CN103061745A - 一种模拟底部钻具组合力学特性的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟底部钻具组合力学特性的试验装置及试验方法，属于管柱力学测试技术领域，该装置包括模拟底部钻具组合***、驱动***、控制***、测量***、提升***，主要由试验架、试验台、液压马达、测控仪、电动机、电涡流位移传感器、测力装置、计算机、信号采集模块、信号电缆、模拟钻柱、模拟井筒、钢缆等组成。其试验方法是：根据相似理论确定模拟钻柱和井筒几何尺寸；对模拟钻柱进行受力计算并以此设计传感器；通过提升***将试验台提升至需要的井斜角；通过驱动***和控制***为模拟钻柱加载轴向位移和转速；通过测量***测量模拟钻头轴向力、侧向力、转角及模拟钻柱涡动规律。本发明可提高模拟底部钻具组合力学特性的研究水平。

Description

一种模拟底部钻具组合力学特性的试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于管柱力学测试技术领域，涉及一种用于模拟底部钻具组合力学特性的试验装置，还涉及应用该试验装置的试验方法，用于对模拟钻头在旋转钻进过程中的轴向力、侧向力、转角及钻柱不同位置的径向运动轨迹进行测量。

背景技术

在石油勘探与开发过程中，钻井是必不可少的基本环节，具有资金和技术密集型特征。钻柱力学特性研究是现代钻井工程理论和技术的重要组成部分。随着钻井技术向高温高压井、深井超深井、特殊工艺井(包括定向井、水平井、大位移井、复杂结构井、丛式井、欠平衡钻井及套管钻井等)等方向发展，对管柱力学特别是底部钻具组合(Bottom-Hole Assembly，简称BHA)力学性能的研究提出了更高的要求，以期进一步掌握底部钻具组合防斜打快的机理。

国内外许多学者对底部钻具组合的力学问题进行了大量理论研究，并通过建立理想模型和理论计算，取得了很多成果。比如，自1950年A.Lubinski较***、全面地研究了竖直井中钻柱的受力与变形，开创了钻柱力学研究的新局面之后，先后出现了B.H.Walker的能量法、W.B.Bradley和F.J.Fischer的差分法、白家祉的纵横弯曲法、K.K.Millheim的有限元法、高德利的加权余量法、狄勤丰的预弯曲动力学防斜打快钻具组合动力学模型等，但仅从理论角度了解并分析底部钻柱的力学特性是不全面的。

随着随钻测井技术的发展，国外已分别利用电缆传输、井下存储进行基于底部钻柱动力学模型的井下实测和室内模拟测量等方法，取得有了较大发展。目前一些机构主要研制井下工具短节，通过现场测试获取井下底部钻具组合力学特性方面的相关数据。专利US4324297和US4445578分别设计了测量弯矩、剪切力的测试短节结构，由检测的测量数据推导侧向力，但这些有限的参数不能充分反映底部钻具的力学特性。专利US4662458和US4958517提出在测试短节上布置应变片以实现底部钻具的轴向力、扭矩、剪切力及弯矩等参数的测量，但现场实测面临实现难度大、测试费用高等，同时现场测试的次数、场地和时间是有限制的，所以实测结果不能全面反映底部钻具组合的力学特性。

由于现场实测存在以上问题，地面测量作为分析底部钻具组合的力学特性的研究手段逐渐成为研究热点之一。2001年Macpherson等人分别在钻头上部和轮盘上部的测试短节内安装传感器进行钻压、扭矩、弯矩及振动加速度等参数的地面测量，结合建立的钻柱动态模型由地面测量结果估算底部钻具动态特性。2004年管志川等人建立了直井底部钻柱运动状态的试验装置(参见：管志川，靳彦欣，王以法.直井底部钻柱运动状态的实验研究[J].石油学报.2003，24(6)：102-106.)。该装置选用有机玻璃管作为模拟井筒，利用工程塑料棒作为模拟底部钻柱，为测量底部钻柱在不同钻压、转速条件下的运动状态，在该模拟装置上分别装有钻压和位移传感器，实时测量模拟底部钻柱的转速和钻压。但该试验装置的模拟底部钻柱与实际钢制钻具存在差别，且不能进行各种井斜角下的对比试验。2008年，中国专利200810239189.4提出了模拟底部钻柱动态力的测量***，但仅对钻杆和稳定器进行了模拟而没有模拟钻头，并且将近钻头端进行了固支，与实际钻井过程中钻头属于铰支的实际情况不符。

地面测量无需考虑井下的多种复杂条件，结构设计相对简单、现场安装方便，但该方法需要对现场测试的边界条件进行准确合适的处理。因此，为深入研究底部钻具组合力学特性，有必要进一步开展底部钻具组合力学特性的实验室模拟试验研究，从而可进一步改进底部钻具组合的机械结构设计，进一步掌握底部钻具组合防斜打快的机理。

发明内容

本发明目的是为了克服现阶段上述已有技术存在的问题及不足，提供一种用于模拟底部钻具组合力学特性的试验装置及试验方法，研究不同底部钻具组合在不同钻压、转速、井斜角时的力学特性及涡动规律，为现场底部钻具组合的选取和应用提供依据。

本发明提供了一种用于底部钻具组合力学特性模拟的试验装置，其特征在于，该装置包括模拟底部钻具组合***、驱动***、控制***、测量***、提升***；模拟底部钻具组合***由模拟井筒16、模拟钻铤17、模拟稳定器18、模拟钻头24组成；驱动***由电动机11、液压马达12组成；控制***由测控仪13、工控机14组成；测量***由计算机19、信号采集模块20、电涡流位移传感器21、信号电缆22、测力装置23组成；提升***由接头5、滑块6、电动机7、试验架8、滑轮9、钢缆10组成。

本发明还提出使用该模拟底部钻具组合力学特性试验装置的试验方法，包含以下步骤：

1)将模拟钻铤17和模拟钻头24通过螺纹连接，将模拟稳定器18通过沉孔螺栓安装在模拟钻铤17上形成模拟钻柱，将模拟井筒16套在模拟钻柱外面并将模拟井筒16安装在可调支座15上夹紧；

2)通过信号电缆22将计算机19、信号采集模块20包含的电压采集器和应变采集器、电涡流位移传感器21、测力装置23包含的拉压传感器和侧向力传感器连接；

3)启动提升***将试验台4提升至需要的井斜角；

4)启动驱动***，打开测控仪13，通过测控仪13发动电动机11并控制液压马达将油源加压至所需压力；

5)启动控制***，打开工控机14，通过控制软件为模拟钻铤17加载合适的转速；通过测控仪13为模拟钻铤17加载一定的轴向位移；

6)根据试验要求，初始化各个数据采集器；

7)采集试验数据，并观察试验现象；

8)在模拟钻铤17旋转一定时间后卸载，卸载速度与加载速度相同；

9)卸载完毕检查模拟钻铤17的变形情况，观察是否发生塑性变形，如已经发生塑性变形，则需要更换试件；

10)根据需要，重复步骤1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)、9)，直到对不同条件下的模拟底部钻具组合进行了对比试验后，停止试验。

附图说明

图1为本发明的模拟底部钻具组合力学特性的试验装置示意图。

图2为本发明的模拟底部钻具组合***的装配示意图；其中

(a)为模拟底部钻具组合***的装配示意图，(b)为(a)图的A-A向剖面图。

图3为本发明的电涡流位移传感器安装支座的结构示意图。

图4为本发明的电涡流位移传感器的使用流程图。

图5为本发明的测力装置装配图。

图6为本发明的测力装置的使用流程图。

图中：1.挡板、2.轨道、3.滚轮、4.试验台、5.接头、6.滑块、7.电动机、8.试验架、9.滑轮、10.钢缆、11.电动机、12.液压马达、13.测控仪、14.工控机、15.可调支座、16.模拟井筒、17.模拟钻铤、18.模拟稳定器、19.计算机、20.信号采集模块、21.电涡流位移传感器、22.信号电缆、23.测力装置、24.模拟钻头、25.固定端、26.沉孔螺栓、27.支座、28.螺栓、29.竖向安装支座、30.螺栓、31.横向安装支座、32.安装座、33.侧向力传感器、34.应变片、35.弹性片、36.拉压传感器压杆、37.紧固螺栓、38.紧固螺母、39.拉压传感器、40.底座。

具体实施方式

本发明涉及了一种模拟底部钻具组合力学特性的试验装置及试验方法，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

如图1所示，本发明提供的试验装置包括模拟底部钻具组合***、驱动***、控制***、测量***、提升***；模拟底部钻具组合***由模拟井筒16、模拟钻铤17、模拟稳定器18、模拟钻头24组成；驱动***由电动机11、液压马达12组成；控制***由测控仪13、工控机14组成；测量***由计算机19、信号采集模块20、电涡流位移传感器21、信号电缆22、测力装置23组成；提升***由接头5、滑块6、电动机7、试验架8、滑轮9、钢缆10组成。

如图2所示，在模拟底部钻具组合***中，模拟井筒16由玻璃管或金属管制成；模拟钻铤17为钢制圆管；模拟稳定器18为钢制圆管，其内径与模拟钻铤17外径相等，其外径不等以模拟不同直径的稳定器；在模拟稳定器18上加工若干螺孔，用沉孔螺栓26固紧模拟钻铤17和模拟稳定器18，通过滑动调节模拟稳定器18的位置以模拟不同的底部钻具组合；模拟钻头24为螺杆和直径一定的钢制圆球组成，模拟钻铤17和模拟钻头24通过螺纹连接。

在驱动***中，电动机11为交流伺服电机，可以进行无级变速，为模拟钻铤17提供转速；液压马达12采用高压油源驱动，可以轴向驱动模拟钻铤17，提供轴向位移。

在控制***中，测控仪13采用美国MTS(全称：Mechanical Testing&Simulation)公司407电液伺服控制***，实现模拟钻铤17轴向力的动静态加载控制；工控机14安装控制软件，可以控制模拟钻铤17的转速。

在测量***中，信号采集模块20包括电压采集器6220和应变采集器6224；电涡流位移传感器21包括三组，每组2个，分别安装在模拟钻铤17的加载端、中部和近钻头端的安装支座上；电涡流位移传感器安装支座的结构示意图如图3所示，电涡流位移传感器将竖向安装支座29通过螺栓28与试验台4上的支座27连接固定，电涡流位移传感器横向安装支座31通过螺栓30与竖向安装支座29连接固定；三组电涡流位移传感器21通过信号电缆22连接，和电压采集器6220配合使用，电涡流位移传感器21可以采用北京安迪世纪电子有限公司的OD000型电涡流位移传感器，出厂时已标定；如图4所示，电涡流位移传感器21将测量到的模拟钻铤17互相垂直的两个径向方向的位移信号转化为电压信号后，电压采集器6220按照已设定好的采集频率采集信号，并存储在计算机19中，待试验完成后读取已记录好的数据，然后根据标定结果进行数据转化，合成模拟钻铤17的径向位移，进而得到模拟钻铤17的涡动轨迹和方向；位于模拟钻铤17近钻头端的电涡流位移传感器21与模拟钻头24的距离可以测量，又有其径向方向的位移，可以得到模拟钻头24的转角。

图5所示，测力装置23包括一个侧向力传感器33和一个拉压传感器39；侧向力传感器33嵌入安装座32，由3个相间120°的弹性片35组成，弹性片35的材料为弹簧钢，由弹性片紧固螺栓37固定在侧向力传感器33上，3个弹性片35的内切圆的直径与模拟钻头24的直径相等，以保证3个弹性片35与模拟钻头24在初始状态下接触；应变片34贴在弹性片35的两面以构成半桥连接的应变式测力传感器；通过改变弹性片35的厚度并配合以应变采集器6224可以测量模拟钻头24的不同侧向力。

拉压传感器39为北京安迪世纪电子有限公司生产的LC1102型应变式拉压传感器，出厂时已标定；拉压传感器39的拉压传感器压杆36为平头螺栓，与模拟钻头24在同一轴线上，安装在拉压传感器39上，顶端与模拟钻头24的顶端接触，通过测量拉压传感器压杆36的应变以测量模拟钻头24的轴向力，拉压传感器压杆的紧固螺母38固紧压杆36以消除压杆36与拉压传感器39之间螺纹连接的间隙；底座40约束拉压传感器12的轴向位移。

测力装置23的使用方法如图6所示，侧向力传感器33在使用之前应该对其进行标定，得到力与应变的对应关系；将侧向力传感器33和拉压传感器39安装在安装座32上并被固定端25上的三爪卡盘夹紧固定；通过信号电缆22将侧向力传感器33、拉压传感器39和信号采集模块20、计算机19连接在一起；当控制***为模拟钻铤17加载一定的转速和轴向压力后，信号采集模块20将按照已设好的采集频率采集信号，并存储在计算机19中，待试验完成后读取已记录好的数据，然后根据标定数据进行数据转化，得到模拟钻头24的轴向力与3个弹性片35的测量值；3个弹性片35的测量值可以分别记为F₁、F₂、F₃(以压力为“+”、拉力为“-”)，通过对F₁、F₂、F₃进行合力计算可以得到合力的大小及方向，即模拟钻头24的侧向力。

在提升***中，电动机7为伺服电机，通过控制面板可以控制电动机7的正转或反转；滑轮9安装在试验架8的顶端；电动机7通过滑轮9可以控制钢缆10的上提或下放，带动滑块6，通过接头5进而带动试验台4的滚轮3在轨道2上转动，可以将试验台4提升至需要的井斜角；挡板1防止试验台4滑出轨道2。

使用该模拟底部钻具组合力学特性试验装置的试验方法如下：1)将模拟钻铤17和模拟钻头24通过螺纹连接，将模拟稳定器18通过沉孔螺栓26安装在模拟钻铤17上形成模拟钻柱，将模拟井筒16套在模拟钻柱外面并将模拟井筒16安装在可调支座15上夹紧；2)通过信号电缆22连接计算机19、信号采集模块20包含的电压采集器6220和应变采集器6224、电涡流位移传感器21、测力装置23包含的侧向力传感器33和拉压传感器39；3)启动提升***将试验台4提升至需要的井斜角；4)启动驱动***，发动电动机7，通过液压马达将油源加压至所需压力；5)启动控制***，打开工控机14，通过控制软件为模拟钻铤17加载合适的转速；通过测控仪13为模拟钻铤17加载一定的轴向位移；6)根据试验要求初始化各个数据采集器；7)采集试验数据，并观察试验现象；8)在模拟钻铤17旋转一定时间后卸载，卸载速度与加载速度相同；9)卸载完毕检查模拟钻铤17的变形情况，观察是否发生塑性变形，如已经发生塑性变形，则需要更换试件；10)根据需要，重复步骤1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)、9)，直到对不同条件下的模拟底部钻具组合进行了对比试验后，停止试验。

Claims (8)

1.一种模拟底部钻具组合力学特性的试验装置，其特征在于，该装置包括模拟底部钻具组合***、驱动***、控制***、测量***、提升***；模拟底部钻具组合***由模拟井筒(16)、模拟钻铤(17)、模拟稳定器(18)、模拟钻头(24)组成；驱动***由电动机(11)、液压马达(12)组成；控制***由测控仪(13)、工控机(14)组成；测量***由计算机(19)、信号采集模块(20)、电涡流位移传感器(21)、信号电缆(22)、测力装置(23)组成；提升***由接头(5)、滑块(6)、电动机(7)、试验架(8)、滑轮(9)、钢缆(10)组成。

2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述模拟底部钻具组合***的模拟井筒(16)由玻璃管或金属管制成；模拟钻铤(17)为钢制圆管；模拟稳定器(18)为钢制圆管，其内径与模拟钻铤外径相等，其外径可变以模拟不同直径的稳定器，在模拟稳定器上加工若干螺孔，用沉孔螺栓固紧模拟钻铤(17)和模拟稳定器(18)，通过滑动调节模拟稳定器的位置以模拟不同的底部钻具组合；模拟钻头(24)由螺杆和直径一定的钢制圆球组成；模拟钻铤(17)和模拟钻头(24)通过螺纹连接。

3.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述驱动***的电动机(11)为交流伺服电机，可以进行无级变速，为模拟钻铤(17)提供转速；液压马达(12)采用高压油源驱动，可以驱动模拟钻铤(17)，提供轴向位移。

4.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述控制***的测控仪(13)采用电液伺服控制***，实现模拟钻铤(17)轴向力的动静态加载控制；工控机(14)用以控制模拟钻铤(17)的转速。

5.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述测量***的信号采集模块(20)包括电压采集器和应变采集器；电涡流位移传感器(21)包括三组，每组2个，各组分别安装在模拟钻铤(17)的加载端、中部和近钻头端，通过信号电缆(22)连接，和电压采集器配合使用测量模拟钻铤(17)互相垂直的两个径向方向的位移信号并通过计算机(19)读取，可以合成模拟钻铤(17)的位移，进而得到模拟钻铤(17)的涡动轨迹和方向；位于模拟钻铤(17)近钻头端的电涡流位移传感器与模拟钻头(24)的距离可以测量，又由其径向方向的位移，可以得到模拟钻头(24)的转角。

6.如权利要求5所述的试验装置，其特征在于：所述测力装置(23)包括一个拉压传感器和一个侧向力传感器；拉压传感器的压杆为平头螺栓，模拟钻头(24)与压杆在同一轴线上，通过测量压杆的应变可以测量模拟钻头(24)的轴向力；侧向力传感器由相间120°的3个弹性片构成，其围成的内切圆直径与模拟钻头(24)的直径相等；应变片贴在弹性片的两面构成半桥连接的应变式测力传感器；通过和应变采集器配合使用以测量模拟钻头(24)的侧向力。

7.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述提升***的电动机(7)为交流伺服电机，通过控制面板可以控制电动机(7)的正转或反转；滑轮(9)安装在试验架(8)的顶端；电动机(7)通过滑轮(9)可以控制钢缆(10)的上提或下放，带动滑块(6)，通过接头(5)进而带动试验台(4)的滚轮(3)在轨道(2)上转动，可以将试验台(4)提升至需要的井斜角；挡板(1)防止试验台(4)滑出轨道(2)。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述的模拟底部钻具组合力学特性的试验装置的试验方法，其特征在于包含以下步骤：

1)将模拟钻铤(17)和模拟钻头(24)通过螺纹连接，将模拟稳定器(18)通过沉孔螺栓安装在模拟钻铤(17)上形成模拟钻柱，将模拟井筒(16)套在模拟钻柱外面并将模拟井筒(16)安装在可调支座(15)上夹紧；

2)通过信号电缆(22)将计算机(19)、信号采集模块(20)包含的电压采集器和应变采集器、电涡流位移传感器(21)、测力装置(23)包含的拉压传感器和侧向力传感器连接；

3)启动提升***将试验台(4)提升至需要的井斜角；

4)启动驱动***，打开测控仪(13)，通过测控仪(13)发动电动机(11)并通过液压马达将油源加压至所需压力；

5)启动控制***，打开工控机(14)，通过控制软件控制电动机(7)为模拟钻铤(17)加载合适的转速；通过测控仪(13)为模拟钻铤(17)加载一定的轴向位移；

6)根据试验要求，初始化各个数据采集器；

7)采集试验数据，并观察试验现象；

8)在模拟钻铤(17)旋转一定时间后卸载，卸载速度与加载速度相同；

9)卸载完毕检查模拟钻铤(17)的变形情况，观察是否发生塑性变形，如已经发生塑性变形，则需要更换试件；

10)改变试验条件，重复步骤1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)、9)，直到对不同条件下的模拟底部钻具组合进行了对比试验后，停止试验。

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