一种下部钻具组合动力学特性模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，具体涉及一种下部钻具组合动力学特性模拟实验装置及方法。

背景技术

在石油开采时，常使用钻具进行钻孔作业，如申请号为CN201820040871.X的一种能精确定位的地下石油开采钻具，包括驱动杆、保护壳、轴承套、连接线、转动杆、精确定位器、卡齿、旋转杆、固定圈套、连接杆、简易拆装装置、钻头、圆球，驱动杆的侧端与轴承套的侧端相贴合，保护壳的内部设有驱动杆，转动杆的外圈与保护壳的内圈相贴合，精确定位器的侧端与旋转杆的侧端相连接，卡齿嵌入安装于保护壳上；所述旋转杆的外圈与固定圈套的内圈相贴合，所述固定圈套嵌入安装于保护壳的内部，所述连接杆的侧端与旋转杆的侧端相连接，所述连接杆的侧端与简易拆装装置的侧端相焊接，所述转动杆的侧端与精确定位器的侧端相连接，所述钻头与圆球为一体化结构，所述连接杆的外表面与保护壳的内表面相贴合。

下部钻具可组合控制井斜角、方位角和钻压等，钻孔作业时，钻具与井壁频繁接触，导致疲劳破坏严重，钻具失效事故频繁发生，因此研究钻柱动力学特性对增加钻具安全性具有重要作用；而在定向井钻井作业稳斜段钻进过程中，下部钻具组合在重力作用下始终贴紧下侧井壁，对钻柱磨损更严重，但现有的钻具特性模拟实验装置无法对小井斜角钻进进行模拟。

发明内容

本发明的目的在于提供一种下部钻具组合动力学特性模拟实验装置及方法，以解决现有技术中的钻具特性模拟实验装置无法对小井斜角钻进进行模拟的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种下部钻具组合动力学特性模拟实验装置，包括水平板，所述水平板的一端铰接有固定底板，所述水平板上设有滑槽，所述滑槽中滑动连接有两组提升装置，所述提升装置的上方连接在固定底板的底部；所述固定底板的两端分别安装有驱动电机和加压电机，所述驱动电机和加压电机上连接有钢绳；所述驱动电机上连接有模拟钻柱，所述模拟钻柱的末端连接有钻头，所述固定底板上还安装有岩样夹持器和模拟井壁，所述模拟钻柱位于模拟井壁中，所述岩样夹持器位于加压电机和钻头之间；所述模拟钻柱的外壁上设有应变片，所述应变片与动态应变仪电连接，所述动态应变仪与电脑电连接。

所述提升装置包括轨道滑板，所述轨道滑板的下部安装有滑动轮，所述轨道滑板的上部铰接有电动液压推杆。

所述轨道滑板通过滑动轮滑动连接在滑槽上，所述电动液压推杆的上部连接固定底板的底部。

还包括圆柱销，所述滑槽两侧间隔开设有圆孔，所述圆孔的尺寸与圆柱销的尺寸匹配。

所述模拟钻柱的外壁沿周向90°均匀布设应变片。

所述固定底板上设有固定座，所述固定座的上端通过螺栓连接模拟井壁。

本发明至少可以产生如下技术效果：

本发明通过驱动电机、模拟钻柱、岩样夹持器和模拟井壁来模拟现场作业；通过滑动连接在滑槽上的提升装置来模拟任意大小斜角钻进的情形；通过加压电机调节钢绳的张紧程度来模拟调节钻压；通过应变片、动态应变仪和电脑来收集和处理实验数据；另外，本发明结构简单易于加工，操作灵活性强，测量数据精确，便于成本控制，对于实际作业场景安全可靠。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的俯视图；

图3是应变片的布置示意图；

图4是图3的正视图；

图5是本发明实施例中模拟井壁的安装示意图；

图6是本发明实施例中固定底板与水平板的连接示意图；

图7是本发明中滑动轮与滑槽的安装示意图；

图中：1-固定底板；2-驱动电机；3-模拟钻柱；4-模拟井壁；5-钻头；6-岩样夹持器；7-加压电机；8-滑动轴承；9-滑槽；10-滑动轮；11-轨道滑板；12-电动液压推杆；13-动态应变仪；14-电脑；15-钢绳；16-应变片；17-螺栓；18-固定座；19-水平板；20-圆柱销。

具体实施方式

如图1-图7所示，一种下部钻具组合动力学特性模拟实验装置，包括水平板19，所述水平板19的一端通过滑动轴承8铰接有固定底板1，固定底板1可相对水平板19转动；所述水平板19上设有滑槽9，滑槽9用两根U形槽钢平行安装组合而成；所述滑槽9中滑动连接有两组提升装置，所述提升装置的上方连接在固定底板1的底部，用于调节固定底板1的角度，使模拟钻柱3与地面夹角介于0°-90°之间；所述固定底板1的两端分别安装有驱动电机2和加压电机7，驱动电机2可提供动力并调节转速；所述驱动电机2和加压电机7上连接有钢绳15，钢绳15连接于驱动电机2的两侧，通过加压电机7调节钢绳15的张紧程度来模拟调节钻压；所述驱动电机2上连接有模拟钻柱3，模拟钻柱3外井略小于模拟井壁4的套管内井，用来模拟真实工况下的下部钻具组合与井壁的相互作用，从而模拟工作状态下钻柱与井壁的接触情况；所述模拟钻柱3的末端连接有钻头5，所述固定底板1上还安装有岩样夹持器6和模拟井壁4，岩样夹持器6用于预制岩样的夹持，使钻头5与预制岩样接触；所述模拟钻柱3位于模拟井壁4中，所述岩样夹持器6位于加压电机7和钻头5之间；所述模拟钻柱3的外壁上设有应变片16，所述应变片16与动态应变仪13电连接，所述动态应变仪13与电脑14电连接，通过应变片16测得的变形数据经动态应变仪13传送至电脑14，最终经处理得到模拟钻柱3在一定井斜条件下的动力学特性。

作为可选的实施方式，所述提升装置包括轨道滑板11，所述轨道滑板11的下部安装有四个滑动轮10，所述轨道滑板11的上部通过轴承铰接有电动液压推杆12，通过调节电动液压推杆12长度和轨道滑板11在滑槽9上的锁定位置来改变固定底板1的倾斜程度，从而模拟井斜角的大小。

作为可选的实施方式，所述轨道滑板11通过滑动轮10滑动连接在滑槽9上，所述电动液压推杆12的上部连接固定底板1的底部。

作为可选的实施方式，如图7所示，还包括圆柱销20，所述滑槽9两侧间隔5cm开设有圆孔，所述圆孔的尺寸与圆柱销20的尺寸匹配，圆孔通过与圆柱销20配合，防止滑动轮10在滑槽9上滚动，可将轨道滑板11固定在指定位置。

作为可选的实施方式，如图3和图4所示，所述模拟钻柱3的外壁沿周向90°均匀布设应变片16。

作为可选的实施方式，如图5所述固定底板1上设有固定座18，所述固定座18的上端通过螺栓17连接模拟井壁4。

作为可选的实施方式，本发明需安装在一块空旷的区域，且该区域必须有足够的高度，使该装置可以升到满足实验井斜角的高度。

本发明的实验步骤为：

安装预制岩样后，启动加压电机7，调节模拟钻柱3钻压，然后设定驱动电机2钻速并启动，模拟钻柱3会在一定弯曲下转动并与模拟井壁4接触，使应变片16产生微小变形并振动，应变片16采集实验数据，实验数据传到动态应变仪13后再传到电脑14，通过电脑14处理应变片16采集到的实验数据，通过模态分析法得到各个点的位移、振幅等，最后得到模拟钻柱3直观的振动、变形图像和数据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。