CN105758659A - 一种电动钻具工况模拟试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动钻具工况模拟试验平台，属于试验机领域。包括负载电机、齿轮箱、扭矩传感器、前端过渡腔、环境腔法兰管、后端固定部件、浮动支撑组件；环境腔法兰管组成试验环境腔，环境腔中充满高温高压的水，模拟钻具电机实际工作环境，钻具电机试样横卧在试验环境腔中，由浮动支撑组件支撑，负载电机通过齿轮箱为钻具电机试样提供模拟负载，并发电提供给系统，本发明用于模拟石油井下高温环境，测试电动钻具的电性参数，在运行时可以多环境状态下模拟电动钻具的实际工况，并实时采集电动钻具试验系统的电压、电流、温度、转速、扭矩等数据信号，为电动钻具的优化设计提供了试验依据，节约能源。

Description

一种电动钻具工况模拟试验平台

技术领域

本发明属于试验机领域，尤其涉及一种电动钻具工况模拟试验平台。

背景技术

石油是生活中不可缺少的不可再生能源，在十三五期间随着工业的发展对石油的消耗将不断增加，随着浅层石油不断地减少，石油开采向更深的地下进行，石油钻井的环境更加恶劣，对石油钻进设备的性能要求越来越高。由于石油钻井设备要在地下几千米深的区域工作，很难对钻井设备在井下的工作状况进行测量分析，目前还没有能够真实模拟井下环境对石油钻井钻井设备进行性能测试，能否在真实的工作环境下对钻井设备进行性能测试对钻井设备的设计有正要的意义。

发明内容

本发明提供一种电动钻具工况模拟试验平台，能够模拟石油井下高温环境，测试电动钻具的电性参数，以解决目前存在的无法真实模拟井下环境对石油钻井钻井设备进行性能测试这一问题，为电动钻具的优化设计提供了试验依据。

本发明采取的技术方案是：由环境腔法兰管通过螺钉连接组成试验环境腔，浮动支撑组件通过螺钉固定在环境腔法兰管两端，钻具电机试样横卧在试验环境腔中，并通过浮动支撑组件支撑，环境腔法兰管通过螺钉连接在环境腔支架上，在环境腔法兰管连接处有防护罩Ⅰ，防护罩Ⅰ通过螺钉分别固定在铁垫板Ⅰ、铁地板Ⅱ、铁地板Ⅲ上，试验环境腔前端连接有前端过渡腔，钻具电机试样后端连接前端过渡腔，钻具电机试样前端通过螺纹连接钻具电机前端过渡轴，负载电机通过负载电机调整块与铁垫板Ⅰ连接，扭矩传感器通过扭矩传感器支架与铁垫板Ⅰ连接，负载电机通过膜片联轴器与齿轮箱连接，齿轮箱与凸缘法兰套Ⅰ通过键连接，凸缘法兰套Ⅰ凸缘法兰套Ⅱ通过螺钉连接，凸缘法兰套Ⅱ与扭矩传感器通过键连接，凸缘法兰套Ⅲ一端与扭矩传感器通过键连接，另一端与波纹管联轴器通过螺钉连接，波纹管联轴器与过渡轴连接，环境腔法兰管后端通过螺纹连接后端固定组件，防护罩Ⅱ罩在后端固定组件外部，环境腔法兰管上有进水口，在环境腔法兰管上安装有安全阀，并采用石墨垫片进行密封，环境腔法兰管出水口通过螺钉连接球阀，球阀通过螺钉连接排水法兰接头，排水法兰接头通过软管连接排水管组件。

所述的环境腔法兰管包括管法兰Ⅰ、排水法兰、钢管、管法兰Ⅱ，管法兰Ⅰ、管法兰Ⅱ分别与钢管焊接连接，为保证管法兰Ⅰ、管法兰Ⅱ、钢管焊接后能够同轴，在管法兰Ⅰ、管法兰Ⅱ、钢管连接部位加工有导向直口；试验环境腔是由环境腔法兰管收尾通过螺钉连接组装而成，在两个环境腔法兰管连接处通过O型圈Ⅲ进行密封，在管法兰Ⅰ、管法兰Ⅱ上开有螺纹孔，用于安装温度传感器和压力传感器，环境腔法兰管下端焊接有排水法兰，在试验结束后，环境腔法兰管中的水能够通过排水法兰排出。

所述的前端过渡腔包括O型圈Ⅰ、前端密封套、O型圈Ⅱ、冷却水接头、前端密封盖、O型圈Ⅲ、铜套、外锥套、内锥套、过渡腔法兰管，钻具电机试样前端穿过前端过渡腔，内锥套与钻具电机试样外表面接触，通过与外锥套的楔面胀紧将钻具电机试样抱紧，外锥套的外表面与铜套内表面接触，外锥套能够在铜套内转动，在前端过渡腔两端分别有铜套、外锥套、内锥套，铜套通过螺钉固定在过渡腔法兰管上，过渡腔法兰管一端通过螺钉与环境腔法兰管连接，并通过O型圈Ⅲ进行密封，前端密封盖与过渡腔法兰管另一端通过螺钉连接，其连接部位有O型圈Ⅲ进行密封，前端密封盖与钻具电机试样间采用O型圈Ⅰ进行密封，在前端密封盖端部有两个冷却水接头，下端为冷却水进口，上端为冷却水出口，前端密封套通过螺钉与前端密封盖连接，其与前端密封盖接触面采用O型圈Ⅱ进行密封，其与钻具电机试样间采用O型圈Ⅰ进行密封，在过渡腔法兰管下端焊接排水法兰。

所述的后端固定部件包括可移动法兰、O型圈Ⅳ、过渡法兰盘、钻具电机后端过渡轴、密封端盖、密封橡胶圈、压盖、后端固定支架，钻具电机后端过渡轴一端通过螺纹与钻具电机试样固定连接，另一端通过螺钉与过渡法兰盘连接；过渡法兰盘通过螺钉固定在后端固定支架上，后端固定支架通过螺钉固定在直线导轨副上，直线导轨副通过螺钉固定在铁地板Ⅲ上，密封端盖通过螺钉固定在过渡法兰盘上，并用O型圈Ⅱ进行密封；钻具电机试样电源线从密封端盖中间穿出，采用压盖通过螺钉压紧密封橡胶圈进行密封，可移动法兰端面通过O型圈Ⅲ与环境腔法兰管端部密封，并用螺钉进行固定，内孔通过O型圈Ⅳ与过渡法兰盘进行密封，在后端固定部件上通过螺钉连接防护罩Ⅱ。

所述的浮动支撑架组件包括浮动支撑环、挡圈、浮动轴、浮动支架、深沟球轴承、轴套，浮动支架通过螺钉固定在浮动支撑环内圈上，深沟球轴承通过挡圈、浮动轴、轴套安装在浮动支架上，其作用为支撑钻具电机试样，浮动支撑环均布分布着个浮动支架。

所述的环境腔支架包括支架体、脚轮支架、导向轮、角接触轴承、脚轮挡圈、脚轮轴，脚轮支架通过螺钉固定在支架体上，导向轮两侧装有角接触轴承，脚轮轴穿过脚轮挡圈、角接触轴承脚轮支架，并用轴上挡圈卡紧，导向轮凹槽落在导向方钢上，导向方钢通过螺钉固定在铁垫板Ⅰ、铁地板Ⅱ、铁地板Ⅲ上。

所述的过渡腔法兰管通过螺钉固定在前端固定支架上，前端固定支架通过螺钉固定在铁垫板Ⅰ上，所述的铁垫板Ⅰ、铁地板Ⅱ、铁地板Ⅲ通过地脚螺栓固定在地面上。

本发明的优点是结构新颖，能够模拟石油井下高温环境，测试电动钻具的电性参数，在运行时可以多环境状态下模拟电动钻具的实际工况，并实时采集电动钻具试验系统的电压、电流、温度、转速、扭矩等数据信号，通过数据分析来判定电动钻具的性能，为电动钻具的优化设计提供了试验依据。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图3是本发明前端过渡腔结构示意图；

图4是本发明环境腔法兰管间连接部位结构示意图；

图5是本发明后端固定部件结构示意图；

图6是本发明环境腔支架结构示意图；

图7是本发明浮动支撑组件结构示意图；

图8是本发明环境腔法兰管结构示意图；

图9是本发明电气控制系统原理图；

图中1.负载电机，2.膜片联轴器，3.齿轮箱，4.凸缘法兰套Ⅰ，5.凸缘法兰套Ⅱ，6.扭矩传感器，7.凸缘法兰套Ⅲ，8.波纹管联轴器，9.钻具电机前端过渡轴，10.钻具电机试样，11.前端过渡腔，1101.O型圈Ⅰ，1102.前端密封套，1103.O型圈Ⅱ，1104.冷却水接头，1105.前端密封盖，1106.O型圈Ⅲ，1107.铜套，1108.外锥套，1109.内锥套，1110.过渡腔法兰管，12.安全阀，13.防护罩Ⅰ，14.环境腔法兰管，1401.管法兰Ⅰ，1402.排水法兰，1403.钢管，1404.管法兰Ⅱ，15.后端固定部件，1501.可移动法兰，1502.O型圈Ⅳ1503.过渡法兰盘，1504.钻具电机后端过渡轴，1505.密封端盖，1506.密封橡胶圈，1507.压盖，1508.后端固定支架，16.防护罩Ⅱ，17.负载电机调整块，18.地脚螺栓，19.扭矩传感器支架，20.铁垫板Ⅰ，21.防护罩Ⅲ，22.排水管组件，23.排水法兰接头，24.球阀，25.铁地板Ⅱ，26.导向方钢，27.铁地板Ⅲ，28.进水口，29.直线导轨副，30.前端固定支架，31.浮动支撑组件，3101.浮动支撑环，3102.挡圈，3103.浮动轴，3104浮动支架，3105.深沟球轴承，3106.轴套，32.温度传感器，33.环境腔支架，3301.支架体，3302.脚轮支架，3303.导向轮，3304.角接触轴承，3305脚轮挡圈，3306，脚轮轴，34.石墨垫片，35.压力传感器。

具体实施方式

由环境腔法兰管14通过螺钉连接组成试验环境腔，该试验环境腔中充满高温高压的水，模拟钻具电机实际工作环境，浮动支撑组件31通过螺钉固定在环境腔法兰管14两端，钻具电机试样10横卧在试验环境腔中，并通过浮动支撑组件31支撑，保证钻具电机试样10在试验过程中能够由于自身弹性变形而产生的小角度转动；环境腔法兰管14通过螺钉连接在环境腔支架33上，在环境腔法兰管连接处有防护罩Ⅰ13，防止连接处高温水泄露伤人，防护罩Ⅰ13通过螺钉分别固定在铁垫板Ⅰ20、铁地板Ⅱ25、铁地板Ⅲ27上，为防止压力过高，试验环境腔前端连接有前端过渡腔11，能够对从环境腔中渗漏的高温高压水进行密封和冷却，钻具电机试样10后端连接前端过渡腔11，钻具电机试样10前端通过螺纹连接钻具电机前端过渡轴9，负载电机1通过负载电机调整块17与铁垫板Ⅰ20连接，扭矩传感器6通过扭矩传感器支架19与铁垫板Ⅰ20连接，负载电机1通过膜片联轴器2与齿轮箱3连接，齿轮箱3与凸缘法兰套Ⅰ4通过键连接，凸缘法兰套Ⅰ4凸缘法兰套Ⅱ5通过螺钉连接，凸缘法兰套Ⅱ5与扭矩传感器6通过键连接，凸缘法兰套Ⅲ7一端与扭矩传感器6通过键连接，另一端与波纹管联轴器8通过螺钉连接，波纹管联轴器8与过渡轴9连接，环境腔法兰管14后端通过螺纹连接后端固定组件15，为钻具电机试样提供固定支撑，实现钻具电机试样10的扭矩输出，防护罩Ⅱ16罩在后端固定组件15外部，环境腔法兰管14上有进水口28，在环境腔法兰管14上安装有安全阀12，并采用石墨垫片34进行密封，环境腔法兰管14出水口通过螺钉连接球阀24，球阀24通过螺钉连接排水法兰接头23，排水法兰接头23通过软管连接排水管组件22。

所述的环境腔法兰管14包括管法兰Ⅰ1401、排水法兰1402、钢管1403、管法兰Ⅱ1404，管法兰Ⅰ1401、管法兰Ⅱ1404分别与钢管1403焊接连接，为保证管法兰Ⅰ1401、管法兰Ⅱ1404、钢管1403焊接后能够同轴，在管法兰Ⅰ1401、管法兰Ⅱ1404、钢管1403连接部位加工有导向直口；试验环境腔是由环境腔法兰管14收尾通过螺钉连接组装而成，其内部充满高温高压的水，为钻具电机试样10提供模拟的工作环境，在两个环境腔法兰管14连接处通过O型圈Ⅲ1106进行密封，保证试验腔中的高温高压水不渗漏出来；在管法兰Ⅰ1401、管法兰Ⅱ1404上开有螺纹孔，用于安装温度传感器32和压力传感器35，测量试验环境腔中的温度和压力，环境腔法兰管14下端焊接有排水法兰1402，在试验结束后，环境腔法兰管14中的水能够通过排水法兰1402排出，

所述的前端过渡腔11包括O型圈Ⅰ1101、前端密封套1102、O型圈Ⅱ1103、冷却水接头1104、前端密封盖1105、O型圈Ⅲ1106、铜套1107、外锥套1108、内锥套1109、过渡腔法兰管1110，钻具电机试样10前端穿过前端过渡腔11，内锥套1109与钻具电机试样10外表面接触，通过与外锥套1108的楔面胀紧将钻具电机试样10抱紧，外锥套1108的外表面与铜套1107内表面接触，外锥套1108能够在铜套1107内转动，保证钻具电机试样10在试验时由于自身的弹性变形能够自由转动，起到支撑扶正的作用，在前端过渡腔11两端分别有铜套1107、外锥套1108、内锥套1109，通过两段的支撑扶正保证钻具电机试样10在转动时此处轴跳动小，铜套1107通过螺钉固定在过渡腔法兰管1110上，过渡腔法兰管1110一端通过螺钉与环境腔法兰管14连接，并通过O型圈Ⅲ1106进行密封，保证试验环境腔中的水不泄露；前端密封盖1105与过渡腔法兰管1110另一端通过螺钉连接，其连接部位有O型圈Ⅲ1106进行密封，前端密封盖1105与钻具电机试样10间采用O型圈Ⅰ1101进行密封，在前端密封盖1105端部有两个冷却水接头1104，下端为冷却水进口，上端为冷却水出口，这样在过渡腔法兰管1110的一端部形成一个冷水层，有效防止降低了泄露出来高温水的温度，提高了O型圈密封可靠性；前端密封套1102通过螺钉与前端密封盖1105连接，其与前端密封盖1105接触面采用O型圈Ⅱ1103进行密封，其与钻具电机试样10间采用O型圈Ⅰ1101进行密封，在过渡腔法兰管1110下端焊接排水法兰1402，其作用为试验结束后将过渡腔法兰管1110中的水排出。

所述的后端固定部件15包括可移动法兰1501、O型圈Ⅳ1502、过渡法兰盘1503、钻具电机后端过渡轴1504、密封端盖1505、密封橡胶圈1506、压盖1507、后端固定支架1508，钻具电机后端过渡轴1504一端通过螺纹与钻具电机试样10固定连接，另一端通过螺钉与过渡法兰盘1503连接；过渡法兰盘1503通过螺钉固定在后端固定支架1508上，后端固定支架1508通过螺钉固定在直线导轨副29上，直线导轨副29通过螺钉固定在铁地板Ⅲ27上，密封端盖1505通过螺钉固定在过渡法兰盘1503上，并用O型圈Ⅱ1103进行密封；钻具电机试样10电源线从密封端盖1505中间穿出，采用压盖1507通过螺钉压紧密封橡胶圈1506进行密封，可移动法兰1501端面通过O型圈Ⅲ1106与环境腔法兰管14端部密封，并用螺钉进行固定，内孔通过O型圈Ⅳ1502与过渡法兰盘1503进行密封，且可移动法兰1501可在过渡法兰盘1503上移动，其作用是补偿钻具电机试样10在安装过程中长度的改变，使后端固定部件15安装可靠，在后端固定部件15上通过螺钉连接防护罩Ⅱ，防止高温水泄露伤人。

所述的浮动支撑架组件31包括浮动支撑环3101、挡圈3102、浮动轴3103、浮动支架3104、深沟球轴承3105、轴套3106，浮动支架3104通过螺钉固定在浮动支撑环3101内圈上，深沟球轴承3105通过挡圈3102、浮动轴3103、轴套3106安装在浮动支架3104上，其作用为支撑钻具电机试样10，浮动支撑环3101均布分布着3个浮动支架3104。

所述的环境腔支架33包括支架体3301、脚轮支架3302、导向轮3303、角接触轴承3304、脚轮挡圈3305、脚轮轴3306，脚轮支架3302通过螺钉固定在支架体3301上，导向轮3303两侧装有角接触轴承3304，脚轮轴3306穿过脚轮挡圈3305、角接触轴承3304脚轮支架3302，并用轴上挡圈卡紧，导向轮3303凹槽落在导向方钢26上，导向方钢26通过螺钉固定在铁垫板Ⅰ20、铁地板Ⅱ25、铁地板Ⅲ27上。

所述的过渡腔法兰管1110通过螺钉固定在前端固定支架30上，前端固定支架30通过螺钉固定在铁垫板Ⅰ20上，所述的铁垫板Ⅰ20、铁地板Ⅱ25、铁地板Ⅲ27通过地脚螺栓18固定在地面上，在试验环境腔两端和中央安装有安全阀12，防止试验环境腔内压力过高发生危险。

所述的试验平台还包括打压系统、电磁加热系统、电器控制系统，所述的电器控制系统主要包括控制系统和数采系统，所述的控制系统通过负载电机1进行负载模拟和发电，既能模拟真实负载，也能发电为系统提供能量，节约能源，所述的数采系统实时采集电动钻具试样10上的电压、电流、温度、转速、扭矩、功率数据信号，通过数据分析来判定电动钻具的性能。

本发明中的负载电机能够模拟负载和发电，电动钻具工况模拟试验平台能够模拟石油井下高温环境，测试电动钻具的电性参数，在运行时可以多环境状态下模拟电动钻具的实际工况，并实时采集电动钻具试验系统的电压、电流、温度、转速、扭矩等数据信号，通过数据分析来判定电动钻具的性能，为电动钻具的优化设计提供了试验依据。

Claims (7)

1.一种电动钻具工况模拟试验平台，其特征在于：由环境腔法兰管通过螺钉连接组成试验环境腔，浮动支撑组件通过螺钉固定在环境腔法兰管两端，钻具电机试样横卧在试验环境腔中，并通过浮动支撑组件支撑，环境腔法兰管通过螺钉连接在环境腔支架上，在环境腔法兰管连接处有防护罩Ⅰ，防护罩Ⅰ通过螺钉分别固定在铁垫板Ⅰ、铁地板Ⅱ、铁地板Ⅲ上，试验环境腔前端连接有前端过渡腔，钻具电机试样后端连接前端过渡腔，钻具电机试样前端通过螺纹连接钻具电机前端过渡轴，负载电机通过负载电机调整块与铁垫板Ⅰ连接，扭矩传感器通过扭矩传感器支架与铁垫板Ⅰ连接，负载电机通过膜片联轴器与齿轮箱连接，齿轮箱与凸缘法兰套Ⅰ通过键连接，凸缘法兰套Ⅰ凸缘法兰套Ⅱ通过螺钉连接，凸缘法兰套Ⅱ与扭矩传感器通过键连接，凸缘法兰套Ⅲ一端与扭矩传感器通过键连接，另一端与波纹管联轴器通过螺钉连接，波纹管联轴器与过渡轴连接，环境腔法兰管后端通过螺纹连接后端固定组件，防护罩Ⅱ罩在后端固定组件外部，环境腔法兰管上有进水口，在环境腔法兰管上安装有安全阀，并采用石墨垫片进行密封，环境腔法兰管出水口通过螺钉连接球阀，球阀通过螺钉连接排水法兰接头，排水法兰接头通过软管连接排水管组件。

2.根据权利要求1所述的一种电动钻具工况模拟试验平台，其特征在于：所述的环境腔法兰管包括管法兰Ⅰ、排水法兰、钢管、管法兰Ⅱ，管法兰Ⅰ、管法兰Ⅱ分别与钢管焊接连接，为保证管法兰Ⅰ、管法兰Ⅱ、钢管焊接后能够同轴，在管法兰Ⅰ、管法兰Ⅱ、钢管连接部位加工有导向直口；试验环境腔是由环境腔法兰管收尾通过螺钉连接组装而成，在两个环境腔法兰管连接处通过O型圈Ⅲ进行密封，在管法兰Ⅰ、管法兰Ⅱ上开有螺纹孔，用于安装温度传感器和压力传感器，环境腔法兰管下端焊接有排水法兰，在试验结束后，环境腔法兰管中的水能够通过排水法兰排出。

3.根据权利要求1所述的一种电动钻具工况模拟试验平台，其特征在于：所述的前端过渡腔包括O型圈Ⅰ、前端密封套、O型圈Ⅱ、冷却水接头、前端密封盖、O型圈Ⅲ、铜套、外锥套、内锥套、过渡腔法兰管，钻具电机试样前端穿过前端过渡腔，内锥套与钻具电机试样外表面接触，通过与外锥套的楔面胀紧将钻具电机试样抱紧，外锥套的外表面与铜套内表面接触，外锥套能够在铜套内转动，在前端过渡腔两端分别有铜套、外锥套、内锥套，铜套通过螺钉固定在过渡腔法兰管上，过渡腔法兰管一端通过螺钉与环境腔法兰管连接，并通过O型圈Ⅲ进行密封，前端密封盖与过渡腔法兰管另一端通过螺钉连接，其连接部位有O型圈Ⅲ进行密封，前端密封盖与钻具电机试样间采用O型圈Ⅰ进行密封，在前端密封盖端部有两个冷却水接头，下端为冷却水进口，上端为冷却水出口，前端密封套通过螺钉与前端密封盖连接，其与前端密封盖接触面采用O型圈Ⅱ进行密封，其与钻具电机试样间采用O型圈Ⅰ进行密封，在过渡腔法兰管下端焊接排水法兰。

4.根据权利要求1所述的一种电动钻具工况模拟试验平台，其特征在于：所述的后端固定部件包括可移动法兰、O型圈Ⅳ、过渡法兰盘、钻具电机后端过渡轴、密封端盖、密封橡胶圈、压盖、后端固定支架，钻具电机后端过渡轴一端通过螺纹与钻具电机试样固定连接，另一端通过螺钉与过渡法兰盘连接；过渡法兰盘通过螺钉固定在后端固定支架上，后端固定支架通过螺钉固定在直线导轨副上，直线导轨副通过螺钉固定在铁地板Ⅲ上，密封端盖通过螺钉固定在过渡法兰盘上，并用O型圈Ⅱ进行密封；钻具电机试样电源线从密封端盖中间穿出，采用压盖通过螺钉压紧密封橡胶圈进行密封，可移动法兰端面通过O型圈Ⅲ与环境腔法兰管端部密封，并用螺钉进行固定，内孔通过O型圈Ⅳ与过渡法兰盘进行密封，在后端固定部件上通过螺钉连接防护罩Ⅱ。

5.根据权利要求1所述的一种电动钻具工况模拟试验平台，其特征在于：所述的浮动支撑架组件包括浮动支撑环、挡圈、浮动轴、浮动支架、深沟球轴承、轴套，浮动支架通过螺钉固定在浮动支撑环内圈上，深沟球轴承通过挡圈、浮动轴、轴套安装在浮动支架上，其作用为支撑钻具电机试样，浮动支撑环均布分布着个浮动支架。

6.根据权利要求2所述的一种电动钻具工况模拟试验平台，其特征在于：所述的环境腔支架包括支架体、脚轮支架、导向轮、角接触轴承、脚轮挡圈、脚轮轴，脚轮支架通过螺钉固定在支架体上，导向轮两侧装有角接触轴承，脚轮轴穿过脚轮挡圈、角接触轴承脚轮支架，并用轴上挡圈卡紧，导向轮凹槽落在导向方钢上，导向方钢通过螺钉固定在铁垫板Ⅰ、铁地板Ⅱ、铁地板Ⅲ上。

7.根据权利要求3所述的一种电动钻具工况模拟试验平台，其特征在于：所述的过渡腔法兰管通过螺钉固定在前端固定支架上，前端固定支架通过螺钉固定在铁垫板Ⅰ上，所述的铁垫板Ⅰ、铁地板Ⅱ、铁地板Ⅲ通过地脚螺栓固定在地面上。