一种底部钻具组合运动状态模拟试验装置及试验方法与流程

本发明涉及油气井管柱力学技术领域，尤其涉及一种底部钻具组合运动状态模拟试验装置及试验方法。

背景技术：

在石油勘探与开发过程中，钻井是必不可少的基本环节，具有资金和技术密集型特征。钻柱力学特性研究是现代钻井工程理论和技术的重要组成部分。随着钻井技术向高温高压井、深井超深井、特殊工艺井(包括定向井、水平井、大位移井、复杂结构井、丛式井、欠平衡钻井及套管钻井等)等方向发展，对管柱力学特别是底部钻具组合(bottom-hole-assembly，简称bha)力学性能的研究提出了更高的要求。、

钻井作业中，由于钻柱严格限制在狭窄的井筒内，钻柱的应力状态非常复杂。为了避免钻柱疲劳损伤，减少井下事故的发生，特别需要明确不同工况下钻柱的运动特性，特别是横向运动。横向运动被认为是导致bha疲劳失效、磨损和井径扩大的主要原因。然而，在陆地表面监测或由井底随钻测量系统检测都难以真实反应其井底钻具的振动情况，例如，钻柱的横向运动在由井底向井口传播的过程中急剧衰减。

因此，为深入研究bha横向运动，分析不同条件下bha的运动规律，并解释其运动机理，有必要进一步开展底部钻具组合力学特性的室内模拟试验研究，以便于为现场施工选择合适的钻井参数，减少危害运动，为现场控制bha的运动状态提供理论依据。

技术实现要素：

本发明提供一种底部钻具组合运动状态模拟试验装置及试验方法，旨在实现有效分析不同条件下钻柱在井筒约束条件下的运动规律，为现场控制钻柱的运动状态提供理论依据。

本发明提供的具体技术方案如下：

本发明提供的一种用于底部钻具组合运动状态模拟的试验装置包括固定系统、驱动系统、模拟管柱组合系统、加载系统、测量系统和提升系统，其中，所述固定系统包括试验架、试验台、井筒支座和传感器支架，所述驱动系统包括伺服电机和控制柜，所述模拟管柱组合系统包括模拟钻柱和模拟井筒，所述模拟钻柱安装在所述模拟井筒内部，所述加载系统包括模拟井底和加载丝杠，所述模拟井底包括压杆、与所述压杆相连接的套筒，所述套筒固定在所述井筒支座上，所述测量系统包括拉压力传感器、位移传感器和扭矩传感器，所述拉压力传感器与所述加载丝杠相连接，所述提升系统包括涡轮减速机、定滑轮和钢缆，所述涡轮减速机位于所述试验架下端，所述定滑轮位于所述试验架上端，所述钢缆的一端固定在所述试验台的上端部，所述钢缆穿过所述定滑轮连接到所述涡轮减速机上，所述钢缆的另一端固定在所述试验台上，所述提升系统用于调整所述试验台在所述试验架上的安装倾斜角度。

可选的，所述试验架为l型支架且所述试验架包括相互垂直固定的水平支架和竖直支架，所述水平支架和所述竖直支架上均设置有相互配合的7组插孔，所述试验台采用插销固定在所述试验架上，所述试验台的台面中间位置设置有用于实现井筒支座轴向固定的定位槽。

可选的，所述模拟井筒固定在所述井筒支座上，所述传感器支架固定在所述井筒支座上，所述传感器支架用于固定所述位移传感器以保证每对所述位移传感器之间的垂直正交，所述模拟钻柱采用钻卡子与所述伺服电机的传动轴相固定，以实现所述模拟钻柱与所述伺服电机的传动轴之间同步转动。

可选的，所述模拟钻柱的下端为半球形结构以用于模拟钻头，所述模拟钻柱的下端插入所述套筒内且所述套筒内径与所述模拟井筒内径相同，所述套筒固定在所述井筒支座上以保证所述模拟钻柱下端与所述模拟井筒同心。

可选的，所述压杆为平端大小头结构，所述压杆的大头为圆柱结构且所述压杆的小头端面为内半球形，所述压杆与所述模拟钻柱下端之间为球面接触，所述模拟钻柱为长度为2.5m的不锈钢制实心圆柱，所述模拟钻柱的外径包括3mm和4mm两种规格，所述模拟井筒的内径包括6mm和8mm两种规格且所述模拟井筒的外径分别为12mm或14mm。

可选的，所述测量系统还包括与所述位移传感器电连接的控制器、与所述控制器电连接的接口单元和与所述接口单元之间电连接的pc终端，其中，所述拉应力传感器安装在所述加载丝杠的端面上且所述拉应力传感器与所述压杆的大头面接触，所述拉应力传感器用于测量所述模拟钻柱所承受的钻压；所述位移传感器为激光位移传感器，所述位移传感器固定在所述传感器支架上，所述位移传感器用于测量所述模拟钻柱的横向位移，所述扭矩传感器用于测量所述模拟钻柱在井筒内转动时产生的扭矩。

另一方面，本发明实施例还提供一种用于底部钻具组合运动状态模拟的试验方法，所述试验方法采用上述的用于底部钻具组合运动状态模拟的试验装置，其中，所述试验方法包括：

确定待模拟钻柱和模拟井筒的材料和几何尺寸；

将确定好的模拟钻柱穿入模拟井筒的内部，并采用螺丝固定将模拟井筒固定在井筒支座上，将模拟钻柱的上端固定在伺服电机传动轴的钻卡子上，并将模拟钻柱的下端穿入模拟井底的套筒内，将模拟井底的套筒固定在井筒支座上，之后将压杆插入套筒的内部；

确定需要测量的钻柱位置，将位移传感器安装在传感器支架上，并将传感器支架安装在井筒支座的待测量位置，之后安装拉应力传感器并对拉应力传感器进行校正处理；

通过提升系统将试验台提升至需要的倾斜角，并将试验台固定在试验架上；

通过加载丝杠调节模拟钻柱所需要的钻压，钻压数据实时显示在拉应力传感器上；

启动驱动系统，通过控制柜控制伺服电机以便为模拟钻柱施加需要的钻速；

采集试验数据和观察试验现象，若模拟钻柱和模拟井筒发生塑性变形或损坏，及时更换模拟钻柱和模拟井筒；

根据试验需要，更换不同规格的模拟钻柱或模拟井筒，并适应性的改变试验条件，重复签署的试验步骤直至完成整个模拟实现，试验完整之后整理试验装置。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例提供的一种用于底部钻具组合运动状态模拟的试验装置，配备有不同规格尺寸和不同材质的模拟钻柱和模拟井筒，可以通过更换模拟钻柱和模拟井筒实现在试验条件下真实测量底部钻具组合运动状态，配合提升系统可以调整试验台在试验架上的倾斜角，研究不同尺寸、不同材料的模拟钻柱约束在模拟井筒内，在不同转速、不同钻压、不同井斜角条件下的运动状态，以此来分析不同条件下钻柱的运动规律，为现场控制钻柱的运动状态提供理论依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种用于底部钻具组合运动状态模拟的试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种用于底部钻具组合运动状态模拟的试验装置的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例的一种井筒支座的正视结构示意图；

图4为本发明实施例的一种井筒支座的俯视结构示意图；

图5为本发明实施例的一种传感器支架的正视结构示意图；

图6为本发明实施例的一种传感器支架的侧视结构示意图；

图7为本发明实施例的一种伺服电机的结构示意图；

图8为本发明实施例的一种模拟井底的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合图1～图8对本发明实施例的一种用于底部钻具组合运动状态模拟的试验装置及试验方法进行详细的说明。

参考图1和图2所示，本发明实施例提供的一种用于底部钻具组合运动状态模拟的试验装置包括固定系统、驱动系统、模拟管柱组合系统、加载系统、测量系统和提升系统，其中，固定系统包括试验架1、试验台2、井筒支座3和传感器支架4，驱动系统包括伺服电机5和控制柜6，模拟管柱组合系统包括模拟钻柱7和模拟井筒8，模拟钻柱7安装在模拟井筒8内部，加载系统包括模拟井底9和加载丝杠10，模拟井底9包括压杆21、与压杆21相连接的套筒20，套筒20固定在井筒支座3上，测量系统包括拉压力传感器11、位移传感器12和扭矩传感器13，拉压力传感器11与加载丝杠10相连接，提升系统包括涡轮减速机14、定滑轮15和钢缆16，涡轮减速机14位于试验架1下端，定滑轮15位于试验架1上端，钢缆16的一端固定在试验台2的上端部，钢缆16穿过定滑轮15连接到涡轮减速机14上，钢缆16的另一端固定在试验台2上，提升系统用于调整试验台2在试验架1上的安装倾斜角度。

具体的，参考图1和图2所示，固定系统由试验架1、试验台2、井筒支座3与传感器支架4组成，试验架1为l型钢制支架，试验架1包括相互垂直固定的水平支架和竖直支架，水平支架和竖直支架上均设置有相互配合的7组插孔，试验台2采用插销固定在试验架1上，试验台2的台面中间位置设置有用于实现井筒支座3轴向固定的定位槽。

进一步的，试验架1的水平支架和竖直支架的长度均为3.3m，试验架1用4根槽钢支撑，试验架1既是支撑架，用来支撑试验台2，也是试验台2的滑动轨道，可通过调整试验台2在试验架1的空间位置来改变试验台2的倾斜角，以此来模拟井斜角的变化，试验架1的水平支架和竖直支架上均预留了7组插孔，分别用于实现井斜角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的模拟实验，试验台2的上下两端也有插孔，将插销插入插孔即可实现在试验架1上固定试验台2；参考图2所示，试验台2的长度3m，试验台2通过高精密铣削一次成型，试验台2的台面中间高精密铣削一道定位槽，精度在±0.1mm，用来固定井筒支座3的横向位置，用定位键固定井筒支座3的轴向位置，下台面安装4对滚轮，以便调节试验台2在试验架1上的安装位置。

参考图3所示，井筒支座3用来固定模拟井筒8，可以通过定位槽和定位键统一加工各个井筒支座3的安装孔，可保证模拟井筒8的轴向定位、横向定位和纵向定位，井筒支座3为一座两支结构，底座宽12mm，两支宽均为1mm，中间预留10mm间隔放置传感器支架4，两支结构分别支撑两段模拟井筒8的一端，可保证各段模拟井筒8笔直且同心；参考图4所示，传感器支架4的宽度为8mm，传感器支架4用来固定位移传感器12，传感器支架4各面挡板采用线切割一体成型，保证各对位移传感器垂直正交，传感器支架4通过螺栓安装在井筒支座3上。

具体的，参考图1、图3、图4、图5和图6所示，模拟井筒8固定在井筒支座3上，传感器支架4固定在井筒支座3上，传感器支架4用于固定位移传感器以保证每对位移传感器12之间的垂直正交，模拟钻柱7采用钻卡子与伺服电机5的传动轴相固定，以实现模拟钻柱7与伺服电机5的传动轴之间同步转动。

参考图1、图3、图4和图8所示，模拟钻柱7的下端为半球形结构以用于模拟钻头，模拟钻柱7的下端插入套筒20内且套筒20内径与模拟井筒8内径相同，套筒20固定在井筒支座3上以保证模拟钻柱7下端与模拟井筒8同心。压杆21为平端大小头结构，压杆21的大头为圆柱结构且压杆21的小头端面为内半球形，压杆21与模拟钻柱7下端之间为球面接触，模拟钻柱7为长度为2.5m的不锈钢制实心圆柱，模拟钻柱7的外径包括3mm和4mm两种规格，模拟井筒8的内径包括6mm和8mm两种规格且模拟井筒8的外径分别为12mm或14mm。

参考图1和图7所示，驱动系统由伺服电机5与控制柜6组成，伺服电机5为数控机床用交流伺服电机，参考图7所示，伺服电机5可进行无级变速，转速范围为0-5000r/min，伺服电机5的转速通过控制柜6来操控，控制柜6有转速反馈系统，转速精度可控制在1r/min内，可为模拟钻柱7提供精准的转速，模拟钻柱7通过电机传动轴上的钻卡子固定，可带动模拟钻柱7随传动轴同步转动，且电机传动轴与模拟井筒8同心安装，以便模拟钻柱7的上端被固定在模拟井筒8的中心线上。

具体的，参考图1和图8所示，模拟管柱组合系统由模拟钻柱7与模拟井筒8组成，模拟钻柱7为长度2.5m的304不锈钢制的实心圆杆，不需要多根钻柱连接，外径分为3mm和4mm两种，此种模拟钻柱7可消除现有bha动力学试验装置中由于螺纹连接使模拟钻柱7不笔直的影响，模拟钻柱7上端插入伺服电机5钻卡子内5cm，下端打磨成半球形，用来模拟钻头，插入模拟井底9的套筒20内5cm，因此模拟钻柱7的有效长度为2.4m；模拟井筒8采用304不锈钢管和有机玻璃管两种材料，内径分6mm和8mm两种规格，外径分别为12mm和14mm两种规格，测量位置选择在距离模拟井底0.2m、0.7m、1.2m、1.7m四个测量位置，模拟井筒被分为5段，长度分别为0.5m、0.4m、0.4m、0.4m、0.1m，每段模拟井筒8的中间间隔0.1m，用来安装位移传感器12，模拟井筒8的上下两端距离井口、井底也分别留出0.1m间隔，便于钻柱安装。

具体的，参考图1和图8所示，加载系统由模拟井底9与加载丝杠10组成，参考图8所示，模拟井底9由套筒20与压杆21组成，套筒20的内径与模拟钻柱7相同，模拟钻柱下端的模拟钻头插入套筒20内，套筒20的外径与模拟井筒8相同，套筒20也固定在井筒支座3上，以保证模拟钻柱下端与模拟井筒8同心，因此套筒20可约束模拟钻柱7下端的径向位移，但允许轴向移动及轴向扭转；压杆21为平端大小头结构，大头是圆柱结构，小头端面为内半球形，可与模拟钻头组合成球面接触，压杆21的小头外径与模拟钻柱7相同且插入套筒20内，以保证压杆21与模拟钻柱7在同一轴线上，通过加载丝杠10推动压杆21的大头使小头挤压模拟钻头，以便为钻柱提供钻压。

参考图1所示，本发明实施例的测量系统还包括与位移传感器12电连接的控制器17、与控制器17电连接的接口单元18和与接口单元18之间电连接的pc终端19，其中，拉应力传感器11安装在加载丝杠10的端面上且拉应力传感器11与压杆21的大头面接触，拉应力传感器11用于测量模拟钻柱所承受的钻压；位移传感器12为激光位移传感器，位移传感器12用于测量模拟钻柱7的横向位移，扭矩传感器13用于测量模拟钻柱7在井筒内转动时产生的扭矩。

具体的，位移传感器12为激光位移传感器，通过配套的控制器17及接口单元18连接在pc终端19上，pc终端19可直接储存位移数据并实时显示位移随时间的变化图像，激光位移传感器由激光发射器和接收器组成，激光需要直接照射在模拟钻柱上，不能被其余物体遮挡，因此模拟井筒8需在测量处断开，中间留出间隙放置位移传感器12，两对位移传感器垂直放置可测量一个钻柱位置处的横向位移，因此一个传感器支架4需要上下左右四个方向上垂直安装四个传感器探头；扭矩传感器13位于上端伺服电机5的系统内部，无需专门安装，用于测量模拟钻柱7在模拟井筒内转动时产生的扭矩。

本发明实施例提供的一种用于底部钻具组合运动状态模拟的试验装置，配备有不同规格尺寸和不同材质的模拟钻柱和模拟井筒，可以通过更换模拟钻柱和模拟井筒实现在试验条件下真实测量底部钻具组合运动状态，配合提升系统可以调整试验台在试验架上的倾斜角，研究不同尺寸、不同材料的模拟钻柱约束在模拟井筒内，在不同转速、不同钻压、不同井斜角条件下的运动状态，以此来分析不同条件下钻柱的运动规律，为现场控制钻柱的运动状态提供理论依据。

另一方面，基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种用于底部钻具组合运动状态模拟的试验方法，还试验方法应用于上述的用于底部钻具组合运动状态模拟的试验装置，其中，该试验方法包括：

步骤一：确定待模拟钻柱7和模拟井筒8的材料和几何尺寸；

步骤二：将确定好的模拟钻柱7穿入模拟井筒8的内部，并采用螺丝固定将模拟井筒8固定在井筒支座3上，将模拟钻柱7的上端固定在伺服电机传动轴的钻卡子上，并将模拟钻柱7的下端穿入模拟井底9的套筒内，将模拟井底9的套筒20固定在井筒支座3上，之后将压杆21插入套筒20的内部；

步骤三：确定需要测量的钻柱位置，将位移传感器12安装在传感器支架4上，并将传感器支架4安装在井筒支座3上的待测量位置，之后安装拉应力传感器11并对拉应力传感器11进行校正处理；

步骤四：通过提升系统将试验台2提升至需要的倾斜角，并将试验台2固定在试验架1上；

步骤五：通过加载丝杠10调节模拟钻柱7所需要的钻压，钻压数据实时显示在拉应力传感器11上；

步骤六：启动驱动系统，通过控制柜控制伺服电机5以便为模拟钻柱7施加需要的钻速；

步骤七：采集试验数据和观察试验现象，若模拟钻柱7和模拟井筒8发生塑性变形或损坏，及时更换模拟钻柱7和模拟井筒8；

步骤八：根据试验需要，更换不同规格的模拟钻柱7或模拟井筒8，并适应性的改变试验条件，重复签署的试验步骤直至完成整个模拟实现，试验完整之后整理试验装置。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。