[发明专利]一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置

说明书

本发明公开了一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，步进电机转动驱动滑块和伺服电机向下进给，钻头向下切削圆桶型容器中的模拟岩层材料，步进电机和伺服电机的转速和扭矩会通过电机驱动器和电机控制器传入笔记本电脑中，安装在底板上方的压力传感器、扭力传感器、光电传感器、超声位移传感器会将钻头的切削力、扭力、转速、钻速通过数据采集卡传入笔记本电脑中，以模拟真实的钻井工作过程，并用这些数据为钻柱的自激振动和粘滑振动分析提供参考依据。

技术领域

本发明属于钻井技术领域，涉及一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置。

背景技术

钻井技术在石油、天然气和煤炭等矿藏资源的开采中起到至关重要的作用。钻井过程是一种再生切削过程，钻深较浅时，钻头与岩层的接触应力较小，钻柱的振动主要是由于再生切削效应引起的自激振动；随着钻深的增加，钻头与岩层的接触应力逐渐变大，钻头与岩石的摩擦力随之增大，导致钻柱系统发生粘滑振动。自激振动极易使钻柱系统发生动力学失稳，而粘滑振动极易导致钻柱系统发生疲劳破坏。工程中，为了避免钻柱系统发生自激振动和粘滑振动，常常使用高转速、低进给、低钻压的钻进方式，但是这种钻进方式势必导致钻井效率的大大降低，并且这种经验式钻进方法无法适应所有的施工地层。

钻井现场实验是研究钻柱振动最直接的方式，科研人员一般会测试露出地表部分的钻柱振动，但是，自激振动和粘滑振动最剧烈的位置是在钻头处，由于钻柱长度很长，可以视为细长弹性体，并且经过体内阻尼和钻井液的影响，在地表部分测得的钻柱振动并不可靠，限于当前技术的局限，无法对井底部分的钻柱振动及标识粘滑振动特性的钻压和扭矩进行测量，这就是至今无法获得有效应对钻井自激振动和粘滑振动的方法的原因。因此，设计一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置并且制定相应的实验方法迫在眉睫。

现有技术中对于钻柱振动模拟的实验装置主要分为有钻井液式和无钻井液式。对于有钻井液式装置，中国专利CN201611214161.6提出了一种液压缸升降、液压马达驱动、动力水龙头循环钻井液并利用安装在液压缸支耳下的拉力传感器检测拉力波动的钻柱振动模拟方案，该方案一定程度上实现了对钻头切削压力波动的检测。对于无钻井液式装置，中国专利CN201510068354.4提出了一种利用激振器和击打挡板模拟切削力变化，利用拉力传感器和位移传感器测试钻柱轴向拉力和位移的钻柱振动模拟方案，该方案实现了钻柱轴向减摩阻特性的测试。

对于现有技术中的钻柱系统振动模拟装置，普遍存在以下不足：1、有钻井液式装置无法直接测试得到钻头端的压力值，仅仅通过传导到液压缸支耳上的拉力来计算钻头端的压力，不精确，不直接；2、无钻井液式装置无法模拟钻头的真实切削过程，无法模拟钻柱自激振动；3、无法直接测试得到钻头端的扭力和转速与钻柱顶端输入的扭力和转速的差值；4、不能模拟真实切削过程中的粘滑振动。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，以实现对钻柱钻头系统切削岩层的模拟，真正达到了对真实钻井过程模拟的目的。

本发明提供一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，包括：框架组件、顶部驱动组件、微型钻杆、微型钻头、模拟岩层组件、光学编码盘、超声位移传感器、光电传感器、扭力传感器、压力传感器和数据采集系统；

所述顶部驱动组件设置于所述框架组件的顶部，用于驱动微型钻杆上下运动和旋转运动；

所述微型钻杆一端与顶部驱动组件连接，另一端设有微型钻头，带动微型钻头切削所述模拟岩层组件；

所述光学编码盘设置在微型钻杆的中下部，可随微型钻杆上下运动和旋转运动；

所述超声位移传感器设置在光学编码盘上方，用于测量光学编码盘的轴向位移；

所述光电传感器设置在光学编码盘的侧面且与光学编码盘同步上下运动，用于发射红外激光信号进而测量微型钻杆的扭转速度；