CN112727439B - 一种测量钻杆接管段与套管磨损的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量钻杆与套管磨损的装置，包括承载结构、钻杆、旋转机构、套筒、水平施力机构；承载结构用于承载所述装置的各个部件，钻杆一端穿过套筒，旋转机构用于带动钻杆旋转；钻杆两端经转动部件固定于承载结构上；套筒经定向滑动机构固定于承载结构上，定向滑动机构限定了移动路径、其滑动方向与钻杆轴线垂直；水平施力机构伸缩端与套筒外壁接触，且其伸缩方向与定向滑动机构的滑动方向平行，用于压紧套筒和钻杆。本装置钻杆相对固定，钻柱移动并压紧钻杆，结构相对简单，同时钻柱由定向滑动机构引导移动，可以确保钻杆与套管线性接触、各处均匀受力磨损，而且套管的磨损部位固定，能够模拟实际磨损情形。

Description

一种测量钻杆接管段与套管磨损的装置

技术领域

本发明涉及摩擦磨损测量装置技术领域，具体为一种测量钻杆与套管磨损的装置。

背景技术

在钻井过程中，钻杆相对套管旋转，钻杆之间的接管外径较钻杆更大，其与套管之间的磨损也最为严重，因此，为了以保证寿命期内井筒的安全需要对套管和钻杆接管段之间的磨损程度评价。目前已有评价钻杆与套管之间摩擦情况的装置，但其难以模拟井下实际的接管段与套管之间的线性摩擦情况，如中国申请专利CN201910023320公开了一种用于研究钻杆与套管摩擦磨损的实验装置及方法，其钻杆一端插入套管中，套管固定、钻杆活动，利用施力杠杆推动钻杆移动使其与套管贴合摩擦，为了准确模拟管段的均匀摩擦，则要求贴合过程中钻杆向套管内壁方向整体平移，否则钻杆外壁与套管内壁必然不平行，从而导致两者最终为点接触，导致局部偏磨，无法模拟实际的管段磨损情形，而就该装置而言，其钻柱与施力杠杆、主轴箱等相连，要整体移动则配套设备非常复杂，同时由于其钻杆位于套筒中的一端是活动的，钻柱旋转后该端由于缺少固定设施而大幅震动，继而导致钻杆与套筒沿圆周的不同部位接触摩擦，甚至还出现了碰撞等情形，这就与实际地层中的线性摩擦不符了，模拟结果的可信度也就降低了。此外，中国申请专利CN201420680047公开了一种测定钻杆与套管的滑动摩擦系数的装置，其钻柱穿过套管并与套管夹持器两端转动连接，即相对固定了钻杆，套管相对活动，利用套管移动去压紧钻杆，其结构相对简单得多，然而利用橡胶圈来将套管定位于套管夹持器中，在钻柱旋转时，套管容易转动，导致整个套管沿圆周多处磨损，这与真实条件下套管固定部位的磨损也不符。

发明内容

为解决现有技术条件的不足，本发明提供了一种测量钻杆与套管磨损的装置，本装置钻杆相对固定，钻柱移动并压紧钻杆，结构相对简单，同时钻柱由定向滑动机构引导移动，可以确保钻杆与套管线性接触、各处均匀受力磨损，而且套管的磨损部位固定，符合井下实际磨损情形，本发明的具体方案如下：

一种测量钻杆与套管磨损的装置，包括承载结构、钻杆、旋转机构、套筒、水平施力机构；承载结构用于承载所述装置的各个部件，钻杆两端伸出套筒，且钻杆与套筒的轴线平行，旋转机构用于带动钻杆旋转；所述钻杆两端经转动部件固定于承载结构上，从而固定了转杆的位置，限制其晃动的幅度；所述套筒经定向滑动机构承载于承载结构上，定向滑动机构限定了移动路径、其滑动方向与钻杆轴线垂直；所述水平施力机构的伸缩端与套筒外壁接触，且其伸缩方向与定向滑动机构的滑动方向平行，用于压紧套筒和钻杆，从而使套筒内壁与钻杆外壁线性接触、均匀压紧。

周知的，套筒与钻杆的磨损情况与两者之间的正压力有关，因此需要对该正压力进行测量，而定向滑动机构移动时的自身的摩擦力将影响此正压力的准确测定，而又由于此摩擦力随工况不同而不同，难以准确测定，因此，有必要改进设备以尽量减少此摩擦力，作为本发明的一个优选的实施方式，我们对现有夹紧工具—卡盘进行了改进，设计了一种定向滑动机构，其包括卡盘、导向筒和导向杆，卡盘的两侧对称设有导向筒，每个导向筒均配套一根导向杆，且导向杆插入导向筒中并与其滑动连接；使用时，卡盘套设于套筒外壁，导向杆两端与承载结构固定连接，从而确保定向滑动机构仅能沿与钻杆轴线垂直的方向移动。对于本装置而言，定向滑动机构的数量以及布置方式可以根据需要确定，如选择2个，分别设置于套筒的两端；选择4个，沿套筒轴向均匀布置。

周知的，转杆在钻井过程中还承受轴向压力，而且钻杆在轴向压力下其存在一定的形变，这也对整个磨损结果会有较大的影响，因此有必要测定不同钻柱压力条件下的磨损情况，以便认识不同井深处的磨损情况。而周知的，常见的轴承为径向轴承，其难以承受较大的轴向压力（其内钢圈与外钢圈在较大轴向压力条件下容易错位脱开），因此，作为本发明的一个优选的实施方式，钻杆两端的转动部件包括止推轴承，用于承担轴向力；位于钻杆顶部的转动部件与承载结构固定连接，位于钻杆底部的转动部件与轴向施力机构连接，轴向施力机构用于推动钻杆底部的转动部件沿钻杆轴向移动，轴向施力机构固定于承载结构上。当然转动部件也可以是包含止推轴承和径向轴承两种轴承的机构，就如同离心式压缩机的轴承结构一样，这样可以承受较大的轴向、径向力。

作为本发明的一个优选的实施方式，所述承载结构为储液罐，可以储存钻井液，所述钻杆、套筒均位于承载结构内，使得本装置可以模拟在钻井液中的磨损情况。

进一步，所述旋转机构位于储液罐外，钻杆穿过储液罐器璧与旋转机构的转子同轴连接，且钻杆与储液罐器璧经机械密封轴承连接，这样可以保证容器密闭，可以配套设置设备对钻井液进行升温、升压等操作以便模拟进行高温、高压条件下的磨损情况，关于配套升温升压的设备，这属于本领域人员的常识，实现方式很多，此处不再详述。

进一步所述旋转机构为变速电机。

与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的钻杆两端相对固定、仅能转动，水平施力机构推动套筒去压紧钻杆，且套筒在定向滑动机构限制作用下只能沿与钻杆轴线垂直的方向移动，因此，实验时，钻杆、套筒的稳定性好，不存在大幅晃动等震动大的情形；同时，此设置可以确保套筒内壁与钻杆外壁线性接触、各处均匀磨损，确保实际磨损区域为较长的管段，而不仅仅是小块试验，更贴近钻杆与套筒的实际磨损情形；此外，本发明对钻杆、套筒采用的固定措施确保了试验过程中井筒的磨损部位相对固定，与真实钻杆与套筒的实际磨损情形相同，避免井筒旋转后多处磨损，影响实验结果。

附图说明

图1是图1是本发明整体结构的剖视图；

图2是钻杆的结构示意图；

图3是定向滑动机构的结构示意图；

图4是转动部件结构示意图；

图5是止推轴承结构示意图；

图6是径向轴承结构示意图；

图7是轴向施力机构的结构示意图；

图中，1、储液罐；2、钻杆；3、旋转电机；4、套筒；5、水平施力机构；6、轴向施力机构；7、转动部件；8、定向滑动机构；9、压力传感器；10、机械密封轴承；

201、环形凸台；601、伸缩端；701、径向轴承；702、止推轴承；801、三爪卡盘；802、导向筒；803、导向杆；804、封盖；

7011、静环A ；7012、动环A ；7021、静环B ；7022、动环B。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

在本发明的描述中，需指出的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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发明和简化描述，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，不能理解为对本发明的限制。

实施例：

请参考图1，图1是本发明整体结构的剖视图。一种测量钻杆与套管磨损的装置，包括储液罐1、钻杆2、旋转电机3、套筒4、水平施力机构5和轴向施力机构6；储液罐1用于承载装置的各个部件以及储存钻井液；旋转电机3位于储液罐1外部，用于带动钻杆2旋转；钻杆2位于储液罐1内，其两端均伸出套筒4并经转动部件7固定于储液罐1中，具体而言，位于钻杆2顶部的转动部件7与储液罐1顶部固定连接，位于钻杆2底部的转动部件7与轴向施力机构6的伸缩端活动连接，轴向施力机构6用于推动钻杆2底部的转动部件7沿钻杆2轴向移动，从而对钻杆2施加轴向压力，轴向施力机构6底部则固定于储液罐1底部。所述套筒4经定向滑动机构8定位于储液罐1中，定向滑动机构8只能定向滑动，使得套筒4仅能沿与钻杆2轴线垂直的方向移动；所述水平施力机构6水与套筒4外壁接触，且其伸缩方向与定向滑动机构8的移动方向平行，用于压紧套筒4和钻杆2，从而使套筒内壁与钻杆外壁线性接触、均匀压紧。

请参考图2，图2是钻杆的结构示意图。钻杆2为圆柱状，其中部设有环形凸台201，结合图1可知，环形凸台201完全插入套筒4中，实验时，环形凸台201与井筒4接触摩擦，钻杆1的其余部位不参与摩擦，因此可以准确控制摩擦管段的长度，模拟钻柱接头与套筒之间的摩擦情况。为了便于安装，我们将钻杆设置为多段式，此处不再详述。

请参考图3，图3是定向滑动机构的结构示意图。所述定向滑动机构8包括三爪卡盘801、导向筒802和导向杆803，导向筒802有两个且对称设置于三爪卡盘801的两侧，每个导向筒802均配套一根导向杆803，且导向杆803插入导向筒802中并与其滑动连接；具体而言，导向筒802内部、导向杆803与导向筒802之间设置有多个环形的滚珠圈（图中未示出），用于两者滑动连接，为了防止滚珠脱落，在导向筒802端口还配套螺纹连接有封盖804，封盖804设有与导向杆803匹配的通孔。请结合图1，三爪卡盘801套设于套筒4外壁，导向杆803两端与储液罐1固定连接，从而确保定向滑动机构仅能沿与钻杆轴线垂直的方向移动、套筒内壁与钻杆的环形凸台201外壁线性接触。此外，为了较好的固定套筒4，在套筒4的上、下端各设有一个定向滑动机构8，两个定向滑动机构8平行设置，确保两者移动方向相同。

请参考图4-6，图4是转动部件结构示意图，图5是止推轴承结构示意图，图6是径向轴承结构示意图。所述转动部件7包括径向轴承701和止推轴承702。径向轴承701包括静环A7011和动环A 7012，止推轴承702包括静环B 7021和动环B 7022；动环A 7012与动环B7022同轴线设置且固定连接为一体，静环B7021嵌入静环A7011中，使得径向轴承701和止推轴承702连为一体，在动环B 7022周侧面还设有锁紧螺栓，用于紧固钻杆。结合图1，对于位于钻杆2上部的转动部件，钻杆2穿过径向轴承701和止推轴承702并与旋转电机3的转子同轴连接，止推轴承702的静环B 7021与储液罐1顶部通过螺栓固定连接。对于位于钻杆2下部的转动部件，钻杆2插入径向轴承701中并用紧固螺栓锁紧，止推轴承702的静环B 7021与轴向施力机构6的伸缩端销连接，轴向施力机构6的底部则固定在储液罐1底部。

请参考图7，图7是轴向施力机构的结构示意图。轴向施力机构6的伸缩端601与止推轴承702的静环B 7021之间设置有压力传感器9，用于测定钻杆2受到的压力，为了防止实验时止推轴承702的静环B 7021旋转，同时压力传感器9能够准确反映钻柱的承压情况，轴向施力机构6的伸缩端601与止推轴承702的静环B 7021采用插销连接，使得两者之间可以轴向移动挤压压力传感器9。

此外，钻杆2的顶端还穿过储液罐1与旋转电机3的转子同轴连接，同时为了确保储液罐的密封效果，便于进行高压实验，在该穿过部位处、钻杆2与与储液罐1之间设置机械密封轴承10，此机械密封轴承可采用常规泵用机械密封轴承。

进一步，所述旋转电机3采用变速电机，可以调整转速，模拟不同转速情况下的磨损情况。此外本装置还配套设置设备对钻井液进行升温、升压等操作以便模拟进行高温、高压条件下的磨损情况，关于配套升温升压的设备，这属于本领域人员的常识，实现方式很多，此处不再详述。

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实施例揭露的技术范围内，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的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种测量钻杆与套管磨损的装置，其特征在于，包括承载结构、钻杆、旋转机构、套筒、水平施力机构；承载结构用于承载所述装置的各个部件，钻杆穿过套筒且钻杆与套筒的轴线平行，旋转机构用于带动钻杆旋转，所述钻杆两端经转动部件固定于承载结构上；所述套筒经定向滑动机构承载于承载结构上，定向滑动机构的滑动方向与钻杆轴线垂直；所述水平施力机构的伸缩端与套筒外壁接触，且其伸缩方向与定向滑动机构的滑动方向平行，用于压紧套筒和钻杆，从而使套筒内壁与钻杆外壁线性接触、均匀受力；所述转动部件包括止推轴承，位于钻杆顶部的转动部件与所述承载结构固定连接，位于钻杆底部的转动部件与轴向施力机构连接；所述轴向施力机构固定于所述承载结构上，其伸缩端与位于钻杆底部的转动部件连接，用于承载该转动部件并沿钻杆轴向压缩钻杆。

2.根据权利要求1所述的一种测量钻杆与套管磨损的装置，其特征在于，所述定向滑动机构包括卡盘、导向筒和导向杆；卡盘的两侧对称设有导向筒，每个导向筒均配套一根导向杆，导向杆插入导向筒中并与其滑动连接。

3.根据权利要求1所述的一种测量钻杆与套管磨损的装置，其特征在于，所述承载结构为储液罐。

4.根据权利要求3所述的一种测量钻杆与套管磨损的装置，其特征在于，所述旋转机构位于所述储液罐外，钻杆穿过储液罐器璧与旋转机构的转子同轴连接，且钻杆与储液罐器璧经机械密封轴承连接。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种测量钻杆与套管磨损的装置，其特征在于，所述旋转机构为变速电机。

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