CN107543690B - 井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置及实验方法，其中井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置的外管下端固定在下机架的支撑板上，压力轴承安装于外管内部，压力轴承下布置有压力传感器，压力传感器坐落于支撑板上；外管是透明有机玻璃管，管柱上端通过旋转接头与钢丝绳连接，钢丝绳盘绕在电动升降机轮盘上，电动升降机安装在上机架上，拉力传感器通过钢丝绳与旋转接头连接；皮带传动装置通过可拆卸皮带轮与管柱连接；外管间隔布置一对对激光位移传感器，每对激光位移传感器发出的激光射线互成90度；压力传感器、拉力传感器、各激光位移传感器均连接计算机。本发明用于模拟测试井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲的临界载荷。

Description

井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及油气井钻采技术领域中对井筒内悬挂管柱进行研究的实验装置，具体涉及井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置及实验方法。

背景技术

井筒内悬挂管柱包括钻柱、套管柱、测试管柱、抽油杆管柱、连续管等，悬挂管柱上端受拉，下端受压力载荷作用。管柱屈曲对石油工程中的诸多方面(如钻井、完井、测井、试井、压裂、封堵、采油等)都有严重的影响。钻柱的屈曲会引起钻头的偏斜，形成“狗腿”；油管的屈曲增加了套管和油管的磨损，增加了能耗。管柱经常处于屈曲状态工作，严重的屈曲会引起管柱的破坏，特别是随着深井、超深井等钻井技术的不断深入，管柱屈曲已成为石油钻采工程中的关键技术问题。

悬挂管柱在下放过程中，管柱上端拉力载荷减小，下端压力载荷增大。当作用于管柱下端的压力载荷较小时，管柱将保持直线平衡状态；当下端压力载荷达到某一临界值时，管柱的直线平衡形式就不再稳定，压力载荷的增加将使管柱屈曲成正弦状，这时管柱发生了正弦屈曲。管柱发生正弦屈曲后，压力载荷的继续增加将使管柱正弦屈曲构型的横向变形增加；当载荷增加到另一临界值时，管柱的屈曲构型将变成螺旋状，这时管柱发生了螺旋屈曲。当管柱发生螺旋屈曲后，若压力载荷增加将会使管柱与井筒之间的接触力激增；严重的螺旋屈曲后，压力载荷的增加与井筒约束之间摩阻的增加相平衡，即不能将管柱上端的载荷传递到管柱下端，这时管柱发生“锁死”，影响后续作业。

发明内容

本发明的一个目的是提供井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置，这种井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置用于模拟测试井筒内悬挂管柱在下放过程中的正弦屈曲和螺旋屈曲过程及其临界载荷，本发明的另一个目的是提供这种井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟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：这种井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置包括悬挂装置、下机架、管柱、外管、外管固定装置、转速驱动装置；下机架设置于地面上，上机架设置于高处，外管下端通过法兰盘固定在下机架的支撑板上，压力轴承安装于外管内部，压力轴承下布置有压力传感器，压力传感器坐落于支撑板上；悬挂装置包括上机架、电动升降机、定滑轮、钢丝绳、旋转接头；外管是透明的有机玻璃管，外管通过外管固定装置垂直固定，管柱伸入到外管内，管柱上端通过旋转接头与钢丝绳相连接，钢丝绳盘绕在电动升降机的轮盘上，电动升降机安装在上机架上，拉力传感器通过钢丝绳与旋转接头连接；转速驱动装置包括皮带传动装置，皮带传动装置通过一个可拆卸皮带轮与管柱连接，该可拆卸皮带轮位于旋转接头下方；外管从上到下每间隔一定距离布置一对激光位移传感器，每对激光位移传感器发出的激光射线互成90度，每对激光位移传感器由夹持装置固定于外管外部；压力传感器、拉力传感器、各激光位移传感器均通过数据采集器连接计算机。

上述方案中夹持装置包括左夹持环、右夹持环，左夹持环、右夹持环均为半圆形夹持环，两个半圆形夹持环一端由销钉连接，另一端由可拆卸螺钉螺母连接构成环形夹持环，环形夹持环外壁设置有两对螺纹导轨，每对螺纹导轨之间设置有固定板，固定板通过螺母可拆卸地紧固在螺纹导轨上，激光位移传感器固定于固定板槽内，当夹持装置夹紧外管时，两对螺纹导轨中心线成90度夹角。

上述方案中激光位移传感器沿外管从上到下每间隔布置时，靠近管柱下端布置的激光位移传感器密集一些，靠近管柱上端布置的激光位移传感器稀疏一些。

上述方案中旋转接头包括套筒、上短接、下短接、轴承、销轴，上短接设置上圆孔和下圆孔，套筒设置一个销孔，下短接设置一个螺纹孔，钢丝绳穿过上短接的上圆孔与旋转接头连接，上短接的下圆孔和套筒销孔通过销轴连接，销轴的一端具有顶帽，销轴另一端开键孔，销键插入键孔中，由销键固定防止销轴脱落；下短接与套筒通过轴承连接，下短接通过螺栓与管柱连接，下短接可以通过轴承实现相对旋转并减少摩擦。

上述方案中转速驱动装置包括电动机、皮带传动装置，电动机固定于上机架上，皮带传动装置由电动机皮带轮、皮带、可拆卸皮带轮构成，可拆卸皮带轮两端各设置一个连接头，每个设置有两个正对管柱轴心的螺栓，管柱穿过可拆卸皮带轮后，通过螺栓将可拆卸皮带轮与管柱相互锁死，电动机通过皮带传动装置和可拆卸皮带轮驱动管柱旋转，需要移动可拆卸皮带轮时，松动螺栓即可。

上述方案中高达20m以上的管柱垂直悬挂于实验室大楼楼梯间内，每个楼层均安装外管固定装置，外管固定装置固定于楼层地面上，外管通过外管固定装置固定于每个楼梯口楼板上；外管固定装置一端的夹持头固定外管，与夹持头连接的筋板通过螺栓固定于楼层地板上，夹持头通过螺栓连接并夹紧外管，保证外管的竖直与稳定。

上述方案井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置的实验方法：

一、首先将管柱与旋转接头连接牢固，然后打开电动升降机缓慢提升管柱，直到管柱不与压力轴承接触并保持一定距离，并使管柱与外管内壁不接触，管柱与外管轴心保持重合；

二、缓慢下放管柱，测试上机架对管柱的悬挂拉力载荷和压力轴承对管柱的压力载荷，测试激光位移传感器所显示管柱横向位移；

三、数据处理：首先在激光位移传感器所在平面建立一个平面坐标系，规定两个互成90度夹角的激光位移传感器所在直线分别为x轴、y轴，坐标轴原点所在位置为外管轴心；激光位移传感器测试所得数据则为管柱外壁在x轴、y轴上的坐标，已知外管内径和管柱外径，根据平面几何原理计算得出管柱轴心所在位置；各个激光位移传感器测出相应的轴心点，利用三次样条插值法将若干个轴心点连成一条光滑的曲线，得出管柱变形形态；

四、在管柱外壁不接触外管内壁的前提下，重复步骤二和步骤三，判断管柱是否发生横向位移；

五、重复步骤二和步骤三，管柱外壁接触外管内壁，判断管柱与外管是否为单点接触，测试得到对应压力载荷即为正弦屈曲的临界载荷；

六、重复步骤二和步骤三，根据管柱的变形形态，判断管柱与外管是否存在线接触正弦屈曲状态，是否先后存在线接触、两点接触、三点接触、点线点接触的螺旋屈曲状态；

七、重复步骤二和步骤三，管柱外壁接触外管内壁，判断管柱与外管点线点接触是否形成完整的一个螺距，测试得到对应压力载荷即为悬挂管柱螺旋屈曲的临界载荷。

上述方案井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置的实验方法：

一、首先将管柱与旋转接头连接牢固，然后打开电动升降机缓慢提升管柱，直到管柱不与压力轴承接触并保持一定距离，并使管柱与外管内壁不接触，管柱与外管轴心保持重合；

二、缓慢下放管柱一定距离，打开电动机驱动可拆卸皮带轮旋转，可拆卸皮带轮带动管柱旋转，待管柱运动状态稳定后，测试上机架对管柱的悬挂拉力载荷和压力轴承对管柱的压力载荷，测试激光位移传感器所显示管柱横向位移；

三、数据处理：首先在激光位移传感器所在平面建立一个平面坐标系，规定两个互成90度夹角的激光位移传感器所在直线分别为x轴、y轴，坐标轴原点所在位置为外管轴心；激光位移传感器测试所得数据则为管柱外壁在x轴、y轴上的坐标，已知外管内径和管柱外径，根据平面几何原理计算得出管柱轴心所在位置；

由于管柱做旋转运动，利用计算机记录管柱轴心点在该平面内的运动轨迹；从上而下设置的激光位移传感器测出若干个管柱轴心点运动轨迹，从中选取各个时刻管柱轴心所在位置，利用三次样条插值法将若干个轴心点连成一条光滑的曲线，得出各个时刻管柱变形形态；

四、在管柱外壁不接触外管内壁的前提下，重复步骤二和步骤三，判断管柱是否发生横向位移；

五、重复步骤二和步骤三，管柱外壁接触外管内壁，判断管柱与外管是否为单点接触，测试得到对应压力载荷即为正弦屈曲的临界载荷；

六、重复步骤二和步骤三，根据管柱的变形形态，判断管柱与外管是否存在线接触正弦屈曲状态，是否先后存在线接触、两点接触、三点接触、点线点接触的螺旋屈曲状态；

七、重复步骤二和步骤三，管柱外壁接触外管内壁，判断管柱与外管点线点接触是否形成完整的一个螺距，测试得到对应压力载荷即为悬挂管柱螺旋屈曲的临界载荷。

本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明的井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置，实验模拟测试井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲的临界载荷，可用于验证相关理论分析或数值分析的计算结果。

2、借助各楼层楼梯间的高度和空间，搭建本发明的实验装置，研制费用较低，利于推广应用。

3、本发明提供的实验方法，可观察到井筒内悬挂管柱相继发生正弦屈曲和螺旋屈曲过程及其变形状态，丰富石油工程技术人员对悬挂管柱屈曲的认识，为确保石油工程中各种管柱的作业安全具有重要意义。

附图说明

图1是本发明中装置的整体立面示意图；

图2是本发明中夹持装置立体示意图；

图3是旋转接头立体示意图；

图4是旋转接头的剖面视图；

图5是可拆卸皮带轮立体示意图；

图6是外管下端及其固定方式示意图；

图7是图6结构剖面图；

图8是外管固定装置示意图。

图中：1定滑轮；2拉力传感器；3旋转接头；4管柱；5夹持装置；6数据采集器；7计算机；8上机架；9电动升降机；10皮带传动装置；11电动机；12外管；13外管固定装置； 15下机架；16左夹持环；17右夹持环；18激光位移传感器；19螺纹导轨；20螺母；21固定板；22销钉；23上短接；24套筒；25销轴；26轴承；27下短接；28螺栓；29可拆卸皮带轮；30法兰盘；31支撑板；32压力轴承；33压力传感器；34夹持头；35筋板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1所示，这种井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置包括悬挂装置、下机架15、管柱4、外管12、外管固定装置13、转速驱动装置；下机架15设置于地面上，上机架8设置于高处，外管12下端通过法兰盘30固定在下机架15的支撑板31上，压力轴承32安装于外管12内部，压力轴承32下布置有压力传感器33，压力传感器33坐落于支撑板31上；悬挂装置包括上机架8、电动升降机9、定滑轮1、钢丝绳、旋转接头3；外管12是透明的有机玻璃管，外管12通过外管固定装置13垂直固定，管柱4伸入到外管12内，管柱4上端通过旋转接头3与钢丝绳相连接，钢丝绳盘绕在电动升降机9的轮盘上，拉力传感器2通过钢丝绳与旋转接头3连接；转速驱动装置包括皮带传动装置10，皮带传动装置10通过一个可拆卸皮带轮29与管柱4连接，该可拆卸皮带轮29位于旋转接头3下方；外管12从上到下每间隔一定距离布置一对激光位移传感器18，每对激光射线互成90度的两个激光位移传感器18由夹持装置5固定于外管12外部；压力传感器33、拉力传感器2、各激光位移传感器18均通过数据采集器6连接计算机7，各传感器通过数据采集器6反馈给计算机7，进行相关数据的分析。

高达20m以上的垂直悬挂管柱固定于实验室大楼楼梯间内，每个楼层安装固定装置固定于楼层地面上。同时悬挂装置可实现管柱4的上提、下放等功能。多个激光位移传感器18可测试多个测试点的横向位移，确定管柱4变形形态，以及测试悬挂管柱上端拉力载荷和下端压力载荷。实验测试时，管柱4可不旋转也可皮带传动装置10带动管柱4旋转，多个激光位移传感器18沿管柱4高度排列，靠近管柱4下端布置密集一些，靠近管柱4上端布置稀疏一些，测试管柱4各位置处的横向位移，通过计算和比较可确定管柱4变形形态。上端拉力传感器2可测出悬挂管柱的拉力，下端压力传感器可测试出管柱4下端的压力。

悬挂装置固定于实验室大楼顶楼楼梯间，悬挂装置包含有上机架8、电动升降机9、定滑轮1和旋转接头3。电动升降机9固定在上机架8，钢丝绳盘绕在钢丝盘上，钢丝绳通过组合定滑轮1与拉力传感器2连接，拉力传感器2通过钢丝绳又与旋转接头3连接，旋转接头3与管柱4连接，通过电动升降机9的顺时针或逆时针旋转，分别实现管柱4的上提和下放。

结合图3、图4所示，旋转接头3包括销轴25、上短接23、下短接27、轴承26、套筒24，上短接23布置上圆孔和下圆孔，套筒24布置一个销孔，下短接27布置一个螺纹孔。钢丝绳穿过上短接23的上圆孔与旋转接头3连接，上短接23的下圆孔和套筒圆孔通过销轴25连接，销轴25一端开孔，由销键固定防止脱落。下短接27与套筒24通过轴承26连接，下短接27可以通过轴承26实现相对旋转并减少摩擦，下短接27通过螺栓28与管柱4连接。

转速驱动装置的电动机11固定于上机架8上，通过皮带传动装置10与管柱4连接，管柱4穿过由螺栓28固定的可拆卸皮带轮29，电动机11通过皮带传动装置10和可拆卸皮带轮29驱动管柱4旋转，结合图5所示，可拆卸皮带轮29布置有四个正对管柱4轴心的螺栓28，通过松开或者拧紧螺栓28可实现可拆卸皮带轮29的移动与固定。当需要紧固可拆卸皮带轮29时，拧紧四个螺栓28，使可拆卸皮带轮29与管柱4相互锁死，需要移动可拆卸皮带轮29时，松动螺栓28即可。此处注意可拆卸皮带轮29上螺纹孔为通孔，管柱4上无孔。在实验进行过程中需要对管柱4进行上提或下放时，先松动螺栓28使可拆卸皮带轮29可以自由移动，待管柱4上提或下放完成后再将可拆卸皮带轮29固定在与电动机传动皮带保持齐平的位置上，用螺栓28加以紧固。当测试悬挂管柱在旋转运动状态下所产生螺旋屈曲的情况时，首先将可拆卸皮带轮29固定于正确位置，用皮带与固定在上机架8上的电动机11稳定连接后，即可打开电动机11，驱动管柱4进行旋转运动。待运动稳定后采集数据。

外管12通过外管固定装置13固定于每个楼梯口楼板上，如图8所示，外管固定装置13一端的夹持头34固定外管4，另一端的筋板35通过螺栓固定于楼层地板上，筋板35与夹持头34连接，夹持头34通过螺栓连接并夹紧外管12，保证外管12的竖直与稳定。

下机架15位于管柱4和外管12下部，结合图6所示，下机架15上端用螺栓连接固定有支撑板31，支撑板31通过螺栓连接外管下端法兰盘30，起到支撑并防止外管12发生扭转的作用。再结合图7所示，压力轴承32位于外管12内部，外管12与压力轴承32之间没有固定连接，相对自由。压力轴承32下布置有压力传感器33，压力传感器33坐落于下机架15上支撑板31上，当管柱下端接触压力轴承32并对其产生压力作用时，压力传感器33即可测出下机架15对管柱4产生向上的支撑力大小。下机架15放置于一楼地面，结构稳定，可以支撑外管12和管柱4。

结合图1所示拉力传感器2位于旋转接头3上方，在管柱4运动稳定后可收集到上机架8对悬挂管柱所提供的拉力，反馈给数据收集系统供实验分析。

结合图2所示，夹持装置包括左夹持环16、右夹持环17，左夹持环16、右夹持环17均为半圆形夹持环，两个半圆形夹持环一端由销钉22连接，另一端由可拆卸螺钉螺母连接构成环形夹持环，环形夹持环外壁设置有两对螺纹导轨19，每对螺纹导轨19之间设置有固定板21，固定板21通过螺母20可拆卸地紧固在螺纹导轨19上，激光位移传感器18固定于固定板21槽内。两个半圆形夹持环可绕着销钉22转动，另一端可通过松开或拧紧螺栓螺母实现任意开合，便于固定在外管12的任意位置。两对螺纹导轨19几何关系如图2所示，当夹持装置5夹紧外管12时，两对螺纹导轨19中心线成90度夹角。固定板21可以在螺纹导轨19上来回移动，固定板21位置可由其两侧的螺母20进行固定。激光位移传感器18固定于固定板21槽内，固定板21可以根据传感器量程确定在螺纹导轨19上的位置。环形夹持环和外管12上布置有通孔，激光位移传感器18的激光发射中心位于两螺纹导轨19之间的中心线上，可以穿过环形夹持环和外管12上的通孔直达被测管柱4表面。同一平面上两个激光射线互成90度的激光位移传感器18可以完成对管柱4轴心横向位移的测量。在整个外管12上从上到下每间隔一定距离布置一对激光位移传感器18，从而获得管柱4从上到下各部分横向位移值。

结合图6、图7所示，外管12用螺栓28固定于下机架15的支撑板31上，支撑板31中心固定有压力传感器33，压力传感器33与压力轴承32相连，通过压力轴承32支撑管柱4，但不影响管柱4自身旋转运动。当管柱4运动状态稳定后，即可测试悬挂管柱下端的压力。

拉力传感器2、激光位移传感器18和压力传感器33都连接到数据采集器6上，数据采集器6连接计算机7，并将数据汇总给计算机7，计算机7对数据进行记录分析，为实验提供数据支持。

上述井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置的实验方法，其包括步骤：

实验方法1：管柱非旋转状态下，井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验方法如下

1、首先将管柱4与旋转接头3连接牢固，然后打开升降机缓慢提升管柱4，直到管柱4不与压力轴承32接触并保持一定距离，并使管柱4与外管12内壁不接触，管柱4与外管12轴心尽量保持重合。

2、缓慢下放管柱4，测试上机架8对管柱4的悬挂拉力载荷和压力轴承32对管柱4的压力载荷，测试激光位移传感器18所显示管柱4横向位移。

3、数据处理：首先在激光位移传感器18所在平面建立一个平面坐标系，规定两个互成90度夹角的激光位移传感器18所在直线分别为x轴、y轴，坐标轴原点所在位置为外管12轴心。激光位移传感器18测试所得数据则为管柱4外壁在x轴、y轴上的坐标，已知外管12内径和管柱4外径，根据平面几何原理计算得出管柱4轴心所在位置。若干个测试点测出若干个轴心点，利用三次样条插值法将若干个轴心点连成一条光滑的曲线，得出管柱4变形形态。

4、在管柱4外壁不接触外管12内壁的前提下，重复步骤2和3，判断管柱4是否发生横向位移。

5、重复步骤2和3，管柱外壁接触外管12内壁，判断管柱4与外管12是否为单点接触，测试得到对应压力载荷即为正弦屈曲的临界载荷。

6、重复步骤2和3，根据管柱4的变形形态，判断管柱4与外管12是否存在线接触正弦屈曲状态，是否先后存在线接触、两点接触、三点接触、点线点接触的螺旋屈曲状态。

7、重复步骤2和3，管柱4外壁接触外管12内壁，判断管柱4与外管12点线点接触是否形成完整的一个螺距，测试得到对应压力载荷即为悬挂管柱螺旋屈曲的临界载荷。

实验方法2：管柱旋转状态下，井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验方法如下

1、首先将管柱4与旋转接头3连接牢固，然后打开升降机缓慢提升管柱4，直到管柱4不与压力轴承32接触并保持一定距离，并使管柱4与外管12内壁不接触，管柱4与外管12轴心尽量保持重合。

2、缓慢下放管柱4一定距离，调整图5所示可拆卸皮带轮29到管柱4相应位置并紧固螺栓28，将可拆卸皮带轮29通过皮带传动装置10连接电动机11；打开电动机驱动皮带轮旋转，可拆卸皮带轮29带动管柱4旋转。待管柱4运动状态稳定后，测试上机架8对管柱4的悬挂拉力载荷和压力轴承32对管柱4的压力载荷，测试激光位移传感器18所显示管柱4横向位移。

3、数据处理：首先在激光位移传感器18所在平面建立一个平面坐标系，规定两个互成90度夹角的激光位移传感器18所在直线分别为x轴、y轴，坐标轴原点所在位置为外管12轴心。激光位移传感器18测试所得数据则为管柱4外壁在x轴、y轴上的坐标，已知外管12内径和管柱4外径，根据平面几何原理计算得出管柱4轴心所在位置。

由于管柱4做旋转运动，可利用计算机记录管柱4轴心点在该平面内的运动轨迹；从上而下若干个测试点测出若干个管柱4轴心点运动轨迹，从中选取各个时刻管柱4轴心所在位置，利用三次样条插值法将若干个轴心点连成一条光滑的曲线，得出各个时刻管柱4变形形态。

4、在管柱4外壁不接触外管12内壁的前提下，重复步骤2和3，判断管柱4是否发生横向位移。

5、重复步骤2和3，管柱4外壁接触外管12内壁，判断管柱4与外管12是否为单点接触，测试得到对应压力载荷即为正弦屈曲的临界载荷。

6、重复步骤2和3，根据管柱4的变形形态，判断管柱4与外管12是否存在线接触正弦屈曲状态，是否先后存在线接触、两点接触、三点接触、点线点接触的螺旋屈曲状态。

7、重复步骤2和3，管柱4外壁接触外管12内壁，判断管柱4与外管12点线点接触是否形成完整的一个螺距，测试得到对应压力载荷即为悬挂管柱螺旋屈曲的临界载荷。

根据实验方法1和实验方法2的测试数据，可观察旋转状态下和非旋转状态下悬挂管柱的屈曲过程，观察两种状态下悬挂管柱对应的正弦屈曲临界载荷和螺旋屈曲临界载荷，对比分析两者不同。

Claims (7)

1.一种井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置，其特征在于：这种井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置包括悬挂装置、下机架（15）、管柱（4）、外管（12）、外管固定装置（13）、转速驱动装置；下机架（15）设置于地面上，上机架（8）设置于高处，外管（12）下端通过法兰盘（30）固定在下机架（15）的支撑板（31）上，压力轴承（32）安装于外管（12）内部，压力轴承（32）下布置有压力传感器（33），压力传感器（33）坐落于支撑板（31）上；悬挂装置包括上机架（8）、电动升降机（9）、定滑轮（1）、钢丝绳、旋转接头（3）；外管（12）是透明的有机玻璃管，外管（12）通过外管固定装置（13）垂直固定，管柱（4）伸入到外管（12）内，管柱（4）上端通过旋转接头（3）与钢丝绳相连接，钢丝绳盘绕在电动升降机（9）的轮盘上，电动升降机（9）安装在上机架（8）上，拉力传感器（2）通过钢丝绳与旋转接头（3）连接；转速驱动装置包括皮带传动装置（10），皮带传动装置（10）通过一个可拆卸皮带轮（29）与管柱（4）连接，该可拆卸皮带轮（29）位于旋转接头（3）下方；外管（12）从上到下每间隔一定距离布置一对激光位移传感器（18），每对激光位移传感器（18）发出的激光射线互成90度，每对激光位移传感器（18）由夹持装置（5）固定于外管（12）外部；压力传感器（33）、拉力传感器（2）、各激光位移传感器（18）均通过数据采集器（6）连接计算机（7）。

2.根据权利要求1所述的井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置，其特征在于：所述的夹持装置（5）包括左夹持环（16）、右夹持环（17），左夹持环（16）、右夹持环（17）均为半圆形夹持环，两个半圆形夹持环一端由销钉（22）固定连接，另一端由可拆卸螺钉螺母连接构成环形夹持环，环形夹持环外壁设置有两对螺纹导轨（19），每对螺纹导轨（19）之间设置有固定板（21），固定板（21）通过螺母（20）可拆卸地紧固在螺纹导轨（19）上，激光位移传感器（18）固定于固定板（21）槽内，当夹持装置（5）夹紧外管（12）时，两对螺纹导轨（19）中心线成90度夹角。

3.根据权利要求2所述的井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置，其特征在于：所述的激光位移传感器（18）沿外管（12）从上到下每间隔布置时，靠近管柱（4）下端布置的激光位移传感器（18）密集一些，靠近管柱（4）上端布置的激光位移传感器（18）稀疏一些。

4.根据权利要求3所述的井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置，其特征在于：所述的旋转接头（3）包括套筒（24）、上短接（23）、下短接（27）、轴承（26）、销轴（25），上短接（23）设置上圆孔和下圆孔，套筒（24）设置一个销孔，下短接（27）设置一个螺纹孔，钢丝绳穿过上短接（23）的上圆孔与旋转接头（3）连接，上短接（23）的下圆孔和套筒销孔通过销轴（25）连接，销轴（25）的一端具有顶帽，销轴（25）另一端开键孔，销键插入键孔中，由销键固定防止销轴（25）脱落；下短接（27）与套筒（24）通过轴承连接，下短接（27）通过螺栓与管柱（4）连接。

5.根据权利要求4所述的井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置，其特征在于：所述的转速驱动装置包括电动机（11）、皮带传动装置（10），电动机（11）固定于上机架（8）上，皮带传动装置（10）由电动机皮带轮、皮带、可拆卸皮带轮（29）构成，可拆卸皮带轮（29）两端各设置一个连接头，每个设置有两个正对管柱轴心的螺栓，管柱（4）穿过可拆卸皮带轮（29）后，通过螺栓将可拆卸皮带轮（29）与管柱（4）相互锁死。

6.一种权利要求5所述的井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置的实验方法，其特征在于：

一、首先将管柱（4）与旋转接头（3）连接牢固，然后打开电动升降机（9）缓慢提升管柱（4），直到管柱（4）不与压力轴承（32）接触并保持一定距离，并使管柱（4）与外管（12）内壁不接触，管柱（4）与外管（12）轴心保持重合；

二、缓慢下放管柱（4），测试上机架（8）对管柱（4）的悬挂拉力载荷和压力轴承（32）对管柱（4）的压力载荷，测试激光位移传感器（18）所显示管柱（4）横向位移；

三、数据处理：首先在激光位移传感器（18）所在平面建立一个平面坐标系，规定两个互成90度夹角的激光位移传感器（18）所在直线分别为x轴、y轴，坐标轴原点所在位置为外管（12）轴心；激光位移传感器（18）测试所得数据则为管柱外壁在x轴、y轴上的坐标，已知外管（12）内径和管柱（4）外径，根据平面几何原理计算得出管柱轴心所在位置；各个激光位移传感器（18）测出相应的轴心点，利用三次样条插值法将若干个轴心点连成一条光滑的曲线，得出管柱（4）变形形态；

四、在管柱（4）外壁不接触外管（12）内壁的前提下，重复步骤二和步骤三，判断管柱（4）是否发生横向位移；

五、重复步骤二和步骤三，管柱（4）外壁接触外管（12）内壁，判断管柱（4）与外管（12）是否为单点接触，测试得到对应压力载荷即为正弦屈曲的临界载荷；

六、重复步骤二和步骤三，根据管柱（4）的变形形态，判断管柱（4）与外管（12）是否存在线接触正弦屈曲状态，是否先后存在线接触、两点接触、三点接触、点线点接触的螺旋屈曲状态；

七、重复步骤二和步骤三，管柱（4）外壁接触外管（12）内壁，判断管柱（4）与外管（12）点线点接触是否形成完整的一个螺距，测试得到对应压力载荷即为悬挂管柱螺旋屈曲的临界载荷。

7.一种权利要求5所述的井筒内悬挂管柱正弦和螺旋屈曲模拟实验装置的实验方法，其特征在于：

一、首先将管柱（4）与旋转接头（3）连接牢固，然后打开电动升降机（9）缓慢提升管柱（4），直到管柱（4）不与压力轴承（32）接触并保持一定距离，并使管柱（4）与外管（12）内壁不接触，管柱（4）与外管（12）轴心保持重合；

二、缓慢下放管柱（4）一定距离，打开电动机驱动可拆卸皮带轮（29）旋转，可拆卸皮带轮（29）带动管柱（4）旋转，待管柱（4）运动状态稳定后，测试上机架（8）对管柱（4）的悬挂拉力载荷和压力轴承（29）对管柱（4）的压力载荷，测试激光位移传感器（18）所显示管柱（4）横向位移；

三、数据处理：首先在激光位移传感器（18）所在平面建立一个平面坐标系，规定两个互成90度夹角的激光位移传感器（18）所在直线分别为x轴、y轴，坐标轴原点所在位置为外管轴心；激光位移传感器（18）测试所得数据则为管柱（4）外壁在x轴、y轴上的坐标，已知外管（12）内径和管柱（4）外径，根据平面几何原理计算得出管柱轴心所在位置；

由于管柱（4）做旋转运动，利用计算机（7）记录管柱（4）轴心点在该平面内的运动轨迹；从上而下设置的激光位移传感器（18）测出若干个管柱（4）轴心点运动轨迹，从中选取各个时刻管柱轴心所在位置，利用三次样条插值法将若干个轴心点连成一条光滑的曲线，得出各个时刻管柱（4）变形形态；

四、在管柱（4）外壁不接触外管（12）内壁的前提下，重复步骤二和步骤三，判断管柱（4）是否发生横向位移；

五、重复步骤二和步骤三，管柱（4）外壁接触外管（12）内壁，判断管柱（4）与外管（12）是否为单点接触，测试得到对应压力载荷即为正弦屈曲的临界载荷；

六、重复步骤二和步骤三，根据管柱（4）的变形形态，判断管柱（4）与外管（12）是否存在线接触正弦屈曲状态，是否先后存在线接触、两点接触、三点接触、点线点接触的螺旋屈曲状态；

七、重复步骤二和步骤三，管柱（4）外壁接触外管（12）内壁，判断管柱（4）与外管（12）点线点接触是否形成完整的一个螺距，测试得到对应压力载荷即为悬挂管柱螺旋屈曲的临界载荷。