CN105628375A - 水力振荡减阻钻具模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力振荡减阻钻具模拟实验装置，包括水力振荡器，水力振荡器包括外筒、转轴、支撑座和振动轴，转轴上套有支撑轴承，转轴通过支撑轴承设置在外筒的腔体内，支撑座固定连接在外筒的一端，振动轴设置在外筒的另一端；振动轴的一端伸入到外筒内，另一端位于外筒的外侧，振动轴伸入到外筒内的一端外缘沿径向向外延伸形成支撑面，外筒设置有振动轴的一端端面上连接法兰，法兰和支撑面之间填充有弹簧，振动轴位于外筒外侧的部分套有预压力螺母；在转轴朝向支撑座的一端固定连接一具有偏心孔的主阀，对应的在支撑座上设置一具有相同偏心孔的次阀，主阀和次阀具有相互贴合的端面。本水力振荡减阻钻具模拟实验装置的可开展振荡减阻钻具的模拟测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟实验装置，尤其涉及一种小流量小内径的水力振荡减阻钻具模拟实验装置。
背景技术
在现有技术中，在井眼曲率较大或长水平井段，钻压无法有效传递是影响钻速的重要的因素。在该井段，井壁受钻柱压力较大，钻柱与井壁之间摩擦力随之增大。因此，钻进过程中，钻柱托压现象严重，导致无法施加理想钻压，严重影响钻进速度。在钻柱与井壁摩擦力足够大时，容易引起钻柱扭曲变形并诱发井内事故。降低摩擦阻力对提高钻速将起到关键性的作用。
对于水力振荡器的研究虽然已经逐步趋于成熟，但是实验研究大部分使用成品进行现场下井研究，并且研究内容局限于整体钻进效率上，这种研究方法虽然可行，但是耗时较长，尤其是研究过程中如果工具出现问题，将严重影响井段的钻进效率。
发明内容
针对上述现有技术中的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种用于模拟水力振荡减阻钻具的井下工况的水力振荡减阻钻具模拟实验装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种水力振荡减阻钻具模拟实验装置，包括水力振荡器，水力振荡器包括外筒、转轴、支撑座和振动轴，所述转轴上套有支撑轴承，所述转轴通过支撑轴承设置在外筒的腔体内，所述支撑座固定连接在外筒的一端，所述振动轴设置在外筒的另一端；所述振动轴的一端伸入到外筒内，另一端位于外筒的外侧，振动轴伸入到外筒内的一端外缘沿径向向外延伸形成支撑面，所述外筒设置有振动轴的一端端面上连接法兰，所述法兰和支撑面之间填充有弹簧，所述振动轴位于外筒外侧的部分套有预压力螺母；在转轴朝向支撑座的一端固定连接一具有偏心孔的主阀，对应的在支撑座上设置一具有相同偏心孔的次阀，所述主阀和次阀具有相互贴合的端面。
优选地，所述转轴朝向支撑座一端的轴壁与外筒内腔壁之间设有密封套筒；所述转轴另一端的轴壁与外筒内腔壁之间设有轴承支撑筒，所述轴承支撑筒通过螺栓固定在外筒内。
优选地，还包括轴承外筒，所述轴承外筒的外壁与所述外筒的内壁过盈配合，所述轴承外筒两端分别加工有凹台，所述支撑轴承为两个，两个支撑轴承分别设置在轴承外筒两端的凹台上，在转轴对应凹台的部位加工凸缘，靠近轴承支撑筒的支撑轴承通过相应的凹台、凸缘和轴承支撑筒限定与转轴的相对位置，靠近支撑座设置的支撑轴承通过相应的凹台、凸缘和外筒内腔壁上的台肩限定与转轴的相对位置。
优选地，在外筒和轴承外筒的筒壁对应转轴的位置开通孔，外筒外侧对应通孔的位置设置驱动电机，所述驱动电机的输出轴上安装同步轮，所述转轴和同步轮通过同步带传动连接。
优选地，还包括固定座，所述固定座上设置有两个中心架，两个中心架的位置分别对应水力振荡器的支撑座和外筒设置，所述支撑座和外筒通过中心架安装在固定座上，两个中心架上的加压丝杆分别将水力振荡器的支撑座和外筒固定在中心架的圈内。
优选地，在预压力螺母和法兰之间设置有压力传感器。
优选地，在振动轴位于外筒外侧的一端上安装有转换接头，所述转换接头上设置有位移传感器。
优选地，所述转轴对应通孔的位置设置有反光片，在水力振荡器一侧对应通孔的位置设置有光电转速传感器。
优选地，还包括排水管，所述排水管安装在支撑座的端部，与支撑座的水道连通。
优选地，所述外筒包括上筒和下筒，所述上筒和下筒通过螺栓固定连接，所述支撑座固定连接在下筒远离上筒的一端。
与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：
本发明是在水力振荡器成品研制之前，根据水力振荡器的工作原理，研制出一套简易的实验装置对该工具的部分特性进行实验研究。该方法不仅简单可行，而且用时较短，能够对振荡器的部分参数进行完整的系统的实验研究。对水力振荡减阻钻具的研究能够奠定很好的基础。
本发明使用一种新型的盘阀结构(主阀+次阀)，根据不同的频率振幅需要，依据转换接头上连接的泵的排量变化设计不同的盘阀过流面积进行变换，使研究简便化。
使用电机代替动力部分，不仅简化涡轮动力或者马达动力的实验成本，实现频率可调节的范围更广，而且使用外筒开口，然后直接带动转轴，能够简化传动结构，降低复杂传动结构带来的影响，对振动减阻的研究效果更佳。在控制过流面积的情况下，模拟现场司钻时泵的排量，实现振幅的可调。
在模拟钻具的两端使用丝杆连接，分散受力，使得在结构简单的情况下能够承受较大的冲击力，能够扩大振幅的研究范围。
使用中心架定位和固定实验装置，并使用中心架上加装丝杆加载装置，用来模拟实际钻进中的托压现象。
用来固定的底座有凹槽，能够固定中心架并能够方便的调节相互之间的距离。
附图说明
图1为本发明水力振荡减阻钻具模拟实验装置的总装配图；
图2为本发明水力振荡减阻钻具模拟实验装置的水力振荡器的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其图1-2对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1和图2所示，图1为本发明水力振荡减阻钻具模拟实验装置的结构示意图，图2为本发明水力振荡减阻钻具模拟实验装置的水力振荡器的结构示意图。
一种水力振荡减阻钻具模拟实验装置，包括水力振荡器，水力振荡器包括外筒、转轴8、支撑座16和振动轴2，转轴8上套有支撑轴承10，转轴8通过支撑轴承10设置在外筒的腔体内，支撑座16固定连接在外筒的一端，振动轴2设置在外筒的另一端；振动轴2的一端伸入到外筒内，另一端位于外筒的外侧，振动轴2伸入到外筒内的一端外缘沿径向向外延伸形成支撑面7，外筒设置有振动轴2的一端端面上连接法兰4，法兰4和支撑面7之间填充有弹簧5，振动轴2位于外筒外侧的部分套有预压力螺母3；在转轴8朝向支撑座16的一端固定连接一具有偏心孔的主阀14，对应的在支撑座16上设置一具有相同偏心孔的次阀13，主阀14和次阀13具有相互贴合的端面。
转轴8朝向支撑座16一端的轴壁与外筒内腔壁之间设有密封套筒12；转轴8另一端的轴壁与外筒内腔壁之间设有轴承支撑筒15，轴承支撑筒15通过螺栓18固定在外筒内。
还包括轴承外筒9，轴承外筒9的外壁与外筒的内壁过盈配合，轴承外筒9两端分别加工有凹台，支撑轴承10为两个，两个支撑轴承10分别设置在轴承外筒9两端的凹台上，在转轴8对应凹台的部位加工凸缘，靠近轴承支撑筒15的支撑轴承10通过相应的凹台、凸缘和轴承支撑筒15限定与转轴8的相对位置，靠近支撑座16设置的支撑轴承10通过相应的凹台、凸缘和外筒内腔壁上的台肩限定与转轴8的相对位置。
在外筒和轴承外筒9的筒壁对应转轴8的位置开通孔19，外筒外侧对应通孔19的位置设置驱动电机21，驱动电机21的输出轴上安装同步轮，转轴8和同步轮通过同步带22传动连接。
还包括固定座23，固定座23上设置有两个中心架20，两个中心架20的位置分别对应水力振荡器的支撑座16和外筒设置，支撑座16和外筒通过中心架20安装在固定座23上，两个中心架20上的加压丝杆24分别将水力振荡器的支撑座16和外筒固定在中心架20的圈内。
在预压力螺母3和法兰4之间设置有压力传感器。压力传感器一是用来测量预压力，二是随时测量振动过程中弹簧5收到的压力变化。
在振动轴2位于外筒外侧的一端上安装有转换接头1，转换接头1上设置有位移传感器25。测量振动位移实现对振幅的控制。
转轴8对应通孔19的位置设置有反光片，在水力振荡器的一侧对应通孔19的位置设置有光电转速传感器。当驱动电机21带动转轴8旋转时，转轴8上的反光片也随之旋转，反光片每次随转轴8转至通孔19位置时，光电转速传感器接收到反光片反射回来的光线，进而传递至后端主机计算出转轴8的转速。通过测量转轴8实际转速，从而判断转阀过流面积变化频率即振动轴2振动频率。
还包括排水管17，排水管17安装在支撑座16的端部，与支撑座16的水道连通。
外筒包括上筒6和下筒11，上筒6和下筒11通过螺栓固定连接，支撑座16固定连接在下筒11远离上筒6的一端。采用双筒连接的形式便于筒内部件的安装，将轴承外筒9以及支撑轴承10装入上筒6内，然后再安装下筒11，下筒11的内径在加工时使其比上筒6的内径小，这样就相当于在外筒上形成一个台肩，从而配合转轴8上的凸缘以及轴承外筒9限定支撑轴承10。
转换接头1与泥浆(水)泵连接，泥浆(水)泵排水通过转换接头1进入本实验装置。驱动电机21工作，同步带22带动转轴8旋转，转轴8带动转阀的主阀14旋转，主阀14和次阀13上的偏心孔过流面积通过主阀14的转动周期性的变化，进而控制水的过流面积变化。过流面积变化之后反应到振动轴2的支撑面7上，带动振动轴2产生位移变化，进而使支撑面7与轴承支撑筒15之间的空间体积变化。由于弹簧5的作用以及过流面积发生变化，振动轴2产生回程，对实验装置内水而言即产生压力的脉冲变化。
控制驱动电机21的转速能控制过流面积变化的频率，反应到振动轴2上即为振动动频率和振幅的变化。振动轴2的支撑面7与外筒内腔壁之间的配合面采用O型圈密封，防止水向振动腔泄露。
转轴8与轴承支撑筒15之间使用唇型密封圈进行密封防止水向上筒6外泄露。
转轴8与下筒11之间除使用转轴8密封套筒12密封外，还采用唇型密封圈密封。
次阀13与下筒11之间采用O型密封圈密封。
上筒和下筒内所有螺纹连接处均采用细牙螺纹连接以及端部O型密封圈密封。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种水力振荡减阻钻具模拟实验装置，其特征在于，包括水力振荡器，所述水力振荡器包括外筒、转轴、支撑座和振动轴，所述转轴上套有支撑轴承，所述转轴通过支撑轴承设置在外筒的腔体内，所述支撑座固定连接在外筒的一端，所述振动轴设置在外筒的另一端；所述振动轴的一端伸入到外筒内，另一端位于外筒的外侧，振动轴伸入到外筒内的一端外缘沿径向向外延伸形成支撑面，所述外筒设置有振动轴的一端端面上连接法兰，所述法兰和支撑面之间填充有弹簧，所述振动轴位于外筒外侧的部分套有预压力螺母；在转轴朝向支撑座的一端固定连接一具有偏心孔的主阀，对应的在支撑座上设置一具有相同偏心孔的次阀，所述主阀和次阀具有相互贴合的端面。
2.根据权利要求1所述的水力振荡减阻钻具模拟实验装置，其特征在于，所述转轴朝向支撑座一端的轴壁与外筒内腔壁之间设有密封套筒；所述转轴另一端的轴壁与外筒内腔壁之间设有轴承支撑筒，所述轴承支撑筒通过螺栓固定在外筒内。
3.根据权利要求2所述的水力振荡减阻钻具模拟实验装置，其特征在于，还包括轴承外筒，所述轴承外筒的外壁与所述外筒的内壁过盈配合，所述轴承外筒两端分别加工有凹台，所述支撑轴承为两个，两个支撑轴承分别设置在轴承外筒两端的凹台上，在转轴对应凹台的部位加工凸缘，靠近轴承支撑筒的支撑轴承通过相应的凹台、凸缘和轴承支撑筒限定与转轴的相对位置，靠近支撑座设置的支撑轴承通过相应的凹台、凸缘和外筒内腔壁上的台肩限定与转轴的相对位置。
4.根据权利要求3所述的水力振荡减阻钻具模拟实验装置，其特征在于，在外筒和轴承外筒的筒壁对应转轴的位置开通孔，外筒外侧对应通孔的位置设置驱动电机，所述驱动电机的输出轴上安装同步轮，所述转轴和同步轮通过同步带传动连接。
5.根据权利要求4所述的水力振荡减阻钻具模拟实验装置，其特征在于，还包括固定座，所述固定座上设置有两个中心架，两个中心架的位置分别对应水力振荡器的支撑座和外筒设置，所述支撑座和外筒通过中心架安装在固定座上，两个中心架上的加压丝杆分别将水力振荡器的支撑座和外筒固定在中心架的圈内。
6.根据权利要求5所述的水力振荡减阻钻具模拟实验装置，其特征在于，在预压力螺母和法兰盘之间设置有压力传感器。
7.根据权利要求5所述的水力振荡减阻钻具模拟实验装置，其特征在于，在振动轴位于外筒外侧的一端上安装有转换接头，所述转换接头上设置有位移传感器。
8.根据权利要求4所述的水力振荡减阻钻具模拟实验装置，其特征在于，所述转轴对应通孔的设置有反光片，在水力振荡器一侧对应通孔的位置设置有光电转速传感器。
9.根据权利要求1所述的水力振荡减阻钻具模拟实验装置，其特征在于，还包括排水管，所述排水管安装在支撑座的端部，与支撑座的水道连通。
10.根据权利要求1所述的水力振荡减阻钻具模拟实验装置，其特征在于，所述外筒包括上筒和下筒，所述上筒和下筒通过螺栓固定连接，所述支撑座固定连接在下筒远离上筒的一端。
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