[發明專利]一種模擬底部鉆具組合力學特性的試驗裝置及試驗方法

無效

• 申請號: 201210548480.6
• 申請日: 2012-12-18
• 公開（公告）號: CN103061745A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 房軍;高德利;范永濤;張輝
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京)
• 主分類號: E21B47/007
• 分類號: E21B47/007
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種模擬底部鉆具組合力學特性的試驗裝置，其特征在于，該裝置包括模擬底部鉆具組合系統、驅動系統、控制系統、測量系統、提升系統；模擬底部鉆具組合系統由模擬井筒(16)、模擬鉆鋌(17)、模擬穩定器(18)、模擬鉆頭(24)組成；驅動系統由電動機(11)、液壓馬達(12)組成；控制系統由測控儀(13)、工控機(14)組成；測量系統由計算機(19)、信號采集模塊(20)、電渦流位移傳感器(21)、信號電纜(22)、測力裝置(23)組成；提升系統由接頭(5)、滑塊(6)、電動機(7)、試驗架(8)、滑輪(9)、鋼纜(10)組成。

2.如權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于：所述模擬底部鉆具組合系統的模擬井筒(16)由玻璃管或金屬管制成；模擬鉆鋌(17)為鋼制圓管；模擬穩定器(18)為鋼制圓管，其內徑與模擬鉆鋌外徑相等，其外徑可變以模擬不同直徑的穩定器，在模擬穩定器上加工若干螺孔，用沉孔螺栓固緊模擬鉆鋌(17)和模擬穩定器(18)，通過滑動調節模擬穩定器的位置以模擬不同的底部鉆具組合；模擬鉆頭(24)由螺桿和直徑一定的鋼制圓球組成；模擬鉆鋌(17)和模擬鉆頭(24)通過螺紋連接。

3.如權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于：所述驅動系統的電動機(11)為交流伺服電機，可以進行無級變速，為模擬鉆鋌(17)提供轉速；液壓馬達(12)采用高壓油源驅動，可以驅動模擬鉆鋌(17)，提供軸向位移。

4.如權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于：所述控制系統的測控儀(13)采用電液伺服控制系統，實現模擬鉆鋌(17)軸向力的動靜態加載控制；工控機(14)用以控制模擬鉆鋌(17)的轉速。

5.如權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于：所述測量系統的信號采集模塊(20)包括電壓采集器和應變采集器；電渦流位移傳感器(21)包括三組，每組2個，各組分別安裝在模擬鉆鋌(17)的加載端、中部和近鉆頭端，通過信號電纜(22)連接，和電壓采集器配合使用測量模擬鉆鋌(17)互相垂直的兩個徑向方向的位移信號并通過計算機(19)讀取，可以合成模擬鉆鋌(17)的位移，進而得到模擬鉆鋌(17)的渦動軌跡和方向；位于模擬鉆鋌(17)近鉆頭端的電渦流位移傳感器與模擬鉆頭(24)的距離可以測量，又由其徑向方向的位移，可以得到模擬鉆頭(24)的轉角。

6.如權利要求5所述的試驗裝置，其特征在于：所述測力裝置(23)包括一個拉壓傳感器和一個側向力傳感器；拉壓傳感器的壓桿為平頭螺栓，模擬鉆頭(24)與壓桿在同一軸線上，通過測量壓桿的應變可以測量模擬鉆頭(24)的軸向力；側向力傳感器由相間120°的3個彈性片構成，其圍成的內切圓直徑與模擬鉆頭(24)的直徑相等；應變片貼在彈性片的兩面構成半橋連接的應變式測力傳感器；通過和應變采集器配合使用以測量模擬鉆頭(24)的側向力。

7.如權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于：所述提升系統的電動機(7)為交流伺服電機，通過控制面板可以控制電動機(7)的正轉或反轉；滑輪(9)安裝在試驗架(8)的頂端；電動機(7)通過滑輪(9)可以控制鋼纜(10)的上提或下放，帶動滑塊(6)，通過接頭(5)進而帶動試驗臺(4)的滾輪(3)在軌道(2)上轉動，可以將試驗臺(4)提升至需要的井斜角；擋板(1)防止試驗臺(4)滑出軌道(2)。

8.一種采用權利要求1-7任一項所述的模擬底部鉆具組合力學特性的試驗裝置的試驗方法，其特征在于包含以下步驟：

1)將模擬鉆鋌(17)和模擬鉆頭(24)通過螺紋連接，將模擬穩定器(18)通過沉孔螺栓安裝在模擬鉆鋌(17)上形成模擬鉆柱，將模擬井筒(16)套在模擬鉆柱外面并將模擬井筒(16)安裝在可調支座(15)上夾緊；

2)通過信號電纜(22)將計算機(19)、信號采集模塊(20)包含的電壓采集器和應變采集器、電渦流位移傳感器(21)、測力裝置(23)包含的拉壓傳感器和側向力傳感器連接；

3)啟動提升系統將試驗臺(4)提升至需要的井斜角；

4)啟動驅動系統，打開測控儀(13)，通過測控儀(13)發動電動機(11)并通過液壓馬達將油源加壓至所需壓力；

5)啟動控制系統，打開工控機(14)，通過控制軟件控制電動機(7)為模擬鉆鋌(17)加載合適的轉速；通過測控儀(13)為模擬鉆鋌(17)加載一定的軸向位移；

6)根據試驗要求，初始化各個數據采集器；

7)采集試驗數據，并觀察試驗現象；

8)在模擬鉆鋌(17)旋轉一定時間后卸載，卸載速度與加載速度相同；

9)卸載完畢檢查模擬鉆鋌(17)的變形情況，觀察是否發生塑性變形，如已經發生塑性變形，則需要更換試件；

10)改變試驗條件，重復步驟1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)、9)，直到對不同條件下的模擬底部鉆具組合進行了對比試驗后，停止試驗。