CN105004514A - 实验测定钻柱粘滑振动的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验测定钻柱粘滑振动的装置与方法，装置主要由把手实验台架、电机、外调节杆、内调节杆、主杆、扶正筒、上轴承、扶正架、加压系统、下轴承、支撑盘、速度传感器、钻头、岩芯和容器组成，所述电机通过外调节杆和内调节杆驱动主杆转动，主杆下端连接钻头并作用于岩芯上；主杆具有大长径比，在主杆上设有扶正单元且扶正单元可沿实验台架滑动；实验参加上设有加压系统和速度传感器，主杆上设有支撑盘用于承受由加压系统施加的轴向压力，支撑盘的转动特性由速度传感器测定；通过调节电机转速及压力系统的输出压力可测定不同转速及钻压时钻柱系统的粘滑振动特性。本发明可代替实际钻柱系统用于测定钻柱的粘滑振动特性。

Description

实验测定钻柱粘滑振动的装置与方法

技术领域

本发明涉及对钻柱振动的测量，具体地讲是一种实验测定钻柱粘滑振动的装置与方法，属于钻柱动力学及机械工程技术领域。

背景技术

随着当前油气勘探开发的不断发展，油气钻采逐步转向深部地层，深井超深井数量不断增加。随井深的不断增大，岩石的力学特性也发生改变，其强度往往增大而可钻性降低。粘滑振动是指钻头因破岩扭矩不足而引起的钻头周期性地粘滞与滑脱，由于钻柱的大长径比特性，系统极易产生粘滑振动。系统在粘滞阶段积蓄的能量在滑脱阶段释放，往往表现为较高的钻头转速，由此容易造成钻具提前失效并引起井身质量问题。

关于粘滑振动的研究已有数十年历史，然而，随着当前深井超深井的增加，粘滑振动对钻进的影响逐渐增大。现有关于粘滑振动的研究主要集中于通过随钻测量进行钻井参数优化或于钻柱系统中设置主动控制系统进行粘滑振动的抑制，关于粘滑振动的理论研究特别是实验研究较少。一方面，掌握系统的粘滑振动特性是认识这一现象并最终实现粘滑振动抑制的基础；另一方面，钻柱系统是一个庞大的系统，而且粘滑振动往往在下部钻具处比较明显，对振动的测量既复杂又需耗费巨大的成本。因此，建立钻柱系统粘滑振动实验装置并开展粘滑振动特性的室内实验，是研究钻柱粘滑振动的一种重要途径，对认识粘滑振动并最终实现振动的控制具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于：针对开展现场实验测量钻柱粘滑振动复杂而又成本高的问题，特提出一种实验测定钻柱粘滑振动的装置与方法。

为达到上述目的，本发明解决此技术问题采用的技术方案是：实验测定钻柱粘滑振动的装置，主要由实验台架、电机、外调节杆、内调节杆、主杆、扶正筒、上轴承、扶正架、加压系统、下轴承、支撑盘、速度传感器、钻头、岩芯和容器组成，其特征在于：所述电机固定于实验台架上，电机的输出轴与外调节杆连接，外调节杆与内调节杆通过键槽连接，内调节杆与主杆通过螺纹连接，在实验台架与主杆间设有扶正筒，扶正筒与主杆间设有上轴承，扶正筒焊接于扶正架上，扶正架安装于实验台架上，加压系统固定于实验台架上，主杆上设有支撑盘用于承受加压系统施加的压力，主杆下端通过螺纹与钻头连接，钻头作用于岩芯上，岩芯放置于容器内。

所述外调节杆内部设有花键槽，内调节杆外部设有花键，所述花键与花键槽相互作用，内调节杆可沿外调节杆的花键轨道滑动，同时花键与花键槽间的配合还传递电机输出的扭矩。

所述扶正架上设有套筒用于限制扶正筒的横向移动，套筒可沿实验台架轴向滑动；所述扶正筒与主杆间的上轴承为滚针轴承或深沟球轴承。

所述主杆穿过加压系统，支撑盘固定于主杆上，加压系统施加的压力通过下轴承传至支撑盘上；所述下轴承为推力轴承，下轴承主要用于钻压传递，同时还允许支撑盘相对加压系统转动。

所述速度传感器为非接触测速传感器，可为激光测速传感器或雷达测速传感器；速度传感器产生的电荷信号由电荷放大器转换为电压信号后传至信号调理模块。

所述扶正架与扶正筒通过焊接的方式连接。

所述主杆的长径比大于100。

实验测定钻柱粘滑振动的方法，其特征在于：将电机固定于实验台架上，外调节杆与电机的输出轴连接，主杆穿过加压系统，将内调节杆与主杆通过螺纹进行连接；将扶正架与扶正筒焊接并安装于实验台架上，扶正架由套筒作导轨可沿实验台架的立柱滑动，在加压系统上端0.1米～0.2米处将扶正筒与主杆通过上轴承连接，将加压系统与支撑盘通过下轴承连接；连接钻头于主杆下端，钻头下面设置岩芯，岩芯安装于容器内，容器固定于实验台架或地面；将速度传感器安装于实验台架上且速度传感器与支撑盘位于同一水平高度。

所述电机的转动带动外调节杆同步转动，外调节杆与内调节杆通过花键连接，外调节杆的转动将驱动内调节杆同步转动并带动主杆转动，主杆进一步驱动钻头转动；通过加压系统对支撑盘施加轴向压力，支撑盘所承受的压力将传至钻头并作用于岩芯上；由于主杆具有大长径比的特点，钻头处将产生粘滑振动。

所述钻头处的粘滑振动通过紧邻钻头的支撑盘的转速变化进行表征，支撑盘的转速特性由速度传感器测定，速度传感器所测数据通过计算机进行处理与分析；所述加压系统可对支撑盘提供不同数值的轴向压力。

在钻进过程中，随着钻进的不断进行钻头将产生轴向运动，主杆带动内调节杆一起轴向运动，与主杆通过上轴承连接的扶正筒及扶正架也同步轴向移动，加压系统的加载装置不断伸长。

基于本发明所述的装置，当需要测定不同转速或钻压对应的钻柱粘滑振动特性时，可通过调节电机的转速和加压系统的输出压力数值实现。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：(1)通过室内实验测量钻柱的粘滑振动特性，可为理论研究提供参数对比；(2)由于实际钻柱系统庞大且粘滑振动产生于离地面数千米的井下，其测量操作即复杂成本又高，本发明实验装置采用比例模型，其研究结果既可提供实用参数，其成本又较低；(3)采用本发明的装置，可通过调节电机转速以及液压系统的输出压力得到不同转速及钻压时系统的粘滑振动特性。

附图说明

图1为本发明实验测定钻柱粘滑振动的装置的结构示意图；

图2为本发明实验测定钻柱粘滑振动的装置中外调节杆的主剖图；

图3为本发明实验测定钻柱粘滑振动的装置中外调节杆的侧视图；

图4为本发明实验测定钻柱粘滑振动的装置中内调节杆的半剖图；

图5为本发明实验测定钻柱粘滑振动的装置中内调节杆的侧视图；

图6为本发明实验测定钻柱粘滑振动的装置中由主杆、扶正筒、上轴承、扶正架和套筒组成的扶正单元的结构示意图；

图7为本发明实验测定钻柱粘滑振动的装置中由主杆、下轴承挡圈、支撑盘组成的加压单元的结构示意图；

图8为本发明实验测定钻柱粘滑振动的装置中速度传感器的结构示意图。

图中：1.实验台架，2.电机，3.外调节杆，4.内调节杆，5.主杆，6.扶正筒，7.上轴承，8.扶正架，9.加压系统，10.下轴承，11.支撑盘，12.速度传感器，13.钻头，14.岩芯，15.容器，16.套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，实验测定钻柱粘滑振动的装置，主要由实验台架1、电机2、外调节杆3、内调节杆4、主杆5、扶正筒6、上轴承7、扶正架8、加压系统9、下轴承10、支撑盘11、速度传感器12、钻头13、岩芯14和容器15组成，其特征在于：所述电机2固定于实验台架1上，电机2的输出轴与外调节杆3连接，外调节杆3与内调节杆4通过键槽连接，内调节杆4与主杆5通过螺纹连接，在实验台架1与主杆5间设有扶正筒6，扶正筒6与主杆5间设有上轴承7，扶正筒6焊接于扶正架8上，扶正架8安装于实验台架上，加压系统9固定于实验台架1上，主杆5上设有支撑盘11用于承受加压系统9施加的压力，主杆5下端通过螺纹与钻头13连接，钻头作用于岩芯14上，岩芯14放置于容器15内。

如图2～图5所示，所述外调节杆3内部设有花键槽，内调节杆4外部设有花键，所述花键与花键槽相互作用，内调节杆4可沿外调节杆3的花键轨道滑动，同时花键与花键槽间的配合还传递电机2输出的扭矩。

如图6所示，所述扶正架8上设有套筒16用于限制扶正筒6的横向移动，套筒16可沿实验台架1轴向滑动；所述扶正筒6与主杆5间的上轴承7为滚针轴承或深沟球轴承，上轴承7主要用于钻压传递，同时还允许支撑盘11相对加压系统9转动。

如图7所示，所述主杆5穿过加压系统9，支撑盘11固定于主杆5上，加压系统9施加的压力通过下轴承10传至支撑盘11上；所述下轴承10为推力轴承。

所述速度传感器12为非接触测速传感器，可为激光测速传感器或雷达测速传感器，图8所示为激光测速传感器。速度传感器12产生的电荷信号由电荷放大器，在转换为电压信号后传至信号调理模块。

所述扶正架8与扶正筒6通过焊接的方式连接。

所述主杆5的长径比大于100。

如图1所示，实验测定钻柱粘滑振动的方法，其特征在于：将电机2固定于实验台架1上，外调节杆3与电机2的输出轴连接，主杆5穿过加压系统9，将内调节杆4与主杆5通过螺纹进行连接；将扶正架8与扶正筒6焊接并安装于实验台架1上，扶正架8由套筒16作导轨可沿实验台架1的立柱滑动，在加压系统9上端0.1米～0.2米处将扶正筒6与主杆5通过上轴承7连接，将加压系统9与支撑盘11通过下轴承10连接；连接钻头13于主杆5下端，钻头13下面设置岩芯14，岩芯14安装于容器15内，容器15固定于实验台架1或地面；将速度传感器12安装于实验台架1上且速度传感器12与支撑盘12位于同一水平高度。

如图1所示，所述电机2的转动带动外调节杆3同步转动，外调节杆3与内调节杆4通过花键连接，外调节杆3的转动将驱动内调节杆4同步转动并带动主杆5转动，主杆5进一步驱动钻头13转动；通过加压系统9对支撑盘11施加轴向压力，支撑盘11所承受的压力将传至钻头13并作用于岩芯14上；由于主杆5具有大长径比的特点，钻头13处将产生粘滑振动。

所述钻头13处的粘滑振动通过紧邻钻头13的支撑盘11的转速变化进行表征，支撑盘11的转速特性由速度传感器12测定，速度传感器12所测数据在经电荷放大器后传至信号调理模块，并最终通过计算机进行处理与分析；所述加压系统9可对支撑盘11提供不同数值的轴向压力。

在钻进过程中，随着钻进的不断进行钻头13将产生轴向运动，主杆5带动内调节杆4轴向运动，与主杆5通过上轴承7连接的扶正筒6及扶正架8也同步轴向移动，加压系统9的加载装置不断伸长。

基于本发明所述的装置，当需要测定不同转速或钻压对应的钻柱粘滑振动特性时，可通过调节电机2的转速和加压系统9的输出压力数值实现。

以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所作出的等同变化与修改，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.实验测定钻柱粘滑振动的装置，主要由实验台架(1)、电机(2)、外调节杆(3)、内调节杆(4)、主杆(5)、扶正筒(6)、上轴承(7)、扶正架(8)、加压系统(9)、下轴承(10)、支撑盘(11)、速度传感器(12)、钻头(13)、岩芯(14)和容器(15)组成，其特征在于：所述电机(2)固定于实验台架(1)上，电机(2)的输出轴与外调节杆(3)连接，外调节杆(3)与内调节杆(4)通过键槽连接，内调节杆(4)与主杆(5)通过螺纹连接，在实验台架(1)与主杆(5)间设有扶正筒(6)，扶正筒(6)与主杆(5)间设有上轴承(7)，扶正筒(6)焊接于扶正架(8)上，扶正架(8)安装于实验台架上，加压系统(9)固定于实验台架(1)上，主杆(5)上设有支撑盘(11)用于承受加压系统(9)施加的压力，主杆(5)下端通过螺纹与钻头(13)连接，钻头作用于岩芯(14)上，岩芯(14)放置于容器(15)内。

2.根据权利要求1所述的实验测定钻柱粘滑振动的装置，其特征在于：所述外调节杆(3)内部设有花键槽，内调节杆(4)外部设有花键，内调节杆(4)可沿外调节杆(3)的花键轨道滑动，同时花键与花键槽间的配合还传递电机(2)输出的扭矩。

3.根据权利要求1所述的实验测定钻柱粘滑振动的装置，其特征在于：所述扶正架(8)上设有套筒(16)用于限制扶正筒(6)的横向移动，套筒(16)可沿实验台架(1)轴向滑动；所述扶正筒(6)与主杆(5)间的上轴承(7)为滚针轴承或深沟球轴承。

4.根据权利要求1所述的实验测定钻柱粘滑振动的装置，其特征在于：所述主杆(5)穿过加压系统(9)，支撑盘(11)固定于主杆(5)上，加压系统(9)施加的压力通过下轴承(10)传至支撑盘(11)上；所述下轴承(10)为推力轴承。

5.根据权利要求1所述的实验测定钻柱粘滑振动的装置，其特征在于：所述速度传感器(12)为非接触测速传感器；所述扶正架(8)与扶正筒(6)通过焊接的方式连接；所述主杆(5)的长径比大于100。

6.实验测定钻柱粘滑振动的方法，其特征在于：将电机(2)固定于实验台架(1)上，外调节杆(3)与电机(2)的输出轴连接，主杆(5)穿过加压系统(9)，将内调节杆(4)与主杆(5)通过螺纹进行连接；将扶正架(8)与扶正筒(6)焊接并安装于实验台架(1)上，扶正架(8)由套筒(16)作导轨可沿实验台架(1)的立柱滑动，在加压系统(9)上端0.1米～0.2米处将扶正筒(6)与主杆(5)通过上轴承(7)连接，将加压系统(9)与支撑盘(11)通过下轴承(10)连接；连接钻头(13)于主杆(5)下端，钻头(13)下面设置岩芯(14)，岩芯(14)安装于容器(15)内，容器(15)固定于实验台架(1)或地面；将速度传感器(12)安装于实验台架(1)上且速度传感器(12)与支撑盘(12)位于同一水平高度。

7.根据权利要求6所述的实验测定钻柱粘滑振动的方法，其特征在于：所述电机(2)的转动带动外调节杆(3)同步转动，外调节杆(3)与内调节杆(4)通过花键连接，外调节杆(3)的转动将驱动内调节杆(4)同步转动并带动主杆(5)转动，主杆(5)进一步驱动钻头(13)转动；通过加压系统(9)对支撑盘(11)施加轴向压力，支撑盘(11)所承受的压力将传至钻头(13)并作用于岩芯(14)上；由于主杆(5)具有大长径比的特点，钻头(13)处将产生粘滑振动。

8.根据权利要求6和7所述的实验测定钻柱粘滑振动的方法，其特征在于：所述钻头(13)处的粘滑振动通过紧邻钻头(13)的支撑盘(11)的转速变化进行表征，支撑盘(11)的转速特性由速度传感器(12)测定，速度传感器(12)所测数据通过计算机进行处理与分析；所述加压系统(9)可对支撑盘(11)提供不同数值的轴向压力。

9.根据权利要求6和7所述的实验测定钻柱粘滑振动的方法，其特征在于：在钻进过程中，随着钻进的不断进行钻头(13)将产生轴向运动，主杆(5)带动内调节杆(4)一起轴向运动，与主杆(5)通过上轴承(7)连接的扶正筒(6)及扶正架(8)也同步轴向移动，加压系统(9)的加载装置不断伸长。