專利名稱：鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)行為研究試驗(yàn)臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)行為研究試驗(yàn)臺(tái)。
技術(shù)背景
幾十年來，許多從事直井防斜、井眼軌跡控制和研究鉆柱力學(xué)的 中外學(xué)者基于不同的研究目標(biāo)和研究方法，提出了鉆柱在井眼中存在 "自轉(zhuǎn)"、"同步公轉(zhuǎn)"、"既有自轉(zhuǎn)也有公轉(zhuǎn)"、"反向轉(zhuǎn)動(dòng)"等 不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的假設(shè)，并提出了許多對工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義的論 點(diǎn)；同時(shí)在鉆井作業(yè)中，經(jīng)常遇到鉆柱的振動(dòng)現(xiàn)象，鉆遇地層的巖性 硬度等狀況越復(fù)雜，鉆柱的振動(dòng)問題也越難以解決。對于鉆柱試驗(yàn)裝 置，石油大學(xué)的管志川等人設(shè)計(jì)建造了直井底部鉆柱試驗(yàn)裝置。該試 驗(yàn)裝置未能引入流體，僅能模擬無流體的鉆柱動(dòng)力學(xué)行為。 實(shí)用新型內(nèi)容
為了克服背景技術(shù)中的不足，本實(shí)用新型提供一種鉆柱與鉆井液 耦合動(dòng)力學(xué)行為研究試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單巧妙，可進(jìn)行固體、 流固耦合的動(dòng)力學(xué)行為研究，也可進(jìn)行不同軸向力、不同轉(zhuǎn)速、不同 循環(huán)流體條件下運(yùn)動(dòng)特征的實(shí)驗(yàn)研究，為進(jìn)一步了解和分析井下旋轉(zhuǎn) 桿柱的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其影響因素提供了可靠的試驗(yàn)裝置。
本實(shí)用新型的采用的技術(shù)方案是該鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)行 為研究試驗(yàn)臺(tái)由懸掛系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、桿柱系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和井底模 擬系統(tǒng)組成。
所述的懸掛系統(tǒng)包括空心懸掛體，懸掛體上端由螺釘連接有上壓
蓋，懸掛體內(nèi)有心管，懸掛體與心管之間依次安裝有v形密封圈和單
向推力球軸承，單向推力球軸承下方的心管上螺紋連接有螺母，懸掛 體下部固定有螺帽，懸掛體上部連接有提環(huán)。
所述的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括花鍵套與大皮帶輪，花鍵套與心管連接，花 鍵套外壁通過螺栓連接有大皮帶輪，大皮帶輪下部外壁安裝有軸承、 軸承座、支架板及鎖緊螺母，大皮帶輪通過三角皮帶與小皮帶輪連接，小皮帶輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
所述的桿柱系統(tǒng)包括心管，心管下端通過調(diào)整接頭連接有內(nèi)桿 柱，內(nèi)桿柱外有外管，內(nèi)桿柱底端連接有尾管，尾管壁上有孔。
所述的循環(huán)系統(tǒng)包括出水管線和進(jìn)水管線，出水管線通過接頭與 內(nèi)桿柱和外管之間環(huán)腔相通，出水管線的末端置于水箱內(nèi)，進(jìn)水管線
的一置于水箱內(nèi)，其另一端通過短接由懸掛體內(nèi)通道與心管相通。
所述的井底模擬系統(tǒng)包括底架，底架上安裝有激振器，激振器上
連接有壓力傳感器，壓力傳感器通過單向推力球軸承A及軸承座A與 桿柱系統(tǒng)的尾管連接。
本實(shí)用新型具有如下有益效果本新型經(jīng)過改造與完善，劃分為 5大系統(tǒng)懸掛系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、桿柱系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、井底模擬系 統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)桿柱的上提、下放、旋轉(zhuǎn)及鉆井液循環(huán)等動(dòng)作，可測 試4個(gè)測試點(diǎn)的橫向位移、碰撞接觸力以及井底的軸向力、流體的流 速等。工作狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)內(nèi)管柱旋轉(zhuǎn)，激振器進(jìn)行軸向振動(dòng)， 鉆井液循環(huán)流過水箱、懸掛系統(tǒng)的進(jìn)水接頭、內(nèi)管柱、井底、內(nèi)外管 柱間的環(huán)空、水箱。試驗(yàn)前，通過懸掛系統(tǒng)的上提、下放來調(diào)整模擬 鉆壓，即內(nèi)桿柱作用在壓力傳感器的軸向力；工作狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)
通過皮帶輪帶動(dòng)花鍵套旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)內(nèi)管柱旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速的大小可由
變頻器來調(diào)節(jié)；激振器進(jìn)行軸向振動(dòng)，壓力傳感器可測出激振的大??； 模擬鉆井液循環(huán)流過水箱、懸掛系統(tǒng)的進(jìn)水接頭、內(nèi)管柱、尾管、內(nèi) 外管柱間的環(huán)空、水箱，排量可通過變頻器控制自吸泵電機(jī)的頻率、 調(diào)節(jié)回水管路的閥門2種方式來控制。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi)-提環(huán)，2-螺釘，3-上壓蓋，4-懸掛體，5-螺帽，6-花鍵套， 7-螺栓，8-大皮帶輪，9-支架板，10-鎖緊螺母，11-心管，12-出水 管線，13-尾管，14-放水閥，15-單向推力球軸承A， 16-軸承座A， 17-壓力傳感器，18-激振器，19-底架，20-內(nèi)桿柱，21-進(jìn)水管線， 22-外管，23-接頭，24-調(diào)整接頭，25-軸承座，26-軸承，27-流量表， 28-壓力表，29-螺母，30-二通闊，31-水泵，32-單向推力球軸承，33-V形密封圈，34-水箱，35-短接，36-電機(jī)，37-三角皮帶，38-小 皮帶輪，39-固定卡子。
具體實(shí)施方式
下面對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明該鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)行 為研究試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于由懸掛系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、桿柱系統(tǒng)、循 環(huán)系統(tǒng)和井底模擬系統(tǒng)組成。
所述的懸掛系統(tǒng)包括空心懸掛體4，懸掛體4上端由螺釘2連接 有上壓蓋3，懸掛體4內(nèi)有心管11，懸掛體4與心管11之間依次安 裝有V形密封圈33和單向推力球軸承32，單向推力球軸承32下方 的心管11上螺紋連接有螺母29，懸掛體4下部固定有螺帽5，懸掛 體4上部連接有提環(huán)1。懸掛系統(tǒng)通過心管11懸掛內(nèi)桿柱20，心管 11的臺(tái)肩下有單向推力球軸承32，其作用是當(dāng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過花鍵套 6驅(qū)動(dòng)心管11及內(nèi)桿柱20做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸掛系統(tǒng)不隨之旋轉(zhuǎn)。懸 掛系統(tǒng)的提環(huán)l接鋼絲繩，懸掛系統(tǒng)通過心管下聯(lián)內(nèi)管柱，懸掛系統(tǒng) 既可上提、下放內(nèi)桿柱來調(diào)節(jié)初始軸向力的大小，從而改變作用在激 振器上的壓力的大小。水、油等模擬鉆井液也可經(jīng)懸掛系統(tǒng)進(jìn)入管柱 進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。
所述的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括花鍵套6與大皮帶輪8，花鍵套6與心管11 連接，花鍵套6外壁通過螺栓7連接有大皮帶輪8，大皮帶輪8下部 外壁安裝有軸承26、軸承座25及鎖緊螺母10，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)坐放于支架 板9上，由鎖緊螺母10固定。大皮帶輪8通過三角皮帶37與小皮帶 輪38連接，小皮帶輪38由電機(jī)36驅(qū)動(dòng)。工作狀態(tài)下，電機(jī)36通過 小皮帶輪38驅(qū)動(dòng)內(nèi)管柱旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中大皮帶輪8驅(qū)動(dòng)花鍵套 6，從而驅(qū)動(dòng)內(nèi)桿柱20旋轉(zhuǎn)，這樣在內(nèi)桿柱20旋轉(zhuǎn)時(shí)，花鍵套6與 花鍵式內(nèi)桿柱20之間的軸向位移不干涉，即大皮帶輪8只傳遞給內(nèi) 桿柱20扭矩，而不影響內(nèi)桿柱20的軸向位移。
所述的桿柱系統(tǒng)包括心管11，心管11下端通過調(diào)整接頭24連 接有內(nèi)桿柱20，內(nèi)桿柱20外有外管22,內(nèi)桿柱20底端連接有尾管 13，尾管13壁上有孔。外管22由多個(gè)固定卡子39來固定，通過調(diào) 整外管22固定卡子39可模擬2°井斜的井眼軌道。內(nèi)桿柱20通過尾管13上的孔與外管22連通，循環(huán)液體由內(nèi)桿柱20、尾管13到井 底，再由尾管13孔流通至內(nèi)桿柱20與外管22的環(huán)空，然后上返至 井口的出水口。當(dāng)停止試驗(yàn)時(shí)，可通過連接在尾管13上的放水閥14 來排出內(nèi)桿柱20中的循環(huán)液體。激振器18提供軸向振動(dòng)來模擬井底 鉆井狀態(tài)，其振動(dòng)力大小由壓力傳感器17測定。井底系統(tǒng)的激振器 18進(jìn)行軸向振動(dòng)，而尾管13進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，尾管13與壓力傳感器 17、激振器18之間通過軸承A15及軸承座A16連接，解決2種運(yùn)動(dòng) 方式的干涉。
所述的循環(huán)系統(tǒng)包括出水管線12和進(jìn)水管線21，出水管線12 通過接頭23與內(nèi)桿柱20和外管22之間環(huán)腔相通，出水管線12的末 端置于水箱34內(nèi)，進(jìn)水管線21的一端置于水箱34內(nèi)，其另一端通 過短接35由懸掛體4內(nèi)通道與心管11相通，進(jìn)水管線21上安裝有 水泵31、 二通閥30、壓力表28及流量表27。 循環(huán)液體在水箱34 內(nèi)通過水泵31經(jīng)由進(jìn)水管線21及短接35進(jìn)入到內(nèi)桿柱20，由尾管 13的壁孔流到內(nèi)桿柱20和外管22之間環(huán)腔，由內(nèi)桿柱20和外管22 之間的環(huán)腔進(jìn)入到出水管線12，流回至水箱36完成循環(huán)。
所述的井底模擬系統(tǒng)包括底架19，底架19上安裝有激振器18， 激振器18上連接有壓力傳感器17,壓力傳感器17通過單向推力球 軸承A15及軸承座A16與桿柱系統(tǒng)的尾管13連接。內(nèi)桿柱20在旋轉(zhuǎn) 時(shí)，激振器18響應(yīng)信號發(fā)生器的激振力波形，模擬鉆進(jìn)過程中鉆壓 的施加，通過壓力傳感器17來監(jiān)測軸向力的大小。
權(quán)利要求1、一種鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)行為研究試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于由懸掛系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、桿柱系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和井底模擬系統(tǒng)組成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)行為研究試 驗(yàn)臺(tái)，其特征在于所述的懸掛系統(tǒng)包括空心懸掛體(4)，懸掛體(4)上端由螺釘(2)連接有上壓蓋(3)，懸掛體(4)內(nèi)有心管(11),懸掛體 (4)與心管(11)之間依次安裝有V形密封圈(33)和單向推力球軸承 (32)，單向推力球軸承(32)下方的心管(11)上螺紋連接有螺母(29), 懸掛體(4)下部固定有螺帽(5)，懸掛體(4)上部連接有提環(huán)(1)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)行為研究試 驗(yàn)臺(tái)，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括花鍵套(6)與大皮帶輪(8)， (3)，花鍵套(6)與心管(11)連接，花鍵套(6)外壁通過螺栓(7)連接有 大皮帶輪(8)，大皮帶輪(8)下部外壁安裝有軸承(26)、軸承座(25)、 支架板(9)及鎖緊螺母(10)，大皮帶輪(8)通過三角皮帶(37)與小皮帶 輪(38)連接，小皮帶輪(38)由電機(jī)(36)驅(qū)動(dòng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)行為研究試 驗(yàn)臺(tái)，其特征在于所述的桿柱系統(tǒng)包括心管(ll)，心管(ll)下端通 過調(diào)整接頭(24)連接有內(nèi)桿柱(20)，內(nèi)桿柱(20)外有外管(22)，內(nèi)桿 柱(20)底端連接有尾管(13)，尾管(13)壁上有孔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)行為研究試 驗(yàn)臺(tái)，其特征在于所述的循環(huán)系統(tǒng)包括出水管線(12)和進(jìn)水管線 (21)，出水管線(12)通過接頭(23)與內(nèi)桿柱(20)和外管(22)之間環(huán)腔 相通，出水管線(12)的末端置于水箱(34)內(nèi)，進(jìn)水管線(21)的一端置 于水箱(34)內(nèi)，其另一端通過短接(35)由懸掛體(4)內(nèi)通道與心管(ll) 相通。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)行為研究試 驗(yàn)臺(tái)，其特征在于所述的井底模擬系統(tǒng)包括底架(19)，底架(19) 上安裝有激振器(18)，激振器(18)上連接有壓力傳感器(17)，壓力傳感器(17)通過單向推力球軸承A(15)及軸承座A(16)與桿柱系統(tǒng)的尾 管(13)接觸。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種鉆柱與鉆井液耦合動(dòng)力學(xué)行為研究試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)由懸掛系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、桿柱系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和井底模擬系統(tǒng)組成。該試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單巧妙，可進(jìn)行固體、流固耦合的動(dòng)力學(xué)行為研究，也可進(jìn)行不同軸向力、不同轉(zhuǎn)速、不同循環(huán)流體條件下運(yùn)動(dòng)特征的實(shí)驗(yàn)研究，為進(jìn)一步了解和分析井下旋轉(zhuǎn)桿柱的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其影響因素提供了可靠的試驗(yàn)裝置。
文檔編號E21B47/00GK201391312SQ200920148228
公開日2010年1月27日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者丁宇奇, 劉巨保, 崔旭明, 李治淼, 敏 羅 申請人:大慶石油學(xué)院