水平井钻柱动力学行为研究试验台的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种应用于石油领域中对水平井钻柱动力学行为进行研究的水平井钻柱试验装置。
【背景技术】
[0002]钻柱作为钻井系统的重要部分，是决定钻井工艺是否成功的关键因素。当前针对钻柱的研究主要集中在竖直井和水平井底部钻具组合上，缺乏对水平井整体钻柱动力学的研究。水平井钻井过程中，钻杆处于超低刚度状态运行，钻柱的形变、振动和与井壁的接触摩擦，相对于垂直井更为复杂。在钻井过程中，钻柱由于承受交变载荷会产生较大的应力突变，常常过早失效，易引发不同程度的钻柱井下断裂事故，损失巨大。对于钻柱试验装置，国内石油类大学设计建造的多是竖直井钻柱试验装置，石油大学(北京、华东)分别设计建造了水平井底部钻柱运动状态的模拟试验装置，这两台试验装置是针对底部钻柱运动状态的研究，没有考虑整体钻柱的运动状态，而且装置未引入流体和径向阻尼因素，很难实现对水平井钻柱动力学行为的有效研究。
【发明内容】
[0003]为了解决【背景技术】中所提到的技术问题，本实用新型提供一种水平井钻柱动力学行为研究试验台，该种试验台可有效模拟钻压、转速、扭矩、钻井液和井下环境，可实现水平井钻柱动力学仿真研究，为分析水平井杆柱的运动状态和相关的影响因素提供了可靠的试验数据。
[0004]本实用新型的技术方案是:该种水平井钻柱动力学行为研究试验台，由钻压系统、旋转系统、检测系统、井液循环系统、杆柱系统和井下模拟系统组成，其中所述的钻压系统包括I号伺服电机和I号行星轮减速器，I号行星轮减速器的输出轴通过弹性联轴器连接丝杠，丝杠上装有丝杠滑座，丝杠滑座通过螺栓固定在I号平台上，丝杠通过轴承座支撑旋转，I号平台安装在I号导轨上，可实现轴向移动；所述的旋转系统包括2号伺服电机和2号行星轮减速器，2号行星轮减速器输出轴通过对接法兰与扭矩传感器连接，扭矩传感器通过对接法兰与进水杆柱连接，进水杆柱与钻杆通过螺纹连接；所述的检测系统包括一只扭矩传感器、3组6只电涡流位移传感器和I只压力传感器，2只电涡流位移传感器呈X、y方向安装在电涡流位移传感器支架上，构成一组径向检测装置，可检测3个不同截面上的径向位置，电涡流位移传感器支架固定在支撑桌上；
[0005]所述的井液循环系统包括水箱，内置水栗，流量计通过管线和进水转换头接入循环系统，压力表通过管线和有机玻璃管接入循环系统，进水杆柱、钻杆、出水杆柱和有机玻璃管组成了井液循环的通道；所述的杆柱系统包括进水杆柱、钻杆和出水杆柱，相互之间通过螺纹连接，杆柱外部套有有机玻璃管，通过有机玻璃管支架固定，进水杆柱、钻杆、出水杆柱和有机玻璃管同轴安装；所述的井下模拟系统包括激振器、磁粉制动器和有机玻璃管，激振器模拟不规则井底对钻柱的轴向振动，磁粉制动器为钻柱提供径向阻尼，模拟径向振动，磁粉制动器与出水杆柱同轴安装，内壁粗糙处理的有机玻璃管模拟井壁。
[0006]本实用新型具有如下有益效果:该水平井钻柱动力学行为研究试验台经过改造完善后，包含6个系统:钻压系统、旋转系统、检测系统、井液循环系统、杆柱系统和井下模拟系统。由钻压系统为钻柱提供钻压；由旋转系统为钻柱提供转速和扭矩；由检测系统检测钻柱的钻压、扭矩和径向位置；由井液循环系统提供井下循环钻井液；杆柱系统是装置的关键部分，既包含在井液循环系统中，又是装置的主体部分；由井下模拟系统实现不规则井底、井壁和径向阻尼的模拟。该装置可以实现对钻压、转速、扭矩、钻井液流速、激振器频率和径向阻尼的控制，便于探究水平井钻柱的动力学行为状态，可有效模拟钻压、转速、扭矩、钻井液和井下环境，可实现水平井钻柱动力学仿真研究，为分析水平井杆柱的运动状态和相关的影响因素提供了可靠的试验数据。
[0007]【附图说明】:
[0008]图1是本实用新型的结构示意图。
[0009]图2是本实用新型所述进水杆柱和进水转换头位置的结构剖视图。
[0010]图3是本实用新型所述钻压系统和旋转系统的结构示意图。
[0011]图4是本实用新型所述井下模拟系统的结构示意图。
[0012]图中1-2号伺服电机，2-2号行星轮减速器，3-扭矩传感器支撑板，4_扭矩传感器，5-对接法兰，6-进水杆柱，7-进水转换头，8-流量计，9-过度法兰，10-压力表，11-钻杆，12-密封法兰，13-有机玻璃管，14-出水杆柱，15-压力传感器，16-2号平台，17_2号导轨，18-激振器，19-激振器连接板，20-动静转换法兰，21-磁粉制动器固定板，22-磁粉制动器，23-有机玻璃管支架，24-电涡流位移传感器，25-电涡流位移传感器支架，26-支撑桌，27-管线，28-水箱入水口，29-水箱出水口，30-水箱，31-水栗，32-1号平台，33_1号导轨，34-轴承座，35-滑座，36-丝杠，37-弹性联轴器，38-1号行星轮减速器，39-1号伺服电机。
[0013]【具体实施方式】:
[0014]下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0015]该水平井钻柱动力学行为研究试验台，其特征在于:由钻压系统、旋转系统、检测系统、井液循环系统、杆柱系统和井下模拟系统组成。
[0016]所述的钻压系统包括I号伺服电机39和I号行星轮减速器38，二者通过键连接，I号行星轮减速器38的输出轴通过弹性联轴器37连接丝杠，由I号伺服电机39通过I号行星轮减速器38带动丝杠36旋转，丝杠另一端由轴承座34支撑，轴承座固定在支撑桌26上，丝杠36上同轴安装滑座35，滑座35与安装在I号导轨33上的I号平台32固定，通过I号伺服电机39旋转，带动I号平台32轴向移动，为钻柱系统施加钻压。
[0017]所述的旋转系统包括2号伺服电机I和2号行星轮减速器2，二者通过键连接，2号行星轮减速器2的输出轴通过对接法兰5与扭矩传感器4连接，2号行星轮减速器2和扭矩传感器4固定在扭矩传感器支撑板3上，扭矩传感器支撑板3固定在I号平台32上，旋转系统由钻压系统作用可轴向移动，扭矩传感器4另一端通过对接法兰5与进水杆柱6连接，进水杆柱6通过螺纹与钻杆11连接，通过2号伺服电机I为钻柱系统提供扭矩和转速。
[0018]所述的检测系统包括I只扭矩传感器4，通过对接法兰5接入旋转系统，并固定在扭矩传感器支撑板3上，可检测钻柱承受的扭矩；3只6组电涡流位移传感器24，呈X、y方向安装在电涡流位移传感器支架25上，电涡流位移传感器支架25固定在支撑桌26上3个不同的位置处，可检测三个截面上的径向位置；1只压力传感器15，安装在激振器连接板19和动静转换法兰20中间，可检测钻柱受到的轴向作用力。
[0019]所述的井液循环系统包括水箱30，水箱30中内置水栗31，水栗31抽水，由水箱出水口 29经管线27、流量计8到达进水转换头7，进水转换头中内置进水杆柱6，进水杆柱靠近左端处实心，靠近右端处空心，空心段开孔，水流经进水杆柱6的孔，进入钻杆11内部，水流经出水杆柱14底部孔，到达钻杆11和有机玻璃管13的环形空间，有机玻璃管13两端装有密封法兰12，水流经压力表10和管线27，由水箱入水口 28进入水箱30中，实现井液循环。
[0020]所述的杆柱系统包括进水杆柱6、钻杆11和出水杆柱14，相互之间通过螺纹连接，杆柱系统外部套有有机玻璃管13，杆柱系统作为被检测对象，是水平井钻柱动力学行为研究试验台的关键系统。
[0021]所述的井下模拟系统包括激振器18，激振器18固定在支撑桌26上，通过激振器连接板19为系统提供轴向激振，激振器连接板19固定在2号平台16上，2号平台16可通过2号导轨17轴向移动，由激振器18模拟不规则井底对钻柱系统的轴向激振；磁粉制动器22通过键连接与出水杆柱14同轴安装，磁粉制动器22固定在磁粉制动器固定板21上，磁粉制动器固定板21固定在2号平台16上，由磁粉制动器22模拟钻柱系统受到的径向阻尼；有机玻璃管13内壁粗糙处理，通过有机玻璃管支架23支撑，有机玻璃管支架23固定在支撑桌26上，由有机玻璃管13模拟不规则井壁。
【主权项】
1.一种水平井钻柱动力学行为研究试验台，由钻压系统、旋转系统、检测系统、井液循环系统、杆柱系统和井下模拟系统组成，其特征在于: 所述的钻压系统包括I号伺服电机(39)和I号行星轮减速器(38)，I号行星轮减速器(38 )的输出轴通过弹性联轴器(37 )连接丝杠(36 )，丝杠(36 )上装有丝杠滑座(35 )，丝杠滑座(35)通过螺栓固定在I号平台(32)上，丝杠(36)通过轴承座(34)支撑旋转，I号平台(32)安装在I号导轨(33)上，可实现轴向移动； 所述的旋转系统包括2号伺服电机(I)和2号行星轮减速器(2)，2号行星轮减速器(2)输出轴通过对接法兰(5 )与扭矩传感器(4 )连接，扭矩传感器(4 )通过对接法兰(5 )与进水杆柱(6)连接，进水杆柱(6)与钻杆(11)通过螺纹连接； 所述的检测系统包括扭矩传感器(4)、电涡流位移传感器(24)和压力传感器(15)，电涡流位移传感器(24)呈X、y方向安装在电涡流位移传感器支架(25)上，电涡流位移传感器支架(25)固定在支撑桌(26)上； 所述的井液循环系统包括水箱(30)，内置水栗(31)，流量计(8)通过管线(27)和进水转换头(7)接入循环系统，压力表(10)通过管线(27)和有机玻璃管(13)接入循环系统，进水杆柱(6)、钻杆(11)、出水杆柱(14)和有机玻璃管(13)组成了井液循环的通道； 所述的杆柱系统包括进水杆柱(6 )、钻杆(11)和出水杆柱(14 )，相互之间通过螺纹连接，杆柱外部套有有机玻璃管(13)，通过有机玻璃管支架(23)支撑固定； 所述的井下模拟系统包括激振器(18)、磁粉制动器(22)和有机玻璃管(13)，磁粉制动器(22)与出水杆柱(14)同轴安装。
【专利摘要】一种水平井钻柱动力学行为研究试验台。主要目的在于提供一种试验装置来模拟钻压、转速、扭矩、钻井液和井下环境，从而进行水平井钻柱动力学的仿真研究。其特征在于：该试验台由钻压系统、旋转系统、检测系统、井液循环系统、杆柱系统和井下模拟系统组成，其特征是：所述1号伺服电机、1号行星轮减速器、丝杠、滑座和轴承座组合成了钻压系统，2号伺服电机、2号行星轮减速器、扭矩传感器、进水杆柱、钻杆和出水杆柱组成了旋转系统，扭矩传感器、3组6只电涡流位移传感器、压力传感器组成了检测系统，水泵、压力表、流量计、水箱、管线、钻杆、套管组成了井液循环系统，钻杆和套管组成了杆柱系统，激振器、磁粉制动器、套管组成了井下模拟系统。
【IPC分类】E21B47/00
【公开号】CN204827421
【申请号】CN201520654716
【发明人】陈素丽, 刘建华, 王宝金, 任福深, 张轩玮, 赵蕾
【申请人】东北石油大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年8月27日