CN109946052B - 动力钻具水力部件工作性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动力钻具水力部件工作性能测试装置，包括水箱、负载模拟装置、水龙头、稳流阀和调压阀，水龙头包括外壳，在外壳的两端分别装填轴承，通过轴承分别与动力钻具的出口一端以及负载模拟装置连接，在两端轴承之间的外壳壁上开出水孔，出水孔通过管道与水箱连通；稳流阀分别与动力钻具的入口和水箱连通；调压阀分别与水龙头出水孔外部的管道和水箱连通。本发明动力钻具水力部件工作性能测试装置可以模拟井下钻具出口端的流阻。一定流量压力的钻井液通过动力钻具时，稳流装置稳定动力钻具入口流量，而出口调压结构调节了系统的出口压力，有稳压作用。测试装置极大还原了井下钻具的工况，提高了动力钻具输出性能数据测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟测试装置，尤其涉及一种动力钻具水力部件工作性能测试装置。
背景技术
在现有技术中，动力钻具是深部地质钻探的关键部件之一，由泥浆泵输送钻井液驱动动力钻具旋转，完成钻进动作。在实验室中模拟动力钻具负载实验时，动力钻具的入口端需要有稳定的钻井液流量，因此需要设计一种入口稳流装置。密闭驱动的实验系统出口必须能够稳压。一定流量压力的钻井液经过动力钻具试验台出口端，会产生一定的流阻。因此需要设计一种出口调压结构，以模拟流体流出的流阻。
发明内容
针对上述现有技术中的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种动力钻具水力部件工作性能测试装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种动力钻具水力部件工作性能测试装置，包括水箱、负载模拟装置、水龙头、稳流阀和调压阀，所述水龙头包括外壳，在外壳的两端分别装填轴承，通过轴承分别与动力钻具的出口一端以及负载模拟装置连接，在两端轴承之间的外壳壁上开出水孔，所述出水孔通过管道与水箱连通；稳流阀分别与动力钻具的入口和水箱连通；调压阀分别与水龙头出水孔外部的管道和水箱连通。
优选地，所述稳流阀包括第一阀座和阀芯，所述阀芯安装在第一阀座的阀腔内，所述第一阀座上开有阀腔入口、阀腔出口和溢流口，所述阀腔入口和溢流口均与水箱连通，所述阀腔出口与动力钻具入口连通；所述阀芯包括同轴依次填充至阀腔的减压阀体、减压弹簧和底座，底座与阀腔开口固定安装，减压阀体与阀腔内壁滑动配合，阀腔出口正对底座和减压阀体之间的装配间隙设置；在减压阀体上加工出颈部，阀腔入口正对减压阀体的颈部设置；在颈部开有沿径向贯穿减压阀体的第一节流孔，第一节流孔的孔径小于阀腔入口、阀腔出口和溢流口的口径；通过减压弹簧在水流作用下发生形变调节溢流口和减压阀体的颈部之间的开度以及减压阀体和底座之间的开度。
优选地，所述阀腔入口、溢流口和阀腔出口沿减压阀体朝底座的滑动方向依次设置，减压阀体朝向底座运动时，溢流口和减压阀体颈部之间的开度具有减小的趋势或逐渐减小；同时减压阀体和底座之间的开度逐渐减小。
优选地，所述底座和减压阀体均具有用于导向及扶正减压弹簧用的套筒结构。
优选地，所述调压阀包括第二阀座、主阀芯和安全阀芯，所述第二阀座的上分别开有入水口和回流口，所述入水口与水龙头出水孔外的管道连通，所述回流口与水箱连通；在第二阀座上分别加工有用于装填主阀芯和安全阀芯的阀腔，第二阀座上开有与装填主阀芯的阀腔连通的调压口，所述调压口与所述水箱连通；第二阀座对应装填主阀芯的阀腔和回流口加工有连通的通道；所述主阀芯包括依次同轴设置的底座、弹簧和主阀体，所述底座可调节安装在第二阀座内，主阀体端部通过弹簧的弹力作用抵在主阀芯所在阀腔与入水口通道的开口处，主阀体端部开有通向主阀芯所在阀腔的第二节流孔；所述安全阀芯包括依次同轴设置的底座、安全阀弹簧和安全阀体，所述底座螺纹安装在第二阀座上，所述安全阀体通过安全阀弹簧的弹力作用下封闭回流口与入水口之间连通的通道开口。
优选地，还包括辅助阀芯和调节阀，所述辅助阀芯固定安装在主阀芯底座远离主阀体的一端；所述调节阀包括手柄和转动轴和传动销，所述手柄沿转动轴径向与转动轴固定连接，所述传动销平行于手柄与转动轴固定连接；在辅助阀芯上开有销孔，销孔轴向与主阀体的运动方向垂直，所述传动销插入到所述销孔内；通过手柄沿主阀体运动方向的往复摆动调节主阀弹簧的预紧力。
优选地，还包括调节手轮，所述调节手轮与安全阀芯的底座固定连接，通过转动调节手轮调节所述底座与第二阀座之间的相对位置，从而调节安全阀芯弹簧的预紧力。
优选地，所述负载模拟装置包括依次连接的扭矩传感器、膜片联轴器和电力测功机，所述扭矩传感器和水龙头之间通过转轴连接。
优选地，所述水箱和第一阀座的阀腔入口之间设置有离心泵，在第一阀座的阀腔出口和动力钻具入口之间的管道上设置有截止阀、流量传感器和压力表。
优选地，在水龙头出水孔外的官道上设置有压力表。
与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：
该动力钻具水力部件工作性能测试装置可以模拟井下钻具出口端的流阻。一定流量压力的钻井液通过动力钻具时，稳流装置稳定了动力钻具的入口流量，而出口调压结构调节了系统的出口压力，有稳压作用，从而提高了动力钻具输出性能数据测量的准确性。整个密闭驱动试验系统可以很好的模拟井下钻具工作的实况。
附图说明
图1为本发明动力钻具水力部件工作性能测试装置的总装配图；
图2为本发明动力钻具水力部件工作性能测试装置的稳流阀的结构示意图；
图3为本发明动力钻具水力部件工作性能测试装置的调压阀的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其图1-3对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种动力钻具水力部件工作性能测试装置，包括水箱1、负载模拟装置、水龙头8、稳流阀3和调压阀9，所述水龙头8包括外壳，在外壳的两端分别装填轴承，通过轴承分别与动力钻具7的出口一端以及负载模拟装置连接，在两端轴承之间的外壳壁上开出水孔，所述出水孔通过管道与水箱1连通；稳流阀3分别与动力钻具7的入口和水箱1连通；调压阀9分别与水龙头8出水孔外部的管道和水箱1连通。
所述稳流阀3包括第一阀座和阀芯，所述阀芯安装在第一阀座的阀腔42内，所述第一阀座上开有阀腔入口26、阀腔出口27和溢流口30，所述阀腔入口26和溢流口30均与水箱1连通，所述阀腔出口27与动力钻具7入口连通；所述阀芯包括同轴依次填充至阀腔的减压阀体28、减压弹簧31和底座，底座与阀腔开口固定安装，减压阀体28与阀腔内壁滑动配合，阀腔出口27正对底座和减压阀体28之间的装配间隙设置；在减压阀体28上加工出颈部，阀腔入口26正对减压阀体28的颈部设置；在颈部开有沿径向贯穿减压阀体28的第一节流孔29，第一节流孔29的孔径小于阀腔入口26、阀腔出口27和溢流口30的口径；通过减压弹簧31在水流作用下发生形变调节溢流口30和减压阀体28的颈部之间的开度以及减压阀体28和底座之间的开度。
所述阀腔入口26、溢流口30和阀腔出口27沿减压阀体28朝底座的滑动方向依次设置，减压阀体28朝向底座运动时，溢流口30和减压阀体28颈部之间的开度具有减小的趋势或逐渐减小；同时减压阀体28和底座之间的开度逐渐减小。
所述底座和减压阀体28均具有用于导向及扶正减压弹簧31用的套筒结构。
所述调压阀9包括第二阀座、主阀芯和安全阀芯，所述第二阀座的上分别开有入水口14和回流口24，所述入水口14与水龙头8出水孔外的管道连通，所述回流口24与水箱1连通；在第二阀座上分别加工有用于装填主阀芯和安全阀芯的阀腔，第二阀座上开有与装填主阀芯的阀腔连通的调压口17，所述调压口17与所述水箱1连通；第二阀座对应装填主阀芯的阀腔和回流口24加工有连通的通道；所述主阀芯包括依次同轴设置的底座、弹簧18和主阀体16，所述底座可调节安装在第二阀座内，主阀体16端部通过弹簧18的弹力作用抵在主阀芯所在阀腔与入水口14通道的开口处，主阀体16端部开有通向主阀芯所在阀腔的第二节流孔15；所述安全阀芯包括依次同轴设置的底座、安全阀弹簧23和安全阀体25，所述底座螺纹安装在第二阀座上，所述安全阀体25通过安全阀弹簧23的弹力作用下封闭回流口24与入水口14之间连通的通道开口。
还包括辅助阀芯19和调节阀，所述辅助阀芯19固定安装在主阀芯底座远离主阀体16的一端；所述调节阀包括手柄21和转动轴22和传动销20，所述手柄21沿转动轴22径向与转动轴22固定连接，所述传动销20平行于手柄21与转动轴22固定连接；在辅助阀芯19上开有销孔，销孔轴向与主阀体16的运动方向垂直，所述传动销20插入到所述销孔内；通过手柄21沿主阀体16运动方向的往复摆动调节主阀芯弹簧18的预紧力。
还包括调节手轮32，所述调节手轮32与安全阀芯的底座固定连接，通过转动调节手轮32调节所述底座与第二阀座之间的相对位置，从而调节安全阀芯弹簧的预紧力。
所述负载模拟装置包括依次连接的扭矩传感器10、膜片联轴器11和电力测功机13，所述扭矩传感器10和水龙头8之间通过转轴连接。
所述水箱1和第一阀座的阀腔入口26之间设置有离心泵2，在第一阀座的阀腔出口27和动力钻具7入口之间的管道上设置有截止阀4、流量传感器5和压力表6。
在水龙头8出水孔外的官道上设置有压力表13。
本动力钻具水力部件工作性能测试装置的工作过程：
离心泵2从水箱1中抽水，经管道进入稳流阀3，部分水经过稳流阀3的溢流口30回到水箱1，而稳定流量的水经过管道到达动力钻具7入口处，稳流阀3与动力钻具7入口之间管道上的流量传感器5和压力表6分别测量钻具入口端的流量和入口压力。动力钻具7出口端接水龙头8一端，再经出水孔外的管道到达水箱1。调压阀9并联至出水孔外的管道，出口通过回流口24和调压口17接回水箱1，从而调节动力钻具7的出口压力。出水孔外管道上的压力表13用来测量钻具出口压力。水龙头8的另一端依次接扭矩传感器10、膜片联轴器11以及电力测功机13，在不断地向动力钻具7输入液体介质的情况下，通过电力测功机13对动力钻具7施加不同的扭矩载荷，使动力钻具7在不同的制动扭矩下稳定工作，检测出动力钻具7在不同工况下的输出扭矩、转速、流量以及压力等主要性能参数，经过数据处理和相应的数学运算后得出动力钻具7的动特性参数和特性曲线，从而掌握动力钻具7的工作特性。
进口稳流阀3调节钻具入口流量，使得流量稳定：
水从稳流阀3的阀腔入口26进入稳流阀3后分为两路，一路经过溢流口30流回水箱1，该路不需要稳流。另一路经过节流孔从阀腔出口27流出，这一路要求稳流。当阀腔出口27压力减小时，阀腔入口26和阀腔出口27之间的压力差瞬间增大，此时减压阀体28失去平衡，在阀腔入口26侧压力作用下左移，轴颈与溢流口30之间开度增加，节流效果减弱，则阀腔入口26压力下降，从而使得阀腔入口26和阀腔出口27之间的压力差恒定。反之亦然。
出口调压阀9调节钻具出口压力，有稳压作用：
通过手柄21的转动来使与其相连的转动轴22发生旋转，该旋转动作通过与转动轴22及辅助阀芯19均衔接的传动销20进行运动传递，来驱动辅助阀芯19进行水平方向的移动，从而压缩弹簧，进而调节调压阀9入水口14端的压力。
水经过调压阀9入口，一部分经节流孔进入主阀芯下端，节流孔有引流作用，减小了因水流冲击而产生的震动和噪声，另一部分经流道进入安全阀芯下端。当进水压力大到可以克服主阀芯的弹力，水流顶开主阀芯，并通过上方的调压口17进行泄流。当出现压力波动，进口压力足以克服安全阀弹簧23时，水流将顶开安全阀体25通过回流口24泄流。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种动力钻具水力部件工作性能测试装置，其特征在于，包括水箱、负载模拟装置、水龙头、稳流阀和调压阀，所述水龙头包括外壳，在外壳的两端分别装填轴承，通过轴承分别与动力钻具的出口一端以及负载模拟装置连接，在两端轴承之间的外壳壁上开出水孔，所述出水孔通过管道与水箱连通；稳流阀分别与动力钻具的入口和水箱连通；调压阀分别与水龙头出水孔外部的管道和水箱连通；
所述稳流阀包括第一阀座和阀芯，所述阀芯安装在第一阀座的阀腔内，所述第一阀座上开有阀腔入口、阀腔出口和溢流口，所述阀腔入口和溢流口均与水箱连通，所述阀腔出口与动力钻具入口连通；所述阀芯包括同轴依次填充至阀腔的减压阀体、减压弹簧和底座，底座与阀腔开口固定安装，减压阀体与阀腔内壁滑动配合，阀腔出口正对底座和减压阀体之间的装配间隙设置；在减压阀体上加工出颈部，阀腔入口正对减压阀体的颈部设置；在颈部开有沿径向贯穿减压阀体的第一节流孔，第一节流孔的孔径小于阀腔入口、阀腔出口和溢流口的口径；通过减压弹簧在水流作用下发生形变调节溢流口和减压阀体的颈部之间的开度以及减压阀体和底座之间的开度；
所述调压阀包括第二阀座、主阀芯和安全阀芯，所述第二阀座的上分别开有入水口和回流口，所述入水口与水龙头出水孔外的管道连通，所述回流口与水箱连通；在第二阀座上分别加工有用于装填主阀芯和安全阀芯的阀腔，第二阀座上开有与装填主阀芯的阀腔连通的调压口，所述调压口与所述水箱连通；第二阀座对应装填主阀芯的阀腔和回流口加工有连通的通道；所述主阀芯包括依次同轴设置的底座、弹簧和主阀体，所述底座可调节安装在第二阀座内，主阀体端部通过弹簧的弹力作用抵在主阀芯所在阀腔与入水口通道的开口处，主阀体端部开有通向主阀芯所在阀腔的第二节流孔；所述安全阀芯包括依次同轴设置的底座、安全阀弹簧和安全阀体，所述底座螺纹安装在第二阀座上，所述安全阀体通过安全阀弹簧的弹力作用下封闭回流口与入水口之间连通的通道开口。
2.根据权利要求1所述的动力钻具水力部件工作性能测试装置，其特征在于，所述阀腔入口、溢流口和阀腔出口沿减压阀体朝底座的滑动方向依次设置，减压阀体朝向底座运动时，溢流口和减压阀体颈部之间的开度具有减小的趋势或逐渐减小；同时减压阀体和底座之间的开度逐渐减小。
3.根据权利要求1或2所述的动力钻具水力部件工作性能测试装置，其特征在于，所述底座和减压阀体均具有用于导向及扶正减压弹簧用的套筒结构。
4.根据权利要求1所述的动力钻具水力部件工作性能测试装置，其特征在于，还包括辅助阀芯和调节阀，所述辅助阀芯固定安装在主阀芯底座远离主阀体的一端；所述调节阀包括手柄和转动轴和传动销，所述手柄沿转动轴径向与转动轴固定连接，所述传动销平行于手柄与转动轴固定连接；在辅助阀芯上开有销孔，销孔轴向与主阀体的运动方向垂直，所述传动销插入到所述销孔内；通过手柄沿主阀体运动方向的往复摆动调节主阀弹簧的预紧力。
5.根据权利要求1所述的动力钻具水力部件工作性能测试装置，其特征在于，还包括调节手轮，所述调节手轮与安全阀芯的底座固定连接，通过转动调节手轮调节所述底座与第二阀座之间的相对位置，从而调节安全阀芯弹簧的预紧力。
6.根据权利要求1所述的动力钻具水力部件工作性能测试装置，其特征在于，所述负载模拟装置包括依次连接的扭矩传感器、膜片联轴器和电力测功机，所述扭矩传感器和水龙头之间通过转轴连接。
7.根据权利要求1所述的动力钻具水力部件工作性能测试装置，其特征在于，所述水箱和第一阀座的阀腔入口之间设置有离心泵，在第一阀座的阀腔出口和动力钻具入口之间的管道上设置有截止阀、流量传感器和压力表。
8.根据权利要求1所述的动力钻具水力部件工作性能测试装置，其特征在于，在水龙头出水孔外的官道上设置有压力表。
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