[發明專利]實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置與方法

有效

• 申請號: 201510367064.X
• 申請日: 2015-06-29
• 公開（公告）號: CN105004514B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 湯歷平;祝效華
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及對鉆柱振動的測量，具體地講是一種實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置與方法，屬于鉆柱動力學及機械工程技術領域。

背景技術

隨著當前油氣勘探開發的不斷發展，油氣鉆采逐步轉向深部地層，深井超深井數量不斷增加。隨井深的不斷增大，巖石的力學特性也發生改變，其強度往往增大而可鉆性降低。粘滑振動是指鉆頭因破巖扭矩不足而引起的鉆頭周期性地粘滯與滑脫，由于鉆柱的大長徑比特性，系統極易產生粘滑振動。系統在粘滯階段積蓄的能量在滑脫階段釋放，往往表現為較高的鉆頭轉速，由此容易造成鉆具提前失效并引起井身質量問題。

關于粘滑振動的研究已有數十年歷史，然而，隨著當前深井超深井的增加，粘滑振動對鉆進的影響逐漸增大。現有關于粘滑振動的研究主要集中于通過隨鉆測量進行鉆井參數優化或于鉆柱系統中設置主動控制系統進行粘滑振動的抑制，關于粘滑振動的理論研究特別是實驗研究較少。一方面，掌握系統的粘滑振動特性是認識這一現象并最終實現粘滑振動抑制的基礎；另一方面，鉆柱系統是一個龐大的系統，而且粘滑振動往往在下部鉆具處比較明顯，對振動的測量既復雜又需耗費巨大的成本。因此，建立鉆柱系統粘滑振動實驗裝置并開展粘滑振動特性的室內實驗，是研究鉆柱粘滑振動的一種重要途徑，對認識粘滑振動并最終實現振動的控制具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于：針對開展現場實驗測量鉆柱粘滑振動復雜而又成本高的問題，特提出一種實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置與方法。

為達到上述目的，本發明解決此技術問題采用的技術方案是：實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置，主要由實驗臺架、電機、外調節桿、內調節桿、主桿、扶正筒、上軸承、扶正架、加壓系統、下軸承、支撐盤、速度傳感器、鉆頭、巖芯和容器組成，其特征在于：所述電機固定于實驗臺架上，電機的輸出軸與外調節桿連接，外調節桿與內調節桿通過鍵槽連接，內調節桿與主桿通過螺紋連接，在實驗臺架與主桿間設有扶正筒，扶正筒與主桿間設有上軸承，扶正筒焊接于扶正架上，扶正架安裝于實驗臺架上，加壓系統固定于實驗臺架上，主桿上設有支撐盤用于承受加壓系統施加的壓力，主桿下端通過螺紋與鉆頭連接，鉆頭作用于巖芯上，巖芯放置于容器內。

所述外調節桿內部設有花鍵槽，內調節桿外部設有花鍵，所述花鍵與花鍵槽相互作用，內調節桿可沿外調節桿的花鍵軌道滑動，同時花鍵與花鍵槽間的配合還傳遞電機輸出的扭矩。

所述扶正架上設有套筒用于限制扶正筒的橫向移動，套筒可沿實驗臺架軸向滑動；所述扶正筒與主桿間的上軸承為滾針軸承或深溝球軸承。

所述主桿穿過加壓系統，支撐盤固定于主桿上，加壓系統施加的壓力通過下軸承傳至支撐盤上；所述下軸承為推力軸承，下軸承主要用于鉆壓傳遞，同時還允許支撐盤相對加壓系統轉動。

所述速度傳感器為非接觸測速傳感器，可為激光測速傳感器或雷達測速傳感器；速度傳感器產生的電荷信號由電荷放大器轉換為電壓信號后傳至信號調理模塊。

所述扶正架與扶正筒通過焊接的方式連接。

所述主桿的長徑比大于100。

實驗測定鉆柱粘滑振動的方法，其特征在于：將電機固定于實驗臺架上，外調節桿與電機的輸出軸連接，主桿穿過加壓系統，將內調節桿與主桿通過螺紋進行連接；將扶正架與扶正筒焊接并安裝于實驗臺架上，扶正架由套筒作導軌可沿實驗臺架的立柱滑動，在加壓系統上端0.1米～0.2米處將扶正筒與主桿通過上軸承連接，將加壓系統與支撐盤通過下軸承連接；連接鉆頭于主桿下端，鉆頭下面設置巖芯，巖芯安裝于容器內，容器固定于實驗臺架或地面；將速度傳感器安裝于實驗臺架上且速度傳感器與支撐盤位于同一水平高度。

所述電機的轉動帶動外調節桿同步轉動，外調節桿與內調節桿通過花鍵連接，外調節桿的轉動將驅動內調節桿同步轉動并帶動主桿轉動，主桿進一步驅動鉆頭轉動；通過加壓系統對支撐盤施加軸向壓力，支撐盤所承受的壓力將傳至鉆頭并作用于巖芯上；由于主桿具有大長徑比的特點，鉆頭處將產生粘滑振動。

所述鉆頭處的粘滑振動通過緊鄰鉆頭的支撐盤的轉速變化進行表征，支撐盤的轉速特性由速度傳感器測定，速度傳感器所測數據通過計算機進行處理與分析；所述加壓系統可對支撐盤提供不同數值的軸向壓力。

在鉆進過程中，隨著鉆進的不斷進行鉆頭將產生軸向運動，主桿帶動內調節桿一起軸向運動，與主桿通過上軸承連接的扶正筒及扶正架也同步軸向移動，加壓系統的加載裝置不斷伸長。

基于本發明所述的裝置，當需要測定不同轉速或鉆壓對應的鉆柱粘滑振動特性時，可通過調節電機的轉速和加壓系統的輸出壓力數值實現。