[发明专利]一种深海水平气井钻柱动力学行为研究试验台

说明书

一种深海水平气井钻柱动力学行为研究试验台。所述试验台包括控制系统、驱动及循环系统、管柱及加热系统和加载及注气系统；驱动及循环系统包括泥浆罐、水泵、除气器、冷却器、轴向加载装置、可移动支撑平台、扭矩传感器、伺服电机、行星轮减速器、进水转换器、进水管、回流管以及前端长支撑桌；管柱及加热系统包括九个完全相同且等距布置的连接支撑测量模块、八组完全相同的管柱模块、四组完全相同且等距布置的加热模块；加载及注气系统包括气罐、涡街流量计、进气管、气液混合管、末端转换钻杆、弹性联轴器、移动平台、破岩钻头、钻铤、顶板、固定座、拉压传感器以及激振器。利用该试验台可建立一个与天然气水合物钻井过程环境吻合的钻柱全耦合动力学模型。

技术领域

本发明涉及一种应用于石油领域中对深海水平气井钻柱动力学行为进行研究的试验装置。

背景技术

天然气水合物又称可燃冰，其作为一种丰富的新型清洁能源受到了世界各国的重视。在天然气水合物开采钻井过程中，天然气水合物无会在井筒环空中分解，产生大量气体使井筒环空中的流动变为复杂的多相流动，而钻井液在这个过程中的流动也不同于常规油气钻井，管流特征参数变化复杂。并且天然水合物储层岩石强度较低，这就造成了井壁的稳定性较差，若钻柱的横向振动以及与井壁的碰磨作用不被适当抑制，可能导致井眼的不规则性，严重的会导致坍塌事故。目前关于钻柱动力学的研究多集中于局部的耦合作用，对于其全耦合作用研究甚少，在少数的全耦合振动研究中并没有考虑到天然气侵入到钻井液中的工况，并且其仅采用了简化的钻柱-井筒接触模型，其仿真结果并不能和天然气水合物钻井过程很好的吻合。因此，急需建立与天然气水合物钻井过程环境吻合的钻柱全耦合动力学模型，从而提高天然气水合物钻井的安全性与钻井效率。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种深海水平气井钻柱动力学行为研究试验台，该试验台通过控制系统控制天然气流量、钻井液温度、流量、压力、钻柱轴向力以及转速、钻头-研制模拟激励源等，建立了一个与天然气水合物钻井过程环境吻合的钻柱全耦合动力学模型，实现对水平状态下钻井液与钻柱的流固气全耦合作用的仿真研究，为分析气态天然气对钻柱动力学行为的作用机制提供了可靠的试验数据。

本发明的技术方案是：该种深海水平气井钻柱动力学行为研究试验台，包括控制系统190，所述控制系统采用IMAC为控制终端，其特征在于：所述试验台还包括驱动及循环系统、管柱及加热系统和加载及注气系统；

所述驱动及循环系统包括泥浆罐6、水泵1、除气器4、冷却器8、轴向加载装置16、可移动支撑平台12、扭矩传感器13、伺服电机15、行星轮减速器14、进水转换器10、进水管一3、进水管二2、回流管一9、回流管二5、回流管三7以及前端长支撑桌11。

水泵1通过进水管一3和进水管二2将水从泥浆罐5里抽送至进水转换器10里；环空中回流的水通过回流管一9、除气器4、回流管二5、冷却器8和回流管三7回流到泥浆罐6中；可移动支撑平台12和轴向加载装置16均安装在前端长支撑桌上；伺服电机15与行星轮减速器14通过键连接装配在一起，并安装在可移动平台12上；可移动平台12上安装扭矩传感器13和进水转换器10，扭矩传感器13用于反馈系统启动端的扭矩大小。

可移动支撑平台12包括环耳一19、环耳二21、扭矩传感器支撑座24、减速器垫高板22、移动支撑板26、导轨一23、导轨二30、导轨滑座一20、导轨滑座二25、导轨滑座三28、导轨滑座四31、导轨限位块一18、导轨限位块二27、导轨限位块三29以及导轨限位块四32。其中，环耳一19和环耳二21、减速器垫高板22、扭矩传感器支撑座24通过螺栓连接固定在移动支撑板26上；导轨一23和导轨二30通过螺栓连接固定在前端长支撑桌上表面17，并在导轨一23上安装导轨滑座一20和导轨滑座二25，在导轨二30上安装导轨滑座三28和导轨滑座四31；在导轨一23两端固定导轨限位块一18和导轨限位块二27，在导轨二30两端固定导轨限位块三29和导轨限位块四32，以防止导轨滑座脱轨；通过螺栓连接将可移动支撑平台中的四个导轨滑座与移动支撑板26连接。