[发明专利]內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油与天然气工程领域，特别涉及石油钻井或地面驱动螺杆泵采油过程中内杆行星运动诱发平面流场的实验及测量，具体涉及內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置及方法。

背景技术

石油钻井或地面驱动螺杆泵采油时，由于井斜或者杆柱的弯曲，钻柱或抽油杆在绕自身轴线旋转的同时，还绕井眼或者油管轴线公转，即内杆行星运动。流体在内杆行星运动的诱发下产生平面流动，该流动规律对于钻井液或采出液的水力参数设计、流体压耗分析、内杆与流体相互作用力、内杆的摩擦扭矩、防磨技术的探讨及防磨工具的研制等都是非常重要的。钻井或者采油工程中，流体在内杆行星运动环空中的流动是三维的，目前环空轴向流动的流场分析相对较多，包括解析解、近似解析解、数值模拟、PIV（Particle Image Velocimetry）测量分析等，而对于平面流场，除了崔海清等人的有限差分解和少数学者的FLUENT流场模拟外，PIV测量文献极少。内杆的行星运动是在惯性坐标系下观察的结果，如果在特定的非惯性坐标系下观察，内杆的行星运动就变成了内杆与外筒同时的自转运动。为此，建立內杆与外筒自转诱发流体平面流动的实验装置并通过PIV技术进行流场测量，为内杆行星运动所诱发流体平面流场规律的研究及为其它数值软件分析结果提供数据参考等，意义重大。

发明内容

本发明的一个目的是提供內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置，这种內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置用于实现平面流场的模拟及PIV技术进行流场的测量，本发明的另一个目的是提供这种內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置的实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置包括实验装置主体、内杆自转装置、外筒自转装置、PIV测量装置，实验装置主体为框架，内杆自转装置包括第一交流电机、第一减速机、内杆，传动抛光杆的下端固定有机玻璃棒构成内杆，第一减速机通过移动通孔固定在框架的顶板上，第一减速机连接传动抛光杆；外筒自转装置包括第二交流电机、第二减速机、传动轴、同步带、外筒，第二减速机固定在框架的底板上，第二减速机连接传动轴，传动轴垂向设置，传动轴上端连接第一同步轮，第一同步轮与传动轴过盈配合，第一同步轮通过同步带与外筒中部外侧设置的第二同步轮配合传动，外筒为有机玻璃管，外筒通过上外球面带座轴承和下外球面带座轴承固定在实验装置主体中，上外球面带座轴承通过顶丝吊装在顶板下，下外球面带座轴承固定在框架的底板上；PIV测量装置的双脉冲激光器设置于外筒外侧，双脉冲激光器与有机玻璃棒对应设置，CCD相机置于外筒的正下方，双脉冲激光器、CCD相机均通过同步控制器连接计算机。

上述方案中实验装置主体包括顶板、底板，顶板、底板均焊接在四根立柱上，构成四方柱体式框架，顶板上设置有调偏通孔，调偏通孔为条形的，调偏通孔的两侧设置有移动通孔，移动通孔也为条形的，每个移动通孔的外侧设置有螺栓孔；螺栓孔用于固定上外球面带座轴承，移动通孔用于固定第一减速机，传动抛光杆从调偏通孔中穿过，通过移动通孔与调偏通孔相配合，可以方便地对传动抛光杆进行调整。

上述方案中传动抛光杆上端设有托台和键槽，穿过并悬挂在第一减速机上，传动抛光杆的下端同心丝扣连接有机玻璃棒。

上述方案中第二同步轮与外筒通过第二同步轮上内置的四个顶丝配合，便于安装调整；传动轴下端设有托台和键槽，穿过并承托在第二减速机上，第二同步轮在同步带的传动下带动外筒旋转，转速及旋转方向由交流电机控制器控制。

上述方案中上外球面带座轴承、下外球面带座轴承同轴，且均内置顶丝固定并承受外筒及外筒中液体的重量。

上述內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置的实验方法：

1）向外筒内灌注配有粒子的待测液体；

2）调整内杆的偏心距离，并固定；

4）调整双脉冲激光器的位置，使之打出水平激光，同时穿过外筒和内杆下端的有机玻璃棒，调整CCD相机垂直向上拍摄待测平面；

5）调整内杆、外筒自转方向及转速；

6）待流场稳定后，打开计算机进行数据采集与分析；

7）实验结束后，关闭电源；

8）收好CCD相机，放掉外筒里的液体。

本发明具有以下有益效果：