專利名稱：一種模擬底部鉆具組合力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于管柱力學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于模擬底部鉆具組合力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置，還涉及應(yīng)用該試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，用于對(duì)模擬鉆頭在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中的軸向力、側(cè)向力、轉(zhuǎn)角及鉆柱不同位置的徑向運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)量。
背景技術(shù)：
在石油勘探與開發(fā)過程中，鉆井是必不可少的基本環(huán)節(jié)，具有資金和技術(shù)密集型特征。鉆柱力學(xué)特性研究是現(xiàn)代鉆井工程理論和技術(shù)的重要組成部分。隨著鉆井技術(shù)向高溫高壓井、深井超深井、特殊工藝井(包括定向井、水平井、大位移井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、叢式井、欠平衡鉆井及套管鉆井等)等方向發(fā)展，對(duì)管柱力學(xué)特別是底部鉆具組合(Bottom-HoleAssembly，簡(jiǎn)稱BHA)力學(xué)性能的研究提出了更高的要求，以期進(jìn)一步掌握底部鉆具組合防斜打快的機(jī)理。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)底部鉆具組合的力學(xué)問題進(jìn)行了大量理論研究，并通過建立理想模型和理論計(jì)算，取得了很多成果。比如，自1950年A. Lubinski較系統(tǒng)、全面地研究了豎直井中鉆柱的受力與變形，開創(chuàng)了鉆柱力學(xué)研究的新局面之后，先后出現(xiàn)了 B. H. Walker的能量法、W. B. Bradley和F. J. Fischer的差分法、白家祉的縱橫彎曲法、K. K. Millheim的有限元法、高德利的加權(quán)余量法、狄勤豐的預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)防斜打快鉆具組合動(dòng)力學(xué)模型等，但僅從理論角度了解并分析底部鉆柱的力學(xué)特性是不全面的。隨著隨鉆測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外已分別利用電纜傳輸、井下存儲(chǔ)進(jìn)行基于底部鉆柱動(dòng)力學(xué)模型的井下實(shí)測(cè)和室內(nèi)模擬測(cè)量等方法，取得有了較大發(fā)展。目前一些機(jī)構(gòu)主要研制井下工具短節(jié)，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲取井下底部鉆具組合力學(xué)特性方面的相關(guān)數(shù)據(jù)。專利US4324297和US4445578分別設(shè)計(jì)了測(cè)量彎矩、剪切力的測(cè)試短節(jié)結(jié)構(gòu)，由檢測(cè)的測(cè)量數(shù)據(jù)推導(dǎo)側(cè)向力，但這些有限的參數(shù)不能充分反映底部鉆具的力學(xué)特性。專利US4662458和US4958517提出在測(cè)試短節(jié)上布置應(yīng)變片以實(shí)現(xiàn)底部鉆具的軸向力、扭矩、剪切力及彎矩等參數(shù)的測(cè)量，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)面臨實(shí)現(xiàn)難度大、測(cè)試費(fèi)用高等，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的次數(shù)、場(chǎng)地和時(shí)間是有限制的，所以實(shí)測(cè)結(jié)果不能全面反映底部鉆具組合的力學(xué)特性。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)存在以上問題，地面測(cè)量作為分析底部鉆具組合的力學(xué)特性的研究手段逐漸成為研究熱點(diǎn)之一。2001年Macpherson等人分別在鉆頭上部和輪盤上部的測(cè)試短節(jié)內(nèi)安裝傳感器進(jìn)行鉆壓、扭矩、彎矩及振動(dòng)加速度等參數(shù)的地面測(cè)量，結(jié)合建立的鉆柱動(dòng)態(tài)模型由地面測(cè)量結(jié)果估算底部鉆具動(dòng)態(tài)特性。2004年管志川等人建立了直井底部鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的試驗(yàn)裝置(參見管志川，靳彥欣，王以法.直井底部鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào).2003，24(6) :102-106.)。該裝置選用有機(jī)玻璃管作為模擬井筒，利用工程塑料棒作為模擬底部鉆柱，為測(cè)量底部鉆柱在不同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在該模擬裝置上分別裝有鉆壓和位移傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量模擬底部鉆柱的轉(zhuǎn)速和鉆壓。但該試驗(yàn)裝置的模擬底部鉆柱與實(shí)際鋼制鉆具存在差別，且不能進(jìn)行各種井斜角下的對(duì)比試驗(yàn)。2008年，中國(guó)專利200810239189. 4提出了模擬底部鉆柱動(dòng)態(tài)力的測(cè)量系統(tǒng)，但僅對(duì)鉆桿和穩(wěn)定器進(jìn)行了模擬而沒有模擬鉆頭，并且將近鉆頭端進(jìn)行了固支，與實(shí)際鉆井過程中鉆頭屬于鉸支的實(shí)際情況不符。地面測(cè)量無需考慮井下的多種復(fù)雜條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，但該方法需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的邊界條件進(jìn)行準(zhǔn)確合適的處理。因此，為深入研究底部鉆具組合力學(xué)特性，有必要進(jìn)一步開展底部鉆具組合力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)研究，從而可進(jìn)一步改進(jìn)底部鉆具組合的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步掌握底部鉆具組合防斜打快的機(jī)理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)階段上述已有技術(shù)存在的問題及不足，提供一種用于模擬底部鉆具組合力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，研究不同底部鉆具組合在不同鉆壓、轉(zhuǎn)速、井斜角時(shí)的力學(xué)特性及渦動(dòng)規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)底部鉆具組合的選取和應(yīng)用提供依據(jù)。本發(fā)明提供了一種用于底部鉆具組合力學(xué)特性模擬的試驗(yàn)裝置，其特征在于，該裝置包括模擬底部鉆具組合系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、提升系統(tǒng)；模擬底部鉆具組合系統(tǒng)由模擬井筒16、模擬鉆鋌17、模擬穩(wěn)定器18、模擬鉆頭24組成；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)11、液壓馬達(dá)12組成；控制系統(tǒng)由測(cè)控儀13、工控機(jī)14組成；測(cè)量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)19、信號(hào)采集模塊20、電渦流位移傳感器21、信號(hào)電纜22、測(cè)力裝置23組成；提升系統(tǒng)由接頭5、滑塊6、電動(dòng)機(jī)7、試驗(yàn)架8、滑輪9、鋼纜10組成。本發(fā)明還提出使用該模擬底部鉆具組合力學(xué)特性試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包含以下步驟I)將模擬鉆鋌17和模擬鉆頭24通過螺紋連接，將模擬穩(wěn)定器18通過沉孔螺栓安裝在模擬鉆鋌17上形成模擬鉆柱，將模擬井筒16套在模擬鉆柱外面并將模擬井筒16安裝在可調(diào)支座15上夾緊；2)通過信號(hào)電纜22將計(jì)算機(jī)19、信號(hào)采集模塊20包含的電壓采集器和應(yīng)變采集器、電渦流位移傳感器21、測(cè)力裝置23包含的拉壓傳感器和側(cè)向力傳感器連接；3)啟動(dòng)提升系統(tǒng)將試驗(yàn)臺(tái)4提升至需要的井斜角；4)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，打開測(cè)控儀13，通過測(cè)控儀13發(fā)動(dòng)電動(dòng)機(jī)11并控制液壓馬達(dá)將油源加壓至所需壓力；5)啟動(dòng)控制系統(tǒng)，打開工控機(jī)14，通過控制軟件為模擬鉆鋌17加載合適的轉(zhuǎn)速；通過測(cè)控儀13為模擬鉆鋌17加載一定的軸向位移；6)根據(jù)試驗(yàn)要求，初始化各個(gè)數(shù)據(jù)采集器；7)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并觀察試驗(yàn)現(xiàn)象；8)在模擬鉆鋌17旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間后卸載，卸載速度與加載速度相同；9)卸載完畢檢查模擬鉆鋌17的變形情況，觀察是否發(fā)生塑性變形，如已經(jīng)發(fā)生塑性變形，則需要更換試件；10)根據(jù)需要，重復(fù)步驟1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)、9)，直到對(duì)不同條件下的模擬底部鉆具組合進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)后，停止試驗(yàn)。


圖1為本發(fā)明的模擬底部鉆具組合力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明的模擬底部鉆具組合系統(tǒng)的裝配示意圖；其中(a)為模擬底部鉆具組合系統(tǒng)的裝配示意圖，(b)為(a)圖的A_A向剖面圖。圖3為本發(fā)明的電渦流位移傳感器安裝支座的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的電渦流位移傳感器的使用流程圖。圖5為本發(fā)明的測(cè)力裝置裝配圖。圖6為本發(fā)明的測(cè)力裝置的使用流程圖。圖中1.擋板、2.軌道、3.滾輪、4.試驗(yàn)臺(tái)、5.接頭、6.滑塊、7.電動(dòng)機(jī)、8.試驗(yàn)架、9.滑輪、10.鋼纜、11.電動(dòng)機(jī)、12.液壓馬達(dá)、13.測(cè)控儀、14.工控機(jī)、15.可調(diào)支座、16.模擬井筒、17.模擬鉆鋌、18.模擬穩(wěn)定器、19.計(jì)算機(jī)、20.信號(hào)采集模塊、21.電渦流位移傳感器、22.信號(hào)電纜、23.測(cè)力裝置、24.模擬鉆頭、25.固定端、26.沉孔螺栓、27.支座、28.螺栓、29.豎向安裝支座、30.螺栓、31.橫向安裝支座、32.安裝座、33.側(cè)向力傳感器、34.應(yīng)變片、35.彈性片、36.拉壓傳感器壓桿、37.緊固螺栓、38.緊固螺母、39.拉壓傳感器、40.底座。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及了一種模擬底部鉆具組合力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。如圖1所示，本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置包括模擬底部鉆具組合系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、提升系統(tǒng)；模擬底部鉆具組合系統(tǒng)由模擬井筒16、模擬鉆鋌17、模擬穩(wěn)定器18、模擬鉆頭24組成；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)11、液壓馬達(dá)12組成；控制系統(tǒng)由測(cè)控儀13、工控機(jī)14組成；測(cè)量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)19、信號(hào)采集模塊20、電渦流位移傳感器21、信號(hào)電纜22、測(cè)力裝置23組成；提升系統(tǒng)由接頭5、滑塊6、電動(dòng)機(jī)7、試驗(yàn)架8、滑輪9、鋼纜10組成。如圖2所示，在模擬底部鉆具組合系統(tǒng)中，模擬井筒16由玻璃管或金屬管制成；模擬鉆鋌17為鋼制圓管；模擬穩(wěn)定器18為鋼制圓管，其內(nèi)徑與模擬鉆鋌17外徑相等，其外徑不等以模擬不同直徑的穩(wěn)定器；在模擬穩(wěn)定器18上加工若干螺孔，用沉孔螺栓26固緊模擬鉆鋌17和模擬穩(wěn)定器18，通過滑動(dòng)調(diào)節(jié)模擬穩(wěn)定器18的位置以模擬不同的底部鉆具組合；模擬鉆頭24為螺桿和直徑一定的鋼制圓球組成，模擬鉆鋌17和模擬鉆頭24通過螺紋連接。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)11為交流伺服電機(jī)，可以進(jìn)行無級(jí)變速，為模擬鉆鋌17提供轉(zhuǎn)速；液壓馬達(dá)12采用高壓油源驅(qū)動(dòng)，可以軸向驅(qū)動(dòng)模擬鉆鋌17，提供軸向位移。在控制系統(tǒng)中，測(cè)控儀13采用美國(guó)MTS (全稱Mechanical Testing&Simulation)公司407電液伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模擬鉆鋌17軸向力的動(dòng)靜態(tài)加載控制；工控機(jī)14安裝控制軟件，可以控制模擬鉆鋌17的轉(zhuǎn)速。在測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)采集模塊20包括電壓采集器6220和應(yīng)變采集器6224 ;電渦流位移傳感器21包括三組，每組2個(gè)，分別安裝在模擬鉆鋌17的加載端、中部和近鉆頭端的安裝支座上；電渦流位移傳感器安裝支座的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，電渦流位移傳感器將豎向安裝支座29通過螺栓28與試驗(yàn)臺(tái)4上的支座27連接固定，電渦流位移傳感器橫向安裝支座31通過螺栓30與豎向安裝支座29連接固定；三組電渦流位移傳感器21通過信號(hào)電纜22連接，和電壓采集器6220配合使用，電渦流位移傳感器21可以采用北京安迪世紀(jì)電子有限公司的ODOOO型電渦流位移傳感器，出廠時(shí)已標(biāo)定；如圖4所示，電渦流位移傳感器21將測(cè)量到的模擬鉆鋌17互相垂直的兩個(gè)徑向方向的位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后，電壓采集器6220按照已設(shè)定好的采集頻率采集信號(hào)，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)19中，待試驗(yàn)完成后讀取已記錄好的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，合成模擬鉆鋌17的徑向位移，進(jìn)而得到模擬鉆鋌17的渦動(dòng)軌跡和方向；位于模擬鉆鋌17近鉆頭端的電渦流位移傳感器21與模擬鉆頭24的距離可以測(cè)量，又有其徑向方向的位移，可以得到模擬鉆頭24的轉(zhuǎn)角。圖5所示，測(cè)力裝置23包括一個(gè)側(cè)向力傳感器33和一個(gè)拉壓傳感器39 ;側(cè)向力傳感器33嵌入安裝座32，由3個(gè)相間120°的彈性片35組成，彈性片35的材料為彈簧鋼，由彈性片緊固螺栓37固定在側(cè)向力傳感器33上，3個(gè)彈性片35的內(nèi)切圓的直徑與模擬鉆頭24的直徑相等，以保證3個(gè)彈性片35與模擬鉆頭24在初始狀態(tài)下接觸;應(yīng)變片34貼在彈性片35的兩面以構(gòu)成半橋連接的應(yīng)變式測(cè)力傳感器；通過改變彈性片35的厚度并配合以應(yīng)變采集器6224可以測(cè)量模擬鉆頭24的不同側(cè)向力。拉壓傳感器39為北京安迪世紀(jì)電子有限公司生產(chǎn)的LC1102型應(yīng)變式拉壓傳感器，出廠時(shí)已標(biāo)定；拉壓傳感器39的拉壓傳感器壓桿36為平頭螺栓，與模擬鉆頭24在同一軸線上，安裝在拉壓傳感器39上，頂端與模擬鉆頭24的頂端接觸，通過測(cè)量拉壓傳感器壓桿36的應(yīng)變以測(cè)量模擬鉆頭24的軸向力，拉壓傳感器壓桿的緊固螺母38固緊壓桿36以消除壓桿36與拉壓傳感器39之間螺紋連接的間隙；底座40約束拉壓傳感器12的軸向位移。測(cè)力裝置23的使用方法如圖6所示，側(cè)向力傳感器33在使用之前應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，得到力與應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系；將側(cè)向力傳感器33和拉壓傳感器39安裝在安裝座32上并被固定端25上的三爪卡盤夾緊固定；通過信號(hào)電纜22將側(cè)向力傳感器33、拉壓傳感器39和信號(hào)采集模塊20、計(jì)算機(jī)19連接在一起；當(dāng)控制系統(tǒng)為模擬鉆鋌17加載一定的轉(zhuǎn)速和軸向壓力后，信號(hào)采集模塊20將按照已設(shè)好的采集頻率采集信號(hào)，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)19中，待試驗(yàn)完成后讀取已記錄好的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，得到模擬鉆頭24的軸向力與3個(gè)彈性片35的測(cè)量值；3個(gè)彈性片35的測(cè)量值可以分別記為FpF2、F3(以壓力為“ + ”、拉力為通過對(duì)F1、F2、F3進(jìn)行合力計(jì)算可以得到合力的大小及方向，即模擬鉆頭24的側(cè)向力。在提升系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)7為伺服電機(jī)，通過控制面板可以控制電動(dòng)機(jī)7的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；滑輪9安裝在試驗(yàn)架8的頂端；電動(dòng)機(jī)7通過滑輪9可以控制鋼纜10的上提或下放，帶動(dòng)滑塊6，通過接頭5進(jìn)而帶動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)4的滾輪3在軌道2上轉(zhuǎn)動(dòng)，可以將試驗(yàn)臺(tái)4提升至需要的井斜角；擋板I防止試驗(yàn)臺(tái)4滑出軌道2。使用該模擬底部鉆具組合力學(xué)特性試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法如下1)將模擬鉆鋌17和模擬鉆頭24通過螺紋連接，將模擬穩(wěn)定器18通過沉孔螺栓26安裝在模擬鉆鋌17上形成模擬鉆柱，將模擬井筒16套在模擬鉆柱外面并將模擬井筒16安裝在可調(diào)支座15上夾緊；
2)通過信號(hào)電纜22連接計(jì)算機(jī)19、信號(hào)采集模塊20包含的電壓采集器6220和應(yīng)變采集器6224、電渦流位移傳感器21、測(cè)力裝置23包含的側(cè)向力傳感器33和拉壓傳感器39 ；3)啟動(dòng)提升系統(tǒng)將試驗(yàn)臺(tái)4提升至需要的井斜角；4)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)電動(dòng)機(jī)7，通過液壓馬達(dá)將油源加壓至所需壓力；5)啟動(dòng)控制系統(tǒng)，打開工控機(jī)14，通過控制軟件為模擬鉆鋌17加載合適的轉(zhuǎn)速；通過測(cè)控儀13為模擬鉆鋌17加載一定的軸向位移；6)根據(jù)試驗(yàn)要求初始化各個(gè)數(shù)據(jù)采集器；7)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并觀察試驗(yàn)現(xiàn)象；8)在模擬鉆鋌17旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間后卸載，卸載速度與加載速度相同；9)卸載完畢檢查模擬鉆鋌17的變形情況，觀察是否發(fā)生塑性變形，如已經(jīng)發(fā)生塑性變形，則需要更換試件；10)根據(jù)需要，重復(fù)步驟I)、2)、3)、4)、
5)、6)、7)、8)、9)，直到對(duì)不同條件下的模擬底部鉆具組合進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)后，停止試驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種模擬底部鉆具組合力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于，該裝置包括模擬底部鉆具組合系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、提升系統(tǒng)；模擬底部鉆具組合系統(tǒng)由模擬井筒(16)、模擬鉆鋌(17)、模擬穩(wěn)定器(18)、模擬鉆頭(24)組成；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)(11)、液壓馬達(dá)(12)組成；控制系統(tǒng)由測(cè)控儀(13)、工控機(jī)(14)組成；測(cè)量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(19)、信號(hào)采集模塊(20)、電渦流位移傳感器(21)、信號(hào)電纜(22)、測(cè)力裝置(23)組成；提升系統(tǒng)由接頭(5)、滑塊(6)、電動(dòng)機(jī)(7)、試驗(yàn)架(8)、滑輪(9)、鋼纜(10)組成。
2.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述模擬底部鉆具組合系統(tǒng)的模擬井筒(16)由玻璃管或金屬管制成；模擬鉆鋌(17)為鋼制圓管；模擬穩(wěn)定器(18)為鋼制圓管，其內(nèi)徑與模擬鉆鋌外徑相等，其外徑可變以模擬不同直徑的穩(wěn)定器，在模擬穩(wěn)定器上加工若干螺孔，用沉孔螺栓固緊模擬鉆鋌(17)和模擬穩(wěn)定器(18)，通過滑動(dòng)調(diào)節(jié)模擬穩(wěn)定器的位置以模擬不同的底部鉆具組合；模擬鉆頭(24)由螺桿和直徑一定的鋼制圓球組成；模擬鉆鋌(17)和模擬鉆頭(24)通過螺紋連接。
3.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)(11)為交流伺服電機(jī)，可以進(jìn)行無級(jí)變速，為模擬鉆鋌(17)提供轉(zhuǎn)速；液壓馬達(dá)(12)采用高壓油源驅(qū)動(dòng)，可以驅(qū)動(dòng)模擬鉆鋌(17)，提供軸向位移。
4.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述控制系統(tǒng)的測(cè)控儀(13)采用電液伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模擬鉆鋌(17)軸向力的動(dòng)靜態(tài)加載控制；工控機(jī)(14)用以控制模擬鉆鋌(17)的轉(zhuǎn)速。
5.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)采集模塊(20)包括電壓采集器和應(yīng)變采集器；電渦流位移傳感器(21)包括三組，每組2個(gè)，各組分別安裝在模擬鉆鋌(17)的加載端、中部和近鉆頭端，通過信號(hào)電纜(22)連接，和電壓采集器配合使用測(cè)量模擬鉆鋌(17)互相垂直的兩個(gè)徑向方向的位移信號(hào)并通過計(jì)算機(jī)(19)讀取，可以合成模擬鉆鋌(17)的位移，進(jìn)而得到模擬鉆鋌(17)的渦動(dòng)軌跡和方向；位于模擬鉆鋌(17)近鉆頭端的電渦流位移傳感器與模擬鉆頭(24)的距離可以測(cè)量，又由其徑向方向的位移，可以得到模擬鉆頭(24)的轉(zhuǎn)角。
6.如權(quán)利要求5所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述測(cè)力裝置(23)包括一個(gè)拉壓傳感器和一個(gè)側(cè)向力傳感器；拉壓傳感器的壓桿為平頭螺栓，模擬鉆頭(24)與壓桿在同一軸線上，通過測(cè)量壓桿的應(yīng)變可以測(cè)量模擬鉆頭(24)的軸向力；側(cè)向力傳感器由相間120°的3個(gè)彈性片構(gòu)成，其圍成的內(nèi)切圓直徑與模擬鉆頭(24)的直徑相等；應(yīng)變片貼在彈性片的兩面構(gòu)成半橋連接的應(yīng)變式測(cè)力傳感器；通過和應(yīng)變采集器配合使用以測(cè)量模擬鉆頭(24)的側(cè)向力。
7.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述提升系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)(7)為交流伺服電機(jī)，通過控制面板可以控制電動(dòng)機(jī)(7)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；滑輪(9)安裝在試驗(yàn)架⑶的頂端；電動(dòng)機(jī)(7)通過滑輪(9)可以控制鋼纜(10)的上提或下放，帶動(dòng)滑塊￠)，通過接頭(5)進(jìn)而帶動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)(4)的滾輪(3)在軌道(2)上轉(zhuǎn)動(dòng)，可以將試驗(yàn)臺(tái)(4)提升至需要的井斜角；擋板⑴防止試驗(yàn)臺(tái)⑷滑出軌道⑵。
8.一種采用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的模擬底部鉆具組合力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于包含以下步驟 I)將模擬鉆鋌(17)和模擬鉆頭(24)通過螺紋連接，將模擬穩(wěn)定器(18)通過沉孔螺栓安裝在模擬鉆鋌(17)上形成模擬鉆柱，將模擬井筒(16)套在模擬鉆柱外面并將模擬井筒(16)安裝在可調(diào)支座(15)上夾緊； 2)通過信號(hào)電纜(22)將計(jì)算機(jī)(19)、信號(hào)采集模塊(20)包含的電壓采集器和應(yīng)變采集器、電渦流位移傳感器(21)、測(cè)力裝置(23)包含的拉壓傳感器和側(cè)向力傳感器連接； 3)啟動(dòng)提升系統(tǒng)將試驗(yàn)臺(tái)(4)提升至需要的井斜角； 4)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，打開測(cè)控儀(13)，通過測(cè)控儀(13)發(fā)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(11)并通過液壓馬達(dá)將油源加壓至所需壓力； 5)啟動(dòng)控制系統(tǒng)，打開工控機(jī)(14)，通過控制軟件控制電動(dòng)機(jī)(7)為模擬鉆鋌(17)加載合適的轉(zhuǎn)速；通過測(cè)控儀(13)為模擬鉆鋌(17)加載一定的軸向位移； 6)根據(jù)試驗(yàn)要求，初始化各個(gè)數(shù)據(jù)采集器； 7)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù),并觀察試驗(yàn)現(xiàn)象； 8)在模擬鉆鋌(17)旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間后卸載，卸載速度與加載速度相同； 9)卸載完畢檢查模擬鉆鋌(17)的變形情況，觀察是否發(fā)生塑性變形，如已經(jīng)發(fā)生塑性變形，則需要更換試件； 10)改變?cè)囼?yàn)條件，重復(fù)步驟1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)、9)，直到對(duì)不同條件下的模擬底部鉆具組合進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)后，停止試驗(yàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于模擬底部鉆具組合力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，屬于管柱力學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，該裝置包括模擬底部鉆具組合系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、提升系統(tǒng)，主要由試驗(yàn)架、試驗(yàn)臺(tái)、液壓馬達(dá)、測(cè)控儀、電動(dòng)機(jī)、電渦流位移傳感器、測(cè)力裝置、計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集模塊、信號(hào)電纜、模擬鉆柱、模擬井筒、鋼纜等組成。其試驗(yàn)方法是根據(jù)相似理論確定模擬鉆柱和井筒幾何尺寸；對(duì)模擬鉆柱進(jìn)行受力計(jì)算并以此設(shè)計(jì)傳感器；通過提升系統(tǒng)將試驗(yàn)臺(tái)提升至需要的井斜角；通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)為模擬鉆柱加載軸向位移和轉(zhuǎn)速；通過測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量模擬鉆頭軸向力、側(cè)向力、轉(zhuǎn)角及模擬鉆柱渦動(dòng)規(guī)律。本發(fā)明可提高模擬底部鉆具組合力學(xué)特性的研究水平。
文檔編號(hào)E21B47/007GK103061745SQ201210548480
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者房軍, 高德利, 范永濤, 張輝 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)