CN116296183A - 多向激励耦合振动实验台架 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻井技术领域，公开发明了多向激励耦合振动实验台架，采用的技术方案为：所述多向激励耦合振动实验台架包括动力系统、增压系统、井壁系统、激励系统、负载系统。本发明的多向激励耦合振动实验台架由动力系统提供钻杆旋转所需的动力，增压系统可以提供钻头钻进时的钻压，井壁系统负责模拟钻进过程中钻柱与井壁的摩擦状况，激励系统负责产生钻轴向、径向、周向激励，负载系统负责模拟钻进过程中钻头和地层的相互作用。本发明可通过改变各个电机的输出功率来模拟多种钻井情况，可根据实际情况需要，进行精确模拟，适用性强。

Description

多向激励耦合振动实验台架

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及多向激励耦合振动实验台架。

背景技术

我国陆上深井超深井地质条件复杂，钻井安全风险大、周期长。尤其是，超高压、多压力体系、地层坚硬及可钻性差等问题共存，面临一系列钻完井技术难题，安全优质高效钻井最具挑战性。为了适应钻井技术的发展，提高钻井效率，钻井工具不断创新。但钻井环境复杂，钻进时难以掌握井下工况，针对井下钻柱振动，有必要设计模拟装置提供可靠的结果。

目前存在的模拟钻柱振动装置结构复杂，并且适用性不强，只能针对单一的地层环境进行测试，无法为井下钻柱动力学提供良好的技术支撑。因此，需要设计和开发模拟油气井钻柱真实振动特性的实验设备，有助于研究理论实验并确认理论研究结果的准确性。尤其是模拟各种载荷以及岩石与钻头之间的相互作用，对模拟装置提出了更高的要求，改进各个模块的功能以及增强装置的适用性已变得十分重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本在于：适应性强，效率高的多向激励耦合振动实验台架。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：多向激励耦合振动实验台架由动力系统、增压系统、井壁系统、激励系统、负载系统组成，动力系统由挡板、固定夹板、孔连接板、轴承法兰轴、主架板、主传动轴、支撑块、主电机、电机底板、皮带、大带轮和小带轮组成，增压系统由轴承安装轴、弹簧挡板、加压弹簧、调整杆和调整螺母组成，井壁系统由法兰轴和井筒组成，激励系统由水平固定架，水平激励弹簧，水平激励凸轮，径向电机，垂直固定架，垂直激励弹簧上座，垂直激励弹簧，推力轴，垂直激励凸轮，外套筒，滚子，轴向激励凸轮，轴向电机，周向电机和周向齿轮组组成，负载系统由钻头、岩石盖和岩石保持架组成。

优选的，所述挡板通过螺纹连接在上板一侧，进行轴向定位，固定夹板放置在上板的导轨槽中，并通过螺栓进行固定在上板两侧，固定夹板下方的凹槽中放置孔连接板，并且在外侧设有螺纹孔。

优选的，所述电机底板上的凹槽可以使得电机固定在不同的的位置，以产生不同的输出扭矩。

优选的，所述轴承安装轴与主传动轴通过键连接，穿过弹簧挡板中心，弹簧焊接在弹簧挡板中。

优选的，调整杆一端通过螺纹接在弹簧挡板中，穿过孔连接板，另一端设有螺纹，用于放置调整螺母，通过拧紧调整螺母来达到压缩加压弹簧的目的，控制。

优选的，所述推力轴与垂直固定架的小孔为间隙配合，推力轴在垂直激励凸轮的冲击下轴向运动，产生激励，然后在垂直激励弹簧反作用下恢复原状。

优选的，径向电机的输出端连接激励凸轮，轴向电机和轴向电机的输出端连接齿轮，提供激励所需的动力，同时可以调整电机的功率，以产生。

优选的，所述外套筒通过通过B型平键连接到后端的滚子凸轮机构，两个B型平键夹角为180°，以减小对轴的削弱。

优选的，所述周向齿轮组中大齿轮连接周向电机输出端，带动上方小齿轮转动，产生周向激励，同时具有辅助定心作用。

本发明与现有技术比较，其具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种全新激励方式，可以产生纵扭横耦合激励，并且每个电机输出功率可调，更换不同偏心距的激励凸轮，在横向激励中可实现90°内任意方向的综合激励。

2.本发明中增压系统中，可通过螺母控制弹簧的压缩量，确定施压大小，同时引入滚子凸轮机构，提供高效轴向冲击。

3.本发明可以根据具体需要，进行拆装组合，适用性强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为径向激励凸轮的结构示意图；

图3为轴向激励凸轮的结构示意图；

附图标记说明：1-挡板，2-固定夹板，3-轴承法兰轴，4-主架板，5-主传动轴，6-主电机，7-大带轮，8-小带轮，9-轴承安装轴，10-弹簧挡板，11-加压弹簧，12-调整杆，13-调整螺母，14-法兰轴，15-井筒，16-水平固定架，17-水平激励弹簧，18-水平激励凸轮，19-径向电机，20-垂直激励弹簧上座，21-垂直激励弹簧，22-外套筒，23-滚子，24-轴向激励凸轮，25-周向电机，26-周向齿轮组，27-钻头，28-岩石盖，29-岩石保持架，30-轴向电机，31-垂直激励凸轮，32-推力轴，33-垂直固定架，34-皮带，35-电机底板，36-支撑块，37-孔连接板。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进一步说明：

如附图1所示的多向激励耦合振动实验台架。需要说明的是：所述多向激励耦合振动实验台架可用于模拟多种需要钻进的情况；本发明将应用于石油钻井中，并非限定其只能应用于此。

如附图1所示：所述多向激励耦合振动实验台架包括动力系统、增压系统、井壁系统、激励系统、负载系统，动力系统由挡板1，固定夹板2，孔连接板37，轴承法兰轴3，主架板4，主传动轴5，支撑块36，主电机6，电机底板35，皮带34， 大带轮7，小带轮8组成，增压系统由轴承安装轴9，弹簧挡板10，加压弹簧11，调整杆12，调整螺母13组成，井壁系统由法兰轴14，井筒15组成，激励系统由水平固定架16，水平激励弹簧17，水平激励凸轮18，径向电机19，垂直固定架33，垂直激励弹簧上座20，垂直激励弹簧21，推力轴32，垂直激励凸轮31，外套筒22，滚子23，轴向激励凸轮24，轴向电机30，周向电机25，周向齿轮组26组成，负载系统由钻头27，岩石盖28，岩石保持架29组成。

如附图1，多向激励耦合振动实验台架，其动力系统组装顺序为：挡板1通过螺纹连接在主架板4两端，起到轴向固定的作用，固定夹板2在主架板4两侧呈对称布置，固定夹板2上部放置在主架板4的导轨中，固定夹板2下方各设有2对螺纹孔，通过螺栓连接固定孔连接板37，轴承法兰轴3安装在孔连接板37的圆孔中，通过键与主传动轴5连接，支撑块36安装在主架板4的导轨中，上部放置电机底板35，电机底板35上通过螺纹连接安装主电机6，主电机6的输出端连接小带轮8，小带轮8通过皮带34与大带轮7组成带传动系统，由主电机6提供动力，通过带传动系统，将动力传递到主传动轴5上。

如附图1所示：所述多向激励耦合振动实验台架，其加压系统的组装顺序为：轴承安装轴9通过键与主传动轴5连接，传递稳定动力，轴承安装轴9另一端穿过弹簧挡板10，弹簧挡板10两侧通过螺纹连接2根调整杆12，调整杆12的另一端穿过孔连接板37且设有螺纹，调整螺母13通过螺纹连接调整杆12且位于孔连接板37的外侧，通过拧紧调整螺母13，在调整杆12的作用下可实现压缩加压弹簧11，实现对钻进时的加压，可以通过控制加压弹簧11的压缩量来实现不同的加压，模拟更为准确的压力施加。

如附图1所示：所述多向激励耦合振动实验台架，其井壁系统的组装顺序为：法兰轴14通过过盈配合安装在孔连接板37的圆孔中，以更好的将前面的扭矩传递至井壁系统中，内部安装井筒15，以模拟钻进过程中钻柱与井壁的摩擦状况。

如附图1，附图2，附图3所示：所述多向激励耦合振动实验台架，其激励系统的组装顺序为：径向激励中水平固定架16通过螺栓固定在孔连接板37上，水平激励凸轮18连接径向电机19的输出端，垂直固定架33通过螺栓固定在孔连接板37上，推力轴32穿过垂直固定架33中的圆孔，垂直激励弹簧21环绕推力轴32，推力轴32上接垂直激励弹簧上座20，垂直激励凸轮31连接电机输出端，由电机带动垂直激励凸轮31转动，垂直激励凸轮31撞击推力轴32，推力轴31压缩垂直激励弹簧上座20产生垂直方向激励，水平方向的激励产生方式与垂直方向相同，可以选择不同偏心距的激励凸轮和调整径向电机19的输出功率来达到不同的激励效果；轴向激励中滚子23和轴向激励凸轮24构成滚子凸轮机构，由轴向电机30通过齿轮啮合带动轴向激励凸轮24旋转，滚子23绕着轴向激励凸轮24旋转，在高处上升，低处下落，能够产生一定频率、大小稳定的冲击载荷；周向激励中，周向齿轮组26中大齿轮连接周向电机25输出端，带动上方小齿轮转动，产生周向激励，同时具有辅助定心作用。

如附图1所示：所述多向激励耦合振动实验台架，其负载系统的组装顺序为：岩石保持架29通过螺栓连接在挡板1上，岩石盖28通过螺栓固定在岩石保持架29上，钻头27进行钻进模拟破岩。

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.所述多向激励耦合振动实验台架，其特征在于：包括动力系统、增压系统、井壁系统、激励系统、负载系统，其中：

所述动力系统包含了挡板（1）、固定夹板（2）、孔连接板（37）、轴承法兰轴（3）、主架板（4）、主传动轴（5）、支撑块（36）、主电机（6）、电机底板（35）、皮带（34）、大带轮（7）和小带轮（8）；其特征在于挡板（1）对主架板（4）进行轴向固定，同时固定夹板（2）通过螺栓连接固定孔连接板（37），支撑块（36）支撑电机底板（35），电机底板（35）上面放置主电机（6），主电机（6）输出端通过键连接小带轮（8）、皮带（34）和大带轮（7）；

所述增压系统包含了轴承安装轴（9）、弹簧挡板（10）、加压弹簧（11）、调整杆（12）和调整螺母（13），其特征在于轴承安装轴（9）与主传动轴（5）连接，弹簧挡板（10）上接加压弹簧（11），弹簧挡板（10）两端加上调整杆（12）；

所述井壁系统包含了法兰轴（14）和井筒（15），其特征在于井筒（15）安装在法兰轴(14)上，固定在两个孔连接板（37）之间；

所述激励系统包含了径向激励，轴向激励和周向激励，其中径向激励包括水平固定架（16），水平激励弹簧（17），水平激励凸轮（18），径向电机（19），垂直固定架（33），垂直激励弹簧上座（20），垂直激励弹簧（21），推力轴（32），垂直激励凸轮（31），其特征在于推力轴（32）穿过垂直固定架（33）中的圆孔，垂直激励弹簧（21）环绕推力轴（32），推力轴（32）上接垂直激励弹簧上座（20），垂直激励凸轮（31）连接电机输出端，轴向激励包括外套筒（22），滚子（23）和轴向激励凸轮（24），轴向电机（30），其特征在于外套筒（22）后接滚子（23）和轴向激励凸轮（24），周向激励包括周向电机（25）和周向齿轮组（26），其特征在于周向电机（25）输出端连接轴向齿轮组（26）；

所述负载系统包含了钻头（27），岩石盖（28）和岩石保持架（29），其特征在于：所述岩石保持架（28）连接主架板（4），岩石盖（28）固定在岩石保持架（29）上。

2.根据权利要求1所述的多向激励耦合振动实验台架，其特征在于：所述主架板（4）设有导轨，便于安装固定夹板（2）和支撑块（36），可以实现固定整个台架的功能，固定夹板（2）呈对称布置，下方各设有2对螺纹孔，可以很好的固定孔连接板（37）。

3.根据权利要求1所述的多向激励耦合振动实验台架，其特征在于：所述轴承法兰轴（3）与孔连接板（37）中圆孔为过盈配合，轴承安装轴（9）通过键与主传动轴（5）连接，实现传动轴稳定传递动力的功能。

4.根据权利要求1所述的多向激励耦合振动实验台架，其特征在于：所述调整螺母（13）与调整杆（12）通过螺纹连连接可以实现压缩加压弹簧（11）的功能。

5.根据权利要求1所述的多向激励耦合振动实验台架，其特征在于：水平激励弹簧（17）和垂直激励弹簧（21）空间夹角为90°。

6.根据权利要求1所述的多向激励耦合振动实验台架，其特征在于：径向电机（19）、轴向电机（30）和周向电机（25）各自独立工作，提供各个方向的激励所需的动力。

7. 根据权利要求1所述的多向激励耦合振动实验台架，其特征在于：所述滚子（23） 呈120°布置，滚子（23）绕着轴向激励凸轮（24）在高处上升，低处下落，实现产生能够产生一定频率、大小稳定的冲击载荷。

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