[实用新型]一种模拟钻头破岩扭矩的实验装置

说明书

技术领域

本实用新型属于石油钻井领域，具体涉及一种模拟钻头破岩扭矩的实验装置，可模拟井下钻头破岩扭矩，可用于钻井工具的性能、强度等地面实验，有利于进行钻井工具的研发。

背景技术

油气钻井使用钻头破碎岩石，深度可达数千米。由于岩石的不均质性以及井下钻井参数的剧烈变化，钻头破岩扭矩呈现出剧烈的扭转振动，而不是一个稳定的扭矩值。钻头的破岩扭矩是钻井工具的重要参数，严重影响钻井工具的性能和寿命，因此新钻井工具的研发需要钻头破岩扭矩作用下进行性能测试。

目前的技术:

一是通过理论计算预测，由于岩石的不均质性，模型不准确；

二是实验模拟，由于钻头钻进时需要10吨左右的压力，5MPa左右的水功率，以及与井下力学性质类似的岩石，钻进速度一般可达10m/h，需要巨大数量的岩石，因此难以在实验室进行。目前很多工具的测试仅加载一个恒定的扭矩来模拟破岩扭矩，与实际情况差距较大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种模拟钻头破岩扭矩的实验装置，针对实验室难以模拟钻头破岩扭矩的现状，不需要实际的钻头、水泵及大量的岩石，且可以有效准确的模拟钻头破岩的振动工况，以解决实验室钻头扭矩模拟这一难题。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种模拟钻头破岩扭矩的实验装置，包括电机、液压系统、液压控制系统和液压离合器；

所述电机与液压离合器的主动轴连接；

所述液压系统与液压离合器连接；

所述液压控制系统与液压系统连接。

所述液压离合器包括同轴线设置的主动轴、液压缸、活塞、外壳、静摩擦片和动摩擦片；所述液压缸设置在主动轴的一端，所述外壳设置在主动轴的另一端；

所述活塞设置在液压缸内；

所述静摩擦片、动摩擦片均设置在外壳的内腔中。

所述液压缸包括圆盘状底面和与之同轴线设置且连成一体的圆筒状缸体；

在所述圆盘状底面面向缸体内的一侧设有与其同轴线且连成一体的环状凸台；

所述环状凸台的外壁与所述液压缸的缸体的内壁以及圆盘状底面围合形成环状储油区；

所述活塞为环状结构，其位于环状储油区内，外壁与缸体的内壁接触，内壁与环状凸台的外壁接触，并能够在储油区内沿液压缸的轴线往复移动；

在所述活塞位于储油区外的端面与静摩擦片之间安装有与两者连接且同轴线的推力轴承。

在所述环状凸台与静摩擦片之间设有弹簧，所述弹簧的一端与环状凸台的端面连接，另一端与静摩擦片的端面连接。

在所述环状凸台与静摩擦片之间设有4个在圆周上均布的弹簧。

在所述活塞的外壁与缸体的内壁之间、活塞的内壁与环状凸台的外壁之间分别设有活塞密封圈；

在所述液压缸的圆筒状缸体上开有液压油输入口，该液压油输入口与液压离合器输入管线连接。

所述外壳包括依次连接的大圆筒段、圆锥段和小圆筒段；所述大圆筒段的直径大于所述小圆筒段的直径；所述圆锥段的两端分别与大圆筒段、小圆筒段连接；

所述静摩擦片、动摩擦片均设置在所述大圆筒段的内腔中；

在所述大圆筒段的内壁开有多个与其轴线平行的沟槽；

所述静摩擦片为圆盘状结构，在其中心开有通孔；

在所述静摩擦片的外缘上设有多个凸起，每个凸起对应安装在外壳大圆筒段内壁上的一个沟槽内；

所述静摩擦片能够沿外壳的轴线往复移动；

在所述动摩擦片的中心开有通孔，所述动摩擦片通过通孔内的平键与主动轴连接；在主动轴上安装有与其同轴线的挡环，所述挡环将动摩擦片顶住，当主动轴旋转时，动摩擦片随主动轴一起旋转；

在所述静摩擦片面对动摩擦片的一侧上设置有静摩擦片耐磨层，在所述动摩擦片面对静摩擦片的一侧上设置有动摩擦片耐磨层；

当活塞推动静摩擦片与动摩擦片接触时，所述静摩擦片耐磨层与动摩擦片耐磨层直接紧密接触。

在所述液压缸的圆盘状底面的中心开有通孔，所述主动轴从该通孔穿入，依次穿过环状凸台的通孔、静摩擦片的通孔、动摩擦片的通孔、挡环的中心孔后穿入到外壳的小圆筒段的内腔中，小圆筒段为该实验装置的输出端。

在所述液压缸的圆盘状底面的通孔内壁与主动轴之间、在所述小圆筒段的内壁与主动轴的外壁之间分别安装有轴承。

所述液压系统包括液压油缸、油泵、高压管线；

所述液压油缸通过吸入管线与油泵连接；

所述油泵通过高压管线与液压控制系统连接；