CN107389303B - 內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置及方法，其中內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置包括内杆自转装置，内杆自转装置的传动抛光杆下端固定有机玻璃棒；外筒自转装置的减速机连接传动轴，传动轴垂向设置，传动轴上端连接第一同步轮，第一同步轮通过同步带与外筒中部外侧设置的第二同步轮配合传动，外筒为有机玻璃管，外筒通过上外球面带座轴承和下外球面带座轴承固定在实验装置主体中；PIV测量装置的双脉冲激光器设置于外筒外侧，双脉冲激光器与有机玻璃棒对应设置，CCD相机置于外筒的正下方，双脉冲激光器、CCD相机均通过同步控制器连接计算机。本发明实现了平面流场的模拟及PIV技术进行流场的测量。

Description

內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置及方法

技术领域

本发明涉及石油与天然气工程领域，特别涉及石油钻井或地面驱动螺杆泵采油过程中内杆行星运动诱发平面流场的实验及测量，具体涉及內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置及方法。

背景技术

石油钻井或地面驱动螺杆泵采油时，由于井斜或者杆柱的弯曲，钻柱或抽油杆在绕自身轴线旋转的同时，还绕井眼或者油管轴线公转，即内杆行星运动。流体在内杆行星运动的诱发下产生平面流动，该流动规律对于钻井液或采出液的水力参数设计、流体压耗分析、内杆与流体相互作用力、内杆的摩擦扭矩、防磨技术的探讨及防磨工具的研制等都是非常重要的。钻井或者采油工程中，流体在内杆行星运动环空中的流动是三维的，目前环空轴向流动的流场分析相对较多，包括解析解、近似解析解、数值模拟、PIV（Particle ImageVelocimetry）测量分析等，而对于平面流场，除了崔海清等人的有限差分解和少数学者的FLUENT流场模拟外，PIV测量文献极少。内杆的行星运动是在惯性坐标系下观察的结果，如果在特定的非惯性坐标系下观察，内杆的行星运动就变成了内杆与外筒同时的自转运动。为此，建立內杆与外筒自转诱发流体平面流动的实验装置并通过PIV技术进行流场测量，为内杆行星运动所诱发流体平面流场规律的研究及为其它数值软件分析结果提供数据参考等，意义重大。

发明内容

本发明的一个目的是提供內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置，这种內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置用于实现平面流场的模拟及PIV技术进行流场的测量，本发明的另一个目的是提供这种內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置的实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置包括实验装置主体、内杆自转装置、外筒自转装置、PIV测量装置，实验装置主体为框架，内杆自转装置包括第一交流电机、第一减速机、内杆，传动抛光杆的下端固定有机玻璃棒构成内杆，第一减速机通过移动通孔固定在框架的顶板上，第一减速机连接传动抛光杆；外筒自转装置包括第二交流电机、第二减速机、传动轴、同步带、外筒，第二减速机固定在框架的底板上，第二减速机连接传动轴，传动轴垂向设置，传动轴上端连接第一同步轮，第一同步轮与传动轴过盈配合，第一同步轮通过同步带与外筒中部外侧设置的第二同步轮配合传动，外筒为有机玻璃管，外筒通过上外球面带座轴承和下外球面带座轴承固定在实验装置主体中，上外球面带座轴承通过顶丝吊装在顶板下，下外球面带座轴承固定在框架的底板上；PIV测量装置的双脉冲激光器设置于外筒外侧，双脉冲激光器与有机玻璃棒对应设置，CCD相机置于外筒的正下方，双脉冲激光器、CCD相机均通过同步控制器连接计算机。

上述方案中实验装置主体包括顶板、底板，顶板、底板均焊接在四根立柱上，构成四方柱体式框架，顶板上设置有调偏通孔，调偏通孔为条形的，调偏通孔的两侧设置有移动通孔，移动通孔也为条形的，每个移动通孔的外侧设置有螺栓孔；螺栓孔用于固定上外球面带座轴承，移动通孔用于固定第一减速机，传动抛光杆从调偏通孔中穿过，通过移动通孔与调偏通孔相配合，可以方便地对传动抛光杆进行调整。

上述方案中传动抛光杆上端设有托台和键槽，穿过并悬挂在第一减速机上，传动抛光杆的下端同心丝扣连接有机玻璃棒。

上述方案中第二同步轮与外筒通过第二同步轮上内置的四个顶丝配合，便于安装调整；传动轴下端设有托台和键槽，穿过并承托在第二减速机上，第二同步轮在同步带的传动下带动外筒旋转，转速及旋转方向由交流电机控制器控制。

上述方案中上外球面带座轴承、下外球面带座轴承同轴，且均内置顶丝固定并承受外筒及外筒中液体的重量。

上述內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置的实验方法：

1）向外筒内灌注配有粒子的待测液体；

2）调整内杆的偏心距离，并固定；

4）调整双脉冲激光器的位置，使之打出水平激光，同时穿过外筒和内杆下端的有机玻璃棒，调整CCD相机垂直向上拍摄待测平面；

5）调整内杆、外筒自转方向及转速；

6）待流场稳定后，打开计算机进行数据采集与分析；

7）实验结束后，关闭电源；

8）收好CCD相机，放掉外筒里的液体。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明实现了內杆与外筒自转诱发流体平面流动的实验装置的研制，为研究人员或学者分析钻井过程中钻柱行星运动或地面驱动螺杆泵采油中抽油杆行星运动所诱发的流体平面流动的实验数据的获取提供实验帮助，对流体力学理论的丰富提供实验支持。

2、本发明所实现的PIV技术测量与分析所得结论，有利于流体力学理论结果的验证，更利于指导现场实际应用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2是本发明中顶板的俯视图。

图中：1-传动抛光杆、2-第一减速机、3-立柱、4-上外球面带座轴承、5-第一同步轮、6-同步带、7-有机玻璃管、8-底板、9-下外球面带座轴承、10-有机玻璃棒、11-CCD相机、12-第一交流电机、13-顶板、14-螺栓、15-传动轴、16-双脉冲激光器、17-数据传输线、18-同步控制器、19-计算机、20-螺栓孔、21-移动通孔、22-调偏通孔、23-第二减速机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1、图2所示，这种內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置包括实验装置主体、内杆自转装置、外筒自转装置、PIV测量装置，实验装置主体为框架，内杆自转装置的第一减速机2通过移动通孔21固定在框架的顶板13上，第一减速机2连接传动抛光杆1，传动抛光杆1伸入到外筒中；外筒自转装置的第二减速机23固定在框架的底板8上，第二减速机23连接传动轴15，传动轴15垂向设置，传动轴15上端连接第一同步轮5，第一同步轮5与传动轴15过盈配合，第一同步轮5通过同步带6与外筒中部外侧设置的第二同步轮配合传动；PIV测量装置的双脉冲激光器16设置于外筒外侧，双脉冲激光器16与有机玻璃棒10对应设置，CCD相机11置于外筒的正下方，双脉冲激光器16、CCD相机11均通过同步控制器18连接计算机19。

实验装置主体包括顶板13、底板8、立柱3，顶板13、底板8均焊接在四根立柱3上，构成四方柱体式框架；实验装置主体中，顶板13上设置有调偏通孔22，调偏通孔22为条形的，调偏通孔22的两侧设置有移动通孔21，移动通孔21也为条形的，每个移动通孔21的外侧设置有螺栓孔20；顶板13上设有的调偏通孔22调节内杆的偏心距，即调节内杆偏离外筒轴线的距离，通过移动通孔21调整第一减速机2及内杆的整体位置，调节内杆在外筒中的偏心距离，移动通孔21中的螺栓14将第一减速机2固定在顶板13上，顶板13下通过四个螺栓孔20悬挂上外球面带座轴承4，传动抛光杆1从调偏通孔22中穿过，通过移动通孔21与调偏通孔22相配合，可以方便地对传动抛光杆1进行调整；底板8上通过螺栓固定下外球面带座轴承9，第二减速机23通过螺栓固定在底板8上。

内杆自转装置包括第一交流电机12、第一减速机2、内杆，传动抛光杆1的下端固定有机玻璃棒10构成内杆，传动抛光杆1上端设有托台和键槽，穿过并悬挂在第一减速机2上，传动抛光杆1与有机玻璃棒10同心丝扣连接，第一减速机2通过调偏通孔22固定在顶板13上，第一减速机2连接传动抛光杆1，第一减速机2通过键带动传动抛光杆1自转，第一交流电机12通过螺栓固定在第一减速机2上，通过键带动第一减速机2转动，交流电机控制器控制转速及旋转方向。

外筒自转装置包括第二交流电机、第二减速机23、传动轴15、同步带6、外筒，外筒为有机玻璃管7，有机玻璃管7底端面由平面有机玻璃板封固，用于盛放被测流体，有机玻璃筒外部套有上外球面带座轴承4、下外球面带座轴承9，两个外球面带座轴承同轴，固定并保持外筒竖直，上外球面带座轴承4通过螺栓14悬挂在顶板13下面，上外球面带座轴承4内置顶丝固定并承受有机玻璃筒及有机玻璃筒内液体的重量，下外球面带座轴承9通过螺栓固定在底板8上，下外球面带座轴承9也内置顶丝固定并承受有机玻璃筒及有机玻璃筒内液体的重量，有机玻璃筒中部外套于同步轮内，通过四个顶丝与同步轮固定，同步带6及环绕在第一同步轮5、第二同步轮之间构成同步带传动机构，其中第一同步轮5连接有机玻璃管7，第二同步轮连接传动轴15，第二减速机23连接第二交流电机，传动轴15下端设有托台和键槽，穿过并承托于在第二减速机23上，第二同步轮在同步带6的传动下带动外筒旋转，转速及旋转方向由交流电机控制器控制，第二交流电机通过螺栓固定在第二减速机23上，通过键带动第二减速机23转动。

PIV测量装置由计算机19、同步控制器18、双脉冲激光器16、CCD相机11构成，双脉冲激光器16设置于有机玻璃管7外侧，双脉冲激光器16与有机玻璃棒10对应设置，CCD相机11置于有机玻璃管7的正下方，双脉冲激光器16、CCD相机11均通过同步控制器18连接在计算机19上，接通数据传输线17，计算机19控制同步控制器18，同步控制器18同步控制双脉冲激光器16、CCD相机11启停，双脉冲激光器16发出水平激光片光照亮有机玻璃管7内待测区域的水平平面，CCD相机11与激光片光垂直由下向上拍摄，采集图像信息并通过数据传输线17存储在计算机19上，计算机19上相关软件对图像信息进行处理分析。

上述內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置的实验方法：

1）向有机玻璃管7内灌注配有粒子的待测液体；

2）调整内杆的偏心距离，并固定；

4）调整双脉冲激光器16的位置，使之打出水平激光，同时穿过有机玻璃管7和内杆下端的有机玻璃棒10，调整CCD相机11垂直向上拍摄待测平面

5）打开内杆、外筒自转控制器开关，调整内杆、外筒自转方向及转速；

6）待流场稳定后，打开计算机19进行数据采集与分析；

7）实验结束后，分别停下内杆、外筒自转控制器，关闭电源；

8）收好CCD相机11，放掉外筒里的液体。

Claims (6)

1.一种内 杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置，其特征在于：这种內杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置包括实验装置主体、内杆自转装置、外筒自转装置、PIV测量装置，实验装置主体为框架，内杆自转装置包括第一交流电机（12）、第一减速机（2）、内杆，传动抛光杆（1）的下端固定有机玻璃棒（10）构成内杆，第一减速机（2）通过移动通孔（21）固定在框架的顶板（13）上，第一减速机（2）连接传动抛光杆（1）；外筒自转装置包括第二交流电机、第二减速机（23）、传动轴（15）、同步带（6）、外筒，第二减速机（23）固定在框架的底板（8）上，第二减速机（23）连接传动轴（15），传动轴（15）垂向设置，传动轴（15）上端连接第一同步轮（5），第一同步轮（5）与传动轴（15）过盈配合，第一同步轮（5）通过同步带（6）与外筒中部外侧设置的第二同步轮配合传动，外筒为有机玻璃管（7），外筒通过上外球面带座轴承（4）和下外球面带座轴承（9）固定在实验装置主体中，上外球面带座轴承（4）通过顶丝吊装在顶板（13）下，下外球面带座轴承（9）固定在框架的底板（8）上；PIV测量装置的双脉冲激光器（16）设置于外筒外侧，双脉冲激光器（16）与有机玻璃棒（10）对应设置，CCD相机（11）置于外筒的正下方，双脉冲激光器（16）、CCD相机（11）均通过同步控制器（18）连接计算机（19）。

2.根据权利要求1所述的内 杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置，其特征在于：所述的实验装置主体包括顶板（13）、底板（8），顶板（13）、底板（8）均焊接在四根立柱（3）上，构成四方柱体式框架，顶板（13）上设置有调偏通孔（22），调偏通孔（22）为条形的，调偏通孔（22）的两侧设置有移动通孔（21），移动通孔（21）也为条形的，每个移动通孔（21）的外侧设置有螺栓孔（20）；螺栓孔（20）用于固定上外球面带座轴承（4），移动通孔（21）用于固定第一减速机（2），传动抛光杆（1）从调偏通孔（22）中穿过。

3.根据权利要求2所述的内 杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置，其特征在于：所述的传动抛光杆（1）上端设有托台和键槽，穿过并悬挂在第一减速机（2）上，传动抛光杆（1）的下端同心丝扣连接有机玻璃棒（10）。

4.根据权利要求3所述的内 杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置，其特征在于：所述的第二同步轮与外筒通过第二同步轮上内置的四个顶丝配合；传动轴（15）下端设有托台和键槽，穿过并承托在第二减速机（23）上，第二同步轮在同步带（6）的传动下带动外筒旋转，转速及旋转方向由交流电机控制器控制。

5.根据权利要求4所述的内 杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置，其特征在于：所述的上外球面带座轴承（4）、下外球面带座轴承（9）同轴，且均内置顶丝固定并承受外筒及外筒中液体的重量。

6.一种权利要求4或5所述的内 杆与外筒自转诱发流体平面流动测量实验装置的实验方法，其特征在于：

1）向外筒内灌注配有粒子的待测液体；

2）调整内杆的偏心距离，并固定；

4）调整双脉冲激光器（16）的位置，使之打出水平激光，同时穿过外筒和内杆下端的有机玻璃棒（10），调整CCD相机（11）垂直向上拍摄待测平面；

5）调整内杆、外筒自转方向及转速；

6）待流场稳定后，打开计算机（19）进行数据采集与分析；

7）实验结束后，关闭电源；

8）收好CCD相机（11），放掉外筒里的液体。