CN108918063B - 钻井振动测量与控制实验台架 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井振动测量与控制实验台架。主机架的侧面竖直设置直线导轨；顶部固定有顶部吊塔组件；顶部驱动组件设置于导轨上，可由顶部吊塔控制其自由滑动；顶部驱动组件与底部钻具组件之间通过钻杆弹性元件连接；底部钻具组件设置在导轨上可自由滑动；模拟岩层组件设置在底部钻具组件下端，并通过螺栓可调节锁紧在导轨上。本发明设计简单巧妙，可模拟钻井作业中钻柱的扭矩波动、扭转振动、黏‑滑运动、钻头纵向跳起等多种动力学行为，并可对多项动态数据进行实时测量；此外，测量数据经实时控制算法反馈至塔吊电机与顶驱电机，可实现对钻柱振动的主动控制实验。

Description

钻井振动测量与控制实验台架

技术领域

本发明涉及一种钻井领域，具体地，涉及钻井振动测量与控制实验台架，尤其是一种用于研究钻井作业中钻柱的纵-扭耦合振动动态量测量与动力学主动控制研究的通用实验台架。

背景技术

钻井杆柱(钻柱)系统是石油、天然气资源开采过程中的核心组件，是一个具有超大长径比的柔性旋转机械系统。在钻井过程复杂的力学环境下，钻柱系统极易发生动力学失稳并产生具有危害性的自激振动。井底随钻测量数据表明，在钻井作业参数平面的大部分区域内，钻柱存在强烈的非线性纵-扭耦合自激振动,导致钻柱的过度变形、疲劳断裂以及表面刺漏等多种形式的失效，严重制约了钻井效率的提高并带来了巨大的经济财产损失。因此，研究钻柱系统在不同岩层、钻具组合以及作业参数下的纵、扭耦合振动及失稳规律，并对其失稳实现主动控制以扩大钻井安全作业参数包络分析，是钻井工程领域长期以来高度重视并亟待解决的问题。

钻井现场实验是研究钻柱振动最直接的方式，然而，由于现场实验只能提供单一的作业工况，且对于井底钻柱各种动态结果难以实时监测，复杂的井下事故不易重现且重现的成本巨大，极大地限制了现场实验的应用范围。模拟钻井实验平台从钻柱系统的动力学方程出发，通过量纲分析进行缩比实验台的设计，实验可重现钻井作业中的多种现象，是一种高效、便捷、可靠及低成本的研究方法，因此使用模拟实验设备日益成为学者以及工程人员对钻柱动力学、钻井参数优化等进行深入研究的重要手段。

在目前已有的钻井实验平台的设计中，专利文献CN106593310A提供了一种多功能钻井实验台架，其采用液压动力驱动整个平台倾斜实现对水平井与斜井的模拟，同时采用液压装置进行钻压负载的模拟，但该实验平台仅能用于钻头的静力学实验，无法模拟钻柱系统的动态特性。专利文献CN106769143A提供了一种轨道式多功能钻井实验台架，其将动力水龙头系统安装于轨道之上，通过液压装置实现对钻具提升与加载。同样，该设备属于静力学实验，无法模拟钻柱的动态特性。而专利文献CN103712790A提供了一种研究钻柱动力学特性的实验设备，其根据动力学相似原理对实验设备的各项参数进行设计，可实现钻柱横向涡动的实验模拟与测量，但该设备对于钻柱的纵向运动与扭转运动无法进行模拟与观测。专利文献CN201391312Y提供了一种钻柱与钻井液耦合动力学行为研究试验台，其通过底部的激振器对钻压动态力进行模拟，可对钻井液作用下旋转钻柱的纵向运动研究，但该试验台无法对钻柱扭转运动进行模拟与观测，同时由于其底部不存在钻头与岩层的切削破碎过程，可导致较大试验误差。此外，目前已有的这些实验装置/台架均无法对钻柱的运动，尤其是纵-扭耦合振动进行主动抑振控制。

由此可见，目前尚缺少一种能同时对钻柱纵向与扭转动力学进行观察，并对振动进行主动控制的通用的实验设备。因此，设计一种通用的钻井缩比实验装置，重现钻井作业中出现的多种复杂动力学过程，对钻井振动的多组动态量进行测量，并实现对钻柱系统振动的主动控制，这将给钻井工程带来积极的经济效益与学术价值。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种钻井振动测量与控制实验台架。

根据本发明提供的一种钻井振动测量与控制实验台架，包括主机架、直线导轨、顶部塔吊组件、顶部驱动组件、钻杆弹性元件、底部钻具组件、模拟岩层组件；

主机架上设置有直线导轨；

顶部塔吊组件与主机架紧固连接；顶部塔吊组件控制顶部驱动组件的运动；

顶部驱动组件、钻杆弹性元件、底部钻具组件依次连接，并且均能够沿直线导轨运动；

模拟岩层组件与主机架紧固连接；底部钻具组件能够钻入模拟岩层组件。

优选地，钻杆弹性元件具有纵向弹性与扭转弹性。

优选地，所述顶部塔吊组件紧固安装于直线导轨的顶部；

所述顶部塔吊组件包括减速电机、顶部塔吊安装座、绞盘、铰绳、滑轮、拉力传感器；

顶部塔吊安装座紧固安装于直线导轨上，减速电机设置在顶部塔吊安装座的前面板上，减速电机驱动绞盘，滑轮的一端通过铰绳连接绞盘，滑轮的另一端与拉力传感器连接；

拉力传感器连接顶部驱动组件的拉力吊耳。

优选地，所述顶部驱动组件包括拉力吊耳、行星减速电机、联轴器、第一角度传感器、顶部驱动轴、第一惯性圆盘、第一位移传感器、顶部驱动盖板、顶部驱动安装座、第一滑块；

顶部驱动安装座通过第一滑块能够在直线导轨上滑动；

顶部驱动安装座的上方设置拉力吊耳，拉力吊耳的一端连接顶部驱动安装座从而控制行星减速电机位置，顶部驱动安装座的下方设置第一惯性圆盘；

顶部驱动安装座紧固安装于第一滑块的前面板上，顶部驱动安装座与顶部驱动盖板连接，形成中空的空腔，空腔内容纳行星减速电机、联轴器、第一角度传感器；行星减速电机、联轴器、第一角度传感器、第一惯性圆盘通过顶部驱动轴紧密连接；第一惯性圆盘连接于钻杆弹性元件的上端；同时，顶部驱动安装座与第一位移传感器的拉杆活动端相连，第一位移传感器由第一位移传感器安装座的前后定位座通过紧定螺钉紧固于直线导轨的凹槽内。

优选地，所述底部钻具组件包括第二惯性圆盘、底部钻具轴、上轴承、第二角度传感器、下轴承、钻头联接器、钻头、底部钻具安装盖板、底部钻具安装座、第二位移传感器组件、第二滑块；第二惯性圆盘的一端连接钻杆弹性元件的下端；第二惯性圆盘的另一端连接底部钻具轴；

底部钻具安装座通过第二滑块能够在直线导轨上滑动；

底部钻具安装座紧固安装于第二滑块的前面板上，底部钻具安装座与底部钻具安装盖板连接，形成中空的空腔，空腔内容纳上轴承、第二角度传感器、下轴承，上轴承、第二角度传感器、下轴承通过底部钻具轴紧密连接，钻头通过钻头联接器与底部钻具轴连接；同时，底部钻具安装座与第二位移传感器的拉杆活动端相连，第二位移传感器由第二位移传感器安装座的前后定位座通过紧定螺钉紧固于直线导轨的凹槽内；

钻头能够钻入模拟岩层组件的模拟岩层材料体。

优选地，所述模拟岩层组件包括模拟岩层材料体、模拟岩层安装座、模拟岩层安装盖板、第三滑块；

模拟岩层安装座通过第三滑块紧固安装于直线导轨上；

模拟岩层安装座紧固安装于第三滑块的前面板上，模拟岩层安装座与模拟岩层安装盖板连接，形成中空的空腔，空腔内容纳模拟岩层材料体。

优选地，所述钻杆弹性元件满足如下任一个或任多个方程：

式中：

K_a为钻杆弹性元件的纵向刚度；G为钻杆弹性元件的材料剪切弹性模量；d为钻杆弹性元件的线径；D_s为钻杆弹性元件的中径，即内径与外径的平均值；N_c为钻杆弹性元件的有效圈数；

K_t为钻杆弹性元件的扭转刚度；E为杨氏弹性模量；

M为实验系统设计的底部纵向运动部件质量，它由第二惯性圆盘的质量与附加质量M₀共同组成。D为第二惯性圆盘的直径，H为第二惯性圆盘的厚度，ρ为第二惯性圆盘的材料密度。附加质量M₀包括底部钻具组件的附加质量以及钻杆弹性元件的等效质量；

I为实验系统设计的底部旋转部件的转动惯量。它由第二惯性圆盘的转动惯量与附加转动惯量I₀共同组成；附加转动惯量I₀由包含底部钻具组件旋转部分的附加转动惯量以及钻杆弹性元件的等效转动惯量；

η为纵向与扭转运动的固有频率比；

ψ为层强度无量纲参数；a为钻头的直径；∈分布为模拟岩层材料体的切削强度；ζ分布为系数。

优选地，包括拉力传感器、第一角度传感器、第一位移传感器、第二角度传感器、第二位移传感器中的任一个或任多个部件；

拉力传感器测量顶部塔吊组件的悬重拉力值或钻进速度；

第一角度传感器测量第一惯性圆盘的转角；

第一位移传感器测量顶部驱动组件纵向运动；

第二角度传感器测量第二惯性圆盘的转角；

第二位移传感器测量底部钻具组件纵向运动；

所述的钻井振动测量与控制实验台架，包括信号调理与功率放大器；

所述信号调理与功率放大器具有如下任一个或任多个信号通道：

--对应拉力传感器的信号采集通道；

--对应第一角度传感器的信号采集通道；

--对应第一位移传感器的信号采集通道；

--对应第二角度传感器的信号采集通道；

--对应第二位移传感器的信号采集通道。

优选地，包括控制装置，控制装置存储的计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：

步骤S1：控制顶部塔吊提升组件，来下放顶部驱动组件、钻杆弹性元件、底部钻具组件，直至达到所设置的钻压；

步骤S2：顶部驱动组件依据设置的转速旋转钻进；

步骤S3：记录顶部塔吊提升组件、顶部驱动组件、钻杆弹性元件、底部钻具组件中任一个或任多个部件的参数。

优选地，控制装置存储的计算机程序被处理器执行时实现的步骤中：

通过控制顶部塔吊提升组件、顶部驱动组件，在纵向与扭转向上叠加控制力与控制力矩。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明实现对井底工况的模拟，其工作方式与实际钻井系统较为接近，例如采用了减速电机及绞盘带动钢丝绳索及滑轮实现纵向升降控制、悬重控制、采用钻头与岩层模拟件实现对井底工况的模拟。可用于钻柱动力学测量与控制的工程技术研究之外，还可发挥其演示性实验与教学的用途。

2、本发明可用于钻柱纵向-扭转耦合振动动力学的研究，可模拟重现并实时测量、记录井底钻具复杂的扭转黏-滑振动、钻头纵向跳起、转速波动、钻压波动、钻杆动态载荷等；

3、本发明可模拟钻柱系统的动态特性，对钻柱的纵向与扭转向实施主动控制，对于纵向控制，可监控悬重拉力变化进行恒定悬重控制，或者通过位移传感器的反馈进行恒定钻进速度控制；对于扭转控制，通过顶部驱动组件的角度传感器可实现简单的恒转速控制，或通过顶部驱动角度传感器以及底部钻具角度传感器角度差值实现恒定钻矩控制。

4、本发明可满足纵向与扭转向动力学与实际钻柱系统振动特性的一致性，有利于展开理论与实验的对比研究。而以往实验装置采用细直径的圆柱棒料作为钻柱的弹性单元，这种方式下虽然可得到所需的扭振固有频率(约1Hz量级)，但系统的纵向固有频率将非常高，通常在100Hz量级，不能保证纵-扭耦合动力学的相似性。本实验通过采用圆柱弹簧与质量圆盘方式，通过推导得到的实验系统几何与物理参数的约束公式进行实验设计，可实现系统的振动特性在纵向与扭转方向与真实钻柱系统保持相似，为钻柱系统动力学研究及振动测量提供了一种新的方案。

5、本发明所采用信号调理与功率放大器可驱动顶部塔吊电机以及顶驱旋转电机快速响应，通过对多组动态量的采集与分析，采用控制算法对纵向与扭转向，可进行钻柱的综合优化抑振控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为通用的钻井振动测量与控制实验台架的整体结构示意图；

图2为通用的钻井振动测量与控制实验台架的各零部件的装配爆炸视图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种钻井振动测量与控制实验台架，包括主机架100、直线导轨200、顶部塔吊组件300、顶部驱动组件400、钻杆弹性元件500、底部钻具组件600、模拟岩层组件700；主机架100上设置有直线导轨200；顶部塔吊组件300与直线导轨200紧固连接；顶部塔吊组件300控制顶部驱动组件400的运动；顶部驱动组件400、钻杆弹性元件500、底部钻具组件600依次连接，并且均能够沿直线导轨200运动；模拟岩层组件700与直线导轨200紧固连接；底部钻具组件600能够钻入模拟岩层组件700。如图1所示，所述主机架100由一根竖直立杆与十字底座连接而成，主机架100的立杆一侧安装直线导轨200，直线导轨200是双轴心直线导轨；优选地，直线导轨200由多个单轴心直线导轨组合而成。直线导轨200上设置有多个可自由滑动的组件以及多个固定的组件，滑动组件安装于滑块之上，可实现整个钻柱系统的自由升降，以及悬重、钻压的控制，例如，顶部驱动组件400、钻杆弹性元件500、底部钻具组件600三个组件可在直线导轨200上滑动，顶部驱动组件400固定在主机架100或者直线导轨200上，由顶部塔吊组件300的减速电机301驱动绞盘旋转，释放或收紧顶部塔吊组件300的铰绳303，带动顶部驱动组件400的上下运动，与顶部驱动组件400依次连接的钻杆弹性元件500、底部钻具组件600也同步上下运动。模拟岩层组件700固定在直线导轨200上，底部钻具组件600通过纵向的运动，不断钻入模拟岩层组件700，从而模拟真实的钻井系统。

具体地，钻杆弹性元件500具有纵向弹性与扭转弹性。如图1、图2所示，钻杆弹性元件500具有纵向弹性与扭转弹性的结构，其上端紧箍于顶部驱动轴405，其下端紧箍于底部钻具轴602，并可随顶部驱动轴405以及底部钻具轴602运动与变形。实施例中弹性元件为圆柱弹簧。优选地，钻杆弹性元件500可为如下一种或多种结构组合：圆柱弹簧、变截面弹簧、弹性软管、弹性棒等，钻杆弹性元件500及几何尺寸可由动力学相似推导得到。

具体地，如图1、图2所示，顶部塔吊组件300紧固安装于直线导轨200的顶部；顶部塔吊组件300包括减速电机301、顶部塔吊安装座302、绞盘、铰绳303、滑轮304、拉力传感器305；顶部塔吊安装座302紧固安装于直线导轨200上，减速电机301设置在顶部塔吊安装座302的前面板上，减速电机301驱动绞盘旋转释放或收紧铰绳303，滑轮304的一端通过铰绳303连接绞盘，滑轮304在铰绳303的作用下上下运动，滑轮304的另一端与拉力传感器305连接，滑轮304运动带动拉力传感器305运动；拉力传感器305连接顶部驱动组件400的拉力吊耳401，拉力传感器305运动带动顶部驱动组件400运动。顶部塔吊组件300，通过绞盘和铰绳303与顶部驱动组件400连接并传递提升拉力，拉力传感器305用于测量悬重拉力。优选地，所述铰绳303是钢丝绳。

具体地，如图1、图2所示，顶部驱动组件400为安装于直线导轨200上的活动组件，包括拉力吊耳401、行星减速电机402、联轴器403、第一角度传感器404、顶部驱动轴405、第一惯性圆盘406、第一位移传感器411、顶部驱动盖板407、顶部驱动安装座408、第一滑块409；顶部驱动安装座408通过第一滑块409能够在直线导轨200上滑动；顶部驱动安装座408的上方设置拉力吊耳401，拉力吊耳401的一端连接行星减速电机402，顶部驱动安装座408的下方设置第一惯性圆盘406；顶部驱动安装座408紧固安装于第一滑块409的前面板上，顶部驱动安装座408与顶部驱动盖板407连接，形成中空的空腔，空腔内容纳行星减速电机402、联轴器403、第一角度传感器404，行星减速电机402、联轴器403、第一角度传感器404、第一惯性圆盘406通过顶部驱动轴405紧密连接；第一惯性圆盘406连接钻杆弹性元件500的上端。优选地，第一角度传感器404为旋转编码传感器，第一位移传感器411为拉杆位移传感器；更进一步地，第一角度传感器404为脉冲码器，连接于顶部驱动轴405上，用于测量第一惯性圆盘406的转角；优选地，第一角度传感器404为绝对编码器；在优选例中，第一位移传感器411为拉杆位移传感器，第一位移传感器411的固定端用第一位移传感器安装座410的前后定位座通过紧定螺钉紧固于直线导轨200的凹槽内，第一位移传感器411的活动端用螺栓连接于顶部驱动安装座408，用于测量顶部驱动组件400的纵向运动。

具体地，如图1、图2所示，底部钻具组件600为安装于直线导轨200上的活动组件，包括第二惯性圆盘601、底部钻具轴602、上轴承603、第二角度传感器604、下轴承605、钻头联接器606、钻头607、底部钻具安装盖板608、底部钻具安装座609、第二位移传感器612、第二滑块610；第二惯性圆盘601的一端连接钻杆弹性元件500的下端；第二惯性圆盘601的另一端连接底部钻具轴602；底部钻具安装座609通过第二滑块610能够在直线导轨200上滑动；底部钻具安装座609紧固安装于第二滑块610的前面板上，底部钻具安装座609与底部钻具安装盖板608连接，形成中空的空腔，空腔内容纳上轴承603、第二角度传感器604、下轴承605，上轴承603、第二角度传感器604、下轴承605通过底部钻具轴602紧密连接，钻头607通过钻头联接器606与底部钻具轴602连接；钻头607能够钻入模拟岩层组件700的模拟岩层材料体701。优选地，第二角度传感器604为旋转编码传感器，第二位移传感器612为拉杆位移传感器；第二位移传感器612的固定端用第二位移传感器安装座611的前后定位座通过紧定螺钉紧固于直线导轨200的凹槽内；其中第二惯性圆盘601、钻头607的材料与几何特征可由下文的动力学相似推导公式(1)-(6)得到。

具体地，如图1、图2所示，模拟岩层组件700固定于直线导轨200的底部，优选地，可通过活动连接组件松紧手动调节其位置，例如螺栓、卡扣等可活动连接的方式，模拟岩层组件700包括模拟岩层材料体701、模拟岩层安装座703、模拟岩层安装盖板702、第三滑块704；模拟岩层安装座703通过第三滑块704紧固安装于直线导轨200上；模拟岩层安装座703紧固安装于第三滑块704的前面板上，模拟岩层安装座703与模拟岩层安装盖板702连接，形成中空的空腔，空腔内容纳模拟岩层材料体701。优选地，模拟岩层材料体701的几何形状可为圆柱体或长方体；模拟岩层材料体701的材料可为石膏或软质岩石，其强度特性可依据动力学相似推导得到。优选地，模拟岩层材料体701的横截面积大于钻头607的横截面积。

优选地，顶部驱动轴405、钻杆弹性元件500、底部钻具轴602，三者为同心对中安装或者同心共轴线安装，使得顶部驱动轴405、钻杆弹性元件500、底部钻具轴602三者均沿共同的轴线旋转。

具体地，为保证研究所采用的的动力学模型与本发明实验台架的动力学相似性，钻杆弹性元件500、第二惯性圆盘601、钻头607、模拟岩层材料体701需满足动力学相似原理，钻杆弹性元件500满足如下任一个或任多个方程：

式中：

K_a为钻杆弹性元件500的纵向刚度；G为钻杆弹性元件500的材料剪切弹性模量；d为钻杆弹性元件500的线径；D_s为钻杆弹性元件500的中径，即内径与外径的平均值；N_c为钻杆弹性元件500的有效圈数；K_t为钻杆弹性元件500的扭转刚度；E为杨氏弹性模量；由此可知，通过改变钻杆弹性元件500的线径d，可同比例调节钻杆弹性元件500的纵向刚度K_a与扭转刚度K_t；而通过改变钻杆弹性元件500的中径D_s，可调节纵向与扭转向的刚度比例关系。

M为实验系统设计的底部纵向运动部件质量，它由第二惯性圆盘601的质量与其他组件的附加质量M₀共同组成。其中D为第二惯性圆盘601的直径，H为第二惯性圆盘601的厚度，ρ为第二惯性圆盘601的材料密度。其中附加质量M₀包括底部钻具组件600的质量以及钻杆弹性元件500的等效质量，优选地，M₀由底部钻具轴602、上轴承603、第二角度传感器604、下轴承605、钻头联接器606、钻头607、底部钻具安装盖板608、底部钻具安装座609、第二滑块610以及钻杆弹性元件500的附加质量组成；

I为实验系统设计的底部旋转部件的转动惯量。它由第二惯性圆盘601的转动惯量与附加转动惯量I₀共同组成；其中附加转动惯量I₀包含底部钻具组件600旋转部分的附加转动惯量以及钻杆弹性元件500的等效转动惯量，优选地，I₀由底部钻具轴602、上轴承603、第二角度传感器604、下轴承605、钻头联接器606、钻头607以及钻杆弹性元件500的等效附加转动惯量组成；

η为纵向与扭转运动的固有频率比，根据实际钻井系统，可取η＝1.6～2；

ψ为岩层强度无量纲参数，根据实际钻井工况确定，一般取值范围为ψ∈(0,26]；a为钻头607的直径；∈分布为模拟岩层材料体701的切削强度，∈＝0.5MPa为采用石膏作为模拟岩层材料时的切削强度，具体使用过程中可通过钻头切削实验确定；ζ分布为系数。优选地，ζ分布为钻头几何相关参数；优选地，ζ分布可根据实际情况调整设定，由切削实验确定，一般取ζ＝0.5～1。

以上方程(1)-(6)中的未知数个数为9多与方程数目6，方程解不唯一。实际应用中根据所需的模拟岩层强度、钻压载荷要求、钻头尺寸、实验台架尺寸、弹簧线径、或建造成本等要求事先确定其中三个参数，然后代入方程组联立求解并舍去不合理的解，可得唯一满足动力学相似的缩比实验台架设计参数。

具体地，钻井振动测量与控制实验台架包括拉力传感器305、第一角度传感器404、第一位移传感器组件411、第二角度传感器604、第二位移传感器组件612中的任一个或任多个部件；拉力传感器305测量顶部塔吊组件300的悬重拉力值或钻进速度；第一角度传感器404测量第一惯性圆盘406的转角；第一位移传感器组件411测量顶部驱动组件400纵向运动；第二角度传感器604测量第二惯性圆盘601的转角；第二位移传感器组件612测量底部钻具组件600纵向运动。

具体地，钻井振动测量与控制实验台架包括信号调理与功率放大器800，所述信号调理与功率放大器800具有如下任一个或任多个信号通道：--对应拉力传感器305的信号采集通道；--对应第一角度传感器404的信号采集通道；--对应第一位移传感器411的信号采集通道；--对应第二角度传感器604的信号采集通道；--对应第二位移传感器612的信号采集通道。其中，信号调理部件应具有可驱动角度传感器、位移传感器、拉力传感器的功能，并具有低通滤波、防干扰等功能；功率放大器用于振动主动控制，需要电机的输出扭矩或转速能快速响应控制信号，驱动电机系统的频响带宽不小于60Hz，建议采用具有直流耦合功能的功率放大器驱动直流减速电机系统的设计方案。本发明还包括控制装置900、线缆等，构成完整的通用的钻井振动测量与控制实验台架。

在优选例中，对本发明进行更为具体的说明。

本发明提供的一种钻井振动测量与控制实验台架，包括控制装置900、线缆等，构成完整的通用的钻井振动测量与控制实验台架，控制装置900存储的计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：步骤S1：控制顶部塔吊组件300，来下放顶部驱动组件400、钻杆弹性元件500、底部钻具组件600，直至达到所设置的钻压；步骤S2：顶部驱动组件400依据设置的转速旋转钻进；步骤S3：记录顶部塔吊组件300、顶部驱动组件400、钻杆弹性元件500、底部钻具组件600中任一个或任多个部件的参数。

具体地，控制装置900存储的计算机程序被处理器执行时实现的步骤中：通过控制顶部塔吊组件300、顶部驱动组件400，在纵向与扭转向上叠加控制力与控制力矩。

在优选例中，对本发明进行更为具体的说明。本发明的使用方法与步骤：

(1)控制装置900开机并打开控制装置900存储的计算机程序；

(2)信号调理与功率放大器800开机；

(3)保证模拟岩层材料体701、钻头607等安装到位；

(4)在控制装置900存储的计算机程序中设置相关参数与工作模式；

(5)启动系统，数据采集与监视系统开始工作。

(6)顶部塔吊组件300将依据设置，下放钻柱实验系统的顶部驱动组件400、钻杆弹性元件500、底部钻具组件600，直至达到所设置的钻压；

(7)顶部驱动组件400依据设置的转速旋转钻进；

(8)控制装置900存储的计算机程序开启数据记录，系统的各传感器动态数据将自动记录并保存；

(9)如进行钻柱振动控制实验，开启钻柱振动控制功能，顶部塔吊组件300与顶部驱动组件400在算法的支持下，将在纵向与扭转向叠加控制力与控制力矩，实施钻柱纵-扭耦合振动的主动抑制，并将记录多路控制信号。

(10)实验完毕，在控制装置900存储的计算机程序中停止系统，关闭信号调理与功率放大器800及控制装置900。

本发明设计简单巧妙，可模拟钻井作业中钻柱的扭矩波动、扭转振动、黏-滑运动、钻头纵向跳起等多种动力学行为，并可对多项动态数据进行实时测量；此外，测量数据经实时控制算法反馈至塔吊电机与顶驱电机，可实现对钻柱振动的主动控制实验。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种钻井振动测量与控制实验台架，其特征在于，包括主机架(100)、直线导轨(200)、顶部塔吊组件(300)、顶部驱动组件(400)、钻杆弹性元件(500)、底部钻具组件(600)、模拟岩层组件(700)；

主机架(100)上设置并固定连接有直线导轨(200)；

顶部塔吊组件(300)紧固连接于主机架(100)或直线导轨(200)；顶部塔吊组件(300)控制顶部驱动组件(400)的运动；

顶部驱动组件(400)、钻杆弹性元件(500)、底部钻具组件(600)依次连接，并且均能够沿直线导轨(200)运动；

模拟岩层组件(700)与主机架(100)或直线导轨(200)紧固连接；底部钻具组件(600)能够钻入模拟岩层组件(700)；

所述顶部塔吊组件(300)紧固安装于直线导轨(200)的顶部；

所述顶部塔吊组件(300)包括减速电机(301)、顶部塔吊安装座(302)、绞盘、铰绳(303)、滑轮(304)、拉力传感器(305)；

顶部塔吊安装座(302)紧固安装于直线导轨(200)上，减速电机(301)设置在顶部塔吊安装座(302)的前面板上，减速电机(301)驱动绞盘，滑轮(304)的一端通过铰绳(303)连接绞盘，滑轮(304)的另一端与拉力传感器(305)连接；

拉力传感器(305)连接顶部驱动组件(400)的拉力吊耳(401)。

2.根据权利要求1所述的钻井振动测量与控制实验台架，其特征在于，钻杆弹性元件(500)具有纵向弹性与扭转弹性。

3.根据权利要求1所述的钻井振动测量与控制实验台架，其特征在于，所述顶部驱动组件(400)包括拉力吊耳(401)、行星减速电机(402)、联轴器(403)、第一角度传感器(404)、顶部驱动轴(405)、第一惯性圆盘(406)、第一位移传感器(411)、第一位移传感器安装座(410)、顶部驱动盖板(407)、顶部驱动安装座(408)、第一滑块(409)；

顶部驱动安装座(408)通过第一滑块(409)能够在直线导轨(200)上滑动；

顶部驱动安装座(408)的上方设置拉力吊耳(401)，拉力吊耳(401)的一端连接顶部驱动安装座(408)或行星减速电机(402)，顶部驱动安装座(408)的下方设置第一惯性圆盘(406)；

顶部驱动安装座(408)紧固安装于第一滑块(409)的前面板上，顶部驱动安装座(408)与顶部驱动盖板(407)连接，形成中空的空腔，空腔内容纳行星减速电机(402)、联轴器(403)、第一角度传感器(404)，行星减速电机(402)、联轴器(403)、第一角度传感器(404)、第一惯性圆盘(406)通过顶部驱动轴(405)紧密连接；第一位移传感器(411)通过第一位移传感器安装座(410)的前后定位座紧固连接在直线导轨(200)的凹槽内，第一惯性圆盘(406)连接钻杆弹性元件(500)的上端。

4.根据权利要求1所述的钻井振动测量与控制实验台架，其特征在于，所述底部钻具组件(600)包括第二惯性圆盘(601)、底部钻具轴(602)、上轴承(603)、第二角度传感器(604)、下轴承(605)、钻头联接器(606)、钻头(607)、底部钻具安装盖板(608)、底部钻具安装座(609)、第二位移传感器(612)、第二位移传感器安装座(611)、第二滑块(610)；第二惯性圆盘(601)的一端连接钻杆弹性元件(500)的下端；第二惯性圆盘(601)的另一端连接底部钻具轴(602)；

底部钻具安装座(609)通过第二滑块(610)能够在直线导轨(200)上滑动；

底部钻具安装座(609)紧固安装于第二滑块(610)的前面板上，底部钻具安装座(609)与底部钻具安装盖板(608)连接，形成中空的空腔，空腔内容纳上轴承(603)、第二角度传感器(604)、下轴承(605)，上轴承(603)、第二角度传感器(604)、下轴承(605)通过底部钻具轴(602)紧密连接，钻头(607)通过钻头联接器(606)与底部钻具轴(602)连接，第二位移传感器(612)通过第二位移传感器安装座(611)的前后定位座紧固在直线导轨(200)的凹槽内；

钻头(607)能够钻入模拟岩层组件(700)的模拟岩层材料体(701)。

5.根据权利要求1所述的钻井振动测量与控制实验台架，其特征在于，所述模拟岩层组件(700)包括模拟岩层材料体(701)、模拟岩层安装座(703)、模拟岩层安装盖板(702)、第三滑块(704)；

模拟岩层安装座(703)通过第三滑块(704)紧固安装于直线导轨(200)上；

模拟岩层安装座(703)紧固安装于第三滑块(704)的前面板上，模拟岩层安装座(703)与模拟岩层安装盖板(702)连接，形成中空的空腔，空腔内容纳模拟岩层材料体(701)。

6.根据权利要求4所述的钻井振动测量与控制实验台架，其特征在于，所述钻杆弹性元件(500)满足如下任一个或任多个方程：

式中：

K_a为钻杆弹性元件(500)的纵向刚度；G为钻杆弹性元件(500)的材料剪切弹性模量；d为钻杆弹性元件(500)的线径；D_s为钻杆弹性元件(500)的中径，即内径与外径的平均值；N_c为钻杆弹性元件(500)的有效圈数；

K_t为钻杆弹性元件(500)的扭转刚度；E为杨氏弹性模量；

M由第二惯性圆盘(601)的质量与附加质量M₀共同组成；附加质量M₀包括底部钻具组件(600)的附加质量以及钻杆弹性元件(500)的等效质量；D为第二惯性圆盘(601)的直径，H为第二惯性圆盘(601)的厚度，ρ为第二惯性圆盘(601)的材料密度；

I由第二惯性圆盘(601)的转动惯量与附加转动惯量I₀共同组成；附加转动惯量I₀包含底部钻具组件(600)旋转部分的附加转动惯量以及钻杆弹性元件(500)的等效转动惯量；

η为实验设计的纵向与扭转运动的固有频率比；

ψ为岩层强度无量纲参数；a为钻头(607)的直径；∈分布为模拟岩层材料体(701)的切削强度；ζ分布为系数。

7.根据权利要求1所述的钻井振动测量与控制实验台架，其特征在于，包括拉力传感器(305)、第一角度传感器(404)、第一位移传感器(411)、第二角度传感器(604)、第二位移传感器(612)中的任一个或任多个部件；

拉力传感器(305)测量顶部塔吊组件(300)的悬重拉力值或钻进速度；

第一角度传感器(404)测量顶部驱动组件(400)中的第一惯性圆盘(406)的转角；

第一位移传感器(411)测量顶部驱动组件(400)纵向运动；

第二角度传感器(604)测量底部钻具组件(600)中的第二惯性圆盘(601)的转角；

第二位移传感器(612)测量底部钻具组件(600)纵向运动；

所述的钻井振动测量与控制实验台架，包括信号调理与功率放大器(800)；

所述信号调理与功率放大器(800)具有如下任一个或任多个信号通道：

--对应拉力传感器(305)的信号采集通道；

--对应第一角度传感器(404)的信号采集通道；

--对应第一位移传感器(411)的信号采集通道；

--对应第二角度传感器(604)的信号采集通道；

--对应第二位移传感器(612)的信号采集通道。

8.根据权利要求1所述的钻井振动测量与控制实验台架，其特征在于，包括控制装置(900)，控制装置(900)存储的计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：

步骤S1：控制顶部塔吊组件(300)，来下放顶部驱动组件(400)、钻杆弹性元件(500)、底部钻具组件(600)，直至达到所设置的钻压；

步骤S2：顶部驱动组件(400)依据设置的转速旋转钻进；

步骤S3：记录顶部塔吊组件(300)、顶部驱动组件(400)、钻杆弹性元件(500)、底部钻具组件(600)中任一个或任多个部件的参数。

9.根据权利要求8所述的钻井振动测量与控制实验台架，其特征在于，控制装置(900)存储的计算机程序被处理器执行时实现的步骤中：

通过控制顶部塔吊组件(300)、顶部驱动组件(400)，在纵向与扭转向上叠加控制力与控制力矩。

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