頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法：根據(jù)需模擬工況給定一個被模擬鉆桿的底部模擬扭矩、一個阻力模擬扭矩和一個模擬轉動慣量；根據(jù)底部模擬扭矩、阻力模擬扭矩和模擬轉動慣量，計算底部模擬轉速；測量轉動中的驅動裝置的轉速并將其作為頂部模擬轉速；根據(jù)底部模擬轉速和頂部模擬轉速，計算模擬形變角度；根據(jù)模擬形變角度計算模擬彈性力矩；根據(jù)模擬彈性力矩底部模擬扭矩，計算頂部模擬扭矩。上述方法可在不安裝鉆桿的情況下，模擬實際鉆井過程中鉆桿頂部扭矩的輸出情況，并可模擬不同工況下鉆桿頂部扭矩的輸出情況，由此制定頂驅鉆機的輸出策略。
【專利說明】頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法，尤其涉及一種頂驅石油鉆機的模擬鉆桿載荷的方法。

【背景技術】
[0002]如圖1所示，頂驅鉆機在現(xiàn)場應用時，其驅動裝置50通過鉆桿60的頂部62帶動鉆桿60以一定轉速運行，設置于鉆桿底部64的鉆具在如巖石80等上鉆探，即鉆桿底部64的鉆具需克服摩擦力及切削阻力完成鉆井工作。由于受到鉆桿的長度、半徑、鉆探巖層等因素的影響，鉆桿的底部64和頂部62可能出現(xiàn)轉速不同步、扭矩不一致的情況，同時鉆探過程中還可能會出現(xiàn)一些特殊工況，例如鉆桿底部64的鉆具在巖石80中會出現(xiàn)卡鉆和解卡現(xiàn)象。
[0003]由于鉆桿比較長，頂驅鉆機出廠測試時，無法安裝鉆桿加以測試，即不能確定實際鉆井過程中各種因素造成的影響，特別是無法了解出現(xiàn)各種特殊工況時鉆桿的狀況，進而無法地根據(jù)不同工況準確制定頂驅鉆機的輸出策略。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法，在不安裝鉆桿的情況下，模擬實際鉆井過程中鉆桿頂部扭矩的輸出情況，并可模擬不同工況下鉆桿頂部扭矩的輸出情況，由此制定頂驅鉆機的輸出策略。
[0005]本發(fā)明提供了一種頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法，其中頂驅鉆機可由一個驅動裝置驅動一個鉆桿，被模擬的鉆桿具有一個連接于驅動裝置的頂部和一個用于鉆探的底部，模擬鉆桿載荷的方法包括:
[0006]根據(jù)需模擬工況給定一個被模擬鉆桿的底部模擬扭矩Mb、一個阻力模擬扭矩Mf和一個被模擬鉆桿的模擬轉動慣量J ;
[0007]根據(jù)底部模擬扭矩Mb、阻力模擬扭矩Mf和模擬轉動慣量J，計算被模擬鉆桿的底部模擬轉速Vb ；
[0008]測量轉動中的驅動裝置的轉速，并將測得的轉速作為被模擬鉆桿的頂部模擬轉速Vt ；
[0009]根據(jù)底部模擬轉速Vb和頂部模擬轉速Vt，計算被模擬鉆桿的模擬形變角度Φ ；
[0010]根據(jù)模擬形變角度Φ計算被模擬鉆桿的模擬彈性力矩Ms ;和
[0011]根據(jù)模擬彈性力矩Ms和底部模擬扭矩Mb，計算被模擬鉆桿的頂部模擬扭矩Mt。
[0012]在頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法的一種示意性實施方式中，阻力模擬扭矩Mf藉由被模擬鉆桿的底部阻力F給定。上述方法可以使模擬更真實，更準確。
[0013]在頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法的一種示意性實施方式中，根據(jù)底部模擬扭矩Mb、阻力模擬扭矩Mf和模擬轉動慣量J，通過以下公式計算被模擬鉆桿的底部模擬轉速Vb，公式為:
[0014]M=Mb-Mfj
[0015]a =M/J，

Ml
[0016]CO = OCC.1l'

JrO
”， OJX 60
[0017]Vo =-，
2π
[0018]其中，M為加速扭矩，α為角加速度，ω為角速度。
[0019]在頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法的一種不意性實施方式中，根據(jù)底部模擬轉速Vb和頂部模擬轉速Vt，通過以下公式計算被模擬鉆桿的模擬形變角度Φ，公式為:
「 ? , (ft -Vb)x2n
[0020]Am = ----,

60
[0021]Φ = Aox/i,

JtO
[0022]其中，Λ ω為角速度差。
[0023]在頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法的一種示意性實施方式中，底部阻力F藉由被模擬鉆桿的底部摩擦力矩Mk和被模擬鉆桿的底部的切削阻力矩Mr給定。其中底部摩擦力矩Mk藉由被模擬鉆桿的底部的動摩擦模擬系數(shù)或靜摩擦模擬系數(shù)給定。上述方法可以使模擬更真實，更準確。
[0024]在頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法的一種示意性實施方式中，可根據(jù)模擬工況給定一個被模擬鉆桿的模擬扭轉系數(shù)δ，用模擬形變角度Φ乘以模擬扭轉系數(shù)δ計算得出模擬彈性力矩Ms。上述方法可以使模擬更真實，更準確。
[0025]在頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法的一種示意性實施方式中，模擬扭轉系數(shù)δ藉由一個被模擬鉆桿的模擬半徑r、一個被模擬鉆桿的模擬長度L和一個被模擬鉆桿的模擬切邊模量G給定，公式如下:
j.πχθχι.4
[0026]S =~
2χΛ 0
[0027]上述方法可以使模擬更真實，更準確。
[0028]頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法，在不安裝鉆桿的情況下，模擬實際鉆井過程中鉆桿頂部扭矩的輸出情況，并可根據(jù)模擬工況選取給定參數(shù)，以模擬各種工況時頂驅鉆機的工作狀態(tài)，有助于制定鉆桿頂部扭矩的輸出策略。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]以下附圖僅對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。
[0030]圖1用以說明頂驅鉆機在現(xiàn)場應用時的工作狀態(tài)。
[0031]圖2用以說明頂驅鉆機的性能測試裝置的一種示意性實施方式的結構。
[0032]圖3用以說明頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法的一種示意性實施方式的工作流程。
[0033]標號說明
[0034]10載荷模擬裝置
[0035]20扭矩加載裝置
[0036]30連接裝置
[0037]50驅動裝置
[0038]60鉆桿
[0039]62鉆桿的頂部
[0040]64鉆桿的底部
[0041]80巖石

【具體實施方式】
[0042]為了對發(fā)明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】，在各圖中相同的標號表不相同的部分。
[0043]在本文中，“示意性”表示“充當實例、例子或說明”，不應將在本文中被描述為“示意性”的任何圖示、實施方式解釋為一種更優(yōu)選的或更具優(yōu)點的技術方案。在本文中，“一個”不僅表示“僅此一個”，也可以表示“多于一個”的情形。
[0044]圖2用以說明頂驅鉆機的性能測試裝置的一種示意性實施方式的結構，如圖2所示，測試時頂驅鉆機的驅動裝置50上沒有安裝鉆桿(請參見圖1)，但性能測試裝置可根據(jù)模擬工況模擬一個鉆桿的載荷情況，被模擬的鉆桿具有一個連接于驅動裝置50的頂部和一個用于鉆探的底部(請參見圖1)。其中性能測試裝置包括一個載荷模擬裝置10和一個扭矩加載裝置20。扭矩加載裝置20可通過一個連接裝置30 (如減速機和聯(lián)軸節(jié))與頂驅鉆機的驅動裝置50連接，即驅動裝置50在不安裝鉆桿的情況下通過連接裝置30與扭矩加載裝置20連接。驅動裝置50開啟后會帶動連接裝置30 —起轉動，載荷模擬裝置10可通過測量連接裝置30的轉速來實時獲得驅動裝置50的輸出轉速，并將該轉速作為被模擬鉆桿的頂部模擬轉速，模擬載荷裝置10會以被模擬鉆桿的頂部模擬轉速及其他模擬量(容后詳述)為基礎模擬獲得被模擬鉆桿的頂部模擬扭矩，并將該被模擬鉆桿的頂部模擬扭矩輸入至扭矩加載裝置，扭矩加載裝置可根據(jù)被模擬鉆桿的頂部模擬扭矩向驅動裝置50加載扭矩，以檢驗驅動裝置50在承受被模擬鉆桿的頂部模擬扭矩時的工作狀態(tài)，即可測試頂驅鉆機的工作性能，頂驅鉆機的控制裝置(圖中未畫出)還可以采集記錄下在模擬不同工作狀態(tài)時被模擬鉆桿的頂部模擬扭矩的輸出量，并以此作為依據(jù)制定工作策略以在實際工程中應用。
[0045]圖3用以說明頂驅鉆機的載荷模擬方法的一種示意性實施方式的工作流程，現(xiàn)結合圖2和圖3來說明頂驅鉆機的載荷模擬方法的工作流程。
[0046]步驟S12開始，將圖2中的各部件連接好，并開啟驅動裝置50。
[0047]步驟S14給定參數(shù)，根據(jù)需模擬工況給定一個被模擬鉆桿的底部模擬扭矩Mb，單位為KNm，給定一個阻力模擬扭矩Mf，單位為KNm和一個被模擬鉆桿的模擬轉動慣量J，單位為kg m2。例如在一種具體的實施方式中，Mb的值可為lOKNm，Mf的值可為0.lKNm，轉動慣量J的值可為1500Kgm2。本文中所說的“給定”既包括直接給定一個目標參數(shù)，也包括通過給定其他參數(shù)來計算得出目標參數(shù)的情況。輸入上述被模擬鉆桿的底部模擬扭矩Mb、阻力模擬扭矩Mf和被模擬鉆桿的模擬轉動慣量J至載荷模擬裝置10，同樣，本文中所說的“輸入”既包括直接輸入一個目標參數(shù)，也包括通過輸入其他參數(shù)來計算得出目標參數(shù)的情況。其中，被模擬鉆桿的底部模擬扭矩Mb可根據(jù)實際工程經驗總結得出，例如測試時廠家可根據(jù)不同型號的頂驅鉆機的可輸出的扭矩范圍(如:0?10KNm)隨機給定，阻力模擬扭矩Mf可根據(jù)實際工程的巖石情況模擬給出，被模擬鉆桿的模擬轉動慣量可根據(jù)被模擬鉆桿的質量、半徑等給出。
[0048]S16計算底部轉速，載荷模擬裝置10會根據(jù)輸入的被模擬鉆桿的底部模擬扭矩Mb、阻力模擬扭矩Mf和被模擬鉆桿的模擬轉動慣量J計算得出被模擬鉆桿的底部模擬轉速Vb，單位為RPM，具體公式為:
[0049]M=Mb-Mf
[0050]a =M/J

Ml
[0051](O^ adl

JtO
?Τ? ω X 60
[0052]Vb 二-
2π
[0053]其中，M為加速扭矩，α為角加速度，ω為角速度，計算時將角加速度α乘以循環(huán)時間進行累加得到角速度ω，本領域技術人員可以理解，在計算單位不同時，上述公式也可做相應變化；
[0054]S18獲取頂部轉速，載荷模擬裝置10會測量轉動狀態(tài)下驅動裝置50的轉速，并將測得的轉速作為被模擬鉆桿的頂部模擬轉速Vt，單位為RPM，頂驅的轉速值通常在O至200RPM范圍內，不同型號的頂驅最高轉速有所差別，測試時可在范圍內給任何值。步驟S18可以隨時進行，所以除可以按照圖3中所示流程順序進行外，本領域技術人員可以理解，只要在驅動裝置50轉動的情況下，步驟S18可在上述任意步驟間執(zhí)行，也可以與上述任意步驟同時進行。
[0055]S20計算形變角度，載荷模擬裝置10可根據(jù)被模擬鉆桿的底部模擬轉速Vb和被模擬鉆桿的頂部模擬轉速Vt計算得出被模擬鉆桿的模擬形變角度Φ，公式為，
r ? * (Va - Vb) X In
[0056]Am = 1---

60
[0057]Φ = AcaJ/

JtO
[0058]其中，Λ ω為角速度差，計算時將角速度差Λ ω乘以循環(huán)時間進行累加得到模擬形變角度Φ，本領域技術人員可以理解，在計算單位不同時，上述公式也可做相應變化；
[0059]S22計算彈性力矩，載荷模擬裝置10根據(jù)被模擬鉆桿的模擬形變角度Φ計算得出被模擬鉆桿的模擬彈性力矩Ms,例如可根據(jù)需模擬工況給定一個被模擬鉆桿的模擬扭轉系數(shù)δ，單位為Nm/圈，δ的值與被模擬鉆桿的尺寸有關，測試時可根據(jù)頂驅鉆機的型號給出，公式為:Μ8=ΦΧ δ。
[0060]S24計算頂部扭矩，載荷模擬裝置10可根據(jù)被模擬鉆桿的模擬彈性力矩Ms和被模擬鉆桿的底部模擬扭矩Mb計算得出被模擬鉆桿的頂部模擬扭矩Mt，單位為KNm，Mt=Ms+Mb。
[0061]S26模擬過程結束。
[0062]上述過程可模擬頂驅鉆機工作時的各種工況，例如測試時廠家可先設定被模擬鉆桿的底部模擬扭矩Mb為lOKNm，再突然升到80KNm，以模擬井下突然卡鉆的狀態(tài)，然后在80KNm時又突然降到lOKNm，以模擬井下卡鉆后解卡的狀態(tài)。
[0063]操作人員可將被模擬鉆桿的頂部模擬扭矩Mt施加給頂驅鉆機的驅動裝置50，以測試和記錄頂驅鉆機在輸出上述被模擬鉆桿的頂部模擬扭矩Mt時的工作狀態(tài)，并可根據(jù)模擬工況選取給定參數(shù)，以模擬各種工況時頂驅鉆機的工作狀態(tài)，有助于制定鉆桿頂部扭矩的輸出策略。
[0064]為更真實準確的模擬工況，在上述步驟S14給定阻力模擬扭矩Mf時，阻力模擬扭矩Mf可藉由被模擬鉆桿的底部摩擦力矩Mk和被模擬鉆桿的底部的切削阻力矩Mr給定，Mf=Mk+Mr。被模擬鉆桿的底部摩擦力矩Mk還可藉由被模擬鉆桿的底部的動摩擦模擬系數(shù)或靜摩擦模擬系數(shù)給定，可根據(jù)需模擬工況時摩擦情況和巖石情況給定被模擬鉆桿的底部的動摩擦模擬系數(shù)或靜摩擦模擬系數(shù)，例如，假設被模擬鉆桿的底部被巖石卡住就需要給定一個靜摩擦系數(shù)(卡鉆情況)，如果假設被模擬鉆桿的底部切削巖石正常就需要給定一個動摩擦系數(shù)。靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)的具體數(shù)值還要根據(jù)假設的巖石層構造給定。被模擬鉆桿的底部的切削阻力矩Mr可以是實際鉆井時的記錄和工藝值。
[0065]在上述步驟S22中提到，根據(jù)被模擬鉆桿的模擬形變角度Φ，可再通過根據(jù)模擬工況給定一個被模擬鉆桿的模擬扭轉系數(shù)S來計算得出被模擬鉆桿的模擬彈性力矩Ms，Ms= Φ X δ。為更真實準確的模擬工況，其中被模擬鉆桿的模擬扭轉系數(shù)δ可藉由給定一個被模擬鉆桿的模擬半徑r、一個被模擬鉆桿的模擬長度L和一個被模擬鉆桿的模擬切邊模量G給定，其中，r的單位為m，L的單位為m，G的單位為N/m2，r的值和L的值可根據(jù)頂驅鉆機的型號給出，模擬切邊模量G的值可為實際鉆井時的記錄和工藝值，公式為:
「 n ? ^xGxr4
[0066]δ — - ο

2x L
[0067]頂驅鉆機的載荷模擬方法在不安裝鉆桿的情況下，可根據(jù)所需模擬工況得出被模擬鉆桿的頂部輸出扭矩，并可以此作為判斷頂驅鉆機工作性能和制定工作策略的依據(jù)。
[0068]應當理解，雖然本說明書是按照各個實施例描述的，但并非每個實施例僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
[0069]上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實施例的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實施方案或變更，如特征的組合、分割或重復，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.頂驅鉆機的模擬鉆桿載荷的方法，其特征在于，所述頂驅鉆機可由一個驅動裝置驅動一個鉆桿，被模擬的鉆桿具有一個連接于驅動裝置的頂部和一個用于鉆探的底部，所述模擬鉆桿載荷的方法包括: 根據(jù)需模擬工況給定一個被模擬鉆桿的底部模擬扭矩Mb、一個阻力模擬扭矩Mf和一個被模擬鉆桿的模擬轉動慣量J ; 根據(jù)所述底部模擬扭矩Mb、所述阻力模擬扭矩Mf和所述模擬轉動慣量J，計算被模擬鉆桿的底部模擬轉速Vb ； 測量轉動中的驅動裝置的轉速，并將測得的所述轉速作為被模擬鉆桿的頂部模擬轉速Vt ； 根據(jù)所述底部模擬轉速Vb和所述頂部模擬轉速Vt，計算被模擬鉆桿的模擬形變角度Φ.根據(jù)所述模擬形變角度Φ計算被模擬鉆桿的模擬彈性力矩Ms ;和 根據(jù)所述模擬彈性力矩Ms和所述底部模擬扭矩Mb，計算被模擬鉆桿的頂部模擬扭矩Mt。
2.如權利要求1所述的模擬鉆桿載荷的方法，其特征在于，根據(jù)所述底部模擬扭矩Mb、所述阻力模擬扭矩Mf和所述模擬轉動慣量J，通過以下公式計算被模擬鉆桿的底部模擬轉速Vb，公式為:
M=Mb-Mf,
a =M/J,
Mt
ω - ac/?,
Jm
TrT ω X 60 Vb 二-，
2π 其中，M為加速扭矩，α為角加速度，ω為角速度。
3.如權利要求1所述的模擬鉆桿載荷的方法，其特征在于，根據(jù)所述底部模擬轉速Vb和所述頂部模擬轉速Vt，通過以下公式計算被模擬鉆桿的模擬形變角度Φ，公式為:
A (V1- Vb) X 2π Am = ----,
60
(?/I Φ = A(xi
JtO 其中，Λ ω為角速度差。
4.如權利要求1所述的模擬鉆桿載荷的方法，其特征在于，所述阻力模擬扭矩Mf藉由被模擬鉆桿的底部摩擦力矩Mk和被模擬鉆桿的底部切削阻力矩Mr給定。
5.如權利要求4所述的載荷模擬方法，其特征在于，所述被模擬鉆桿的底部摩擦力矩Mk藉由被模擬鉆桿的底部的動摩擦模擬系數(shù)或靜摩擦模擬系數(shù)給定。
6.如權利要求1所述的載荷模擬方法，其特征在于，根據(jù)所述模擬工況給定一個被模擬鉆桿的模擬扭轉系數(shù)δ，用所述模擬形變角度Φ乘以所述模擬扭轉系數(shù)δ計算得出所述模擬彈性力矩Ms。
7.如權利要求6所述的載荷模擬方法，其特征在于，還包括:所述模擬扭轉系數(shù)δ藉由一個被模擬鉆桿的模擬半徑r、一個被模擬鉆桿的模擬長度L和一個被模擬鉆桿的模擬切邊模量G給定，公式如下: ,TrxGxr4 ? —ο
2xL
【文檔編號】G01M13/00GK104236874SQ201310241505
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月18日 優(yōu)先權日:2013年6月18日
【發(fā)明者】呂春野, 李欣, 馬焉 申請人:西門子工廠自動化工程有限公司