專利名稱：水平井鉆柱動力學(xué)仿真實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種應(yīng)用于石油鉆采設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域中的研究水平鉆柱動力學(xué)特性的綜合實驗裝置。
技術(shù)背景水平井工程是近年發(fā)展起來的ー項新技術(shù)，是實現(xiàn)“稀井高產(chǎn)”的重要手段，在低壓、低滲、薄油藏稠油藏及常規(guī)技術(shù)難以取得經(jīng)濟效益的油田的開發(fā)上發(fā)揮了重要作用。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者和專家對水平井進行了大量的靜力學(xué)分析。盡管鉆柱靜カ分析有助于較好地控制鉆井過程和實現(xiàn)井眼軌跡預(yù)測，但實際的鉆井過程是個動態(tài)過程，鉆柱受カ隨時間的變化而變化。在復(fù)雜的邊界條件下，鉆柱產(chǎn)生縱、橫、扭三維耦合振動，這不僅降低了鉆進速度，引起鉆柱的磨損及疲勞破壞，也使井眼軌跡更加難以控制。為了更好地了解和掌握水平井鉆柱的運動狀態(tài)，便于科學(xué)預(yù)測井眼軌跡和掲示鉆柱失效的動力學(xué)機理，需要進行水平井鉆柱動力學(xué)分析。但是，現(xiàn)有的實驗設(shè)備卻不能進行上述分析和實驗工作。
發(fā)明內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中所提到的技術(shù)問題，本實用新型提供ー種水平井鉆柱動力學(xué)仿真實驗裝置，該種實驗裝置既能對水平井鉆柱進行動力學(xué)仿真，又能對斜式井鉆柱進行動力學(xué)仿真，彌補了現(xiàn)有技術(shù)中的空白。本實用新型的技術(shù)方案是該種水平井鉆柱動力學(xué)仿真實驗裝置，包括工作板、齒輪齒條鉆機虛擬樣機、入口泵、出口泵、水箱以及底座，齒輪齒條鉆機虛擬樣機固定于工作板上表面，工作板下表面與底座之間通過液壓缸連接，工作板與底座的側(cè)邊通過銷軸鉸接；其獨特之處在于所述工作板上固定有ー個帶有測試裝置的桿柱單元，其中，所述桿柱単元由連接法蘭、扭矩傳感器、外筒、壓桿、內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭、壓カ傳感器以及激振器連接后構(gòu)成。其中，外筒為透明的有機玻璃管，壓桿為可旋轉(zhuǎn)的無縫鋼管，壓桿位于外筒內(nèi)，二者之間有環(huán)空；所述測試裝置由位移傳感器、壓電式カ傳感器、閥桿、閥頭以及測試裝置外筒連接后組成；測試裝置外筒固定于外筒上，與外筒的垂直方向呈10度夾角，位移傳感器亦固定于外筒上，位移傳感器的探頭與閥桿始終保持接觸；壓電式力傳感器位于測試裝置的末端，其觸頭緊貼閥桿，所述閥頭與閥桿做固定聯(lián)結(jié)，閥頭在彈簧回復(fù)カ的作用下始終與壓桿保持接觸；所述測試裝置間隔分布于外筒上的三個等距的測試點上；所述內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭由接頭外殼、接頭內(nèi)圈和接頭旋體組成；接頭外殼約束于固定支架上，可沿軸向相對滑動，與外筒柔性連接，接頭內(nèi)圈上開有作為鉆井液循環(huán)通道的三個溢水槽，接頭旋體的下端有六個鉆井液的循環(huán)通道；所述齒輪齒條鉆機虛擬樣機上的壓桿轉(zhuǎn)矩電機通過連接法蘭與扭矩傳感器剛性連接，提供壓桿轉(zhuǎn)矩；扭矩傳感器的另一端與壓桿的上端也通過法蘭做剛性連接，所述壓桿的左端通過內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭和外筒的下端相連，壓カ傳感器的兩端分別與激振器和內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭相連接；所述壓桿轉(zhuǎn)矩電機為空心軸電機，所述內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭的外殼與外筒的連接為柔性連接；由所述入口泵經(jīng)過壓桿轉(zhuǎn)矩電機的空心軸、壓桿的內(nèi)腔、內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭中的液流通道、壓桿與外筒之間的環(huán)空、出口泵至水箱構(gòu)成鉆井液的流動通道。本實用新型具有如下有益效果該種實驗裝置設(shè)有外筒、壓桿、虛擬樣機、扭矩傳感器、位移傳感器、壓カ傳感器、內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭、激振器、液壓缸以及配合工作的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機、信號發(fā)生器、功率放大器等。虛擬樣機固定于工作板上表面，工作板下表面與底座通過液壓缸連接，工作板與底座下端通過銷軸鉸接。虛擬樣機裝有三個電機，一個提供轉(zhuǎn)矩，通過連接法蘭和扭矩傳感器，與壓桿固聯(lián)在一起；其余兩電機對稱布置，分別與ー個驅(qū)動齒輪相連，通過齒輪齒條的嚙合傳動，為壓桿提供鉆壓。內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭的接頭外殼與外筒相連，接頭旋體與壓桿固聯(lián)，隨壓桿一起轉(zhuǎn)動，接頭外殼約束于固定支架上，可沿軸向相對滑動。壓カ傳感器兩端分別與激振器和壓桿下端相連。外筒上設(shè)有等距的三個測試點上，其間距為1000mm，測試裝置固定于三個測試點上；工作狀態(tài)下，測試系統(tǒng)將所測得數(shù)據(jù)通過功率放大器放大，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集裝置傳輸給計算機。 應(yīng)用時，內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭外殼與外筒的連接為柔性連接，工作狀態(tài)下無沖擊，且具有較好的密封性。與傳統(tǒng)的鉆桿動力學(xué)分析系統(tǒng)相比，本裝置工作板與底座下端鉸接，上端通過ー對對稱布置的液壓缸相互連接，因此既可實現(xiàn)水平井鉆柱動力學(xué)仿真，又可實現(xiàn)斜式井鉆柱動力學(xué)仿真；同時，在鉆桿上依次設(shè)置三個等距的測試點，可對鉆桿在工作狀態(tài)下的動態(tài)特性進行較為全面的測試及分析。整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，明顯降低了制造安裝成本；并且，系統(tǒng)操作簡便，安全，動カ消耗小，節(jié)省能源。


圖I為本裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本裝置應(yīng)用于斜式井進行鉆桿動力學(xué)分析的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為齒輪齒條鉆機虛擬樣機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實用新型所述測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本實用新型所述內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中ト壓桿轉(zhuǎn)矩電機，2-連接法蘭，3-扭矩傳感器，4-外筒，5-壓桿，6-測試裝置，7-內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭，8-壓カ傳感器，9-激振器，10-液壓缸，11-位移傳感器，12-壓電式カ傳感器，13_閥桿，14_閥頭，15-接頭外殼，16-接頭內(nèi)圈，17-接頭旋體。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型作進ー步說明由圖I至圖3所示，該種水平井鉆柱動力學(xué)仿真實驗裝置，包括工作板、齒輪齒條鉆機虛擬樣機、入口泵、出口泵、水箱以及底座，齒輪齒條鉆機虛擬樣機固定于工作板上表面，工作板下表面與底座之間通過液壓缸10連接，工作板與底座的側(cè)邊通過銷軸鉸接；其獨特之處在于所述工作板上固定有ー個帶有測試裝置6的桿柱單元，其中，所述桿柱単元由連接法蘭2、扭矩傳感器3、外筒4、壓桿5、內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭7、壓カ傳感器8以及激振器9連接后構(gòu)成；其中，外筒4為透明的有機玻璃管，壓桿5為可旋轉(zhuǎn)的無縫鋼管，壓桿5位于外筒4內(nèi)，二者之間有環(huán)空。所述測試裝置6的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由位移傳感器11、壓電式力傳感器12、閥桿13、閥頭14以及測試裝置外筒連接后組成；測試裝置外筒固定于外筒4上，與外筒4的垂直方向呈10度夾角，位移傳感器11亦固定于外筒4上，位移傳感器的探頭與閥桿13始終保持接觸；壓電式力傳感器12位于測試裝置的末端，其觸頭緊貼閥桿13，所述閥頭14與閥桿13做固定聯(lián)結(jié)，閥頭14在彈簧回復(fù)カ的作用下始終與壓桿5保持接觸；所述測試裝置6間隔分布于外筒4上的三個等距的測試點上；所述內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭7的結(jié)構(gòu)如圖5所示，由接頭外殼15、接頭內(nèi)圈16和接頭旋體17組成；接頭外殼15約束于固定支架上，可沿軸向相對滑動，與外筒4柔性連接，接頭內(nèi)圈16上開有作為鉆井液循環(huán)通道的三個溢水槽，接頭旋體17的下端有六個鉆井液的循環(huán)通道；所述齒輪齒條鉆機虛擬樣機上的壓桿轉(zhuǎn)矩電機I通過連接法蘭2與扭矩傳感器3剛性連接，提供壓桿轉(zhuǎn)矩；扭矩傳感器3的另一端與壓桿5的上端也通過法蘭做剛性連接，所述壓桿5的左端通過內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭7和外筒7的下端相連，壓カ傳感器8的兩端分 別與激振器9和內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭7相連接；所述壓桿轉(zhuǎn)矩電機I為空心軸電機，所述內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭的外殼15與外筒4的連接為柔性連接；由所述入口泵經(jīng)過壓桿轉(zhuǎn)矩電機的空心軸、壓桿5的內(nèi)腔、內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭7中的液流通道、壓桿5與外筒4之間的環(huán)空、出口泵至水箱構(gòu)成鉆井液的流動通道。圖2為本裝置應(yīng)用于斜式井進行鉆桿動力學(xué)分析的結(jié)構(gòu)示意圖，通過對稱布置的液壓缸10活塞的伸縮，可實現(xiàn)斜式井鉆柱動力學(xué)的仿真。如圖3所示，為齒輪齒條鉆機虛擬樣機的模型圖，該虛擬樣機主要由頂驅(qū)系統(tǒng)、齒輪齒條嚙合的傳動系統(tǒng)和井架組成。兩排齒條固定在井架中部；頂驅(qū)上配有三個電機，上端是空心軸電機，通過連接法蘭、扭矩傳感器與壓桿固聯(lián)在一起，提供壓桿所需轉(zhuǎn)矩，其余兩個電機是普通三相異步電機，分居兩側(cè)，對稱布置，兩電機分別與驅(qū)動齒輪相連，通過齒輪齒條的嚙合傳動，為壓桿提供鉆壓。在進行鉆桿動力學(xué)仿真時，模擬鉆井液通過入口泵的作用，通過空心軸電機進入到壓桿內(nèi)腔，經(jīng)過內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭，進入到壓桿外壁與外筒內(nèi)壁間的環(huán)空間隙，最后再通過出口泵回到水箱。工作過程中，模擬鉆井液壓カ值可通過壓カ表測得。虛擬樣機頂驅(qū)系統(tǒng)的空心軸電機由變頻器進行無級變速，可進行不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)運動，其扭矩大小可通過扭矩傳感器進行測量；其余兩個對稱布置的三相異步電機分別與ー個驅(qū)動齒輪相連，通過齒輪齒條的嚙合傳動，帶動頂驅(qū)運動，從而為壓桿提供鉆壓；下端加載系統(tǒng)裝有激振器、壓力傳感器等部件，壓桿旋轉(zhuǎn)時，激振器產(chǎn)生軸向振動，響應(yīng)信號發(fā)生器作為激勵源，可以模擬軸向力的施加，通過壓カ傳感器來監(jiān)測軸向力的大??；測量系統(tǒng)采用接觸式測試裝置，當壓桿旋轉(zhuǎn)時，閥頭隨著運動，閥桿也隨之運動，繼而推動位移傳感器探頭縱向移動，將橫向位移轉(zhuǎn)為縱向位移進行測量；閥桿同時壓縮彈簧，觸動測試裝置尾部的壓電式カ傳感器，從而測出橫向推力的大小，所測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器傳輸給計算機。
權(quán)利要求1.一種水平井鉆柱動力學(xué)仿真實驗裝置，包括工作板、齒輪齒條鉆機虛擬樣機、入口泵、出口泵、水箱以及底座，齒輪齒條鉆機虛擬樣機固定于工作板上表面，工作板下表面與底座之間通過液壓缸(10)連接，工作板與底座的側(cè)邊通過銷軸鉸接；其特征在于所述工作板上固定有一個帶有測試裝置(6)的桿柱單元，其中，所述桿柱單元由連接法蘭(2)、扭矩傳感器(3)、外筒(4)、壓桿(5)、內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭(7)、壓力傳感器(8)以及激振器(9)連接后構(gòu)成；其中，外筒(4)為透明的有機玻璃管，壓桿(5)為可旋轉(zhuǎn)的無縫鋼管，壓桿(5)位于外筒(4)內(nèi)，二者之間有環(huán)空； 所述測試裝置(6)由位移傳感器(11)、壓電式力傳感器(12)、閥桿(13)、閥頭(14)以及測試裝置外筒連接后組成；測試裝置外筒固定于外筒(4)上，與外筒(4)的垂直方向呈10度夾角，位移傳感器(11)亦固定于外筒(4)上，位移傳感器的探頭與閥桿(13)始終保持接觸；壓電式力傳感器(12)位于測試裝置的末端，其觸頭緊貼閥桿(13)，所述閥頭(14)與閥桿(13)做固定聯(lián)結(jié)，閥頭(14)在彈簧回復(fù)力的作用下始終與壓桿(5)保持接觸；所述測試裝置(6)間隔分布于外筒(4)上的三個等距的測試點上； 所述內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭(7)由接頭外殼(15)、接頭內(nèi)圈(16)和接頭旋體(17)組成；接頭外殼(15)約束于固定支架上，可沿軸向相對滑動，與外筒(4)柔性連接，接頭內(nèi)圈(16)上開有作為鉆井液循環(huán)通道的三個溢水槽，接頭旋體(17)的下端有六個鉆井液的循環(huán)通道； 所述齒輪齒條鉆機虛擬樣機上的壓桿轉(zhuǎn)矩電機(I)通過連接法蘭(2)與扭矩傳感器(3)剛性連接，提供壓桿轉(zhuǎn)矩；扭矩傳感器(3)的另一端與壓桿(5)的上端也通過法蘭做剛性連接，所述壓桿(5)的左端通過內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭(7)和外筒(4)的下端相連，壓力傳感器(8)的兩端分別與激振器(9)和內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭(7)相連接；所述壓桿轉(zhuǎn)矩電機(I)為空心軸電機，所述內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭的外殼(15)與外筒(4)的連接為柔性連接； 由所述入口泵經(jīng)過壓桿轉(zhuǎn)矩電機的空心軸、壓桿(5)的內(nèi)腔、內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭(7)中的液流通道、壓桿(5)與外筒(4)之間的環(huán)空、出口泵至水箱構(gòu)成鉆井液的流動通道。
專利摘要一種水平井鉆柱動力學(xué)仿真實驗裝置。主要解決現(xiàn)有的實驗裝置不能進行水平井鉆柱動力學(xué)分析的問題。其特征在于工作板上固定帶有測試裝置的桿柱單元，桿柱單元由連接法蘭、扭矩傳感器、外筒、壓桿、內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭、壓力傳感器以及激振器連接后構(gòu)成；其中，外筒為透明的有機玻璃管，壓桿為可旋轉(zhuǎn)的無縫鋼管，壓桿位于外筒內(nèi)，二者之間有環(huán)空；由入口泵經(jīng)過壓桿轉(zhuǎn)矩電機的空心軸、壓桿的內(nèi)腔、內(nèi)外介質(zhì)循環(huán)接頭中的液流通道、壓桿與外筒之間的環(huán)空、出口泵至水箱構(gòu)成鉆井液的流動通道。本種實驗裝置既能對水平井鉆柱進行動力學(xué)仿真，又能對斜式井鉆柱進行動力學(xué)仿真，彌補了現(xiàn)有技術(shù)中的空白。
文檔編號E21B47/00GK202520301SQ20122019882
公開日2012年11月7日 申請日期2012年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月6日
發(fā)明者任福深, 王化友, 陳素麗, 雷娜, 馬若虛 申請人:東北石油大學(xué)