油气井管柱振动模拟测试装置的制作方法

本发明属于石油天然气工程技术领域，具体涉及一种油气井管柱振动模拟测试装置的设计，其主要应用于油气井管柱振动模拟实验研究。

背景技术：

随着油气资源的不断勘探开发，传统油气资源逐渐枯竭，钻井工程逐渐向非常规油气资源开采发展，新型油气资源开采条件下，钻井技术面临更多的技术挑战。为了适应新型油气资源勘探开发技术的发展，也为了提高油气井钻井工程的钻井效率，保证钻井生产作业的安全，相关研究机构或学者，进行了大量的基础研究，包括钻井理论研究、钻井新工具开发等。但是钻井工程井下实际工况条件复杂，研究人员很难真实掌握钻柱、钻具在井下的工作情况，通常都是通过简化编辑条件，更加经验情况，进行假设完成理论研究，对于研究结果的可靠性，无法得到充分保证。

为了能够更好进行相关理论研究，也为了促进新型钻井技术的发展，建立一套可以模拟井下工况条件的实验模型，已经成为开展钻柱动力学研究的迫切需要。现有的油气井管柱振动测试模拟装置结构复杂，功能也比较单一，并且制造成本较高，具有很大的局限性。因此，设计研发一种可以模拟油气井真实管柱振动特性的实验装置，能够为相关理论实验研究提供帮助，也能验证理论研究结果的准确性。尤其是模拟钻柱在井下的复杂边界条件、外部载荷以及井底岩石与钻头之间的相互作用规律，对实验测试装置提出了更高的要求，使建立完善的功能模块，实现多功能模拟实验测试，成为新型油气井管柱振动测试装置的必要功能。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有实验装置功能单一，也为了能够更真实地模拟井下钻柱的工况条件，提出了一种油气井管柱振动模拟测试装置。本发明的油气井管柱振动模拟测试装置通过动力模块提供输入转速和驱动扭矩，驱动钻头旋转，加压模块可以为钻头提供钻压，并且可以形成轴向位移，通过井筒模块模拟钻柱在井下与井壁之间的接触状态，激励模块可以模拟轴向、周向、径向激励载荷作用，负载模块可模拟钻头与岩石之间的相互作用。

本发明的技术方案为：所述的油气井管柱振动模拟测试装置由动力模块、加压模块、井筒模块、激励模块和负载模块组成；所述的动力模块主要由底座、螺栓、固定件、螺栓垫片、螺母、动力挡板、盖板、动力电机、皮带、皮带轮、花键轴、花键带轮组成，其中螺栓、固定件、螺栓垫片和螺母组合在一起后成为固定机构，动力电机安装在底座上，皮带轮通过键连接安装在动力电机的输出轴上，将皮带、花键带轮和花键轴配合好后，安装在动力挡板上，再将皮带与皮带轮配合再一起，然后将盖板安装到动力挡板顶部，最后通过固定机构将动力挡板与底座、盖板固定在一起；所述的加压模块主要由弹簧座、弹簧、夹头、弹簧挡板、上部轴、绷绳、加重块组成，弹簧座安装在花键轴前端，在弹簧座前端安装夹头，将上部轴安装在夹头前端，然后在弹簧座前端安装弹簧，将绷绳通过弹簧挡板上的小孔，与弹簧座固连，绷绳下端连接加重块，弹簧挡板安装在底座与盖板之间，通过固定机构固定弹簧挡板；所述的井筒模块主要由井筒挡板、井筒安装座、井筒、扶正块组成井筒挡板安装在底座与盖板之间，通过固定机构固定，井筒安装座安装在井筒挡板上，然后在井筒安装座前端安装井筒，井筒内安装有扶正块，通过调节井筒挡板的位置，将井筒固定在两件井筒挡板之间；所述的激励模块主要由周向电机、棘爪、棘轮、周向电机支架、下部轴、轴向电机、连杆、轴向轮、旋转块、轴向电机支架组成，通过反向安装夹头将上部轴与下部轴连接在一起，棘轮安装在下部轴上，周向电机安装在周向电机支架上，通过棘爪将周向电机与棘轮配合在一起，组成周向激励模块，轴向电机安装在轴向电机支架上，连杆安装在下部轴上，轴向轮安装在连杆上，通过旋转块将轴向电机与轴向轮配合在一起，组成轴向激励模块，周向电机支架和轴向电机支架安装在底座与盖板之间，通过固定机构固定；所述的负载模块主要由钻头、负载盘、负载挡板组成，钻头安装在下部轴前端，负载盘安装在负载挡板上，负载挡板安装在底座与盖板之间，通过固定机构固定，通过调节负载挡板之间的位置，调整负载盘与钻头之间的接触状态；

所述的底座与盖板均开设有导轨槽，用于安装动力挡板、弹簧挡板、井筒挡板、周向电机支架、轴向电机支架和负载挡板。

所述的动力挡板、弹簧挡板、井筒挡板、周向电机支架、轴向电机支架和负载挡板的两端均设置有定位块，与底座与盖板上的导轨槽进行配合。

本发明的有益效果是：(1)本发明的油气井管柱振动模拟测试装置可以模拟真实的井下钻柱边界条件，包括输入转速、驱动扭矩、加压、钻进、激励载荷以及负载作用，功能完善，对钻柱动力学研究具有实际意义；(2)不同的功能实现机构均为模块化设计，可根据不同模拟实验需求，进行拆装组合，增加了测试装置的适用性；(3)本发明的模拟测试装置总体尺寸小，不同的功能模块均安装在底座和盖板之间，便于定位安装。

附图说明

图1所示为本发明的结构示意图。

图2是固定机构的结构示意图。

图3是固定件的结构示意图。

图4是皮带轮的结构示意图。

图5是花键轴的结构示意图。

图6是花键带轮的结构示意图。

图7是井筒安装座的结构示意图。

图8是棘轮的结构示意图。

图中1.底座，2.螺栓，3.固定件，4.螺栓垫片，5.螺母，6.动力挡板，7.盖板，8.动力电机，9.皮带，10.皮带轮，11.花键轴，12.花键带轮，13.弹簧座，14.弹簧，15.夹头，16.弹簧挡板，17.上部轴，18.绷绳，19.加重块，20.井筒挡板，21.井筒安装座，22.井筒，23.扶正块，24.周向电机，25.棘爪，26.棘轮，27.周向电机支架，28.下部轴，29.轴向电机，30.连杆，31.轴向轮，32.旋转块，33.轴向电机支架，34.钻头，35.负载盘，36.负载挡板。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

参见附图，所述的油气井管柱振动模拟测试装置由动力模块、加压模块、井筒模块、激励模块和负载模块组成；所述的动力模块主要由底座1、螺栓2、固定件3、螺栓垫片4、螺母5、动力挡板6、盖板7、动力电机8、皮带9、皮带轮10、花键轴11、花键带轮12组成，其中螺栓2、固定件3、螺栓垫片4和螺母5组合在一起后成为固定机构，动力电机8安装在底座1上，皮带轮10通过键连接安装在动力电机8的输出轴上，将皮带9、花键带轮12和花键轴11配合好后，安装在动力挡板6上，再将皮带9与皮带轮10配合再一起，然后将盖板7安装到动力挡板6顶部，最后通过固定机构将动力挡板6与底座1、盖板7固定在一起；所述的加压模块主要由弹簧座13、弹簧14、夹头15、弹簧挡板16、上部轴17、绷绳18、加重块19组成，弹簧座13安装在花键轴11前端，在弹簧座13前端安装夹头15，将上部轴17安装在夹头15前端，然后在弹簧座13前端安装弹簧14，将绷绳18通过弹簧挡板16上的小孔，与弹簧座13固连，绷绳18下端连接加重块19，弹簧挡板16安装在底座1与盖板7之间，通过固定机构固定弹簧挡板16；所述的井筒模块主要由井筒挡板20、井筒安装座21、井筒22、扶正块23组成井筒挡板20安装在底座1与盖板7之间，通过固定机构固定，井筒安装座21安装在井筒挡板20上，然后在井筒安装座21前端安装井筒22，井筒22内安装有扶正块23，通过调节井筒挡板20的位置，将井筒22固定在两件井筒挡板20之间；所述的激励模块主要由周向电机24、棘爪25、棘轮26、周向电机支架27、下部轴28、轴向电机29、连杆30、轴向轮31、旋转块32、轴向电机支架33组成，通过反向安装夹头15将上部轴17与下部轴28连接在一起，棘轮26安装在下部轴28上，周向电机24安装在周向电机支架27上，通过棘爪25将周向电机24与棘轮26配合在一起，组成周向激励模块，轴向电机29安装在轴向电机支架33上，连杆30安装在下部轴28上，轴向轮31安装在连杆30上，通过旋转块32将轴向电机29与轴向轮31配合在一起，组成轴向激励模块，周向电机支架27和轴向电机支架33安装在底座1与盖板7之间，通过固定机构固定；所述的负载模块主要由钻头34、负载盘35、负载挡板36组成，钻头34安装在下部轴28前端，负载盘35安装在负载挡板36上，负载挡板36安装在底座1与盖板7之间，通过固定机构固定，通过调节负载挡板36之间的位置，调整负载盘35与钻头34之间的接触状态；

所述的底座1与盖板7均开设有导轨槽，用于安装动力挡板6、弹簧挡板16、井筒挡板20、周向电机支架27、轴向电机支架33和负载挡板36。所述的动力挡板6、弹簧挡板16、井筒挡板20、周向电机支架27、轴向电机支架33和负载挡板36的两端均设置有定位块，与底座1与盖板7上的导轨槽进行配合。