[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

技術領域

本發明屬于管柱力學測試技術領域，涉及一種用于模擬底部鉆具組合力學特性的試驗裝置，還涉及應用該試驗裝置的試驗方法，用于對模擬鉆頭在旋轉鉆進過程中的軸向力、側向力、轉角及鉆柱不同位置的徑向運動軌跡進行測量。

背景技術

在石油勘探與開發過程中，鉆井是必不可少的基本環節，具有資金和技術密集型特征。鉆柱力學特性研究是現代鉆井工程理論和技術的重要組成部分。隨著鉆井技術向高溫高壓井、深井超深井、特殊工藝井(包括定向井、水平井、大位移井、復雜結構井、叢式井、欠平衡鉆井及套管鉆井等)等方向發展，對管柱力學特別是底部鉆具組合(Bottom-Hole?Assembly，簡稱BHA)力學性能的研究提出了更高的要求，以期進一步掌握底部鉆具組合防斜打快的機理。

國內外許多學者對底部鉆具組合的力學問題進行了大量理論研究，并通過建立理想模型和理論計算，取得了很多成果。比如，自1950年A.Lubinski較系統、全面地研究了豎直井中鉆柱的受力與變形，開創了鉆柱力學研究的新局面之后，先后出現了B.H.Walker的能量法、W.B.Bradley和F.J.Fischer的差分法、白家祉的縱橫彎曲法、K.K.Millheim的有限元法、高德利的加權余量法、狄勤豐的預彎曲動力學防斜打快鉆具組合動力學模型等，但僅從理論角度了解并分析底部鉆柱的力學特性是不全面的。

隨著隨鉆測井技術的發展，國外已分別利用電纜傳輸、井下存儲進行基于底部鉆柱動力學模型的井下實測和室內模擬測量等方法，取得有了較大發展。目前一些機構主要研制井下工具短節，通過現場測試獲取井下底部鉆具組合力學特性方面的相關數據。專利US4324297和US4445578分別設計了測量彎矩、剪切力的測試短節結構，由檢測的測量數據推導側向力，但這些有限的參數不能充分反映底部鉆具的力學特性。專利US4662458和US4958517提出在測試短節上布置應變片以實現底部鉆具的軸向力、扭矩、剪切力及彎矩等參數的測量，但現場實測面臨實現難度大、測試費用高等，同時現場測試的次數、場地和時間是有限制的，所以實測結果不能全面反映底部鉆具組合的力學特性。

由于現場實測存在以上問題，地面測量作為分析底部鉆具組合的力學特性的研究手段逐漸成為研究熱點之一。2001年Macpherson等人分別在鉆頭上部和輪盤上部的測試短節內安裝傳感器進行鉆壓、扭矩、彎矩及振動加速度等參數的地面測量，結合建立的鉆柱動態模型由地面測量結果估算底部鉆具動態特性。2004年管志川等人建立了直井底部鉆柱運動狀態的試驗裝置(參見：管志川，靳彥欣，王以法.直井底部鉆柱運動狀態的實驗研究[J].石油學報.2003，24(6)：102-106.)。該裝置選用有機玻璃管作為模擬井筒，利用工程塑料棒作為模擬底部鉆柱，為測量底部鉆柱在不同鉆壓、轉速條件下的運動狀態，在該模擬裝置上分別裝有鉆壓和位移傳感器，實時測量模擬底部鉆柱的轉速和鉆壓。但該試驗裝置的模擬底部鉆柱與實際鋼制鉆具存在差別，且不能進行各種井斜角下的對比試驗。2008年，中國專利200810239189.4提出了模擬底部鉆柱動態力的測量系統，但僅對鉆桿和穩定器進行了模擬而沒有模擬鉆頭，并且將近鉆頭端進行了固支，與實際鉆井過程中鉆頭屬于鉸支的實際情況不符。

地面測量無需考慮井下的多種復雜條件，結構設計相對簡單、現場安裝方便，但該方法需要對現場測試的邊界條件進行準確合適的處理。因此，為深入研究底部鉆具組合力學特性，有必要進一步開展底部鉆具組合力學特性的實驗室模擬試驗研究，從而可進一步改進底部鉆具組合的機械結構設計，進一步掌握底部鉆具組合防斜打快的機理。

發明內容

本發明目的是為了克服現階段上述已有技術存在的問題及不足，提供一種用于模擬底部鉆具組合力學特性的試驗裝置及試驗方法，研究不同底部鉆具組合在不同鉆壓、轉速、井斜角時的力學特性及渦動規律，為現場底部鉆具組合的選取和應用提供依據。

本發明提供了一種用于底部鉆具組合力學特性模擬的試驗裝置，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。

本發明還提出使用該模擬底部鉆具組合力學特性試驗裝置的試驗方法，包含以下步驟：