CN114198082A - 一种模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置 - Google Patents

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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Abstract

一种模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，包括钻机部分、钻井液管汇部分、模拟钻进部分和控制部分，钻机部分设有电机，电机经传动机构连接钻杆，钻杆外部设有套管；模拟钻进部分设有油缸和卡钻机构，油缸活塞杆上端经受力组件接触钻杆下端；卡钻机构设置在套管中部，卡钻机构经卡钻油缸对钻杆施加横向力；钻井液管汇部分设有水箱和钻井液输入管路、钻井液回流管路；控制部分设有装置综合控制箱和人机界面，装置综合控制箱与人机界面电连接。本发明可模拟地质岩心钻探立轴式岩心钻机的钻进过程遇到的各种孔内复杂事故，还可实现对钻进过程钻压、钻头转速的实时控制，实现对钻速、进尺的实时监控。模拟状态准确、逼真，装置操作方便。

Description

一种模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置
技术领域
本发明涉及一种试验装置，特别是一种模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，属钻探工程技术领域。
背景技术
现阶段与岩心钻机市场的规模和庞大的从业人数相比，能够熟练进行钻机操作的专业技术人员不足，影响了岩心钻机市场高效、安全、快速的发展。随着岩心钻探深度不断增加，对钻探人员，特别是操作钻机的机班长的技术水平提出了更高的要求：需对钻进过程中发生的孔内复杂情况做出准确判断并能正确处理，及对设备出现故障时能够进行现场快速维修。如果孔内事故处理不当将会造成更加复杂的孔内事故或导致钻孔报废，严重影响了钻探进度，大大增加了钻探成本。现有技术缺乏对钻探孔底复杂工况进行模拟的试验装置，因此操作人员难以通过试验装置提高操作水平。鉴于此，设计一种用于模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置尤为重要，从而为小口径地质钻探工艺的实习操作提供具有实质性意义的工程指导和训练。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，所述装置可模拟地质岩心钻探立轴式岩心钻机真实钻进过程，为小口径地质钻探工艺的实习操作提供具有实质性意义的工程指导和训练。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，包括钻机部分、钻井液管汇部分、模拟钻进部分和控制部分，所述钻机部分设有电机，电机经传动机构连接钻杆，钻杆外部设有套管；所述模拟钻进部分设有液压油缸和卡钻机构，液压油缸活塞杆上端连接受力组件，受力组件接触钻杆下端；卡钻机构设置在套管中部，卡钻机构经卡钻油缸对钻杆施加横向力；所述钻井液管汇部分设有水箱和钻井液输入管路、钻井液回流管路，钻井液输入管路的两端分别连接钻杆顶部和水箱，钻井液回流管路的一端穿过套管，另一端连接水箱；所述控制部分设有装置综合控制箱和人机界面，装置综合控制箱与人机界面电连接。
上述模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，所述卡钻油缸两两一组设置两组，各卡钻油缸的活塞杆横向穿过套管连接卡钻快，每组卡钻油缸的两块卡钻快分别位于钻杆一条直径的两侧，两组卡钻油缸的四块卡钻块相对钻杆呈十字分布，卡钻快与钻杆接触面匹配贴合。
上述模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，所述受力组件包括推力轴承和阶梯轴，推力轴承安装在液压油缸活塞杆的上端，阶梯轴装配在推力轴承上，钻杆的下端与阶梯轴上端接触。
上述模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，所述传动机构设有减速箱和动力头，电机连接减速机，减速机连接动力头，动力头连接主轴，主轴连接钻杆，动力头和钻杆之间设有扭矩传感器和转速传感器，扭矩传感器、转速传感器与钻机控制盒电连接，电机与钻机控制盒电连接，钻机控制盒与装置综合控制箱电连接。
上述模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，钻井液输入管路上设有压力表和钻井液输入水泵。
上述模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，钻井液回流管路依高低位置设置两条，各钻井回流管道上分别设有开关阀门和流量传感器，其中高位钻井液回流管路为常开状态，低位钻井液回流管路为常闭状态，位于低位的钻井液回流管路上设有回流水泵。
上述的模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，油缸和卡钻油缸的液压管路连接液压控制盒，液压控制盒与装置综合控制箱电连接。
上述模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，钻井液管汇部分设有钻井液控制与测量控制盒，钻井液与测量控制盒与装置综合控制箱电连接，钻井液输入水泵、压力表、流量传感器、开关阀门、回流水泵均与钻井液与测量控制盒电连接。
本发明在研究小口径地质钻探钻进过程中的钻进效率、主要钻进参数特征、孔底复杂工况类型的基础上，为模拟实际钻进状态而提供一种试验装置。所述装置可模拟地质岩心钻探立轴式岩心钻机的钻进过程，包括地面设备操作、维修、维护、钻进过程中遇到的各种孔内复杂事故，如坍塌掉块、钻具折断、卡钻、埋钻、烧钻、漏水、涌水等，还可实现对钻进过程钻压、钻头转速的实时控制，实现对钻速、进尺的实时监控。模拟状态准确、逼真，装置操作方便，为小口径地质钻探工艺的学习提供实质性的工程指导，对提高操作人员的操作水平大有裨益。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是动力头的结构示意图；
图3是图1中A处的局部放大视图；
图4是卡钻机构的结构示意图；
图5、图6是卡钻机构不同状态的示意图。
图中各标号清单为：1、钻机底座，2、电机，3、主轴，4、减速箱，5、动力头，5-1、扭矩传感器，5-2、转速传感器，6、安装套，7、套管，8、钻杆，9、钻井液输入管路，10、压力表，11、钻井泵，12、水箱，13、回流水泵，14-1、高位钻井液回流管路，14-2、低位钻井液回流管路，15、开关阀门，16、钻井液控制与测量控制盒，17、流量传感器，18、液压油缸，18-1、液压油缸活塞杆，19、受力组件，19-1、推力轴承，19-2、阶梯轴，20、液压系统，21、液压控制盒，22、装置综合控制箱、23-人机界面、24、卡钻机构，24-1、卡钻油缸，24-2卡钻块，24-3、卡钻液压阀组。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点阐明的更加清楚，下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。需说明，具体实施方案仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参看图1、图2，本发明所述模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置包括钻机部分、钻井液管汇部分、模拟钻进部分和控制部分。控制部分设有装置综合控制箱22和人机界面23，装置综合控制箱用于控制装置各部分的协调工作，综合控制箱与人机界面电连接，人机界面显示各反馈信息，便于操作人员及时得到各试验数据并操控装置工作。钻机部分设有钻机2、减速箱4、动力头5和主轴3和钻杆8。电机安装在钻机底座1上，电机经减速箱4传动连接动力头5，动力头连接主轴，主轴连接钻杆。电机转动，带动钻杆转动。动力头和钻杆之间设有扭矩传感器5-1和转速传感器5-2，扭矩传感器、转速传感器与钻机控制盒电连接，将扭矩数据和转速数据穿送给钻机控制盒。电机与钻机控制盒21电连接，钻机控制盒与装置综合控制箱电连接。动力头带动主轴回转时，扭矩传感器与转速传感器把采集到的扭矩信号与转速信号传送给钻机控制盒，钻机控制盒控制主轴与钻杆的转速和旋转方向。
参看图1，所述钻井液管汇部分设有水箱12和钻井液输入管路9和钻井液回流管路。钻杆下部设有通孔，钻杆的外部套装套管7，套管的上端由安装套6固定，套管下部固定在油缸顶部。钻井液输入管路的两端分别连接钻杆顶部和水箱，将钻井液由钻杆的顶部输入钻杆。钻井液输入管路上设有压力表10和钻井泵11。钻井液回流管路依位置高低设置两条，一条为高位钻井液回流管路14-1，一条为低位钻井液回流管路14-2。高位钻井液回流管路的一端穿过套管上部，另一端连接水箱，高位钻井液回流管路设有电控的开关阀门15和流量传感器17。低位钻井液回流管路的一端穿过套管上部，另一端连接水箱，低位钻井液回流管路设有电控的开关阀门15、流量传感器17和回流水泵13。高位钻井液回流管路为常开管路，低位钻井液回流管路在模拟涌水状态时打开。钻井液管汇部分设有钻井液控制与测量控制盒16，钻井液与测量控制盒与装置综合控制箱电连接。钻井泵、压力表、流量传感器、开关阀门、回流水泵均与钻井液与测量控制盒电连接。涌水工况由装置综合控制箱通过钻井液控制与测量控制盒来控制回流水泵，进而控制孔底钻井液流量的大小。所述钻井液的大小由流量传感器测量，进而实现孔口钻井液流出量的大小调整。
参看图1、图3，模拟钻进部分设有液压油缸18和卡钻机构。液压油缸活塞杆上端连接受力组件19，受力组件包括推力轴承19-1和阶梯轴19-2，推力轴承安装在液压油缸活塞杆18-1的上端，阶梯轴装配在推力轴承上，钻杆8的下端与阶梯轴上端接触，钻杆8回转时带动阶梯轴回转。
液压控制盒21通过控制液压系统20来控制液压油缸18的液压大小，液压油缸18通过受力组件16将压力传递给钻杆8，再由钻杆8将压力传递给钻机主轴6，形成钻头与钻杆8在钻进岩石过程中的钻压配备。装置模拟断钻具工况时，钻进过程中增加油缸小腔的流量，加快油缸活塞杆下行的速度，使受力组件承受力瞬间减少，进而反馈给钻机钻压和减小，实现断钻具工况模拟。
参看图1和图4-6，卡钻机构24设置在套管中部，卡钻机构设有卡钻油缸24-1，卡钻油缸两两一组设置两组共四台，各卡钻油缸的活塞杆横向穿过套管连接卡钻快24-2，每组卡钻油缸的两块卡钻快分别位于钻杆一条直径的两侧，两组卡钻油缸的四块卡钻块呈十字分布在钻杆周边，卡钻快与钻杆接触面匹配贴合。卡钻工况由液压控制盒21通过控制液压系统20来控制卡钻液压阀组24-3，卡钻液压阀组控制卡钻液压油缸的液压大小，卡钻油缸驱动卡钻实现对钻杆8的抱紧和松开。图4所示为四个卡钻块都对钻杆抱紧，图5所示为四个卡钻块都对钻杆松开，图6所示为两个卡钻块对钻杆抱紧。当卡钻块抱紧钻杆后，钻杆的回转扭矩增大，动力头处设置扭矩传感器测量出的扭矩急剧增大，而转速传感器测出的转速下降，从而实现对不同类型卡钻工况的模拟。

Claims (8)

1.一种模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，其特征在于，包括钻机部分、钻井液管汇部分、模拟钻进部分和控制部分，所述钻机部分设有电机，电机经传动机构连接钻杆，钻杆外部设有套管；所述模拟钻进部分设有液压油缸和卡钻机构，液压油缸活塞杆上端连接受力组件，受力组件接触钻杆下端；卡钻机构设置在套管中部，卡钻机构经卡钻油缸对钻杆施加横向力；所述钻井液管汇部分设有水箱和钻井液输入管路、钻井液回流管路，钻井液输入管路的两端分别连接钻杆顶部和水箱，钻井液回流管路的一端穿过套管，另一端连接水箱；所述控制部分设有装置综合控制箱和人机界面，装置综合控制箱与人机界面电连接。
2.根据权利要求1所述的模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，其特征在于：所述卡钻油缸两两一组设置两组，各卡钻油缸的活塞杆横向穿过套管连接卡钻快，每组卡钻油缸的两块卡钻快分别位于钻杆一条直径的两侧，两组卡钻油缸的四块卡钻块相对钻杆呈十字分布，卡钻快与钻杆接触面匹配贴合。
3.根据权利要求2所述的模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，其特征在于：所述受力组件包括推力轴承和阶梯轴，推力轴承安装在液压油缸活塞杆的上端，阶梯轴装配在推力轴承上，钻杆的下端与阶梯轴上端接触。
4.根据权利要求3所述的模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，其特征在于：所述传动机构设有减速箱和动力头，电机连接减速机，减速机连接动力头，动力头连接主轴，主轴连接钻杆，动力头和钻杆之间设有扭矩传感器和转速传感器，扭矩传感器、转速传感器与钻机控制盒电连接，电机与钻机控制盒电连接，钻机控制盒与装置综合控制箱电连接。
5.根据权利要求4所述的模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，其特征在于：钻井液输入管路上设有压力表和钻井液输入水泵。
6.根据权利要求5所述的模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，其特征在于：钻井液回流管路依高低位置设置两条，各钻井回流管道上分别设有开关阀门和流量传感器，其中高位钻井液回流管路为常开状态，低位钻井液回流管路为常闭状态，位于低位的钻井液回流管路上设有回流水泵。
7.根据权利要求6所述的模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，其特征在于：油缸和卡钻油缸的液压管路连接液压控制盒，液压控制盒与装置综合控制箱电连接。
8.根据权利要求7所述的模拟小口径钻探孔底复杂工况钻进试验装置，其特征在于：钻井液管汇部分设有钻井液控制与测量控制盒，钻井液与测量控制盒与装置综合控制箱电连接，钻井液输入水泵、压力表、流量传感器、开关阀门、回流水泵均与钻井液与测量控制盒电连接。
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