CN113008534A - 大斜度钻井摩阻模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种大斜度钻井摩阻模拟实验装置，包括模拟装置主体、驱动系统、测量系统和数据收集与处理系统；所述模拟装置主体是整个模拟实验装置的主体部分，包括：加压手轮、弹簧、压力传感器、模拟钻柱、模拟井筒和支撑钢架、模拟钻头、模拟井底和底座。所述模拟井筒包括竖直井筒、水平井筒和过渡井筒，所述支撑钢架用于支撑模拟井筒。所述测量系统包括若干组传感器。所述模拟实验装置，通过改变钻柱的井斜角，能够模拟研究在大斜度井眼中钻柱的运动规律、井底钻压波动特性、钻头侧向力变化特性等基本规律。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻井摩阻模拟实验装置，特别是一种大斜度钻井摩阻模拟实验装置。
背景技术
大斜度井工程是近些年逐步发展起来的一项全新的技术，然而随着技术的推广，各种问题也日益凸显。比如，钻柱是在钻井过程中用于延伸井眼长度、提供钻井液流动通道、传递扭矩和水功率的工具，平时工作时一直处于狭长井眼里，钻柱在井筒里的运动状态可以看作其自身、钻井液、井壁和井底相互接触作用的结果，受力情况相当复杂。几乎每年在全球范围内都有许多钻井事故的发生，造成了严重的经济损失。
钻柱动力学作为研究钻井工程实际问题的理论基础，能够帮助钻井工程师解决钻具组合优化、钻井参数优选等一系列问题。近些年来，钻柱动力学的科研成果已经被大量地运用在预测及控制井眼轨迹、校核钻柱强度及预防钻柱破坏、优化钻柱结构设计、诊断及处理井下事故和优选钻进参数等各个方面。井眼的形成与延伸主要依靠钻头与地层的相互作用。在此过程中，钻头的侧向力是影响井眼轨迹的重要因素。为了科学地进行井眼轨道的预测和控制，有必要研究钻头侧向力在钻井过程中的变化规律和影响因素。
但是目前，钻柱动力学存在如下问题：钻柱与井壁接触状态模拟方式存在较大差异，想要合理处理这种问题较为困难；(2)钻头与岩石相互作用模型考虑也不相同，目前为止几乎没有大斜度段钻柱复合钻进时的钻柱动力学方面研究。(3)缺乏相应的大斜度井眼中钻柱动力学模拟实验装置，导致动力学研究手段单一，不能适应井下复杂多变的地质条件。
大斜度井钻柱运动特性研究在还处于起步阶段，还有大量的工作需要做，首先迫切需要的是建立大斜度钻井摩阻模拟实验装置，并利用其进行动力学研究。
发明内容
一种大斜度钻井摩阻模拟实验装置，包括模拟装置主体、驱动系统、测量系统和数据收集与处理系统；所述模拟装置主体是整个模拟实验装置的主体部分，包括：加压手轮、弹簧、压力传感器、模拟钻柱、模拟井筒和支撑钢架、模拟钻头、模拟井底和底座。
所述模拟钻柱设置在所述模拟井筒中，模拟钻柱的材料为工程塑料，分段螺纹连接。模拟钻柱的总长为11m，可模拟的钻柱长度大约110m。模拟井筒为有机玻璃管，在传感器测量处断开，并靠尼龙管架固定在管架上。透明且断开的模拟井筒便于实验人员直接观察钻柱的运动状态。
所述模拟井筒包括竖直井筒、水平井筒和过渡井筒，所述支撑钢架用于支撑模拟井筒。所述模拟井筒采用Ф50×10的有机玻璃管，用尼龙管夹固定在管架上。
所述驱动系统是包括调速电机组成，用来驱动钻柱作旋转运动。所述电机的极限转速为374r/min。
所述测量系统包括若干组传感器，若干组传感器包括涡流位移传感器、侧向压力传感器、应变式拉压力传感器、转速传感器。
进一步，所述若干组传感器包括：12个涡流位移传感器、3个侧向压力传感器、2个应变式拉压力传感器和1个转速传感器。所述12个涡流位移传感器包括4组，每组设置3个，分别安装在距离钻头1m、3.5m、5.5m、8m的位置处，用于测量旋转钻柱在不同钻井参数和时间下的横向位移量；所述3个侧向压力传感器，互成120°安装在钻头周围，拉、压力均可测量，用于测量并记录钻头周边的瞬时冲击力；所述2个应变式拉压力传感器，分别设置在钻头处和加压处，分别用于测量名义钻压和钻头处的真实钻压；所述1个转速传感器，用于监测钻柱的即时转速值。
数据收集与处理系统包括一台工控机，它将各个板卡上的数据收集起来，并通过Labview软件统一处理成可视化曲线以供分析和存储。
所述模拟实验装置，通过改变钻柱的井斜角，能够模拟研究在大斜度井眼中钻柱的运动规律、井底钻压波动特性、钻头侧向力变化特性等基本规律。
附图说明
图1为本发明的大斜度钻井摩阻模拟实验装置结构示意图；
其中：1-加压手轮；2-弹簧；3-压力传感器；4-调速电机；5-转速传感器；6-模拟井筒；7-模拟钻柱；8-不锈钢筒；9-支撑钢架；10-涡流位移传感器；11-侧向压力传感器；12-模拟钻头；13-模拟井底；14-压力传感器；15-底座；16-信号传输数据线；17-操作台及数据处理系统。
图2为本发明的大斜度钻井摩阻模拟实验装置水平段剖面示意图。
具体实施方式
一种大斜度钻井摩阻模拟实验装置，包括模拟装置主体、驱动系统、测量系统和数据收集与处理系统；所述模拟装置主体是整个模拟实验装置的主体部分，包括：加压手轮1、弹簧2、压力传感器3、模拟钻柱7、模拟井筒6和支撑钢架9、模拟钻头12、模拟井底13和底座15。
所述模拟钻柱7设置在所述模拟井筒6中，模拟钻柱7的材料为工程塑料，分段螺纹连接。模拟钻柱的总长为11m，可模拟的钻柱长度大约110m。模拟井筒6为有机玻璃管，在传感器测量处断开，并靠尼龙管架固定在管架上。透明且断开的模拟井筒便于实验人员直接观察钻柱的运动状态。
所述模拟井筒6包括竖直井筒、水平井筒和过渡井筒，所述支撑钢架9用于支撑模拟井筒6。所述模拟井筒6采用Ф50×10的有机玻璃管，用尼龙管夹固定在管架上。
所述驱动系统是包括调速电机4，用来驱动钻柱作旋转运动。所述电机的极限转速为374r/min。
所述测量系统包括若干组传感器，若干组传感器包括涡流位移传感器10、侧向压力传感器11、应变式拉压力传感器14、转速传感器5。
进一步，所述若干组传感器包括：12个涡流位移传感器、3个侧向压力传感器、2个应变式拉压力传感器和1个转速传感器。所述12个涡流位移传感器包括4组，每组设置3个，分别安装在距离钻头1m、3.5m、5.5m、8m的位置处，用于测量旋转钻柱在不同钻井参数和时间下的横向位移量；所述3个侧向压力传感器，互成120°安装在钻头周围，拉、压力均可测量，用于测量并记录钻头周边的瞬时冲击力；所述2个应变式拉压力传感器，分别设置在钻头处和加压处，分别用于测量名义钻压和钻头处的真实钻压；所述1个转速传感器，用于监测钻柱的即时转速值。
数据收集与处理系统包括一台工控机，它将各个板卡上的数据收集起来，并通过Labview软件统一处理成可视化曲线以供分析和存储。
所述模拟实验装置，通过改变钻柱的井斜角，能够模拟研究在大斜度井眼中钻柱的运动规律、井底钻压波动特性、钻头侧向力变化特性等基本规律。
Claims (10)
1.一种大斜度钻井摩阻模拟实验装置，包括模拟装置主体、驱动系统、测量系统和数据收集与处理系统；所述模拟装置主体是整个模拟实验装置的主体部分，其特征是：包括：加压手轮、弹簧、压力传感器、模拟钻柱、模拟井筒和支撑钢架、模拟钻头、模拟井底和底座；所述模拟钻柱设置在所述模拟井筒中，模拟井筒为有机玻璃管；所述模拟井筒包括竖直井筒、水平井筒和过渡井筒，所述支撑钢架用于支撑模拟井筒；所述驱动系统是包括调速电机组成，用来驱动钻柱作旋转运动；所述测量系统包括若干组传感器，若干组传感器包括涡流位移传感器、侧向压力传感器、应变式拉压力传感器、转速传感器；所述数据收集与处理系统包括一台工控机，它将各个板卡上的数据收集起来，并通过Labview软件统一处理成可视化曲线以供分析和存储。
2.一种如权利要求1所述的大斜度钻井摩阻模拟实验装置，其特征是：所述模拟钻柱的材料为工程塑料，模拟钻柱采用分段螺纹连接。
3.一种如权利要求2所述的大斜度钻井摩阻模拟实验装置，其特征是：所述模拟钻柱的总长为11m，可模拟的钻柱长度大约110m。
4.一种如权利要求1所述的大斜度钻井摩阻模拟实验装置，其特征是：所述模拟井筒在传感器测量处断开，并靠尼龙管架固定在管架上；透明且断开的模拟井筒便于实验人员直接观察钻柱的运动状态。
5.一种如权利要求1所述的大斜度钻井摩阻模拟实验装置，其特征是：所述电机的极限转速为374r/min。
6.一种如权利要求1所述的大斜度钻井摩阻模拟实验装置，其特征是：所述若干组传感器包括：12个涡流位移传感器、3个侧向压力传感器、2个应变式拉压力传感器和1个转速传感器。
7.一种如权利要求6所述的大斜度钻井摩阻模拟实验装置，其特征是：所述12个涡流位移传感器包括4组，每组设置3个，分别安装在距离钻头1m、3.5m、5.5m、8m的位置处，用于测量旋转钻柱在不同钻井参数和时间下的横向位移量。
8.一种如权利要求7所述的大斜度钻井摩阻模拟实验装置，其特征是：所述3个侧向压力传感器，互成120°安装在钻头周围，拉、压力均可测量，用于测量并记录钻头周边的瞬时冲击力。
9.一种如权利要求8所述的大斜度钻井摩阻模拟实验装置，其特征是：所述2个应变式拉压力传感器，分别设置在钻头处和加压处，分别用于测量名义钻压和钻头处的真实钻压。
10.一种如权利要求9所述的大斜度钻井摩阻模拟实验装置，其特征是：所述1个转速传感器，用于监测钻柱的即时转速值。
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