CN204556203U - 一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，该装置包括模拟管柱组合系统、加载系统、振动系统、测量系统和固定系统；模拟管柱组合系统包括模拟管柱和模拟井筒；加载系统包括加载手轮和加载丝杠；振动系统包括可伸缩套筒、模拟激振器和击打挡板；测量系统包括压力和位移传感器、数据处理装置、信号电缆和位移传感器；固定系统包括固定支架、紧固螺栓、定位螺栓、固定件、实验台和开槽底板。本实用新型可用于研究轴向振动工具在不同井眼曲折度、安放位置、振幅以及频率条件下的减摩阻特性及机理，为轴向振动减摩阻井下专用工具的设计和现场应用提供理论依据。
Description
技术领域
本实用新型属于石油钻井管柱力学研究领域，尤其涉及一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置。
背景技术
随着常规油气资源的深入开发以及非常规油气资源的全面开发，大斜度井、水平井、多分支水平井等复杂结构井的数量越来越多。这些井的钻探过程中，尤其是滑动钻进时，由于管柱与井壁接触面大、管柱不旋转等因素，导致管柱与井壁之间的摩阻很大，轴向钻压向下传递存在困难，钻进效率降低。并且随着井眼水平段长度越长，愈加容易出现托压、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。降低摩阻成为实现快速安全钻进和提高水平段延伸能力的首要解决的问题。
理论研究及现场实例应用表明，利用井下振动技术可以有效降低钻井管柱与井壁之间的摩阻，并且轴向振动减小钻柱与井壁摩阻效果最佳。目前投入商业应用的轴向振动减摩阻工具有水力振动减摩器、轴向振荡发生器、井下振动挠性管减摩器等。但是对管柱轴向振动减摩阻规律还缺乏足够的研究。而减摩阻规律研究可为减摩阻工具发挥其最佳效果提供设计支撑。因此，开展管柱振动减摩阻特性研究是非常有必要的。
专利CN203547713U提出了一种管柱振动减摩阻实验装置，模拟工程条件下管柱和井壁之间的摩擦，分析各种频率、振幅、载荷作用对管柱和井壁摩擦力的影响。该装置采用由固井水泥制成的水平圆筒状模拟井筒，选择全尺寸管柱作为测试管柱。该装置模拟过程存在以下缺陷：(1)实验装置的模拟井筒及钻柱长度较短，不足以克服端部效应影响；(2)实验装置的模拟井筒没有考虑井眼曲折度的影响及振动减阻工具安放位置的影响。
因此，以真实工作环境为参照建立钻井管柱的轴向振动减摩阻特性模拟实验装置并开展模拟实验研究，对进一步指导石油钻井管柱轴向振动减摩阻工具的开发和使用具有重要意义。
实用新型内容
为了克服现阶段上述已有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种在实验室条件下可以真实模拟石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性的实验装置，研究轴向振动工具在不同井眼曲折度、安放位置、振幅以及频率条件下的减摩阻特性及机理，为轴向振动减摩阻井下专用工具的设计和现场应用提供理论依据。
本实用新型所采用的技术解决方案是：
一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，包括模拟管柱组合系统、加载系统、振动系统和测量系统；模拟管柱组合系统包括模拟管柱4和模拟井筒5，模拟井筒5套在模拟管柱4的外侧；加载系统包括加载丝杠2和用于控制加载丝杠2运动的加载手轮1，加载丝杠2与模拟管柱4的一端连接；振动系统包括可伸缩套筒11、模拟激振器13和击打挡板14，可伸缩套筒11设置在模拟管柱4的另一端，模拟激振器13和击打挡板14相配合，击打挡板14设置在模拟管柱4上；测量系统包括压力和位移传感器3、数据处理装置9、信号电缆10和位移传感器15，压力和位移传感器3设置在模拟管柱4的两端，位移传感器15设置在击打挡板14的一侧，压力和位移传感器3和位移传感器15分别通过信号电缆10与数据处理装置9连接。
优选的，该实验装置还包括固定系统，所述固定系统包括固定支架6、实验台16和开槽底板17，所述开槽底板17设置在实验台16上，所述固定支架6的底部固定在开槽底板17上；模拟井筒5穿过固定支架6，并通过紧固螺栓7固定。
优选的，所述可伸缩套筒11包括螺纹端27、弹簧28与可伸缩柱体29；螺纹端27与模拟管柱4通过螺纹连接，弹簧28设置在螺纹端27与可伸缩柱体29之间，在可伸缩柱体29的端部设置有固定件12。
优选的，所述模拟激振器13包括电机18、电机轴19、凸轮20、轴承21、连杆22、水平限位套筒23和击打柱24；电机18采用无级调速电机，击打柱24穿过水平限位套筒23，击打柱24的一端通过一轴承21与连杆22的一端活动连接，连杆22的另一端通过另一轴承21与凸轮20活动连接，凸轮20固定在电机轴19上。
优选的，所述模拟井筒5由多根圆形有机玻璃管或金属管通过螺纹连接而成；所述模拟管柱4由多根钢制圆管或ABS塑料圆管通过螺纹连接而成。
优选的，所述模拟激振器13通过磁铁固定在实验台16上。
优选的，所述击打挡板14包括竖向设置的板体，在板体上方水平设置有筒体，所述筒体套在模拟管柱4上，在筒体上还设置有定位螺栓8。
优选的，所述开槽底板17上沿其长度方向平行开设有两条定位槽25，在每条定位槽25的一侧均标注有刻度26。
优选的，在开槽底板17与实验台16之间，和/或开槽底板17与固定支架6之间设置有垫片。
优选的，所述一压力和位移传感器3位于模拟管柱4和加载丝杠2的连接处，压力和位移传感器3与模拟钻柱4在承压面上直接接触；所述另一压力和位移传感器3位于可伸缩柱体29与固定件12相接触的位置处。
本实用新型的有益技术效果是：
(1)本实用新型可用于研究轴向振动工具在不同井眼曲折度、安放位置、振幅以及频率条件下的减摩阻特性及机理，为轴向振动减摩阻井下专用工具的设计和现场应用提供理论依据。
(2)本实用新型模拟管柱组合系统可通过采用不同尺寸的模拟井筒和模拟管柱以实现模拟不同的钻井管柱与井眼组合。
(3)本实用新型加载系统中的加载装置采用手摇式螺升加载装置，该装置由加载手轮和加载丝杠组成，可实现模拟钻压的均匀加载、卸载。
(4)本实用新型振动系统中模拟激振器可通过磁铁固定在试验台的所需位置上；击打挡板可通过定位螺栓固定在模拟管柱的不同位置上以模拟轴向振动减摩阻工具的不同安放位置；通过调节模拟激振器与击打挡板之间的相对距离以模拟轴向振动减摩阻工具的不同振幅。
(5)本实用新型振动系统中，可伸缩套筒包括螺纹端、弹簧与可伸缩柱体，可伸缩柱体与弹簧接触，可进行轴向往复运动；根据实验需要，可更换不同弹性系数的弹簧来调节模拟管柱轴向振动效果。
(6)本实用新型振动系统中，模拟激振器通过电机带动击打柱作往复直线运动，进而产生轴向的周期性激振力；电机转速与击打柱的击打频率有一定的换算关系，通过调节电机转速即可模拟轴向振动减摩阻工具的不同频率。
(7)本实用新型测量系统中的压力和位移传感器在实验过程中可实时感应并测量轴向压力和轴向位移，位移传感器可实时测量击打挡板在振动过程中的位移，并通过信号电缆将数据传递至数据处理装置进行处理。
(8)本实用新型固定系统中的开槽底板上设置有定位槽与刻度尺，根据刻度尺使用螺栓将固定支架固定在开槽底板的不同水平位置上，实现模拟井筒在水平方向上的曲折度；通过在开槽底板上加入不同厚度金属垫片实现模拟井筒在竖直方向上的曲折度。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明：
图1为本实用新型石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置的整体结构示意图。
图2为本实用新型中可伸缩套筒的结构示意图。
图3为本实用新型中模拟激振器的结构示意图。
图4为本实用新型中开槽底板的结构示意图。
图中：1.加载手轮、2.加载丝杠、3.压力和位移传感器、4.模拟管柱、5.模拟井筒、6.固定支架、7.紧固螺栓、8.定位螺栓、9.数据处理装置、10.信号电缆、11.可伸缩套筒、12.固定件、13.模拟激振器、14.击打挡板、15.位移传感器、16.试验台、17.开槽底板、18.电机、19.电机轴、20.凸轮、21.轴承、22.连杆、23.水平限位套筒、24.击打柱、25.定位槽、26.刻度尺、27.螺纹端、28.弹簧、29可伸缩柱体。
具体实施方式
如图1所示，一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，包括模拟管柱组合系统、加载系统、振动系统、测量系统和固定系统。模拟管柱组合系统包括模拟管柱4和模拟井筒5，模拟井筒5套在模拟管柱4的外侧。加载系统采用手摇式螺升加载装置，具体包括加载手轮1和加载丝杠2，加载丝杠2与模拟管柱4的左端连接，加载手轮1用于控制加载丝杠2沿模拟管柱4的轴向前后运动。加载系统可实现模拟钻压的均匀加载、卸载。振动系统包括可伸缩套筒11、模拟激振器13和击打挡板14，可伸缩套筒11设置在模拟管柱4的右端，模拟激振器13和击打挡板14相配合，击打挡板14设置在模拟管柱4上。测量系统包括压力和位移传感器3、数据处理装置9、信号电缆10和位移传感器15。压力和位移传感器3分别设置在模拟管柱4的两端，在实验过程中实时感应并测量模拟管柱的轴向压力和轴向位移。位移传感器15设置在击打挡板14的一侧，用以实时测量击打挡板14在振动过程中的位移。压力和位移传感器3和位移传感器15分别通过信号电缆10与数据处理装置9连接。固定系统包括固定支架6、实验台16和开槽底板17，所述开槽底板17设置在实验台16上，所述固定支架6的底部固定在开槽底板17上。模拟井筒5水平穿过固定支架6，并通过固定支架6上方设置的紧固螺栓7锁紧固定。
作为对本实用新型的进一步改进，如图2所示，所述可伸缩套筒11包括螺纹端27、弹簧28与可伸缩柱体29。螺纹端27与模拟管柱4通过螺纹连接，弹簧28设置在螺纹端27与可伸缩柱体29之间，可伸缩柱体29可进行轴向往复运动。在可伸缩柱体29的端部设置有固定件12，可伸缩柱体29抵住固定件12。
更进一步的，如图3所示，所述模拟激振器13包括电机18、电机轴19、凸轮20、轴承21、连杆22、水平限位套筒23和击打柱24。电机18采用无级调速电机，击打柱24穿过水平限位套筒23，击打柱24的一端通过一轴承21与连杆22的一端活动连接，连杆22的另一端通过另一轴承21与凸轮20活动连接，凸轮20固定在电机轴19上。电机18采用无级调速电机，可实现电机轴19的无级调速；电机18通过电机轴19带动凸轮20做旋转运动，凸轮20通过连杆22带动击打柱24作往复直线运动，进而产生轴向的周期性激振力。电机转速与击打柱24的击打频率有一定的换算关系，通过调节电机转速即可模拟轴向振动减摩阻工具的不同频率。
进一步的，如图4所示，所述开槽底板17上沿其长度方向平行开设有两条定位槽25，在每条定位槽25的外侧均标注有刻度26。根据刻度26使用螺栓将固定支架6固定在开槽底板17的不同水平位置上，实现模拟井筒5在水平方向上的曲折度。在开槽底板17与实验台16之间或者是开槽底板17与固定支架6之间还设置有金属垫片，通过控制金属垫片的厚度以实现模拟井筒5在竖直方向上的曲折度。
上述数据处理装置9由数据采集模块和计算机组成，是信号采集处理中心，承担着信号采集、显示、处理、数据存储等作用。压力和位移传感器3和位移传感器15采集的信号通过信号电缆10进入数据处理中心9的数据采集模块，操作人员利用计算机中的Labview数据采集处理软件收集并存储实验数据。
在上述内容基础上，本实用新型还可进行一些更为具体的设计，具体如下：
上述模拟井筒5由多根圆形有机玻璃管或金属管通过螺纹连接而成；模拟管柱4由多根钢制圆管或ABS塑料圆管通过螺纹连接而成。使用不同尺寸的模拟井筒5和模拟管柱4以实现模拟不同的钻井管柱与井眼组合。上述模拟激振器13通过磁铁固定在实验台16的所需位置上，方便调整。
上述击打挡板14包括竖向设置的板体，在板体上方水平设置有筒体，所述筒体套在模拟管柱4上，在筒体上还设置有定位螺栓8。击打挡板14可通过定位螺栓8固定在模拟管柱4的不同位置上以模拟轴向振动减摩阻工具的不同安放位置；通过调节模拟激振器13与击打挡板14之间的相对距离以模拟轴向振动减摩阻工具的不同振幅。
上述压力和位移传感器3共设置2个，其中一个压力和位移传感器3位于模拟管柱4和加载丝杠2的连接处，压力和位移传感器3与模拟钻柱4在承压面上直接接触。所述另一压力和位移传感器3位于可伸缩柱体29与固定件12相接触的位置处。在实验过程中压力和位移传感器3实时感应并测量模拟管柱的轴向压力和轴向位移。
上述实验装置整体固定在试验台上，在实验过程中还可通过将试验台吊装成与水平面呈一定倾角，以对倾斜井眼条件下的实验情况进行模拟。
上述石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置的实验方法如下：
1)将固定支架6通过紧固螺栓固定在开槽底板17所需位置上，将模拟激振器13通过磁铁固定在试验台16的所需位置上；2)使用定位螺栓8将击打挡板14固定在模拟管柱4上的所需位置，将可伸缩套筒11与模拟管柱4通过螺纹连接，将模拟井筒5套在模拟管柱4外面并将模拟井筒5通过紧固螺栓7固定在固定支架6上；3)通过信号电缆10将压力和位移传感器3、击打挡板处位移传感器15、信号处理装置9包含的信号采集模块和计算机连接；4)通过均匀转动加载手轮1带动加载丝杠2为模拟管柱4均匀加载一定的轴向位移和载荷；5)启动模拟激振器13通过敲击击打挡板14给模拟管柱4施加一定频率的轴向振动；6)采集试验数据，并观察实验现象；7)实验数据采集完毕后，将模拟激振器13停止工作并均匀卸载，卸载速度与加载速度相同；8)卸载完毕后检查模拟管柱4、击打挡板14、可伸缩套筒11是否有损坏，如有损坏则需要更换试件；9)根据需要，重复步骤1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)，直到对不同条件下的模拟管柱轴向振动减摩阻特性进行了对比实验后，停止实验。
Claims (10)
1.一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，其特征在于：包括模拟管柱组合系统、加载系统、振动系统和测量系统；模拟管柱组合系统包括模拟管柱(4)和模拟井筒(5)，模拟井筒(5)套在模拟管柱(4)的外侧；加载系统包括加载丝杠(2)和用于控制加载丝杠(2)运动的加载手轮(1)，加载丝杠(2)与模拟管柱(4)的一端连接；振动系统包括可伸缩套筒(11)、模拟激振器(13)和击打挡板(14)，可伸缩套筒(11)设置在模拟管柱(4)的另一端，模拟激振器(13)和击打挡板(14)相配合，击打挡板(14)设置在模拟管柱(4)上；测量系统包括压力和位移传感器(3)、数据处理装置(9)、信号电缆(10)和位移传感器(15)，压力和位移传感器(3)设置在模拟管柱(4)的两端，位移传感器(15)设置在击打挡板(14)的一侧，压力和位移传感器(3)和位移传感器(15)分别通过信号电缆(10)与数据处理装置(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，其特征在于：该实验装置还包括固定系统，所述固定系统包括固定支架(6)、实验台(16)和开槽底板(17)，所述开槽底板(17)设置在实验台(16)上，所述固定支架(6)的底部固定在开槽底板(17)上；模拟井筒(5)穿过固定支架(6)，并通过紧固螺栓(7)固定。
3.根据权利要求1所述的一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，其特征在于：所述可伸缩套筒(11)包括螺纹端(27)、弹簧(28)与可伸缩柱体(29)；螺纹端(27)与模拟管柱(4)通过螺纹连接，弹簧(28)设置在螺纹端(27)与可伸缩柱体(29)之间，在可伸缩柱体(29)的端部设置有固定件(12)。
4.根据权利要求1所述的一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，其特征在于：所述模拟激振器(13)包括电机(18)、电机轴(19)、凸轮(20)、轴承(21)、连杆(22)、水平限位套筒(23)和击打柱(24)；电机(18)采用无级调速电机，击打柱(24)穿过水平限位套筒(23)，击打柱(24)的一端通过一轴承(21)与连杆(22)的一端活动连接，连杆(22)的另一端通过另一轴承(21)与凸轮(20)活动连接，凸轮(20)固定在电机轴(19)上。
5.根据权利要求1所述的一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，其特征在于：所述模拟井筒(5)由多根圆形有机玻璃管或金属管通过螺纹连接而成；所述模拟管柱(4)由多根钢制圆管或ABS塑料圆管通过螺纹连接而成。
6.根据权利要求2所述的一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，其特征在于：所述模拟激振器(13)通过磁铁固定在实验台(16)上。
7.据权利要求1所述的一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，其特征在于：所述击打挡板(14)包括竖向设置的板体，在板体上方水平设置有筒体，所述筒体套在模拟管柱(4)上，在筒体上还设置有定位螺栓(8)。
8.根据权利要求2所述的一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，其特征在于：所述开槽底板(17)上沿其长度方向平行开设有两条定位槽(25)，在每条定位槽(25)的一侧均标注有刻度(26)。
9.根据权利要求2所述的一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，其特征在于：在开槽底板(17)与实验台(16)之间，和/或开槽底板(17)与固定支架(6)之间设置有垫片。
10.根据权利要求3所述的一种石油钻井管柱轴向振动减摩阻特性室内实验装置，其特征在于：所述一压力和位移传感器(3)位于模拟管柱(4)和加载丝杠(2)的连接处，压力和位移传感器(3)与模拟钻柱(4)在承压面上直接接触；所述另一压力和位移传感器(3)位于可伸缩柱体(29)与固定件(12)相接触的位置处。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20150812 Termination date: 20180210 |