CN109751040B - 一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，步进电机转动驱动滑块和伺服电机向下进给，钻头向下切削圆桶型容器中的模拟岩层材料，步进电机和伺服电机的转速和扭矩会通过电机驱动器和电机控制器传入笔记本电脑中，安装在底板上方的压力传感器、扭力传感器、光电传感器、超声位移传感器会将钻头的切削力、扭力、转速、钻速通过数据采集卡传入笔记本电脑中，以模拟真实的钻井工作过程，并用这些数据为钻柱的自激振动和粘滑振动分析提供参考依据。

Description

一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置

技术领域

本发明属于钻井技术领域，涉及一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置。

背景技术

钻井技术在石油、天然气和煤炭等矿藏资源的开采中起到至关重要的作用。钻井过程是一种再生切削过程，钻深较浅时，钻头与岩层的接触应力较小，钻柱的振动主要是由于再生切削效应引起的自激振动；随着钻深的增加，钻头与岩层的接触应力逐渐变大，钻头与岩石的摩擦力随之增大，导致钻柱系统发生粘滑振动。自激振动极易使钻柱系统发生动力学失稳，而粘滑振动极易导致钻柱系统发生疲劳破坏。工程中，为了避免钻柱系统发生自激振动和粘滑振动，常常使用高转速、低进给、低钻压的钻进方式，但是这种钻进方式势必导致钻井效率的大大降低，并且这种经验式钻进方法无法适应所有的施工地层。

钻井现场实验是研究钻柱振动最直接的方式，科研人员一般会测试露出地表部分的钻柱振动，但是，自激振动和粘滑振动最剧烈的位置是在钻头处，由于钻柱长度很长，可以视为细长弹性体，并且经过体内阻尼和钻井液的影响，在地表部分测得的钻柱振动并不可靠，限于当前技术的局限，无法对井底部分的钻柱振动及标识粘滑振动特性的钻压和扭矩进行测量，这就是至今无法获得有效应对钻井自激振动和粘滑振动的方法的原因。因此，设计一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置并且制定相应的实验方法迫在眉睫。

现有技术中对于钻柱振动模拟的实验装置主要分为有钻井液式和无钻井液式。对于有钻井液式装置，中国专利CN201611214161.6提出了一种液压缸升降、液压马达驱动、动力水龙头循环钻井液并利用安装在液压缸支耳下的拉力传感器检测拉力波动的钻柱振动模拟方案，该方案一定程度上实现了对钻头切削压力波动的检测。对于无钻井液式装置，中国专利CN201510068354.4提出了一种利用激振器和击打挡板模拟切削力变化，利用拉力传感器和位移传感器测试钻柱轴向拉力和位移的钻柱振动模拟方案，该方案实现了钻柱轴向减摩阻特性的测试。

对于现有技术中的钻柱系统振动模拟装置，普遍存在以下不足：1、有钻井液式装置无法直接测试得到钻头端的压力值，仅仅通过传导到液压缸支耳上的拉力来计算钻头端的压力，不精确，不直接；2、无钻井液式装置无法模拟钻头的真实切削过程，无法模拟钻柱自激振动；3、无法直接测试得到钻头端的扭力和转速与钻柱顶端输入的扭力和转速的差值；4、不能模拟真实切削过程中的粘滑振动。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，以实现对钻柱钻头系统切削岩层的模拟，真正达到了对真实钻井过程模拟的目的。

本发明提供一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，包括：框架组件、顶部驱动组件、微型钻杆、微型钻头、模拟岩层组件、光学编码盘、超声位移传感器、光电传感器、扭力传感器、压力传感器和数据采集系统；

所述顶部驱动组件设置于所述框架组件的顶部，用于驱动微型钻杆上下运动和旋转运动；

所述微型钻杆一端与顶部驱动组件连接，另一端设有微型钻头，带动微型钻头切削所述模拟岩层组件；

所述光学编码盘设置在微型钻杆的中下部，可随微型钻杆上下运动和旋转运动；

所述超声位移传感器设置在光学编码盘上方，用于测量光学编码盘的轴向位移；

所述光电传感器设置在光学编码盘的侧面且与光学编码盘同步上下运动，用于发射红外激光信号进而测量微型钻杆的扭转速度；

所述扭力传感器设置在模拟岩层组件下方，扭力传感器的承载端与模拟岩层组件配合，测量微型钻头的切削扭力；

所述压力传感器的承载端的上部连接扭力传感器，测量微型钻头的切削压力；

所述数据采集系统用于采集超声位移传感器、光电传感器、扭力传感器、压力传感器所检测的数据。

在本发明的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置中，所述顶部驱动组件包括：步进电机、电机支架、伺服电机、电机固定板、电机后板、中间固定板、前置固定板、两根光杆、丝杠、滑块、第一联轴器、轴承、第二联轴器；

所述电机固定板、电机后板、中间固定板与前置固定板通过螺栓连接构成框架支撑结构，步进电机设置在电机固定板上；所述丝杠一端通过第一联轴器与步进电机的输出轴连接，另一端通过轴承与前置固定板连接，两根光杆平行设置在丝杠两侧，所述滑块与丝杠旋转连接，光杆穿设于滑块两侧起导向作用；伺服电机通过电机支架安装在滑块上，可随滑块上下运动，伺服电机的输出轴通过第二联轴器与微型钻杆的一端连接，驱动微型钻杆上下运动和旋转运动。

在本发明的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置中，所述模拟岩层组件包括：包括圆桶型容器、模拟岩层材料和底部圆板；圆桶型容器用于盛装模拟岩层材料，底部圆板封闭在圆桶型容器的底部，所述底部圆板中间设置有方形通孔，所述扭力传感器的承载端为方形，其与方形通孔配合测量微型钻头的切削扭力。

在本发明的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置中，所述光学编码盘为盘型多齿结构，所述光学编码盘四周均匀分布多个反光齿，所述反光齿的齿顶涂有反光材料，所述反光齿的齿底涂有黑色油漆。

在本发明的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置中，所述光电传感器的探测端正对光学编码盘的轴线，所述光电传感器发射红外激光信号，当反光齿的齿顶正对光电传感器时，会将激光信号反射回光电传感器；当反光齿的齿底正对光电传感器时，会吸收激光信号，数据采集系统通过记录光电传感器的交替信号，可得到微型钻杆的扭转速度。

在本发明的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置中，所述滑块的侧面设有连接耳板，连接耳板下部设有连接杆，所述连接杆下部连接有传感器支架，所述光电传感器设置在传感器支架上，以确保与光学编码盘同步上下运动。

在本发明的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置中，所述框架组件是由两根底部侧面支架、两根底部前部支架、四根支撑架、两根中部侧面支架、两根顶部侧面支架和一根顶部前部支架，通过螺栓连接构成长方体框架结构。

在本发明的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置中，两根中部侧面支架之间连接有扶正横梁，所述超声位移传感器安装在扶正横梁上；超声位移传感器向光学编码盘上表面发射超声信号，超声信号接触光学编码盘上表面后反射回超声位移传感器3，超声位移传感器就会将位移信息通传送给数据采集系统。

在本发明的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置中，所述扶正横梁上设有通孔，所述微型钻杆穿设于通孔中，扶正横梁用于扶正微型钻杆，以增加微型钻杆的横向刚度。

在本发明的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置中，所述数据采集系统包括：笔记本电脑、电机控制器、电机驱动器、数据采集卡；

所述步进电机和伺服电机分别通过导线与电机驱动器相连，所述电机驱动器与电机控制器通过导线相连，所述电机控制器与笔记本电脑通过导线相连，所述超声位移传感器、光电传感器、压力传感器、扭力传感器分别与数据采集卡的通道一、通道二、通道三、通道四通过导线相连，所述数据采集卡与笔记本电脑通过导线相连。本发明的一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，至少包括以下有益效果：

1、实现了对微型钻头系统切削岩层的模拟，真正达到了对真实钻井过程模拟的目的。

2、步进电机和伺服电机通过电机驱动器和电机控制器将转速反馈到笔记本电脑，实现了对微型钻杆顶端转速和钻速的监测。

3、光电传感器和超声位移传感器直接监测钻头的位移和转速，属于非接触式测试，不影响钻头正常切削，监测精度高、效果好。

4、压力传感器和扭力传感器直接监测钻头的切削力和扭矩，监测精度高。

5、可完全记录钻头的扭转速度、轴向位移(钻速)、切削扭矩、切削压力，为微型钻杆系统的振动分析提供直接而充分的依据。

6、整个装置属于闭环控制，通过对微型钻头端扭转速度、轴向位移(钻速)、切削扭矩、切削压力的监测，可实时调节微型钻杆的进给速度和旋转速度，以达到减振的效果，并为新的减振钻井方法的开发提供实验环境和设备。

7、微型钻杆选用全裸露式安装，可用于微型钻杆轴向-扭转-横向耦合振动的研究，方便简单的实时呈现钻柱的工作状况，为科研和工程技术人员提供高效精确的钻柱振动实验仪器。

附图说明

图1为本发明的一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置的整体结构及安装示意图；

图2为本发明的框架组件的轴测图；

图3为本发明的传感器安装位置示意图；

图4为本发明的顶部驱动组件的轴测图；

图5为本发明的模拟岩层组件的轴测图；

图6为本发明的底部圆板结构的示意图；

图7为本发明的光学编码盘的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-7所示，本发明的一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，包括：框架组件1、顶部驱动组件5、微型钻杆10、微型钻头13、模拟岩层组件18、光学编码盘11、超声位移传感器3、光电传感器9、扭力传感器17、压力传感器16和数据采集系统19。

所述顶部驱动组件5通过设置在框架组件1后侧上部的挂板4安装于所述框架组件1的顶部。顶部驱动组件5用于驱动微型钻杆10上下运动和旋转运动。所述微型钻杆10一端与顶部驱动组件5连接，另一端通过连接螺母12与微型钻头13连接，顶部驱动组件5通过微型钻杆10带动微型钻头13切削所述模拟岩层组件18。

如图4所示，顶部驱动组件5包括：步进电机26、电机支架27、伺服电机28、电机固定板29、电机后板30、中间固定板31、前置固定板32、两根光杆33、丝杠34、滑块35、第一联轴器36、轴承37、第二联轴器38。所述电机固定板29、电机后板30、中间固定板31与前置固定板32通过螺栓连接构成框架支撑结构，步进电机26设置在电机固定板29上；所述丝杠34一端通过第一联轴器36与步进电机26的输出轴连接，另一端通过轴承37与前置固定板32连接，两根光杆33平行设置在丝杠34两侧，所述滑块35与丝杠34旋转连接，光杆33穿设于滑块35两侧起导向作用。伺服电机28通过电机支架27安装在滑块35上，可随滑块35上下运动，伺服电机28的输出轴通过第二联轴器38与微型钻杆10的一端连接，驱动微型钻杆10上下运动和旋转运动。所述步进电机26选用57BYG250-80系列电机，所述伺服电机28选用86EBP147ALC-TK0系列电机。

如图5和图6所示，所述模拟岩层组件18包括：包括圆桶型容器39、模拟岩层材料40和底部圆板41。圆桶型容器39用于盛装模拟岩层材料40，底部圆板41封闭在圆桶型容器39的底部；微型钻头13伸入圆桶型容器39，在顶部驱动组件5的驱动下切削所述模拟岩层材料40。所述底部圆板41中间设置有方形通孔42，所述扭力传感器17设置在模拟岩层组件下方，扭力传感器17的承载端为方形，其与方形通孔42配合。所述模拟岩层材料40选用高强度石膏，所述微型钻头13工作时切削模拟岩层材料40，切削过程中，切削压力和切削扭矩传递给所述圆桶型容器39，所述方形通孔42配合扭力传感器17的承载端传递微型钻头13的切削扭矩。

如图1和图7所示，光学编码盘11设置在微型钻杆10的中下部，可随微型钻杆10上下运动和旋转运动。光学编码盘11为盘型多齿结构，所述光学编码盘11四周均匀分布多个反光齿47，所述反光齿47的齿顶涂有反光材料，所述反光齿47的齿底涂有黑色油漆。

所述滑块35的侧面设有连接耳板6，连接耳板6的下部设有连接杆7，所述连接杆7下部连接有传感器支架8，所述光电传感器9设置在传感器支架8上，以确保光电传感器9与光学编码盘11可同步上下运动。光电传感器9的探测端正对光学编码盘11的轴线，光电传感器9发射红外激光信号，当反光齿47的齿顶正对光电传感器9时，会将激光信号反射回光电传感器9；当反光齿47的齿底正对光电传感器9时，会吸收激光信号，数据采集系统19通过记录光电传感器9的交替信号，可得到微型钻杆10的扭转速度。

如图2所示，框架组件1采用4040W铝型材制成，其作为整个装置的主体支架，支撑顶部驱动组件5与其他零部件的正常工作，所述顶部驱动组件5驱动微型钻杆10的上下运动和旋转运动，模拟真实钻柱的运动，所述数据采集系统19主要负责实时记录传感器的信号以及控制顶部驱动组件5的正常运行。框架组件1是由两根底部侧面支架20、两根底部前部支架21、四根支撑架22、两根中部侧面支架23、两根顶部侧面支架24和一根顶部前部支架25，通过螺栓连接构成长方体框架结构。两根中部侧面支架23之间连接有扶正横梁2，所述超声位移传感器3安装在扶正横梁2上，且位于光学编码盘11上方；超声位移传感器3向光学编码盘11的上表面发射超声信号，超声信号接触光学编码盘11的上表面后反射回超声位移传感器3，超声位移传感器3就会将位移信息通传送给数据采集系统，以实现轴向位移的检测。在扶正横梁2上设有通孔，所述微型钻杆10穿设于通孔中，扶正横梁2用于扶正微型钻杆10，以增加微型钻杆10的横向刚度。

如图3所示，在框架组件1底部设有底板14，其为长方体结构，所述底板14上部连接有垫块15，所述垫块15上部连接有压力传感器16，所述压力传感器16的另一端承载端上部连接有扭力传感器17，所述扭力传感器17承载端上部安装有模拟岩层组件18，测量微型钻头13的切削压力。

所述数据采集系统19设置于所述实验装置框架组件1的外部。包括：笔记本电脑43、电机控制器44、电机驱动器45、数据采集卡46。所述步进电机26和伺服电机28分别通过导线与电机驱动器45相连，所述电机驱动器45与电机控制器44通过导线相连，所述电机控制器44与笔记本电脑43通过导线相连，所述超声位移传感器3、光电传感器9、压力传感器16、扭力传感器17分别与数据采集卡46的通道一、通道二、通道三、通道四通过导线相连，所述数据采集卡46与笔记本电脑43通过导线相连。

所述电机控制器44用于传送笔记本电脑43的程序指令，通过电机驱动器45控制步进电机26和伺服电机28的转速，所述电机控制器44同时能够向笔记本电脑43反馈步进电机26和伺服电机28的转速并由笔记本电脑43实时记录，所述超声位移传感器3发射超声波经过光学编码盘11上表面反射回来后，即可得到轴向位移，所述压力传感器16通过测量其上部的圆桶型容器39的压力和其本身的重力，可得到微型钻头13的切削压力，所述扭力传感器17过测量其上部的圆桶型容器39的扭力，可得到微型钻头13的切削扭力。所述超声位移传感器3、光电传感器9、压力传感器16、扭力传感器17能将微型钻头13切削模拟岩层材料40时的轴向位移、扭转速度、切削压力、切削扭矩实时通过数据采集卡46传送至笔记本电脑43。

本发明设置超声位移传感器、光电传感器、压力传感器、扭力传感器直接监测钻头的扭转速度、轴向位移(钻速)、切削扭矩、切削压力，为微型钻杆系统的振动分析提供直接而充分的依据。整个装置属于闭环控制，通过对微型钻头端扭转速度、轴向位移(钻速)、切削扭矩、切削压力的监测，可实时调节微型钻杆的进给速度和旋转速度，以达到减振的效果，并为新的减振钻井方法的开发提供实验环境和设备。微型钻杆选用全裸露式安装，可用于微型钻杆轴向-扭转-横向耦合振动的研究，方便简单的实时呈现钻柱的工作状况，为科研和工程技术人员提供高效精确的钻柱振动实验仪器。

后续通过对轴向位移微分获得轴向速度，对轴向速度和扭转速度进行FFt变换，然后去除转频的一倍频率的峰值，再用iFFt重新生成时域信号，就能得到微型钻杆系统的粘滑振动信号，将原始信号减去粘滑振动信号，就获得自激振动的信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，包括：框架组件、顶部驱动组件、微型钻杆、微型钻头、模拟岩层组件、光学编码盘、超声位移传感器、光电传感器、扭力传感器、压力传感器和数据采集系统；

所述顶部驱动组件设置于所述框架组件的顶部，用于驱动微型钻杆上下运动和旋转运动；

所述微型钻杆一端与顶部驱动组件连接，另一端设有微型钻头，带动微型钻头切削所述模拟岩层组件；

所述光学编码盘设置在微型钻杆的中下部，可随微型钻杆上下运动和旋转运动；

所述超声位移传感器设置在光学编码盘上方，用于测量光学编码盘的轴向位移；

所述光电传感器设置在光学编码盘的侧面且与光学编码盘同步上下运动，用于发射红外激光信号进而测量微型钻杆的扭转速度；

所述扭力传感器设置在模拟岩层组件下方，扭力传感器的承载端与模拟岩层组件配合，测量微型钻头的切削扭力；

所述压力传感器的承载端的上部连接扭力传感器，测量微型钻头的切削压力；

所述数据采集系统用于采集超声位移传感器、光电传感器、扭力传感器、压力传感器所检测的数据。

2.如权利要求1所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述顶部驱动组件包括：步进电机、电机支架、伺服电机、电机固定板、电机后板、中间固定板、前置固定板、两根光杆、丝杠、滑块、第一联轴器、轴承、第二联轴器；

所述电机固定板、电机后板、中间固定板与前置固定板通过螺栓连接构成框架支撑结构，步进电机设置在电机固定板上；所述丝杠一端通过第一联轴器与步进电机的输出轴连接，另一端通过轴承与前置固定板连接，两根光杆平行设置在丝杠两侧，所述滑块与丝杠旋转连接，光杆穿设于滑块两侧起导向作用；伺服电机通过电机支架安装在滑块上，可随滑块上下运动，伺服电机的输出轴通过第二联轴器与微型钻杆的一端连接，驱动微型钻杆上下运动和旋转运动。

3.如权利要求1所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述模拟岩层组件包括：包括圆桶型容器、模拟岩层材料和底部圆板；圆桶型容器用于盛装模拟岩层材料，底部圆板封闭在圆桶型容器的底部，所述底部圆板中间设置有方形通孔，所述扭力传感器的承载端为方形，其与方形通孔配合测量微型钻头的切削扭力。

4.如权利要求1所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述光学编码盘为盘型多齿结构，所述光学编码盘四周均匀分布多个反光齿，所述反光齿的齿顶涂有反光材料，所述反光齿的齿底涂有黑色油漆。

5.如权利要求4所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述光电传感器的探测端正对光学编码盘的轴线，所述光电传感器发射红外激光信号，当反光齿的齿顶正对光电传感器时，会将激光信号反射回光电传感器；当反光齿的齿底正对光电传感器时，会吸收激光信号，数据采集系统通过记录光电传感器的交替信号，可得到微型钻杆的扭转速度。

6.如权利要求2所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述滑块的侧面设有连接耳板，连接耳板下部设有连接杆，所述连接杆下部连接有传感器支架，所述光电传感器设置在传感器支架上，以确保与光学编码盘同步上下运动。

7.如权利要求1所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述框架组件是由两根底部侧面支架、两根底部前部支架、四根支撑架、两根中部侧面支架、两根顶部侧面支架和一根顶部前部支架，通过螺栓连接构成长方体框架结构。

8.如权利要求7所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，两根中部侧面支架之间连接有扶正横梁，所述超声位移传感器安装在扶正横梁上；超声位移传感器向光学编码盘上表面发射超声信号，超声信号接触光学编码盘上表面后反射回超声位移传感器，超声位移传感器就会将位移信息通传送给数据采集系统。

9.如权利要求8所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述扶正横梁上设有通孔，所述微型钻杆穿设于通孔中，扶正横梁用于扶正微型钻杆，以增加微型钻杆的横向刚度。

10.如权利要求2所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括：笔记本电脑、电机控制器、电机驱动器、数据采集卡；

所述步进电机和伺服电机分别通过导线与电机驱动器相连，所述电机驱动器与电机控制器通过导线相连，所述电机控制器与笔记本电脑通过导线相连，所述超声位移传感器与数据采集卡的通道一通过导线相连，光电传感器与数据采集卡的通道二通过导线相连，压力传感器与数据采集卡的通道三通过导线相连，扭力传感器与数据采集卡的通道四通过导线相连，所述数据采集卡与笔记本电脑通过导线相连。

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