CN106840627A - 油气井管柱减摩降扭工具性能试验装置 - Google Patents

Abstract

一种油气井管柱减摩降扭工具性能试验装置，其包括试验装置主体和计算机测控系统，其中试验装置主体包括基座、储水储砂槽、内杆旋转运动装置、外筒上下升降装置和水平直线运动控制装置，其中内杆旋转运动装置设在基座上部，水平直线运动控制装置设在基座底板上，内杆旋转运动装置通过外筒上下升降装置与水平直线运动控制装置连接，储水储砂槽设在基座一侧的底板上；所述计算机测控系统包括动态扭矩传感器、拉压传感器、计算机及测控软件。本发明整体稳定性好、测量精确、机械结构简单、易于拆装、易于调整、操作方便、安全可靠，能够满足多种减摩降扭工具性能测试。

Description

油气井管柱减摩降扭工具性能试验装置

技术领域

本发明属于石油与天然气工程领域，特别涉及一种测试用的试验装置。

背景技术

在油气田开发的过程中，随着井身结构越来越复杂，在钻井和下套管等管柱下入作业中，摩阻的影响愈加显著。在钻井过程中，钻柱与井壁接触摩擦力大，扭矩传递困难；钻杆和套管的磨损严重，降低套管强度；使用轴向振动减摩工具时，钻具组合会产生小幅度的倒退，影响钻进效率。压裂施工过程中，带裸眼封隔器压裂管柱下入困难，易发生砂堵。针对以上问题，目前已经设计了减阻减磨钻杆接头、管柱减阻减扭器、轴向振动爬行器以及疏砂封隔器等工具。这些工具的合理使用能够有效地发挥减摩降扭作用，保证施工的顺利进行，因此有必要对这类工具在不同工况下的性能进行测试。通过测试也可对这类工具结构进行优化设计。

目前针对减摩降扭工具的性能研究，主要通过现场应用效果进行测试，存在的问题主要是：难度大，成本高，周期长，不可控因素多，测试条件难以满足工具优化设计要求，工具性能不稳定影响正常施工等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种整体稳定性好、测量精确、机械结构简单、易于拆装、易于调整、操作方便、安全可靠，能够满足多种减摩降扭工具性能测试的油气井管柱减摩降扭工具性能试验装置。

本发明的技术方案如下：

本发明包括试验装置主体和计算机测控系统，其中试验装置主体包括基座、储水储砂槽、内杆旋转运动装置、外筒上下升降装置和水平直线运动控制装置，其中内杆旋转运动装置设在基座上部，水平直线运动控制装置设在基座底板上，内杆旋转运动装置通过外筒上下升降装置与水平直线运动控制装置连接，储水储砂槽设在基座一侧的底板上；所述计算机测控系统包括动态扭矩传感器、拉压传感器、计算机及测控软件。

所述基座为矩形底板，底板的两侧分别设有一块竖板，在其中一侧的竖板设有与竖板和底板连接的台子，储水储砂槽设在另一侧的底板上，方便试验中更换外筒内液体和砂子以模拟不同的井壁岩屑床；

所述内杆旋转运动装置包括：主电机、联轴器A、联轴器B、连接杆、左端轴承及轴承支架、弹性联轴器A、内杆A(模拟钻柱)、待测试工具、内杆B(模拟钻柱)、弹性联轴器B和右端轴承，其中主电机固定在基座一侧的竖板上，主电机的输出轴通过联轴器A与固定在基座台子上的动态扭矩传感器连接，联轴器B的一端与动态扭矩传感器连接，其另一端与连接杆连接，该连接杆穿过固定在基座上的轴承支架上的左端轴承，并通过弹性联轴器A与内杆A的一端连接，内杆A的另一端与拉压传感器的一端连接，该拉压传感器的另一端与待测试工具的一端连接，该待测试工具的另一端与内杆B的一端连接，该内杆B的另一端通过弹性联轴器B与设在基座另一侧竖板上的右端轴承连接；所述联轴器A和联轴器B均十字滑块联轴器；所述弹性联轴器A和弹性联轴器B均为双膜片联轴器；

所述水平直线运动控制装置包括：进给电机、丝杠、光杆、滑台面板、光杆滑块、丝杠滑块、和直线滑台底座，其中直线滑台底座固定在基座底板的中间，直线滑台底座上设有两个相互平行的光杆，光杆上设有光杆滑块，进给电机固定在直线滑台底座的一端，进给电机的输出轴通过联轴器与设在两个光杆之间的丝杠的一端连接，该丝杠的另一端穿过设在滑台面板下面的丝杠滑块与直线滑台底座的另一端联接，滑台面板固定在光杆滑块和丝杠滑块上；

所述外筒上下升降装置包括：外筒(模拟井壁或套管)、固定管夹支架、直线型振动电机、精密手动升降台、连接板，其中外筒套在拉压传感器、待测试工具以及连接拉压传感器和待测试工具的内杆A和内杆B一端的外面，精密手动升降台固定在上述滑台面板上，连接板固定在精密手动升降台上，直线型振动电机固定在连接板上，在直线型振动电机两侧的连接板上分别设有固定管夹支架，固定管夹支架上的管夹夹在外筒上；所述外筒的两端设有堵头，其上部设有开口槽，可进行加砂清砂操作；

通过可控升降台调整外筒垂直高度，测试中可对外筒位置的进行精确调整，满足不同尺寸待测工具的测试要求；在对外轮廓非圆形的工具进行测试时，最初工具不与外筒接触，待工具转速稳定后，移动外筒底部与待测工具外轮廓最小外径处相接触，配合弹性联轴器作用，可有效避免电机堵转。

所述计算机测控系统包括：动态扭矩传感器、拉压传感器、计算机及测控软件，其中计算机与驱动器接口板及驱动器连接，驱动器通过接线与主电机和进给电机连接，计算机通过MACH3软件控制主电机、进给电机，动态扭矩传感器和拉压传感器测得数据通过数据采集卡传输至计算机，通过LabView导出拉压力及扭矩曲线图，得到测试结果。

本发明通过主电机输出轴的联轴器A带动内杆A、内杆B及内杆上的待测工具在外筒内旋转，可模拟钻井过程中旋转钻进的过程，传递扭矩的旋转轴上安放动态扭矩传感器，在使用减摩降扭工具前后，实时监测旋转轴上的扭矩；模拟管柱下放时，主电机停转，在待测工具左端加装拉压力传感器，实时监测压力值变化，反映在使用减摩降扭工具前后管柱所受摩阻力的变化。安装有待测工具的内杆旋转部分，可以模拟管柱旋转(旋转钻进过程)和不旋转(管柱下放过程)两种运动方式。由于部分待测工具外轮廓为椭圆形，在旋转时会有一定的径向振动，使用的弹性联轴器A和弹性联轴器B具有一定的容许偏角、容许偏心和容许轴向偏差。

通过进给电机带动直线滑台丝杠旋转，控制连接在直线滑台丝杠滑块上的直线滑台面板在水平方向上移动，使外筒相对于待测工具在水平方向上移动(即模拟带有减磨减扭工具管柱下放的过程，或配合内杆旋转模拟带有减磨减扭工具的钻柱旋转钻进过程)。直线滑台丝杠滑块可与直线滑台丝杠脱离，直线滑台光杆起到直线导轨作用，此时振动电机工作，可产生与振动电机主轴垂直的水平方向的激振力，带动参振设备(外筒、可控升降台、直线滑台面板、直线滑台光杆滑块)做水平直线往复运动，可模拟带有振动发生器等工具的管柱在井下的作业工况，对轴向振动爬行器等工具进行测试，若外筒沿待测工具爬行反方向运动，则工具有效。动态扭矩传感器和拉压力传感器传输的数据与计算机相连，经过软件处理，可得到测试结果。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、能够对不同功能、不同外径工具性能进行测试，适用范围广；

2、试验装置结构简单、操作容易，测量数据精确；

3、单个工具性能测试用时短、成本低，实验条件可控，有利于工具结构优化设计。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意简图。

图2是本发明整体结构的立体示意简图。

图3是本发明直线滑台的立体示意简图。

图中：1-基座、2-主电机、3-联轴器A、4-动态扭矩传感器、5-联轴器B、6-连接杆、7-左端轴承及轴承支架、8-弹性联轴器A、9-内杆A、10-外筒、11-固定管夹支架、12-拉压传感器、13-待测试工具、14-内杆B、15-弹性联轴器B、16-右端轴承、17-进给电机、18-丝杠、19-光杆、20-光杆滑台面板、21-光杆滑块、22-直线型振动电机、23-精密手动升降台、24-连接板、25-丝杠滑块、26-直线滑台底座、27-储水储砂槽、28-计算机。

具体实施方式

在图1、图2所示的油气井管柱减摩降扭工具性能试验装置示意图中，基座1为矩形底板，底板的两侧分别设有一块竖板，在其中一侧的竖板设有与竖板和底板连接的台子，储水储砂槽27设在另一侧的底板上；主电机2固定在基座一侧的竖板上，主电机的输出轴通过联轴器A3与固定在基座台子上的动态扭矩传感器4连接，联轴器B5的一端与动态扭矩传感器连接，其另一端与连接杆6连接，该连接杆穿过固定在基座上的轴承支架上的左端轴承7，并通过弹性联轴器A8与内杆A9的一端连接，内杆A的另一端与拉压传感器12的一端连接，该拉压传感器的另一端与待测试工具13的一端连接，该待测试工具的另一端与内杆B14的一端连接，该内杆B的另一端通过弹性联轴器B15与设在基座另一侧竖板上的右端轴承16连接；所述联轴器A和联轴器B均十字滑块联轴器；所述弹性联轴器A和弹性联轴器B均为双膜片联轴器；直线滑台底座26固定在基座底板的中间，如图3所述，直线滑台底座上设有两个相互平行的光杆19，光杆上设有光杆滑块21，进给电机17固定在直线滑台底座的一端，进给电机的输出轴通过联轴器与设在两个光杆之间的丝杠18的一端连接，该丝杠的另一端穿过设在光杆滑块下面的丝杠滑块25与直线滑台底座的另一端联接，光杆滑台面板20固定在光杆滑块上；外筒10套在拉压传感器、待测试工具以及连接拉压传感器和待测试工具的内杆A和内杆B一端的外面，精密手动升降台23固定在上述滑台面板上，连接板24固定在精密手动升降台上，直线型振动电机22固定在连接板上，在直线型振动电机两侧的连接板上分别设有固定管夹支架11，固定管夹支架上的管夹夹在外筒上；所述外筒的两端设有堵头，其上部设有开口槽，可进行加砂清砂操作；计算机28与驱动器接口板及驱动器连接，驱动器通过接线与主电机和进给电机连接，计算机通过MACH3软件控制主电机、进给电机，动态扭矩传感器和拉压传感器测得数据通过数据采集卡及万用表传输至计算机，通过LabView导出拉压力及扭矩曲线图，得到测试结果。

Claims (3)

1.一种油气井管柱减摩降扭工具性能试验装置，其特征在于：其包括试验装置主体和计算机测控系统，其中试验装置主体包括基座、储水储砂槽、内杆旋转运动装置、外筒上下升降装置和水平直线运动控制装置，其中内杆旋转运动装置设在基座上部，水平直线运动控制装置设在基座底板上，内杆旋转运动装置通过外筒上下升降装置与水平直线运动控制装置连接，储水储砂槽设在基座一侧的底板上；所述计算机测控系统包括动态扭矩传感器、拉压传感器、计算机及测控软件；

所述基座为矩形底板，底板的两侧分别设有一块竖板，在其中一侧的竖板设有与竖板和底板连接的台子，储水储砂槽设在另一侧的底板上；

所述内杆旋转运动装置包括：主电机、联轴器A、联轴器B、连接杆、左端轴承及轴承支架、弹性联轴器A、内杆A、待测试工具、内杆B、弹性联轴器B和右端轴承，其中主电机固定在基座一侧的竖板上，主电机的输出轴通过联轴器A与固定在基座台子上的动态扭矩传感器连接，联轴器B的一端与动态扭矩传感器连接，其另一端与连接杆连接，该连接杆穿过固定在基座上的轴承支架上的左端轴承，并通过弹性联轴器A与内杆A的一端连接，内杆A的另一端与拉压传感器的一端连接，该拉压传感器的另一端与待测试工具的一端连接，该待测试工具的另一端与内杆B的一端连接，该内杆B的另一端通过弹性联轴器B与设在基座另一侧竖板上的右端轴承连接；

所述水平直线运动控制装置包括：进给电机、丝杠、光杆、滑台面板、光杆滑块、丝杠滑块、和直线滑台底座，其中直线滑台底座固定在基座底板的中间，直线滑台底座上设有两个相互平行的光杆，光杆上设有光杆滑块，进给电机固定在直线滑台底座的一端，进给电机的输出轴通过联轴器与设在两个光杆之间的丝杠的一端连接，该丝杠的另一端穿过设在滑台面板下面的丝杠滑块与直线滑台底座的另一端联接，滑台面板固定在光杆滑块及丝杠滑块上；

所述外筒上下升降装置包括：外筒、固定管夹支架、直线型振动电机、精密手动升降台、连接板，其中外筒套在拉压传感器、待测试工具以及连接拉压传感器和待测试工具的内杆A和内杆B一端的外面，精密手动升降台固定在上述滑台面板上，连接板固定在精密手动升降台上，直线型振动电机固定在连接板上，在直线型振动电机两侧的连接板上分别设有固定管夹支架，固定管夹支架上的管夹夹在外筒上；所述外筒的两端设有堵头，其上部设有开口槽，可进行加砂清砂操作；

所述计算机测控系统包括：动态扭矩传感器、拉压传感器、计算机及测控软件，其中计算机与驱动器接口板及驱动器连接，驱动器通过接线与主电机和进给电机连接，计算机通过MACH3软件控制主电机、进给电机，动态扭矩传感器和拉压传感器测得数据通过数据采集卡传输至计算机，通过LabView导出拉压力及扭矩曲线图，得到测试结果。

2.根据权利要求1所述的油气井管柱减摩降扭工具性能试验装置，其特征在于：所述联轴器A和联轴器B均十字滑块联轴器。

3.根据权利要求1所述的油气井管柱减摩降扭工具性能试验装置，其特征在于：所述弹性联轴器A和弹性联轴器B均为双膜片联轴器。