實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)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(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著當前油氣勘探開發(fā)的不斷發(fā)展，油氣鉆采逐步轉(zhuǎn)向深部地層，深井超深井數(shù)量不斷增加。隨井深的不斷增大，巖石的力學特性也發(fā)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(tǒng)極易產(chǎn)生粘滑振動。系統(tǒng)在粘滯階段積蓄的能量在滑脫階段釋放，往往表現(xiàn)為較高的鉆頭轉(zhuǎn)速，由此容易造成鉆具提前失效并引起井身質(zhì)量問題。
[0003]關(guān)于粘滑振動的研究已有數(shù)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(xiàn)有關(guān)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(shù)優(yōu)化或于鉆柱系統(tǒng)中設(shè)置主動控制系統(tǒng)進行粘滑振動的抑制，關(guān)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(tǒng)的粘滑振動特性是認識這一現(xiàn)象并最終實現(xiàn)粘滑振動抑制的基礎(chǔ)；另一方面，鉆柱系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，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(fù)雜又需耗費巨大的成本。因此，建立鉆柱系統(tǒng)粘滑振動實驗裝置并開展粘滑振動特性的室內(nèi)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(xiàn)振動的控制具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于:針對開展現(xiàn)場實驗測量鉆柱粘滑振動復(fù)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。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明解決此技術(shù)問題采用的技術(shù)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(diào)節(jié)桿、內(nèi)調(diào)節(jié)桿、主桿、扶正筒、上軸承、扶正架、加壓系統(tǒng)、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(diào)節(jié)桿連接，外調(diào)節(jié)桿與內(nèi)調(diào)節(jié)桿通過鍵槽連接，內(nèi)調(diào)節(jié)桿與主桿通過螺紋連接，在實驗臺架與主桿間設(shè)有扶正筒，扶正筒與主桿間設(shè)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(tǒng)固定于實驗臺架上，主桿上設(shè)有支撐盤用于承受加壓系統(tǒng)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(nèi)。
[0006]所述外調(diào)節(jié)桿內(nèi)部設(shè)有花鍵槽，內(nèi)調(diào)節(jié)桿外部設(shè)有花鍵，所述花鍵與花鍵槽相互作用，內(nèi)調(diào)節(jié)桿可沿外調(diào)節(jié)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。
[0007]所述扶正架上設(shè)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。
[0008]所述主桿穿過加壓系統(tǒng)，支撐盤固定于主桿上，加壓系統(tǒng)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(tǒng)轉(zhuǎn)動。
[0009]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(chǎn)生的電荷信號由電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號后傳至信號調(diào)理模塊。
[0010]所述扶正架與扶正筒通過焊接的方式連接。
[0011]所述主桿的長徑比大于100。
[0012]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(diào)節(jié)桿與電機的輸出軸連接，主桿穿過加壓系統(tǒng)，將內(nèi)調(diào)節(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(shè)置巖芯，巖芯安裝于容器內(nèi)，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。
[0013]所述電機的轉(zhuǎn)動帶動外調(diào)節(jié)桿同步轉(zhuǎn)動，外調(diào)節(jié)桿與內(nèi)調(diào)節(jié)桿通過花鍵連接，外調(diào)節(jié)桿的轉(zhuǎn)動將驅(qū)動內(nèi)調(diào)節(jié)桿同步轉(zhuǎn)動并帶動主桿轉(zhuǎn)動，主桿進一步驅(qū)動鉆頭轉(zhuǎn)動；通過加壓系統(tǒng)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(chǎn)生粘滑振動。
[0014]所述鉆頭處的粘滑振動通過緊鄰鉆頭的支撐盤的轉(zhuǎn)速變化進行表征，支撐盤的轉(zhuǎn)速特性由速度傳感器測定，速度傳感器所測數(shù)據(jù)通過計算機進行處理與分析；所述加壓系統(tǒng)可對支撐盤提供不同數(shù)值的軸向壓力。
[0015]在鉆進過程中，隨著鉆進的不斷進行鉆頭將產(chǎn)生軸向運動，主桿帶動內(nèi)調(diào)節(jié)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(tǒng)的加載裝置不斷伸長。
[0016]基于本發(fā)明所述的裝置，當需要測定不同轉(zhuǎn)速或鉆壓對應(yīng)的鉆柱粘滑振動特性時，可通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和加壓系統(tǒng)的輸出壓力數(shù)值實現(xiàn)。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:(I)通過室內(nèi)實驗測量鉆柱的粘滑振動特性，可為理論研究提供參數(shù)對比；(2)由于實際鉆柱系統(tǒng)龐大且粘滑振動產(chǎn)生于離地面數(shù)千米的井下，其測量操作即復(fù)雜成本又高，本發(fā)明實驗裝置采用比例模型，其研究結(jié)果既可提供實用參數(shù)，其成本又較低；(3)采用本發(fā)明的裝置，可通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速以及液壓系統(tǒng)的輸出壓力得到不同轉(zhuǎn)速及鉆壓時系統(tǒng)的粘滑振動特性。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置中外調(diào)節(jié)桿的主剖圖；
[0020]圖3為本發(fā)明實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置中外調(diào)節(jié)桿的側(cè)視圖；
[0021]圖4為本發(fā)明實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置中內(nèi)調(diào)節(jié)桿的半剖圖；
[0022]圖5為本發(fā)明實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置中內(nèi)調(diào)節(jié)桿的側(cè)視圖；
[0023]圖6為本發(fā)明實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置中由主桿、扶正筒、上軸承、扶正架和套筒組成的扶正單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖7為本發(fā)明實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置中由主桿、下軸承擋圈、支撐盤組成的加壓單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖8為本發(fā)明實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置中速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖中:1.實驗臺架，2.電機，3.外調(diào)節(jié)桿，4.內(nèi)調(diào)節(jié)桿，5.主桿，6.扶正筒，7.上軸承，8.扶正架，9.加壓系統(tǒng)，10.下軸承，11.支撐盤，12.速度傳感器，13.鉆頭，14.巖芯，15.容器，16.套筒。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0028]如圖1所示，實驗測定鉆柱粘滑振動的裝置，主要由實驗臺架1、電機2、外調(diào)節(jié)桿
3、內(nèi)調(diào)節(jié)桿4、主桿5、扶正筒6、上軸承7、扶正架8、加壓系統(tǒng)9、下軸承10、支撐盤11、速度傳感器12、鉆頭13、巖芯14和容器15組成，其特征在于:所述電機2固定于實驗臺架I上，電機2的輸出軸與外調(diào)節(jié)桿3連接，外調(diào)節(jié)桿3與內(nèi)調(diào)節(jié)桿4通過鍵槽連接，內(nèi)調(diào)節(jié)桿4與主桿5通過螺紋連接，在實驗臺架I與主桿5間設(shè)有扶正筒6，扶正筒6與主桿5間設(shè)有上軸承7，扶正筒6焊接于扶正架8上，扶正架8安裝于實驗臺架上，加壓系統(tǒng)9固定于實驗臺架I上，主桿5上設(shè)有支撐盤11用于承受加壓系統(tǒng)9施加的壓力，主桿5下端通過螺紋與鉆頭13連接，鉆頭作用于巖芯14上，巖芯14放置于容器15內(nèi)。
[0029]如圖2?圖5所示，所述外調(diào)節(jié)桿3內(nèi)部設(shè)有花鍵槽，內(nèi)調(diào)節(jié)桿4外部設(shè)有花鍵，所述花鍵與花鍵槽相互作用，內(nèi)調(diào)節(jié)桿4可沿外調(diào)節(jié)桿3的花鍵軌道滑動，同時花鍵與花鍵槽間的配合還傳遞電機2輸出的扭矩。
[0030]如圖6所示，所述扶正架8上設(shè)有套筒16用于限制扶正筒6的橫向移動，套筒16可沿實驗臺架I軸向滑動；所述扶正筒6與主桿5間的上軸承7為滾針軸承或深溝球軸承，