井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架及方法

本发明涉及石油工程实验台架领域，具体地，涉及一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架及方法。

背景技术：

1、在石油和天然气勘探领域，钻井平台是至关重要的设备。随着对更深层和复杂地质结构的石油和天然气储备的勘探，对钻井技术的要求也不断提高。

2、传统的钻井设备主要以固定的钻压和钻井角度进行操作，这在一些简单地层中可能是足够的。但对于复杂的地质结构，特别是变质岩、断层或高硬度岩石地区，固定的钻压和钻井角度可能导致钻具磨损过快，钻井效率低下，甚至可能导致钻具卡死或破损。

3、目前，虽然市场上已有一些可调节钻压和钻井角度的钻井设备，但多数仍然依赖于人工判断和操作，这在一些高难度的钻井作业中可能不够精确。此外，现有的技术中，对于如何精确调节钻压和钻井角度以应对各种地层变化仍然存在一定的挑战。因此，当前的技术状况下，市场上迫切需要一个集成了先进控制技术，可以自动或半自动调整钻压和钻井角度的钻井平台实验台来实现对复杂钻井工况与地质情况下的钻井过程力学模拟。

4、在目前已有的钻井实验平台的设计中，在公开号为cn106593310a的中国专利文献中公开了一种多功能钻井实验台架，采用液压动力驱动整个平台倾斜实现对水平井与斜井的模拟，同时采用液压装置进行钻压负载的模拟，但该实验平台将整个平台倾斜的做法显然不符合实际情况下的斜井钻探，并且此平台调节较为麻烦。

5、在公开号为cn106769143a的中国专利文献中，公开了一种轨道式多功能钻井实验台架，将动力水龙头系统安装于轨道之上，通过液压装置实现对钻具提升与加载，但其未曾考虑过如何改变钻井角度。

6、目前已有的这些实验装置均无法对钻柱的运动，特别是实时的改变钻压与钻井角度的钻井活动进行模拟。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架及方法。

2、根据本发明提供的一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，包括：支承组件、钻压控制组件、驱动组件、钻柱组件、转向组件、底部钻具组件、模拟岩层组件和计算机及控制软件；

3、驱动组件、钻柱组件、转向组件设置于支撑系统的侧面；所述驱动组件通过钻柱组件与所述底部钻具组件驱动连接，所述钻柱组件穿设在所述转向组件中并转向，所述钻压控制组件与所述驱动组件连接，调节底部钻具组件的末端压力，所述模拟岩层组件与所述底部钻具组件接触配合，所述计算机及控制软件与其他组件电连接。

4、优选地，所述钻压控制组件包括顶吊电机、连接绳、滑轮组和配重砝码；所述吊顶电机通过穿设在滑轮组上的连接绳与驱动组件相连，通过改变连接绳上的张力大小，可调节驱动组件与钻柱组件的悬重大小，进而实时控制底部钻研的大小，所述配重砝码与连接绳的末端连接。

5、优选地，所述驱动组件包括驱动电机和直线导轨；所述直线导轨设置在支承组件的侧面，所述驱动电机安装在直线导轨上，且沿直线导轨做升降运动，所述驱动电机的驱动端与所述钻柱组件连接，对钻柱组件进行旋转控制。

6、优选地，所述钻柱组件包括弹性元件和透明管，所述弹性元件穿设在透明管中间，所述弹性元件为具有纵向弹性与扭转弹性的结构，弹性元件的上端与驱动组件轴连接，而下端则与底部钻具组件轴连接。

7、优选地，所述转向组件包括转向支架、伸缩推杆和转向软管；

8、所述转向支架的一端与所述支承组件转动连接，所述伸缩推杆的一端安装在支承组件上，所述伸缩推杆的另一端与所述转向支架转动连接，驱动转向支架在支承组件上转动，所述转向软管安装在所述转向支架上，所述钻柱组件穿设在所述转向软管中。

9、优选地，所述底部钻具组件包括钻杆、钻头、联轴器、角度传感器和力传感器；

10、所述钻杆的一端与钻柱组件连接，所述钻杆的另一端通过联轴器与所述钻头连接，所述角度传感器和力传感器用于实时检测钻杆的角度变化和受到的力。

11、优选地，所述模拟岩层组件设置于底部钻具组件之下并锁紧于导轨之上，包括模拟岩层材料、模拟岩层安装座；所述模拟岩层材料通过所述模拟岩层安装座进行固定。

12、根据本发明提供的一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验方法，基于上述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，包括以下步骤：

13、步骤s1：检查所有组件，确保工作状态良好；

14、步骤s2：启动计算机并运行控制软件，确保系统处于待机状态；

15、步骤s3：使用钻压控制组件来设定所需的钻压大小；

16、步骤s4：根据需要调整转向组件，设定钻井的倾斜角度；

17、步骤s5：选择合适的模拟岩层材料，并固定在模拟岩层安装座上；确保模拟岩层与底部钻具之间的位置准确；

18、步骤s6：启动驱动组件，使钻柱组件开始旋转；观察并记录底部钻具组件与模拟岩层组件之间的互动；

19、步骤s7：通过控制钻压控制组件和驱动组件，将在纵向与扭转向叠加控制力与控制力矩，实施钻柱纵-扭耦合振动的主动抑制，并将记录多路控制信号；

20、步骤s8：实验完毕，关闭设备。

21、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

22、1、本发明可用于钻柱纵向-扭转耦合振动动力学的研究，可模拟重现并实时测量、记录井底钻具复杂的扭转黏-滑振动、钻头纵向跳起、转速波动、钻压波动、钻杆动态载荷等。

23、2、本发明可对钻柱的纵向与扭转向实施主动控制。对于纵向控制，可监控悬重拉力变化进行恒定悬重控制，或者通过位移传感器的反馈进行恒定钻进速度控制；对于扭转控制，通过顶部驱动组件的角度传感器可实现简单的恒转速控制，或通过顶部驱动角度传感器以及底部钻具角度传感器角度差值实现恒定钻矩控制。

24、3、实验台的调节钻井角度功能使得实验更具灵活性和广泛性，能够模拟各种复杂的钻井场景，从而得到更为准确的实验数据。

25、4、本发明具有较全面的功能，且工作方式与实际钻井系统较为接近。例如采用了电机及滑轮组带动钢丝绳索及滑轮实现纵向升降控制、悬重控制、采用钻头与岩层模拟件实现对井底工况的模拟。特别是其可调节钻井角度的设计，使得本发明可对直井和斜井同时进行模拟。并且本发明不仅可用于钻柱动力学测量与控制的工程技术研究，还能够发挥其演示性实验与教学的用途。

技术特征：

1.一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，包括：支承组件、钻压控制组件、驱动组件、钻柱组件、转向组件、底部钻具组件、模拟岩层组件和计算机及控制软件；

2.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述钻压控制组件包括顶吊电机、连接绳、滑轮组和配重砝码；所述吊顶电机通过穿设在滑轮组上的连接绳与驱动组件相连，带动驱动组件升降，所述配重砝码与连接绳的末端连接。

3.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述驱动组件包括驱动电机和直线导轨；所述直线导轨设置在支承组件的侧面，所述驱动电机安装在直线导轨上，且沿直线导轨做升降运动，所述驱动电机的驱动端与所述钻柱组件连接，对钻柱组件进行旋转控制。

4.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述钻柱组件包括弹性元件和透明管，所述弹性元件穿设在透明管中间，所述弹性元件为具有纵向弹性与扭转弹性的结构，弹性元件的上端与驱动组件轴连接，而下端则与底部钻具组件轴连接。

5.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述转向组件包括转向支架、伸缩推杆和转向软管；

6.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述底部钻具组件包括钻杆、钻头、联轴器、角度传感器和力传感器；

7.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述模拟岩层组件设置于底部钻具组件之下并锁紧于导轨之上，包括模拟岩层材料、模拟岩层安装座；所述模拟岩层材料通过所述模拟岩层安装座进行固定。

8.一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验方法，基于权利要求1-7任一项所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架及方法，包括：支承组件、钻压控制组件、驱动组件、钻柱组件、转向组件、底部钻具组件、模拟岩层组件和计算机及控制软件；驱动组件、钻柱组件、转向组件设置于支撑系统的侧面；驱动组件通过钻柱组件与底部钻具组件驱动连接，钻柱组件穿设在转向组件中并转向，钻压控制组件与驱动组件连接，调节底部钻具组件的末端压力，模拟岩层组件与底部钻具组件接触配合，计算机及控制软件与其他组件电连接。本台架可以实时监测钻头的动态负载、转速、钻压等关键参数。实验台还具备主动抑振功能，能够有效地降低钻井过程中的振动，提高钻井效率和钻头寿命。

技术研发人员：刘显波,邵俊华,钱翰阳,侯祥雨
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29