CN105403392A - 一种螺杆钻具定子性能模拟测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺杆钻具定子性能模拟测试装置，包括驱动装置、井筒、温度控制装置和泥浆循环管路，驱动装置与螺杆钻具的转子连接，用于驱动转子转动；井筒连接在驱动装置下方，转子位于井筒内，螺杆钻具的定子套设在井筒与转子之间；温度控制装置设于井筒外侧，用于加热井筒内的泥浆；泥浆循环管路与驱动装置和井筒分别连接，泥浆循环管路、驱动装置和井筒连通形成供泥浆循环的泥浆循环通道。本发明能模拟螺杆钻具定子在实际工况下的工作温度和介质环境，实现在高温钻井液介质中去评价螺杆钻具定子的耐温性能及使用寿命，为螺杆钻具定子的使用性能研究提供可靠依据，为螺杆钻具定子材料的开发提供指导。

Description

一种螺杆钻具定子性能模拟测试装置

技术领域

本发明涉及采油钻井领域，尤其是一种螺杆钻具定子性能模拟测试装置。

背景技术

螺杆钻具是一种井下动力钻具，它采用容积式马达，以钻井液为动力，产生转速和扭矩，广泛用于打定向井、丛式井和水平钻井。近年来，随着定向井、水平井数量的增加以及钻井技术水平和操作技能的普遍提高，螺杆钻具已在国内各大油田推广使用。但随着油田钻井深度的不断增加，井底温度的不断攀高，作为螺杆钻具核心部件的马达定子内部的橡胶衬套越来越成为制约螺杆钻具使用效果的瓶颈。定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成，转子套设在橡胶衬套内，定子的橡胶衬套在转子的连续且不规则的挤压及井底高温的连续作用下，容易造成热在橡胶衬套内聚集，导致橡胶衬套的高温老化，从而降低螺杆钻具的性能，减小螺杆钻具的使用寿命。在螺杆钻具下井工作之前，应确保螺杆钻具有可靠的工作性能，通过螺杆钻具试验装置测试其性能是有效方法。

目前，常用的螺杆钻具性能的测试装置有两种：一种是螺杆钻具整机试验装置，另一种是螺杆钻具马达试验装置。这两种装置的缺点是无法模拟实际工况中的高温和介质环境，而温度和介质对螺杆钻具的定子橡胶衬套的使用性能及寿命有很大影响，因而这两种装置不能给予螺杆钻具定子使用性能及寿命的研究提供可靠依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其能模拟螺杆钻具定子和转子在实际工况中的工作温度和介质环境。

为达到上述目的，本发明提出一种螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其包括：驱动装置，与螺杆钻具的转子连接，用于驱动转子转动；井筒，连接在驱动装置下方，转子位于井筒内，螺杆钻具的定子套设在井筒与转子之间；温度控制装置，设于井筒外侧，用于加热井筒内的泥浆；泥浆循环管路，其与驱动装置和井筒分别连接，泥浆循环管路、驱动装置和井筒连通形成供泥浆循环的泥浆循环通道。

如上所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其中，驱动装置包括：电机；扭矩传感器，与电机连接；转子连接杆，其一端与扭矩传感器连接，且其另一端与转子连接；分流接头，固定在井筒上方，且与泥浆循环管路连接，并连通泥浆循环管路和井筒，转子连接杆穿过分流接头。

如上所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其中，驱动装置还包括：减速箱，连接在电机与扭矩传感器之间；万向联轴器，连接在转子连接杆与转子之间。

如上所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其中，分流接头的上端设有推力轴承，转子连接杆的侧壁上设有环形突台，环形突台坐于推力轴承上。

如上所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其中，螺杆钻具定子性能模拟测试装置还包括：井口压盖，连接在井筒的井口上；油管挂，穿过井口压盖，并与井口压盖相固定，油管挂的一端与分流接头连接，油管挂的另一端与定子连接，油管挂连通分流接头和井筒。

如上所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其中，温度控制装置包括：加热筒，包裹在井筒外，且与井筒之间形成供导热油流经的环形空间，加热筒的上部设有出液孔，加热筒的下部设有进液孔；加热器，与进液孔和出液孔分别连接，加热器、进液孔、环形空间和出液孔连通构成供导热油循环的导热油循环通道。

如上所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其中，温度控制装置还包括包裹在加热筒外的保温材料层、以及用于设定加热器的温度和保持温度恒定的控制柜，控制柜与加热器连接。

如上所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其中，泥浆循环管路包括：流出管，与驱动装置连接，流出管上设有流量传感器和压力传感器；回流管，与流出管和井筒分别连接。

如上所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其中，泥浆循环管路还包括：泥浆罐，与回流管连接，回流管上设有位于泥浆罐与流出管之间的补液阀；排气管，连接在泥浆罐与回流管之间，排气管上设有放气阀，放气阀位于流出管与驱动装置的连接位置上方，排气管与回流管的连接位置位于补液阀与流出管之间；加压孔和调压阀，设于流出管或回流管上，加压孔用于连接电动试压泵。

如上所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其中，螺杆钻具定子性能模拟测试装置还包括数据采集装置，数据采集装置与驱动装置和泥浆循环管路分别电连接。

本发明的螺杆钻具定子性能模拟测试装置的特点和优点是：

1、本发明的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，通过设置温度控制装置和泥浆循环通道，能模拟螺杆钻具定子在实际工况下的工作温度和介质环境，实现在高温钻井液介质中去评价螺杆钻具定子的耐温性能及使用寿命，使螺杆钻具马达定子的性能测试不再只局限于常温环境，为螺杆钻具定子的使用性能研究提供可靠依据，为螺杆钻具定子材料的开发提供指导；

2、本发明的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，测试效率高，结构简单，成本低。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明的螺杆钻具定子性能模拟测试装置中驱动装置的示意图；

图2是本发明的螺杆钻具定子性能模拟测试装置中井筒和温度控制装置的示意图；

图3是本发明的螺杆钻具定子性能模拟测试装置中泥浆循环管路的示意图。

主要元件标号说明：

101电机102减速箱103扭矩传感器

104花键套105转子连接杆106推力轴承

107分流接头108万向联轴器

201电机底座202立柱203防转卡块

204井口压盖205油管挂206井口

207井筒208底法兰

301加热筒302出液孔303进液孔

400流出管401上密封圈402循环出液孔

403下密封圈404循环进液孔405流量传感器

406压力传感器407调压阀408放气阀

409补液阀410泥浆罐411回流管

412加压孔413循环出液孔连接头414循环进液孔连接头

415排气管

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明提供一种螺杆钻具定子性能模拟测试装置，能模拟螺杆钻具定子和转子在实际工况中的工作温度和介质环境，以测试螺杆钻具定子的性能，该螺杆钻具定子性能模拟测试装置包括驱动装置、井筒207、温度控制装置和泥浆循环管路，驱动装置与螺杆钻具的转子连接，用于驱动转子转动；井筒207固定在地面上，且连接在驱动装置下方，井筒207为中空的筒体，用于模拟实际钻井井筒或油井井筒，转子位于井筒207内，螺杆钻具的定子套设在井筒207与转子之间，并固定在井筒内侧；温度控制装置设于井筒207外侧，用于加热井筒207内的泥浆，以模拟螺杆钻具定子和转子在实际工况中的温度环境；泥浆循环管路与驱动装置和井筒207分别连接，泥浆循环管路、驱动装置和井筒连通形成供泥浆循环的泥浆循环通道，以拟螺杆钻具定子和转子在实际工况中的介质环境。

本发明的螺杆钻具定子性能模拟测试装置可以模拟出螺杆钻具定子和转子在实际工况下的工作状态，使定子性能的研究更准确、可靠，根据试验工作时间，可判断螺杆钻具定子橡胶衬套的寿命，从而为螺杆钻具定子耐温性能和寿命的研究提供可靠依据；另外，由于设置了泥浆循环通道，还可以有效解决返出液温度过高而损伤地面设施的问题。

如图1所示，在一个具体实施例中，驱动装置包括电机101、扭矩传感器103、转子连接杆105和分流接头107，电机101例如为伺服电机，扭矩传感器103与电机101连接，转子连接杆105的一端通过花键套104与扭矩传感器103连接，转子连接杆105的另一端与转子连接，电机101通过转子连接杆105带动转子转动，分流接头107固定在井筒207上方，且与泥浆循环管路连接，并连通泥浆循环管路和井筒207，转子连接杆105穿过分流接头107，转子连接杆105与分流接头107之间设有上密封圈401。

其中，分流接头107例如呈圆柱形，分流接头107的上端设有推力轴承106，转子连接杆105的侧壁上设有环形突台，环形突台坐于推力轴承106上，使得转子连接杆105与推力轴承106形成一个悬挂转子的旋转平面。

在一个可行的技术方案中，驱动装置还包括减速箱102和万向联轴器108(或称为万向轴)，减速箱102连接在电机101与扭矩传感器103之间，万向联轴器108连接在转子连接杆105与转子之间。

如图1、图2所示，在另一个具体实施例中，螺杆钻具定子性能模拟测试装置还包括井口压盖204和油管挂205，井口压盖204例如呈盖状，具有顶板和连接在顶板下方的圆筒，井口压盖204固定连接在井筒207上部的筒状井口206上，具体是井口206下部套设在井筒207上端的内侧，并与井筒207螺纹连接，井口206上部套设在井口压盖204的圆筒内侧，并与井口压盖204的圆筒螺纹连接，井口206起到连接井筒207和井口压盖204的作用；油管挂205穿过井口压盖204的顶板，并与井口压盖204的顶板相固定，分流接头107的下部具有内腔，油管挂205的一端与分流接头107的内腔侧壁例如采用螺纹连接，油管挂205的另一端与定子连接，油管挂205内具有中心孔，并通过中心孔连通分流接头107的内腔和井筒207的内腔，油管挂205与井口206之间设有下密封圈403，通过设置上密封圈401和下密封圈403，保证泥浆循环通道为密封空间，防止泥浆泄露。其中图2中部件连接在图1中部件的下方。

优选地，油管挂205与井口压盖204的顶板之间嵌卡有防转卡块203。具体是，井口压盖204的顶板的内孔开设有两个以上的扇形孔，防转卡块203的外侧壁上具有与井口压盖204的扇形孔对应的扇形突台，扇形突台伸入扇形孔内，以防止防转卡块与井口压盖相对转动；防转卡块203的内孔开设有花键槽，油管挂205的外侧壁上具有与防转卡块203的花键槽对应的花键突台，花键突台嵌入花键槽中，以防止油管挂与防转卡块相对转动，因此，井口压盖204、防转卡块203和油管挂205成为一个整体，无法自动转动，从而防止定子转动。

另外，电机101坐于电机底座201上，电机底座201与井口压盖204的顶板之间连接有立柱202，立柱202与电机底座201、立柱202与井口压盖204均采用螺纹连接。电机底座201通过立柱202与井口压盖204固定，井筒207底部连接有底法兰208，底法兰208通过地脚螺栓与地面固定，从而保证了整个模拟测试装置的稳固和平稳；由于井口压盖204上部与电机底座201固定，下部与井筒207固定，伺服电机产生的反扭矩可直接传至井筒207，防止定子转动。

在如图2所示的实施例中，温度控制装置包括加热筒301和加热器，加热筒301包裹在井筒207外，且与井筒207之间形成供导热油流经的环形空间，加热筒301的上部设有出液孔302，加热筒301的下部设有进液孔303，加热器与进液孔303和出液孔302分别连接，加热器对导热油加热，加热器、进液孔303、环形空间和出液孔302连通构成供导热油循环流通的导热油循环通道，导热油在流经环形空间时对井筒内的泥浆加热。

优选地，温度控制装置还包括包裹在加热筒301外的保温材料层、以及用于设定加热器的温度和保持温度恒定的控制柜，控制柜与加热器连接，通过设置控制柜，可根据需要设定加热温度。

在如图3所示的实施例中，泥浆循环管路包括流出管400和回流管411，流出管400与驱动装置连接，流出管400上设有用于监测流量的流量传感器405和用于监测压力的压力传感器406，为保证监测数据的准确性，在流量传感器405的前后分别预留一段稳流管，回流管411与流出管400和井筒207分别连接，流出管400、回流管411、井筒207、油管挂205和分流接头107连通形成泥浆循环通道。

通过设置扭矩传感器103、流量传感器405和压力传感器406，可测试出模拟工作过程中的扭矩、流量和压力等性能参数，根据这些参数的变化来研究定子橡胶衬套的使用情况，为螺杆钻具定子使用性能的研究提供可靠依据。

具体是，分流接头107的侧向开设有与分流接头107下部的内腔和油管挂205的中心孔连通的循环出液孔402，流出管400与循环出液孔402连接，井筒207上方的井口206的侧向开设有与井筒内腔连通的循环进液孔404，循环进液孔404较佳位于加热筒301上方，回流管411与循环进液孔404连接。

在一个优选的技术方案中，泥浆循环管路还包括泥浆罐410、排气管415、加压孔412和调压阀407，泥浆罐410与回流管411连接，回流管411上设有位于泥浆罐410与流出管400之间的补液阀409，当井筒207内的泥浆循环液减少时，打开补液阀409，泥浆罐410中的泥浆通过回流管411为井筒207补液，例如泥浆罐410连接在回流管411的一端，回流管411另一端的循环进液孔连接头414与循环进液孔404连接，流出管400的一端连接在回流管411的中部，流出管400另一端的循环出液孔连接头413与循环出液孔402连接；

排气管415连接在泥浆罐410与回流管411之间，排气管415上设有放气阀408，放气阀408位于流出管400与驱动装置的连接位置(即循环出液孔402)上方，泥浆循环液在高温下产生的气体通过回流管411和排气管415，经由放气阀408及时排出，排气管415与回流管411的连接位置或连接处位于补液阀409与流出管400之间；加压孔412和调压阀407设于流出管400或回流管411上，加压孔412用于连接电动试压泵，当模拟深井或超深井螺杆钻具工作状态时，为井筒207内加压。

本实施例中，螺杆钻具定子性能模拟测试装置还包括用于采集数据的数据采集装置，数据采集装置与驱动装置和泥浆循环管路分别电连接。

具体是，数据采集装置包括计算机，流量传感器405、压力传感器406和扭矩传感器103通过数据采集软件与计算机连接，实时采集流量、压力和扭矩等数据，方便试验结果的分析，便于研究螺杆钻具定子的使用性能。

本发明的螺杆钻具定子性能模拟测试装置的安装过程如下：

首先将底法兰208、井筒207、加温筒301和井口206装配后与地面固定，将转子连接杆105插入分流接头107，转子连接杆105与万向联轴器108连接，防转卡块203放入油管挂205上，油管挂205与分流接头107连接；

然后，将螺杆钻具的转子(图未示出)与万向联轴器108连接，油管挂205下部与螺杆钻具定子(图未示出)连接，整个连接好后下入井筒207中，盖上井口压盖204；

之后，将伺服电机101下部与减速箱102连接，再与电机底座201连接，扭矩传感器103上部与减速箱102下部连接，之后整体吊装与井口压盖204固定，扭矩传感器103下部与转子连接杆105上部通过花键套104对接，最后固定立柱202；

最后，将循环出液孔连接头413与循环出液孔402连接，循环进液孔连接头414与循环进液孔404连接，流量传感器405、压力传感器406依次连接在流出管400上，其中流量传感器405前后预留一段稳流管；将补液阀409安装在泥浆罐410底部，放气阀408设在高于循环出液孔的位置，流量传感器405、压力传感器406和扭矩传感器103与计算机联接(图未示出)，至此安装完毕。

本发明的螺杆钻具定子性能模拟测试装置的工作过程如下：

试验开始时，温度控制装置将导热油加热至设定温度后开始恒温浸泡井筒207，井筒207温度达到设定温度时，启动伺服电机带动螺杆钻具转子转动，转子抽吸的泥浆通过循环出液孔402排出，经过流出管400和回流管411进入循环进液孔404重新回到井筒207中，从而让转子抽吸的泥浆在定子内和螺杆钻具外形成循环通道，以此往复循环；

在泥浆循环过程中，调压阀407可调节泥浆循环液的压力和流量，泥浆循环液在高温下产生的气体由放气阀408排出，当井筒内的泥浆循环液减少时，开启补液阀409，补充泥浆循环液，当模拟深井或超深井螺杆钻具井下工作状态时，将电动试压泵(图未示出)与加压孔412连接，同时关闭放气阀408和补液阀409，高压液体通过加压孔412进入回流管411，完成井筒加压；流量传感器405、压力传感器406和扭矩传感器103与计算机联接，实时监控压力、流量、扭矩、转速和伺服电机功率的变化，以用于研究螺杆钻具的工作性能。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (10)

1.一种螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其特征在于，所述螺杆钻具定子性能模拟测试装置包括：

驱动装置，与所述螺杆钻具的转子连接，用于驱动所述转子转动；

井筒，连接在所述驱动装置下方，所述转子位于所述井筒内，所述螺杆钻具的定子套设在所述井筒与所述转子之间；

温度控制装置，设于所述井筒外侧，用于加热所述井筒内的泥浆；

泥浆循环管路，其与所述驱动装置和所述井筒分别连接，所述泥浆循环管路、所述驱动装置和所述井筒连通形成供所述泥浆循环的泥浆循环通道。

2.如权利要求1所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其特征在于，所述驱动装置包括：

电机；

扭矩传感器，与所述电机连接；

转子连接杆，其一端与所述扭矩传感器连接，且其另一端与所述转子连接；

分流接头，固定在所述井筒上方，且与所述泥浆循环管路连接，并连通所述泥浆循环管路和所述井筒，所述转子连接杆穿过所述分流接头。

3.如权利要求2所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其特征在于，所述驱动装置还包括：

减速箱，连接在所述电机与所述扭矩传感器之间；

万向联轴器，连接在所述转子连接杆与所述转子之间。

4.如权利要求2所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其特征在于，所述分流接头的上端设有推力轴承，所述转子连接杆的侧壁上设有环形突台，所述环形突台坐于所述推力轴承上。

5.如权利要求2所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其特征在于，所述螺杆钻具定子性能模拟测试装置还包括：

井口压盖，连接在所述井筒的井口上；

油管挂，穿过所述井口压盖，并与所述井口压盖相固定，所述油管挂的一端与所述分流接头连接，所述油管挂的另一端与所述定子连接，所述油管挂连通所述分流接头和所述井筒。

6.如权利要求1所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其特征在于，所述温度控制装置包括：

加热筒，包裹在所述井筒外，且与所述井筒之间形成供导热油流经的环形空间，所述加热筒的上部设有出液孔，所述加热筒的下部设有进液孔；

加热器，与所述进液孔和所述出液孔分别连接，所述加热器、所述进液孔、所述环形空间和所述出液孔连通构成供所述导热油循环的导热油循环通道。

7.如权利要求6所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其特征在于，所述温度控制装置还包括包裹在所述加热筒外的保温材料层、以及用于设定所述加热器的温度和保持所述温度恒定的控制柜，所述控制柜与所述加热器连接。

8.如权利要求1所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其特征在于，所述泥浆循环管路包括：

流出管，与所述驱动装置连接，所述流出管上设有流量传感器和压力传感器；

回流管，与所述流出管和所述井筒分别连接。

9.如权利要求8所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其特征在于，所述泥浆循环管路还包括：

泥浆罐，与所述回流管连接，所述回流管上设有位于所述泥浆罐与所述流出管之间的补液阀；

排气管，连接在所述泥浆罐与所述回流管之间，所述排气管上设有放气阀，所述放气阀位于所述流出管与所述驱动装置的连接位置上方，所述排气管与所述回流管的连接位置位于所述补液阀与所述流出管之间；

加压孔和调压阀，设于所述流出管或所述回流管上，所述加压孔用于连接电动试压泵。

10.如权利要求1至9任一项所述的螺杆钻具定子性能模拟测试装置，其特征在于，所述螺杆钻具定子性能模拟测试装置还包括数据采集装置，所述数据采集装置与所述驱动装置和所述泥浆循环管路分别电连接。