CN105181125B - 钻井用井下水力振荡器模拟测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钻井用井下水力振荡器模拟测试装置，包括设置在一固定架上的导向系统、位移传感系统和循环给液测试系统，以及数据采集分析系统，导向系统设置在固定架前端为水力振荡器提供沿轴向往复运动动力源，位移传感系统设置在固定于固定架内的水力振荡器的上接头和外筒的侧壁上，测定在导向系统的推动作用下，水力振荡器的上接头和外筒之间的位移变化；该钻井用井下水力振荡器模拟测试装置及其方法用于模拟水力振荡器在井下预受力作用下的工作参数，为振动类井下专用工具类作业设计、现场开发调整工具结构参数及施工工艺提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开采领域，特别涉及一种钻井用井下水力振荡器模拟测试装置及其测试方法。
背景技术
油气田开发钻井过程中,钻具组合或钻杆与井壁接触,造成钻具和井壁之间摩擦阻力较大，使钻压传递过程中损耗增大、钻进效率降低；随着井眼水平段加长，出现脱压、粘连、丢失工具现象越来越多，从而大大限制了钻进速度，制约了水平段长度的延伸，因此如何减小阻力、实现快速钻进和提高井水平段长度已成为业界关注的焦点。而水力振荡器在水力的作用下，可以产生沿钻具组合或者钻杆轴线方向上的振动，该振动可有效的改变轴向荷载的转换、降低摩擦阻力，有效传递稳定的钻压，从而有效解决钻具与井壁之间的摩擦阻力，防止钻具脱压，提高钻进速度，特别是有螺杆的滑动钻进过程中，可保护钻头提高机械钻速和钻头的进尺，缩短钻井周期，减少钻头的起下钻次数及卡钻的风险。
水力振荡器由上接头所在的中心管与下接头所在的外筒组成。在工作时通过上接头与下接头接入钻井管柱中，利用从上接头方向流入的水流，使水力振荡器中心管与外筒产生轴向相对往复运动。该往复运动带动两端钻具轴向振动，达到减小与井壁摩擦阻力的效果。但是水力振荡器在振动的情况下产生的振动频率、振幅、振动力以及工具压耗是影响使用效果的关键参数，而且受到液体排量、密度、粘度、工具预受力情况等多种因素的影响。然而以上参数无法通过理论模型准确计算，更没有现成的测试评估装备与方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于模拟水力振荡器在井下预受力作用下的工作参数，为振动类井下专用工具类作业设计、现场开发调整工具结构参数及施工工艺提供依据的钻井用井下水力振荡器模拟测试装置。
本发明的另一目的是提供一种使用上述钻井用井下水力振荡器模拟测试装置模拟水力振荡器在井下预受力作用下的工作参数，以对其适用性进行检测的测试方法。
为解决上述技术问题，本发明技术方案为：
一种钻井用井下水力振荡器模拟测试装置，包括设置在一固定架上的导向系统、位移传感系统和循环给液测试系统，以及数据采集分析系统，所述导向系统设置在所述固定架前端为所述水力振荡器提供沿轴向往复运动动力源，所述位移传感系统设置在所述固定于所述固定架内的水力振荡器的上接头和外筒的侧壁上，测定在所述导向系统的推动作用下，水力振荡器的所述上接头和所述外筒之间的位移变化。
具体地，所述导向系统包括导向架、双作用手压泵、双作用液压缸、连杆和测力计，所述导向架设置在所述固定架的前端，所述双作用液压缸设置在所述导向架内并通过压力管a和压力管b与所述双作用手压泵连接，所述双作用液压缸一端通过固定销与所述导向架固定连接，另一端通过连接销与所述连杆一端连接，所述连杆的另一端为法兰结构，所述测力计通过多个小螺栓固定在所述法兰结构的端面上；
所述位移传感系统包括检测环、位移传感器、支撑环，所述检测环和所述支撑环分别设置在固定于所述固定架内的水力振荡器的上接头和外筒的侧壁上，在所述检测环和所述支撑环的下侧均设有分别与所述检测环和所述支撑环共面的钢板，所述位移传感器垂直设置在与所述支撑环的共面钢板上，使位移传感器在导向系统推动水力振荡器产生轴向往复运动中检测位移传感器自由端端部与所述检测环的共面钢板之间的位移变化；
所述固定架由两根平行结构的钢板围成，在所述固定架上设有多个安装孔，所述水力振荡器设置在所述固定架内并分别通过设置在固定架中部和后端端部的上卡箍和下卡箍固定在所述固定架内，所述上/卡箍和所述下/卡箍和所述导向架均通过所述固定架的安装孔连接固定；
所述循环给液测试系统包括导向法兰、前端压力传感器、弯接头、末端压力传感器、直接头、流量计、水泵和水罐，所述弯接头一端与所述水泵的出水口连接、另一端与水力振荡器的上接头连接且在所述弯接头的弯折处外侧设有与所述导向法兰连接的法兰孔，所述直接头一端与水力振荡器的外筒底端连接、另一端通过连接管路与所述流量计连接，所述流量计、所述水罐和所述水泵通过连接管路依次连接，在所述弯接头和直接头的侧壁上分别设有安装所述前端压力传感器和所述末端压力传感器的传感器孔；
进一步地，所述导向法兰一端为法兰结构、另一端为与所述弯接头的法兰孔相适应的弧形结构，所述导向法兰通过多个大螺栓固定在所述弯接头上，使所述导向法兰、连杆、所述弯接头的水平方向管路和水力振荡器设置在同一轴线上；其中，所述弯接头为90°；
进一步地，所述导向法兰和所述弯接头无缝对接同时，在导向法兰外壁和所述弯接头内壁接触处所述设有多个密封圈形成密封。
所述数据采集分析系统包括计算机和与所述计算机连接并收集在一防水集线器内的分别与所述测力计、前端压力传感器、位移传感器、末端压力传感器和流量计连接的信号传输电缆；所述测力计、前端压力传感器、位移传感器、末端压力传感器和流量计通过信号传输电缆将实时检测的数据回传到计算机中，进行数据存储和数据分析；
一种钻井用井下水力振荡器模拟测试装置的测试方法，包括如下步骤：
S1、将钻井用井下水力振荡器模拟测试装置的导向系统、位移传感系统、循环给液测试系统以及数据采集分析系统与待测试的水力振荡器连接组装，确保给液系统供液正常，确保数据采集分析系统中的测力计、前端传感器、位移传感器、末端压力传感器、流量计的信号采集正常；
S2、模拟测试实验：通过设于双作用手压泵加液口加水并手压双作液压手压泵，通过压力管a和压力管b作用于双作用液压缸并使双作用液压缸处于外推工作状态直至测力计与导向法兰接触后停止，测力计显示推力值F1；开启水泵，逐渐增加流速，经流量计测试显示结果达到给定流速值Q1时保持该流速不变，使水力振荡器进入正常模拟工作状态；
S3、测试数据分析：
经位移传感器记录试验过程中的位移x，位移x的最大值与最小值的差值Δx即为被测试水力振荡器在该工作状态的振幅；经前端压力传感器检测压力P1，经末端传感器检测压力P2，二者的差值P1-P2即为被测试水力振荡器在该工作状态的压耗；经测力计检测实时推力F，实时推力F与给定推力值F1的差值F-F1即为被测试水力振荡器在该工作状态可提供的振动推力；通过输出其时域曲线上单位时间内的推力值周期波动数即可计算出振动频率；
其中，位移传感器的设置和压力传感器的设置使得在测试实验过程中，该水力振荡器的工作振动频率可以通过位移传感器记录试验过程中的位移x与对应时间做出的位移-时间图或通过实时推力变化做出的推力-时间图得出，而实际测试过程中的工作频率计算方式根据实际工作状况的方式便捷性而定；而经前端压力传感器检测压力P1和经末端传感器检测压力P2测量计算得出的压耗则作为一项必需的施工考虑参数，以便于现场使用时系统的配置；
S4、根据实际工程情况调整不同参数数值，即通过调整双作用液压缸的推力值F1和输送钻井液的供液系统流速Q1，对该水力振荡器的可适用工况条件进行如上步骤S3的测试并得出结论，以对水力振荡器的适用工况进行评价以便在实际作业中进行选用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：该钻井用井下水力振荡器模拟测试装置通过调整上、下卡箍的尺寸与间距，可适用于所有规格水力振荡器工具的检测实验，且实验过程不受水力振荡器内部工作原理的限制，为钻井专用工具的设计和现场应用提供依据；并且该钻井用井下水力振荡器模拟测试装置的测试方法可有效检测水力振荡器在不同排量水力驱动下的振动频率、振幅、振动推力以及压力损耗；同时可以通过双作用液压缸推力作用，模拟井下受压缩各种环境下的工作情况及振动参数；所有测试数据回传至数据采集系统的计算机中，实现实时监控与事后分析。
附图说明
图1为本发明的水力振荡器设置在钻井用井下水力振荡器模拟测试装置内的结构示意图；
图2为水力振荡器的外部结构示意图；
图3为本发明实施例2的位移-时间图像；
图4为本发明实施例2的推力-时间图像。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。
实施例1
如图2所示为水力振荡器的外观结构示意图，如图所示，水力振荡器由上接头所在的中心管与下接头所在的外筒组成，其运动原理为通过上接头28与外筒29的下接头接入钻井管柱中，利用从上接头方向流入的水流，使水力振荡器中心管与外筒29产生轴向相对往复运动。
如图1所示，该种钻井用井下水力振荡器模拟测试装置，包括设置在一固定架19上的导向系统、位移传感系统和循环给液测试系统，以及数据采集分析系统，其中：
所述导向系统包括导向架1、双作用手压泵5、双作用液压缸13、连杆7和测力计9，所述导向架1设置在所述固定架19的前端，所述导向架包括与所述固定架19前端焊接为一体的连接部和设置在所述连接部前端的方形槽体结构，所述双作用液压缸13设置在所述导向架1内并通过压力管a和压力管b与所述双作用手压泵5连接，所述双作用液压缸13一端通过固定销2与所述导向架1固定连接，另一端通过连接销6与所述连杆7一端连接，所述连杆7的另一端为法兰结构，所述测力计9通过多个沿所述法兰结构圆周方向设置的小螺栓8固定在所述法兰结构的端面上；
所述位移传感系统包括检测环20、位移传感器21、支撑环22，所述检测环20和所述支撑环22分别设置在固定于所述固定架19内的水力振荡器的上接头28和外筒29的侧壁上，在所述检测环20和所述支撑环22的下侧均设有分别与所述检测环20和所述支撑环22共面的钢板，所述位移传感器21垂直设置在与所述支撑环22的共面钢板上，所述位移传感器21的自由端即感应端也相对于所述检测环20的共面钢板垂直设置，使所述位移传感器21在所述导向系统推动水力振荡器产生轴向往复运动中检测位移传感器21自由端端部与所述检测环20的共面钢板之间的位移变化并将位移变化数据传输至计算机中；
其中，所述支撑环22的环比厚度大于检测环20的环比厚度，使所述支撑环22具有足够强度和刚度；
所述循环给液测试系统包括导向法兰16、前端压力传感器17、拐角为90°的弯接头18、末端压力传感器25、直接头26、流量计27、水泵10和水罐11，所述弯接头18一端与所述水泵10的出水口连接、另一端与水力振荡器的上接头28螺纹连接且在所述弯接头18的弯折处外侧设有与所述导向法兰16连接的法兰孔，所述直接头26一端与水力振荡器的外筒底端螺纹连接、另一端通过连接管路与所述流量计27连通，所述流量计27还与所述水罐11和所述水泵10通过连接管路依次连接，在所述弯接头18和直接头26的侧壁上分别设有安装所述前端压力传感器17和所述末端压力传感器25的传感器孔；所述导向法兰16一端为法兰结构、另一端为与所述弯接头18的法兰孔相吻合的弧形坡状结构，使导向法兰16和所述弯接头18无缝对接并在导向法兰16外壁和所述弯接头18内壁接触处所述设有两个密封圈形成密封，所述导向法兰16通过多个大螺栓15固定在所述弯接头18上，使所述导向法兰16、连杆7、所述弯接头18的水平方向管路和水力振荡器位于在同一轴线上；
所述数据采集分析系统包括计算机12和与所述计算机12连接并收集在一防水集线器14内的分别与所述测力计9、前端压力传感器17、位移传感器21、末端压力传感器25和流量计27连接的信号传输电缆；所述测力计9、前端压力传感器17、位移传感器21、末端压力传感器25和流量计27通过信号传输电缆将实时检测的数据传输到计算机中，进行数据存储和数据分析；
所述固定架19由两根平行结构的钢板围成，在所述固定架19上设有多个安装孔，所述水力振荡器设置在所述固定架19内并分别通过设置在固定架19中部和后端端部的上卡箍23和下卡箍24固定在所述固定架19内，所述上卡箍23和所述下卡箍24和所述导向架1均通过所述固定架19的安装孔连接固定，具体地，所述外筒29左部的外壁上和所述直接头26中部外壁上形成有与上卡箍23和下卡箍24配合的环形凹槽且所述水力振荡器和直接头26通过上卡箍23和下卡箍24固定在所述固定架上。
该钻井用井下水力振荡器实验测试装置工作原理：
通过水平推力活塞连杆机构施加模拟推力至水力振荡器导向法兰端，输送钻井液的供夜系统模拟水力振荡器工作状况；通过数据采集分析系统对模拟数据采集并分析，通过输出时域曲线得出单位时间内推力周期波动数，可计算出振动频率。通过调整不同的输入的数据，模拟井下受压缩环境下的工作情况及振动参数，进而模拟振动类专用钻井工具在实际工程中的开采过程。
实施例2
对准备进行施工作业中的一种水力振荡器进行测试，评判该水力振荡器是否满足作业要求，其测试具体步骤如下：
S1、将钻井用井下水力振荡器模拟测试装置的导向系统、位移传感系统、循环给液测试系统以及数据采集分析系统与待测试的水力振荡器连接组装，调整上、下卡箍的尺寸与间距，确保给液系统供液正常，确保数据采集分析系统中的测力计9、前端传感器17、位移传感器21、末端压力传感器25以及流量计27的信号采集正常；
S2、模拟测试实验：向设于双作用手压泵的加液口加水并通过手压双作液压手压泵5，通过压力管a和压力管b作用于双作用液压缸13并使双作用液压缸13处于外推工作状态直至测力计9与导向法兰16接触后停止，此时测力计9显示推力值F1为10000N；开启水泵10，逐渐增加流速至经流量计27测试显示结果达到给定流速值Q1为25L/s时保持该流速不变，此时水力振荡器进入正常模拟工作状态，数据采集分析系统开始采集与其连接的各部件传输的实时测试数据并进行记录；
S3、测试数据分析：
(i)经位移传感器21记录试验过程中的位移x，做出时间-位移图并分析其工作规律，其中位移x的最大值与最小值的差值Δx即为被测试水力振荡器在该工作状态的振幅；如图3所示，具体地，最大位移x为14mm，最小位移x为8mm，即可以得到水力振荡器在该工作状态的振幅Δx为6mm；
(ii)经前端压力传感器17检测实时压力P1，经末端传感器25检测压力P2，二者的差值P1-P2即为被测试水力振荡器在该工作状态的压耗；具体地，前段压力传感器17检测到的压力P1为3MPa，末端传感器25检测到的压力P2为1MPa，得出该水力振荡器在该工作状态的压耗为P1-P2为2MPa；
(iii)经测力计9检测实时推力F，实时推力F与给定推力值F1的差值F-F1即为被测试水力振荡器在该工作状态可提供的振动推力；具体地，如前所述当给定推力值F1为10000N，而测力计测得的实时推力F在20000N～50000N范围内变化，即水力振荡器在该工作状态可提供的振动推力为F-F1在10000～40000N范围内变化；
(iv)通过上述步骤(ii)～步骤(iii)中记录的输出数据作其时域曲线图，即如图4所示，并通过时域曲线图上单位时间内的推力值周期波动数计算出振动频率，即1s内推力值周期性变化，如图4所示，可以得出1s内推力值周期波动数约为10次，即该水力振荡器的实际工作振动频率为10Hz；
S4、根据实际工程情况调整不同参数数值，即调整双作用液压缸的推力值F1和输送钻井液的供液系统流速Q1，对该水力振荡器的可适用工况范围进行一一测试，测试结果证明该水力振荡器满足施工要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种钻井用井下水力振荡器模拟测试装置，其特征在于，包括设置在一固定架(19)上的导向系统、位移传感系统和循环给液测试系统，以及数据采集分析系统，所述导向系统设置在所述固定架(19)前端为所述水力振荡器提供沿轴向往复运动动力源，所述位移传感系统设置在所述固定于所述固定架(19)内的水力振荡器的上接头(28)和外筒(29)的侧壁上，测定在所述导向系统的推动作用下，水力振荡器的所述上接头(28)和所述外筒(29)之间的位移变化；
其中，所述导向系统包括导向架(1)、双作用手压泵(5)、双作用液压缸(13)、连杆(7)和测力计(9)，所述导向架(1)设置在所述固定架(19)的前端，所述双作用液压缸(13)设置在所述导向架(1)内并通过压力管a(3)和压力管b(4)与所述双作用手压泵(5)连接，所述双作用液压缸(13)一端通过固定销(2)与所述导向架(1)固定连接，另一端通过连接销(6)与所述连杆(7)一端连接，所述连杆(7)的另一端为法兰结构，所述测力计(9)通过多个小螺栓(8)固定在所述法兰结构的端面上。
2.根据权利要求1所述的钻井用井下水力振荡器模拟测试装置，其特征在于，所述位移传感系统包括检测环(20)、位移传感器(21)、支撑环(22)，所述检测环(20)和所述支撑环(22)分别设置在固定于所述固定架(19)内的水力振荡器的上接头(28)和外筒(29)的侧壁上，在所述检测环(20)和所述支撑环(22)的下侧均设有分别与所述检测环(20)和所述支撑环(22)共面的钢板，所述位移传感器(21)垂直设置在与所述支撑环(22)的共面钢板上，使位移传感器(21)在导向系统推动水力振荡器产生轴向往复运动中检测位移传感器(21)自由端端部与所述检测环(20)的共面钢板之间的位移变化。
3.根据权利要求1所述的钻井用井下水力振荡器模拟测试装置，其特征在于，所述固定架(19)由两根平行结构的钢板围成，在所述固定架(19)上设有多个安装孔，所述水力振荡器设置在所述固定架(19)内并分别通过设置在固定架(19)中部和后端端部的上卡箍(23)和下卡箍(24)固定在所述固定架(19)内，所述上卡箍(23)和所述下卡箍(24)和所述导向架(1)均通过所述固定架(19)的安装孔连接固定。
4.根据权利要求2所述的钻井用井下水力振荡器模拟测试装置，其特征在于，所述循环给液测试系统包括导向法兰(16)、前端压力传感器(17)、弯接头(18)、末端压力传感器(25)、直接头(26)、流量计(27)、水泵(10)和水罐(11)，所述弯接头(18)一端与所述水泵(10)的出水口连接、另一端与水力振荡器的上接头(28)连接且在所述弯接头(18)的弯折处外侧设有与所述导向法兰(16)连接的法兰孔，所述直接头(26)一端与水力振荡器的外筒底端连接、另一端通过连接管路与所述流量计(27)连接，所述流量计(27)、所述水罐(11)和所述水泵(10)通过连接管路依次连接，在所述弯接头(18)和直接头(26)的侧壁上分别设有安装所述前端压力传感器(17)和所述末端压力传感器(25)的传感器孔。
5.根据权利要求4所述的钻井用井下水力振荡器模拟测试装置，其特征在于，所述导向法兰(16)一端为法兰结构、另一端为与所述弯接头(18)的法兰孔相适应的弧形结构，所述导向法兰(16)通过多个大螺栓(15)固定在所述弯接头(18)上，使所述导向法兰(16)、连杆(7)、所述弯接头(18)的水平方向管路和水力振荡器设置在同一轴线上。
6.根据权利要求4或5所述的钻井用井下水力振荡器模拟测试装置，其特征在于，所述弯接头(18)为90°。
7.根据权利要求1所述的钻井用井下水力振荡器模拟测试装置，其特征在于，所述数据采集分析系统包括计算机(12)和与所述计算机(12)连接并收集在一防水集线器(14)内的分别与所述测力计(9)、前端压力传感器(17)、位移传感器(21)、末端压力传感器(25)和流量计(27)连接的信号传输电缆。
8.一种如权利要求4所述的钻井用井下水力振荡器模拟测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将钻井用井下水力振荡器模拟测试装置的导向系统、位移传感系统、循环给液测试系统以及数据采集分析系统与待测试的水力振荡器连接组装，确保给液系统供液正常，确保数据采集分析系统中的测力计(9)、前端传感器(17)、位移传感器(21)、末端压力传感器(25)、流量计(27)的信号采集正常；
S2、模拟测试实验：通过设于双作用手压泵加液口加水并手压双作液压手压泵(5)，通过压力管a(3)和压力管b(4)作用于双作用液压缸(13)并使双作用液压缸(13)处于外推工作状态直至测力计(9)与导向法兰(16)接触后停止，测力计(9)显示推力值F1；开启水泵10，逐渐增加流速，经流量计(27)测试显示结果达到给定流速值Q1时保持该流速不变，使水力振荡器进入正常模拟工作状态；
S3、测试数据分析：
经位移传感器(21)记录试验过程中的位移x，位移x的最大值与最小值的差值Δx即为被测试水力振荡器在该工作状态的振幅；
经前端压力传感器(17)检测压力P1，经末端传感器(25)检测压力P2，二者的差值P1-P2即为被测试水力振荡器在该工作状态的压耗；
经测力计(9)检测实时推力F，实时推力F与给定推力值F1的差值F-F1即为被测试水力振荡器在该工作状态可提供的振动推力；
通过输出其时域曲线上单位时间内的推力值周期波动数即可计算出振动频率；
S4、根据实际工程情况调整不同参数数值，通过调整双作用液压缸的推力值F1和输送钻井井液的供液系统流速Q1，实现模拟不同工作条件。
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