CN101487375A - 顶部驱动钻井装置性能测试方法及其测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了顶部驱动钻井装置性能测试方法及其测试系统，用于顶部驱动钻井装置的性能测试，如产品出厂前和使用修理后的测试。测试方法是用一套测试系统，对整套顶部驱动钻井装置或者其受力部件进行性能测试，测试中产生的反作用力由测试系统平衡消除。测试系统包括固定装置、塔架、拉扭组合装置和扭矩产生装置，将顶驱或其受力部件用固定装置固定在塔架上；顶驱或其受力部件的下端依次连接拉扭组合装置和扭矩产生装置。能够同时进行或分别进行拉力和扭矩性能测试，测试中产生的拉力和扭矩由塔架平衡消除。本发明可利用性高，操作简单安全可靠，具有测试数据准确等效果。

Description

顶部驱动钻井装置性能测试方法及其测试系统

技术领域

本发明属于机械设备的测试方法和测试用设备，特别是顶部驱动钻井装置性能测试方法及其测试系统，用于顶部驱动钻井装置的性能测试，如产品出厂前的测试和使用修理后的测试。

背景技术

顶部驱动钻井装置简称顶驱钻井装置或者简称顶驱，是用以取代转盘钻进的新型石油钻井装备。由于顶部驱动钻井装置的工况十分复杂，为避免不必要的钻井事故，更好的发挥顶驱钻井装置钻井的优势，顶部驱动钻井装置制造厂家对其产品进行全面的性能检测是十分必要的，如果能够进行钻井实际工况的模拟，即在顶驱钻井装置产品受一定拉力旋转的情况下，进行加扭检测，对提高顶部驱动钻井装置产品的质量具有更重要的意义。顶部驱动钻井装置外形尺寸较大，一般情况下，长：宽：高约为1.5米：1.5米：5米。拉--扭结合的测试装置在制造上和安装使用上都存在较大的困难，因此，截至目前国内、国际上都还未见对整套装置进行测试的相关报道，现有的顶驱钻井装置的测试装置都是对顶驱钻井装置的受力部件分别进行拉力试验和扭矩加载试验。拉力试验一般使用油缸施力拉伸，而对于顶驱钻井装置扭矩检测，目前存在的较为先进的加载方式有三种：水力测功机，电磁涡流测功机和发电机组电力反馈。水利测功机的加载方式和精度不如后面两种，在国内生产厂家有使用此加载形式的；电磁涡流测功机较适合作为较高转速下的加载装置，在低速、大载荷情况下不适合，而顶驱钻井装置的实际工况经常是低速、大载荷工况，因此这类加载方式还需要配合一定的刹车机构来完成。发电机组电力反馈的加载方式节能、环保，试验过程中产生的电能反馈到电网，不产生能源的浪费，控制精度较高。但也仅局限于扭矩测试，还需拆卸顶驱另外做拉力试验。综上所述目前对顶驱的检测，存在试验周期长，重复拆卸，同时还存在着测试精度不高，测试项目不全等问题。

发明内容

本发明的目的是提供顶部驱动钻井装置性能测试方法及其测试系统，克服现有技术存在的缺陷，对整套顶部驱动钻井装置或其受力部件进行钻井实际工况的模拟测试，可同时对顶部驱动钻井装置或其受力部件进行拉力试验和扭矩加载试验，缩短试验周期，避免重复拆卸，提高工作效率和测试精度。

使用本技术解决方案可达上述目的：

顶部驱动钻井装置性能测试方法，是用一套测试系统，对整套顶部驱动钻井装置或者其受力部件进行性能测试，测试中产生的反作用力由测试系统平衡消除。

本测试方法中使用的测试系统包括固定装置、塔架、拉扭组合装置和扭矩产生装置，将顶部驱动钻井装置或其受力部件用固定装置固定在塔架上；顶部驱动钻井装置或其受力部件的下端依次连接拉扭组合装置和扭矩产生装置。同时进行或分别进行拉力和扭矩性能测试，测试中产生的拉力和扭矩由塔架平衡消除。

本发明与现有使用不同的测试装置分别进行受力部件测试的技术相比，具有如下显著的进步：本发明的测试方法是用一套测试系统模拟整套顶驱钻井装置或者是受力的零部件在钻井过程中既要承载一部分钻具的重量，也就是承载拉力，又要为钻具提供旋转的动力，也就是提供并承载扭矩的实际工况。让顶部驱动钻井装置固定在塔架上，由拉扭组合装置和扭矩产生装置为其提供拉力和扭矩，在测试试验中也同时承受拉力与扭矩。在实际工况中，拉力由顶部驱动钻井装置最终传递到井架上，而扭矩由顶部驱动钻井装置最终也作用到井架。本发明的方法是让拉力和扭矩都作用到塔架上，与实际工况吻合，因此其测试数据准确。本测试系统可分别或同时对顶驱钻井装置进行拉伸试验与扭矩加载试验，并能实时记录试验参数，测绘出顶驱钻井装置性能曲线图；顶驱钻井装置安装一次，即可全部完成标准要求的各种性能试验，缩短了试验周期，避免了重复拆卸顶驱钻井装置进行试验的繁琐工作，同时也保护了顶驱本身。本测试系统通过顶驱钻井装置导轨与固定装置中的固定组件之间的间隙来调心，能用于测试不同规格的顶驱钻井装置，可利用性高。本系统不仅可对整套顶驱钻井装置进行测试，也可对受力部件进行实际工况的测试。操作简单，安全可靠，具有试验周期短、试验效率高、试验测试数据准确的效果。

附图说明

图1是本发明中测试系统的安装使用示意图。

图2是本测试系统中拉扭组合装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步的详述：参见图1，顶部驱动钻井装置性能测试方法，是用一套测试系统，对整套顶部驱动钻井装置2或者其受力部件进行性能测试，测试中产生的反作用力由测试系统平衡消除。测试系统可对顶部驱动钻井装置2或者其受力部件同时进行拉力和扭矩加载的组合测试或者分别进行拉力和扭矩的单项测试。进行拉力和扭矩加载的组合测试时，首先做拉力试验，当顶部驱动钻井装置2或者其受力部件达到试验的额定值时，让顶部驱动钻井装置2或者其受力部件在承拉状态下做扭矩加载试验，直至扭矩加载试验的额定值。本方法中的测试过程模拟了实际工况，与实际工况吻合，试验数据真实可信。

测试系统包括固定装置、塔架3、拉扭组合装置4和扭矩产生装置，将顶部驱动钻井装置2或其受力部件用固定装置固定在塔架3上；顶部驱动钻井装置2或其受力部件的下端依次连接拉扭组合装置4和扭矩产生装置。参见图2，拉扭组合装置4包括承拉承扭轴13、拉伸机构和扭矩传动接头16，承拉承扭轴13固定在拉伸机构中，其上端与顶部驱动钻井装置2的下端连接，其下端与扭矩传动接头16连接。承拉承扭轴13是单根轴或者是多段轴，设计为多段轴方便安装，以两段轴为佳。承拉承扭轴13设为多段时，其轴的连接端面为花键连接、其轴连接处的外圆装有轴套，用轴套连接，让拉力由螺纹轴套来承受。花键也就是多键穿插设置，增加接合段的受力面积，承受扭矩传递中的力矩。拉伸机构包括拉伸梁14和拉伸油缸15，拉伸油缸15与拉伸梁14固定，将拉伸油缸15固定在塔架3上。扭矩传动接头16的两个端面交叉设置键或槽，呈十字形，其上端面的键或槽与承拉承扭轴13的下端面结构配合固定；其下端面的键或槽与扭矩产生装置的扭矩输出轴的上端面结构配合固定。扭矩传动接头16与配合端面是键与槽的互配结构，在相互配合的键与槽之间留置拉伸间隙。扭矩产生装置包括可调档转角升速箱5、输出传感器7和动力产生装置8，动力产生装置8依次连接输出传感器7和可调档转角升速箱5，将动力产生装置8、输出传感器7和可调档转角升速箱5固定在平板6上，可调档转角升速箱5的输出端与扭矩传动接头16连接。输出传感器7还可以与数据线和计算机连接，由计算机完成扭矩测试曲线的绘制。当然也可以由人工记录加载的扭矩数据，并根据加载数据变化绘制测试曲线。动力产生装置8可以是发电机组和电磁涡流测功机，由于设有可调档转角升速箱5，可对速率进行调节。固定装置包括固定提环1和顶驱钻井装置居中调节固定组件，固定提环1固定在塔架3的顶部与顶部驱动钻井装置2的顶端连接；顶驱钻井装置居中调节固定组件与顶部驱动钻井装置2的导轨连接，并固定在塔架3上。顶驱钻井装置居中调节固定组件包括顶驱导轨上部固定件12和顶驱导轨下部固定件9以及上部反扭加固件11和下部反扭加固件10。顶驱导轨上部固定件12设有可调式固定钩和固定板，固定钩的前端与顶驱钻井装置导轨的上端结构配合，其钩体上设有多个固定孔，将固定钩与固定板装配在一起；顶驱导轨下部固定件9包括可调式连接座和固定板，可调式连接座与顶驱钻井装置导轨的下端结构配合，可在固定板上移动，距离调节适当后由螺栓固定。上部反扭加固件11和下部反扭加固件10分别与顶驱钻井装置导轨的上部和下部连接，并固定在塔架3上；上部反扭加固件11和下部反扭加固件10均设有导轨连接板和固定板，固定板上设有调节孔，调节距离适当后由螺栓固定。由于塔架3固定在地面上，可使测试中产生的拉力和扭矩由塔架3平衡消除。

安装时，首先将平板6固定在地坑最下层，将动力产生装置8固定在平板6上，依次联结输出传感器7、可调档转角升速箱5，并分别将其固定在平板6上。也可以不用平板6，而将上述装置直接固定在水泥地面上。将扭矩传动接头16安装在可调档转角升速箱5上，塔架3固定在地坑二层台上，然后将承拉承扭轴13的下段安装在拉伸梁14中并与扭矩传动接头16联接。再分别将顶驱导轨上部固定件12和顶驱导轨下部固定件9、上部反扭加固件11和下部反扭加固件10安装在塔架3上。然后将顶驱钻井装置2通过固定提环1、顶驱导轨上部固定件12和顶驱导轨下部固定件9、上部反扭加固件11和下部反扭加固件10固定在塔架3内。最后将承拉承扭轴13的上段安装好，并用轴套与承拉承扭轴13下段联接好。将承拉承扭轴13上端与顶部驱动钻井装置2下部主轴的下端连接。安装承拉承扭轴13时，先将接合端面的花键对正后，再用轴套将上下两段轴联结在一起。这样，承拉承扭轴13既可以承受拉力，也可以承受扭矩。

参照图1，测试时，将顶部驱动钻井装置2连接固定好，做好测试准备。如仅是测试受力部件，就将受力部件的两端分别与固定提环1和承拉承扭轴13的上端连接好即可，测试中产生的拉力和扭矩通过固定提环1由塔架3平衡消除，测试过程与顶部驱动钻井装置2相同。

做扭矩测试试验：启动动力产生装置8，扭矩依次通过输出传感器7、可调档转角升速箱5、拉扭组合装置4传递到顶部驱动钻井装置2，并通过上部反扭加固件11和下部反扭加固件10最终作用到塔架3上平衡掉。人工记录或者使用计算机记录输出传感器7显示的力矩信息，绘制测试图表。

做拉扭组合试验：启动拉伸油缸15，将拉伸梁14向下拉伸，达到规定试验值。此时，由于扭矩传动接头16接合部的键与槽在深度方向上预留了拉伸间隙，使其具有自动轴向让位功能，平衡掉顶部驱动钻井装置2的主轴和承拉承扭轴13的拉伸位移。拉力通过拉扭组合装置4传递到顶部驱动钻井装置2，并通过固定提环1最终作用到塔架3上平衡掉；再启动动力产生装置8，依次通过输出传感器7、可调档转角升速箱5、拉扭组合装置4传递到顶部驱动钻井装置2，并通过上部反扭加固件11和下部反扭加固件10最终作用到塔架3上平衡掉。

做额定载荷拉伸试验：将扭矩传动接头16拆下，再将承拉承扭轴13与顶部驱动钻井装置2下部主轴联接脱开，使承拉承扭轴13与顶部驱动钻井装置2下部的吊卡联接。启动拉伸油缸15，将拉伸梁14向下拉伸，达到规定试验值。拉力通过拉扭组合装置4传递到顶部驱动钻井装置2，并通过固定提环1最终作用到塔架3上平衡掉。

Claims (12)

1、顶部驱动钻井装置性能测试方法，是用一套测试系统，对整套顶部驱动钻井装置(2)或者其受力部件进行性能测试，测试中产生的反作用力由测试系统平衡消除。

2、根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置性能测试方法，测试系统可对顶部驱动钻井装置(2)或者其受力部件同时进行拉力和扭矩加载的组合测试或者分别进行拉力和扭矩的单项测试。

3、根据权利要求2所述的顶部驱动钻井装置性能测试方法，进行拉力和扭矩加载的组合测试时，首先做拉力试验，当顶部驱动钻井装置(2)或者其受力部件达到试验的额定值时，让顶部驱动钻井装置(2)或者其受力部件在承拉状态下做扭矩加载试验，直至扭矩加载试验的额定值。

4、用于权利要求1顶部驱动钻井装置性能测试方法的测试系统，其特征是本系统包括固定装置、塔架(3)、拉扭组合装置(4)和扭矩产生装置，将顶部驱动钻井装置(2)或其受力部件用固定装置固定在塔架(3)上；顶部驱动钻井装置(2)或其受力部件的下端依次连接拉扭组合装置(4)和扭矩产生装置。

5、根据权利要求4所述的测试系统，其特征是拉扭组合装置(4)包括承拉承扭轴(13)、拉伸机构和扭矩传动接头(16)，承拉承扭轴(13)固定在拉伸机构中，其上端与顶部驱动钻井装置(2)的下端连接，其下端与扭矩传动接头(16)连接。

6、根据权利要求5所述的测试系统，其特征是承拉承扭轴(13)是单根轴或者是多段轴；承拉承扭轴(13)设为多段时，其轴的连接端面为花键连接、其轴连接处的外圆装有轴套。

7、根据权利要求5所述的测试系统，其特征是拉伸机构包括拉伸梁(14)和拉伸油缸(15)，拉伸油缸(15)与拉伸梁(14)固定，将拉伸油缸(15)固定在塔架(3)上。

8、根据权利要求5所述的测试系统，其特征是扭矩传动接头(16)的两个端面交叉设置键或槽，其上端面的键或槽与承拉承扭轴(13)的下端面结构配合；其下端面的键或槽与扭矩产生装置的扭矩输出轴的上端面结构配合；在相互配合的键与槽之间留置拉伸间隙。

9、根据权利要求4所述的测试系统，其特征是扭矩产生装置包括可调档转角升速箱(5)、输出传感器(7)和动力产生装置(8)，动力产生装置(8)依次连接输出传感器(7)和可调档转角升速箱(5)，将动力产生装置(8)、输出传感器(7)和可调档转角升速箱(5)固定在平板(6)上，可调档转角升速箱(5)的输出端与扭矩传动接头(16)连接。

10、根据权利要求9所述的测试系统，其特征是输出传感器(7)还可以与数据线和计算机连接。

11、根据权利要求4所述的测试系统，其特征是固定装置包括固定提环(1)和顶驱钻井装置居中调节固定组件，固定提环(1)固定在塔架(3)的顶部与顶部驱动钻井装置(2)的顶端连接；顶驱钻井装置居中调节固定组件与顶部驱动钻井装置(2)的导轨连接，并固定在塔架(3)上。

12、根据权利要求11所述的测试系统，其特征是顶驱钻井装置居中调节固定组件包括顶驱导轨上部固定件(12)和顶驱导轨下部固定件(9)以及上部反扭加固件(11)和下部反扭加固件(10)，顶驱导轨上部固定件(12)设有可调式固定钩和固定板，固定钩的前端与顶驱钻井装置导轨的上端结构配合，其钩体上设有多个固定孔，将固定钩与固定板装配在一起；顶驱导轨下部固定件(9)包括可调式连接座和固定板，可调式连接座与顶驱钻井装置导轨的下端结构配合，可在固定板上移动；上部反扭加固件(11)和下部反扭加固件(10)分别与顶驱钻井装置导轨的上部和下部连接，并固定在塔架(3)上，上部反扭加固件(11)和下部反扭加固件(10)均设有导轨连接板和固定板，固定板上设有调节孔。

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