[发明专利]一种测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台

说明书

技术领域

本发明属于石油钻采领域，具体而言，涉及一种测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验模拟装置。

背景技术

钻柱粘滑振动是一种由于摩擦的非线性性质所引起的自激振动。在深井、超深井的钻进过程中，地层起伏变化较大，岩性多变，非均质严重。随着井深的增加，井身结构复杂且井眼尺寸减小，地层软硬交错，岩石硬度及塑性加大，研磨性增强，可钻性变差；当钻井深度达到几千米时，则其转矩刚度下降，钻头受到摩擦阻力影响，使钻头周期性的停滞、旋转，使钻柱产生粘滑振动；当粘滑振动频率与钻柱系统固有频率接近时，容易产生共振，严重损害钻柱，随着钻柱长度的增加，粘滑振动现象也会变得更加明显。

关于钻柱粘滑振动的研究目前鲜有试验方法，多数研究还局限于理论研究。如：将钻柱结构的特殊性用弹性空间曲线描述；建立扭矩激励法和转角激励法的钻柱扭转振动数学模型。大多数学者将钻柱转化为具有扭转刚度和转动惯量的扭摆，建立钻柱扭转振动模型；还有部分学者利用有限元分析法来研究钻柱粘滑振动。

有鉴于此，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出一种测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验模拟装置，以期解决现有技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验模拟装置，能用于分析钻井过程中井下钻柱发生粘滑振动的原因及其影响因素。

为此，本发明提出一种测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其包括有：

一主体支架，所述主体支架上沿垂向间隔设置有一上水平支撑板及一下水平支撑板；

一电机驱动机构，其安装于所述上水平支撑板上，用于提供旋转动力及扭矩；

一钻柱模拟机构，位于所述上水平支撑板的下侧，其包括由上至下依次连接的上旋转盘、钻柱、下旋转盘、万向节及制动盘，且所述上旋转盘与所述电机驱动机构下端的输出轴相连接；

一活动支撑板，能上下移动的与所述主体支架相连接，所述活动支撑板上放置有一能移动的圆筒，所述下旋转盘、万向节及制动盘位于所述圆筒内，且所述制动盘与所述圆筒的筒底之间间隔有距离；

一工况模拟机构，包括一电磁激振器及至少两弹簧，所述电磁激振器安装于所述下水平支撑板上，其上端与所述活动支撑板相邻，所述弹簧的上端与所述活动支撑板相连接，其下端连接于所述下水平支撑板，且两所述弹簧对应设置在所述电磁激振器的两相对侧。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，另设有一照相机，所述照相机倒置在所述圆筒的正上方，并相邻于所述钻柱的一侧，所述照相机通过一支撑杆与所述主体支架相连接。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述钻柱模拟机构另设有一上编码器及一下编码器，所述上编码器安装在所述上旋转盘上，并套设在所述钻柱的上端头处，所述下编码器设置在所述下旋转盘上，并套设在所述钻柱的下端头处，其中，所述上编码器及下编码器与所述钻柱不接触。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述活动支撑板上另安装有两激光位移传感器，两所述激光位移传感器之间的相位角为90度。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述圆筒的筒底另设有一光学传感器，其位于所述下旋转盘的正下方。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述下旋转盘上对称设有两螺柱，且其中一所述螺柱上套设有一平衡调节块，其端头处螺接有螺帽。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述主体支架为一竖直放置的框架结构，其包括有一底座及多个沿周向均布的侧立柱，所述侧立柱的下端与所述底座相连接，所述侧立柱的上端之间连接有支杆，其中，所述上水平支撑板及下水平支撑板分别与各所述侧立柱相连接。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，各所述侧立柱上分别安装有一沿竖直方向设置的直线导轨，所述活动支撑板与各所述直线导轨的滑块相连接，以随所述滑块上下移动。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述圆筒的筒底上安装有多个能转动的滚轮，各所述滚轮沿所述圆筒的周向均布，并支撑于所述活动支撑板上。