CN107063911A - 油气井套管磨损试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气井套管磨损试验台，包括模拟套管旋转驱动组件和模拟拉力加载组件。油气井套管磨损试验台可以模拟油气井钻井装备中套管‑钻杆系统的相互旋转运动，具有对钻杆进行加载更接近真实工况、套管和钻杆间偏心距可调、试样安装方便等特点，为研究套管的磨损失效问题提供平台。

Description

油气井套管磨损试验台

技术领域

本发明涉及实验设备领域，具体的是一种油气井套管磨损试验台。

背景技术

地层中的油气资源需要通过钻井系统形成井眼进行开采。井下工具通常需要长时间连续运转，导致产生严重的磨损问题。套管、钻杆等核心工具的寿命和可靠性都与其摩擦学行为和磨损情况紧密相关。油气井井下工具的性能不但决定了油气生产的效率，更关系到系统的安全和整个工作的成败。套管的过度磨损引起的失效是导致油气生产过程中故障和事故的重要原因之一。当钻杆在套管内转动的时候，由于倾斜、偏心等情况将造成钻杆与套管的相互接触与摩擦，最终导致磨损。为了研究套管的磨损机理、过程及影响因素，进而改进套管的结果或相关钻井工艺，对应的试验台和设备必不可少。

目前专门用于研究油气井套管-钻杆系统的试验台系统目前少见报道，而国外的试验台也比较简单，只能模拟其相互旋转运动，功能单一。无法改变其他参数，如无法调节偏心距。更重要的是钻杆在实际工作过程中会受到拉应力，而目前的试验机无法模拟这个工况，导致最终的试验结果和实际情况有较大差异。

发明内容

为了调节套管与钻杆的偏心距，本发明提供了一种油气井套管磨损试验台，该油气井套管磨损试验台可以模拟油气井钻井装备中套管-钻杆系统的相互旋转运动，可以接近真实的工况、具有偏心距可调、试样安装方便等特点，为研究套管的磨损失效问题提供平台。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种油气井套管磨损试验台，包括：

模拟套管旋转驱动组件，能够固定模拟套管的位置并驱动模拟套管自转；

模拟拉力加载组件，能够给模拟钻杆施加轴向的拉应力；

钻杆夹具，能够固定模拟钻杆的位置；

当所述油气井套管磨损试验台处于实验状态时，模拟套管套设于模拟钻杆外，模拟套管的轴线与模拟钻杆的轴线平行，钻杆夹具能够使模拟钻杆径向移动，模拟套管的轴线与模拟钻杆的轴线之间的距离能够被调节。

本发明的有益效果是：该油气井套管磨损试验台可以模拟油气井钻井装备中套管-钻杆系统的相互旋转运动，研究套管和钻杆相互接触产生磨损的情况。除了实现套管和钻杆之间的旋转运动以外，还实现对钻杆进行拉力加载，更接近实际工况中钻杆的受力情况。并且可以方便地调节套管和钻杆的轴间距离，实现二者之间的偏心旋转，模拟实际工况中套管和钻杆并不是完全对心的情况，并且具有样品更换方便，操作简单等特点。该实验台结构简单，加工制造方便，整个实验台结构紧凑，体积小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明所述油气井套管磨损试验台的主视图。

图2是本发明所述油气井套管磨损试验台的左视图。

图3是本发明所述油气井套管磨损试验台的俯视图。

图4是图1中A方向的示意图。

图5是本发明所述油气井套管磨损试验台的立体示意图。

1、电机；2、联轴器；3、电机支座；4、主动齿轮；5、从动齿轮；6、第一长轴；7、千分尺支座；8、第一千分尺；9、支脚；10、支撑板；11、模拟套管；12、钻杆夹具；13、限位块；14、调节旋钮；15、调节旋钮支板；16、滑动块；17、长支座；18、电动缸支座；19、电动缸；20、拉力传感器；21、第一短支座；22、第二长轴；23、第二短支座；24、第三长轴；25、模拟钻杆；26、定位杆；27、主动轴；28、第二千分尺。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种油气井套管磨损试验台，包括：

模拟套管旋转驱动组件，能够固定模拟套管11的位置并驱动模拟套管11自转；

模拟拉力加载组件，能够给模拟钻杆25施加轴向的拉应力；

钻杆夹具12，能够固定模拟钻杆25的位置；

当所述油气井套管磨损试验台处于实验状态时，模拟套管11套设于模拟钻杆25外，模拟套管11的内径大于模拟钻杆25的外径，模拟套管11的轴线与模拟钻杆25的轴线平行，钻杆夹具12能够使模拟钻杆25径向移动，模拟套管11的轴线与模拟钻杆25的轴线之间的距离能够被调节件或调节机构调节，如图1至图3所示。

模拟套管11用于模拟生产井中的实际套管，模拟钻杆25用于模拟生产井中的实际钻杆，模拟套管11为原筒状结构，模拟钻杆25为圆柱状结构。模拟套管11和模拟钻杆25能够被拆卸和更换，以模拟不同的模拟套管11和模拟钻杆25，在空闲状态时，模拟套管11和模拟钻杆25可以不安装在该油气井套管磨损试验台上，即此时图1至图5中不含有模拟套管11和模拟钻杆25。

在本实施例中，所述模拟套管旋转驱动组件能够驱动模拟套管11以模拟套管11的轴线为轴自转；所述模拟拉力加载组件能够给模拟钻杆25施加指向图1中右侧的拉应力，该拉应力沿模拟钻杆25的轴向。调节件或调节机构能够使模拟钻杆25沿模拟钻杆25的直径方向移动，从而调节模拟套管11和模拟钻杆25之间的偏心距。

在本实施例中，所述模拟套管旋转驱动组件含有第一长轴6、第二长轴22和第三长轴24，第一长轴6、第二长轴22和第三长轴24均与模拟套管11外切，即图4所示。第一长轴6、第二长轴22和第三长轴24呈锐角三角形分布，即第一长轴6的轴线、第二长轴22的轴线和第三长轴24的轴线在图4中的连线为锐角三角形。从而能够夹紧模拟套管11，第一长轴6、第二长轴22和第三长轴24自转后依靠摩擦力便能够驱动模拟套管11自转。

在本实施例中，模拟套管11的轴线沿水平方向设置，第二长轴22的轴线和第三长轴24的轴线位于同一水平高度，第一长轴6位于第二长轴22和第三长轴24的上方，如图1和图2所示，第一长轴6、第二长轴22和第三长轴24呈等腰三角形分布，即如图4所示，第一长轴6到第二长轴22和第三长轴24的距离相等。第一长轴6在竖直方向上的位置能够调节，所述模拟套管旋转驱动组件能够夹持多种不同管径的模拟套管11，模拟套管11的轴线和模拟钻杆25的轴线位于同一水平面内。

在本实施例中，所述油气井套管磨损试验台还包括支撑板10，支撑板10位于第二长轴22和第三长轴24的下方，第一长轴6的一端和中部均通过长支座17与支撑板10连接固定，第二长轴22的一端和中部均通过第一短支座21与支撑板10连接固定，第二长轴22的一端和中部均通过第二短支座23与支撑板10连接固定，模拟套管11位于第一长轴6、第二长轴22和第三长轴24的另一端，如图1和图3所示。

在本实施例中，长支座17的上端设有滑动块16、调节旋钮支板15和调节旋钮14，滑动块16能够沿竖直方向移动，第一长轴6插接于滑动块16内，第一长轴6与滑动块16之间设有轴承，滑动块16的下方设有弹性部件(如弹簧)，该弹性部件能够给滑动块16提供向上的回复力，调节旋钮支板15与长支座17固定连接，调节旋钮14与调节旋钮支板15螺纹连接，调节旋钮14的下端与滑动块16抵接，旋拧调节旋钮14能够调节滑动块16和第一长轴6在竖直方向上的位置，如图5所示。

另外，所述模拟套管旋转驱动组件还包括电机1、联轴器2、电机支座3、主动齿轮4和主动轴27，为整个整个系统提供选择的动力。电机1通过联轴器2与主动轴27连接，两个电机支座3配对，通过轴承完成对主动轴27的支撑。主动齿轮4和主动轴27上都有键槽，通过键进行连接。第二长轴22和从动齿轮5上开有键槽，通过键进行连接，主动齿轮4和从动齿轮5配合传递动力。长支座17的顶端有滑槽，滑动块16可以在滑槽内实现上下滑动，长支座17靠近滑动块16的端面有圆孔，里面放有弹簧，为滑动块16提供向上的力。两个滑动块16配对，通过轴承形成对第一长轴6的支撑。调节旋钮支板15通过螺钉固定在长支座17上，调节旋钮14通过螺纹和调节旋钮支板15连接，通过旋转调节旋钮14就可以调整滑动块16及第一长轴6的位置。第一长轴6、第二长轴22和第三长轴24形成对模拟套管11的夹持，第一长轴6、第二长轴22和第三长轴24的外表面都有橡胶套，增加各轴和模拟套管11之间的摩擦力。第一长轴6、第二长轴22和第三长轴24的尾端有螺纹，与限位块13进行连接。限位块13可以防止模拟套管11脱离。

在本实施例中，钻杆夹具12的右侧设有用于模拟钻杆25插接的凹槽，如图1和图5所示，模拟钻杆25的左端能够通过定位杆26插接固定于该凹槽内，该凹槽与模拟钻杆25的左端相匹配，定位杆26能够同时与钻杆夹具12和模拟钻杆25插接。具体的，在钻杆夹具12和模拟钻杆25上都钻有圆孔，在圆孔中插入定位杆26，将钻杆夹具12和钻杆25连接在一起。定位杆26实现模拟钻杆25和钻杆夹具12的可拆卸连接，所述模拟拉力加载组件与模拟钻杆25的右端连接。

在本实施例中，支撑板10的上表面设有与钻杆夹具12相匹配的滑槽，钻杆夹具12为矩形的板状结构，钻杆夹具12的下端插接于该滑槽，该滑槽的长度方向与模拟钻杆25的轴线垂直，即该滑槽的长度方向为图3中的上下方向，钻杆夹具12能够带动模拟套管11沿该滑槽的长度方向滑动(即图3中的上下方向滑动)，钻杆夹具12通过螺钉与支撑板10连接固定。钻杆夹具12与支撑板10连接的部位设有长条形通孔，该长条形通孔的长度方向与该滑槽的长度方向相同，通过螺钉可以调节钻杆夹具12在图2中左右方向的位置并将其固定。

在本实施例中，沿该滑槽的长度方向，钻杆夹具12的一端外设有第一千分尺8，第一千分尺8的测微螺杆与钻杆夹具12抵接，第一千分尺8与支撑板10通过千分尺支座7连接固定，第一千分尺8能够测量钻杆夹具12和模拟钻杆25移动的位移，即第一千分尺8能够测量钻杆夹具12和模拟钻杆25沿图3中上下方向移动的位移。

在本实施例中，所述模拟拉力加载组件包括电动缸19，电动缸19能够通过拉力传感器20与模拟钻杆25的端部连接固定，电动缸19能够给模拟钻杆25施加轴向的拉应力，拉力传感器20能够测量该拉应力的大小。电动缸19通过电动缸支座18与支撑板10的上表面连接固定，电动缸19的活塞杆、拉力传感器20和模拟钻杆25依次连接固定，电动缸19和电动缸支座18能够随模拟钻杆25同步沿图3中的上下方向移动，支撑板10上固定有第二千分尺28，第二千分尺28能够测量电动缸19和电动缸支座18移动的位移，即第二千分尺28能够测量电动缸19和电动缸支座18沿图3中上下方向移动的位移。第一千分尺8和第二千分尺28均不含有尺架或框架。第二千分尺28与支撑板10通过千分尺支座7连接固定。

具体的，模拟钻杆25通过螺纹和拉力传感器20连接，拉力传感器20通过螺纹连接到电动缸19的活塞杆上。电动缸19通过螺钉固定到电动缸支座18上，电动缸支座18通过螺钉固定到支撑板10上。电动缸支座18上拧螺钉的位置也有长条形通孔，可以调节电动缸支座18和电动缸19在支撑板10上的位置，即电动缸支座18和电动缸19可以沿图3中的上下方向移动并被固定。第一千分尺8通过千分尺支座7固定在支撑板10上，可以精确测量钻杆夹具12的位置，第二千分尺28可以精确测量电动缸支座18和电动缸19的位置。通过电动缸19和拉力传感器20实现对模拟钻杆25的加载及拉力控制。

另外，支撑板10的下方设有支脚9起到支撑作用。支脚9和支撑板10之间通过螺钉连接，支撑板10上有螺纹孔，所述模拟套管旋转驱动组件、模拟拉力加载组件、钻杆夹具12等部件通过螺钉固定到支撑板10上。

下面介绍该油气井套管磨损试验台的工作过程：

测试开始之前，将模拟套管11放入第一长轴6、第二长轴22和第三长轴24之间，旋转调节旋钮14使三根轴压紧模拟套管11。将模拟钻杆25放入钻杆夹具12的圆槽内，并插入定位杆26，实现对模拟钻杆25的固定，使其无法转动和移动。调整钻杆夹具12和电动缸支座18的位置，同过两个千分尺(第一千分尺8和第二千分尺28)准确控制使模拟套管11和模拟钻杆25的偏心距。启动电动缸19，让模拟钻杆25受到预想的拉力。

开始测试时，启动电机1，通过联轴器2带动主动齿轮4和主动轴27转动，进一步带动主动轴27上的主动齿轮4转动。主动齿轮4和从动齿轮5配合，从动齿轮5带动第二长轴22转动。第一长轴6、第二长轴22和第三长轴24在模拟套管11所在位置的部分上有橡胶套，提供大的摩擦力，第二长轴22转动时带动模拟套管11转动，实现模拟套管11的自转运动。由于偏心模拟套管11和模拟钻杆25会产生相互挤压，产生摩擦和磨损，实现模拟油气井钻井装备中套管-钻杆系统的运动，进一步研究套管的磨损失效问题的功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种油气井套管磨损试验台，其特征在于，所述油气井套管磨损试验台包括：

模拟套管旋转驱动组件，能够固定模拟套管(11)的位置并驱动模拟套管(11)自转；

模拟拉力加载组件，能够给模拟钻杆(25)施加轴向的拉应力；

钻杆夹具(12)，能够固定模拟钻杆(25)的位置；

当所述油气井套管磨损试验台处于实验状态时，模拟套管(11)套设于模拟钻杆(25)外，模拟套管(11)的轴线与模拟钻杆(25)的轴线平行，钻杆夹具(12)能够使模拟钻杆(25)径向移动，模拟套管(11)的轴线与模拟钻杆(25)的轴线之间的距离能够被调节。

2.根据权利要求1所述的油气井套管磨损试验台，其特征在于，所述模拟套管旋转驱动组件含有第一长轴(6)、第二长轴(22)和第三长轴(24)，第一长轴(6)、第二长轴(22)和第三长轴(24)均与模拟套管(11)外切，第一长轴(6)、第二长轴(22)和第三长轴(24)呈锐角三角形分布，第一长轴(6)、第二长轴(22)和第三长轴(24)自转后能够驱动模拟套管(11)自转。

3.根据权利要求2所述的油气井套管磨损试验台，其特征在于，模拟套管(11)的轴线沿水平方向设置，第二长轴(22)的轴线和第三长轴(24)的轴线位于同一水平高度，第一长轴(6)位于第二长轴(22)和第三长轴(24)的上方，第一长轴(6)、第二长轴(22)和第三长轴(24)呈等腰锐角三角形分布，第一长轴(6)在竖直方向上的位置能够调节，模拟套管(11)的轴线和模拟钻杆(25)的轴线位于同一水平面内。

4.根据权利要求3所述的油气井套管磨损试验台，其特征在于，所述油气井套管磨损试验台还包括支撑板(10)，支撑板(10)位于第二长轴(22)和第三长轴(24)的下方，第一长轴(6)的一端和中部均通过长支座(17)与支撑板(10)连接，第二长轴(22)的一端和中部均通过第一短支座(21)与支撑板(10)连接，第二长轴(22)的一端和中部均通过第二短支座(23)与支撑板(10)连接，模拟套管(11)位于第一长轴(6)、第二长轴(22)和第三长轴(24)的另一端。

5.根据权利要求4所述的油气井套管磨损试验台，其特征在于，长支座(17)的上端设有滑动块(16)、调节旋钮支板(15)和调节旋钮(14)，滑动块(16)能够沿竖直方向移动，第一长轴(6)插接于滑动块(16)内，第一长轴(6)与滑动块(16)之间设有轴承，滑动块(16)的下方设有弹性部件，该弹性部件能够给滑动块(16)提供向上的回复力，调节旋钮支板(15)与长支座(17)固定连接，调节旋钮(14)与调节旋钮支板(15)螺纹连接，调节旋钮(14)的一端与滑动块(16)抵接，旋拧调节旋钮(14)能够调节滑动块(16)和第一长轴(6)在竖直方向上的位置。

6.根据权利要求1所述的油气井套管磨损试验台，其特征在于，钻杆夹具(12)的一侧设有用于模拟钻杆(25)插接的凹槽，模拟钻杆(25)的一端能够通过定位杆(26)插接固定于该凹槽内，定位杆(26)能够与钻杆夹具(12)和模拟钻杆(25)插接，所述模拟拉力加载组件与模拟钻杆(25)的另一端连接。

7.根据权利要求6所述的油气井套管磨损试验台，其特征在于，所述油气井套管磨损试验台还包括支撑板(10)，支撑板(10)的表面设有与钻杆夹具(12)相匹配的滑槽，该滑槽的长度方向与模拟钻杆(25)的轴线垂直，钻杆夹具(12)能够沿该滑槽的长度方向滑动。

8.根据权利要求7所述的油气井套管磨损试验台，其特征在于，沿该滑槽的长度方向，钻杆夹具(12)的一端外设有第一千分尺(8)，第一千分尺(8)的测微螺杆与钻杆夹具(12)抵接，第一千分尺(8)与支撑板(10)连接固定，第一千分尺(8)能够测量钻杆夹具(12)和模拟钻杆(25)移动的位移。

9.根据权利要求1所述的油气井套管磨损试验台，其特征在于，所述模拟拉力加载组件包括电动缸(19)，电动缸(19)能够通过拉力传感器(20)与模拟钻杆(25)的端部连接固定，电动缸(19)能够给模拟钻杆(25)施加轴向的拉应力，拉力传感器(20)能够测量该拉应力的大小。

10.根据权利要求9所述的油气井套管磨损试验台，其特征在于，所述油气井套管磨损试验台还包括支撑板(10)，电动缸(19)通过电动缸支座(18)与支撑板(10)连接固定，电动缸(19)和电动缸支座(18)能够随模拟钻杆(25)同步移动，支撑板(10)上固定有第二千分尺(28)，第二千分尺(28)能够测量电动缸(19)和电动缸支座(18)移动的位移。