[發(fā)明專利]一種模擬底部鉆具組合力學(xué)特性的試驗裝置及試驗方法

無效

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• 申請日: 2012-12-18
• 公開（公告）號: CN103061745A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 房軍;高德利;范永濤;張輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油大學(xué)(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(xué)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(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、提升系統(tǒng)；模擬底部鉆具組合系統(tǒng)由模擬井筒(16)、模擬鉆鋌(17)、模擬穩(wěn)定器(18)、模擬鉆頭(24)組成；驅(qū)動系統(tǒng)由電動機(11)、液壓馬達(dá)(12)組成；控制系統(tǒng)由測控儀(13)、工控機(14)組成；測量系統(tǒng)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(tǒng)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(quán)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(tǒng)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(wěn)定器(18)為鋼制圓管，其內(nèi)徑與模擬鉆鋌外徑相等，其外徑可變以模擬不同直徑的穩(wěn)定器，在模擬穩(wěn)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(wěn)定器(18)，通過滑動調(diào)節(jié)模擬穩(wěn)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(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于：所述驅(qū)動系統(tǒng)的電動機(11)為交流伺服電機，可以進(jìn)行無級變速，為模擬鉆鋌(17)提供轉(zhuǎn)速；液壓馬達(dá)(12)采用高壓油源驅(qū)動，可以驅(qū)動模擬鉆鋌(17)，提供軸向位移。

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

5.如權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于：所述測量系統(tǒng)的信號采集模塊(20)包括電壓采集器和應(yīng)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(jìn)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(zhuǎn)角。

6.如權(quán)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(cè)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(yīng)變可以測量模擬鉆頭(24)的軸向力；側(cè)向力傳感器由相間120°的3個彈性片構(gòu)成，其圍成的內(nèi)切圓直徑與模擬鉆頭(24)的直徑相等；應(yīng)變片貼在彈性片的兩面構(gòu)成半橋連接的應(yīng)變式測力傳感器；通過和應(yīng)變采集器配合使用以測量模擬鉆頭(24)的側(cè)向力。

7.如權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于：所述提升系統(tǒng)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(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；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(jìn)而帶動試驗臺(4)的滾輪(3)在軌道(2)上轉(zhuǎn)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(quán)利要求1-7任一項所述的模擬底部鉆具組合力學(xué)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(wěn)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(diào)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(yīng)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(cè)向力傳感器連接；

3)啟動提升系統(tǒng)將試驗臺(4)提升至需要的井斜角；

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

5)啟動控制系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(jù)試驗要求，初始化各個數(shù)據(jù)采集器；

7)采集試驗數(shù)據(jù)，并觀察試驗現(xiàn)象；

8)在模擬鉆鋌(17)旋轉(zhuǎn)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(fā)生塑性變形，如已經(jīng)發(fā)生塑性變形，則需要更換試件；

10)改變試驗條件，重復(fù)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(jìn)行了對比試驗后，停止試驗。