡瓦的卡紧力。上接头47的锥螺纹面与扭矩冲击器主体46的外壳相连接，上接头47与下接头42上分别装有进口压力计8和出口压力计5来检测进出口处的钻压变化情况，为实际钻井时对钻井液压强控制提供依据和指导，本实用新型并不以此为限。

参照图1和图2所示，在本实施方式中，扭矩冲击器用的试验装置中的频率检测装置可以包括X方向传感器6、Y方向传感器7，控制器3以及用于将X方向传感器6和Y方向传感器7分别与控制器3电性连接的传感器连接线。X方向传感器6、Y方向传感器7相互垂直安装在扭矩冲击器连接部45上，分别采集两个方向的周向振动频率数据。X方向传感器6和Y方向传感器7通过传感器导线连接在控制器3的相关数据采集和显示元件上，本实用新型并不以此为限。由此，通过X方向传感器6和Y方向传感器7来测试不同倾角下扭矩冲击器的冲击频率特性，以了解冲击器倾斜角度对冲击动态特性的影响，从而为水平井和造斜井的扭矩冲击器的冲击能量的优化提供依据，延长钻头及下部钻柱组合的寿命。

本申请实施例可以通过锁紧机构有效提高操作人员的安全问题，通过集成化的控制器3对整台试验装置的所有阀门、油缸、电机115等元件进行操作，提高自动化程度。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的实用新型主题的一部分。