一种测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台

摘要

本发明提供一种测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，包括：主体支架，其沿垂向间隔设置有上水平支撑板及下水平支撑板；电机驱动机构，安装于上水平支撑板上；钻柱模拟机构，位于上支撑板的下侧，包括由上至下依次连接的上旋转盘、钻柱、下旋转盘、万向节及制动盘，且上旋转盘与电机驱动机构下端的输出轴相连接；活动支撑板，能上下移动的与主体支架相连接，活动支撑板上放置有能移动的圆筒，下旋转盘、万向节及制动盘位于圆筒内；工况模拟机构，包括电磁激振器及至少两弹簧，电磁激振器安装于下水平支撑板上，弹簧的上端与活动支撑板相连接，其下端连接于下支撑板。本发明能用于分析钻井过程中井下钻柱发生粘滑振动的原因及其影响因素。

说明书

技术领域

本发明属于石油钻采领域，具体而言，涉及一种测试井下钻柱粘滑振动力学特性 的试验模拟装置。

背景技术

钻柱粘滑振动是一种由于摩擦的非线性性质所引起的自激振动。在深井、超深井 的钻进过程中，地层起伏变化较大，岩性多变，非均质严重。随着井深的增加，井身 结构复杂且井眼尺寸减小，地层软硬交错，岩石硬度及塑性加大，研磨性增强，可钻 性变差；当钻井深度达到几千米时，则其转矩刚度下降，钻头受到摩擦阻力影响，使 钻头周期性的停滞、旋转，使钻柱产生粘滑振动；当粘滑振动频率与钻柱系统固有频 率接近时，容易产生共振，严重损害钻柱，随着钻柱长度的增加，粘滑振动现象也会 变得更加明显。

关于钻柱粘滑振动的研究目前鲜有试验方法，多数研究还局限于理论研究。如： 将钻柱结构的特殊性用弹性空间曲线描述；建立扭矩激励法和转角激励法的钻柱扭转 振动数学模型。大多数学者将钻柱转化为具有扭转刚度和转动惯量的扭摆，建立钻柱 扭转振动模型；还有部分学者利用有限元分析法来研究钻柱粘滑振动。

有鉴于此，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出一 种测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验模拟装置，以期解决现有技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验模拟装置， 能用于分析钻井过程中井下钻柱发生粘滑振动的原因及其影响因素。

为此，本发明提出一种测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其包括有：

一主体支架，所述主体支架上沿垂向间隔设置有一上水平支撑板及一下水平支撑 板；

一电机驱动机构，其安装于所述上水平支撑板上，用于提供旋转动力及扭矩；

一钻柱模拟机构，位于所述上支撑板的下侧，其包括由上至下依次连接的上旋转 盘、钻柱、下旋转盘、万向节及制动盘，且所述上旋转盘与所述电机驱动机构下端的 输出轴相连接；

一活动支撑板，能上下移动的与所述主体支架相连接，所述活动支撑板上放置有 一能移动的圆筒，所述下旋转盘、万向节及制动盘位于所述圆筒内，且所述制动盘与 所述圆筒的筒底之间间隔有距离；

一工况模拟机构，包括一电磁激振器及至少两弹簧，所述电磁激振器安装于所述 下水平支撑板上，其上端与所述活动支撑板相邻，所述弹簧的上端与所述活动支撑板 相连接，其下端连接于所述下支撑板，且两所述弹簧对应设置在所述电磁激振器的两 相对侧。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，另设有一照相机， 所述照相机倒置在所述圆筒的正上方，并相邻于所述钻柱的一侧，所述照相机通过一 支撑杆与所述主体支架相连接。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述钻柱模拟机构 另设有一上编码器及一下编码器，所述上编码器安装在所述上旋转盘上，并套设在所 述钻柱的上端头处，所述下编码器设置在所述下旋转盘上，并套设在所述钻柱的下端 头处，其中，所述上编码器及下编码器与所述钻柱不接触。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述活动支撑板上 另安装有两激光位移传感器，两所述激光位移传感器之间的相位角为90度。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述圆筒的筒底另 设有一光学传感器，其位于所述下旋转盘的正下方。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述下旋转盘上对 称设有两螺柱，且其中一所述螺柱上套设有一平衡调节块，其端头处螺接有螺帽。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述主体支架为一 竖直放置的框架结构，其包括有一底座及多个沿周向均布的侧立柱，所述侧立柱的下 端与所述底座相连接，所述侧立柱的上端之间连接有支杆，其中，所述上水平支撑板 及下水平支撑板分别与各所述侧立柱相连接。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，各所述侧立柱上分 别安装有一沿竖直方向设置的直线导轨，所述活动支撑板与各所述直线导轨的滑块相 连接，以随所述滑块上下移动。

如上所述的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其中，所述圆筒的筒底上 安装有多个能转动的滚轮，各所述滚轮沿所述圆筒的周向均布，并支撑于所述活动支 撑板上。

本发明提供的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验模拟装置，通过试验定量分 析，研究钻井过程中井下钻柱发生粘滑振动的原因及其影响因素；可以同时改变多参 数进行井下钻柱粘滑振动力学特性测试，并通过采用图像处理技术对井下钻柱的运动 状态进行定量分析，为后期实际钻井工作提供支持和参考。另外，本发明还可稍加改 造用于分析钻柱扭摆抑制粘滑机理及扭转冲击抑制粘滑机理，具有广阔的应用前景。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1为本发明的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台的组成结构示意图。

图2为本发明中下旋转盘的立体示意图。

图3为本发明中下旋转盘的主视图。

图4为本发明中侧立柱与活动支撑板连接的据图示意图。

主要元件标号说明：

1       主体支架        101     底座

102     侧立柱          103     支杆

11      上水平支撑板

12      下水平支撑板    13      直线导轨

131     滑块            2       电机驱动机构

3       钻柱模拟机构    31      上旋转盘

32      钻柱            33      下旋转盘

331     螺柱            332     螺帽

34      万向节          35      制动盘

36      上编码器        37      下编码器

38      平衡调节块

4       活动支撑板      41      激光位移传感器

5       工况模拟机构    51      电磁激振器

52      弹簧

6       圆筒            61      光学传感器

62      滚轮            7       照相机

71      支撑杆

具体实施方式

本发明提供一种测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其包括有：一主体支 架，所述主体支架上沿垂向间隔设置有一上水平支撑板及一下水平支撑板；一电机驱 动机构，其安装于所述上水平支撑板上，用于提供旋转动力及扭矩；一钻柱模拟机构， 位于所述上支撑板的下侧，其包括由上至下依次连接的上旋转盘、钻柱、下旋转盘、 万向节及制动盘，且所述上旋转盘与所述电机驱动机构下端的输出轴相连接；一活动 支撑板，能上下移动的与所述主体支架相连接，所述活动支撑板上放置有一能移动的 圆筒，所述下旋转盘、万向节及制动盘位于所述圆筒内，且所述制动盘与所述圆筒的 筒底之间间隔有距离；一工况模拟机构，包括一电磁激振器及至少两弹簧，所述电磁 激振器安装于所述下水平支撑板上，其上端与所述活动支撑板相邻，所述弹簧的上端 与所述活动支撑板相连接，其下端连接于所述下支撑板，且两所述弹簧对应设置在所 述电磁激振器的两相对侧。

本发明的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验模拟装置，能分析钻井过程中井 下钻柱发生粘滑振动的原因及其影响因素。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳 实施例，对本发明提出的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验模拟装置的具体实施 方式、结构、特征及功效，详细说明如后。另外，通过具体实施方式的说明，当可对 本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附 图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

图1为本发明的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台的组成结构示意图。图 2为本发明中下旋转盘的立体示意图。图3为本发明中下旋转盘的主视图。图4为本 发明中侧立柱与活动支撑板连接的据图示意图。

如图1所示，本发明提出的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，其包括有 一主体支架1、一电机驱动机构2、一钻柱模拟机构3、一活动支撑板4以及一工况 模拟机构5。其中：

所述主体支架1上沿垂向间隔设置有一上水平支撑板11及一下水平支撑板12；

所述电机驱动机构2安装于所述上水平支撑板11上，用于提供旋转动力及扭矩， 在实际使用中，该电机驱动机构2优选为一直流电机；

所述钻柱模拟机构3，位于所述上支撑板11的下侧，其包括由上至下依次连接 的上旋转盘31、钻柱32、下旋转盘33、万向节34及制动盘35，且所述上旋转盘31 与所述电机驱动机构2下端的输出轴相连接，由此，在所述电机驱动机构2的带动下， 实现所述钻柱模拟机构3中上旋转盘31、钻柱32及下旋转盘33等的转动；

所述活动支撑板4能上下移动的与所述主体支架1相连接，所述活动支撑板4 上放置有一能移动的圆筒6，所述下旋转盘33、万向节34及制动盘35位于所述圆筒 6内，且所述制动盘35与所述圆筒6的筒底之间间隔有距离，即所述制动盘35与所 述圆筒6的筒底不接触，在试验中，利用圆筒6的移动并与下旋转盘33的接触摩擦， 能模拟不同摩擦阻力对该下旋转盘33发生粘滑振动的影响，研究粘滑振动与钻柱及 下旋转盘受到的摩擦力之间的关系；

所述工况模拟机构5包括一电磁激振器51及至少两弹簧52，所述电磁激振器51 安装于所述下水平支撑板12上，其上端与所述活动支撑板4相邻，所述弹簧52的上 端与所述活动支撑板4相连接，其下端连接于所述下支撑板12，且两所述弹簧52对 应设置在所述电磁激振器51的两相对侧。其中，通过设置所述电磁激振器51，并对 其加载不同频率的轴向振动，能模拟底部钻具组合(下旋转盘33与钻柱32)在实际钻 井过程中受到的土壤和岩层的轴向支撑力(承载能力)，而所述弹簧52则用以支撑活 动支撑板，并能让活动支撑板4在上下移动后顺利复位，当然，对于所述弹簧52的 具体数量，在此不作具体限定，可以是沿周向均布的2个、3个、4个等等，只要能 满足试验要求即可。

如图1所示，另设有一照相机7，所述照相机7倒置在所述圆筒6的正上方，并 相邻于所述钻柱32的一侧，所述照相机7通过一支撑杆71与所述主体支架1相连接。 在试验中，该照相机7能用以捕捉所述下旋转盘33的旋转运动、以及下旋转盘33 与所述圆筒6内壁之间的碰撞运动，并通过图像处理技术获取其运动轨迹，分析转速 对下旋转盘33与钻柱32组成的底部钻具组合的运动状态的影响。

其中，所述钻柱模拟机构3另设有一上编码器36及一下编码器37，所述上编码 器36安装在所述上旋转盘31上，并套设在所述钻柱32的上端头处，所述下编码器 37设置在所述下旋转盘33上，并套设在所述钻柱32的下端头处，其中，所述上编 码器36及下编码器37与所述钻柱32不接触。在安装时，利用上编码器36及下编码 器37中间的圆形通孔，可将所述钻柱32从通孔中穿过，再将上编码器36及下编码 器37对应安装在上旋转盘31、下旋转盘33即可，确保了上编码器36及下编码器37 与所述钻柱32没有接触。通过设置上编码器36及下编码器37，利用上编码器36测 量上旋转盘31的旋转角度，用下编码器37测量下旋转盘33的旋转角度，通过比较 两旋转角度大小，能判断所述钻柱32是否发生粘滑现象及粘滑现象的严重程度。

较佳地，所述活动支撑板4上另安装有两激光位移传感器41，两所述激光位移 传感器之间41的相位角为90度，即两者在所述活动支撑板4周向上的夹角为90 度，在使用时，优选两所述激光位移传感器的激光束交汇点位于所述圆筒的筒底中心 (即几何中心，圆心)处，以确保可以准确测量。通过设置两个激光位移传感器12测 量所述圆筒与下旋转盘碰撞产生的横向位移，能进而得出下旋转盘及钻柱底端的横向 位移，分析钻柱横向位移的大小，继而判断所述下旋转盘及钻柱的运动情况。

进一步地，所述圆筒6的筒底另设有一光学传感器61，其位于所述制动盘35的 正下方。通过设置该光学传感器61，用来测量所述下旋转盘33的倾斜角度(下旋转 盘与水平面的夹角)。

如图2、图3所示，所述下旋转盘33上对称设有两螺柱331，且其中一螺柱331 上套设有一平衡调节块38，其端头处螺接有螺帽332，以便于固定平衡调节块38。 通过设置所述平衡调节块38，使下旋转盘33与钻柱32组成的底部钻具组合发生偏 心旋转，从而会使钻柱32存在一定的曲率，用以模拟钻井过程中钻柱32的曲率，迫 使下旋转盘33与钻柱32组成的底部钻具组合产生垂直于钻柱32轴线方向的横向位 移，从而进一步对钻柱32的横向振动进行研究。

请参见图1，所述主体支架1为一竖直放置的框架结构，其包括有一底座101及 多个沿周向均布的侧立柱102，所述侧立柱102的下端与所述底座101相连接，各所 述侧立柱102的上端之间连接有支杆103，其中，所述上水平支撑板11及下水平支 撑板12分别与各所述侧立柱102相连接。

请一并参见图4，各所述侧立柱102上分别安装有一沿竖直方向设置的直线导轨 13，所述活动支撑板4与各所述直线导轨13的滑块131相连接，以随所述滑块131 在所述直线导轨13处上下移动。需指出的是，对于上述的直线导轨，其为现有技术， 对其具体组成结构及工作原理，在此不再赘述。

如图1所示，所述圆筒6的筒底上安装有多个能转动的滚轮62，各所述滚轮62 沿所述圆筒6的周向均布，并支撑于所述活动支撑板4上，使得所述圆筒6可在活动 支撑板4上更便于移动。

本发明提出的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验台，可以同时改变多种参 数，进行井下钻柱粘滑振动力学特性测试，以及采用图像处理技术对井下钻柱的运动 状态进行定量分析，对钻柱产生的横向振动、轴向振动和扭转向振动进行分析，其中：

(1)钻柱的横向振动是因为井底钻具组合不平衡，使钻柱的质心偏离其中心，造 成周期性偏心旋转引起的，因此，在本发明中，通过设置所述平衡调节块38，使下 旋转盘33与钻柱32组成的底部钻具组合发生偏心旋转，从而会使钻柱32存在一定 的曲率，并产生垂直于钻柱32轴线方向的横向位移，能模拟钻柱32的横向振动，从 而对钻柱32的横向振动进行研究，同时，通过改变平衡调节块38的质量和钻柱的旋 转速度，还可以分析研究下旋转盘33在平衡调节块38和转速双重因素影响下的运动 状态。

(2)钻柱的轴向振动是指钻具在钻进过程中，由于井底不平整，钻具受到的压力 不均匀，从而引起钻柱在竖直方向的伸缩运动，在该试验中，用电磁激振器17模拟 土壤和岩层的承载能力，使钻柱产生轴向振动，从而对钻柱的轴向振动进行分析研究。

(3)钻柱的扭转向振动即旋转振动，是由钻具受到的摩擦变化，引起钻具组合的 速度不断变化与钻柱顶端速度不一致导致的，在本发明中，通过在下旋转盘33外缘 和圆筒6内壁敷上不同材料，以模拟不同工作环境下钻具组合受到的摩擦力，进而模 拟不同的工况环境和摩擦阻力，从而对钻柱的旋转振动进行试验分析，研究粘滑振动 与底部钻具组合受到的摩擦力之间的关系。

(4)所述电机驱动机构2(直流电机)提供试验过程中需要的动力和转矩，通过控 制直流电机的转动速度，能研究转速与底部钻具粘滑振动之间的关系。

(5)通过将所述平衡调节块38设置连接在下旋转盘33上，利用平衡调节块38 的存在使钻柱32发生偏心旋转，从而会使钻柱32存在一定的曲率，因此，通过改变 所述平衡调节块38的质量，还可定量研究钻柱32曲率和底部圆筒6粘滑振动之间的 关系。

另外，在实际使用中，还可采用MEMS陀螺仪代替绝对上、下编码器测量转盘的 旋转角度，用MEMS三轴加速度计代替两个激光位移传感器测量转子加速度并将加速 度信号转化为位移信号，以便于更简便的对本发明进行组装。

本发明提供的测试井下钻柱粘滑振动力学特性的试验模拟装置，通过试验定量分 析，研究钻井过程中井下钻柱发生粘滑振动的原因及其影响因素，可以同时改变多参 数进行井下钻柱粘滑振动力学特性测试，并通过采用图像处理技术对井下钻柱的运动 状态进行定量分析，为后期实际钻井工作提供支持和参考。另外，本发明还可稍加改 造用于分析钻柱扭摆抑制粘滑机理及扭转冲击抑制粘滑机理，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何 本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改， 均应属于本发明保护的范围。