CN203547713U - 管柱振动减摩阻实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种管柱振动减摩阻实验装置，包括：水平放置的模拟井筒、水平放置在所述模拟井筒内的测试管柱、向所述模拟井筒输送钻井液的钻井液供给系统、设置在所述测试管柱一端且向所述测试管柱施加拉力的模拟钻压装置以及设置在所述测试管柱另一端且向所述测试管柱施加水平方向振动载荷的振动源，在所述测试管柱的两端均安装有动态载荷传感器和位移传感器。该实验装置能够模拟工程实际情况，分析各种频率、振幅、载荷作用对管柱和井壁摩擦力的影响，为振动类井下专用工具的设计和现场应用提供理论依据和指导。

Description

管柱振动减摩阻实验装置

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻井钻具领域，特别是涉及一种管柱振动减摩阻实验装置。 

背景技术

随着各大油田开发的逐渐深入，大斜度井、水平井、多分支水平井等复杂结构井数量越来越多。然而由于复杂结构井井斜较大，造成了钻柱和井壁之间摩擦阻力较大，导致钻压传递过程中损耗变大，钻进效率降低。井眼水平段长度越长，就越容易出现托压、粘滑、丢失工具面等现象，限制了钻进速度并制约了水平段长度的延伸。因此如何减小摩阻、实现快速钻进和提高水平段长度成为业界关注的焦点。 

近年来出现了一些井下专用工具，通过将钻井流体的能量转换为机械动能，为井下管柱施加一定频率的低振幅轴向振动，利用振动减摩的原理，减小摩擦，降低了钻压在传递过程中的损耗，有效地提高了钻进效率。 

但是在振动状态下，井下专用工具在水平段井眼受力情况复杂，影响因素较多，所以工具的关键设计参数如：输出载荷、频率、安放位置等难以确定。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种管柱振动减摩阻实验装置，其能够模拟工 程条件下管柱和井壁之间的摩擦，为振动类井下专用工具的设计和现场应用提供理论依据和指导。 

为此，本实用新型的技术方案如下： 

一种管柱振动减摩阻实验装置，包括：水平放置的模拟井筒、水平放置在所述模拟井筒内的测试管柱、向所述模拟井筒输送钻井液的钻井液供给系统、设置在所述测试管柱一端且向所述测试管柱施加拉力的模拟钻压装置以及设置在所述测试管柱另一端且向所述测试管柱施加水平方向振动载荷的振动源，在所述测试管柱的两端均安装有动态载荷传感器和位移传感器。 

所述钻井液供给系统由管线、泵和储液槽组成，所述管线的两端分别与所述模拟井筒两端连通。 

所述模拟钻压装置包括定滑轮和悬挂在该定滑轮上的重物，牵引该重物（7）的绳索绕过定滑轮后水平固定在测试管柱的端部。 

所述振动源为电动振动发生器，在电动振动发生器的底部装有滚轮。 

所述振动源包括通过管线连接的水力振荡器、水力泵和储液罐，水力振荡器和水力泵之间通过高压软管连接，所述水力振荡器的底部装有滚轮。 

所述模拟井筒为半圆筒形，开口向上，便于观察。 

所述模拟井筒也可以是圆筒状，在其上部设置有1-2个观测窗口。 

本实用新型所述实验装置模拟工程实际情况，能够分析各种频率、振幅、载荷作用对管柱和井壁摩擦力的影响，因此其所测结果对工程设计有很大的参考价值，为振动类井下专用工具的设计和现场应用提供理论依据和指导。 

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的结构示意图； 

图2为本实用新型第二实施例的结构示意图。 

其中： 

1：测试管柱，2：模拟井筒，3：振动源，4：泵，5：管线，6：滑轮，7：重物，8：滚轮，9：动态载荷传感器，10：位移传感器，11：储液槽，12：水力振荡器，13：泵，14：储液槽。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的结构进行详细说明。 

实施例一 

如图1所示，该装置包括：水平放置的模拟井筒2、水平放置在模拟井筒2内的测试管柱1、向模拟井筒2输送钻井液的钻井液供给系统、设置在测试管柱1一端且向测试管柱1施加拉力的模拟钻压装置以及设置在测试管柱1另一端且向测试管柱1施加水平方向振动载荷的振动源，在测试管柱1的两端均安装有动态载荷传感器9和位移传感器10。 

模拟井筒2固定在水平地面，为了便于观察，模拟井筒一般为半圆筒状；模拟井筒2也可以是圆筒状，在圆筒上部设置1到2个观测窗口。模拟井筒2可以由固井水泥制成，也可以由钢材或其它合适材料制成。 

具体地说，所述钻井液供给系统由管线5、泵4和储液槽11组成，管线5的两端分别与模拟井筒2两端连通。可根据实际情况，通过泵将储液槽中钻井液泵入模拟井筒中，用以模拟存在钻井流体时测试管柱和井壁之间的摩擦。 

模拟管柱2的左端通过钢绳连接模拟钻压装置，用于模拟水平井段管柱所 受钻压。模拟钻压装置包括定滑轮6和悬挂在该定滑轮6上的重物7，牵引该重物7的绳索绕过定滑轮6后水平固定在测试管柱1的端部。重物7由于自身重力会对测试管柱1产生一个水平向左的轴向拉力，这个拉力的大小可以通过调节重物7的质量来进行调节。 

模拟管柱2的右端通过钢绳连接振动源3，振动源为电动振动发生器3，在电动振动发生器3的底部装有滚轮8a，可以自由地做水平运动，其作用是向测试管柱施加一个水平轴向振动力。 

实施例二 

图2所示为本实用新型的第二个实施方式的示意图。其与实施例1不同之处在于，在本实施例中，振动源为真实的井下振动减摩工具。具体地说，所述振动源包括通过管线连接的水力振荡器12、水力泵13和储液罐14，水力振荡器12的底部装有滚轮8b。水力振荡器需要钻井流体为其产生动力，因此在水力振荡器的右侧通过高压软管连接到泵13上。 

可以利用上述结构进行全尺寸模拟实验，因此所得实验数据更具说服力。 

进行测试时，先测试振动源3不工作时，测试管柱1和模拟井筒2之间的摩擦力大小。通过调节重物7的大小，可以得出刚好能够拉动测试管柱1所需的重力，这就是静摩擦力的大小。然后，振动源3接通电源，产生一定频率、振幅的水平轴向振动，振动激励通过钢绳传递给测试管柱1。同时，钻井液供给系统工作，泵4向模拟井筒2中泵入钻井液，用以模拟存在钻井流体条件下的管柱和井壁之间的摩擦。由于重物7对测试管柱1产生一个水平向左的拉力，因此在存在轴向振动激励的情况下，测试管柱1会振动着缓慢向左移动。动态载荷传感器9实时记录测试管柱两端的载荷大小，输出到计算机中，用于计算 动态摩擦力。位移传感器10实时记录测试管柱两端的位移大小，输出到计算机中，用于观察振动的传递情况和测试管柱的运动情况。 

通过比较振动源3工作和不工作时的摩擦力的大小，可以分析计算出特定频率和振幅的轴向振动对测试管柱1和模拟井筒2之间摩擦力的影响，为振动类井下专用工具的设计和现场应用提供理论依据和指导。 

本发明的实验装置，其使用的振动源可以是真实的井下专用工具，也可以是电机带动的模拟振动源，用重物模拟水平段管柱所受到的钻压。动态载荷传感器可实时记录所测管柱两端轴向载荷的大小；位移传感器可得出时间为函数下该测试管柱的位移曲线；泵可向套管中循环注入钻井流体，模拟真实工况下的摩擦条件。由于该实验装置的设计与工程实际十分接近，因此使用该装置所测结果对工程设计有很大的参考价值，为振动类井下专用工具的设计和现场应用提供理论依据和指导。 

所用测试管柱可根据实验目的选择不同型号的石油井下管柱，如钻柱、钻铤、连续油管、油管等，也可以是两种管柱的组合。 

Claims (7)

1.一种管柱振动减摩阻实验装置，其特征在于：包括水平放置的模拟井筒（2）、水平放置在所述模拟井筒（2）内的测试管柱（1）、向所述模拟井筒（2）输送钻井液的钻井液供给系统、设置在所述测试管柱（1）一端且向所述测试管柱（1）施加拉力的模拟钻压装置以及设置在所述测试管柱（1）另一端且向所述测试管柱（1）施加水平方向振动载荷的振动源，在所述测试管柱（1）的两端均安装有动态载荷传感器（9）和位移传感器（10）。

2.根据权利要求1所述的管柱振动减摩阻实验装置，其特征在于：所述钻井液供给系统由管线（5）、泵（4）和储液槽（11）组成，所述管线（5）的两端分别与所述模拟井筒（2）两端连通。

3.根据权利要求1所述的管柱振动减摩阻实验装置，其特征在于：所述模拟钻压装置包括定滑轮（6）和悬挂在该定滑轮（6）上的重物（7），牵引该重物（7）的绳索绕过定滑轮（6）后水平固定在测试管柱（1）的端部。

4.根据权利要求1所述的管柱振动减摩阻实验装置，其特征在于：所述振动源为电动振动发生器（3），在电动振动发生器（3）的底部装有滚轮（8a）。

5.根据权利要求1所述的管柱振动减摩阻实验装置，其特征在于：所述振动源包括通过管线连接的水力振荡器（12）、水力泵（13）和储液罐（14），水力振荡器（12）和水力泵（13）之间通过高压软管连接，所述水力振荡器（12）的底部装有滚轮（8b）。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的管柱振动减摩阻实验装置，其特征在于：所述模拟井筒（2）为半圆筒形。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的管柱振动减摩阻实验装置，其特征在于：所述模拟井筒（2）为圆筒状，在其上部设置有1-2个观测窗口。

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