CN114526936A - 钻柱全旋转液力控制器试验台架 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气井工程与机械工程领域，具体涉及钻柱全旋转液力控制器试验台架。采用的技术方案为：钻柱全旋转液力控制器试验台架，所述钻柱全旋转液力控制器试验台架包括台架基体、驱动装置、进水装置、辅助装置、回水装置、联轴器、测试仪器及负载装置。所述驱动装置包括调速电机、减速器、齿轮和升降机构；所述进水装置包括静止轴、箱体、驱动轴，同时实现进水和驱动功能；辅助装置包括滚动支撑、液压缸、支撑架、驱动电机，辅助支撑被测试工具；回水装置包括腔体、快拆接头、安装架，传递扭矩和回水；负载装置模拟底部负载。本发明提供一种用于液力钻井工具压力、扭矩、转速同步测量的钻柱全旋转液力控制器试验台架，操作简单、试验高效。

Description

钻柱全旋转液力控制器试验台架

技术领域

本发明属于油气工程与机械工程领域，具体涉及钻柱全旋转液力控制器试验台架。

背景技术

随着钻井技术向超深井方向的不断发展，一种石油钻井用的钻柱全旋转液力控制器钻井工具可极大减少钻井成本。钻柱全旋转液力控制器利用液力和机械之间的耦合，实现复合钻井和定向钻井，钻柱全旋转液力控制器钻井工具重要输入参数上部压力、转速，输出参数为下部扭矩、转速、压力参数。为了在新工具研发减少时间成本，定量研究液力控制器钻井工具性能参数，包括液力控制器钻井工具上部输入压力、转速、扭矩与下部输出压力、转速、扭矩之间的对应关系，钻柱全旋转液力控制器试验台架实现在不同负载条件下对液力控制器钻井工具压力、转速、转矩测量。

现有的台架测试平台及技术中，井下工具测试台架能对钻压、压降、振荡、位移、加速度参数进行同部测量测试，但针对钻柱全旋转液力控制器井下工具，试验时既不能对输入参数转速进行控制，也不能对输出扭矩、输出转速参数进行测量，更不能模拟钻井负载条件。钻井现场所使用的工业水龙头虽可满足周向驱动旋转，通过控制输入排量大小控制上部驱动转速，同时被测试工具接通高压液力介质，机械能和压力能耦合后，损失一部分压力能，转化为工具下部的机械能。但水龙头体积庞大，价格高昂，水龙头在工作时需要专用高压液压站泵驱动。此外，带有水龙头的台架测试平台中无法模拟不同负载环境，不能定量测量下部输出转速、扭矩随下部负载变化之间的关系。因此，水龙头作为常用测试仪器设备具有高能耗、成本极高、功能匮乏、使用不便的突出特点，不适合作为实验室内频繁定量测试研究新工具的实验平台设备。新工具下井服务，在没有完成实验测试，贸然下井具有极大风险，会造成不可估量的经济损失。实验测试台架的合理使用既可以验证新工具功能，还能进一步研究性能参数之间的影响关系，为工具的工作机理研究提供参考依据，促进了石油钻井工程所用到的液力偶合钻井工具研发、性能优化，真正实现了钻井工程的提速增效、节约时间、减少成本。

为此，我们为了验证石油钻井用液力控制器钻井工具的功能和定量研究液力控制器钻井工具性能参数，综合评价液力控制器钻井工具的使用效果，结合现有实验条件，如何模拟井下负载变化，实现高效同步精确测量液力控制器钻井工具上部压降、扭矩、转速及下部压降、扭矩、转速，探究液力控制器钻井工具耦合关系是本领域渴望解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种靠驱动装置驱动，测试仪器测量压力、扭矩和转速，负载装置模拟负载的实验台架，可实现钻井工程井下工具压力、转速和扭矩同步测量的钻柱全旋转液力控制器试验台架。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：其特征在于：所述钻柱全旋转液力控制器试验台架包括台架基体、驱动装置、进水装置、辅助装置、回水装置、联轴器、测试仪器、负载装置。

所述进水装置包括安装架、静止轴、左端盖A、箱体、密封圈、限位块、串轴承、TC轴承、圆锥滚子轴承、右端盖A、驱动轴，同时实现扭矩传递和进水功能。辅助装置包括滚动支撑、液压缸、支撑架、移动架、驱动电机、上滚轮、下滚轮，根据测试需要调节被测试工具的支撑中心位置。所述回水装置包括输出轴、左端盖B、挡圈、密封环、密封圈、右端盖B、轴承、回水管、快速接头、调节安装架，同时传递扭矩和回水。测试仪器测量联轴器输出端扭矩、转速；所述调速电机的输出轴与减速器连接。所述减速器输出轴上安装齿轮B。所述联轴器左右两端分别与测试仪器的输入端、输出轴的输出端通过键连接。所述负载装置提供可变扭矩，模拟不同测试条件的负载；所述驱动装置、负载装置分别与台架基体独立安装，所述进水装置、回水装置、联轴器、测试仪器均固定安装在上。所述调速电机扭矩和转速依次传递至减速器输出轴上齿轮B、驱动轴、被测试工具、输出轴、联轴器、测试仪器、负载装置。实验液体依次通过静止轴、驱动轴、被测试工具、输出轴、回水管，最终回流至水箱。

优选的，所述所述静止轴不转动，静止轴上设置有安装压力传感器的孔，通过压力传感器测量输入被测试工具的输入压力。静止轴左端设置有与被测试工具上端连接的螺纹扣，实现被测试工具与实验台架输入端轴向连接和密封。述静止轴的芯部为不等直径大小的通孔，便于液体介质流入被测试工具；静止轴右端芯部设置有用于配合安装限位块、驱动轴的三个台阶；静止轴上装配有圆锥滚子轴承，高压液体流通后承受径向和轴向载荷。

优选的，所述驱动轴设置有环形槽b、连接螺纹、齿轮A。液体介质从驱动轴内流通至被测试工具。所述环形槽b上安装密封圈，实现驱动轴与静止轴之间动密封，防止液体介质进入驱动轴与静止轴之间的腔室。所述TC轴承内圈与连接螺纹连接，TC轴承在驱动轴上轴向限位固定；TC轴承外圈上安装有串轴承，将驱动轴的轴向载荷传递至静止轴。所述左端盖A、右端盖A分别与箱体的左、右端面连接，实现对传动轴轴向固定，将轴向载荷传递至箱体上。所述限位块上设置有环形槽a，限位块右端限制串轴承轴向移动，环形槽a上设置密封件实现对轴承保护。

优选的，所述所述液压缸上设置有伸缩臂、孔a，通过螺栓穿过孔a与支撑架上孔b连接；孔a与孔b的安装角度、伸缩臂的伸缩变化实现滚动支撑中心位置径向和周向调节。所述驱动电机设置在移动架上，驱动电机输出轴与上滚轮连接，通过控制驱动电机的转动方向和转速，以实现对辅助装置在台架基体上移动方向和移动速度的控制。

优选的，所述调节安装架包括高度调节螺母和高度调节柱。高度调节螺母具有自锁功能，通过旋转高度调节柱上的高度调节螺母，实现对回水装置输出轴轴心高度的竖直方向上的位置调整。

优选的，所述测试仪器同步测量转速和扭矩参数，测试仪器输入、输出为直流电压，测试直流电压信号传输至动态数据采集箱。所述压力传感器为直流输入、电压输出类型。

本发明与现有技术比较，其具有以下有益效果：本发明提供了一种全新的钻柱全旋转液力控制器试验台架：(1) 进水装置同步进水、周向转动，模拟上部钻压和转速；(2)精确测量输入压力、转速和输出转速、扭矩参数，并对数据进行动态采集；(3) 辅助装置可对被测试工具的支撑中心高度进行二维调节；回水装置可实现两向调节，适用同类型不同尺寸口径的工具实验测试；(4) 实验测试高压液体介质闭环循环，减少对实验环境污染。此类设置方式实现的功能多、适用性强和安全环保。为石油钻井用新工具研发、产品优化，节约成本、保证性能、促进投产。

附图说明

图1为本发明的钻柱全旋转液力控制器试验台架结构示意图；

图2为本发明的进水装置结构示意图；

图3为图2的左视图；

图4为图3的A-A视图；

图5为本发明的辅助装置结构示意图；

图6为图5的左视图；

图7为本发明的回水装置结构示意图；

图8为图7的B-B视图。

其中：1-台架基体、2-驱动装置、3-进水装置、4-辅助装置、5-回水装置、6-联轴器、7-测试仪器、8-负载装置、9-被测试工具、11-固定端、21-调速电机、22-减速器、23-齿形带、24-齿轮B、25-升降座、26-升降柱、27-升降螺母、30-安装架、31-静止轴、32-左端盖A、33-箱体、34-密封圈、35-限位块、36-串轴承、37-TC轴承、38-圆锥滚子轴承、39-右端盖A、40-驱动轴、41-滚动支撑、42-液压缸、43-支撑架、44-移动架、45-驱动电机、46-上滚轮、47-下滚轮、51-输出轴、52-左端盖B、53-挡圈、54-密封环、55-密封圈、56-右端盖B、57-轴承、58-回水管、59-快速接头、60-调节安装架、70-压力传感器、81-安装横梁、82-调节柱、83-调节螺母、84-负载安装座、351-环形槽a、511-回水口，401-环形槽b，402-连接螺纹，403-齿轮A，421-伸缩臂、422-孔a、431-孔b、511-回水孔、512-键槽、601-高度调节螺母、602-高度调节柱。

具体实施方式

如图1所示，钻柱全旋转液力控制器试验台架，其特征在于：所述钻柱全旋转液力控制器试验台架包括台架基体1、驱动装置2、进水装置3、辅助装置4、回水装置5、联轴器6、测试仪器7、负载装置8。所述台架基体1与地面固定。所述驱动装置2、负载装置8分别独立与地面固定。被测试工具9两端分别与进水装置3、回水装置5通过螺纹扣连接。测试仪器7同步测量联轴器6输出端扭矩、转速，输出、输入为直流电压型。所述调速电机21的输出轴与减速器22连接；所述减速器22输出轴上安装齿轮B24；所述联轴器6左右两端分别与测试仪器7的输入端、输出轴51的输出端通过键连接；所述负载装置8提供可变扭矩，模拟不同测试条件的负载。所述驱动装置2、负载装置8分别与台架基体1独立安装，所述进水装置3、回水装置5、联轴器6、测试仪器7均固定安装在台架基体1上。驱动装置2中的调速电机21将扭矩和转速传递至减速器22输出轴上齿轮B24，齿轮B24与驱动轴40上的齿轮A403通过齿形带23传递扭矩和转速。驱动轴40将扭矩和转速依次传递至被测试工具9、输出轴51、联轴器6、测试仪器7、负载装置8。负载安装座84与地面固定，负载装置8安装在安装横梁81上，升降调节柱82上设置有自锁螺纹，通过升降调节柱82上的多个调节螺母83，实现对负载装置8安装高度调整。实验用的高压介质依次通过静止轴31、驱动轴40、被测试工具9、输出轴51、回水管55。

如图2-4所示，所述进水装置3包括安装架30、静止轴31、左端盖A32、箱体33、密封圈34、限位块35、串轴承36、TC轴承37、圆锥滚子轴承38、右端盖A39、驱动轴40，同时实现扭矩传递和进水功能。所述静止轴31不转动，静止轴31上设置有安装压力传感器70的孔；静止轴31左端设置有与被测试工具9上端连接的NC50螺纹扣；芯部为不等直径大小的通孔；静止轴31右端芯部设置有用于配合安装限位块35、驱动轴40的三个台阶；静止轴31外轮廓上装配有圆锥滚子轴承38，传递轴向载荷至左端盖A32。所述限位块35为环形结构，在内圈、外圈均设置密封环形槽a351上装配高压密封圈，分别与驱动轴40、静止轴31实现密封；限位块35左端与静止轴31限位，限位块35右端外缘与串轴承36外圈限位。所述TC轴承37内圈带有螺纹，外圈与静止轴31装配，TC轴承37与驱动轴40上的连接螺纹402实现轴向固定，实现静止轴31与驱动轴40相对转动。所述驱动轴40设置有环形槽b401、连接螺纹402和齿轮A403，驱动轴40上安装有圆锥滚子轴承38。所述环形槽b401上安装有密封环，实现静止轴31与驱动轴40之间的动密封。

如图5、图6所示，所述辅助装置4包括滚动支撑41、液压缸42、支撑架43、移动架44、驱动电机45、上滚轮46、下滚轮47，根据测试需要调节被测试工具9的支撑高度和支撑直径。滚动支撑41可绕与液压缸42的伸缩臂421安装轴转动；液压缸42设置有孔a422，支撑架43设置有孔b431，液压缸42与支撑架43通过孔a422、孔b431采用螺栓固定连接；移动架44采用法兰结构与支撑架43连接，移动架44上安装驱动电机45、上滚轮46、下滚轮47；驱动电机45的输出轴与在台架基体1上滚动的上滚轮46连接。所述下滚轮47相对移动架44转动，与台架基体1接触，保证辅助装置4始终在台架基体1上移动。实现被测试工具9旋转运动时能有效支撑，且根据实验需要灵活调整辅助装置4的支撑位置。

如图7、图8所示，所述回水装置5包括输出轴51、左端盖B52、挡圈53、密封环54、密封圈55、右端盖B56、轴承57、回水管58、快速接头59、调节安装架60，同时传递扭矩和回水。所述调节安装架60包括高度调节螺母601和高度调节柱602，高度调节螺母601具有自锁功能，通过旋转安装在高度调节柱602上的高度调节螺母601，实现对回水装置5中心轴的安装高度调整。

如图1所示，在一种实施方式下，驱动装置2安装在进水装置3的右侧，减速器22输出转速为0~200转/分钟，齿轮B24与驱动轴40上的齿轮A403为相同结构、尺寸齿轮，通过齿形带23传递扭矩和转速。通过适配的变频器控制调速电机21转速或扭矩，实现对动力端的输出参数（转速、扭矩）的控制。升降座25与地面固定，升降螺母27具有自锁功能，防止驱动装置2在负载作用下滑动。通过调整升降螺母27在升降柱26上的位置，间接调整驱动装置2动力轴的中心位置，便于安装齿形带23和调整齿形带23预紧力。进水装置3安装在台架基体1上，驱动轴40高度位移确定，通过调整高度调节螺母601、调节螺母83，实现对整个测试装置零部件轴心安装高度调整，便于安装和保证工作安全。所述测试仪器7实现同步测量转速和扭矩参数，测试仪器7的输入、输出信号类型为直流电压（±10V），输出的直流电压信号直接传输至实验测试动态数据采集箱。

如图4所示，在一种实施方式下，所述静止轴31上装配压力传感器70，压力传感器70为直流电压（±10V）输入、输出信号类型，压力传感器70的应变感应端需安装至静止轴31的芯部环空，避免测量流体在安装孔位置产生涡流信号。所述驱动轴40外轮廓设置有多个台阶，用于安装圆锥滚子轴承38；驱动轴40与齿轮A403为一体，减少零部件，增强传递动力的可靠性。外部高压管汇与静止轴31左侧螺纹扣NC50连接，被测试工具9与驱动轴40右侧连接。液体介质依次通过静止轴31、驱动轴40内部，流至被测试工具9的内部。

如图5、图6所示，在一种实施方式下，所述液压缸42设置有六个孔a422，且孔a422圆周均匀布置；支撑架43设置有六个孔b431，且孔b431圆周直径与孔a422所在的圆周直径大小相同，实验测试技术人员通过调整安装孔a422与孔b431对应位置，使用螺栓连接来调整液压缸42的安装角度和通过控制伸缩臂421的伸出长度的方法，调整被测试工具9的支撑高度和被支撑工具的直径大小。

如图1、图8所示，在一种实施方式下，所述输出轴51左端、右端分别与被测试工具9尾端、联轴器6左端连接。通过被测试工具9的介质流至输出轴51芯部，经回水孔511最终回流至回水管58，实现介质循环。被测试工具9传递扭矩至输出轴51、联轴器6、测试仪器7、负载装置8。所述负载装置8提供反向扭矩，模拟工具底部负载，通过控制电流来调节负载装置8输出反扭矩值大小。

在一种实施方式下，所述钻柱全旋转液力控制器试验台架，通过驱动装置2与进水装置3并行安装，采用带传动方式，实现传动扭矩和转速；同时，实验所用的高压液体介质直接进入进水装置3的静止轴，进入驱动轴40芯部，实现进水功能和周向传动。通过调节升降螺母27、调节安装架60对不同模块进行调节。回水装置5、联轴器6、测试仪器7、和负载装置8同轴串行安装台架基体1上。

上述实施方式均可以实现液力耦合器实验测试的发明目的，在本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。

在上述一种实施方式下，利用驱动装置2、进水装置3、辅助装置4、回水装置5、联轴器6、测试仪器7及负载装置8实现钻柱全旋转液力控制器高效准确实验测试。在这种实施方式下，所述进水装置3实现扭矩传递和进水，回水装置5实现扭矩传递和出水。测试仪器7测量转速和转矩。整个钻柱全旋转液力控制器试验台架功能集成化、操作方便、结构可靠。

本发明提供的钻柱全旋转液力控制器试验台架可应用于石油钻井井下工具产品研发、功能验证、性能测试标定，在一种实施方式下，所述钻柱全旋转液力控制器试验台架为石油钻采工具技术。本发明提供了一种全新井下工具的输入压力和输出扭矩、转速测试方式，通过对钻柱全旋转液力控制器试验台架结构设计，动力端采用旁侧驱动、轴向连接高压管汇进水、工具末端旁侧回水的结构设计，多参数同步实验，低成本，操作便捷。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.钻柱全旋转液力控制器试验台架，其特征在于：所述钻柱全旋转液力控制器试验台架包括台架基体（1）、驱动装置（2）、进水装置（3）、辅助装置（4）、回水装置（5）、联轴器（6）、测试仪器（7）、负载装置（8）；

所述进水装置（3）包括安装架（30）、静止轴（31）、左端盖A（32）、箱体（33）、密封圈（34）、限位块(35)、串轴承（36）、TC轴承（37）、圆锥滚子轴承（38）、右端盖A（39）、驱动轴（40），同时实现扭矩传递和进水功能；辅助装置（4）包括滚动支撑（41）、液压缸（42）、支撑架（43）、移动架（44）、驱动电机（45）、上滚轮（46）、下滚轮（47），根据测试需要调节被测试工具（9）的支撑高度和支撑直径；所述回水装置（5）包括输出轴（51）、左端盖B（52）、挡圈（53）、密封环（54）、密封圈(55)、右端盖B（56）、轴承（57）、回水管（58）、快速接头（59）、调节安装架（60），同时传递扭矩和回水；测试仪器（7）测量联轴器（6）输出端扭矩、转速；所述调速电机（21）的输出轴与减速器（22）连接；所述减速器（22）输出轴上安装齿轮B（24）；所述联轴器（6）左右两端分别与测试仪器（7）的输入端、输出轴（51）的输出端通过键连接；所述负载装置（8）提供可变扭矩，模拟不同测试条件的负载；所述驱动装置（2）、负载装置（8）分别与台架基体（1）独立安装，所述进水装置（3）、回水装置（5）、联轴器（6）、测试仪器（7）均固定安装在台架基体（1）上；所述调速电机（21）扭矩和转速依次传递至减速器（22）输出轴上齿轮B（23）、驱动轴（40）、被测试工具（9）、输出轴（51）、联轴器（6）、测试仪器（7）、负载装置（8）；实验液体依次通过静止轴（31）、驱动轴（40）、被测试工具（9）、输出轴（51）、回水管（55）。

2.根据权利要求1所述的钻柱全旋转液力控制器试验台架，其特征在于：所述所述静止轴（31）不转动，静止轴（31）上设置有安装压力传感器（70）的孔；静止轴（31）左端设置有与被测试工具（9）上端连接的NC50螺纹扣；芯部为不等直径大小的通孔；静止轴（31）右端芯部设置有用于配合安装限位块(35)、驱动轴（40）的三个台阶；静止轴（31）上装配有圆锥滚子轴承（38）。

3.根据权利要求1所述的钻柱全旋转液力控制器试验台架，其特征在于：所述驱动轴（40）设置有环形槽b（401）、连接螺纹（402）、齿轮A（403），驱动轴（40）芯部为通径；所述环形槽b（401）上安装密封圈（34），实现驱动轴（40）与静止轴（31）之间动密封；所述连接螺纹（402）与TC轴承（37）内圈连接；所述TC轴承（37）外圈上安装有串轴承（36）；所述左端盖A（32）、右端盖A（39）分别与箱体（33）的左、右端面连接，实现对传动轴（40）轴向固定；所述限位块(35)上设置有环形槽a（351），限制串轴承（36）轴向移动；所述环形槽a（351）上设置密封件实现对轴承保护。

4.根据权利要求1所述的钻柱全旋转液力控制器试验台架，其特征在于：所述液压缸（42）上设置有伸缩臂（421）、孔a（422），通过螺栓与支撑架（43）上固定连接；液压缸（42）的安装角度、伸缩变化实现对滚动支撑（41）位置的调节；所述驱动电机（45）设置在移动架（44）上，驱动电机（45）输出轴与上滚轮（46）连接，驱动辅助装置（4）在台架基体（1）上移动。

5.根据权利要求1所述的钻柱全旋转液力控制器试验台架，其特征在于：所述调节安装架（60）包括高度调节螺母（601）和高度调节柱（602），高度调节螺母（601）具有自锁功能，通过旋转安装在高度调节柱（602）上的高度调节螺母（601），实现对回水装置（5）高度的调整。

6.根据权利要求1所述的钻柱全旋转液力控制器试验台架，其特征在于：所述负载装置（8）安装在安装横梁（81）上，通过升降调节柱（82）上的调节螺母（83），实现对负载装置（8）高度调节。

7.根据权利要求1所述的钻柱全旋转液力控制器试验台架，其特征在于：所述测试仪器（7）同步测量转速和扭矩参数，测试仪器（7）输入、输出为直流电压，测试直流电压信号传输至动态数据采集箱；所述压力传感器（70）为直流输入、电压输出类型。

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