CN117606930A - 井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架及方法，包括：支承组件、钻压控制组件、驱动组件、钻柱组件、转向组件、底部钻具组件、模拟岩层组件和计算机及控制软件；驱动组件、钻柱组件、转向组件设置于支撑系统的侧面；驱动组件通过钻柱组件与底部钻具组件驱动连接，钻柱组件穿设在转向组件中并转向，钻压控制组件与驱动组件连接，调节底部钻具组件的末端压力，模拟岩层组件与底部钻具组件接触配合，计算机及控制软件与其他组件电连接。本台架可以实时监测钻头的动态负载、转速、钻压等关键参数。实验台还具备主动抑振功能，能够有效地降低钻井过程中的振动，提高钻井效率和钻头寿命。

Description

井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架及方法

技术领域

本发明涉及石油工程实验台架领域，具体地，涉及一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架及方法。

背景技术

在石油和天然气勘探领域，钻井平台是至关重要的设备。随着对更深层和复杂地质结构的石油和天然气储备的勘探，对钻井技术的要求也不断提高。

传统的钻井设备主要以固定的钻压和钻井角度进行操作，这在一些简单地层中可能是足够的。但对于复杂的地质结构，特别是变质岩、断层或高硬度岩石地区，固定的钻压和钻井角度可能导致钻具磨损过快，钻井效率低下，甚至可能导致钻具卡死或破损。

目前，虽然市场上已有一些可调节钻压和钻井角度的钻井设备，但多数仍然依赖于人工判断和操作，这在一些高难度的钻井作业中可能不够精确。此外，现有的技术中，对于如何精确调节钻压和钻井角度以应对各种地层变化仍然存在一定的挑战。因此，当前的技术状况下，市场上迫切需要一个集成了先进控制技术，可以自动或半自动调整钻压和钻井角度的钻井平台实验台来实现对复杂钻井工况与地质情况下的钻井过程力学模拟。

在目前已有的钻井实验平台的设计中，在公开号为CN106593310A的中国专利文献中公开了一种多功能钻井实验台架，采用液压动力驱动整个平台倾斜实现对水平井与斜井的模拟，同时采用液压装置进行钻压负载的模拟，但该实验平台将整个平台倾斜的做法显然不符合实际情况下的斜井钻探，并且此平台调节较为麻烦。

在公开号为CN106769143A的中国专利文献中，公开了一种轨道式多功能钻井实验台架，将动力水龙头系统安装于轨道之上，通过液压装置实现对钻具提升与加载，但其未曾考虑过如何改变钻井角度。

目前已有的这些实验装置均无法对钻柱的运动，特别是实时的改变钻压与钻井角度的钻井活动进行模拟。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架及方法。

根据本发明提供的一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，包括：支承组件、钻压控制组件、驱动组件、钻柱组件、转向组件、底部钻具组件、模拟岩层组件和计算机及控制软件；

驱动组件、钻柱组件、转向组件设置于支撑系统的侧面；所述驱动组件通过钻柱组件与所述底部钻具组件驱动连接，所述钻柱组件穿设在所述转向组件中并转向，所述钻压控制组件与所述驱动组件连接，调节底部钻具组件的末端压力，所述模拟岩层组件与所述底部钻具组件接触配合，所述计算机及控制软件与其他组件电连接。

优选地，所述钻压控制组件包括顶吊电机、连接绳、滑轮组和配重砝码；所述吊顶电机通过穿设在滑轮组上的连接绳与驱动组件相连，通过改变连接绳上的张力大小，可调节驱动组件与钻柱组件的悬重大小，进而实时控制底部钻研的大小，所述配重砝码与连接绳的末端连接。

优选地，所述驱动组件包括驱动电机和直线导轨；所述直线导轨设置在支承组件的侧面，所述驱动电机安装在直线导轨上，且沿直线导轨做升降运动，所述驱动电机的驱动端与所述钻柱组件连接，对钻柱组件进行旋转控制。

优选地，所述钻柱组件包括弹性元件和透明管，所述弹性元件穿设在透明管中间，所述弹性元件为具有纵向弹性与扭转弹性的结构，弹性元件的上端与驱动组件轴连接，而下端则与底部钻具组件轴连接。

优选地，所述转向组件包括转向支架、伸缩推杆和转向软管；

所述转向支架的一端与所述支承组件转动连接，所述伸缩推杆的一端安装在支承组件上，所述伸缩推杆的另一端与所述转向支架转动连接，驱动转向支架在支承组件上转动，所述转向软管安装在所述转向支架上，所述钻柱组件穿设在所述转向软管中。

优选地，所述底部钻具组件包括钻杆、钻头、联轴器、角度传感器和力传感器；

所述钻杆的一端与钻柱组件连接，所述钻杆的另一端通过联轴器与所述钻头连接，所述角度传感器和力传感器用于实时检测钻杆的角度变化和受到的力。

优选地，所述模拟岩层组件设置于底部钻具组件之下并锁紧于导轨之上，包括模拟岩层材料、模拟岩层安装座；所述模拟岩层材料通过所述模拟岩层安装座进行固定。

根据本发明提供的一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验方法，基于上述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，包括以下步骤：

步骤S1：检查所有组件，确保工作状态良好；

步骤S2：启动计算机并运行控制软件，确保系统处于待机状态；

步骤S3：使用钻压控制组件来设定所需的钻压大小；

步骤S4：根据需要调整转向组件，设定钻井的倾斜角度；

步骤S5：选择合适的模拟岩层材料，并固定在模拟岩层安装座上；确保模拟岩层与底部钻具之间的位置准确；

步骤S6：启动驱动组件，使钻柱组件开始旋转；观察并记录底部钻具组件与模拟岩层组件之间的互动；

步骤S7：通过控制钻压控制组件和驱动组件，将在纵向与扭转向叠加控制力与控制力矩，实施钻柱纵-扭耦合振动的主动抑制，并将记录多路控制信号；

步骤S8：实验完毕，关闭设备。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可用于钻柱纵向-扭转耦合振动动力学的研究，可模拟重现并实时测量、记录井底钻具复杂的扭转黏-滑振动、钻头纵向跳起、转速波动、钻压波动、钻杆动态载荷等。

2、本发明可对钻柱的纵向与扭转向实施主动控制。对于纵向控制，可监控悬重拉力变化进行恒定悬重控制，或者通过位移传感器的反馈进行恒定钻进速度控制；对于扭转控制，通过顶部驱动组件的角度传感器可实现简单的恒转速控制，或通过顶部驱动角度传感器以及底部钻具角度传感器角度差值实现恒定钻矩控制。

3、实验台的调节钻井角度功能使得实验更具灵活性和广泛性，能够模拟各种复杂的钻井场景，从而得到更为准确的实验数据。

4、本发明具有较全面的功能，且工作方式与实际钻井系统较为接近。例如采用了电机及滑轮组带动钢丝绳索及滑轮实现纵向升降控制、悬重控制、采用钻头与岩层模拟件实现对井底工况的模拟。特别是其可调节钻井角度的设计，使得本发明可对直井和斜井同时进行模拟。并且本发明不仅可用于钻柱动力学测量与控制的工程技术研究，还能够发挥其演示性实验与教学的用途。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供可调节钻井角度与钻压的钻井振动测量与控制实验台架；

图2为本发明实验台架各零部件的装配爆炸视图；

图3为本发明驱动组件与钻柱组件的局部放大图；

图4为钻杆底部钻具组件与模拟岩层组件的局部放大图；

图5为模拟岩层组件底部的局部放大图。

附图标记说明：

支撑系统100 伸缩推杆502

钻压控制组件200 转向软管503

顶吊电机201 底部钻具组件600

连接绳202 钻杆601

滑轮组203 钻头602

配重砝码204 扶正器603

驱动组件300 联轴器604

驱动电机301 角度传感器605

直线导轨302 力传感器606

钻柱组件400 模拟岩层组件700

弹性元件401 模拟岩层材料701

透明管402 模拟岩层安装座702

转向组件500 信号调理与功率放大器800

转向支架501 计算机及控制软件900

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种用于模拟水平井与斜井的钻井实验台，该实验台结合了动态钻压调节与钻井井斜角度调节功能，能够模拟钻柱的纵向、横向及扭转运动，且具有主动抑振控制的优点。

如图1、图2所示，本发明提供的井斜角可调的钻井杆柱纵-弯-扭耦合动力学实验台架，包括支承系统100、钻压控制组件200、驱动组件300、钻柱组件400、底部钻具组件600、模拟岩层组件700、信号调理与功率放大器800、计算机及控制软件900等设备。

驱动组件300、钻柱组件400、转向组件500设置于支撑系统100的侧面，其中，驱动组件300包括驱动电机301和联轴器302；钻柱组件400包括弹性元件401和透明管402；转向组件500包括转向支架501、伸缩推杆502和转向软管503。

钻压控制组件200位于支撑系统中转向部，包括顶吊电机201、连接绳202、滑轮组203、配重砝码204等。吊顶电机通过滑轮组与驱动组件相连，顶吊电机201通过调整连接绳202的张力大小，可改变作用在驱动组件上的力，从而改变驱动组件与钻柱组件的悬重大小，进而实时控制底部钻压的大小，配重砝码在提高系统稳定性的同时可以增大钻压调节范围。

模拟岩层组件700设置于底部钻具组件600之下并可通过螺栓调节并锁紧于导轨之上，包括模拟岩层材料701、模拟岩层安装座702等。

所述的钻压控制组件200，利用顶吊电机201，连接绳202，经过滑轮组203，进一步与驱动组件产生连接。通过电机，可以实时调整连接绳的张紧度，从而控制钻压的大小。配重砝码204的作用是提高系统的稳定性，同时通过增加配重砝码，可以有效地增大钻压的调节范围。

所述的驱动组件300，如图3所示，驱动组件为安装于直线导轨302上的活动组件，可在直线导轨上上下移动，并由驱动电机301进行驱动。驱动电机301对钻柱组件400进行旋转控制。

所述的钻柱组件400，如图3所示，采用弹性元件401与透明管402组合形式，弹性元件具有纵向弹性与扭转弹性的结构，钻柱组件400的上端与驱动组件轴连接，而下端则与底部钻具组件轴连接。通过透明管402，模拟钻井过程中井壁的作用，并便于观察钻柱的运动状态。

所述的转向组件500由转向支架501、伸缩推杆502和转向软管503组成。伸缩推杆502确保转向稳定性，避免钻井方向发生不必要的偏移。伸缩推杆包括但不限于液压推杆、电动推杆，转向软管包括但不限于橡胶软管、金属波纹管。通过转向支架501与转向软管503的联合作用，实现钻柱的转向功能。

所述的底部钻具组件600，如图4所示，包括钻杆601、钻头602、扶正器603、联轴器604等组成。还配备有角度传感器605和力传感器606，用于实时检测钻杆的角度变化和受到的力。角度传感器为高精度编码器，力传感器为应变花，安装于模拟岩层组件700底部，如图5所示，可记录测量所受的力与力矩。

所述的模拟岩层组件700，如图4图5所示、可通过螺栓松紧手动调节其位置，组件包括模拟岩层材料701、模拟岩层安装座702。模拟岩层几何形状可为直径大于钻头的圆柱体或长方体；模拟岩层材料可为石膏或软质岩石，也可采用多层复合材料模拟井底的不同情况，实现对复杂岩层的模拟。材料强度特性可依据动力学相似推导得到。所述的模拟岩层组件固定于导轨的底部，可通过螺栓松紧手动调节其位置。

所述的信号调理与功率放大器800，其信号调理部分应该具有至少5通道，对应于五个传感器，信号调理部分应具有可驱动角度传感器、位移传感器、拉力传感器的功能，并具有低通滤波、防干扰等功能。对于实验台架中振动主动控制用的功率放大器，需要电机的输出扭矩或转速能快速响应控制信号，驱动电机系统的频响带宽不小于60Hz，建议采用具有直流耦合功能的功率放大器驱动直流减速电机系统的设计方案。

本发明还包括计算机及控制软件900、线缆等，构成完整的通用的钻井振动测量与控制实验台架。

本发明的使用方法与步骤：

(1)设备检查：确保所有的组件，包括支承系统、钻压控制组件、驱动组件、钻柱组件、转向组件、底部钻具组件、模拟岩层组件、信号调理及功率放大器、计算机及控制软件等都处于良好的工作状态。

(2)启动计算机并运行控制软件，确保系统处于待机状态。

(4)调节钻压：使用钻压控制组件来设定所需的钻压大小。

(5)调整钻井角度：根据需要调整转向组件，设定钻井的倾斜角度。

(5)选择合适的模拟岩层材料，如石膏或软质岩石或复合材料，并固定在模拟岩层安装座上。确保模拟岩层与底部钻具之间的位置准确。

(6)激活驱动组件：启动驱动电机，使钻柱组件开始旋转。钻入模拟岩层：观察并记录井底钻具与模拟岩层之间的互动，如钻头纵向跳起、转速波动、钻压波动、钻杆动态载荷等。

(9)如进行钻柱振动控制实验，开启钻柱振动控制功能，钻压控制组件200、驱动组件300在算法的支持下，将在纵向与扭转向叠加控制力与控制力矩，实施钻柱纵-扭耦合振动的主动抑制，并将记录多路控制信号。

(10)实验完毕，在软件中停止系统，关闭，关闭信号调理与功率放大器800及计算机900。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，包括：支承组件、钻压控制组件、驱动组件、钻柱组件、转向组件、底部钻具组件、模拟岩层组件和计算机及控制软件；

驱动组件、钻柱组件、转向组件设置于支撑系统的侧面；所述驱动组件通过钻柱组件与所述底部钻具组件驱动连接，所述钻柱组件穿设在所述转向组件中并转向，所述钻压控制组件与所述驱动组件连接，调节底部钻具组件的末端压力，所述模拟岩层组件与所述底部钻具组件接触配合，所述计算机及控制软件与其他组件电连接。

2.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述钻压控制组件包括顶吊电机、连接绳、滑轮组和配重砝码；所述吊顶电机通过穿设在滑轮组上的连接绳与驱动组件相连，带动驱动组件升降，所述配重砝码与连接绳的末端连接。

3.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述驱动组件包括驱动电机和直线导轨；所述直线导轨设置在支承组件的侧面，所述驱动电机安装在直线导轨上，且沿直线导轨做升降运动，所述驱动电机的驱动端与所述钻柱组件连接，对钻柱组件进行旋转控制。

4.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述钻柱组件包括弹性元件和透明管，所述弹性元件穿设在透明管中间，所述弹性元件为具有纵向弹性与扭转弹性的结构，弹性元件的上端与驱动组件轴连接，而下端则与底部钻具组件轴连接。

5.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述转向组件包括转向支架、伸缩推杆和转向软管；

所述转向支架的一端与所述支承组件转动连接，所述伸缩推杆的一端安装在支承组件上，所述伸缩推杆的另一端与所述转向支架转动连接，驱动转向支架在支承组件上转动，所述转向软管安装在所述转向支架上，所述钻柱组件穿设在所述转向软管中。

6.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述底部钻具组件包括钻杆、钻头、联轴器、角度传感器和力传感器；

所述钻杆的一端与钻柱组件连接，所述钻杆的另一端通过联轴器与所述钻头连接，所述角度传感器和力传感器用于实时检测钻杆的角度变化和受到的力。

7.根据权利要求1所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，所述模拟岩层组件设置于底部钻具组件之下并锁紧于导轨之上，包括模拟岩层材料、模拟岩层安装座；所述模拟岩层材料通过所述模拟岩层安装座进行固定。

8.一种井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验方法，基于权利要求1-7任一项所述的井斜角可调的钻井杆柱纵弯扭耦合动力学实验台架，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：检查所有组件，确保工作状态良好；

步骤S2：启动计算机并运行控制软件，确保系统处于待机状态；

步骤S3：使用钻压控制组件来设定所需的钻压大小；

步骤S4：根据需要调整转向组件，设定钻井的倾斜角度；

步骤S5：选择合适的模拟岩层材料，并固定在模拟岩层安装座上；确保模拟岩层与底部钻具之间的位置准确；

步骤S6：启动驱动组件，使钻柱组件开始旋转；观察并记录底部钻具组件与模拟岩层组件之间的互动；

步骤S7：通过控制钻压控制组件和驱动组件，将在纵向与扭转向叠加控制力与控制力矩，实施钻柱纵-扭耦合振动的主动抑制，并将记录多路控制信号；

步骤S8：实验完毕，关闭设备。