CN115822575A - 一种无隔水管钻杆柱动力学分析试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，涉及无隔水管海洋钻探技术领域，包括试验台支架、水箱、钻压调节机构、回转驱动机构、摇摆机构和检测机构；钻压调节机构用于调节钻杆柱的轴向压力；回转驱动机构用于驱动钻杆柱转动；摇摆机构用于驱动回转驱动机构；检测机构用于检测钻杆柱的位移。可以拟钻杆柱转速、钻压工况参数；通过多个变频泵实现水箱中的模拟洋流的水流速的分层分布，从上到下可调节水流速分布；实现横向洋流流速分层对钻杆柱横向作用力的模拟；通过平行光捕捉钻杆柱的运动状况，厘清钻杆柱的位移分布对不同转速、钻压、水流速、泥浆循环速度等实验钻井参数的响应，为优化钻杆柱配置设计提供理论数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及无隔水管海洋钻探技术领域，特别是涉及一种无隔水管钻杆柱动力学分析试验台。
背景技术
随着人类对资源需求的增加和常规能源的日益枯竭，亟需探索新型能源，深海大洋科学钻探作为探索海底丰富资源的技术手段，被提上日程。常规隔水管钻探的施工成本高、适用水深浅，无隔水管钻杆技术成为研究热点。钻杆柱作为钻探工程实施的关键部件，厘清其在受到海流力作用和无孔壁支撑的约束条件下的力学行为特征，对于设计符合无隔水管钻探需求的钻杆柱是十分必要的。然而，对于万米科学钻探所面对的深水深井无隔水管的工况，从实施周期及实施成本，无法通过实际下井试验，开展相关理论验证。
公开号为CN108894776A的专利文件中公开了一种模拟深水无隔水管钻井水力设计的实验装置，模拟不同钻进速度，流动速度，得出管汇以及井筒流道中循环压耗，为无隔水管钻井系统不同排量工况下井筒压力分布提供实验数据一种模拟无隔水管海洋钻井系统中钻杆振动响应的试验装置及其方法，模拟出不同钻柱转速、海洋流速、钻井液流速、地层段底部扭转激励和纵向激励下的钻柱纵-横-扭耦合振动响应。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，通过试验得出钻杆柱在受到海流力作用和无孔壁支撑的约束条件下的力学行为特征，以便于设计符合无隔水管钻探需求的钻杆柱。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，包括试验台支架、水箱、钻压调节机构、回转驱动机构、摇摆机构和检测机构；所述水箱的侧壁为透明结构，所述水箱设置于所述试验台支架内部；所述钻压调节机构设置于所述水箱底部，所述钻压调节机构用于调节钻杆柱的轴向压力；所述回转驱动机构设置于所述水箱上方，所述回转驱动机构用于驱动钻杆柱转动；所述摇摆机构与所述回转驱动机构传动连接，所述摇摆机构用于驱动所述回转驱动机构；所述检测机构设置于所述水箱周围，所述检测机构用于检测钻杆柱的位移。
可选地，所述水箱底部设置有水箱支架，所述水箱支架的底端与所述试验台支架的底端位于同一水平面。
可选地，所述钻压调节机构包括调压电机、法兰、方形推杆、孔壁和井底托盘；所述法兰设置于所述水箱的底面外壁上，所述方形推杆设置于所述法兰内，且所述法兰的内径小于所述方形推杆的旋转直径；所述调压电机的输出轴与一丝杆的一端相连接，所述丝杆的另一端伸入所述方形推杆内并与所述方形推杆通过螺纹连接；所述井底托盘设置于所述法兰内并位于所述方形推杆的顶部，所述井底托盘用于承托所述钻杆柱的底端；所述水箱的内底面上设置有内法兰，所述内法兰与所述孔壁的底端相连接，且所述内法兰、所述孔壁与所述法兰均同轴设置。
可选地，所述回转驱动机构包括回转电机、水龙头和水龙头固定架；所述水龙头固定架与所述摇摆机构相连接；所述回转电机设置于所述水龙头固定架上；所述水龙头设置于所述水龙头固定架底部；所述钻杆柱的顶端伸入所述水龙头的内部阶梯孔后与所述回转电机的输出轴相连接；所述水龙头一侧设置有进水口，所述进水口与所述水龙头的内部阶梯孔相连通；所述进水口与一水泵的出口端相连通，所述水泵的进口端与所述水箱内部相连通。
可选地，所述水箱的对角箱壁上沿竖向设置有多个循环水口，每个所述循环水口与一变频泵的出口端相连通。
可选地，所述水箱的侧壁数量为偶数，且所述水箱的侧壁沿所述水箱的中心线对称设置。
可选地，所述摇摆机构包括摇摆电机、偏心轮、电机支架、连接杆和摇杆；所述电机支架设置于所述试验台支架上，所述摇摆电机设置于所述电机支架上；所述摇摆电机的输出轴与所述偏心轮传动连接；所述偏心轮的偏心处于所述连接杆的一端相连接，所述连接杆的另一端与所述摇杆的一端相连接，所述摇杆的另一端与所述回转驱动机构相连接。
可选地，所述检测机构包括幕布、平行光源、反射镜和相机；所述幕布设置于所述水箱一侧，所述平行光源设置于所述水箱另一侧，所述反射镜设置于所述幕布远离所述水箱的一侧，且所述反射镜与所述幕布在竖直面内呈一定夹角，所述相机用于拍摄所述反射镜内的虚像。
可选地，所述水箱周围设置有至少两个所述检测机构。
可选地，所述反射镜与所述幕布在竖直面内呈45度夹角。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)通过顶部单动水龙头与底部钻压调节机构实现钻杆柱的转动、下部钻压调节及泥浆循环；以模拟钻杆柱转速、钻压工况参数；
(2)通过多个变频泵实现水箱中的模拟洋流的水流速的分层分布，从上到下可调节水流速分布；实现横向洋流流速分层对钻杆柱横向作用力的模拟；
(3)通过平行光源实现管柱形状在幕布的投影，并通过图像采集与数据处理实现管柱运动姿态的实时捕捉；通过平行光捕捉钻杆柱的运动状况，厘清钻杆柱的位移分布对不同转速、钻压、水流速、泥浆循环速度等实验钻井参数的响应，为优化钻杆柱配置设计提供理论数据支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明无隔水管钻杆柱动力学分析试验台的结构示意图；
图2为本发明无隔水管钻杆柱动力学分析试验台中Ⅲ处的局部结构示意图；
图3为本发明无隔水管钻杆柱动力学分析试验台中Ⅱ处的局部结构示意图；
图4为连接杆与连接柱连接示意图。
附图标记说明：
1、水箱；
2、循环水口；
3、水箱支架；
4、钻压调节机构；4-1、调压电机；4-2、法兰；4-3、方形推杆；4-4、孔壁；4-5、井底托盘；
5、钻杆柱；
6、回转驱动机构；6-1、回转电机；6-2、水龙头；6-3、水龙头固定架；
7、摇摆机构；7-1、摇摆电机；7-2、偏心轮；7-3、电机支架；7-4、连接杆；7-5、连接柱；7-6、摇杆；7-7、摇杆销；7-8、滚珠轴承；
8、试验台支架；
9、平行光源；
10、幕布；
11、反射镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了验证通过理论计算及仿真分析得到的关于无隔水管钻杆柱的受力特征理论，本发明提供一种无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，在模拟海况作用下，捕捉长径比柔性杆的动力学行为特征，厘清钻杆柱的位移分布对不同转速、钻压、水流速、泥浆循环速度等实验钻井参数的响应，为优化钻杆柱配置设计提供理论数据支撑，具有一定的科学价值与工程意义。通过本发明提出的钻杆柱动力学分析试验台，捕捉模拟海况作用下的长径比柔性杆的力学行为特征，揭示不同钻井参数与钻杆柱变形程度的变化趋势，为万米大洋钻探用钻杆柱设计提供理论数据支撑，具有一定的科学价值与工程意义。
如图1至3所示，本实施例提供一种无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，包括试验台支架8、水箱1、钻压调节机构4、回转驱动机构6、摇摆机构7和检测机构；水箱1的侧壁为透明结构，水箱1设置于试验台支架8内部；钻压调节机构4设置于水箱1底部，钻压调节机构4用于调节钻杆柱5的轴向压力；回转驱动机构6设置于水箱1上方，回转驱动机构6用于驱动钻杆柱5转动；摇摆机构7与回转驱动机构6传动连接，摇摆机构7用于驱动回转驱动机构6；检测机构设置于水箱1周围，检测机构用于检测钻杆柱5的位移。
于本具体实施例中，水箱1底部设置有水箱支架3，水箱支架3的底端与试验台支架8的底端位于同一水平面。
水箱1的横截面可以是矩形，也可以采用六边形、八边形等具有偶数边的多边形，本具体实施例中，采用横截面为正方形的水箱1。
水箱1的对角箱壁上沿竖向设置有多个循环水口2，每个循环水口2与一变频泵的出口端相连通。通过变频泵输出水流，以实现横向洋流流速分层对钻杆柱5横向作用力的模拟，通过改变变频泵的输出，改变各循环水口2的出水流速，实现对横向洋流流速的调节。
钻压调节机构4包括调压电机4-1、法兰4-2、方形推杆4-3、孔壁4-4和井底托盘4-5；法兰4-2设置于水箱1的底面外壁上，方形推杆4-3设置于法兰4-2内，且法兰4-2的内径小于方形推杆4-3的旋转直径；调压电机4-1的输出轴与一丝杆的一端相连接，丝杆的另一端伸入方形推杆4-3内并与方形推杆4-3通过螺纹连接；井底托盘4-5设置于法兰4-2内并位于方形推杆4-3的顶部，井底托盘4-5用于承托钻杆柱5的底端；水箱1的内底面上设置有内法兰4-2，内法兰4-2与孔壁4-4的底端相连接，且内法兰4-2、孔壁4-4与法兰4-2均同轴设置。
更具体的，井底托盘4-5上可以放置试验用岩石样本，当调压电机4-1顺时针或逆时针转动时，通过方形推杆4-3和丝杆的传动实现方形推杆4-3的上下轴向移动，带动井底托盘4-5上下移动，从而调节钻杆柱5抵在岩石样本上的压力。
于又一具体实施例中，方形推杆4-3的侧壁与法兰4-2的内壁之间设置有密封圈，以防止水箱1内的水从法兰4-2与方形推杆4-3之间的间隙流出。
回转驱动机构6包括回转电机6-1、水龙头6-2和水龙头固定架6-3；水龙头固定架6-3与摇摆机构7相连接；回转电机6-1设置于水龙头固定架6-3上；水龙头6-2设置于水龙头固定架6-3底部；钻杆柱5的顶端伸入水龙头6-2的内部阶梯孔后与回转电机6-1的输出轴相连接；水龙头6-2一侧设置有进水口，进水口与水龙头6-2的内部阶梯孔相连通；进水口与一水泵的出口端相连通，水泵的进口端与水箱1内部相连通。
水泵将水箱1中的水泵入水龙头6-2的内部阶梯孔内，以实现模拟钻井液在钻杆柱5内部的循环流动。
摇摆机构7包括摇摆机构7、摇摆电机7-1、偏心轮7-2、电机支架7-3、连接杆7-4、连接柱7-5、摇杆7-6、摇杆销7-7和滚珠轴承7-8；电机支架7-3固定在试验台支架8的上部支架下端面，摇摆电机7-1固定在电机支架7-3侧内面，摇摆电机7-1输出轴端孔轴过盈配合连接偏心轮7-2，偏心轮7-2的偏心圆孔为通孔且其与滚珠轴承7-8的外圈外表面过盈配合，两个连接柱7-5均与连接杆7-4的上下两个阶梯孔孔轴配合，并通过螺钉紧固，其中一个连接柱7-5与滚珠轴承7-8内圈内表面过盈配合连接，另一个连接柱与摇杆7-6右端通孔中紧固的滚珠轴承7-8的内圈内表面孔轴过盈配合，且摇杆7-6为水平位置时的右端通孔轴线与偏心轮7-2的轴线在同一垂直面内，摇杆销7-7两端与电机支架7-3两端通孔套装且露出在外段为螺纹，通过螺母旋入螺纹进行固定，摇杆销7-7外表面与摇杆7-6左端通孔内固定的滚珠轴承7-8的内圈内表面孔轴过盈配合。当摇摆电机7-1的输出端转动时，摇杆7-6将相对于水平位置向上下进行一定角度的摇摆(-θ～θ)，假设摇杆7-6两通孔距离为x，偏心轮7-2回转中心与摇杆7-6左端通孔中心的垂直距离为y，偏心轮7-2中心与其偏心孔中心的距离为t，则摇杆7-6摇摆极限角度θ＝arcsin(t/y)。
检测机构包括幕布10、平行光源9、反射镜11和相机；幕布10设置于水箱1一侧，平行光源9设置于水箱1另一侧，反射镜11设置于幕布10远离水箱1的一侧，且反射镜11与幕布10在竖直面内呈45度夹角，相机用于拍摄反射镜11内的虚像。
于本具体实施例中，在水箱1的左侧和后侧分别设置一幕布10，在水箱1的右侧和前侧分别设置一平行光源9，每个幕布10远离水箱1的一侧均设置一反射镜11，反射镜11与相应的幕布10在竖向呈45度夹角，相机分别对反射镜11内的虚像进行拍摄。每一侧的平行光源9发出的平行光通过水箱1后照射在相对侧的幕布10上呈现实像，并穿过幕布10在反射镜11上形成虚像，通过对拍摄后的图像提取分析，可以得到钻杆柱5从上到下各测点的前后位移与左右位移，根据勾股定理可计算出各测点的实际水平位移，从而测得钻杆柱5在各不同参数作用下的姿态及其变化。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，其特征在于，包括试验台支架、水箱、钻压调节机构、回转驱动机构、摇摆机构和检测机构；所述水箱的侧壁为透明结构，所述水箱设置于所述试验台支架内部；所述钻压调节机构设置于所述水箱底部，所述钻压调节机构用于调节钻杆柱的轴向压力；所述回转驱动机构设置于所述水箱上方，所述回转驱动机构用于驱动钻杆柱转动；所述摇摆机构与所述回转驱动机构传动连接，所述摇摆机构用于驱动所述回转驱动机构；所述检测机构设置于所述水箱周围，所述检测机构用于检测钻杆柱的位移。
2.根据权利要求1所述的无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，其特征在于，所述水箱底部设置有水箱支架，所述水箱支架的底端与所述试验台支架的底端位于同一水平面。
3.根据权利要求1所述的无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，其特征在于，所述钻压调节机构包括调压电机、法兰、方形推杆、孔壁和井底托盘；所述法兰设置于所述水箱的底面外壁上，所述方形推杆设置于所述法兰内，且所述法兰的内径小于所述方形推杆的旋转直径；所述调压电机的输出轴与一丝杆的一端相连接，所述丝杆的另一端伸入所述方形推杆内并与所述方形推杆通过螺纹连接；所述井底托盘设置于所述法兰内并位于所述方形推杆的顶部，所述井底托盘用于承托所述钻杆柱的底端；所述水箱的内底面上设置有内法兰，所述内法兰与所述孔壁的底端相连接，且所述内法兰、所述孔壁与所述法兰均同轴设置。
4.根据权利要求1所述的无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，其特征在于，所述回转驱动机构包括回转电机、水龙头和水龙头固定架；所述水龙头固定架与所述摇摆机构相连接；所述回转电机设置于所述水龙头固定架上；所述水龙头设置于所述水龙头固定架底部；所述钻杆柱的顶端伸入所述水龙头的内部阶梯孔后与所述回转电机的输出轴相连接；所述水龙头一侧设置有进水口，所述进水口与所述水龙头的内部阶梯孔相连通；所述进水口与一水泵的出口端相连通，所述水泵的进口端与所述水箱内部相连通。
5.根据权利要求1所述的无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，其特征在于，所述水箱的对角箱壁上沿竖向设置有多个循环水口，每个所述循环水口与一变频泵的出口端相连通。
6.根据权利要求1所述的无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，其特征在于，所述水箱的侧壁数量为偶数，且所述水箱的侧壁沿所述水箱的中心线对称设置。
7.根据权利要求1所述的无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，其特征在于，所述摇摆机构包括摇摆电机、偏心轮、电机支架、连接杆和摇杆；所述电机支架设置于所述试验台支架上，所述摇摆电机设置于所述电机支架上；所述摇摆电机的输出轴与所述偏心轮传动连接；所述偏心轮的偏心处于所述连接杆的一端相连接，所述连接杆的另一端与所述摇杆的一端相连接，所述摇杆的另一端与所述回转驱动机构相连接。
8.根据权利要求1所述的无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，其特征在于，所述检测机构包括幕布、平行光源、反射镜和相机；所述幕布设置于所述水箱一侧，所述平行光源设置于所述水箱另一侧，所述反射镜设置于所述幕布远离所述水箱的一侧，且所述反射镜与所述幕布在竖直面内呈一定夹角，所述相机用于拍摄所述反射镜内的虚像。
9.根据权利要求8所述的无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，其特征在于，所述水箱周围设置有至少两个所述检测机构。
10.根据权利要求8所述的无隔水管钻杆柱动力学分析试验台，其特征在于，所述反射镜与所述幕布在竖直面内呈45度夹角。
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2022
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