CN113029545A

CN113029545A - 一种深井钻柱粘滑振动模拟装置

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Publication number: CN113029545A
Application number: CN202110321933.0A
Authority: CN
Inventors: 石祥超; 陈彦州; 杨昕昊; 高雷雨; 李皋; 刘越豪; 胡云磊
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2021-06-25

Abstract

本发明涉及一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，包括机架3、底座23、电机1、空心伸缩杆2、活塞18、可升降游梁5、粘滑效应模拟器8、微型钻头9、岩心室22、钻井液储存缸19、泵机12和导流管21，所述空心伸缩杆穿过可升降游梁5固定于机架内，顶端连接活塞18，底部连接粘滑效应模拟器8和微型钻头9，微型钻头正对着位于底座中心的岩心室22，岩心室和外壳置于钻井液储存缸19上，钻井液储存缸通过侧面的出口连接泵机12和导流管21，导流管从底座下端引出，并连接活塞18。本发明通过计算不同井深下钻柱刚度，再等比缩放选择使用对应刚度的粘滑效应模拟器，从而模拟该长度下钻柱的粘滑振动，解决目前深井钻柱粘滑振动模拟实验困难的问题。

Description

一种深井钻柱粘滑振动模拟装置

技术领域

本发明属于石油工程钻井领域，具体涉及一种在室内模拟井底条件下的粘滑振动，进而研究粘滑振动发生条件和程度的模拟装置。

技术背景

随着石油工业技术的发展以及社会对油气资源需求的增长，石油钻采逐渐向深部地层和深海海域发展。在深井钻井中，随着井深增加，井底围压使岩层硬度增大，塑性增强；同时深井钻井穿过多套压力地层，跨越地质年代较多，相应地质条件复杂。随着钻柱长度的增加，钻柱的等效扭转刚度降低，传递转矩不足，在钻柱、钻头与井壁、井底的摩擦作用下，钻柱系统极易产生粘滑振动。深井钻井过程中，井下岩性多变，非均质性严重，钻头在井底受到较大的阻力矩，间断性憋跳钻和钻杆的纵向振动频繁，这些因素都是造成钻头掉齿、断齿、轴承失效、井下工具损坏的主要原因，严重制约了钻井速度的提高。

目前国内外研究对钻柱粘滑振动的研究大多以计算机模拟为主，实验研究较少，急需研究一套能够模拟钻柱粘滑震动的实验装置，并通过实验揭示岩石的物性、钻柱等效扭转刚度等因素对钻柱粘滑震动的影响规律，并提出降低粘滑的有效措施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，该装置原理可靠，操作简便，通过计算不同井深下钻柱刚度，再等比缩放选择使用对应刚度的粘滑效应模拟器，从而模拟该长度下钻柱的粘滑振动，解决目前深井钻柱粘滑振动模拟实验困难的问题。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，包括机架、底座、电机、空心伸缩杆、活塞、套管、可升降游梁、粘滑效应模拟器、微型钻头、扭矩传感器、位移传感器、压力传感器、钻头转速传感器、岩心室、钻井液储存缸、泵机和导流管。

所述机架位于底座上，顶部设置电机，电机通过铰链连接空心伸缩杆，所述空心伸缩杆穿过可升降游梁固定于机架内，空心伸缩杆为中空，顶端连接活塞，活塞位于套管内，活塞与套管可以相对滑动，底部连接粘滑效应模拟器和微型钻头，空心伸缩杆设置扭矩传感器和压力传感器，游梁设置位移传感器，微型钻头对应机架的位置安装钻头转速传感器，微型钻头正对着位于底座中心的岩心室，岩心室有岩心和外壳，岩心室和外壳置于钻井液储存缸上，钻井液储存缸内有钻井液，钻井液储存缸通过侧面的出口连接泵机和导流管，泵机置于底座内，导流管从底座下端引出，并连接活塞。

所述粘滑效应模拟器上、下端分别通过螺纹连接空心伸缩杆、微型钻头，所述粘滑效应模拟器包括空心杆、轴承和扭簧，空心杆两端安装轴承，中间为扭簧。

所述扭矩传感器、压力传感器、位移传感器和钻头转速传感器均连接计算机，分别测量扭矩、钻压、钻头进尺和钻头转速并将数据传递到计算机。

所述微型钻头为中空，并与粘滑效应模拟器的空心杆和空心伸缩杆连通。

所述钻井液存储缸体存储钻井液，通过泵机将钻井液压入导流管，钻井液通过导流管流入活塞，进入空心伸缩杆、粘滑效应模拟器和微型钻头，施加到岩石表面，冲刷岩屑以及润滑钻头，最后再回流到钻井液存储缸，完成钻井液循环。

所述钻井液不仅在钻井过程中以一定流速清理岩屑，还可以研究钻井液的润滑性能对钻柱系统粘滑振动的影响。

所述微型钻头为空心钻头，直径设计为28mm，由于钻井现场钻压一般设置在60-180KN 之间，钻头直径一般为200mm以上，产生大约5.72MPa的压力，因此深井钻柱粘滑振动模拟装置设计最大钻压仅需要3KN便可达到同样效果。

所述粘滑效应模拟器通过更换不同扭簧刚度的扭簧，来模拟不同深度下钻柱系统的扭向形变，即钻柱系统刚度，从而模拟钻柱系统粘滑振动，即该深度下钻柱受相应岩石影响下的粘滑响应。

所述扭簧刚度k和钻柱系统刚度K具有如下关系式：

k＝aK

式中k-扭簧刚度N/m；K-钻柱系统等效刚度N/m；a-缩放比，取值0.006；T₀-实验装置电机扭矩；T-实际钻井装置扭矩；G-钻柱材料的切变模量；L-钻柱长度，m；D-钻杆(铤) 外径，m；d-钻杆(铤)内径，m。

通过钻柱材料的切变模量G、钻柱长度L，计算钻柱系统等效刚度K，再通过等比缩放 a，计算出实验条件下钻柱的等效刚度，即扭簧刚度k。

本发明通过实验模拟的井深，对粘滑效应模拟器进行选择更换，从而可以模拟不同深度和钻柱长度下的钻柱粘滑振动。在钻头旋转过程中，粘滑效应模拟器因扭矩影响，模拟钻柱系统发生弹性形变存储能量，能量达到一定程度后，释放能量使钻头加速旋转，从而模拟钻柱粘滑振动。

可选的或优选的，所述电机为调速电机，其输出轴上设有制动器。

可选的或优选的，所述粘滑效应模拟器可根据实验井深不同进行更换。

本发明具有以下有益效果：

现有的柔性杆粘滑振动实验平台，利用柔性杆来模拟钻柱系统等效刚度特性。但柔性杆在模拟过程中其刚度和长度难以定量控制，在模拟确定长度下钻柱系统等效刚度的过程中，其误差较大。本装置则利用公式、粘滑效应模拟器及其扭簧，通过计算可以准确模拟出确定长度下的钻柱系统等效刚度，进而模拟出钻柱系统在该长度和刚度下的粘滑振动过程。

本发明设计新颖，操作简单方便，实验测量过程实现全自动，有效模拟深井钻柱系统井下的实际情况和环境。

附图说明

图1为本发明装置主体结构示意图。

图2为本发明装置粘滑效应模拟器结构示意图。

图3为本发明装置钻井液加载结构示意图。

图中：1-电机；2-空心伸缩杆；3-机架；4-扭矩传感器；5-可升降游梁；6-位移传感器； 7-压力传感器；8-粘滑效应模拟器；9-微型钻头；10-钻头转速传感器；11-岩心室外壳；12- 泵机；13-螺纹；14-扭簧；15-空心杆；16-轴承；17-套管；18-活塞；19-钻井液储存缸；20- 钻井液；21-导流管；22-岩心室；23-底座。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参看图1、图2、图3。

一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，包括机架3、底座23、电机1、空心伸缩杆2、活塞18、套管17、可升降游梁5、粘滑效应模拟器8、微型钻头9、扭矩传感器4、位移传感器6、压力传感器7、钻头转速传感器10、岩心室22、钻井液储存缸19、泵机12和导流管21。

所述机架3位于底座23上，顶部设置电机1，电机通过铰链连接空心伸缩杆2，所述空心伸缩杆穿过可升降游梁5固定于机架内，空心伸缩杆为中空，顶端连接活塞18，活塞位于套管17内，活塞与套管可以相对滑动，空心伸缩杆底部连接粘滑效应模拟器8和微型钻头9，空心伸缩杆设置扭矩传感器4和压力传感器7，游梁设置位移传感器6，微型钻头对应机架的位置安装钻头转速传感器10，微型钻头正对着位于底座中心的岩心室22，岩心室有岩心和外壳11，岩心室和外壳置于钻井液储存缸19上，钻井液储存缸内有钻井液20，钻井液储存缸通过侧面的出口连接泵机12和导流管21，泵机置于底座内，导流管从底座下端引出，并连接活塞。

所述粘滑效应模拟器8的上、下端分别通过螺纹13连接空心伸缩杆2、微型钻头9，所述粘滑效应模拟器包括空心杆15、轴承16和扭簧14，空心杆两端安装轴承，中间为扭簧。

本发明的工作过程如下：

S1：单因素条件下的钻压、转速、钻柱系统等效刚度影响深井钻柱系统振动实验

S11：首先计算拟模拟钻柱系统等效刚度，选择与之刚度相对应的粘滑效应模拟器，再将选中的粘滑效应模拟器与微型钻头和空心伸缩杆连接，将岩心放置在于岩心室中，启动液压系统向岩心施加围压，并将岩心固定，启动电机，启动转速控制系统控制转速，启动游梁及位移传感器，最后启动钻压控制系统控制钻压；

S12：通过位移传感器、压力传感器、扭矩传感器、振动测量仪获得实时的岩石钻深、钻压、扭矩参数、钻头转速等参数；

S13:实验结束后停止电机，上调游梁升降机构与位移传感器关闭各部分仪器。

S2：钻井液影响下钻柱系统刚度影响深井钻柱系统振动实验

S21：首先计算将要的模拟钻柱系统等效刚度，选择与之刚度相对应的粘滑效应模拟器，将粘滑效应模拟器与微型钻头和空心伸缩杆连接安装，将岩心放置在于岩心室中，并将岩心固定，启动电机，启动转速控制系统控制转速，启动游梁及位移传感器，启动钻压控制系统控制钻压。最后启动泵机，将钻井液从钻井液存储缸体中压入空心伸缩杆；

S22：通过位移传感器、压力传感器、扭矩传感器、钻头转速传感器获得实时的岩石钻深、钻压、扭矩参数、钻头转速等参数；

S23:实验结束后停止电机，上调游梁升降机构与位移传感器关闭各部分仪器，用泵机将钻井液从缸体中抽出后，关闭泵机。

计算实例：

某深井钻柱长度5500m，其中钻铤长度L_c 200m，钻杆长度L_p 5300m，钻杆外径D_p139.7mm，钻杆内径d_p 118.62mm，钻铤外径D_c 203.2mm，钻铤内径d_c 73mm，材料剪切模量G为8.0×10¹⁰Pa。

根据公式

计算得到钻杆等效刚度K_p＝271.03N/m，钻铤等效刚度K_c＝6.584×10⁴N/m，得到钻柱系统等效刚度

由于现场天车扭矩一般为30kN·m，而实验室电机扭矩一般为200N·m，因此取a＝0.006左右，因此得到粘滑效应模拟器的扭簧刚度k＝aK＝1.62N/m。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，包括机架(3)、底座(23)、电机(1)、空心伸缩杆(2)、活塞(18)、套管(17)、可升降游梁(5)、粘滑效应模拟器(8)、微型钻头(9)、扭矩传感器(4)、位移传感器(6)、压力传感器(7)、钻头转速传感器(10)、岩心室(22)、钻井液储存缸(19)、泵机(12)和导流管(21)，其特征在于，所述机架(3)位于底座(23)上，顶部设置电机(1)，电机连接空心伸缩杆(2)，所述空心伸缩杆穿过可升降游梁(5)固定于机架内，空心伸缩杆为中空，顶端连接活塞(18)，活塞位于套管(17)内，活塞与套管可以相对滑动，空心伸缩杆底部连接粘滑效应模拟器(8)和微型钻头(9)，空心伸缩杆设置扭矩传感器(4)和压力传感器(7)，游梁设置位移传感器(6)，微型钻头对应机架的位置安装钻头转速传感器(10)，微型钻头正对着位于底座中心的岩心室(22)，岩心室有岩心和外壳(11)，岩心室和外壳置于钻井液储存缸(19)上，钻井液储存缸内有钻井液，钻井液储存缸通过侧面的出口连接泵机(12)和导流管(21)，泵机置于底座内，导流管从底座下端引出，并连接活塞。

2.如权利要求1所述的一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，其特征在于，所述粘滑效应模拟器(8)的上、下端分别通过螺纹连接空心伸缩杆(2)、微型钻头(9)，所述粘滑效应模拟器包括空心杆(15)、轴承(16)和扭簧(14)，空心杆两端安装轴承，中间为扭簧。

3.如权利要求1所述的一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，其特征在于，所述扭矩传感器、压力传感器、位移传感器和钻头转速传感器均连接计算机，分别测量扭矩、钻压、钻头进尺和钻头转速并将数据传递到计算机。

4.如权利要求1所述的一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，其特征在于，所述微型钻头为中空，并与粘滑效应模拟器的空心杆和空心伸缩杆连通。

5.如权利要求1所述的一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，其特征在于，钻井液存储缸体存储钻井液，通过泵机将钻井液压入导流管，钻井液通过导流管流入活塞，进入空心伸缩杆、粘滑效应模拟器和微型钻头，施加到岩石表面，冲刷岩屑以及润滑钻头，最后再回流到钻井液存储缸，完成钻井液循环。

6.如权利要求1所述的一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，其特征在于，所述粘滑效应模拟器通过更换不同扭簧刚度的扭簧，来模拟不同深度下钻柱系统的扭向形变，即钻柱系统刚度，从而模拟钻柱系统粘滑振动，即该深度下钻柱受相应岩石影响下的粘滑响应。

7.如权利要求6所述的一种深井钻柱粘滑振动模拟装置，其特征在于，所述扭簧刚度k和钻柱系统刚度K具有如下关系式：

k＝aK

式中k-扭簧刚度N/m；K-钻柱系统等效刚度N/m；a-缩放比，取值0.006；T₀-实验装置电机扭矩；T-实际钻井装置扭矩；G-钻柱材料的切变模量；L-钻柱长度，m；D-钻杆(铤)外径，m；d-钻杆(铤)内径，m。