CN114061991B - 用于测试离合定向装置的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测试离合定向装置的设备，其包括：传动进液联合部件，与离合定向装置的外壳相连；传动排液联合部件，与离合定向装置的缸体相连；钻杆动力模拟机构，其通过传动进液联合部件向外壳施加正向扭矩，并驱动外壳和缸体绕二者重合的中轴线旋转；钻具载荷模拟机构，其通过传动排液联合部件向缸体施加反向扭矩；流体运动模拟机构，与传动进液联合部件及传动排液联合部件相连，并能借助传动进液联合部件及传动排液联合部件控制液控开关的开关状态。本发明的用于测试离合定向装置的设备解决了难以在钻井前测试离合定向装置的问题，降低了离合定向装置在井下出现故障的风险，有助于提高钻井效率及成功率。

Description

用于测试离合定向装置的设备

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种用于测试离合定向装置的设备。

背景技术

离合定向装置用于在钻井过程中连接在钻杆和钻具之间，能够使钻杆和钻具分离而能够相对旋转。离合定向装置包括外壳、缸体以及液控开关。其中液控开关能被不同压力的流体触发并选择性地将外壳与缸体接合或分离。但由于钻井成本巨大，一旦离合定向装置在钻井过程中失效将很有可能延迟钻井工期，甚至导致钻井失败，造成巨大的经济损失和人力损失，因此亟需一种能够测试离合定向装置的设备。

发明内容

为了解决上述全部或部分问题，本发明目的在于提供一种用于测试离合定向装置的设备，用以解决难以在钻井前测试离合定向装置的问题，降低了离合定向装置在井下出现故障的风险，有助于提高钻井效率及成功率。

本发明提供了一种用于测试离合定向装置的设备，其包括：传动进液联合部件，与所述离合定向装置的外壳相连；传动排液联合部件，与所述离合定向装置的缸体相连；钻杆动力模拟机构，其通过所述传动进液联合部件向所述外壳施加正向扭矩，并能模拟钻杆的动力去驱动所述外壳和缸体绕二者重合的中轴线旋转；钻具载荷模拟机构，其通过所述传动排液联合部件向所述缸体施加反向扭矩，以模拟钻具在使用过程中所承受的载荷；流体运动模拟机构，与所述传动进液联合部件及传动排液联合部件相连，并能借助所述传动进液联合部件及传动排液联合部件向所述离合定向装置内提供流体以控制所述液控开关的开关状态。

进一步地，所述钻杆动力模拟机构包括伺服电机和用于连接所述伺服电机和传动进液联合部件的第一减速机。

进一步地，所述钻具载荷模拟机构包括依次连接的驱动电机、磁粉离合器、第二减速机、转速传感器和扭矩传感器。

进一步地，所述伺服电机与第一减速机之间的连接、所述第一减速机和传动进液联合部件之间的连接、所述驱动电机与磁粉离合器之间的连接、所述磁粉离合器与第二减速机之间的连接、所述第二减速机与扭矩传感器之间的连接及所述扭矩传感器与传动排液联合部件之间的连接皆是由联轴器实施的连接结构。

进一步地，所述流体运动模拟机构包括泵、压力传感器、控制阀和用于存放目标流体的容器，所述容器、泵、压力传感器、控制阀和离合定向装置被组建为一个回路，使得所述泵能够驱动所述目标流体在所述回路中循环。

进一步地，还包括与所述压力传感器、控制阀、扭矩传感器和磁粉离合器的控制模块。

进一步地，所述传动进液联合部件包括：第一内筒，用于连接所述第一减速机和所述离合定向装置的外壳；第一套筒，套设在所述第一内筒上；第一密封结构和第二密封结构，其沿着轴向间隔开地设在所述第一内筒和第一套筒之间；第一环腔，其由所述第一密封结构、第二密封结构、第一内筒和第一套筒共同限定而成；以及第一通孔，其设在所述第一内筒上并能够准许目标流体从所述第一环腔内流入到所述离合定向装置内；第二通孔，其设在所述第一套筒上，用于接收所述流体运动模拟机构供给的目标流体以准许所述流体运动模拟机构向所述第一环腔内输送目标流体。

进一步地，所述传动排液联合部件包括：第二内筒，用于连接所述磁粉离合器和所述离合定向装置的缸体；第二套筒，套设在所述第二内筒上；第三密封结构和第四密封结构，其间隔开地设在所述第二内筒和第二套筒之间；第二环腔，其是由所述第三密封结构、第四密封结构、第二内筒和第二套筒共同限定而成；第三通孔，其设在所述第二内筒上并能准许目标流体从所述第二环腔内流入到所述离合定向装置内；以及第四通孔，其设在所述第二套筒上并能准许所述第二环腔向所述流体运动模拟机构内输送目标流体。

进一步地，所述第一密封结构、第二密封结构、第三密封结构和第四密封结构皆为密封圈。

进一步地，所述目标流体为钻井液。

本发明提供的用于测试离合定向装置的设备能够通过钻杆动力模拟机构和钻具载荷模拟机构模拟离合定向装置在钻井过程中所接收的动力和所受到的载荷，再通过流体运动模拟机构来控制离合定向装置的液控开关，使得该离合定向装置选择性地切断钻杆动力模拟机构的动力与钻具载荷模拟机构的载荷之间的联系，保证该设备不但能模拟离合定向装置所处工作环境还能对其进行测试。基于此，该设备不但能测试作为样品的离合定向装置能否满足预期的设计寿命，比如了解该型号产品能否在井下持续运行预定小时(例如100h)，而且可以测试离合定向装置在切断上述动力与载荷之间联系时所需的流体压力，以更好地指导钻该设备的使用。由此可知，该设备能够解决难以在钻井前测试离合定向装置的问题，这有助于设计人员了解并掌握离合定向装置的运行状况及其是否达到了设计寿命等，同时还可降低离合定向装置在井下出现故障的风险，并提高钻井效率及成功率。另外，本发明的用于测试离合定向装置的设备的结构简单，制造容易，使用安全可靠，便于实施推广应用。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述。在图中：

图1示意性显示了现有的离合定向装置及本发明实施例的用于测试该离合定向装置的设备；

图2为图1的A处放大图；

图3为图1的B处放大图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1示意性显示了现有的离合定向装置及本发明实施例的用于测试该离合定向装置200的设备。如图1所示，该设备100能模拟离合定向装置200所处工作环境，并对其进行测试。其中，离合定向装置200包括外壳201、缸体202及设在外壳201、缸体202之间的液控开关(未示出)，该液控开关能被不同压力的流体触发并选择性地将外壳201与缸体202接合或分离。该离合定向装置200可选为公开号为CN109750989A的发明专利文献中揭露的可旋转钻柱定向钻进短节或申请号为CN202010297115.7的发明专利申请文献中所涉及的反扭矩自动平衡装置。当离合定向装置200选择为上述可旋转钻柱定向钻进短节时，离合定向装置200的外壳201相当于可旋转钻柱定向钻进短节的外壳，其缸体202相当于可旋转钻柱定向钻进短节的缸体，而其液压开关相当于可旋转钻柱定向钻进短节的开关总成。当离合定向装置200选择为上述反扭矩自动平衡装置时，离合定向装置200的外壳201相当于反扭矩自动平衡装置的上接头，其缸体202相当于反扭矩自动平衡装置的芯筒，而其液压开关相当于反扭矩自动平衡装置的自动平衡组件。

本发明实施例的设备100包括传动进液联合部件1、传动排液联合部件2、钻杆动力模拟机构3、钻具载荷模拟机构4和流体运动模拟机构5。其中，传动进液联合部件1与离合定向装置200的外壳201和钻杆动力模拟机构3相连，使得钻杆动力模拟机构3能够通过传动进液联合部件1向外壳201施加正向扭矩并能模拟钻杆的动力去驱动外壳201和缸体202绕二者重合的中轴线旋转。传动排液联合部件2与离合定向装置200的缸体202和钻具载荷模拟机构4相连，使得钻具载荷模拟机构4能够通过传动排液联合部件2向缸体202施加反向扭矩，以模拟钻具在使用过程中所承受的载荷。流体运动模拟机构5与传动进液联合部件1及传动排液联合部件2相连，并能借助传动进液联合部件1及传动排液联合部件2向离合定向装置200内提供流体以控制液控开关的开关状态。当钻杆动力模拟机构3与钻具载荷模拟机构4的动力联系被切断时，二者运动互不干扰

本发明实施例的用于测试离合定向装置的设备100能够通过钻杆动力模拟机构3和钻具载荷模拟机构4模拟离合定向装置200在钻井过程中所接收的动力和所受到的载荷，再通过流体运动模拟机构5来控制离合定向装置200的液控开关，使得该离合定向装置200选择性地切断钻杆动力模拟机构3的动力与钻具载荷模拟机构4的载荷之间的联系，保证该设备100不但能模拟离合定向装置200所处工作环境还能对其进行测试。基于此，该设备100不但能测试作为样品的离合定向装置200能否满足预期的设计寿命，比如了解该型号产品能否在井下持续运行预定小时(例如100h)，而且可以测试离合定向装置200在切断上述动力与载荷之间联系时所需的流体压力，以更好地指导钻该设备的使用。由此可知，该设备能够解决无法在钻井前测试离合定向装置200的问题，这有助于设计人员了解并掌握离合定向装置200的运行状况及其是否达到了设计寿命等，同时还可降低离合定向装置200在井下出现故障的风险，并提高钻井效率及成功率。另外，本发明的用于测试离合定向装置的设备的结构简单，制造容易，使用安全可靠，便于实施推广应用。

钻杆动力模拟机构3选为能够输出转动且扭矩可控的装置，比如包括伺服电机31。在本实施例中，钻杆动力模拟机构3包括能够模拟钻杆动力的伺服电机31和用于连接伺服电机31和传动进液联合部件1的第一减速机32。该伺服电机31能够先通过第一减速机32来驱动传动进液联合部件1，再通过传动进液联合部件1来驱动外壳201和缸体202绕二者重合的中轴线旋转，最后保证钻杆动力模拟机构3能稳妥地模拟钻杆向离合定向装置200所施加的动力。

在本实施例中，钻具载荷模拟机构4包括依次连接的驱动电机41、磁粉离合器42、第二减速机43和扭矩传感器44，以及用于测试第二减速机43的输出转速的转速传感器。驱动电机41先通过磁粉离合器42来驱动第二减速机43，再依次通过第二减速机43和扭矩传感器44驱动缸体202产生转动或转动趋势。磁粉离合器42可以有效地控制模拟钻具在使用过程中所承受的载荷，并在必要时分离驱动电机41与第二减速机43之间的运动。当离合定向装置200处于接合状态而磁粉离合器42被迫处于可控的半分离状态(即能在预期转速下输出可调节的扭矩)时，伺服电机31能够带动第一减速机32、外壳201和缸体202一同运动，驱动电机41独立旋转，并通过磁粉离合器42的半分离状态将扭矩施加于缸体202，扭矩传感器44的测量值直接反映钻具在使用过程中所承受的模拟载荷值。当离合定向装置200处于分离状态而磁粉离合器42处于接合状态时，伺服电机31能够带动第一减速机32和外壳201一同运动，驱动电机41带动第二减速机43和缸体202一同转动，扭矩传感器44的示数为零，以使钻杆动力模拟机构3的动力和钻具载荷模拟机构4的载荷均可施加于离合定向装置200，而转速传感器测量值直接反映第二减速机43的输出转速。

其中，钻具载荷模拟机构4包括依次连接的驱动电机41、磁粉离合器42、第二减速机43、转速传感器和扭矩传感器44。用于模拟钻具在使用过程中所承受的载荷，驱动电机41用于向缸体201提供反向扭矩。磁粉离合器42用于高精度，响应快地调节驱动电机41输出的扭矩。为避免转速过快，该钻具载荷模拟机构4还可包括第二减速机43。扭矩传感器44用于测量缸体202的扭矩，转速传感器用于测量缸体202的转速。这使得能够测试者能够准确方便地将外壳201的转速与缸体202的转速进行对比，使测试结果更加精确可靠。

为了提升扭矩传递效率和可靠性，伺服电机31与第一减速机32之间的连接是由联轴器实施的连接结构，第一减速机32和传动进液联合部件1之间的连接也是由联轴器实施的连接结构，钻具载荷模拟机构4与磁粉离合器42之间的连接也是由联轴器实施的连接结构，磁粉离合器42与第二减速机43之间的连接也是由联轴器实施的连接结构，第二减速机43与扭矩传感器44之间的连接也是由联轴器实施的连接结构，扭矩传感器44与传动排液联合部件2之间的连接也是由联轴器实施的连接结构。

在本实施例中，流体运动模拟机构5包括泵51、压力传感器52、控制阀53和用于存放目标流体的容器54。容器54、泵51、压力传感器52、控制阀53和离合定向装置200被组建为一个回路，使得泵51能驱动目标流体在回路中循环。其中，泵51优选为使用压力为10MPA的高压泵，以模拟钻井时的井下压力。压力传感器52能够方便测试该回路中的压力，便于获得离合定向装置200在切断钻杆动力模拟机构3的动力与钻具载荷模拟机构4的载荷之间联系时所需的流体压力。其中，控制阀53优选为电磁式节流阀，以便通过调节该节流阀的开关程度来控制离合定向装置200所受的流体压力。其中，目标流体优选为钻井液。

在本实施例中，设备100还包括与压力传感器52、控制阀53、扭矩传感器44和磁粉离合器42相连的控制模块6，以借助于控制模块6实现设备100的自动化控制。该控制模块6包括可编程逻辑控制部件(如PLC或CPU)、存储器和与可编程逻辑控制部件相连的电子元件等，属于本领域技术人员熟知的，在此不再详述。容易理解的是，必要时可通过计算机62来增减控制模块6内的控制程序，进而调整设备100的自动化程度，比如半自动或全自动。

在本实施例中，传动进液联合部件1包括第一内筒11a、第一套筒11b、第一密封结构12、第二密封结构13、第一环腔15、第一通孔16和第二通孔17。其中，第一内筒11a用于连接第一减速机32和离合定向装置的外壳201。第一套筒11b套设在第一内筒11a上。第一密封结构12和第二密封结构13沿着轴向间隔开地设在第一内筒11a和第一套筒11b之间，且第一密封结构12和第二密封结构13与第一内筒11a和第一套筒11b共同限定成第一环腔15。第一通孔16设在第一内筒11a上,并能够准许目标流体从第一环腔15内流入到离合定向装置200内,第二通孔17设在第一套筒11b上，用于接收流体运动模拟机构5供给的目标流体，以准许流体运动模拟机构5向第一环腔15内输送目标流体。通过这种方式，传动进液联合部件1能够在钻杆动力模拟机构3与离合定向装置200之间传递扭矩的同时允许流体运动模拟机构5向离合定向装置200内提供目标流体。优选地，第一密封结构12和第二密封结构13皆为密封圈。

在本实施例中，传动排液联合部件2包括第二内筒21、第二套筒22、第三密封结构23、第四密封结构24、第二环腔25、第三通孔26和第四通孔27。其中，第二内筒21用于连接磁粉离合器42和离合定向装置200的缸体202。第二套筒22套设在第二内筒21上。第三密封结构23和第四密封结构24间隔开地设在第二内筒21和第二套筒22之间，第三密封结构23和第四密封结构24与第二内筒21和第二套筒22共同限定成第二环腔25。第三通孔26设在第二内筒21上，第四通孔27设在第二套筒22上，目标流体能从离合定向装置200内通过第三通孔26流入到第二环腔25内，然后通过第四通孔27流入到流体运动模拟机构5中。通过这种方式，传动排液联合部件2能够在钻具载荷模拟机构4与离合定向装置200之间传递扭矩的同时引导目标流体从离合定向装置200内流回到流体运动模拟机构5中。优选地，第三密封结构23和第四密封结构24皆为密封圈。

接下来介绍本发明的设备100的使用方法，首先，将需要测试的离合定向装置200的外壳201与传动进液联合部件1相连接，缸体202与传动排液联合部件2相连，将离合定向装置200接入到设备100中。然后将控制阀53的开度调节至最大，使离合定向装置200中的液压达到最小，将磁粉离合器42调节至脱离状态，降低驱动电机41的负荷。接着开启伺服电机31、驱动电机41和泵51，控制钻杆动力模拟机构3向外壳201输出扭矩以模拟井下环境中钻杆的动力，钻具载荷模拟机构4向缸体202输出反向扭矩模拟钻井过程中钻具受到的载荷，通过调整控制阀53的开度增大离合定向装置200中的液压，直至转速传感器的检测值恒定，扭矩传感器的检测值近似为零，记录压力传感器52的检测值，将其作为离合定向装置在切断动力与载荷之间联系时所需的流体压力。在扭矩传感器44的检测值等于驱动电机41的检测值近似为零的条件下，观察离合定向装置200(样品)是否持续运行预定小时(例如100h)，若是，该型号产品则满足预期的设计寿命。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“内”、“轴向”、“径向”、“周向”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化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权利要求书的保护范围为准。只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种用于测试离合定向装置的设备，其中，所述离合定向装置包括外壳、缸体及设在所述外壳和缸体之间的液控开关，所述液控开关能被不同压力的流体触发并选择性地将所述外壳与缸体接合或分离，其特征在于，所述设备包括：

传动进液联合部件，与所述离合定向装置的外壳相连；

传动排液联合部件，与所述离合定向装置的缸体相连；

钻杆动力模拟机构，其通过所述传动进液联合部件向所述外壳施加正向扭矩，并能模拟钻杆的动力去驱动所述外壳和缸体绕二者重合的中轴线旋转，所述钻杆动力模拟机构包括伺服电机，以及用于连接所述伺服电机和传动进液联合部件的第一减速机；

钻具载荷模拟机构，其通过所述传动排液联合部件向所述缸体施加反向扭矩，以模拟钻具在使用过程中所承受的载荷，所述钻具载荷模拟机构包括依次连接的驱动电机、磁粉离合器、第二减速机、转速传感器和扭矩传感器；

流体运动模拟机构，与所述传动进液联合部件及传动排液联合部件相连，并能借助所述传动进液联合部件及传动排液联合部件向所述离合定向装置内提供流体以控制所述液控开关的开关状态，

其中，所述传动进液联合部件包括：第一内筒，用于连接所述第一减速机和所述离合定向装置的外壳；第一套筒，套设在所述第一内筒上；第一密封结构和第二密封结构，其沿着轴向间隔开地设在所述第一内筒和第一套筒之间；第一环腔，其由所述第一密封结构、第二密封结构、第一内筒和第一套筒共同限定而成；第一通孔，其设在所述第一内筒上并能够准许目标流体从所述第一环腔内流入到所述离合定向装置内；以及第二通孔，其设在所述第一套筒上，用于接收所述流体运动模拟机构供给的目标流体以准许所述流体运动模拟机构向所述第一环腔内输送目标流体，

所述传动排液联合部件包括：第二内筒，用于连接所述磁粉离合器和所述离合定向装置的缸体；第二套筒，套设在所述第二内筒上；第三密封结构和第四密封结构，其间隔开地设在所述第二内筒和第二套筒之间；第二环腔，其是由所述第三密封结构、第四密封结构、第二内筒和第二套筒共同限定而成；第三通孔，其设在所述第二内筒上并能准许目标流体从所述第二环腔内流入到所述离合定向装置内；以及第四通孔，其设在所述第二套筒上并能准许所述第二环腔向所述流体运动模拟机构内输送目标流体。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述伺服电机与第一减速机之间的连接、所述第一减速机和传动进液联合部件之间的连接、所述驱动电机与磁粉离合器之间的连接、所述磁粉离合器与第二减速机之间的连接、所述第二减速机与扭矩传感器之间的连接及所述扭矩传感器与传动排液联合部件之间的连接皆是由联轴器实施的连接结构。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述流体运动模拟机构包括泵、压力传感器、控制阀和用于存放目标流体的容器，所述容器、泵、压力传感器、控制阀和离合定向装置被组建为一个回路，使得所述泵能够驱动所述目标流体在所述回路中循环。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，还包括与所述压力传感器、控制阀、扭矩传感器和磁粉离合器的控制模块。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一密封结构、第二密封结构、第三密封结构和第四密封结构皆为密封圈。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述目标流体为钻井液。