CN204436364U - 测定钻杆与套管的滑动摩擦系数的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测定钻杆与套管的滑动摩擦系数的装置，包括：包含套管与钻杆的摩擦机构，其还包括为钻杆的匀速摩擦钻进提供驱动力的驱动件和连接套筒的套管夹持器，其中，钻杆穿过套筒且与套筒贴合，套筒轴向固定地设在套管夹持器内；动态钻井液供应机构，其与摩擦机构连接，为钻杆与套管的匀速摩擦钻进提供动态钻井液；压力机构，与套管夹持器连接，为套管与钻杆的摩擦钻进提供贴靠压力；和测试机构，其包括测定钻杆的推动力的第一测试单元和用于测试套管与钻杆间的贴靠压力的第二测试单元。该装置能较准确地测定钻杆与套管之间的滑动摩擦系数以便于评价钻杆与套管之间的钻井液的润滑性能。

Description

测定钻杆与套管的滑动摩擦系数的装置

技术领域

本实用新型涉及一种油田钻井参数测定的实验装置，具体涉及一种用于水平井和大位移井的测定钻杆与套管的滑动摩擦系数的装置。

背景技术

在油气钻井套管井段，具有良好润滑性能的钻井液能减小钻杆对套管的机械磨损，从而延长套管的使用寿命并保证井下钻井作业的安全。

对于以滑动钻进为主要钻进方式的水平井和大位移井而言，钻杆与套管之间紧密接触，钻杆与套管之间的滑动摩擦系数便成为了评价钻井液润滑性能最重要的参数。但现有技术中没有能用于较准确地测定钻杆与套管之间的滑动摩擦系数的装置。这对于评价用于以滑动钻进为主要钻进方式的水平井和大位移井套管井段钻井液的润滑性带来了难度。

因此，需要一种用于能较准确地测定钻杆与套管之间的滑动摩擦系数的装置，以用于准确评价用于钻杆与套管之间的钻井液的润滑性能。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种测定钻杆与套管的滑动摩擦系数的装置，其能较准确地测定钻杆与套管之间的滑动摩擦系数以便于评价钻杆与套管之间的钻井液的润滑性能。

本实用新型的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的测定钻杆与套管的滑动摩擦系数的装置，包括：

包含套管与钻杆的摩擦机构，其还包括为钻杆的匀速摩擦钻进提供驱动力的驱动件和连接套筒的套管夹持器，其中，钻杆穿过套筒且与套筒贴合，套筒轴向固定地设在套管夹持器内；

动态钻井液供应机构，其与摩擦机构连接，为钻杆与套管的匀速摩擦钻进提供动态钻井液；

压力机构，与套管夹持器连接，为套管与钻杆的摩擦钻进提供贴靠压力；和

测试机构，其包括测定钻杆的推动力的第一测试单元和用于测试套管与钻杆间的贴靠压力的第二测试单元。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点。通过套管与钻杆的摩擦机构、动态钻井液供应机构和压力机构能够模拟实际钻井过程中套管与钻杆之间的摩擦工况。通过测试机构测得作用在钻杆的推动力和套管与钻杆之间的贴靠力，从而能够用于评价套管与钻杆之间的滑动摩擦系数大小。通过滑动摩擦系数的大小能够较准确地评价钻杆与套管之间的钻井液的润滑性能的好坏。例如，用于钻杆与套管之间、使得钻进过程中的滑动摩擦系数小的钻井液，润滑性能较好。

在一个实施例中，所述动态钻井液供应机构包括：

存储有钻井液的储液罐，其内设有对钻井液进行搅拌的搅拌器；

输送泵，与储液罐连接，将储液罐内的钻井液运送到套管内；和

钻井液回收组件，对从套管内流出的钻井液进行回收。在储液罐设置搅拌器能够减少钻井液中的固相添加物或组分的沉淀，从而使得钻井液的性能更均衡。另外，输送泵和钻井液回收组件在钻杆钻井过程中使得套管与钻杆之间一直有流动的钻井液。更符合实际工况，因此，测试得到的滑动摩擦系数更接近实际工况。

在一个实施例中，所述压力机构包括活塞缸和为活塞缸提供压力的机械助力泵，其中，机械助力泵与活塞缸的无杆腔端连接，活塞缸的活塞杆穿过套管夹持器抵接套管。机械助力泵将流体压到活塞缸的无杆腔推动活塞杆向套管移动，套管在径向上移动从而改变与钻杆之间的贴靠力的大小。因此，若作用在套管与钻杆之间的贴靠力相同，相同的推动力作用下钻杆移动速度越快的，钻杆与套管之间的滑动摩擦系数越小。

在一个优选的实施例中，所述活塞杆的端头面积比活塞杆的横截面积大，所述活塞杆与套管夹持器动密封连接。活塞杆的端头面积比活塞杆的横截面积大，增大了活塞杆与套管之间的作用面积，减少了套管的局部应力。因此，套管更不容易被磨损。

在一个实施例中，所述套管夹持器包括套筒和分别与套筒的两端固定连接的两端的夹持器体，所述套管与套管轴向固定连接，所述钻杆穿过两端的夹持器体并与两端的夹持器体动密封连接。套管夹持器的这种结构方便加工，有利于套管和钻杆的安装。

在一个优选的实施例中，所述钻井液回收组件包括用于对套管内流出的钻井液进行降温处理的冷却器件和用于加速降温处理后的钻井液运送速度的压力泵，所述冷却器件与压力泵连接，所述压力泵与储液罐连接。钻井液经过降温处理后回收到储液罐，被循环利用。

在一个实施例中，所述钻杆的外径为25～35mm，长度为500mm。与实际工况接近，测试得到的结果更准确。

在一个优选的实施例中，所述套管的内径比钻杆的外径大0.3～0.8mm，套筒的长度为300mm。在压力机构未加压时，套管与钻杆之间为间隙配合。在压力机构加压时，套管相对钻杆做径向运动，套管有一侧与钻杆紧靠，另一侧允许钻井液顺利流出。

在一个实施例中，所述驱动件为步进电机，第一测试单元包括连接在步进电机与钻杆之间的推力传感器和与推力传感器连接的显示器。第一测试单元测试得到步进电机对钻杆的推动力。

在一个实施例中，第二测试单元包括设在套管与钻杆的摩擦面上的压力传感器、设在钻杆上的速度传感器以及用于与压力传感器和速度传感器连接的存储显示器件。第二测试单元测试得到钻杆与套管之间的贴靠力以及钻杆的钻进速度。在钻进过程中，一般是要求钻杆做匀速钻进。

附图说明

图1所示是本实用新型的测定钻杆与套管的滑动摩擦系数的装置的一种具体实施例。

图2所示是图1中的摩擦机构的一种具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

在图1中示出了本实用新型的测定钻杆与套管的滑动摩擦系数的实验装置的一种具体实施例。在该实施例中，该装置主要包括：包含套管8与钻杆9的摩擦机构、动态钻井液供应机构、压力机构5和测试机构。其中，摩擦机构还包括驱动钻杆9的驱动件12和用于连接套管8的套管夹持器7。在本实施例中，驱动件12优选为步进电机。另外，钻杆9穿过套管8且与套管8贴合，套管8轴向固定地设在套管夹持器7内。

在一个优选的实施例中，如图2所示，套管夹持器7主要包括套筒7.2和连接在套筒7.2的两侧的夹持器体7.1和7.3。两侧的夹持器体7.1和7.3和套筒7.2组成套管夹持器7的外壳。套管8轴向固定地设置在套筒7.2内，套管8在径向方向上与套筒7.2的内壁之间设置有弹性垫圈7.6。在左侧的夹持器体7.3与右侧的夹持器体7.1上分别设有出液口7.8和进液口7.7。钻杆9依次穿过右侧的夹持器体7.1、套管8和左侧的夹持器体7.3，钻杆9与右侧的夹持器体7.1之间、钻杆9与左侧的夹持器体7.3之间均通过密封件7.5形成动密封，以实现套管8与钻杆9贴靠时钻井液循环***的密封。

在一个优选的实施例中，钻杆9的外径为25～35mm，长度为500mm。相应地，套管8的内径比钻杆9的外径大0.3～0.8mm，套管8的长度为300mm。

在本实施例中，与套管夹持器7连接的压力机构为套管8与钻杆9之间的摩擦钻进提供贴靠压力或贴靠力。在一个优选的实施例中，该压力机构主要包括活塞缸10和为活塞缸10提供压力的机械助力泵12。其中，机械助力泵12与活塞缸10的无杆腔端连接，活塞缸10的活塞杆穿过套管夹持器7的套筒7.2抵接套筒7.2内的套管3.2。为了防止出现钻井液泄漏，活塞缸10的活塞杆7.3与套筒7.2之间通过密封件7.4实现动密封。优选地，活塞杆7.3的端头面积比活塞杆7.3的其它部位的横截面积大。这样的构造增大了活塞杆7.3与套管8的接触面积，因此能减少套管8接触处的变形。

在本实施例中，动态钻井液供应机构，其与摩擦机构连接，为钻杆9与套管8的摩擦钻进提供动态钻井液。动态钻井液不仅起到润滑作用，而且能带动钻进过程中因摩擦产生的热量。在一个实施例中，该动态钻井液供应机构主要包括存储有钻井液的储液罐1、输送泵3和钻井液回收组件。其中，储液罐1内设有对钻井液进行搅拌的搅拌器2。在一个优选的实施例中，钻井液回收组件包括冷却器件14和压力泵15。冷却器件14的进口与出液口7.8连接，冷却器件14的出口与压力泵15连接，压力泵15与储液罐1连接。

在一个实施例中，驱动件15采用步进电机。在驱动件15与钻杆9之间设有推力传感器13。

在一个实施例中，如图2所示，在套管8与钻杆9的摩擦面上设有应力传感器或压力传感器16，在钻杆9上设有速度传感器17。

在一个优选的实施例中，推力传感器13、压力传感器以及速度传感器均连接到存储显示器件6上。

在一个优选的实施例中，在输送泵3的出口连接有流量计4，在输送泵3与摩擦机构之间的管线上连接有压力传感器5。优选地，流量计4和压力传感器5均连接到存储显示器件6。

在本实施例中，钻井液的环形过程为：从储液罐1中的钻井液被输送泵3抽出，经耐压管线和进液口7.7输送到套管夹持器7内，对套管8与钻杆9的摩擦钻进提供润滑和冷却。然后钻井液经出液口7.8流出到冷却器件14进行冷却处理，处理后的钻井液经压力泵15输送回到储液罐1。完成钻井液的一个循环过程。

在实验过程中，钻井液在循环泵3的作用下被送入，钻杆9与套管夹持器7之间的环空管路。待钻井液在钻杆9与套管夹持器7之间的环空管路中稳定流动后，由活塞缸10和机械助力泵12来调整钻杆9与套管8之间的贴靠力的大小。开动步进电机，控制钻杆9在套管夹持器7中做滑动运动，由推力传感器13显示和存储钻杆9与套管8之间的动摩擦力。另外，压力传感器以及速度传感器也将检测到的信息传送给存储显示器件6。依据为滑滑动摩擦系数公式：f＝μN，其中f代表摩擦力，μ代表滑动摩擦系数，N代表模拟钻杆在套管表面的压力，计算得到模拟钻杆与套管之间的滑动摩擦系数。然后根据滑动摩擦系数与钻井液的润滑系数之间的关系换算得到钻井液的润滑系数。

虽然已经结合具体实施例对本实用新型进行了描述，然而可以理解，在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本实用新型的范围内。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种测定钻杆与套管的滑动摩擦系数的装置，其特征在于，包括：

包含套管与钻杆的摩擦机构，其还包括为钻杆的匀速摩擦钻进提供驱动力的驱动件和连接套筒的套管夹持器，其中，钻杆穿过套筒且与套筒贴合，套筒轴向固定地设在套管夹持器内；

动态钻井液供应机构，其与摩擦机构连接，为钻杆与套管的匀速摩擦钻进提供动态钻井液；

压力机构，与套管夹持器连接，为套管与钻杆的摩擦钻进提供贴靠压力；和

测试机构，其包括测定钻杆的推动力的第一测试单元和用于测试套管与钻杆间的贴靠压力的第二测试单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动态钻井液供应机构包括：

存储有钻井液的储液罐，其内设有对钻井液进行搅拌的搅拌器；

输送泵，与储液罐连接，将储液罐内的钻井液运送到套管内；和

钻井液回收组件，对从套管内流出的钻井液进行回收。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述压力机构包括活塞缸和为活塞缸提供压力的机械助力泵，其中，机械助力泵与活塞缸的无杆腔端连接，活塞缸的活塞杆穿过套管夹持器抵接套管。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述活塞杆的端头面积比活塞杆的横截面积大，所述活塞杆与套管夹持器动密封连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述套管夹持器包括套筒和分别与套筒的两端固定连接的两端的夹持器体，所述套管与套管轴向固定连接，所述钻杆穿过两端的夹持器体并与两端的夹持器体动密封连接。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述钻井液回收组件包括用于对套管内流出的钻井液进行降温处理的冷却器件和用于加速降温处理后的钻井液运送速度的压力泵，所述冷却器件与压力泵连接，所述压力泵与储液罐连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述钻杆的外径为25～35mm，长度为500mm。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述套管的内径比钻杆的外 径大0.3～0.8mm，套筒的长度为300mm。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动件为步进电机，第一测试单元包括连接在步进电机与钻杆之间的推力传感器和与推力传感器连接的显示器。

10.根据权利要求1或9所述的装置，其特征在于，第二测试单元包括设在套管与钻杆的摩擦面上的压力传感器、设在钻杆上的速度传感器以及用于与压力传感器和速度传感器连接的存储显示器件。