CN106644446A - 推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，包括支架，支架上部设有用于安装钻柱的固定轴；所述支架上设有用于套设在钻具外侧的上套筒和下套筒；所述上套筒上设有上位移传感器，所述下套筒上设有下位移传感器；所述下套筒安装有第一压力传感器和与第一压力传感器配合的传压机构，传压机构接受来自导向钻具的推靠压力并传递给第一压力传感器；所述支架的后侧设有能够向钻具和/或钻柱施加推力的装置。该模拟测试装置可以确定推靠式旋转导向钻井工具的导向翼肋在拍打过程中，实际产生的推靠力和推靠位置，保证钻具的偏移量被准确测出。

Description

推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别是一种推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置。

背景技术

旋转导向钻井技术随着油气田开发过程中人们对于钻井井眼轨迹的新要求应运而生，它具备摩阻与扭阻小、井眼净化效果好，位移延伸能力强，井眼轨迹平滑易调控，适用于高难度井以及特殊油藏等诸多优点。旋转导向钻井技术将钻井工程学与现代控制论紧密融合，涉及钻探工程、机械、电子、控制、液压、测量等多个领域，自面世以来就得到了迅速发展，在国际上形成了多种能够成熟应用的工具。国内对旋转导向系统的研究仍处于初级阶段，目前阶段对推靠式旋转导向的工作方式研究较多。常见的推靠式导向钻具包括钻具本体，在钻具本体的周面分布多个推靠翼肋，当发生井斜时，在液压等方式的驱动下，推靠翼肋会被推出与井壁接触，实现钻具的纠斜。基于推靠式旋转导向工作原理，针对其导向工具工作时，目标导向力的不同、工具整体及内部零件受力不同等因素，对旋转导向工具展开优化设计。尽管旋转导向钻井工具的设计能力有较大提升，但也使得其结构随之更为复杂，所涉及的力学参数也随之大大增加。因此，如何快速有效地对旋转导向钻井工具的性能进行测试与评定，验证计算机模拟仿真技术对钻井工具性能的预测，进而对钻井工具设计参数的做出进一步的调整和优化，并有效地减少钻井工具设计研发成本和周期，开发一种便捷高效的推靠式旋转导向钻井工具性能测试验证试验台便具有重要的现实意义。

目前，国内外拥有各种类型的推靠模拟试验台，覆盖范围较广，但均具有较强的专业性和单一性。

发明内容

本发明的目的是提供一种推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，确定推靠式旋转导向钻井工具的导向翼肋在拍打过程中，实际产生的推靠力和推靠位置，保证钻具的偏移量被准确测出。

本发明一个方面提供的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其包括支架，支架上部设有用于安装钻柱的固定轴；所述支架上设有用于套设在钻具外侧的上套筒和下套筒；所述上套筒上设有上位移传感器，所述下套筒上设有下位移传感器；所述下套筒安装有第一压力传感器和与第一压力传感器配合的传压机构，传压机构接受来自导向钻具的推靠压力并传递给第一压力传感器；所述支架的后侧设有能够向钻具和/或钻柱施加推力的装置。

可选地或优选地，所述下套筒的侧壁设有径向套筒；所述径向套筒的内侧与所述下套筒连通；所述径向套筒内沿着靠近所述下套筒的轴心方向依次设置所述第一压力传感器和传压机构。

可选地或优选地，所述传压机构包括垫块以及位于垫块内侧的弹簧和活塞；所述垫块与所述第一压力传感器直接接触；所述活塞包括活塞主体以及在其端部沿着活塞主体径向突出形成的凸台；所述弹簧套设在所述活塞主体外侧，弹簧远离所述垫块的一端抵在所述凸台靠近所述垫块一侧的表面上。

可选地或优选地，所述第一传感器的数量为三个，沿着所述下套筒的周向分布，且三个分布点位于同一水平面内。

可选地或优选地，所述钻柱的上方设有一螺栓，螺栓向拧紧方向旋转时对钻柱施加压力，所述螺栓和所述钻柱之间设有用于测量所述螺栓施加压力的第二压力传感器。

可选地或优选地，所述螺栓和第二传感器之间设有钢球。

可选地或优选地，所述钻柱和钻具内设有轴向贯通的钻井流体通道，钻井流体通道的上端位于所述钻柱的顶部以形成流体入口，所述支架的底部设有收集容器，用于收集钻井流体通道下端排出的流体。

可选地或优选地，所述支架的上部设有第一横梁，第一横梁上设有用于安装钻柱的钻柱接头，所述钻柱和所述钻具之间通过钻具接头连接。

可选地或优选地，所述支架上设有扶正环横梁并在扶正环横梁上安装扶正环，所述扶正环用于套设在所述钻具外侧。

可选地或优选地，所述上位移传感器和下位移传感器均通过位移传感器夹具分别固定在上套筒和下套筒上。

本发明提供的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，包括支架以及安装在支架上的上套筒和下套筒，上套筒和下套筒分别安装有上位移传感器和下位移传感器，且下套筒上还安装有第一压力传感器。当钻具的导向执行机构工作时，导向翼肋被推出，由第一压力传感器测得压力，上位移传感器和下位移传感器测量推靠位置，保证钻具的偏移量被准确测出，从而为分析推靠力和偏移量之间相关性提供条件。

附图说明

图1为本发明实施所提供的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施所提供的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置的下套筒部分的结构示意图；

图3为图2的A-A向剖视图；

图4为基于本发明实施所提供的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置的测试系统结构示意图；

图中：

1-支架 2-横梁 3-垫板 4-垫板横梁 5-钢球 6-第二压力传感器 7-钻柱接头 8-流体入口 9-接头横梁 10-钻柱 11-钻具接头 12-扶正环 13-扶正环横梁 14-钻具 15-上套筒 16-套筒横梁 17-下套筒 18-收集容器 19-螺栓 20-固定轴 21-轴套 22-位移传感器夹具 23-上位移传感器 24-千斤顶 25-第一压力传感器 26-流体出口 27-下位移传感器 28-径向套筒 29-活塞 30-弹簧 31-垫块 290-活塞主体 291-凸台。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1-3，本发明的实施例提供一种推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其所适用的导向钻具执行机构通常包括设置在钻具本体周面上的推靠翼，当发生井斜时，推靠翼被内部的驱动机构推出，在井壁上产生推靠力。本实施例提供的模拟测试装置，是为了导向钻具在模拟推靠动作下，至少测试其产生的推靠力和偏移量。

模拟测试装置的主体部分包括一个支架1，支架1的上部设有横向的固定轴20以及套设在固定轴20外的轴套21，钻柱10的顶部安装在钻柱接头7上。在支架1的底部设有向钻具14和/或钻柱10提供推力的装置，以使得在推动作用下，钻柱10和钻具14绕着固定轴20旋转一定角度，模拟井斜的发生。提供推力的装置可以有多种，在本实施例中使用的是千斤顶24，其具有调节方便、支撑稳定的优点，在其他一些实施例中也可以采用液压推杆、电力推杆等能够提供足够推力的设备。

在支架1的靠下部分设有两道套筒横梁16，并在上下两道套筒横梁16上分别安装上套筒15和下套筒17，上套筒15上安装有上位移传感器23、下套筒15上安装有下位移传感器27，用于测量推靠位置，进而确定偏移量。上位移传感器23和下位移传感器27可以通过位移传感器夹具22沿着上套筒15和下套筒17的径向固定在上套筒15和下套筒17的侧壁上。以图2和图3所示的下套筒17为例，在下套筒17的侧壁上设有供下位移传感器27端部穿入的开口，在下套筒17外壁上连接所述位移传感器夹具，夹具端部的夹片将下位移传感器27固定在中间。

在下套筒17上还安装有第一压力传感器25以及与第一压力传感器25配合的传压机构，第一压力传感器25优选为纽扣式压力传感器。当推靠执行机构工作时，推靠翼等推靠部件从钻具本体伸出，将推靠压力施加在传压机构上，进而由传压机构向第一压力传感器25传递压力。本实施例中，第一压力传感器25安装在径向套筒28中，该径向套筒28在下套筒17外壁上沿着下套筒17的径向设置，径向套筒28靠近下套筒17的边缘可以设置一圈凸缘，以安装螺栓，将径向套筒28与下套筒17外壁固定。在下套筒17外壁上开设有开口，以和径向套筒28内部连通。径向套筒28内沿着靠近下套筒17轴心的方向(即靠近下套筒17内侧的方向)一次设置有所述第一压力传感器25和传压机构。径向套筒28优选的数量为三个，沿着下套筒17的周面分布，相应地每个径向套筒28内设置一组第一压力传感器25和传压机构，三个径向套筒28形成的分布点在同一平面内，如在本实施例中，三个径向套筒28的轴线(即下套筒17的径向线)相互呈120°的夹角沿着下套筒17周面均匀分布。三个第一压力传感器25恰好可以检测到三个方向传递的推靠力，检测结果更加精确全面。

在本实施例中，传压机构具体可以包括垫块31、弹簧30和活塞29，其中垫块31与第一压力传感器25直接接触，弹簧30和活塞29均横向设置在垫块31的内侧(即靠近下套筒17轴心侧)，活塞29包括活塞主体290以及在活塞主体290端部沿着活塞主体290径向形成的凸台291，弹簧30套设在活塞主体290上，弹簧30的一端连接在垫块31上，另一端抵靠在凸台291的内侧(即远离下套筒17轴心的表面)。当推靠执行机构工作时，推靠力直接作用在活塞29的凸台上，带动弹簧压缩，进而将力传递给垫块31上，并作用在压力传感器25上。当推靠机构工作时，弹簧30会逐渐压缩，当推靠力消失时，弹簧30能够将活塞29复位。垫块31与第一压力传感器25直接接触，增大了接触面积，使得检测到的压力分散均匀，不会产生压力集中，进而避免压力集中产生的检测误差。

上套筒15和下套筒17优选采用六面体套筒，这样提供了平整的安装面，更便于径向套筒28的安装和固定。

为了模拟井下钻柱受压的过程，在钻柱10上方设有一螺栓19，本实施例中为六角头螺栓，该螺栓19通过垫板3安装在垫板横梁4上，当向拧紧方向拧动螺栓19时，可以给钻柱10施加压力，在螺栓19和钻柱10之间设有第二压力传感器6，本实施例中为轮辐式压力传感器，用于检测施加压力的大小。通过施加不同的压力，给以模拟不同的井下钻柱受压条件，使得钻具的受力环境更贴近现场作业的环境。更为优选地，螺栓19和第二传感器6之间设有小型的钢球5，用于保证轴向同心度，避免了轴向位置偏差导致测试数据不可靠的情况发生。

在实际的钻探作业中，钻柱10和钻具14内贯穿有钻井流体通道，注入有可循环的钻井流体，钻井流体通常是钻井液，有时也可以是泡沫流体。钻井流体除了可以清洗井底，携带岩屑外，还具有控制和平衡底层压力，将流体功率传递钻头等力学作用，因此也会对堆靠力的模拟产生影响，为了检测采用不同钻井流体下导向钻具的推靠力和推靠位置参数，在钻柱10顶部设有一个流体入口8，支架1的底部设有收集容器18，用于收集钻井流体通道下端排出的流体。收集容器18的形式可以有多种，在本实施例中采用的是上部敞口的水箱。流体出口26开设在水箱的侧面底部，接出一段水管，以方便后续回收利用。

支架1的上部设有第一横梁2，第一横梁2上设有钻柱接头7，安装钻柱10时，钻柱10的上端与钻柱接头7螺纹连接，在支架1的下部设有钻具接头11，并通过钻具接头11两端螺纹连接钻柱10和钻具14。这样钻具14可以独立地从支架1上卸下，也可以和钻柱10作为整体卸下，方便拆装，钻具14还可以更换不同的柔性短节用以比对性能，且通过接头连接后，保证流体通道与外界隔离，形成密闭空间。

在支架1上设有扶正环横梁13并在扶正环横梁13上安装扶正环12，扶正环12用于套设在所述钻具14外侧。当钻具14偏离轴向时，会被扶正环12扶正，起到纠偏的作用。

图4为基于本实施例提供的模拟测试装置的模拟测试系统的结构示意图，其示出了该系统包括的主要模块，包括推靠模拟试验台、螺栓、上位移传感器、下位移传感器、第一压力传感器和第二压力传感器，该试验台包括了本实施例中模拟测试装置的所有机械结构，其上具有模拟测试装置的各传感器。试验台支架受到推力绕轴旋转，引起井斜，从而使钻具的执行装置推靠井壁，完成纠斜；顶部螺栓在拧紧过程中为钻柱施压，钻压可通过下部的第二压力传感器测得。同时，钻具还可以更换不同的柔性短节用以比对性能；钻具的推靠力和推出位移可通过上套筒、下套筒上环形排列的第一压力传感器和位移传感器获得。推靠式旋转导向钻井试验台的所有传感器均通过由数据采集卡、数据记录仪等组成的数据采集系统进行实时采集，并存储于数据存储分析系统，以便于后续理论分析及论证。该试验台安装简便易于调节，传感器的装卸简便灵活，便于根据要求更换不同量程的传感器对钻具性能进行测量，数据采集系统可实时连续的采集并记录相关参数，为钻具的设计研究提供多方位、连续、可靠、高效的测试数据。

以上对本发明所提供的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其特征在于，包括支架，支架上部设有用于安装钻柱的固定轴；所述支架上设有用于套设在钻具外侧的上套筒和下套筒；所述上套筒上设有上位移传感器，所述下套筒上设有下位移传感器；所述下套筒安装有第一压力传感器和与第一压力传感器配合的传压机构，传压机构接受来自导向钻具的推靠压力并传递给第一压力传感器；所述支架的后侧设有能够向钻具和/或钻柱施加推力的装置。

2.根据权利要求1所述的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其特征在于，所述下套筒的侧壁设有径向套筒；所述径向套筒的内侧与所述下套筒连通；所述径向套筒内沿着靠近所述下套筒的轴心方向依次设置所述第一压力传感器和传压机构。

3.根据权利要求2所述的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其特征在于，所述传压机构包括垫块以及位于垫块内侧的弹簧和活塞；所述垫块与所述第一压力传感器直接接触；所述活塞包括活塞主体以及在其端部沿着活塞主体径向突出形成的凸台；所述弹簧套设在所述活塞主体外侧，弹簧远离所述垫块的一端抵在所述凸台靠近所述垫块一侧的表面上。

4.根据权利要求1-3任一所述的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其特征在于，所述第一传感器的数量为三个，沿着所述下套筒的周向分布，且三个分布点位于同一水平面内。

5.根据权利要求1所述的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其特征在于，所述钻柱的上方设有一螺栓，螺栓向拧紧方向旋转时对钻柱施加压力，所述螺栓和所述钻柱之间设有用于测量所述螺栓施加压力的第二压力传感器。

6.根据权利要求5所述的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其特征在于，所述螺栓和第二传感器之间设有钢球。

7.根据权利要求1-3、5和6中任一所述的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其特征在于，所述钻柱和钻具内设有轴向贯通的钻井流体通道，钻井流体通道的上端位于所述钻柱的顶部以形成流体入口，所述支架的底部设有收集容器，用于收集钻井流体通道下端排出的流体。

8.根据权利要求1-3、5和6中任一所述的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其特征在于，所述支架的上部设有第一横梁，第一横梁上设有用于安装钻柱的钻柱接头，所述钻柱和所述钻具之间通过钻具接头连接。

9.根据权利要求1-3、5和6中任一所述的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其特征在于，所述支架上设有扶正环横梁并在扶正环横梁上安装扶正环，所述扶正环用于套设在所述钻具外侧。

10.根据权利要求1-3、5和6中任一所述的推靠式导向钻具执行机构模拟测试装置，其特征在于，所述上位移传感器和下位移传感器均通过位移传感器夹具分别固定在上套筒和下套筒上。