模拟钻柱和外筒同时旋转诱发流场的实验及测量装置的制作方法

本发明属于石油与天然气工程领域，特别涉及一种流场的实验及测量装置。

背景技术：

在石油钻井中，钻柱在绕自身轴线旋转的同时，由于井斜或者钻柱的弯曲，还绕井眼轴线公转，即钻井过程中，钻柱在井眼内做行星运动。研究流体在内管做行星运动的环空中的流场特性，对于分析钻井液的流变参数、钻井液的携屑能力、设计钻井液的水力参数以及预防卡钻等都是非常重要的。由于该流场的复杂性，目前，除了牛顿流体的流场可以通过解析解分析外，其它流体的流场都是通过数值方法求解，求解的准确程度如何，只能与其它数值分析软件对比，结果的可信度不高。PIV(Particle Image Velocimetry)技术能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性，该技术为流场分析提供了一种新的方法。钻柱的行星运动在特定的非惯性坐标系下，亦是钻柱和井筒的同时旋转。目前还没有关于模拟钻柱行星运动的PIV技术测量装置，以及模拟钻柱和外筒同时旋转的实验装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种整体稳定性好、转速调整精度高、流场测量准确、方便、易行的模拟钻柱和外筒同时旋转诱发流场的实验及测量装置。

本发明的技术方案如下：

本发明主要包括实验装置主体、旋转和偏心距调节系统、PIV测量系统以及进出水系统，其中旋转和偏心距调节系统、进出水系统均设在实验装置主体内，PIV测量系统设在实验装置主体的外侧；

所述实验装置主体包括底板、调平垫座、加强立板、立柱、顶板、承托板、扶正板，其中底板下设有调平垫座，底板上两侧设有相对的立柱，立柱与底板相连的一端外侧设有加强立板，立柱从下往上分别设有固定在两侧立柱上的扶正板、第一承托板、第二承托板、第三承托板和顶板，顶板中心设有模拟钻柱移动通孔，在模拟钻柱移动通孔的两侧分别设有电机A移动孔；

所述旋转和偏心距调节系统包括钻柱旋转系统和外筒旋转系统，所述钻柱旋转系统包括顶板、电机A、联轴器、有机玻璃棒、第一滚动轴承，其中电机A设在上述顶板的电机A移动孔内，电机A的输出轴通过联轴器与有机玻璃棒的一端连接，联轴器和有机玻璃棒穿过上述模拟钻柱移动通孔，有机玻璃棒的另一端与第一滚动轴承过盈配合并被固定，以减小有机玻璃棒的晃动，电机A通过控制器进行转速及旋转方向的调整，通过联轴器与有机玻璃棒一起旋转；

所述外筒旋转系统主要包括上端固定轴套、推力滚子轴承、带台肩短圆管、有机玻璃管、换向器、电机B、法兰、旋转轴套、第一和第二止推轴承、第一滚动轴承、第二滚动轴承、第三滚动轴承、转轴、下端固定轴套、方体接箍和扶正板，其中上端固定轴套固定在第三承托板上，推力滚子轴承设在上端固定轴套内，带台肩短圆管设在推力滚子轴承上，该带台肩短圆管的管头与有机玻璃管的一端密封连接，该有机玻璃管的另一端与法兰一端密封连接，该法兰的另一端连接旋转轴套，在旋转轴套内设有第一止推轴承，该第一止推轴承上面设有底盘，底盘上设有滑动槽，滑动槽内设有轴承托，轴承托内设有上述与有机玻璃棒连接的第一滚动轴承，上述第一止推轴承下面设有第二滚动轴承，转轴的一端与旋转轴套连接，转轴的中部套在下端固定轴套内的两端的第三和第四滚动轴承和上部的第二止推轴承内，下端固定轴套固定在第一和第二承托板上；电机B固定在第一承托板的下面，电机B通过键连接换向器，换向器通过键与上述转轴的另一端连接，电机B通过控制器调整转速及旋转方向，与换向器连接，带动转轴旋转；

依据预先设定的偏心距，通过模拟钻柱移动通孔移动上述的有机玻璃棒、联轴器以及电机A的输出轴，并通过电机A移动孔移动上述电机A并固定，同时依据预先设定的偏心距调节轴承托的位置，起到调节偏心距的作用；

所述进出水系统包括密封圈、进出水管、方体接箍、截止阀，其中进出水管设在转轴中心，该进出水管的一端与底盘固连，在该底盘上设有水槽，底盘与上述第一止推轴承之间设有密封圈，上述进出水管的下部连接方体接箍，该方体接箍固定在扶正板的方形通孔内，以防止旋转系统带动进出水管及底盘的旋转；上述进出水管的另一端与截止阀连接；当上述旋转轴套内的轴承托完全挡住了中心管的进水孔时，液体通过底盘上的水槽进入有机玻璃管内。实验过程中截止阀处于关闭状态，实验结束后截止阀打开，排掉有机玻璃管内的流体；

所述PIV测量系统包括双脉冲激光器、CCD(Charge Coupled Device)相机、同步控制器、平面镜、计算机，其中双脉冲激光器设在实验装置主体的一侧，其它部件设在实验装置主体的另一侧，双脉冲激光器通过数据线连接同步控制器，CCD相机通过数据线分别连接同步控制器和计算机，同步控制器与计算机连接，带椭圆型通孔的平面镜与水平方向呈45°，镜面向下斜插进平面镜固定座中，该平面镜固定座设在上述靠双脉冲激光器一侧的第三承托板上；双脉冲激光器由同步控制器控制启停，发出厚度约1mm的水平激光片光源，照亮有机玻璃管待测区域的水平平面；CCD相机用于采集流场图像信息，为了准确记录流场信息，CCD相机要与激光片光垂直拍摄；同步控制器由计算机控制启停，其作用是控制双脉冲激光器和CCD相机，通过同步调整双脉冲激光器和CCD相机的跨帧延时，拍摄到不同时间间隔下的示踪粒子图片，实现流体的测量；示踪粒子均匀分布在流体中，用来显示流体的流动状态；为了使CCD相机与激光片光垂直，带椭圆型通孔的平面镜，将流场片光反射给CCD相机，以便拍摄。拍摄的图片经过计算机内部特定软件进行分析计算，并将计算结果输出到其他软件中进行流场的进一步处理和分析。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、钻柱和外筒同时旋转，旋转的速度和方向以及钻柱的偏心距可任意调节，流场的各项数据可通过PIV技术分析。

2、整体稳定性好；钻柱与外筒的旋转参数分别由伺服电机控制，转速调整精度高；流场测量准确、方便、易行，预期效果良好。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意简图。

图2是本发明顶板的立体示意简图。

图3是本发明平面镜及平面镜固定座立体示意简图。

图4是本发明外筒旋转装置上部的剖视图。

图5是本发明外筒旋转装置下部的剖视图。

图6是本发明扶正板立体示意简图。

图中：1-电机A、2-顶板、3-联轴器、4-平面镜固定座、5-第三承托板、6-双脉冲激光器、7-激光片光、8-有机玻璃管、9-外筒旋转装置下部、10-换向器、11-进出水管、12-方体接箍、13-底板、14-调平垫座、15-螺栓、16-平面镜、17-数据线、18-CCD相机、19-外筒旋转装置上部、20-有机玻璃棒、21-显示器、22-主机、23-同步控制器、24-第二承托板、25-第一承托板、26-立柱、27-电机B、28-加强立板、29-扶正板、30-截止阀、31-螺纹孔、32-电机A移动通孔、33-模拟钻柱移动通孔、34-开口方孔、35-椭圆形通孔、36-45°插孔、37-上端固定轴套、38-推力滚子轴承、39-带台肩短圆管、40-法兰、41-滑动槽、42-水槽、43-第一止推轴承、44-第三滚动轴承、45-第四滚动轴承、46-轴承垫座、47-第一滚动轴承、48-轴承托、49-底盘、50-密封圈、51-旋转轴套、52-第二滚动轴承、53-第二止推轴承、54-下端固定轴套、55-转轴、56-方形通孔。

具体实施方式

在图1所示的模拟钻柱和外筒同时旋转诱发流场的实验及测量装置示意图中，旋转和偏心距调节系统以及进出水系统均设在实验装置主体内，PIV测量系统设在实验装置主体的外侧；所述实验装置主体包括底板、调平垫座、加强立板、立柱、顶板、承托板、扶正板，其中底板13下设有调平垫座14，底板上两侧设有相对的立柱26，立柱与底板相连的一端外侧设有加强立板28，立柱从下往上分别设有固定在两侧立柱上的扶正板29、第一承托板25、第二承托板24、第三承托板5和顶板2，如图2所示，顶板中心设有模拟钻柱移动通孔33，在模拟钻柱移动通孔的两侧分别设有电机A移动孔32，顶板的四角设有开口方孔34，开口方孔上设有螺纹孔31；电机A1通过螺栓15设在上述顶板上的电机A移动孔内，电机A的输出轴通过联轴器3与有机玻璃棒20的一端连接，联轴器和有机玻璃棒穿过上述模拟钻柱移动通孔，有机玻璃棒的另一端与第一滚动轴承47过盈配合，通过模拟钻柱移动通孔和电机A移动孔，可以移动以便调节偏心距，电机A通过控制器进行转速及旋转方向的调整，通过联轴器与有机玻璃棒一起旋转；外筒旋转装置上部19中的上端固定轴套37固定在第三承托板上，如图4所示，推力滚子轴承38设在上端固定轴套内，带台肩短圆管39设在推力滚子轴承上，该带台肩短圆管的管头与有机玻璃管8的一端密封连接；该有机玻璃管的另一端与法兰40一端密封连接，如图5所示，外筒旋转装置下部9上端的法兰的另一端与旋转轴套51连接，第一止推轴承43设在旋转轴套内，其上面设有底盘49，底盘上设有滑动槽41，滑动槽内设有轴承托48，轴承托内设有上述与有机玻璃棒连接的第一滚动轴承，上述第一止推轴承下面设有第二滚动轴承52，转轴55的一端与旋转轴套连接，转轴的中部套在下端固定轴套54内两端的第三滚动轴承44、第四滚动轴承45和上部的第二止推轴承53内，第四滚动轴承设在轴承垫座46上，下端固定轴套固定在第二承托板24和第一承托板25上；电机B 27固定在第一承托板的下面，电机B通过键连接换向器10，换向器通过键与上述转轴的另一端连接，电机B通过控制器调整转速及旋转方向，与换向器连接，带动转轴旋转；进出水管11设在转轴中心，该进出水管的一端与上述底盘固连，在该底盘上设有水槽42，在底盘与第一止推轴承之间设有密封圈50，上述进出水管的下部通过丝扣连接方体接箍12，该方体接箍固定在扶正板的方形通孔56内，如图6所示，以防止旋转系统带动中心管及底盘的旋转；上述进出水管的另一端与截止阀30连接；当上述旋转轴套内的轴承托完全挡住了中心管的进水孔时，液体通过底盘上的水槽进入有机玻璃管内；实验过程中截止阀处于关闭状态，实验结束后截止阀打开，排掉有机玻璃管内的流体；

双脉冲激光器6设在实验装置主体的一侧，CCD相机18、同步控制器23和计算机的主机22及显示器21设在实验装置主体的另一侧，双脉冲激光器通过数据线17连接同步控制器，CCD相机通过数据线与同步控制器连接，同时与计算机连接，同步控制器与计算机连接，如图3所示，带椭圆型通孔35的平面镜16向下斜插进平面镜固定座4上一端的45°插孔36中，该平面镜固定座设在上述靠双脉冲激光器一侧的第一承托板上，双脉冲激光器由同步控制器控制启停，发出厚度约1mm的水平激光片光7，CCD相机采集流场图像信息，同步控制器由计算机控制启停，以控制双脉冲激光器和CCD相机，示踪粒子均匀分布在流体中，用来显示流体的流动状态，CCD相机拍摄的图片经过计算机内部特定软件进行分析计算，并将计算结果输出到其他软件中进行流场的进一步处理和分析。