CN202520301U - 水平井钻柱动力学仿真实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种水平井钻柱动力学仿真实验装置。主要解决现有的实验装置不能进行水平井钻柱动力学分析的问题。其特征在于：工作板上固定带有测试装置的杆柱单元，杆柱单元由连接法兰、扭矩传感器、外筒、压杆、内外介质循环接头、压力传感器以及激振器连接后构成；其中，外筒为透明的有机玻璃管，压杆为可旋转的无缝钢管，压杆位于外筒内，二者之间有环空；由入口泵经过压杆转矩电机的空心轴、压杆的内腔、内外介质循环接头中的液流通道、压杆与外筒之间的环空、出口泵至水箱构成钻井液的流动通道。本种实验装置既能对水平井钻柱进行动力学仿真，又能对斜式井钻柱进行动力学仿真，弥补了现有技术中的空白。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种应用于石油钻采设备技术领域中的研究水平钻柱动力学特性的综合实验装置。
背景技术
水平井工程是近年发展起来的一项新技术，是实现“稀井高产”的重要手段，在低压、低渗、薄油藏稠油藏及常规技术难以取得经济效益的油田的开发上发挥了重要作用。目前，国内外许多学者和专家对水平井进行了大量的静力学分析。尽管钻柱静力分析有助于较好地控制钻井过程和实现井眼轨迹预测，但实际的钻井过程是个动态过程，钻柱受力随时间的变化而变化。在复杂的边界条件下，钻柱产生纵、横、扭三维耦合振动，这不仅降低了钻进速度，引起钻柱的磨损及疲劳破坏，也使井眼轨迹更加难以控制。为了更好地了解和掌握水平井钻柱的运动状态，便于科学预测井眼轨迹和揭示钻柱失效的动力学机理，需要进行水平井钻柱动力学分析。但是，现有的实验设备却不能进行上述分析和实验工作。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本实用新型提供一种水平井钻柱动力学仿真实验装置，该种实验装置既能对水平井钻柱进行动力学仿真，又能对斜式井钻柱进行动力学仿真，弥补了现有技术中的空白。
本实用新型的技术方案是：该种水平井钻柱动力学仿真实验装置，包括工作板、齿轮齿条钻机虚拟样机、入口泵、出口泵、水箱以及底座，齿轮齿条钻机虚拟样机固定于工作板上表面，工作板下表面与底座之间通过液压缸连接，工作板与底座的侧边通过销轴铰接；其独特之处在于：所述工作板上固定有一个带有测试装置的杆柱单元，其中，所述杆柱单元由连接法兰、扭矩传感器、外筒、压杆、内外介质循环接头、压力传感器以及激振器连接后构成 。其中，外筒为透明的有机玻璃管，压杆为可旋转的无缝钢管，压杆位于外筒内，二者之间有环空；所述测试装置由位移传感器、压电式力传感器、阀杆、阀头以及测试装置外筒连接后组成；测试装置外筒固定于外筒上，与外筒的垂直方向呈10度夹角，位移传感器亦固定于外筒上，位移传感器的探头与阀杆始终保持接触；压电式力传感器位于测试装置的末端，其触头紧贴阀杆，所述阀头与阀杆做固定联结，阀头在弹簧回复力的作用下始终与压杆保持接触；所述测试装置间隔分布于外筒上的三个等距的测试点上；
所述内外介质循环接头由接头外壳、接头内圈和接头旋体组成； 接头外壳约束于固定支架上，可沿轴向相对滑动，与外筒柔性连接，接头内圈上开有作为钻井液循环通道的三个溢水槽，接头旋体的下端有六个钻井液的循环通道；
所述齿轮齿条钻机虚拟样机上的压杆转矩电机通过连接法兰与扭矩传感器刚性连接，提供压杆转矩；扭矩传感器的另一端与压杆的上端也通过法兰做刚性连接，所述压杆的左端通过内外介质循环接头和外筒的下端相连，压力传感器的两端分别与激振器和内外介质循环接头相连接；所述压杆转矩电机为空心轴电机，所述内外介质循环接头的外壳与外筒的连接为柔性连接；
由所述入口泵经过压杆转矩电机的空心轴、压杆的内腔、内外介质循环接头中的液流通道、压杆与外筒之间的环空、出口泵至水箱构成钻井液的流动通道。
本实用新型具有如下有益效果：该种实验装置设有外筒、压杆、虚拟样机、扭矩传感器、位移传感器、压力传感器、内外介质循环接头、激振器、液压缸以及配合工作的多路数据采集系统、计算机、信号发生器、功率放大器等。虚拟样机固定于工作板上表面，工作板下表面与底座通过液压缸连接，工作板与底座下端通过销轴铰接。虚拟样机装有三个电机，一个提供转矩，通过连接法兰和扭矩传感器，与压杆固联在一起；其余两电机对称布置，分别与一个驱动齿轮相连，通过齿轮齿条的啮合传动，为压杆提供钻压。内外介质循环接头的接头外壳与外筒相连，接头旋体与压杆固联，随压杆一起转动，接头外壳约束于固定支架上，可沿轴向相对滑动。压力传感器两端分别与激振器和压杆下端相连。外筒上设有等距的三个测试点上，其间距为1000mm，测试装置固定于三个测试点上；工作状态下，测试系统将所测得数据通过功率放大器放大，再经过数据采集装置传输给计算机。
应用时，内外介质循环接头外壳与外筒的连接为柔性连接，工作状态下无冲击，且具有较好的密封性。与传统的钻杆动力学分析系统相比，本装置工作板与底座下端铰接，上端通过一对对称布置的液压缸相互连接，因此既可实现水平井钻柱动力学仿真，又可实现斜式井钻柱动力学仿真；同时，在钻杆上依次设置三个等距的测试点，可对钻杆在工作状态下的动态特性进行较为全面的测试及分析。整个装置结构简单，体积小，明显降低了制造安装成本；并且，系统操作简便，安全，动力消耗小，节省能源。
附图说明：
图1为本装置的结构示意图。
图2为本装置应用于斜式井进行钻杆动力学分析的结构示意图。
图3为齿轮齿条钻机虚拟样机的结构示意图。
图4为本实用新型所述测试装置的结构示意图。
图5为本实用新型所述内外介质循环接头的结构示意图。
图中1-压杆转矩电机，2-连接法兰，3-扭矩传感器，4-外筒，5-压杆，6-测试装置，7-内外介质循环接头，8-压力传感器， 9-激振器，10-液压缸，11-位移传感器，12-压电式力传感器， 13-阀杆， 14-阀头，15-接头外壳，16-接头内圈，17-接头旋体。
具体实施方式：
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
由图1至图3所示，该种水平井钻柱动力学仿真实验装置，包括工作板、齿轮齿条钻机虚拟样机、入口泵、出口泵、水箱以及底座，齿轮齿条钻机虚拟样机固定于工作板上表面，工作板下表面与底座之间通过液压缸10连接，工作板与底座的侧边通过销轴铰接；其独特之处在于：所述工作板上固定有一个带有测试装置6的杆柱单元，其中，所述杆柱单元由连接法兰2、扭矩传感器3、外筒4、压杆5、内外介质循环接头7、压力传感器8以及激振器9连接后构成 ；其中，外筒4为透明的有机玻璃管，压杆5为可旋转的无缝钢管，压杆5位于外筒4内，二者之间有环空。
所述测试装置6的结构如图4所示，由位移传感器11、压电式力传感器12、阀杆13、阀头14以及测试装置外筒连接后组成；测试装置外筒固定于外筒4上，与外筒4的垂直方向呈10度夹角，位移传感器11亦固定于外筒4上，位移传感器的探头与阀杆13始终保持接触；压电式力传感器12位于测试装置的末端，其触头紧贴阀杆13，所述阀头14与阀杆13做固定联结，阀头14在弹簧回复力的作用下始终与压杆5保持接触；所述测试装置6间隔分布于外筒4上的三个等距的测试点上；
所述内外介质循环接头7的结构如图5所示，由接头外壳15、接头内圈16和接头旋体17组成； 接头外壳15约束于固定支架上，可沿轴向相对滑动，与外筒4柔性连接，接头内圈16上开有作为钻井液循环通道的三个溢水槽，接头旋体17的下端有六个钻井液的循环通道；
所述齿轮齿条钻机虚拟样机上的压杆转矩电机1通过连接法兰2与扭矩传感器3刚性连接，提供压杆转矩；扭矩传感器3的另一端与压杆5的上端也通过法兰做刚性连接，所述压杆5的左端通过内外介质循环接头7和外筒7的下端相连，压力传感器8的两端分别与激振器9和内外介质循环接头7相连接；所述压杆转矩电机1为空心轴电机，所述内外介质循环接头的外壳15与外筒4的连接为柔性连接；
由所述入口泵经过压杆转矩电机的空心轴、压杆5的内腔、内外介质循环接头7中的液流通道、压杆5与外筒4之间的环空、出口泵至水箱构成钻井液的流动通道。
图2为本装置应用于斜式井进行钻杆动力学分析的结构示意图，通过对称布置的液压缸10活塞的伸缩，可实现斜式井钻柱动力学的仿真。
如图3所示，为齿轮齿条钻机虚拟样机的模型图，该虚拟样机主要由顶驱系统、齿轮齿条啮合的传动系统和井架组成。两排齿条固定在井架中部；顶驱上配有三个电机，上端是空心轴电机，通过连接法兰、扭矩传感器与压杆固联在一起，提供压杆所需转矩，其余两个电机是普通三相异步电机，分居两侧，对称布置，两电机分别与驱动齿轮相连，通过齿轮齿条的啮合传动，为压杆提供钻压。
在进行钻杆动力学仿真时，模拟钻井液通过入口泵的作用，通过空心轴电机进入到压杆内腔，经过内外介质循环接头，进入到压杆外壁与外筒内壁间的环空间隙，最后再通过出口泵回到水箱。工作过程中，模拟钻井液压力值可通过压力表测得。虚拟样机顶驱系统的空心轴电机由变频器进行无级变速，可进行不同转速的旋转运动，其扭矩大小可通过扭矩传感器进行测量；其余两个对称布置的三相异步电机分别与一个驱动齿轮相连，通过齿轮齿条的啮合传动，带动顶驱运动，从而为压杆提供钻压；下端加载系统装有激振器、压力传感器等部件，压杆旋转时，激振器产生轴向振动，响应信号发生器作为激励源，可以模拟轴向力的施加，通过压力传感器来监测轴向力的大小；测量系统采用接触式测试装置，当压杆旋转时，阀头随着运动，阀杆也随之运动，继而推动位移传感器探头纵向移动，将横向位移转为纵向位移进行测量；阀杆同时压缩弹簧，触动测试装置尾部的压电式力传感器，从而测出横向推力的大小，所测数据通过数据采集器传输给计算机。
Claims (1)
1.一种水平井钻柱动力学仿真实验装置，包括工作板、齿轮齿条钻机虚拟样机、入口泵、出口泵、水箱以及底座，齿轮齿条钻机虚拟样机固定于工作板上表面，工作板下表面与底座之间通过液压缸（10）连接，工作板与底座的侧边通过销轴铰接；其特征在于：所述工作板上固定有一个带有测试装置（6）的杆柱单元，其中，所述杆柱单元由连接法兰（2）、扭矩传感器（3）、外筒（4）、压杆（5）、内外介质循环接头（7）、压力传感器（8）以及激振器（9）连接后构成 ；其中，外筒（4）为透明的有机玻璃管，压杆（5）为可旋转的无缝钢管，压杆（5）位于外筒（4）内，二者之间有环空；
所述测试装置（6）由位移传感器（11）、压电式力传感器（12）、阀杆（13）、阀头（14）以及测试装置外筒连接后组成；测试装置外筒固定于外筒（4）上，与外筒（4）的垂直方向呈10度夹角，位移传感器（11）亦固定于外筒（4）上，位移传感器的探头与阀杆（13）始终保持接触；压电式力传感器（12）位于测试装置的末端，其触头紧贴阀杆（13），所述阀头（14）与阀杆（13）做固定联结，阀头（14）在弹簧回复力的作用下始终与压杆（5）保持接触；所述测试装置（6）间隔分布于外筒（4）上的三个等距的测试点上；
所述内外介质循环接头（7）由接头外壳（15）、接头内圈（16）和接头旋体（17）组成； 接头外壳（15）约束于固定支架上，可沿轴向相对滑动，与外筒（4）柔性连接，接头内圈（16）上开有作为钻井液循环通道的三个溢水槽，接头旋体（17）的下端有六个钻井液的循环通道；
所述齿轮齿条钻机虚拟样机上的压杆转矩电机（1）通过连接法兰（2）与扭矩传感器（3）刚性连接，提供压杆转矩；扭矩传感器（3）的另一端与压杆（5）的上端也通过法兰做刚性连接，所述压杆（5）的左端通过内外介质循环接头（7）和外筒（4）的下端相连，压力传感器（8）的两端分别与激振器（9）和内外介质循环接头（7）相连接；所述压杆转矩电机（1）为空心轴电机，所述内外介质循环接头的外壳（15）与外筒（4）的连接为柔性连接；
由所述入口泵经过压杆转矩电机的空心轴、压杆（5）的内腔、内外介质循环接头（7）中的液流通道、压杆（5）与外筒（4）之间的环空、出口泵至水箱构成钻井液的流动通道。
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