一种模拟钻头破岩扭矩的实验装置的制作方法

本实用新型属于石油钻井领域，具体涉及一种模拟钻头破岩扭矩的实验装置，可模拟井下钻头破岩扭矩，可用于钻井工具的性能、强度等地面实验，有利于进行钻井工具的研发。

背景技术：

油气钻井使用钻头破碎岩石，深度可达数千米。由于岩石的不均质性以及井下钻井参数的剧烈变化，钻头破岩扭矩呈现出剧烈的扭转振动，而不是一个稳定的扭矩值。钻头的破岩扭矩是钻井工具的重要参数，严重影响钻井工具的性能和寿命，因此新钻井工具的研发需要钻头破岩扭矩作用下进行性能测试。

目前的技术:

一是通过理论计算预测，由于岩石的不均质性，模型不准确；

二是实验模拟，由于钻头钻进时需要10吨左右的压力，5MPa左右的水功率，以及与井下力学性质类似的岩石，钻进速度一般可达10m/h，需要巨大数量的岩石，因此难以在实验室进行。目前很多工具的测试仅加载一个恒定的扭矩来模拟破岩扭矩，与实际情况差距较大。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种模拟钻头破岩扭矩的实验装置，针对实验室难以模拟钻头破岩扭矩的现状，不需要实际的钻头、水泵及大量的岩石，且可以有效准确的模拟钻头破岩的振动工况，以解决实验室钻头扭矩模拟这一难题。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种模拟钻头破岩扭矩的实验装置，包括电机、液压系统、液压控制系统和液压离合器；

所述电机与液压离合器的主动轴连接；

所述液压系统与液压离合器连接；

所述液压控制系统与液压系统连接。

所述液压离合器包括同轴线设置的主动轴、液压缸、活塞、外壳、静摩擦片和动摩擦片；所述液压缸设置在主动轴的一端，所述外壳设置在主动轴的另一端；

所述活塞设置在液压缸内；

所述静摩擦片、动摩擦片均设置在外壳的内腔中。

所述液压缸包括圆盘状底面和与之同轴线设置且连成一体的圆筒状缸体；

在所述圆盘状底面面向缸体内的一侧设有与其同轴线且连成一体的环状凸台；

所述环状凸台的外壁与所述液压缸的缸体的内壁以及圆盘状底面围合形成环状储油区；

所述活塞为环状结构，其位于环状储油区内，外壁与缸体的内壁接触，内壁与环状凸台的外壁接触，并能够在储油区内沿液压缸的轴线往复移动；

在所述活塞位于储油区外的端面与静摩擦片之间安装有与两者连接且同轴线的推力轴承。

在所述环状凸台与静摩擦片之间设有弹簧，所述弹簧的一端与环状凸台的端面连接，另一端与静摩擦片的端面连接。

在所述环状凸台与静摩擦片之间设有4个在圆周上均布的弹簧。

在所述活塞的外壁与缸体的内壁之间、活塞的内壁与环状凸台的外壁之间分别设有活塞密封圈；

在所述液压缸的圆筒状缸体上开有液压油输入口，该液压油输入口与液压离合器输入管线连接。

所述外壳包括依次连接的大圆筒段、圆锥段和小圆筒段；所述大圆筒段的直径大于所述小圆筒段的直径；所述圆锥段的两端分别与大圆筒段、小圆筒段连接；

所述静摩擦片、动摩擦片均设置在所述大圆筒段的内腔中；

在所述大圆筒段的内壁开有多个与其轴线平行的沟槽；

所述静摩擦片为圆盘状结构，在其中心开有通孔；

在所述静摩擦片的外缘上设有多个凸起，每个凸起对应安装在外壳大圆筒段内壁上的一个沟槽内；

所述静摩擦片能够沿外壳的轴线往复移动；

在所述动摩擦片的中心开有通孔，所述动摩擦片通过通孔内的平键与主动轴连接；在主动轴上安装有与其同轴线的挡环，所述挡环将动摩擦片顶住，当主动轴旋转时，动摩擦片随主动轴一起旋转；

在所述静摩擦片面对动摩擦片的一侧上设置有静摩擦片耐磨层，在所述动摩擦片面对静摩擦片的一侧上设置有动摩擦片耐磨层；

当活塞推动静摩擦片与动摩擦片接触时，所述静摩擦片耐磨层与动摩擦片耐磨层直接紧密接触。

在所述液压缸的圆盘状底面的中心开有通孔，所述主动轴从该通孔穿入，依次穿过环状凸台的通孔、静摩擦片的通孔、动摩擦片的通孔、挡环的中心孔后穿入到外壳的小圆筒段的内腔中，小圆筒段为该实验装置的输出端。

在所述液压缸的圆盘状底面的通孔内壁与主动轴之间、在所述小圆筒段的内壁与主动轴的外壁之间分别安装有轴承。

所述液压系统包括液压油缸、油泵、高压管线；

所述液压油缸通过吸入管线与油泵连接；

所述油泵通过高压管线与液压控制系统连接；

所述液压控制系统包括电控比例阀、电源、PLC控制器、计算机；

所述电控比例阀一端与液压系统中的高压管线连接，另一端通过液压离合器输入管线与液压离合器上的所述液压油输入口连接；

所述计算机与PLC控制器连接；

所述PLC控制器与所述电控比例阀连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：井下破岩扭矩模拟装置可以在不使用钻头直接破岩的条件下准确的模拟井下钻头破岩扭矩，可以节省大型实验装备和实验费用，基于各种工况的实际井下数据可以准确模拟各种工况的破岩扭矩，为新钻井工具的研发提供了良好的实验条件。

附图说明

图1本实用新型模拟钻头破岩扭矩的实验装置的结构示意图

图2-1本实用新型模拟钻头破岩扭矩的实验装置中的液压离合器的主视图

图2-2本实用新型模拟钻头破岩扭矩的实验装置中的液压离合器的左视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：

如图1所示，本实验装置包括普通电机1，液压系统，液压控制系统，液压离合器8组成。液压系统包括液压油缸2、油泵4，高压管线5组成；液压控制系统由电控比例阀6、液压离合器输入管线7(连接电控比例阀6和液压离合器9)、PLC控制器10、计算机11组成。

油泵4通过吸入管线3从液压油缸2中吸入液压油，产生高压液压油通过高压管线5输出，高压管线5中接入电控比例阀6，电控比例阀6在PLC控制器10、计算机11的电流调节作用下控制液压油的过流面积，从而产生一个可控的流体阻力，电控比例阀6产生的流体阻力越大，输入到液压离合器的压力就越小；电控比例阀6产生的流体阻力越小，输入到液压离合器的压力就越大。

如图2-1和图2-2所示，液压离合器8由主动轴12、液压缸13、液压油输入口14、活塞密封15、活塞16、外壳26及加工在外壳内壁的沟槽17、静摩擦片18(活塞16与静摩擦片18之间为推力轴承)、静摩擦片耐磨层19、动摩擦片21、动摩擦片耐磨层20、挡环22、平键23、弹簧24(可以设置4弹簧，在圆周上均匀布置。)、摩擦片凸起25组成。其中，在液压缸13的中间开有孔，主动轴12从中穿过，两者之间设有轴承，当主动轴12旋转时液压缸13不旋转。液压缸13、活塞16都设计成环形，这样可以产生更大的液压力，结构更加紧凑，摩擦片受到的力更加均匀。静摩擦片18同时受到4个弹簧的拉力，当输入压力降低时，摩擦力及输出扭矩会及时迅速的降低，从而提高了液压离合器的反应灵敏度，进而具有产生高频的扭矩振动的能力。在活塞与液压缸的内壁之间以及活塞与液压缸凸台之间均设有活塞密封圈。

当液压油通过液压油输入口14进入液压缸后，推动活塞16前进，活塞密封15保证了液压油不外泄，活塞16推动静摩擦片18沿沟槽17向前运动，与动摩擦片21接触后产生摩擦力，摩擦力的大小与液压油的压力呈正比关系。当电机1带动主动轴12旋转时，主动轴12通过平键23带动动摩擦片21旋转，动摩擦片21通过摩擦力带动静摩擦片18旋转，静摩擦片18通过其凸起25配合沟槽17，将扭矩通过外壳26传递至输出端9(输出端9与主动轴12之间有轴承)。因此电机的扭矩是通过摩擦力传递给输出端，摩擦力的大小取决于液压油的压力。

液压油的压力可以在计算机及电控比例阀的调节下进行改变。通过在钻井过程中靠近钻头的位置安装传感器，记录井下实际的扭转振动数据，将这些数据输入到计算机中，根据实验装置的性能参数分析建立电流、液压油压力及输出扭矩的关系，利用计算机程序控制，与PLC结合输出不同随着时间变化的电流，电控比例阀在电流作用下不断改变液压离合器的输入压力，进而产生不断变化的摩擦力，在电机的带动下，当输入液压油压力为零时，不产生摩擦力，即使输出端连接有研发的新工具等负载，电机对新工具的扭矩也是零；随着输入压力的增加，电机对新工具的扭矩也在增加。从而在输出端产生随着时间变化的扭矩，以准确模拟实际的破岩扭矩，为新钻井工具的研发提供实验条件。

上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。