CN201331874Y

CN201331874Y - 石油钻机功能试验及应力测试模型

Info

Publication number: CN201331874Y
Application number: CNU2008202216195U
Authority: CN
Inventors: 侯广平
Original assignee: Baoji Yifu Drilling Equipment And Technology Co Ltd
Current assignee: Baoji Yifu Drilling Equipment And Technology Co Ltd
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2018-09-25

Abstract

石油钻机功能试验及应力测试模型，其是将钻机组件按比例缩小，并且包括了钻机原型的以下基本设备：(1)起升设备：天车模型、井架模型、游车大钩模型、绞车模型、钢丝绳；(2)地面旋转送进设备：转盘模型、水龙头模型；(3)驱动设备：电驱动电机；(4)控制设备：液压站、司钻操作台并包括液控***、电控***；(5)钻井工具：钻头模型、钻具模型、吊环模型、吊卡模型、上卸扣工具；(6)卡瓦泥浆循环设备：钻井泵、泥浆槽模型、泥浆罐模型、高压管汇模型、水龙带模型；且以上各个模型单独设置或按照钻机实际工作状态连接装配。填补了石油钻机功能试验及应力测试模型的空白，使以前石油钻机无法进行的试验得以实现，如破坏性试验。为石油钻机的研制提供了科学的依据，使以前难以进行的试验，可以在试验室短期内完成。有效的加快了研制石油钻机的进度。

Description

石油钻机功能试验及应力测试模型

技术领域

本实用新型属于教学演示模型技术领域，特别是用于石油院校和钻机科研单位在实验室内进行钻机性能实验的石油钻机功能试验及应力测试模型。

背景技术

模型试验方法虽然很早就有人使用，但其迅速发展还是近几十年内的事，特别是质量纲分析法引入模型设计(1914年)后，才使模型试验方法得到***的发展。测量技术的不断改进以及各种新颖材料的发现和应用也为模型试验方法创造了条件。目前模型试验方法在飞机、航天、建筑行业得到广泛的应用，但由於石油钻机高大、笨重、设备繁多的特点，迄今为止模型试验方法在石油钻机研制中仍未得到应用。

发明内容

本实用新型的目的是设计一种石油钻机功能试验及应力测试模型，为石油钻机科研单位和石油院校提供钻机模型，供他们在试验室内进行钻机功能、性能试验及应力测试。为钻机研制、教学提供方便快捷地试验研究条件。

技术方案：石油钻机功能试验及应力测试模型，其是将钻机组件按比例缩小，并且包括了钻机原型的以下基本设备：

(1)起升设备：天车模型、井架模型、游车大钩模型、绞车模型、钢丝绳；

(2)地面旋转送进设备：转盘模型、水龙头模型；

(3)驱动设备：电驱动电机；

(4)控制设备：液压站、司钻操作台并包括液控***、电控***；

(5)钻井工具：钻头模型、钻具模型、吊环模型、吊卡模型、上卸扣工具；

(6)卡瓦泥浆循环设备：钻井泵、泥浆槽模型、泥浆罐模型、高压管汇模型、水龙带模型；

且以上各个模型单独设置或按照钻机实际工作状态连接装配。

各个模型连接装配关系为：水龙头模型直接悬吊方钻杆模型及钻杆模型可转动，转盘模型带动方钻杆模型转动传递扭矩，通过钻头模型钻进，转盘模型在接单根时承托钻具的套管模型全部重量；通过高压向井底输出高粘度大比重的液体；油缸下端与基座模型连接，油缸上端与大钩模型连接拉紧大钩并通过油缸拉力对井架、天车、游车大钩、底座模型加载；油缸上端与压在转盘梁模型上的工装连接通过油缸拉力对转盘梁模型加载；底座模型用于安装除基座、泥浆泵、以外的其他钻机模型的设备模型，承担这些设备模型全部重量及钻井作业的全部载荷；基座模型用于安装钻机底座模型，承担除泥浆泵、泥浆罐模型以外的其他钻机模型的全部重量及钻井作业的全部载荷。

本实用新型将钻机按比例缩小，可以安装在试验室内，并具有以下特点：

(1)其结构包括了钻机原型的基本设备。

起升设备：天车模型、井架模型、游车大钩模型、绞车模型、钢丝绳；

地面旋转送进设备：转盘模型、水龙头模型；

驱动设备：电驱动电机；

控制设备：液压站、司钻操作台(包括液控***、电控***)；

钻井工具：钻头模型、钻具模型、吊环模型、吊卡模型、上卸扣工具；

卡瓦泥浆循环设备：钻井泵、泥浆槽模型、泥浆罐模型、高压管汇模型、水龙带模型；

(2)具有钻机原型的基本功能

a.钻井功能

b.提升功能

c.旋转功能

d.泥浆循环功能

本实用新型的有益效果主要体现在经济效益方面：

(1)教学：1台模型可供200名学生一年期间的教学和实习用，和在油田实习相比可节约教学经费200万元人民币，每年我们可生产10台；如果5台用于教学，一年可创经济效益1000万元人民币；如果模型用10年可创1亿人民币。

(2)用于钻机研制：钻机的提升设备须作应力测试，每台一年作40次试验，和在实物上作相比可节约经费240万元；如果5台用于研制钻机，每年可创效益1200万元；如果模型用10年，可创效益1.2亿元人民币。

本实用新型社会效益：填补了石油钻机功能试验及应力测试模型的空白，使以前石油钻机无法进行的试验得以实现，如破坏性试验。为石油钻机的研制提供了科学的依据，使以前难以进行的试验，可以在试验室短期内完成。有效的加快了研制石油钻机的进度，为在短期内我国石油钻机赶超世界先进水平提供了有力的保证。完善了石油院校试验设备，丰富了教学和试验内容，使教学更加直观，使学生能较快的掌握钻井过程、石油钻机的性能和原理，为快速、高质量培养石油钻机研制人材创造了有利的条件。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型侧面视图。

图3为本实用新型俯视图。

具体实施方式

1、天车模型、井架模型、底座模型、游车大钩模型、转盘模型、钻杆、方钻杆模型等均按相似比理论设计，只要确定了相似比，便可求出各部的尺寸，并可由相似比理论求出其它对应物理量的参数，同时根据原型的工作条件推导出模型的工作条件和边界条件，反过来可以从模型试验数据予测原型的相应数据。

2、模型的设计原理：模型是按相似理论进行设计的。根据量钢分析法来确定模型与原型的相似关系。模型实验中，主要涉及到的物理量有：几何长度L、加速度a、圆频率ω、应力σ、材料弹性模量E、材料密度ρ、杆件截面积A、截面惯性矩I、外力F、质量m、自重W等。在力学中，这些物理量以长度L、质量m和时间T为基本单位的量纲表(如下表)。

表量纲表

	L	a	a	ω	E	ρ	A	I	F	m	W
	L	a	a	ω	E	ρ	A	I	F	m	W	m	0	0	1	0	1	1	0	0	1	1	1
L	1	1	-1	0	-1	-3	2	4	1	0	1	m	0	0	1	0	1	1	0	0	1	1	1
L	1	1	-1	0	-1	-3	2	4	1	0	1	T	0	-2	-2	-1	-2	0	0	0	-2	0	-2

为了导出相似关系，取几何长度L、弹性模量E和材料密度ρ为基本单位，推导出各物理量与基本单位之间的关系，即是各物理量的相似关系。

本实用新型在设计中取模型和原型的材料相同，则有E_原/E_模＝1，P_原/P_模＝1。

L_原/L_模＝N，为已知条件。(即相似比)，通过相似理论可得到各物理量和相似比的关系：

加速度相似关系：S₁＝al 即a_模＝N.a_原

应力相似关系：S₂＝σ 即σ_原＝σ_模

圆频率相似关系：S₃＝ωl 即ω_模＝N.ω_原

截面积相似关系：S₄＝a/l² 即A_模＝A_原/N²

外力相似关系：S₅＝F/L² 即F_模＝F_原/N²

惯性矩相似关系：S₆＝I/L⁴ 即I_模＝I_原/N⁴

质量相似关系：S₇＝m/l³ 即m_模＝m_原/N³

重量相似关系：S₈＝W/L² 即W_模＝W_原/N²

有了这些相似关系，就可以指导模型的试验工作，并可以把模型的试验结果应用到原型上去，预测原型的有关性能。

附图1-3本实用新型为钻机原型按比例缩小的钻机模型，它包含了石油钻机的基本设备和钻井工具，具有旋转钻机的全部功能和动作，其高度为3.5～7.5米，长度为5.5米，宽度为1.2～3.6米，地面积为11m²～16m²。

本实用新型模型包括的组件有：

(1)天车模型(MXT) (2)游车模型(MXY) (3)井架模型(MXJ)

(4)绞车模型(MXC) (5)转盘模型(MXP) (6)转盘驱动装置模型(MXPQ)

(7)水龙头模型(MXS) (8)套管(MXTO) (9)泥浆管(MXG)

(10)泥浆槽(MXCO) (11)泥浆罐(MXGU) (12)高压管(MXGY)

(13)液压站模型(MXYA) (14)操作台(包括液电控制MXCT)

(15)钻杆模型(MXGA) (16)方钻杆模型(MXF)

(17)钻头模型(MXTO) (18)上下钳模型(MXQY)

(19)吊环模型(MXDH) (20)吊卡模型(MXQA)

各设备作用及功能说明：

设备*** 设备名称(型号) 功能

注：转盘梁模型包含在底座模型内。

安装使用：首先按附图(石油钻机模型总图)的要求划出井口位置，用挖洞铲在井口位置挖一个1.5米深，直径为120毫米的洞，将表层套管装入洞中，夯实井口周围泥土，然后按附图所示安装好钻机模型各设备。

钻机功能试验：即钻井作业

(1)正常钻进：将由钻头和一根钻杆，方钻杆组成的钻具放入套管内，启动转盘，通过钻杆带动井底钻头旋转，借助绞车模型刹车适当加压以碎岩石，同时，开动泥浆泵循环泥浆，冲洗井底，携出岩屑保护井壁，冷却钻具。

(2)接单根模型——随着正常钻进的继续进行，井眼不断加深，需不断地接长钻杆柱；每次接入一根钻杆，此作业称为接单根模型。包括以下操作：

①上提钻柱全露方钻杆模型，并将钻柱座在转盘上(用吊卡和卡瓦模型)；

②卸开并微提方钻杆模型移至小鼠洞上方与小鼠洞中的单根对扣；

③用上下钳模型上扣；

④从小鼠洞中提出单根模型移至井中钻柱上方，对扣；

⑤旋上接头丝扣；

⑥用上下钳模型紧扣；

⑦稍提钻柱，移至吊卡(提出卡瓦)，下放钻柱至井底，继续钻进。

(3)起钻——需要更换新钻头模型时，便将井中全部钻杆模型取出，此称起钻作业。起钻包括以下操作：

①上提钻杆模型全露方钻杆模型，让钻柱座在转盘模型上；

②旋下方钻杆模型，将方钻杆模型——水龙头置大鼠洞中；

③提升钻柱至一立根高度(一般由2～3单根组成一立根)，并让钻柱座在转盘模型上(用吊卡或卡瓦模型)；

④用上下钳模型松扣；

⑤上钳卡住接头，转盘模型正转卸扣；

⑥移立根入钻杆盒和二层台指梁中，摘开吊卡模型；

⑦下放空吊卡模型至井口。

起下一立根模型时要重复上述操作步骤。每一立根构成一起钻操作循环。

(4)换钻头模型——起钻末了，将钻头提出井口，用专用工具卸下旧钻头模型，换上新钻头模型。换完钻头模型，便开始下钻。

(5)下钻——将由钻头模型、方钻杆组成的钻杆柱下入井中，使钻头接触井底，准备钻进。下钻包括下述操作：

①挂吊卡模型，以高速档提升空吊卡至一立根高度；

②二层台处扣吊卡模型，将立根稍提移至井眼中心，对扣；

③用上下钳模型紧扣；

④稍提钻柱，移出吊卡(或提出卡瓦模型)；

⑤用绞车模型刹车控制下放速度，将钻柱下放一立根距离；

⑥借助吊卡模型(或用卡瓦模型)将钻柱轻座要转盘上，从吊卡模型上脱开吊环模型。再去挂吊卡模型，重复上述操作。直至下完全部立根，接上方钻杆准备钻进。

下钻——正常钻进——接单根——起钻——换钻头——下钻，构成正常钻进作业的大循环，重复不已，直至钻达预定井深。

加载试验(如贴应变电可作应力测试)：

(1)井架模型加载试验：

给井架加载时，油缸下站与基座模型连接，油缸上端与大钩模型连接，首先拉紧大钩，然后通过油缸拉力对井架、天车、游车大钩、底座模型加载，可从操作台压力表上读得加载数据。

(2)底座模型加载试验：

给转盘梁模型加载时，使油缸下端与基座模型连接，油缸上端与压在转盘梁模型上的工装连接，通过油缸拉力对转盘梁模型加载，并可从操作台模型压力表中读得加载数据。

(3)应力测试：

应变片一般贴在应力较大的构件或关键构件上，通过应变仪等仪器便可在加载的同时测得相应的构件上的应变，即可换算成应力。

Claims

1、石油钻机功能试验及应力测试模型，其特征是将钻机组件按比例缩小，并且包括了钻机原型的以下基本设备：

(2)地面旋转送进设备：转盘模型、水龙头模型；

(3)驱动设备：电驱动电机；

(4)控制设备：液压站、司钻操作台并包括液控***、电控***；

且以上各个模型按照钻机实际工作状态连接装配。

2、根据权利要求1所述的石油钻机功能试验及应力测试模型，其特征是各个模型连接装配关系为：水龙头模型直接悬吊方钻杆模型及钻杆模型可转动，转盘模型带动方钻杆模型转动传递扭矩，通过钻头模型钻进，转盘模型在接单根时承托钻具的套管模型全部重量；通过高压向井底输出高粘度大比重的液体；油缸下端与基座模型连接，油缸上端与大钩模型连接拉紧大钩并通过油缸拉力对井架、天车、游车大钩、底座模型加载；油缸上端与压在转盘梁模型上的工装连接通过油缸拉力对转盘梁模型加载；底座模型用于安装其他钻机模型的设备模型并承担这些设备模型全部重量及钻井作业的全部载荷；基座模型用于安装钻机底座模型并承担其他钻机模型的全部重量及钻井作业的全部载荷。