[发明专利]一种深井钻柱粘滑振动模拟装置

说明书

本发明涉及一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，包括机架3、底座23、电机1、空心伸缩杆2、活塞18、可升降游梁5、粘滑效应模拟器8、微型钻头9、岩心室22、钻井液储存缸19、泵机12和导流管21，所述空心伸缩杆穿过可升降游梁5固定于机架内，顶端连接活塞18，底部连接粘滑效应模拟器8和微型钻头9，微型钻头正对着位于底座中心的岩心室22，岩心室和外壳置于钻井液储存缸19上，钻井液储存缸通过侧面的出口连接泵机12和导流管21，导流管从底座下端引出，并连接活塞18。本发明通过计算不同井深下钻柱刚度，再等比缩放选择使用对应刚度的粘滑效应模拟器，从而模拟该长度下钻柱的粘滑振动，解决目前深井钻柱粘滑振动模拟实验困难的问题。

技术领域

本发明属于石油工程钻井领域，具体涉及一种在室内模拟井底条件下的粘滑振动，进而研究粘滑振动发生条件和程度的模拟装置。

技术背景

随着石油工业技术的发展以及社会对油气资源需求的增长，石油钻采逐渐向深部地层和深海海域发展。在深井钻井中，随着井深增加，井底围压使岩层硬度增大，塑性增强；同时深井钻井穿过多套压力地层，跨越地质年代较多，相应地质条件复杂。随着钻柱长度的增加，钻柱的等效扭转刚度降低，传递转矩不足，在钻柱、钻头与井壁、井底的摩擦作用下，钻柱系统极易产生粘滑振动。深井钻井过程中，井下岩性多变，非均质性严重，钻头在井底受到较大的阻力矩，间断性憋跳钻和钻杆的纵向振动频繁，这些因素都是造成钻头掉齿、断齿、轴承失效、井下工具损坏的主要原因，严重制约了钻井速度的提高。

目前国内外研究对钻柱粘滑振动的研究大多以计算机模拟为主，实验研究较少，急需研究一套能够模拟钻柱粘滑震动的实验装置，并通过实验揭示岩石的物性、钻柱等效扭转刚度等因素对钻柱粘滑震动的影响规律，并提出降低粘滑的有效措施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，该装置原理可靠，操作简便，通过计算不同井深下钻柱刚度，再等比缩放选择使用对应刚度的粘滑效应模拟器，从而模拟该长度下钻柱的粘滑振动，解决目前深井钻柱粘滑振动模拟实验困难的问题。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，包括机架、底座、电机、空心伸缩杆、活塞、套管、可升降游梁、粘滑效应模拟器、微型钻头、扭矩传感器、位移传感器、压力传感器、钻头转速传感器、岩心室、钻井液储存缸、泵机和导流管。

所述机架位于底座上，顶部设置电机，电机通过铰链连接空心伸缩杆，所述空心伸缩杆穿过可升降游梁固定于机架内，空心伸缩杆为中空，顶端连接活塞，活塞位于套管内，活塞与套管可以相对滑动，底部连接粘滑效应模拟器和微型钻头，空心伸缩杆设置扭矩传感器和压力传感器，游梁设置位移传感器，微型钻头对应机架的位置安装钻头转速传感器，微型钻头正对着位于底座中心的岩心室，岩心室有岩心和外壳，岩心室和外壳置于钻井液储存缸上，钻井液储存缸内有钻井液，钻井液储存缸通过侧面的出口连接泵机和导流管，泵机置于底座内，导流管从底座下端引出，并连接活塞。

所述粘滑效应模拟器上、下端分别通过螺纹连接空心伸缩杆、微型钻头，所述粘滑效应模拟器包括空心杆、轴承和扭簧，空心杆两端安装轴承，中间为扭簧。

所述扭矩传感器、压力传感器、位移传感器和钻头转速传感器均连接计算机，分别测量扭矩、钻压、钻头进尺和钻头转速并将数据传递到计算机。

所述微型钻头为中空，并与粘滑效应模拟器的空心杆和空心伸缩杆连通。

所述钻井液存储缸体存储钻井液，通过泵机将钻井液压入导流管，钻井液通过导流管流入活塞，进入空心伸缩杆、粘滑效应模拟器和微型钻头，施加到岩石表面，冲刷岩屑以及润滑钻头，最后再回流到钻井液存储缸，完成钻井液循环。

所述钻井液不仅在钻井过程中以一定流速清理岩屑，还可以研究钻井液的润滑性能对钻柱系统粘滑振动的影响。