CN114427437A - 一种井下工具模拟测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种井下工具模拟测试装置，包括安装平台、模拟井下工具井斜工况的倾角变化驱动模块、模拟井下工具旋转工况的旋转驱动模块、模拟井下工具过流工况的流体输入模块，以及采集井下工具测试数据的数据采集模块，其中，所述井下工具在所述旋转驱动模块的驱动下可转动地安装于所述安装平台上，所述流体输入模块与所述井下工具的一端连通，所述倾角变化驱动模块设于所述安装平台的底端；所述数据采集模块设于所述流体输入模块和/或所述旋转驱动模块上。本发明具有可模拟井下工具不同工况、实现井下工具性能测试，且通用性高，操作方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及井下工具测试领域，尤其涉及一种井下工具模拟测试装置。
背景技术
在石油钻采、地质钻探等井下作业过程中，井下工具被大量使用。由于井下作业环境通常比较复杂，使得井下工具既要承受高压钻井液的冲刷，同时又要保证将钻压及扭矩传递给钻头，其对井下工具的性能要求高。
现有的井下工具通常采用专用测试装置或者到井场模拟试验井来进行井下工具的性能测试。采用专用测试装置时，需针对不同井下工具设计专门的测试装置，其通用性差、测试成本高；而在模拟试验井处进行测试时，由于试验井架复杂，使得试验工序复杂、测试成本高。可见，现有的井下测试装置严重制约了井下工具的质量改进和设计，且测试成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可模拟井下工具不同工况、实现井下工具性能测试，且通用性高，操作方便的井下工具模拟测试装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种井下工具模拟测试装置，包括安装平台、模拟井下工具井斜工况的倾角变化驱动模块、模拟井下工具旋转工况的旋转驱动模块、模拟井下工具过流工况的流体输入模块，以及采集井下工具测试数据的数据采集模块，其中，所述井下工具在所述旋转驱动模块的驱动下可转动地安装于所述安装平台上，所述流体输入模块与所述井下工具连通，所述倾角变化驱动模块设于所述安装平台的底端；所述数据采集模块设于所述流体输入模块和/或所述旋转驱动模块上。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述安装平台上设有对井下工具进行支撑限位的支撑限位组件，所述支撑限位组件包括两个分设于井下工具两端的限位接头，以及至少两个支撑于井下工具下方的中部支撑架，所述流体输入模块与其中一所述限位接头连通，另一所述限位接头通过一转动组件可转动地安装于所述安装平台上。
所述限位接头包括小径螺纹段和大径法兰段，所述小径螺纹段螺纹连接于所述井下工具的端部内侧，所述大径法兰段与所述流体输入模块或转动组件连接。
所述转动组件包括转接头、轴承和安装法兰，所述转接头与所述限位接头固定连接，所述转接头通过所述轴承可转动地安装于所述安装法兰上，所述安装法兰通过一放置架安装于所述安装平台上。
所述安装平台包括两组平台纵梁和设于两组平台纵梁之间的平台横梁，两组所述平台纵梁上对称布置有多个沿平台纵梁轴向布置的安装孔，所述中部支撑架通过一安装横梁安装于所述安装平台的对应位置，所述安装横梁根据中部支撑架的设置位置与对应的所述安装孔连接。
所述安装孔内设有增加安装平台强度和刚度的加强套管。
所述流体输入模块包括依次连接的进水管、旋转接头及旋转驱动轴，其中，所述旋转接头的固定端与所述进水管固定连接，所述旋转接头的旋转端通过一转接头与所述旋转驱动轴固定连接；所述旋转驱动轴通过一限位接头与所述井下工具固定连接，所述旋转驱动模块与所述旋转驱动轴驱动连接。
所述旋转驱动模块包括旋转驱动件、主动轮、从动轮及同步带，其中，所述旋转驱动件安装于所述安装平台上，且驱动端与所述主动轮连接；所述从动轮设于所述旋转驱动轴上；所述同步带绕设于所述主动轮和所述从动轮上。
所述倾角变化驱动模块包括水平移动支架、竖向安装支架和倾角驱动件，其中，所述竖向安装支架固定于所述水平移动支架上，所述安装平台可转动地安装于所述竖向安装支架上；所述倾角驱动件的一端安装于所述水平移动支架上，另一端与所述安装平台驱动连接。
所述水平移动支架设有增加支架支撑范围的活动支撑部件，所述活动支撑部件包括伸缩杆、限位销轴和多个沿伸缩杆轴向布置的调节孔，其中，所述伸缩杆设于所述水平移动支架的支架纵梁内；所述支架纵梁上设有限位孔，所述伸缩杆和水平移动支架通过穿设于限位孔和对应调节孔内的限位销轴限位。
井下工具模拟测试装置还包括提供旋转驱动模块和倾角变化驱动模块动力的动力模块，所述水平移动支架的远离倾角驱动件的一端设有放置所述动力模块的安装配重架。
所述安装平台的远离倾角驱动件的一端设有防止安装平台在存放和运输过程中变形的支撑杆，所述支撑杆及所述水平移动支架上设有移动滚轮。
所述数据采集模块由用于测量旋转驱动模块转动扭矩及转速的扭矩传感器、用于测量流体过流量的流量计、用于测量流体过流压力的压力传感器、用于测量井下工具旋转角度的角位移传感器、用于测量井下工具倾斜角度的倾角传感器的一种或多种构成。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的测试装置设置有安装平台、倾角变化驱动模块、旋转驱动模块、流体输入模块和数据采集模块。其中，井下工具在旋转驱动模块的驱动下可转动地安装于安装平台上，旋转驱动模块驱动井下工具旋转，以模拟井下工具的旋转工况；流体输入模块与井下工具的一端连通，以向井下工具注入流体，模拟井下工具的流体过流工况；倾角变化驱动模块设于安装平台的底端，以通过安装平台带动井下工具倾斜，模拟井下工具的井斜工况；数据采集模块设于流体输入模块和/或旋转驱动模块上，以采集井下工具在不同工况下的测试数据。即本发明采用多组模块组合的形式有效实现了井下工具在不同工况下的性能测试和验证，且模块化设计使得在实际测试时可根据需要选择相应工况的模块进行测试，其结构设计巧妙、通用性高、操作方便。
本发明可实现井下工具过流量、旋转速度及与地面倾角的变化，同时可通过数据采集模块检测测试过程中井下工具性能的变化，使得测试装置在井下工具设计初期可根据设计要求模拟井下工具在实际作业过程中的流体过流，自由转动以及井斜变化等多种作业工况，从而实现对井下工具性能的初步测试及验证，其可快速实现设计过程中产品性能的反馈，为井下工具的后续优化改进提供依据，有效提高了设计成功率和效率，减少返工比例。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是本发明井下工具模拟测试装置的结构示意图。
图2是本发明安装平台与倾角变化驱动模块的位置关系示意图。
图3是本发明倾角变化驱动模块的结构示意图(去除倾角驱动件)。
图4是本发明伸缩杆的结构示意图。
图5是本发明安装平台的结构示意图。
图6是本发明加强套管与安装平台的位置关系示意图。
图7是本发明限位接头的结构示意图。
图8是本发明转动组件的剖视图。
图9是流体测试模块与测试对象连接示意图。
图10是旋转驱动组件的安装示意图。
图中各标号表示：
1、井下工具；2、安装平台；21、平台纵梁；211、安装孔；212、加强套管；22、平台横梁；23、放置架；24、转动组件；241、转接头；242、轴承；243、安装法兰；25、支撑杆；3、倾角变化驱动模块；31、水平移动支架；311、支架纵梁；312、限位孔；32、竖向安装支架；33、倾角驱动件；34、活动支撑部件；341、伸缩杆；342、限位销轴；343、调节孔；35、安装配重架；4、旋转驱动模块；41、主动轮；42、从动轮；43、同步带；44、旋转驱动件；5、流体输入模块；51、进水管；52、旋转接头；53、连接头；54、旋转驱动轴；6、数据采集模块；7、动力模块；8、支撑限位组件；81、限位接头；811、小径螺纹段；812、大径法兰段；82、中部支撑架；83、安装横梁。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
图1示出了本发明的井下工具模拟测试装置的实施例，该测试装置主要针对地质、石油勘探及生产钻井过程中所需采用的井下工具1进行地面性能测试，用于井下工具1的初期设计阶段。本实施例中，井下工具模拟测试装置包括安装平台2、倾角变化驱动模块3、旋转驱动模块4、流体输入模块5及数据采集模块6。其中，井下工具1可转动地安装于安装平台2上，旋转驱动模块4与井下工具1连接，以驱动井下工具1旋转，模拟井下工具1的旋转工况；流体输入模块5与井下工具1的一端连通，以向井下工具1注入流体，模拟井下工具1的流体过流工况；倾角变化驱动模块3设于安装平台2的底端，以通过安装平台2带动井下工具1倾斜，模拟井下工具1的井斜工况；数据采集模块6设于流体输入模块5和/或旋转驱动模块4上，以采集井下工具1在不同工况下的测试数据。
本发明采用多组模块组合的形式有效实现了井下工具1在不同工况下的性能测试和验证，且模块化设计使得在实际测试时可根据需要选择相应工况的模块进行测试，其结构设计巧妙、通用性高，且操作方便。同时。本发明还可根据实际需要安装包括但不局限于轴向力加载模块等功能模块。
同时，本发明可实现井下工具1过流量、旋转速度及与地面倾角的变化，同时可通过数据采集模块6检测测试过程中井下工具1的性能变化，使得测试装置在井下工具1的设计初期可根据设计要求模拟井下工具1在实际作业过程中的流体过流、自由转动以及井斜变化等多种作业工况，从而实现对井下工具1性能的初步测试及验证，其可快速实现设计过程中产品性能的反馈，为井下工具1的后续优化改进提供依据，有效提高了设计成功率和效率，减少返工比例。
如图2和图3所示，倾角变化驱动模块3包括水平移动支架31、竖向安装支架32和倾角驱动件33。其中，竖向安装支架32固定于水平移动支架31的一端，安装平台2可转动地安装于竖向安装支架32上；倾角驱动件33的一端铰接于水平移动支架31上，倾角驱动件33的另一端铰接于安装平台2上。倾角驱动件33在测试时驱动安装平台2相对地面呈一定角度转动，安装平台2相对地面的倾斜角度根据井下工具1所需的井斜要求进行调整。其整体结构紧凑，且倾角变化驱动模块3的结构设置形式不仅可快速、有效的模拟井下工具1在实际作业过程中的井斜角变化，同时，通过水平移动支架31可方便测试装置的转场运输。
进一步地，如图3和图4所示，水平移动支架31设有活动支撑部件34，活动支撑部件34包括伸缩杆341、限位销轴342和多个调节孔343。其中，伸缩杆341设于水平移动支架31的支架纵梁311内；支架纵梁311上设有限位孔312；多个调节孔343设于伸缩杆341上，并沿伸缩杆341的轴向布置；在伸缩杆341调节到预设位置时，限位销轴342穿设于限位孔312和对应调节孔343内，以使伸缩杆341相对水平移动支架31固定。
在非工作状态，伸缩杆341收入水平移动支架31的支架纵梁311内，并通过插入限位孔312和调节孔343中的限位销轴342固定；在测试时，拔出限位销轴342，使伸缩杆341伸出至设定位置，并通过限位销轴342再次固定。其增加了水平移动支架31的支撑范围，保证了测试装置在工作过程中的稳定性。
进一步地，井下工具模拟测试装置还包括动力模块7，动力模块7用于提供旋转驱动模块4和倾角变化驱动模块3的动力。本实施例中，动力模块7设定但不限于采用380V工业电源驱动电动液压泵工作，从而驱动倾角变化驱动模块3的倾角驱动件33和旋转驱动模块4的液压马达工作。
本实施例中，水平移动支架31的远离倾角驱动件33的一端设有安装配重架35，动力模块7安装于安装配重架35上。其使得动力模块7集成设置在测试装置内部，其结构紧凑、方便装置的运输及安装；同时，动力模块7设于水平移动支架31的远离倾角驱动件33的一端，可作为测试装置在倾角变化过程中的配重，以提高测试装置在测试过程中的稳定性。
如图1所示，进一步地，安装平台2的远离倾角驱动件33的一端设有支撑杆25。在测试装置存放和运输过程中，支撑杆25分担倾角驱动件33所受的作用力，防止安装平台2受弯矩作用产生变形；在测试时，支撑杆25拆除。
同时，支撑杆25及水平移动支架31上设有移动滚轮，以方便装置运输。本实施例的移动滚轮具有高承载力和刹车功能，且移动滚轮可调整高度，当对井下工具1的水平度或倾斜角度有精度要求时，可通过移动滚轮实现角度微调。
进一步地，倾角驱动件33为驱动油缸。本发明为了提高装置的安全系数及结构刚度，倾角驱动件33采用双油缸支撑方式。同时，为保证双油缸的同步性和作业过程中的安全性，本发明设置同步阀保证双油缸同步动作，设置平衡阀保证油缸作业安全性。更进一步地，如图3及图5所示，水平移动支架31和安装平台2上均设有铰接横梁，以方便倾角驱动件33的连接安装。
如图1及图2所示，安装平台2上设有支撑限位组件8，支撑限位组件8包括两个限位接头81和两个中部支撑架82。其中，两个限位接头81分设于井下工具1的两端，两个中部支撑架82支撑于井下工具1的下方，以对井下工具1进行有效支撑限位，保证测试可靠性。本实施例中，流体输入模块5与其中一限位接头81连通，另一限位接头81通过一转动组件24可转动地安装于安装平台2上，其布局紧凑，且同时实现了井下工具1的流体过流工况和旋转工况的有效模拟。
本实施例中，中部支撑架82为带有井下工具1放置空间的V形支撑架。中部支撑架82的设置数量可根据井下工具1的长度进行调整，如可设置为三个、四个等。
如图7所示，限位接头81包括小径螺纹段811和大径法兰段812，小径螺纹段811螺纹连接于井下工具1的端部内侧，小径螺纹段811的规格根据井下工具1的直径调整，其使得测试装置可适用于不同直径的井下工具1，通用性高；大径法兰段812与流体输入模块5或转动组件24连接，其连接结构简单。
进一步地，如图8所示，转动组件24包括转接头241、轴承242和安装法兰243，转接头241与限位接头81通过螺栓固定连接，转接头241通过轴承242可转动地安装于安装法兰243上，安装法兰243通过一放置架23安装于安装平台2上。其使得井下工具1在测试过程中与测试装置存在相对转动，以保证测试的顺利进行。本实施例中，轴承242采用减小工具在转动时摩擦阻力矩的止推轴承，也可采用具有导向扶正功能的径向轴承。
如图5所示，安装平台2包括两组平台纵梁21和平台横梁22，平台横梁22设于两组平台纵梁21之间。本实施例中，两组平台纵梁21上对称布置有多个安装孔211，多个安装孔211沿平台纵梁21的轴向布置；同时，如图2所示，中部支撑架82通过一安装横梁83安装于安装平台2的对应位置，安装横梁83可根据中部支撑架82的设置位置与对应的安装孔211连接。安装孔211和安装横梁83组合设置的形式实现了不同长度井下工具1的安装测试，提高了测试装置的通用性。进一步地，如图6所示，安装孔211内焊接有加强套管212，其提高了安装平台2的强度及刚度。
如图9所示，流体输入模块5包括依次连接的进水管51、旋转接头52及旋转驱动轴54。其中，进水管51与外部泵连接，以提供井下工具1需求的流量和压力的流体介质；旋转接头52的固定端与进水管51固定连接，旋转接头52的旋转端通过一连接头53与旋转驱动轴54固定连接；旋转驱动轴54通过限位接头81与井下工具1固定连接，以实现进水管51与井下工具1的可靠连接、流体的有效输送。同时，旋转驱动模块4与旋转驱动轴54驱动连接，在旋转驱动模块4的驱动下，旋转驱动轴54通过限位接头81带动井下工具1转动，以模拟井下工具1的旋转工况；此时，旋转接头52同步转动，以使井下工具1与进水管51可相对运动，保证流体从进水管51输送至旋转的井下工具1中。
具体的，连接头53包括螺纹段和法兰段，螺纹段螺纹连接于旋转驱动轴54的端部内侧，法兰段通过法兰与旋转接头52连接，其连接结构简单、可靠性高。同时，旋转接头52的固定端与进水管51之间、旋转驱动轴54与限位接头81之间均通过法兰连接，其连接可靠性高。
如图10所示，旋转驱动模块4包括主动轮41、从动轮42、同步带43及旋转驱动件44。其中，旋转驱动件44安装于安装平台2上，旋转驱动件44的驱动端与主动轮41连接；从动轮42设于旋转驱动轴54上；同步带43绕设于主动轮41和从动轮42上。此时，主动轮41在旋转驱动件44的驱动下通过同步带43及从动轮42带动旋转驱动轴54旋转，从而实现井下工具1的旋转，其驱动结构布局紧凑、驱动可靠。
采用主动轮41、从动轮42及同步带43组合驱动具有以下优点：1、在井下工具1规格变化时，同步轮和同步带43可根据井下工具1的直径变化更换规格，其可快速实现旋转驱动模块4的切换；2、由于同步带43材质为橡胶，受力时易变形，当测试时井下工具1的旋转阻力矩大时，同步带43的变形可实现对旋转驱动件44的缓冲保护，减小过载造成的伤害。
本实施例中，数据采集模块6由扭矩传感器、流量计、压力传感器、角位移传感器及倾角传感器的一种或多种构成，数据采集模块6的类型可根据井下工具1的类型及测试要求进行选取和调整，其实现了井下工具1在不同工况下的性能测试和验证。同时，扭矩传感器位于旋转驱动件44的驱动端，以测量旋转驱动模块4的转动扭矩及转速；流量计及压力传感器位于进水管51内，流量计用于测量流体过流量，压力传感器用于测量流体过流压力的；角位移传感器设于井下工具1、旋转驱动轴54或旋转接头52的一侧，以测量井下工具1的旋转角度；倾角传感器位于安装平台2上，以测量井下工具1的倾斜角度。数据采集模块6的具体安装位置也需根据井下工具1的特征确定。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，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 (13)
1.一种井下工具模拟测试装置，其特征在于，包括安装平台、模拟井下工具井斜工况的倾角变化驱动模块、模拟井下工具旋转工况的旋转驱动模块、模拟井下工具过流工况的流体输入模块，以及采集井下工具测试数据的数据采集模块，其中，所述井下工具在所述旋转驱动模块的驱动下可转动地安装于所述安装平台上，所述流体输入模块与所述井下工具连通，所述倾角变化驱动模块设于所述安装平台的底端；所述数据采集模块设于所述流体输入模块和/或所述旋转驱动模块上。
2.根据权利要求1所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，所述安装平台上设有对井下工具进行支撑限位的支撑限位组件，所述支撑限位组件包括两个分设于井下工具两端的限位接头，以及至少两个支撑于井下工具下方的中部支撑架，所述流体输入模块与其中一所述限位接头连通，另一所述限位接头通过一转动组件可转动地安装于所述安装平台上。
3.根据权利要求2所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，所述限位接头包括小径螺纹段和大径法兰段，所述小径螺纹段螺纹连接于所述井下工具的端部内侧，所述大径法兰段与所述流体输入模块或转动组件连接。
4.根据权利要求2所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，所述转动组件包括转接头、轴承和安装法兰，所述转接头与所述限位接头固定连接，所述转接头通过所述轴承可转动地安装于所述安装法兰上，所述安装法兰通过一放置架安装于所述安装平台上。
5.根据权利要求2所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，所述安装平台包括两组平台纵梁和设于两组平台纵梁之间的平台横梁，两组所述平台纵梁上对称布置有多个沿平台纵梁轴向布置的安装孔，所述中部支撑架通过一安装横梁安装于所述安装平台的对应位置，所述安装横梁根据中部支撑架的设置位置与对应的所述安装孔连接。
6.根据权利要求5所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，所述安装孔内设有增加安装平台强度和刚度的加强套管。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，所述流体输入模块包括依次连接的进水管、旋转接头及旋转驱动轴，其中，所述旋转接头的固定端与所述进水管固定连接，所述旋转接头的旋转端通过一转接头与所述旋转驱动轴固定连接；所述旋转驱动轴通过一限位接头与所述井下工具固定连接，所述旋转驱动模块与所述旋转驱动轴驱动连接。
8.根据权利要求7所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，所述旋转驱动模块包括旋转驱动件、主动轮、从动轮及同步带，其中，所述旋转驱动件安装于所述安装平台上，且驱动端与所述主动轮连接；所述从动轮设于所述旋转驱动轴上；所述同步带绕设于所述主动轮和所述从动轮上。
9.根据权利要求1至6中任意一项所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，所述倾角变化驱动模块包括水平移动支架、竖向安装支架和倾角驱动件，其中，所述竖向安装支架固定于所述水平移动支架上，所述安装平台可转动地安装于所述竖向安装支架上；所述倾角驱动件的一端安装于所述水平移动支架上，另一端与所述安装平台驱动连接。
10.根据权利要求9所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，所述水平移动支架设有增加支架支撑范围的活动支撑部件，所述活动支撑部件包括伸缩杆、限位销轴和多个沿伸缩杆轴向布置的调节孔，其中，所述伸缩杆设于所述水平移动支架的支架纵梁内；所述支架纵梁上设有限位孔，所述伸缩杆和水平移动支架通过穿设于限位孔和对应调节孔内的限位销轴限位。
11.根据权利要求9所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，还包括提供旋转驱动模块和倾角变化驱动模块动力的动力模块，所述水平移动支架的远离倾角驱动件的一端设有放置所述动力模块的安装配重架。
12.根据权利要求9所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，所述安装平台的远离倾角驱动件的一端设有防止安装平台在存放和运输过程中变形的支撑杆，所述支撑杆及所述水平移动支架上设有移动滚轮。
13.根据权利要求1至6中任意一项所述的井下工具模拟测试装置，其特征在于，所述数据采集模块由用于测量旋转驱动模块转动扭矩及转速的扭矩传感器、用于测量流体过流量的流量计、用于测量流体过流压力的压力传感器、用于测量井下工具旋转角度的角位移传感器、用于测量井下工具倾斜角度的倾角传感器的一种或多种构成。
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