[实用新型]水平井钻柱动力学仿真实验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种应用于石油钻采设备技术领域中的研究水平钻柱动力学特性的综合实验装置。

背景技术

水平井工程是近年发展起来的一项新技术，是实现“稀井高产”的重要手段，在低压、低渗、薄油藏稠油藏及常规技术难以取得经济效益的油田的开发上发挥了重要作用。目前，国内外许多学者和专家对水平井进行了大量的静力学分析。尽管钻柱静力分析有助于较好地控制钻井过程和实现井眼轨迹预测，但实际的钻井过程是个动态过程，钻柱受力随时间的变化而变化。在复杂的边界条件下，钻柱产生纵、横、扭三维耦合振动，这不仅降低了钻进速度，引起钻柱的磨损及疲劳破坏，也使井眼轨迹更加难以控制。为了更好地了解和掌握水平井钻柱的运动状态，便于科学预测井眼轨迹和揭示钻柱失效的动力学机理，需要进行水平井钻柱动力学分析。但是，现有的实验设备却不能进行上述分析和实验工作。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本实用新型提供一种水平井钻柱动力学仿真实验装置，该种实验装置既能对水平井钻柱进行动力学仿真，又能对斜式井钻柱进行动力学仿真，弥补了现有技术中的空白。

本实用新型的技术方案是：该种水平井钻柱动力学仿真实验装置，包括工作板、齿轮齿条钻机虚拟样机、入口泵、出口泵、水箱以及底座，齿轮齿条钻机虚拟样机固定于工作板上表面，工作板下表面与底座之间通过液压缸连接，工作板与底座的侧边通过销轴铰接；其独特之处在于：所述工作板上固定有一个带有测试装置的杆柱单元，其中，所述杆柱单元由连接法兰、扭矩传感器、外筒、压杆、内外介质循环接头、压力传感器以及激振器连接后构成 。其中，外筒为透明的有机玻璃管，压杆为可旋转的无缝钢管，压杆位于外筒内，二者之间有环空；所述测试装置由位移传感器、压电式力传感器、阀杆、阀头以及测试装置外筒连接后组成；测试装置外筒固定于外筒上，与外筒的垂直方向呈10度夹角，位移传感器亦固定于外筒上，位移传感器的探头与阀杆始终保持接触；压电式力传感器位于测试装置的末端，其触头紧贴阀杆，所述阀头与阀杆做固定联结，阀头在弹簧回复力的作用下始终与压杆保持接触；所述测试装置间隔分布于外筒上的三个等距的测试点上；

所述内外介质循环接头由接头外壳、接头内圈和接头旋体组成； 接头外壳约束于固定支架上，可沿轴向相对滑动，与外筒柔性连接，接头内圈上开有作为钻井液循环通道的三个溢水槽，接头旋体的下端有六个钻井液的循环通道；

所述齿轮齿条钻机虚拟样机上的压杆转矩电机通过连接法兰与扭矩传感器刚性连接，提供压杆转矩；扭矩传感器的另一端与压杆的上端也通过法兰做刚性连接，所述压杆的左端通过内外介质循环接头和外筒的下端相连，压力传感器的两端分别与激振器和内外介质循环接头相连接；所述压杆转矩电机为空心轴电机，所述内外介质循环接头的外壳与外筒的连接为柔性连接；

由所述入口泵经过压杆转矩电机的空心轴、压杆的内腔、内外介质循环接头中的液流通道、压杆与外筒之间的环空、出口泵至水箱构成钻井液的流动通道。

本实用新型具有如下有益效果：该种实验装置设有外筒、压杆、虚拟样机、扭矩传感器、位移传感器、压力传感器、内外介质循环接头、激振器、液压缸以及配合工作的多路数据采集系统、计算机、信号发生器、功率放大器等。虚拟样机固定于工作板上表面，工作板下表面与底座通过液压缸连接，工作板与底座下端通过销轴铰接。虚拟样机装有三个电机，一个提供转矩，通过连接法兰和扭矩传感器，与压杆固联在一起；其余两电机对称布置，分别与一个驱动齿轮相连，通过齿轮齿条的啮合传动，为压杆提供钻压。内外介质循环接头的接头外壳与外筒相连，接头旋体与压杆固联，随压杆一起转动，接头外壳约束于固定支架上，可沿轴向相对滑动。压力传感器两端分别与激振器和压杆下端相连。外筒上设有等距的三个测试点上，其间距为1000mm，测试装置固定于三个测试点上；工作状态下，测试系统将所测得数据通过功率放大器放大，再经过数据采集装置传输给计算机。

应用时，内外介质循环接头外壳与外筒的连接为柔性连接，工作状态下无冲击，且具有较好的密封性。与传统的钻杆动力学分析系统相比，本装置工作板与底座下端铰接，上端通过一对对称布置的液压缸相互连接，因此既可实现水平井钻柱动力学仿真，又可实现斜式井钻柱动力学仿真；同时，在钻杆上依次设置三个等距的测试点，可对钻杆在工作状态下的动态特性进行较为全面的测试及分析。整个装置结构简单，体积小，明显降低了制造安装成本；并且，系统操作简便，安全，动力消耗小，节省能源。

附图说明：

图1为本装置的结构示意图。