CN103712790B - 一种研究钻柱动力学特性的实验设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种研究钻柱动力学特性的实验设备，包括主机架、模拟井壁总成、回转总成、圆盘总成、激振总成、称重总成和检测装置。模拟井壁总成包括有机玻璃管、固定夹具和夹具安装板；回转总成设有电机及驱动器、联轴器、细钢柱和顶部安装板，回转总成贯穿整个主机架，圆盘总成包括圆盘和圆筒，圆筒安装在浮动平台上，圆盘在圆筒内做回转运动；激振总成中的激振器按照输入的信号类型对圆盘底部进行激振，以模拟钻头与钻井底部的岩石的相互作用；检测装置包括涡动轨迹和横向振动、纵向振动检测装置。本设备能够模拟检测钻柱的振动和变形情况，并根据动力相似比和几何相似比确定装置的转速和钻压相似比等参数；用于进行模拟和研究钻柱动力学特性。

Description

一种研究钻柱动力学特性的实验设备

技术领域

本发明涉及一种研究钻柱动力学特性的实验设备。

背景技术

钻井动力学是研究最佳钻进参数设置、钻柱疲劳、磨损、振动、屈曲行为、涡动、井眼轨迹预测及控制、钻井风险评估等问题的研究基础。钻柱在井眼中的力学行为是一种包含了几何非线性和接触非线性的双重非线性问题。

钻柱的振动可以分解为纵向、横向、扭转振动三种，真实工况下其振动极其复杂，一般是几种振动的耦合；质量不平衡会使钻柱在旋转过程中产生离心力，从而产生涡动致使钻柱偏磨；此外，钻柱的振动还受钻井液、孔壁、钻具重量等因素的影响。在陆地表面监测或由井底随钻测量系统检测都难以真实反应其井底钻具的振动情况，例如，钻柱的横向振动在由井底向井口传播的过程中急剧衰减。

本发明提出一种研究钻柱动力学特性的相似方法和实验设备，可以准确模拟钻柱的位移和运动以及振动情况，并且方便在实验室进行实验、记录、分析。

发明内容

本发明的目的是为提供一种用于研究钻柱动力学特性的实验设备，同时根据钻柱模拟相似比理论设计实验设备和各种实验的参数。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种研究钻柱动力学特性的实验设备，包括主机架、模拟井壁总成、回转总成、圆盘总成、激振总成、称重总成和检测装置；

所述的主机架由主框架、角链接件及连接螺栓螺母组成；

所述的模拟井壁总成包括有机玻璃管、固定夹具和夹具安装板，有机玻璃管穿过固定夹具并固定在固定夹具中，固定夹具固定在夹具安装板上，夹具安装板通过螺栓螺母安装在主框架上；

所述的回转总成包括电机及驱动器、联轴器、细钢柱和顶部安装板，回转总成贯穿整个主机架，顶部安装板通过T型螺栓螺母安装在主框架的顶部，电机安装在顶部安装板上并通过联轴器与细钢柱连接，细钢柱下端与圆盘总成的圆盘连接；

所述的圆盘总成包括圆盘和圆筒，圆筒安装在浮动平台上，圆盘的直径小于圆筒的直径，圆盘在圆筒内做回转运动，圆筒和浮动平台通过中部设的开孔与下部的激振器接触，受到下部激振器的激振；

所述的激振总成包括激振器、力传感器、信号发生器和信号放大器，信号发生器产生激振信号经由信号放大器输入到激振器中，激振器按照输入的信号类型对圆盘底部进行激振，以模拟钻头与钻井底部的岩石的相互作用，其中力传感器安装在激振器的激振杆上，用于检测激振器产生的激振力；

所述的称重总成包括四个直线导轨、直线导轨连接件、浮动平台、支撑板、称重传感器，四个直线导轨竖直均布在主框架上，浮动平台通过直线导轨连接件安装在直线导轨上,且能在直线导轨中上下运动，浮动平台下方安装有支撑板，支撑板的下端连接着称重传感器，用于实时监测施加在细钢柱上的压力大小；

所述的检测装置包括涡动轨迹和横向振动检测装置、纵向振动检测装置；所述的涡动轨迹和横向振动检测装置由两个安装在浮动平台上激光位置传感器组成，两个激光位置传感器分别实时监测两个相互垂直方向到圆盘的距离，计算机采集数据之后通过轨迹计算算法，计算出圆盘的涡动轨迹；同时，所述的两个激光位置传感器还测量圆盘在横向上的位置变化，因而也用于检测圆盘的横向振动；所述的纵向振动检测装置由一组电涡流传感器和振动圆盘组成，振动圆盘安装在模拟钻柱的细钢柱上，电涡流传感器安装在夹具安装板上，当模拟钻柱的细钢柱产生纵向振动时，振动圆盘也产生纵向振动，电涡流传感器就产生与纵向振动大小对应的检测信号。

本发明所述的回转总成中的细钢柱穿在有机玻璃管中，实验中受有机玻璃管的约束，用于模拟钻柱与井壁的相互作用。

本发明所述的浮动平台与支撑板连接，支撑板与称重传感器连接，通过调整顶部安装板的位置给细钢柱施加不同大小的压力，压力传递到下端浮动平台上的圆盘上，并使得浮动平台作向下运动的趋势，最终使得下端的称重传感器顺利检测到所施加的压力。

本发明所述的实验设备中采用的有机玻璃管、细钢柱的尺寸根据模拟井壁和钻柱的几何相似比设计的，实验设备中的材料选择由模拟钻柱的材料密度相似比确定，动力设计参数由动力相似比确定，动力相似比包括时间相似比和力相似比，实验设备中的转速设计参数由转速相似比确定，实验设备模拟实验所用的压力参数由钻压相似比确定，计算公式如下：

C_F力相似比： $C_F=\frac{F^{\′}}{F}---\left(5\right)$

C_t时间相似比： $C_t=\frac{t^{\′}}{t}---\left(6\right)$

C_l几何相似比： $C_l=\frac{l^{\′}}{l}---\left(7\right)$

C_ρ密度相似比： $C_{\mathrm{\ρ}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}{\mathrm{\ρ}}---\left(8\right)$

上式中F′，F-模拟实验中力的大小，真实钻井中力的大小；t′，t-模拟实验中的时间，真实钻井中的时间；l′，l-模拟实验中几何尺寸的大小，真实钻井中几何尺寸的大小；ρ′，ρ-模拟实验中模拟钻柱的材料密度，真实钻井中钻柱的材料密度；

由于钻压实际上代表钻进过程中施加的轴向力，与力的物理意义相同；直径、距离、位移参量的本质都是长度；因而还能得到以下结论：

$C_F=\frac{F^{\′}}{F}=\frac{P^{\′}}{P}---\left(9\right)$

$C_l=\frac{l^{\′}}{l}=\frac{D^{\′}}{D}=\frac{d^{\′}}{d}=\frac{u^{\′}}{u}=\frac{s^{\′}}{s}---\left(10\right)$

式中:P′，P-模拟实验中钻压与实际钻压；D′，D-模拟钻柱的外径与实际钻井中钻柱的外径；d′，d-模拟钻柱的内径与实际钻井中钻柱的内径；u′，u-模拟钻柱位移大小与实际钻井中钻柱位移；s′，s-模拟实验中的距离大小与实际钻井的距离大小。

本发明的研究钻柱动力学特性的实验设备具有如下优点：

(1)本发明的实验设备可以模拟钻柱与井壁的相互作用，可以同时检测模拟钻柱在耦合运动变形下的纵向、横向运动量以及圆盘的涡动运动等。

(2)本发明的实验设备通过选择几何相似比、密度相似比、力相似比，从而确定实验设备的各种参数及实验所需的转速相似比和钻压相似比，经实践证明，采用相似比方法能够将实验设备的各种参数控制在合理范围内，使得钻柱动力学特性研究实验数据更准确可行。

附图说明

图1为本发明实验设备的总体结构示意图。

图2为本发明实验设备的下部称重总成以及激振总成的局部放大图。

图3为本发明实验设备的纵向振动检测装置局部放大图。

图4为本发明钻柱动力学的数学模型。

上述图中：1-电机、2-顶部安装板、3-主框架、4-有机玻璃管、5-固定夹具、6-夹具安装板、7-细钢柱、8-下部安装板、9-激振器、10-直线导轨、11-激光位置传感器、12-联轴器、13-浮动平台、14-支撑板、15-角连接件及连接螺栓螺母、16-称重传感器、17-圆筒、18-直线导轨连接件、19-圆盘、20-振动圆盘、21-电涡流传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：本发明提供一种研究钻柱动力学特性的实验设备，包括主机架、模拟井壁总成、回转总成、圆盘总成、激振总成、称重总成和检测装置；

所述的主机架由主框架3、角链接件及连接螺栓螺母15组成；

所述的模拟井壁总成包括有机玻璃管4、固定夹具5、夹具安装板6组成，有机玻璃管4穿过固定夹具5并固定在固定夹具5中，固定夹具5固定在夹具安装板6上，夹具安装板6通过螺栓螺母安装在主框架3上，细钢柱7穿过有机玻璃管4，在实验过程中细钢柱7与机玻璃管4接触，以模拟钻柱与井壁的相互作用。

所述的回转总成贯穿整个主机架，包括电机1及驱动器、联轴器12、细钢柱7、顶部安装板2，顶部安装板2通过T型螺栓螺母安装在主框架3的顶部，电机1安装在顶部安装板2上并通过联轴器12与细钢柱7连接；细钢柱7穿过有机玻璃管4，细钢柱7下端与圆盘总成的圆盘19连接。

所述的圆盘总成包括圆盘19和圆筒17，圆盘19的直径小于圆筒17的直径，圆盘19在圆筒17内做回转运动，圆筒17安装在浮动平台13上，圆筒17和浮动平台13通过中部设的开孔与下部的激振器9接触，受到下部激振器9的激振；通过调整顶部安装板2的位置可以给细钢柱7施加不同大小的压力，压力传递到下端的圆盘19上，并使得浮动平台13有向下运动的趋势，支撑板14起到连接浮动平台13与称重传感器16的作用，最终使得支撑板14下端的称重传感器16顺利检测到所施加的压力。

所述的激振总成包括激振器9、力传感器、信号发生器和信号放大器，由信号发生器产生激振信号，经信号放大器输入到激振器9中，激振器9按照输入的信号类型对圆盘19底部进行激振，用于模拟钻头与钻井底部的岩石的相互作用，其中力传感器安装在激振器9的激振杆上，用于检测激振器9产生的激振力。

所述的称重总成包括直线导轨10、直线导轨连接件18、浮动平台13、支撑板14、称重传感器16，四个直线导轨竖直均布在主框架3上，浮动平台13通过直线导轨连接件18安装在直线导轨10上，并可以小阻力地上下运动，浮动平台13有两侧下方安装有支撑板14，支撑板14的下端连接着称重传感器16，用于实时监测施加在细钢柱7上的压力大小。

所述的检测装置包括涡动轨迹和横向振动检测装置、纵向振动检测装置。

所述的涡动轨迹和横向振动检测装置由两个安装在浮动平台13上的激光位置传感器11组成，两个激光位置传感器11可以随着浮动平台13上下移动，两个激光位置传感器11分别实时监测两个相互垂直方向到圆盘19的距离，计算机采集数据之后通过轨迹计算算法，计算出圆盘19的涡动轨迹；另外，所述两个激光位置传感器11测量的是圆盘19在横向的位置变化，因而可以也可以检测圆盘19的横向振动。

所述的纵向振动检测装置由一组电涡流传感器21和振动圆盘20组成，振动圆盘20安装在模拟钻柱的细钢柱7上，电涡流传感器21安装在夹具安装板6上，检测方向与振动圆盘20的平面垂直，当模拟钻柱的细钢柱7产生纵向振动时，振动圆盘20也会产生纵向振动，这时电涡流传感器21就会产生与纵向振动大小对应的检测信号；可以检测下部的圆盘19的横向振动。

实验过程中事先调整顶部安装板2的位置，通过称重传感器16检测重量，减去浮动平台13及支撑板14自身的重量之后就能得到所施加的压力大小，达到需要的压力大小之后固定顶部安装板2；随后启动电机1，电机通过联轴器12带动细钢柱7在有机玻璃管4中回转，细钢柱7带动圆盘19在圆筒17内回转，电机1内部设有旋转编码器，能够实时返回转速的大小，便于监控转速；从信号发生器中输出激振波形，输入到信号放大器中，信号经过放大之后输入到激振器9中，激振器9穿过浮动平台13和圆筒17中部的开孔对圆盘19进行激振。

实施例2:本发明提供一种研究钻柱动力学特性的实验设备，实验设备的结构如图1，用于研究某钻井井段所用的钻柱，类型为：外径为89mm、内径78mm；取芯钻头的外径为95mm、内径为63mm。现需要对长20m、钻压为15kN、转速为450～600rpm的该类型钻柱进行动力学研究。模拟实验的方法是：

步骤1：利用有限元的处理方法，将连续的钻柱在井眼中离散为有限个集中质量，取其中3个相邻的集中质量m_k-1,m_k,m_k+1进行分析，如图4所示，

图4中：m_k-1,m_k,m_k+1-钻柱离散单元中第k-1,k,k+1三个连续的集中质量；

j_k-1,j_k,j_k+1-钻柱离散单元中第k-1,k,k+1三个连续的集中质量的转动惯量；

F_k-1,F_k,F_k+1-作用在钻柱的离散集中质量m_k-1,m_k,m_k+1上的集中力；

M_k-1,M_k,M_k+1-作用在钻柱的离散集中质量m_k-1,m_k,m_k+1上的集中力矩；

u_k-1,u_k,u_k+1-钻柱的离散集中质量m_k-1,m_k,m_k+1在空间中的位移；

ω_k-1,ω_k,ω_k+1-钻柱的离散集中质量m_k-1,m_k,m_k+1在空间中的转角；

C_k-1,C_k,C_k+1-钻柱的离散集中质量m_k-1,m_k,m_k+1分别与井壁接触过程中径向的等效线性阻尼作用；

K_k-1,K_k,K_k+1-钻柱的离散集中质量m_k-1,m_k,m_k+1分别与井壁接触过程中的径向等效线性弹性接触；

-钻柱的离散集中质量m_k-1,m_k,m_k+1相互之间的线性阻尼作用，以及集中质量与井壁和钻井液之间的轴向线性阻尼作用；

-钻柱的离散集中质量m_k-1,m_k,m_k+1相互之间的线性弹性作用；

-钻柱的离散集中质量m_k-1,m_k,m_k+1相互之间的回转阻尼作用，以及集中质量与井壁和钻井液之间的回转阻尼作用；

-钻柱的离散集中质量m_k-1,m_k,m_k+1相互之间的回转弹性作用。

其中将集中质量与井壁和钻井液之间的作用等效为阻尼作用和弹性作用，阻尼作用会引起集中质量能量的消耗，弹性作用不会引起能量消耗，但是会导致集中质量运动方向和大小的变化。

由以上简化，针对第k个集中质量进行运动分析：

平移运动：

$m_k\frac{d^2{u}_k}{{\mathrm{dt}}^2}+C_{L_k}\frac{{\mathrm{du}}_k}{dt}+k_{L_k}{u}_k=F_k---\left(1\right)$

回转运动：

$j_k\frac{d^2{\mathrm{\ω}}_k}{{\mathrm{dt}}^2}+C_{R_k}\frac{{\mathrm{d\ω}}_k}{dt}+k_{R_k}\mathrm{\ω}=M_k---\left(2\right)$

上式(1)(2)分别是描述集中质量m_k的平移和回转运动方程，现在将这两个方程推广到整根钻柱，得到钻柱的运动方程：

$M\frac{d^{2}u}{{\mathrm{dt}}^2}+C_L\frac{du}{dt}+k_{L}u=f---\left(3\right)$

$J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+C_R\frac{d\mathrm{\θ}}{dt}+k_R\mathrm{\θ}=m---\left(4\right)$

上式中M-集中质量；u-集中质量的位移；C_L-线性阻尼；k_L-线性刚度；J-转动惯量；θ-集中质量的转角；C_R-回转阻尼；k_R-回转刚度；f-外力的合力；m-外力矩的合力矩；t-时间；

可以描述钻柱的纵向、横向运动和振动以及轴向的回转运动和扭转振动。方程(3)用于描述钻柱的平移运动及变形，方程(4)用于描述钻柱的回转运动及变形。

步骤2：确定几何相似比、动力相似比以及密度相似比。实验设备中采用的有机玻璃管4、细钢柱7的尺寸根据模拟井壁和钻柱的几何相似比设计的，实验设备中的材料选择由模拟钻柱的材料密度相似比确定，动力设计参数由动力相似比确定，动力相似比包括时间相似比和力相似比，实验设备中的转速设计参数由转速相似比确定，实验设备模拟实验所用的压力参数由钻压相似比确定。具体如下：

首先，根据实验模拟方法取几何相似比大小力相似比大小为选择模拟钻柱的材料为钢材，则C_p＝1。则实验设备中选择外径为9mm、内径为8mm的细钢柱作为模拟钻柱，选择内径为9.5mm的有机玻璃管模拟井壁。

本发明所述的计算公式如下：

C_F力相似比： $C_F=\frac{F^{\′}}{F}---\left(5\right)$

C_t时间相似比： $C_t=\frac{t^{\′}}{t}---\left(6\right)$

C_l几何相似比： $C_l=\frac{l^{\′}}{l}---\left(7\right)$

C_ρ密度相似比： $C_{\mathrm{\ρ}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}{\mathrm{\ρ}}---\left(8\right)$

上式中F′，F-模拟实验中力的大小，真实钻井中力的大小；t′，t-模拟实验中的时间，真实钻井中的时间；l′，l-模拟实验中几何尺寸的大小，真实钻井中几何尺寸的大小；ρ′，ρ-模拟实验中模拟钻柱的材料密度，真实钻井中钻柱的材料密度；

钻压实际上代表钻进过程中施加的轴向力，与力的物理意义相同；直径、距离、位移等参量的本质都是长度；因而还能得到以下结论：

$C_F=\frac{F^{\′}}{F}=\frac{P^{\′}}{P}---\left(9\right)$

$C_l=\frac{l^{\′}}{l}=\frac{D^{\′}}{D}=\frac{d^{\′}}{d}=\frac{u^{\′}}{u}=\frac{s^{\′}}{s}---\left(10\right)$

式中P′，P-模拟实验中钻压，实际钻压；

D′，D-模拟钻柱的外径，实际钻井中钻柱的外径；

d′，d-模拟钻柱的内径，实际钻井中钻柱的内径；

u′，u-模拟钻柱位移，实际钻井中钻柱位移；

s′，s-模拟实验中的距离大小,实际钻井的距离大小。

由式(9)可以看到，由于钻压和力的量纲都是N(牛)，因而模拟实验的钻压相似比与力相似比相等。由式(10)可知，由于钻柱内外径、位移、距离的量纲都是m(米)，因而这些量的相似比相等。

步骤3：推导质量、转动惯量相似比。

在已知式(5)-(8)四个相似比之后即可推导其他相似比。

1)质量相似比：

$C_M=\frac{M^{\′}}{M}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\′}{l}^{\′3}}{{\mathrm{\ρl}}^3}---\left(11\right)$

上式中-相似实验中的质量大小。

将式(7)、(8)带入上式，得：

$C_M=\frac{M^{\′}}{M}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\′}{l}^{\′3}}{{\mathrm{\ρl}}^3}=C_{\mathrm{\ρ}}{C_l}^3---\left(12\right)$

2)转动惯量相似比：

$C_J=\frac{J^{\′}}{J}=\frac{M^{\′}{r}^{\′2}}{{\mathrm{Mr}}^2}---\left(13\right)$

上式中-相似实验中的转动惯量大小。

将式(10)、(12)带入上式，得：

$C_J=\frac{J^{\′}}{J}=\frac{M^{\′}{r}^{\′2}}{{\mathrm{Mr}}^2}=C_{\mathrm{\ρ}}{C_l}^5---\left(14\right)$

3)转速相似比和钻压相似比

钻压相似比由式(9)给出，接下来推导转速相似比。转速由下式表示：

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\θ}}{t}---\left(15\right)$

其中，为钻柱的转角，角度是无量纲量。因而转速的相似比可以表示为：

$C_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{C_t}---\left(16\right)$

步骤4：确定相似准则

列出相似实验中的钻柱动力学方程：

$M^{\′}\frac{d^2{u}^{\′}}{{\mathrm{dt}}^{\′2}}+C_L^{\′}\frac{{\mathrm{du}}^{\′}}{{\mathrm{dt}}^{\′}}+k_L^{\′}{u}^{\′}=f^{\′}---\left(17\right)$

$J^{\′}\frac{d^2{\mathrm{\θ}}^{\′}}{{\mathrm{dt}}^{\′2}}+C_R^{\′}\frac{{\mathrm{d\θ}}^{\′}}{{\mathrm{dt}}^{\′}}+k_R^{\′}{\mathrm{\θ}}^{\′}=m^{\′}---\left(18\right)$

将式(17)、(18)中相似模拟参量用实际参量和对应相似比表示，得到：

$C_M\frac{C_l}{C_t^2}M\frac{d^{2}u}{{\mathrm{dt}}^2}+C_{C_L}\frac{C_l}{C_t}{C}_L\frac{du}{dt}+C_{k_L}{C}_l{k}_{L}u=C_{F}f---\left(19\right)$

$\frac{C_J}{C_t^2}J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{C_{C_R}}{C_t}{C}_R\frac{d\mathrm{\θ}}{dt}+C_{k_R}{k}_R\mathrm{\θ}=C_{m}m---\left(20\right)$

式中-线性阻尼的相似比；-线性刚度的相似比；-回转阻尼相似比；回转刚度相似比；

比较式(3)与(19)可知，要使式(19)与式(3)等价必须有如下关系：

$C_M\frac{C_l}{C_t^2}=C_{C_L}\frac{C_l}{C_t}=C_{k_L}{C}_l=C_F---\left(21\right)$

在式(19)中在等式两边同除以C_F，得：

$\frac{C_M{C}_l}{C_F{C_t}^2}M\frac{d^{2}u}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{C_{C_L}{C}_l}{C_F{C}_t}{C}_L\frac{du}{dt}+\frac{C_{k_L}{C}_l}{C_F}{k}_{L}u=f---\left(22\right)$

则按式(22)中第一项的系数选取相似准则：

$\frac{C_M{C}_l}{C_F{C_t}^2}=1---\left(23\right)$

步骤5：计算钻压相似比和转速相似比

将相似准则式(23)带入上式(16)得：

$C_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{C_t}=\sqrt{\frac{C_F}{C_M{C}_l}}---\left(24\right)$

将式(12)带入上式，得：

$C_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{C_t}=\sqrt{\frac{C_F}{C_M{C}_l}}=\sqrt{\frac{C_F}{C_{\mathrm{\ρ}}{C_l}^4}}---\left(25\right)$

从上式可以看出，在确定了动力相似比、几何相似比以及密度相似比之后即可计算得到模拟实验中的钻压相似比和转速相似比。

步骤6：验证所选的相似准则同样适用于回转运动及变形动力学方程

所选定的相似准则公式(23)，是以方程(19)推导得到的，在相似实验中则必须同时满足式(19)和(20)，需要验证根据选定的相似准则，式(20)是否满足相似要求。

根据式(20)，选择回转运动动力学方程的相似准则为：

$\frac{C_J}{C_m{C_t}^2}=1---\left(26\right)$

接下来将证明根据式(26)所示的相似准则推导得到的转速相似比与式(25)等价。

将上式带入式(16)得：

$C_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{C_t}=\sqrt{\frac{C_m}{C_J}}---\left(27\right)$

扭矩的相似比：

C_m＝C_FC_l(28)

将式(15)(28)带入式(27)，得：

$C_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{C_t}=\sqrt{\frac{C_m}{C_J}}=\sqrt{\frac{C_F{C}_l}{C_{\mathrm{\ρ}}{C_l}^5}}=\sqrt{\frac{C_F}{C_{\mathrm{\ρ}}{C_l}^4}}---\left(29\right)$

说明式(25)与式(27)等价，即由式(23)(26)分别推导得到的转速相似比等价。

在此基础上设计实验装置的参数。同时，两个方程中的钻压相似比都等于力相似比。所以以式(23)为相似准则能够同时满足式(19)(20)两个动力学方程。

则通过式(25)可以计算得到转速相似比为C_ω＝1，即模拟实验中的实验转速大小为450～600rpm。同时，钻压相似比大小与力相似比相等：则实验的钻压大小为1.5N。

Claims (4)

1.一种研究钻柱动力学特性的实验设备，包括主机架、模拟井壁总成、回转总成、圆盘总成、激振总成、称重总成和检测装置；其特征在于：

所述的主机架由主框架、角链接件及连接螺栓螺母组成；

所述的模拟井壁总成包括有机玻璃管、固定夹具和夹具安装板，有机玻璃管穿过固定夹具并固定在固定夹具中，固定夹具固定在夹具安装板上，夹具安装板通过螺栓螺母安装在主框架上；

所述的回转总成包括电机及驱动器、联轴器、细钢柱和顶部安装板，回转总成贯穿整个主机架，顶部安装板通过T型螺栓螺母安装在主框架的顶部，电机安装在顶部安装板上并通过联轴器与细钢柱连接，细钢柱下端与圆盘总成的圆盘连接；

所述的圆盘总成包括圆盘和圆筒，圆筒安装在浮动平台上，圆盘的直径小于圆筒的直径，圆盘在圆筒内做回转运动，圆筒和浮动平台通过中部设的开孔与下部的激振器接触，受到下部激振器的激振；

所述的激振总成包括激振器、力传感器、信号发生器和信号放大器，信号发生器产生激振信号经由信号放大器输入到激振器中，激振器按照输入的信号类型对圆盘底部进行激振，以模拟钻头与钻井底部的岩石的相互作用，其中力传感器安装在激振器的激振杆上，用于检测激振器产生的激振力；

所述的称重总成包括四个直线导轨、直线导轨连接件、浮动平台、支撑板、称重传感器，四个直线导轨竖直均布在主框架上，浮动平台通过直线导轨连接件安装在直线导轨上,且能在直线导轨中上下运动，浮动平台下方安装有支撑板，支撑板的下端连接着称重传感器，用于实时监测施加在细钢柱上的压力大小；

所述的检测装置包括涡动轨迹和横向振动检测装置、纵向振动检测装置；所述的涡动轨迹和横向振动检测装置由两个安装在浮动平台上激光位置传感器组成，两个激光位置传感器分别实时监测两个相互垂直方向到圆盘的距离，计算机采集数据之后通过轨迹计算算法，计算出圆盘的涡动轨迹；同时，所述的两个激光位置传感器还测量圆盘在横向上的位置变化，因而也用于检测圆盘的横向振动；所述的纵向振动检测装置由一组电涡流传感器和振动圆盘组成，振动圆盘安装在模拟钻柱的细钢柱上，电涡流传感器安装在夹具安装板上，当模拟钻柱的细钢柱产生纵向振动时，振动圆盘也产生纵向振动，电涡流传感器就产生与纵向振动大小对应的检测信号。

2.根据权利要求1所述的一种研究钻柱动力学特性的实验设备，其特征在于：所述的回转总成中的细钢柱穿在有机玻璃管中，实验中受有机玻璃管的约束，用于模拟钻柱与井壁的相互作用。

3.根据权利要求1所述的一种研究钻柱动力学特性的实验设备，其特征在于：所述的浮动平台与支撑板连接，支撑板与称重传感器连接，通过调整顶部安装板的位置给细钢柱施加不同大小的压力，压力通过细钢柱传递到下端浮动平台上的圆盘上，并使得浮动平台作向下的运动，最终使得下端的称重传感器检测到所施加的压力。

4.根据权利要求1所述的一种研究钻柱动力学特性的实验设备，其特征在于：所述的实验设备中采用的有机玻璃管、细钢柱的尺寸根据模拟井壁和钻柱的几何相似比设计的，实验设备中的材料选择由模拟钻柱的材料密度相似比确定，动力设计参数由动力相似比确定，动力相似比包括时间相似比和力相似比，实验设备中的转速设计参数由转速相似比确定，实验设备模拟实验所用的压力参数由钻压相似比确定，计算公式如下：

C_F力相似比： $C_F=\frac{F^{\′}}{F}---\left(5\right)$

C_t时间相似比： $C_t=\frac{t^{\′}}{t}---\left(6\right)$

C_l几何相似比： $C_l=\frac{l^{\′}}{l}---\left(7\right)$

C_ρ密度相似比： $C_{\mathrm{\ρ}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}{\mathrm{\ρ}}---\left(8\right)$

上式中F′，F-模拟实验中力的大小，真实钻井中力的大小；t′，t-模拟实验中的时间，真实钻井中的时间；l′，l-模拟实验中几何尺寸的大小，真实钻井中几何尺寸的大小；ρ′，ρ-模拟实验中模拟钻柱的材料密度，真实钻井中钻柱的材料密度；

由于钻压实际上代表钻进过程中施加的轴向力，与力的物理意义相同；直径、距离、位移参量的本质都是长度；因而还能得到以下结论：

$C_F=\frac{F^{\′}}{F}=\frac{P^{\′}}{P}---\left(9\right)$

$C_l=\frac{l^{\′}}{l}=\frac{D^{\′}}{D}=\frac{d^{\′}}{d}=\frac{u^{\′}}{u}=\frac{s^{\′}}{s}---\left(10\right)$

式中:P′，P-模拟实验中钻压与实际钻压；D′，D-模拟钻柱的外径与实际钻井中钻柱的外径；d′，d-模拟钻柱的内径与实际钻井中钻柱的内径；u′，u-模拟钻柱位移大小与实际钻井中钻柱位移；s′，s‐模拟实验中的距离大小与实际钻井的距离大小。