CN103696757A

CN103696757A - 一种用于测量模拟钻井中钻头侧向力及轴向力的装置

Info

Publication number: CN103696757A
Application number: CN201410001751.5A
Authority: CN
Inventors: 张辉; 高德利; 房军; 肖冠琦; 韦红术; 张伟国; 林海春; 张新平
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2014-01-03
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2034-01-03
Also published as: CN103696757B

Abstract

本发明涉及一种用于测量实验室模拟钻井过程中钻头轴向力及侧向力的装置。该测力装置包括密封筒、模拟钻铤、弹性测力片、模拟钻头、弹性片紧固螺栓、六面形安装底座、拉压传感器、固定端底座；密封筒后端通过固定端底座密封；六面形安装底座前端为正六棱柱体、后端为圆柱体，正六棱柱体的中部开设有凹槽；拉压传感器的前端与安装底座通过链接螺栓连接成整体；拉压传感器的后端通过螺栓与固定端底座连接；六面形安装底座的每个面上设有弹性片；在弹性片两面上粘贴应变片，模拟钻铤与模拟钻头固定连接。本发明能得到足够精确的模拟底部钻具组合的井斜力和方位力大小和方向，更加真实的模拟了钻井环境，提高了底部钻具组合动力学特性的研究水平。

Description

一种用于测量模拟钻井中钻头侧向力及轴向力的装置

技术领域

本发明属于油气井管柱力学实验测量领域，具体地，涉及一种用于测量实验室模拟钻井过程中钻头轴向力及侧向力的装置。

背景技术

钻柱力学研究是钻井工程理论的重要组成部分，其研究对象主要是底部钻具组合(Bottom-Hole Assembly，简称BHA)的受力和变形，其核心内容是底部钻具组合的静力学和动力学特性的研究和应用，如钻柱疲劳破坏、井眼轨迹控制等。在实际的钻井过程中，BHA所工作的井眼里充满了钻井液；加之钻头与地层之间、钻柱与井壁之间的相互作用，钻柱处于十分复杂的受力、变形及运动状态。对钻柱的静力学分析可以使我们在一定程度上控制钻进过程，但由于钻头在工作时是一个动态过程，钻头对岩石的非对称切削、以及地层的各向异性、钻压波动等复杂因素，使得井眼轨迹难以控制。在国内的现场应用中常采用钟摆钻具、刚柔钻具、满眼钻具等钻具组合来实现防斜打快的目标。但由于对BHA运动状态的研究还不够深入，上述钻具组合的应用具有很大的局限性。在当前形势下，BHA运动状态及动力学特性研究仍是十分必要的。

随着随钻测量技术的发展，国外已分别利用电缆传输、井下存储、基于底部钻柱动力学模型的地面测量和室内模拟测量等方法，对井下底部钻柱受力和运动特性进行了实验研究和现场测量，取得了较大发展(参见：US4324297、US4445578、US4662458、US4958517)，但仍存在难度大、经济成本高等缺点，且国内目前还不能很好的现场测量BHA动力学特性，缺少先进的地面和井下测量系统，因此，现阶段有必要进一步开展底部钻具组合力学特性的室内模拟研究。其研究重点就是BHA特性在钻头侧向力上的体现。

前人在研究BHA特性模拟实验方面也做了一定的尝试，取得了一些成果。如专利：CN103061745A，CN202991008U。但是其不足之处在于不能用于流体环境中测量模拟实验数据，所得结果不能真实反映现场情况，而且在测量钻头侧向力时使用的是3片式应变片，其所测得的钻头侧向力只包括三个方向，使测量数据不够精确。另外，该装置在钻头轴向与测力环轴线重合度上也有所欠缺，这也会影响到最终的实验结果。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于模拟更加真实的井下环境下的钻头侧向力测量装置，进一步提高室内实验模拟底部钻具组合力学性能的研究水平，以便阐述钻井现场所出现问题的可能原因。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，包括：密封筒、模拟钻铤、弹性测力片、模拟钻头、弹性测力片紧固螺栓、六面形安装底座、拉压传感器、拉压传感器与安装底座连接螺栓、固定端底座、拉压传感器与固定端底座连接螺栓；其特征在于：密封筒后端通过固定端底座密封；六面形安装底座前端为正六棱柱体、后端为圆柱体，正六棱柱体的中部开设有凹槽；拉压传感器的前端与安装底座通过链接螺栓连接成整体；拉压传感器的后端通过螺栓与固定端底座连接；六面形安装底座的每个面上设有一个弹性测力片，每个弹性测力片通过两个紧固螺栓固定在六面形安装支座侧面上，形成60度分布的六面形的测力环，测力环的内切圆内径等于或小于模拟钻头的直径；在弹性测力片两面上位于正六棱柱体的凹槽位置粘贴专用应变片，以构成半桥连接的应变式测力传感器，测量数据传输线路从密封筒表面的开孔引出；模拟钻铤与模拟钻头固定连接。

进一步地，密封筒为前端直径小后端直径大的圆筒；密封筒后端的内表面加工有内螺纹，固定端底座设有外螺纹，密封筒后端与固定端底座螺纹连接。

进一步地，模拟井筒的外径与密封筒的前端外径相同，模拟井筒、密封筒的前端通过密封接头与相连。

进一步地，圆柱体的直径比正六棱柱体的外接圆的直径大。

进一步地，模拟钻铤与模拟钻头通过螺纹连接，模拟钻铤、模拟钻头的轴线与安装底座的轴线重合。

进一步地，使弹性测力片与钻头在初始状态下接触；通过改变弹性测力片的厚度可以达到改变测力量程的效果，实现不同情况下的模拟实验。

进一步地，弹性测力片用弹簧钢加工制作。

进一步地，拉压传感器采用LC1102型拉压传感器，能将钻压信号转变为电压信号，通过信号处理得到钻压数值。

进一步地，密封接头分两层，内层为橡胶，外层为金属。

进一步地，需在密封筒上开孔，孔与线缆之间通过环氧树脂密封。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)、既能测量静态下的BHA力学特性，也能连续动态的测量模拟钻头的轴向压力及侧向力，得到足够精确的模拟底部钻具组合的井斜力和方位力大小和方向。

(2)、设计了安全有效的密封环境，能够在不同的流体(钻井液)环境下测量钻头的受力，更加真实的模拟了钻井环境。

(3)、该装置结构简单，设计合理，使用方便，易于改进，能为室内研究模拟底部钻具合的动力学特性提供有效的测量数据，进一步提高了底部钻具组合动力学特性的研究水平。

附图说明

图1为用于测量模拟钻井过程中钻头轴向力及侧向力的装置示意图。

图2为图1中A-A剖面示意图。

图3为图1中B-B剖面示意图。

图4为图1中C-C剖面示意图。

图5为用于测量模拟钻井过程中钻头轴向力及侧向力的装置弹性测力片结构示意图；

图中：1、密封筒，2、模拟钻铤，3、弹性测力片，4、模拟钻头，5、测力片紧固螺栓，6、六面形安装底座，7、拉压传感器，8、拉压传感器与安装底座连接螺栓，9、固定端底座，10、拉压传感器与固定端底座连接螺栓，11、模拟井筒，12、密封接头。

具体实施方式

如图1，图2，图3，图4所示，用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，包括：密封筒1、模拟钻铤2、弹性测力片3、模拟钻头4、弹性测力片紧固螺栓5、六面形安装底座6、拉压传感器7、拉压传感器与安装底座连接螺栓8、固定端底座9、拉压传感器与固定端底座连接螺栓10；其中弹性测力片3用弹簧钢加工制作。

如图1所示，密封筒1为前端直径小后端直径大的圆筒(图1中，左端为前端、右端为后端)；密封筒1后端的内表面加工有内螺纹，固定端底座9设有外螺纹，密封筒1后端与固定端底座9螺纹连接。

模拟井筒11的外径与密封筒1的前端外径相同，模拟井筒11、密封筒1的前端通过密封接头12与相连，密封接头12分两层，内层为橡胶，外层为金属，能保证该连接处的密封性能；为引出数据传输线；需在密封筒1上开孔，孔与线缆之间通过环氧树脂密封。

如图1和图2所示，六面形安装底座6前端为正六棱柱体、后端为圆柱体，圆柱体的直径比正六棱柱体的外接圆的直径稍大；如图1、图3所示，为方便应变片的粘贴，在正六棱柱体的中部开设有凹槽。

拉压传感器7采用LC1102型拉压传感器，能将钻压信号转变为电压信号，通过信号处理得到钻压数值。拉压传感器7的前端与安装底座6通过链接螺栓8连接成整体；拉压传感器的后端通过螺栓10与固定端底座9连接；使整个测量装置定位，形成固定的模拟井底。

六面形安装底座6的每个面上设有一个弹性测力片3，每个弹性测力片通过两个紧固螺栓5固定在六面形安装支座侧面上，形成60度分布的六面形的测力环，环的内切圆内径等于或略小于模拟钻头的直径，使弹性测力片与钻头在初始状态下接触；通过改变弹性测力片的厚度可以达到改变测力量程的效果，实现不同情况下的模拟实验。

在弹性测力片3两面上位于正六棱柱体的凹槽位置粘贴应变片，用于应力应变测量。以构成半桥连接的应变式测力传感器，测量数据传输线路从密封筒表面的开孔引出。

模拟钻铤2与模拟钻头4通过螺纹连接，模拟钻铤2、模拟钻头4的轴线与安装底座6的轴线重合。

实验时，模拟钻头4轴向作用于安装底座6的上端面，安装底座6的上端面受到的钻头轴向作用力会传递到拉压传感器，实现钻压的测量；整个测量系统置于密封筒1内，密封筒1与固定底座9以螺纹形式连接，使密封筒定位；密封筒前端加工成与模拟井筒11等外径的圆柱形，如前所述，两者通过密封接头12连接形成完整的流体通道，便可实现流体环境下的钻头处钻压和侧向力的测量。

本发明可实现在流体环境下接触式测量在模拟底部钻具组合旋转时模拟钻头处动态变化的轴向压力和侧向力，在更接近钻井现场条件下模拟研究底部钻具组合的静，动力学特性，进一步提高底部钻具组合力学性能的实验研究水平，为改进底部钻具组合设计和提高井眼轨迹的控制水平提供参考依据。

Claims

1.一种用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，包括：密封筒、模拟钻铤、弹性测力片、模拟钻头、弹性片紧固螺栓、六面形安装底座、拉压传感器、拉压传感器与安装底座连接螺栓、固定端底座、拉压传感器与固定端底座连接螺栓；其特征在于：密封筒后端通过固定端底座密封；六面形安装底座前端为正六棱柱体、后端为圆柱体，正六棱柱体的中部开设有凹槽；拉压传感器的前端与安装底座通过链接螺栓连接成整体；拉压传感器的后端通过螺栓与固定端底座连接；六面形安装底座的每个面上设有一个弹性片，每个弹性片通过两个紧固螺栓固定在六面形安装支座侧面上，形成60度分布的六面形的测力环，测力环的内切圆内径等于或小于模拟钻头的直径；在弹性测力片两面上位于正六棱柱体的凹槽位置粘贴专用应变片，以构成半桥连接的应变式测力传感器，测量数据传输线路从密封筒表面的开孔引出；模拟钻铤与模拟钻头固定连接。

2.根据权利要求1所述的用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，其特征在于：密封筒为前端直径小后端直径大的圆筒；密封筒后端的内表面加工有内螺纹，固定端底座设有外螺纹，密封筒后端与固定端底座螺纹连接。

3.根据权利要求1-2所述的用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，其特征在于：模拟井筒的外径与密封筒的前端外径相同，模拟井筒、密封筒的前端通过密封接头与相连。

4.根据权利要求1-3所述的用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，其特征在于：圆柱体的直径比正六棱柱体的外接圆的直径大。

5.根据权利要求1-4所述的用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，其特征在于：模拟钻铤与模拟钻头通过螺纹连接，模拟钻铤、模拟钻头的轴线与安装底座的轴线重合。

6.根据权利要求1-5所述的用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，其特征在于：使弹性片与钻头在初始状态下接触；通过改变弹性片的厚度可以达到改变测力量程的效果，实现不同情况下的模拟实验。

7.根据权利要求1-6所述的用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，其特征在于：弹性片用弹簧钢加工制作。

8.根据权利要求1-7所述的用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，其特征在于：拉压传感器采用LC1102型拉压传感器，能将钻压信号转变为电压信号，通过信号处理得到钻压数值。

9.根据权利要求1-8所述的用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，其特征在于：密封接头分两层，内层为橡胶，外层为金属。

10.根据权利要求1-9所述的用于测量模拟井底钻头受到的轴向力和侧向力的测力装置，其特征在于：需在密封筒上开孔，孔与线缆之间通过环氧树脂密封。