本发明属于油气井管柱力学，具体涉及一种用于水平井管柱振动强度的实验装置及方法。
背景技术：
1、钻井是石油工程中油气勘探开发的重要组成部分，也是采矿工程中矿物勘探开发的重要组成部分。钻井设施的故障，尤其是钻柱的故障，会对钻井的成本带来巨大的影响。在钻井过程中，钻柱将钻头送至井筒底部并向钻头传递动力，钻头牙齿与地层或岩石间歇性接触进行破坏，进而导致钻头带动钻柱产生振动。
2、钻柱的振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动三类。钻柱振动被认为是钻柱部件过早失效、钻头失效、井眼轨迹恶化、钻头和稳定器过度磨损、钻速降低和效率降低的主要原因。研究钻柱振动对设计钻柱、设计减振器和选择合适的转速有重要的指导意义，且为保证钻井成功率、降低钻井事故率和增强钻井整体效益提供保障。
3、由于钻井过程的现象复杂，每个模型的使用都存在局限性。对整个钻柱系统进行建模，并使用实验室实验或现场数据验证结果已经成了最佳的实践方式。钻柱的系统动力学的建模和验证都需要实验设备进行实验分析。
4、公开号为cn114689258a，公开日为2022-07-01公开了一种模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置，所述模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置包括：主支撑组、钻具组合系统、岩样进给系统、调心系统、钻速和转速控制系统、扭矩和角位移监测系统、钻压和轴向位移监测系统、钻杆的轴向振动主动控制系统和钻杆的扭转振动主动控制系统；所述钻具组合系统、岩样进给系统和调心系统安装在主支撑组的主支撑架上，所述扭矩和角位移监测系统安装在钻具组合系统上；所述钻压和轴向位移监测系统分别安装在钻具组合系统和岩样进给系统上；所述钻具组合系统用于根据需要模拟不同条件的钻具组合；所述岩样进给系统用于对所选岩样进行固定，并带动岩样依据设置的进给速度钻进；所述调心系统用于对装置的平稳进行调节；所述钻速和转速控制系统用于通过pic控制器分别将信号传递给伺服电机和步进电机，伺服电机收到指令转速带动钻具回转系统进行旋转运动，步进电机以脉冲指令带动岩样进给系统进行进给运动；所述扭矩和角位移监测系统用于利用数据采集装置对传感器采集的扭矩和扭转角位移数据进行收集，通过计算机的采集系统软件可视化处理实现扭转振动的监测；所述钻压和轴向位移监测系统用于利用数据采集装置对传感器采集的钻压和轴向位移数据进行收集，通过计算机的采集系统软件可视化处理实现轴向振动的监测；所述钻杆的轴向振动主动控制系统用于通过夹具底部压力传感器监控钻压得动态变化情况，根据控制算法优化抑振对步进电机进行恒定钻速控制，或通过位移传感器监控位移的动态变化情况，根据控制算法优化抑振对步进电机进行恒定钻速控制；所述钻杆的扭转振动主动控制系统用于通过钻杆顶部角度编码传感器与底部钻具角度编码器的动态差值变化情况，根据控制算法优化抑振实现伺服电机恒定钻矩的控制，或通过安装于顶部驱动组件和底部钻具的动态扭矩传感器的动态差值变化情况，根据控制算法优化抑振实现恒定钻矩的控制。
5、随着对油气资源的不断开发，许多油气藏进入开采后期，陆地油气开采的重心逐渐转向非常规油气资源。中国页岩气储量丰富，具有良好的开采前景。由于页岩气存在于岩石裂缝和基质孔隙中，常规的长直井已经无法满足开采要求。水平井能大大增加与油气藏的接触面积，因而在页岩气开采领域广泛应用。但是水平井存在地层结构复杂、钻柱受力状态复杂等问题。为了减少水平井钻柱的失效，有必要进一步了解水平井条件下钻柱的运动特性。但是目前地表检测系统难以真实准确反映钻柱在水平段运动的振动情况。因此有必要设计一种基于水平井的钻柱力学实验方法和装置，进而为实际水平井钻进提供理论依据。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供一种用于水平井管柱振动强度的实验装置及方法，通过更换不同尺寸的实验钻柱和更换岩屑槽中的岩屑，模拟不同直径的钻杆在不同类型的岩石中钻进的效果。并通过设置钻压和转速等钻井参数，以此来分析不同条件下钻柱的运动规律，解决水平井钻井中，对钻柱的运动特性认识不足等问题。
2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种用于水平井管柱振动强度的实验装置，包括基座，所述基座一端设置有用于夹持岩石的夹持工位，所述夹持工位上设置有进尺传感器和压力施加装置，压力施加装置上设置有钻压传感器，基座另一端设置有驱动装置，所述驱动装置通过钻杆与钻头相连，钻头位于压力施加装置的相对侧，所述基座上还设置有用于检测钻杆横向位移的位移传感器，所述钻杆下方设置有岩屑槽。
4、优选的，所述夹持工位包括夹持基座，所述夹持基座左右两侧分别设置有左夹持件和右夹持件。
5、优选的，所述左夹持件和右夹持件均包括夹板和与夹板相连的丝杆，所述丝杆转动设置在夹持基座上。
6、优选的，所述进尺传感器设置在夹持基座左侧或右侧上。
7、优选的，所述压力施加装置采用液压伸缩装置或电动伸缩装置。
8、优选的，所述驱动装置采用驱动电机和减速箱，所述驱动电机通过减速箱与钻杆相连。
9、优选的，所述岩屑槽通过岩屑安装座设置在基座上。
10、优选的，所述基座上设置有多个用于安装位移传感器的传感器架。
11、优选的，所述岩屑槽上设置有岩屑出口。
12、一种用于水平井管柱振动强度的实验方法，包括以下步骤：
13、s1: 检查压力施加装置、左夹持件和右夹持件是否有进尺，如有进尺，则需将进尺归零，检查岩屑出口是否关闭，如未关闭则需关闭；
14、s2: 放置岩石至基座上，通过调节左夹持件和右夹持件的丝杆将岩石的左右位移限制；
15、s3: 将岩屑均匀置于岩屑槽中，并调整传感器架的位置和数量；
16、s4: 启动驱动电机，通过减速箱使钻杆转动；
17、s5: 观察待钻杆运动平稳，启动压力施加装置推动岩石缓慢平稳向钻头端移动，并与钻头接触进行破岩；
18、s6: 记录钻压传感器、进尺传感器、位移传感器以及减速箱扭矩数据，等到数据收集完成后，结束实验，停止压力施加装置并收缩液压臂，钻杆空转1min后，关闭驱动电机，取出岩石，打开岩屑出口，清扫岩屑；
19、s7:清扫完岩屑后，关闭岩屑出口，将左夹持件和右夹持件进尺归零，整理仪器器材，打扫实验室。
20、本技术方案的有益效果如下：
21、一、本发明提供的一种用于水平井管柱振动强度的实验装置，通过更换不同尺寸的实验钻柱和更换岩屑槽中的岩屑，模拟不同直径的钻杆在不同类型的岩石中钻进的效果。并通过设置钻压和转速等钻井参数，以此来分析不同条件下钻柱的运动规律，解决水平井钻井中，对钻柱的运动特性认识不足等问题。
22、二、本发明提供的一种用于水平井管柱振动强度的实验方法，通过更换不同尺寸的实验钻柱模拟不同直径的钻杆在不同类型的岩石中钻进的效果，能够实时测得钻压、扭矩、进尺以及钻柱任何位置的横向位移。并通过调整岩屑槽中的岩屑改变钻柱的工作环境，真实模拟水平井钻进。