水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验方法及实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验方法及实验装置，属于非开挖工程领域。
【背景技术】
[0002]水平定钻技术(Horizontal Direct1nal Drilling，HDD)是采用安装于地表的钻孔设备，以相对于地面的较小的入射角钻入地层形成导向孔，然后将导向孔扩至所需大小并铺设管道(线)的一项技术。目前，水平定向钻技术已广泛应用于市政管道和大直径长距离油气管道穿江过河中。随着我国经济飞速发展，能源需求不断增加，水平定向钻施工的管道尺寸越来越大，一次性穿越长度也越来越长。针对以往的HDD工程案例进行分析可知，孔内不稳定因素导致扩孔扭矩增加、回拖力过大，孔内钻杆的受力状态复杂:钻杆除了受到拉力和扭矩的作用以外，还会受到扩孔钻具回转而产生的交变弯曲应力、地层复杂非均质导致的孔内钻杆发生水平方向和竖直方向的振动。这些复杂的钻杆受力状态往往导致钻杆发生断裂等孔内事故，严重影响施工周期，增加施工成本，甚至可能会导致工程失败。而水平定向钻技术与传统的石油钻井技术从工艺上有很大的区别，大孔径比(10:1)使得水平定向钻。此，要研究HDD钻杆受力状态，分析钻杆振动情况，建立HDD钻杆振动模型，优化施工设计和钻进参数，科学的指导大直径HDD施工。而目前，尚未出现具有此功能的模拟方法和装置。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验方法及实验装置，针对HDD钻杆振动受力的问题，能够实时测试不同转速、拉力、扭矩、钻具组合条件下孔内钻杆的振动受力状态。
[0004]本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验方法，包括以下步骤:
[0005](1)搭建实验环境:
[0006]将钻杆水平放置，钻杆顶端与调速电机连接，钻杆尾端安装扭矩控制器，钢丝绳的一端通过拉力传感器与钻杆端部连接，钢丝绳的另一端悬挂加力砝码，在钻杆尾端放置用于模拟孔壁的设有圆形空心的模拟孔壁支撑架，使钻杆尾端通过模拟孔壁支撑架内部的圆形空心，在钻杆表面安装2组以上电阻式应变片，每组电阻式应变片位于与钻杆轴垂直的平面，沿钻杆轴向延伸方向布置一组振动位移检测器，一个振动位移检测器对应一组电阻式应变片，在钻杆的侧面和上方布置摄像机；
[0007](2)状态初始化:
[0008]利用调速电机控制钻杆轴向转动，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据；
[0009](3)调节转速:
[0010]利用与调速电机连接的变频器调节调速电机的速度，进而控制钻杆调速，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据；
[0011](4)调节轴向拉力:
[0012]通过改变加力砝码的数量调节钻杆轴向拉力，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据；
[0013](5)调节扭矩:
[0014]利用扭矩控制器调节钻杆受到的扭矩，利用电阻式应变片采集应力状态数据，利用拉力传感器采集钻杆所受轴向拉力，利用振动位移检测器采集钻杆的位移变化数据，利用摄像机采集钻杆空间形态图像数据；
[0015](6)模拟不同钻具组合:
[0016]在钻杆上加装扶正器，使扶正器和钻杆形成钻具组合；调整扶正器在钻杆上的位置，或更换不同尺寸扶正器，以模拟不同钻具组合，重复步骤(2)至步骤(5)。
[0017]本发明同时提供了一种基于上述方法的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置，包括水平放置的钻杆和钻具回转系统，还包括拉力扭矩控制系统、应力监测系统、振动位移检测系统和图像采集系统；所述钻杆尾端放置用于模拟孔壁的设有圆形空心的模拟孔壁支撑架，使钻杆尾端通过模拟孔壁支撑架内部的圆形空心，以限制钻杆运动；所述钻具回转系统包括安装于钻杆顶端的由变频控制器控制的调速电机，所述调速电机通过减速箱连接在钻杆顶端；所述拉力扭矩控制系统包括安装于钻杆尾端的扭矩控制器、拉力传感器、钢丝绳以及加力砝码，钢丝绳的一端通过拉力传感器与扭矩控制器连接，扭矩控制器与钻杆端部连接，钢丝绳的另一端悬挂加力砝码；所述应力监测系统包括钻杆表面均匀安装的2组以上电阻式应变片，以及与电阻式应变片连接的无线采集卡，每组电阻式应变片位于与钻杆轴垂直的平面；所述振动位移检测系统包括沿钻杆轴向延伸方向布置的一组振动位移检测器以及与振动位移检测器连接的振动位移采集器，一个振动位移检测器对应一组电阻式应变片；所述图像采集系统包括位于钻杆的侧面和上方的摄像机；无线采集卡和振动位移采集器通过无线方式与无线采集卡信号接收器连接，以向无线采集卡信号接收器发送数据，无线采集卡信号接收器与数据处理终端连接。
[0018]所述钻杆上套装有扶正器。
[0019]每组电阻式应变片以对称正交分布均匀安装于钻杆表面。
[0020]所述振动位移检测器包括相互垂直的两组振动位移检测单元，每组振动位移检测单元包括两个平行光发射器和两个光线接收器，两个平行光发射器发射的光线相互平行，当钻杆处于静止自然下垂与模拟孔壁支撑接触状态时，两组相互垂直的振动位移监测单元发出的两组相互垂直的平行光线分别与钻杆的正上外表面、正下外表面、正左外表面以及正右外表面相切。
[0021]所述钻杆的两端各由一个支撑台支撑。
[0022]所述钻杆的尾端的支撑台上设有定滑轮，钢丝绳置于定滑轮上。
[0023]所述摄像机为高速摄像机。
[0024]本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于:
[0025](1)本发明的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验方法可以通过变频器调节调速电机的速度，结合记录的钻杆的应力状态、位移变化、空间形态，分析回转速度对钻杆振动受力的影响；通过加力砝码调节钻杆轴向拉力，结合记录的钻杆的应力状态、位移变化、空间形态，分析轴向拉力对钻杆振动受力的影响；通过扭矩调节器调节钻杆受到的扭矩，结合记录的钻杆的应力状态、位移变化、空间形态，分析扭矩对钻杆振动受力的影响；通过在钻杆不同位置安装不同尺寸的扶正器，结合记录的钻杆的应力状态、位移变化、空间形态，分析不同钻具组合对钻杆振动受力的影响，实现了位移、应力、空间形态同时采集，实验结果更加真实可靠；
[0026](2)本发明的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置是首个针对水平定向钻钻杆振动受力分析的综合实验系统，可以使用真实钻杆进行模拟实验，也可以按照相似原理进行相似实验；
[0027](3)本发明的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置能够实现位移、应力、空间形态同时采集，实验结果更加真实可靠；
[0028](4)本发明的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置可以实现不同回转速度、轴向拉力、扭矩、钻具组合条件下钻杆振动受力监测分析，实验系统应用范围大。
【附图说明】
[0029]图1是本发明的水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验装置示意图。
[0030]图2为本发明的振动位移监测器原理示意图。
[0031]图3为本发明的振动位移监测器安装示意图。
[0032]图4为本发明的振动位移监测器安装示意图。
[0033]图5为本发明的无线采集卡及电阻式应变片安装示意图。
[0034]图6为本发明的拉力扭矩控制系统示意图。
[0035]图7为本发明的回转动力支撑台侧面示意图。
[0036]图8为本发明的回转动力支撑台轴向示意图。
[0037]图9为本发明的尾部支撑台侧面示意图。
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