CN107219084A - 动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台，包括架体、旋转装置、夹持装置、加载装置四大部分组成，能够模拟指向式旋转导向钻井工具在实际井况中的导向过程，同时能实现指向式旋转导向钻井工具在承受轴向压力和扭矩的同时可控弯接头在其工作范围内角度的任意调整；通过加载轴向压力和扭矩，可以对指向式旋转导向钻井工具进行导向性能、可靠性、控制原理进行验证等方面实验研究，也可以进行模拟钻井的研究，本发明可以作为指向式旋转导向工具的性能测试以及原理验证。

Description

动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台

技术领域

本发明属于石油钻井工程领域，具体涉及一种指向式旋转导向钻井工具试验台架。

背景技术

为了满足油气资源勘探开发的要求，大位移井、三维多目标多分支井、长水平段水平井等复杂结构井越来越多，也越来越常规化，常规滑动钻井技术已经不能满足复杂井钻井工艺的技术要求，其钻井效率低下、井眼净化差、井深质量差、井下事故频发等诸多问题，严重影响着我国钻井事业和石油开采技术的发展。因此旋转导向钻井技术应运而生，即采用旋转导向钻井系统在旋转钻井方式下实现井斜和方位的调整，配合随钻测量技术的井下控制技术，在进行井下测量信息实时反馈的同时，自动调整井下工具的造斜能力，实现复杂井眼轨迹的连续和自动控制，提高钻井效率和开发效益。国外石油公司根据各种偏置原理研发出了多种类型的旋转导向钻井系统，并已经成功进行了商业化应用，取得了很高的经济效益。国内在这方面的研究起步较晚，还未研发出能够成功商业化应用的旋转导向钻井工具。国内研究机构在国外技术的基础上，进行了旋转导向钻井装置的研究，虽然在原理上都能实现定向钻井和方位调整，但由于缺乏充分的实验室实验方面的研究，很多关键技术仍无法突破。本专利提出一种动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台为进行旋转导向钻井系统实验室研究的提供有力实验手段。

发明内容

为解决上述问题，本发明目的在于提出一种动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台，在实验室条件下真实模拟动态指向式旋转导向钻井工具在加载之后的导向能力，以及动态指向式旋转导向钻井工具控制性能，对动态指向式旋转导向钻井工具的可靠性进行研究。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台，包括安装在架体上的旋转装置、夹持装置和加载装置；

旋转装置包括液压马达、输出轴一、扭矩变送器和输出轴二；液压马安装在在架体上，液压马达输出轴与输出轴一一端连接，输出轴一通过两个深沟球轴承二安装在架体上，输出轴一另一端与扭矩变送器连接，扭矩变送器另一端与输出轴二连接，输出轴二通过推力球轴承和深沟球轴承安装在架体上，输出轴二另一端与输出轴套一端连接，输出轴套上安装有汇流环，用来进行动静之间的信号传递，输出轴套另一端与工件连接；

夹持装置包括手轮、直线导轨、支撑头和支撑架；布置在工件两侧的两个支撑架固定在架体上，两个支撑架及工件下方的架体上分别安装有直线导轨，丝杠和丝套组成的夹持机构分别安装在直线导轨上，夹持机构能够在直线导轨滑槽上自由滑动，丝杠上端安装手轮、另一端安装支撑头，支撑头上均装有两个用于夹持工件的深沟球轴承；

加载装置包括负载轴和液压泵；液压泵的输出轴与负载轴连接将扭矩传递给负载轴，负载轴另一端与工件的钻头连接，油缸包括油缸空心轴和油缸体，油缸通过深沟球轴承安装在负载轴上，油缸用于给负载轴提供轴向力，环形挡圈通过螺栓与油缸的油缸体连接，挡圈上沿周向均匀安装有多个牛眼轮万向滚珠，牛眼轮万向滚珠与挡圈之间安装有弹簧，牛眼轮万向滚珠一侧安装有用来抵消油缸给工具施加轴向力的挡板，挡板安装在架体上，挡板与牛眼轮万向滚珠的接触面为球面；负载轴上通过推力球轴承安装有用来测量负载轴轴向力大小的压力传感器。

进一步，油缸体套在油缸空心轴上，油缸空心轴和油缸体之间形成两个油腔，一个油腔开有进油孔，另一油腔开有出油孔。

进一步，输出轴二通过推力球轴承和两个深沟球轴承安装在轴承支座上，轴承支座安装在架体上；推力球轴承和深沟球轴承之间用隔环隔开，两个深沟球轴承之间用两个隔套隔开。

进一步，轴承支座一端装有用来调整轴承间隙的透盖二，轴承支座和透盖二上都装有毡圈密封，轴承支座与架体之间安装有平键一。

进一步，两个支撑架上的夹持机构与支撑头通过销轴活动连接，架体上的夹持机构与支撑头固定连接。

进一步，所述架体由矩形钢焊接而成，架体下部通过膨胀螺栓与地面紧固连接，架体后端开有等距螺纹孔和销钉孔，用于安装加载装置。

进一步，输出轴与负载轴通过平键一连接，负载轴与法兰二通过平键二连接，法兰二与法兰一通过平键三连接，法兰一与钻头通过平键四连接。

本发明的有益效果是：

1本发明可用于研究指向式旋转导向钻井工具的可控弯接头在加载后的导向能力、控制性能、指向式旋转导向钻井工具的可靠性。为指向式旋转导向钻井工具导向性能研究、指向式旋转导向钻井工具动力学研究以及侧向力等等进行系统全面的研究。

2本发明的轴向加载装置和扭矩加载装置以及扭矩负载部分全部采用液压加载，能够为指向式旋转导向钻井工具提供实际钻井工况的轴向载荷以及扭矩载荷。

3本发明的扭矩负载装置采用液压泵，液压泵可以满足扭矩负载的加载。

4本发明测量装置中的压力传感器在实验过程中可实时测量轴向压力，并通过信号电缆将数据传至数据处理装置进行处理。

5本发明的架体上开有均布的螺栓孔，可以满足不同长度尺寸的旋转导向钻井工具的实验研究。同时架体上也可以安装其他实验装置进行其他方面的实验研究。

6本发明的轴向反作用力抵消装置，能够抵消可控弯接头在未偏摆时液压缸给钻头施加的轴向力，同时能够抵消可控弯接头在有一定的偏摆角度时液压缸给钻头施加的轴向力。轴向反作用力抵消装置上安装有牛眼轮万向滚珠，能够减小可控弯接头在各个方向偏摆的过程中产生的摩擦力。

7本试验台中的所有测得的数据都可以传递到电脑上，通过电脑对所获得数据进行处理。对整套实验设备进行实时监控。

8本实验台支撑组件的支撑装置可以在直线轨道上滑动，以实现对工具不同部位的夹持。支撑装置上的支撑头与支撑装置通过销子实现铰链连接，支撑头上装有两个深沟球轴承，这样能够实现对实验工件很好的对中。

附图说明

图1为指向式旋转导向钻井工具整体结构示意图；

图1a是试验台架主视图；图1b是试验台架俯视图；

图2为动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台旋转装置结构图；

图3为动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台夹持组件结构图；

图3a是加持装置主视图；图3b是加持装置左视图；

图4为动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台后支撑头组件结构图；

图中：旋转装置1、工件2、夹持装置3、加载装置4、膨胀螺栓5、架体6、销空7、螺栓孔8、液压马达1-1、液压马达支座1-2、输出轴一1-3、透盖一1-4、扭矩变送器1-5、输出轴二1-6、轴承支座1-7、推力球轴承1-8、隔环1-9、隔套一1-10、深沟球轴承一1-11、汇流环1-12、输出轴套1-13、平键二1-14、透盖二1-15、圆螺母1-16、平键一1-17、毡圈密封1-18、隔套二1-19、深沟球轴承二1-20、手轮3-1、夹持装置一3-2、直线导轨3-3、支撑头3-4、销子3-5、加持装置二3-6、深沟球轴承三3-7、丝杠3-8、丝套3-9、支撑架3-10、钻头4-1、平键一4-2、法兰一4-3、法兰二4-4、平键二4-5、负载轴4-6、压力传感器4-7、挡环4-8、弹簧4-9、隔套4-10、挡板4-11、牛眼轮万向滚珠4-12、油孔一4-13、油缸体4-14、油孔二4-15、油缸空心轴4-16、毡圈密封4-17、液压泵4-18、平键四4-19、输出轴4-20、O型圈4-21、油缸封圈4-22、透盖4-23、深沟球轴承四4-24、挡圈4-25、推力球轴承一4-26、平键三4-27。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台如图1所示，主要由旋转装置1、工件2、后支撑部分4、架体6组成。

图1a和图1b中液压马达1-1给工件2加载扭矩，扭矩变送器1-5用来测量扭矩大小，汇流环1-12用来给工件供电。夹持装置3用来支撑工件2，加载装置4用来给工件2提供轴向力和为钻头进行在加载状态下摆动提供可能。

如图2所示，旋转装置包括液压马达1-1、液压马达支座1-2、输出轴一1-3、透盖一1-4、扭矩变送器1-5、输出轴二1-6、轴承支座1-7、推力球轴承1-8、隔环1-9、隔套一1-10、深沟球轴承一1-11、汇流环1-12、输出轴套1-13、平键二1-14、透盖二1-15、圆螺母1-16、平键一1-17、毡圈密封1-18、隔套二1-19、深沟球轴承二1-20。

其中液压马达1-1安装在液压马达支座1-2上，液压马达支座1-2安装在架体6上。液压马达支座1-2右端安装有透盖一1-4，用来紧固轴承。透盖一1-4上装有毡圈密封1-18。液压马达输出轴与输出轴一1-3左端连接，输出轴一1-3通过两个深沟球轴承二1-14与液压马达支座1-2连接，同时输出轴一1-3与液压马达支座1-2连接实现动静分离。输出轴一1-3右端通过螺栓与扭矩变送器1-5左端连接。扭矩变送器1-5右端通过螺栓与输出轴二1-6连接。输出轴二1-6通过推力球轴承1-8和两个深沟球轴承1-11安装在轴承支座1-7上，推力球轴承1-8和深沟球轴承1-11之间用隔环1-9隔开，两个深沟球轴承之间用两个隔套一1-10隔开。轴承支座1-7安装在架体6上。深沟球轴承一1-11右端安装有圆螺母1-16，用来紧固轴承。轴承支座1-7右端装有透盖二1-15，用来调整轴承间隙。轴承支座1-7和透盖二1-15上都装有毡圈密封1-18。轴承支座1-7与架体6之间安装有平键一1-17，用来提高轴向力的传输能力。输出轴二1-6右端通过平键二1-14与输出轴套1-13连接。输出轴套1-13上安装有汇流环1-12，用来进行动静之间的信号传递。输出轴套1-13右端与工件2连接。

如图3所示，图3a和图3b中夹持装置3包括手轮3-1、夹持装置一3-2、直线导轨3-3、支撑头3-4、销子3-5、加持装置二3-6、深沟球轴承三3-7、丝杠3-8、丝套3-9、支撑架3-10。

其中支撑架3-10安装在架体6上。支撑架3-10上安装支撑装置一3-2和支撑装置二3-6以及直线导轨3-3。支撑装置一3-2和支撑装置二3-6可以在直线导轨3-3上自由滑动，实现不同部位的夹持。夹持装置一3-2一端安装手轮3-1，一端安装支撑头3-4。夹持装置一3-2通过销子二与支撑头3-4连接。支撑头3-4上装有两个深沟球轴承三3-7，通过销子一3-5连接。丝杠3-8与丝套3-9的配合可以用来夹持不同直径的工件。支撑架3-10上装有三个支撑装置，两个相同的支撑装置一3-2和一个支撑装置二3-6。支撑装置一3-2上的支撑头3-4与支撑装置一3-2是活动连接，一个支撑装置二3-6上的支撑头与支撑装置二3-6是固定连接，这样是为了在工件没有对中的情况下仍然能够可靠夹持。

架体6由矩形钢焊接而成，架体6下部通过膨胀螺栓5与地面紧固连接。架体6后端开有等距螺纹孔8和销钉孔7。这样是为了在进行不同长度尺寸的工件时，加载装置4的安装。增加了试验台的可试验范围。

如图4所示，加载装置4包括钻头4-1、平键一4-2、法兰一4-3、法兰二4-4、平键二4-5、负载轴4-6、压力传感器4-7、挡环4-8、弹簧4-9、隔套4-10、挡板4-11、牛眼轮万向滚珠4-12、油孔一4-13、油缸体4-14、油孔二4-15、油缸空心轴4-16、毡圈密封4-17、液压泵4-18、平键四4-19、输出轴4-20、O型圈4-21、油缸封圈4-22、透盖4-23、深沟球轴承四4-24、挡圈4-25、推力球轴承一4-26、平键三4-27。

压力传感器4-7是用来测量轴向力大小，轴向力传递部分包括油缸空心轴4-16、透盖4-23、挡圈4-25、推力球轴承一4-26，其中油缸空心轴4-16与透盖4-23用内六角圆柱螺栓连接，透盖4-23与压力传感器4-7接触，压力传感器4-7与挡圈4-25接触，挡圈4-25推力球轴承一4-26接触，所有轴向力传递部分都安装在负载轴4-6上。

扭矩负载部分包括输出轴4-20、平键四4-19、负载轴4-6、平键二4-5、法兰二4-4、平键三4-27、法兰一4-3、平键一4-2。其中输出轴4-20与负载轴4-6通过平键一4-2连接，负载轴4-6与法兰二4-4通过平键二4-5连接，法兰二4-4与法兰一4-3通过平键三4-27连接，法兰一4-3与钻头4-1通过平键四连接。

密封部分包括油缸封圈4-22、毡圈油封4-17、O型圈4-21。其中油缸封圈4-22上套有两个O型圈4-21，分别与油缸空心轴4-16和油缸体4-14接触，形成卸载油腔密封。同时油缸空心轴上4-16装有O型圈4-21和毡圈油封4-17，形成加载油腔密封。

轴向反作用力抵消部分包括挡板4-11、牛眼轮万向滚珠4-12、弹簧4-9。其中挡板4-11安装在架体上，挡环4-8与油缸体4-14体用螺栓连接，牛眼轮万向滚珠4-12安装挡圈4-25上，同时牛眼轮万向滚珠4-12下部装有弹簧4-9。

油缸体4-14后端与液压泵相连接，深沟球轴承四4-24用来实现动静分离，液压泵4-18用来提供扭矩负载。

实施例1

如果需要给工具加载钻压，油泵将通过油孔二4-15给右边油腔加压。油压推动油缸空心轴4-16将轴向力传递通过透盖4-23、压力传感器4-7、挡圈4-25、推力球轴承一4-26、法兰二4-4、法兰一4-3传递给钻头4-1。如果需要卸载，油孔二4-15先泄压，然后油泵通过油孔一4-13给左边油腔加压达到卸载效果。

实施例2

如果需要加载扭矩负载，液压泵4-18通过输出轴4-20、平键四4-19、负载轴4-6、平键二4-5、法兰一4-3、法兰二4-4、平键一4-2传递给钻头4-1。

实施例3

如果钻头4-1在加载的时候需要摆动，钻头4-1带动除了挡板之外的所有东西进行任意方向的摆动。挡板4-11抵消轴向力所产生的轴向反作用力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台，其特征在于：包括安装在架体(6)上的旋转装置(1)、夹持装置(3)和加载装置(4)；

旋转装置(1)包括液压马达(1-1)、输出轴一(1-3)、扭矩变送器(1-5)和输出轴二(1-6)；液压马达(1-1)安装在架体(6)上，液压马达输出轴与输出轴一(1-3)一端连接，输出轴一(1-3)通过两个深沟球轴承二(1-20)安装在架体(6)上，输出轴一(1-3)另一端与扭矩变送器(1-5)一端端连接，扭矩变送器(1-5)另一端与输出轴二(1-6)连接，输出轴二(1-6)通过推力球轴承(1-8)和深沟球轴承一(1-11)安装在架体(6)上，输出轴二(1-6)另一端与输出轴套(1-13)一端连接，输出轴套(1-13)上安装有汇流环(1-12)，用来进行动态情况下的信号传递，输出轴套(1-13)另一端与被测工件(2)连接；

夹持装置(3)包括手轮(3-1)、直线导轨(3-3)、支撑头(3-4)和支撑架(3-10)；布置在被测工件(2)两侧的两个支撑架(3-10)固定在架体(6)上，两个支撑架(3-10)安装有直线导轨(3-3)，丝杠(3-8)和丝套(3-9)组成的夹持爪分别安装在直线导轨(3-3)上，夹持爪能够在直线导轨(3-3)滑槽上自由滑动，丝杠(3-8)上端安装手轮(3-1)、另一端安装支撑头(3-4)，支撑头(3-4)上均装有两个用于夹持被测工件(2)的深沟球轴承三(3-7)；

加载装置(4)包括负载轴(4-6)和液压泵(4-18)；液压泵(4-18)的输出轴(4-20)与负载轴(4-6)连接将扭矩传递给负载轴(4-6)，负载轴(4-6)另一端与被测工件(2)上的钻头连接，油缸包括油缸空心轴(4-16)和油缸体(4-14)，油缸通过深沟球轴承四(4-24)安装在负载轴(4-6)上，油缸用于给负载轴(4-6)提供轴向力，环形的挡圈(4-25)通过螺栓与油缸的油缸体(4-14)连接，挡圈(4-25)上沿周向均匀安装有多个牛眼轮万向滚珠(4-12)，牛眼轮万向滚珠(4-12)与挡圈(4-25)之间安装有弹簧(4-9)，牛眼轮万向滚珠(4-12)一侧安装有用来抵消油缸给工具施加轴向力的挡板(4-11)，挡板(4-11)安装在架体(6)上，挡板(4-11)与牛眼轮万向滚珠(4-12)的接触面为球面；负载轴(4-6)上通过推力球轴承一(4-26)安装有用来测量负载轴(4-6)轴向力的压力传感器(4-7)。

2.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台，其特征在于：油缸体(4-14)套在油缸空心轴(4-16)上，油缸空心轴(4-16)和油缸体(4-14)之间形成两个油腔，一个油腔开有进油孔，另一油腔开有出油孔。

3.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台，其特征在于：输出轴二(1-6)通过推力球轴承(1-8)和两个深沟球轴承(1-11)安装在轴承支座(1-7)上，轴承支座(1-7)安装在架体(6)上；推力球轴承(1-8)和深沟球轴承(1-11)之间用隔环(1-9)隔开，两个深沟球轴承之间用两个隔套一(1-10)隔开。

4.根据权利要求3所述的动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台，其特征在于：轴承支座(1-7)一端装有用来调整轴承间隙的透盖二(1-15)，轴承支座(1-7)和透盖二(1-15)上都装有毡圈密封(1-18)，轴承支座(1-7)与架体(6)之间安装有平键一(1-17)。

5.根据权利要求(1-4)任一项所述的动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台，其特征在于：两个支撑架(3-10)上的夹持机构与支撑头(3-4)通过销轴活动连接，架体上的夹持机构与支撑头(3-4)固定连接。

6.根据权利要求(1-4)任一项所述的动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台，其特征在于：所述架体(6)由方钢焊接而成，架体(6)下部通过膨胀螺栓(5)与地面紧固连接，架体(6)后端开有等距螺纹孔(8)和销钉孔(7)，用于安装加载装置(4)。

7.根据权利要求(1-4)任一项所述的动态指向式旋转导向钻井工具性能测试试验台，其特征在于：输出轴(4-20)与负载轴(4-6)通过平键一(4-2)连接，负载轴(4-6)与法兰二(4-4)通过平键二(4-5)连接，法兰二(4-4)与法兰一(4-3)通过平键三(4-27)连接，法兰一(4-3)与钻头(4-1)通过平键四(4-19)连接。