内管行星运动诱发流体平面流动测量实验装置及实验方法

摘要

本发明涉及的是内管行星运动诱发流体平面流动测量实验装置及实验方法，其中内管行星运动诱发流体平面流动测量实验装置的内管公转装置的传动轴通过固定轴套承托扶正，传动轴上端通过同步带传动机构连接交流电机，传动轴下端与转盘固定连接，转盘上设有调偏通孔；内管自转装置的内外管由传动抛光杆伸入有机玻璃管中构成，传动抛光杆的下端固定有机玻璃棒，自转减速机通过调偏通孔固定在转盘下，自转减速机连接传动抛光杆；PIV测量装置的双脉冲激光器设置于有机玻璃管外侧，CCD相机置于有机玻璃管的正下方，双脉冲激光器、CCD相机均通过同步控制器连接计算机。本发明用于实现平面流场的模拟及PIV技术进行流场的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井或地面驱动螺杆泵采油过程中内管行星运动诱发的平面流场的测量，具体涉及内管行星运动诱发流体平面流动测量实验装置及实验方法。

背景技术

在石油钻井或地面驱动螺杆泵采油过程中，钻柱在井眼里或抽油杆在油管里（钻柱或抽油杆统称内管），在绕自身轴线旋转的同时，由于井斜或者内管的弯曲，还绕外管轴线公转，即内管的行星运动。流体在内管行星运动下的环空中的流动规律，对于研究钻井液或采出液的水力参数、钻井液的携岩能力、内管所受流体的摩擦扭矩、流体压耗等等都是非常重要的。然而，目前尚未发现内管行星运动的实验装置及流场的PIV（Particle Image Velocimetry）测量。流体在内管行星运动的环空中的流动是三维流动，目前环空轴向流动的流场分析相对较多，包括解析解、近似解析解、模拟仿真、PIV测量等，而对于平面流场，除了崔海清等人的有限差分解和少数学者的FLUENT流场模拟外，还未发现PIV测量，为此，设计了内管行星运动诱发流体平面流动的实验装置以及PIV技术进行流场的测量。

发明内容

本发明的一个目的是提供内管行星运动诱发流体平面流动测量实验装置，这种内管行星运动诱发流体平面流动测量实验装置用于实现平面流场的模拟及PIV技术进行流场的测量，本发明的另一个目的是提供这种内管行星运动诱发流体平面流动测量实验装置的实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种内管行星运动诱发流体平面流动测量实验装置包括实验装置主体、内管公转装置、内管自转装置、PIV测量装置，实验装置主体为框架，内管公转装置包括传动轴、固定轴套、转盘，传动轴通过固定轴套承托扶正，固定轴套安装于实验装置主体上部，传动轴上端通过同步带传动机构连接交流电机，传动轴下端与转盘固定连接，转盘上设有调偏通孔；内管自转装置包括直流电机、自转减速机、内外管，内外管由传动抛光杆伸入有机玻璃管中构成，传动抛光杆的下端固定有机玻璃棒，自转减速机通过调偏通孔固定在转盘下，自转减速机连接传动抛光杆，有机玻璃管固定在实验装置主体下部；PIV测量装置的双脉冲激光器设置于有机玻璃管外侧，双脉冲激光器与有机玻璃棒对应设置，CCD相机置于有机玻璃管的正下方，双脉冲激光器、CCD相机均通过同步控制器连接计算机。

上述方案中实验装置主体包括顶板、二层板、底板，顶板、二层板、底板均焊接在四根立柱上，构成四方柱体式框架。

上述方案中实验装置主体中顶板上固定公转减速机和交流电机，顶板通孔内置固定轴套，固定轴套的中间翼板与顶板通过螺栓固定，固定轴套的底部翼板与二层板通过螺栓固定；实验装置主体底板通过螺栓固定承托法兰，有机玻璃管固定在承托法兰上。

上述方案中固定轴套的上部和底部各设置一个扶正轴承，止推轴承位于两个扶正轴承之间，底部的扶正轴承安装在扶正轴承底座上，固定轴套的中间翼板和底部翼板上设有螺纹孔；传动轴通过固定轴套内的两个扶正轴承居中，通过止推轴承承托于固定轴套内，传动轴下端与转盘通过销键连接。

上述方案中同步带传动机构由同步带环绕在两个同步轮之间构成，其中一个同步轮连接传动轴，另一同步轮连接公转减速机，公转减速机连接交流电机。

上述方案中转盘下面焊有电池盒，电池安装在电池盒内，电池连接直流电机，电池盒保护旋转中的电池。

上述内管行星运动诱发流体平面流动测量实验装置的实验方法：

1）调整内管的偏心距离，并固定，向外管内灌注待测液体；

2）调整双脉冲激光器的位置，使之打出水平激光，同时穿过有机玻璃管和内管下端的有机玻璃棒，调整CCD相机垂直向上拍摄待测平面；

4）打开内管自转控制器开关，调整内管自转方向及转速；

5）打开内管公转控制器开关，调整内管公转方向及转速；

6）打开计算机进行数据采集与分析；

7）实验结束后，先停止内管公转，再停止内管自转，关闭电源；

8）收好CCD相机，放掉外管中的液体。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明实现了钻井过程中钻柱行星运动或地面驱动螺杆泵采油中抽油杆行星运动所诱发的流体平面流动的室内实验装置的研制，为研究人员或学者分析该流场获取实验数据提供实验帮助，对流体力学理论的丰富提供实验支持。

2、本发明所实现的PIV技术测量与分析所得结论，有利于流体力学理论结果的验证，同时利于数值仿真软件的选取，更利于指导现场实际应用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2是本发明中固定轴套及传动轴装配的立体结构剖视图。

图3是本发明中转盘的立体结构图。

图中：1传动轴；2固定轴套；3顶板；4二层板；5立柱；6转盘；7电池；8传动抛光杆；9有机玻璃管；10双脉冲激光器；11计算机；12同步控制器；13同步轮；14同步带；15公转减速机；16交流电机；17自转减速机；18直流电机；19电线；20有机玻璃棒；21承托法兰；22底板；23CCD相机；24底部翼板；25扶正轴承；26销键；27止推轴承；28扶正轴承底座；29调偏通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1、图2、图3所示，这种内管行星运动诱发流体平面流动测量实验装置包括实验装置主体、内管公转装置、内管自转装置、PIV测量装置，实验装置主体为框架，内管公转装置包括传动轴1、固定轴套2、转盘6，传动轴1通过固定轴套2承托扶正，固定轴套2安装于实验装置主体上部，传动轴1上端通过同步带传动机构连接交流电机16，传动轴1通过销键26与转盘6连接，转盘6上设有调偏通孔29调节内管的偏心距，即调节内管公转半径，通过调整减速机及内管的整体位置，调节内管在外管中的偏心距，调偏通孔29中的螺栓将自转减速机17固定在转盘6下；固定轴套2的上部和底部各设置一个扶正轴承25，止推轴承27位于两个扶正轴承25之间，传动轴1通过止推轴承27承托于固定轴套2内，在上、下扶正轴承25的作用下居中，底部的扶正轴承25安装在扶正轴承底座28上，固定轴套2的中间翼板和底部翼板24上设有螺纹孔；传动轴1通过固定轴套2内的两个扶正轴承25居中，通过止推轴承27承托于固定轴套2内，传动轴1下端与转盘6通过销键26连接。同步带传动机构由同步带14环绕在两个同步轮13之间构成，其中一个同步轮13连接传动轴1，另一同步轮13连接公转减速机15，公转减速机15连接交流电机16。同步轮13与输出轴、同步轮13与传动轴1均是过盈配合，输出轴上的同步轮13在同步带14的传动下带动传动轴1上的同步轮13旋转，转速及旋转方向由交流电机控制器控制。转盘6下面通过螺栓悬挂内管自转装置。

内管自转装置包括直流电机18、自转减速机17、内外管，内外管由传动抛光杆8伸入有机玻璃管9中构成，传动抛光杆8上端设有托台和键槽，穿过并悬挂在减速机上，传动抛光杆8的下端固定有机玻璃棒20，传动抛光杆8与有机玻璃棒20同心丝扣连接，自转减速机17通过调偏通孔29固定在转盘6下，自转减速机17连接传动抛光杆8，自转减速机17通过键带动传动抛光杆8自转；外管是有机玻璃管，置于承托法兰21内的托台上，通过玻璃胶与承托法兰21固定。转盘6下面焊有电池盒，电池7安装在电池盒内，电池7连接直流电机18，电池盒保护旋转中的电池7。通过电线19为直流电机18供电，通过内管自转控制器控制内管自转的转速及旋转方向，自转减速机17通过键带动传动抛光杆8旋转。

PIV测量装置由计算机11、同步控制器12、双脉冲激光器10、CCD（Charge Coupled Device）相机23构成，双脉冲激光器10设置于有机玻璃管9外侧，双脉冲激光器10与有机玻璃棒20对应设置，CCD相机23置于有机玻璃管9的正下方，双脉冲激光器10、CCD相机23均通过同步控制器12连接计算机11，接通电线及数据线，计算机11控制同步控制器12，同步控制器12同步控制双脉冲激光器10、CCD相机23启停，双脉冲激光器10发出激光照亮有机玻璃管9内待测区域的水平平面，CCD相机23与激光片光垂直由下向上拍摄，采集并储存图像数据到计算机11上。

实验装置主体包括顶板3、二层板4、底板22，顶板3、二层板4、底板22均焊接在四根立柱5上，构成四方柱体式框架。实验装置主体中顶板3上固定公转减速机15和交流电机16，顶板3通孔内置固定轴套2，固定轴套2的中间翼板与顶板3通过螺栓固定，固定轴套2的底部翼板24与二层板4通过螺栓固定；实验装置主体底板22通过螺栓固定承托法兰21，有机玻璃管9固定在承托法兰21上。

上述内管行星运动诱发流体平面流动测量实验装置的实验方法：

1）将所述实验装置组装完好，放平稳；

2）调整内管的偏心距离，并固定，向外管内灌注待测液体；

3）调整双脉冲激光器10的位置，使之打出水平激光，同时穿过外管和内管下端的有机玻璃棒20，调整CCD相机23垂直向上拍摄待测平面；

4）打开内管自转控制器开关，调整内管自转方向及转速；

5）打开内管公转控制器开关，调整内管公转方向及转速；

6）打开计算机11进行数据采集与分析；

7）实验结束后，先停止内管公转，再停止内管自转，关闭电源；

8）收好CCD相机23，放掉外管中的液体。