一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置及方法

摘要

本发明提供了一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置，包括实验台、加压装置、模拟装置和钻头受力监测装置；加压装置包括加压手轮和压力加载板，模拟装置包括模拟井筒、模拟钻杆、模拟旋转导向工具、模拟钻头和岩心，模拟钻杆、模拟旋转导向工具和模拟钻头依次连接，模拟钻杆和模拟旋转导向工具套于模拟井筒内，模拟钻杆穿过伺服电机连接加压装置，钻头受力监测装置包括旋转手轮和设置有侧向力及压力传感器的受力监测板，模拟钻头与受力监测板均紧贴于岩心表面。本发明还提出了一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验方法，通过研究各钻进参数对旋转导向工具受力的影响，为提高旋转导向工具的调控精度提供了依据。

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井管柱力学实验领域，具体涉及一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置及方法。

背景技术

旋转导向技术作为当前钻井技术中的一项自动化钻井新技术，与其他随钻系统相比，旋转导向钻井技术钻井过程中摩擦阻力小、钻速快、精度高且井眼轨迹的可控性强。旋转导向钻井技术不仅能够提高钻井成功率、减少事故，还能从整体上降低钻井成本，尤其是在海上大位移钻井技术中发挥了显著优势。国际上已经有许多商业化旋转导向钻井系统及多种旋转导向工具，其中，静态推靠式旋转导向系统的工作原理为：在钻柱旋转状态下，通过非旋转套上的导向翼肋推靠井壁产生导向力，从而控制钻头的钻井方向。现场试验时发现由于导向力与偏心位移调控不完全等效导致工具面调控误差太大；在钻柱旋转之前先下达调控指令再钻进，工作时钻柱先旋转后加钻压，下指令与实际工作过程中均未考虑钻柱旋转使得导向力和偏心位移重新分配，造成实钻井眼轨迹偏离设计轨道。

目前，由于条件有限，无法在室内对静态推靠式旋转导向工具进行全尺寸实验，虽然部分学者采用静力学模型计算静态推靠式旋转导向钻具组合的导向特性，但是静力学模型计算不能反映出底部钻具组合旋转运动中产生的动态影响，尽管动力学理论模型因素较为全面，但是其部分计算参数的选择需要依靠经验。因此，亟需提出一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置及方法，研究不同底部钻具组合结构、钻压和转速对推靠式旋转导向工具调控方式的影响规律，确定出导向力调控模式与偏心位移调控模式的偏差，从而优选调控模式使钻具沿设计井眼轨道钻进。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的不足，提供了一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置及方法，通过模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式，研究静态推靠式旋转导向工具导向力调控模式与偏心位移调控模式之间的偏差，为提高静态推靠式旋转导向工具调控精度提供了依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置，其特征在于，包括实验台、加压装置、模拟装置和钻头受力监测装置；

所述加压装置、模拟装置和钻头受力监测装置依次设置于实验台顶面，实验台一侧设置有调节装置；

所述加压装置包括加压手轮和压力加载板，压力加载板置于移动底座内，顶面设置有压力传感器，底面通过加载丝杠与加压手轮相连接；

所述模拟装置包括模拟井筒、模拟钻杆、模拟旋转导向工具、模拟钻头和岩心，岩心置于岩心底座内，模拟旋转导向工具一端与紧贴岩心表面的模拟钻头相连接，另一端与模拟钻杆底端相连接，模拟旋转导向工具与模拟钻杆外侧均套有模拟井筒，模拟旋转导向工具两端设置有旋转密封套，与模拟井筒密封形成密闭空间，模拟钻杆顶端穿过伺服电机与压力加载板底面相接触，伺服电机带动模拟钻杆转动，模拟钻杆靠近伺服电机一侧设置有转速传感器；

所述钻头受力监测装置包括旋转手轮和受力监测板，受力监测板置于移动底座内，旋转手轮通过加载丝杠与受力监测板顶面相连接，受力监测板底面设置有侧向力传感器和压力传感器，侧向力传感器和压力传感器均紧贴于岩心表面；

所述模拟旋转导向工具包括旋转芯轴、非旋转套和下主轴短节，非旋转套中间位置处沿周向等间距设置有翼肋槽，翼肋槽中心处设置有圆孔，碟簧嵌于圆孔内，翼肋叠放于碟簧顶部置于翼肋槽内，非旋转套两端内侧设置有非旋转套内台阶、外侧设置有推力组合滚针轴承，靠近模拟钻头的推力组合滚针轴承固定于下主轴短节和非旋转套内台阶之间，远离模拟钻头的推力组合滚针轴承固定于上主轴台阶和非旋转套内台阶之间，旋转芯轴底端依次穿过上主轴台阶和推力组合滚针轴承与下主轴短节顶端相连接，下主轴短节底端与模拟钻头相连接，旋转芯轴顶端依次通过扶正器和柔性短节与模拟钻杆相连接；

所述模拟井筒对应模拟旋转导向工具非旋转套翼肋槽圆孔处设置有孔眼，位移传感器嵌于孔眼内部并与翼肋相接触。

优选地，所述模拟钻杆包括多根钻杆，相邻钻杆之间采用螺纹连接。

优选地，所述模拟井筒包括多个透明井筒，相邻透明井筒之间采用法兰连接。

优选地，所述模拟井筒对应模拟旋转导向工具位置处采用加粗井筒。

优选地，所述模拟井筒通过井筒支架固定于实验台顶面。

优选地，所述模拟旋转导向工具非旋转套上各翼肋槽周向间隔度数为120°。

一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验方法，采用如上所述的实验装置，具体包括如下步骤：

步骤1，将加压装置、模拟装置和钻头受力监测装置依次沿直线安装于实验台顶面，根据模拟井筒倾斜角度，利用实验台调节装置调整实验台的高度及倾斜角度；

步骤2，调整模拟井筒孔眼内部位移传感器的位置，使其紧贴模拟旋转导向工具的翼肋，利用位移传感器测量模拟旋转导向工具翼肋的初始径向位移，将模拟钻头钻压、模拟钻杆转速和模拟旋转导向工具翼肋所受推靠力设置为钻进参数，设置模拟钻头钻压、模拟钻杆转速以及模拟旋转导向工具翼肋所受推靠力的初始值；

步骤3，通过旋转加压装置的加压手轮，利用加载丝杠推动压力加载板向模拟钻头施加压力，直至压力加载板上压力传感器的示数达到设定的模拟钻头钻压；

步骤4，开启伺服电机，驱动模拟钻杆和模拟旋转导向工具旋转芯轴发生转动，根据转速传感器的示数，调整模拟钻杆和模拟旋转导向工具旋转芯轴的转速；

步骤5，模拟钻杆和模拟旋转导向工具旋转芯轴转动过程中，利用钻头受力监测装置受力监测板上的侧向力传感器进行测量，得到模拟钻头所受侧向力的大小及方向，再利用位移传感器测量此时模拟旋转导向工具翼肋的径向位移，结合翼肋的初始径向位移，得到模拟旋转导向工具偏心位移，并基于模拟旋转导向工具偏心位移确定翼肋所受导向合力；

步骤6，改变模拟钻头钻压，将其余钻进参数设置为初始值，重复步骤3至步骤5，分别得到模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力大小、模拟钻头所受侧向力方向随模拟钻头钻压的变化规律；

再改变伺服电机转速，将其余钻进参数设置为初始值，重复步骤3至步骤5，分别得到模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力大小、模拟钻头所受侧向力方向随模拟钻杆转速的变化规律；

再改变模拟旋转导向工具翼肋所受推靠力，将其余钻进参数设置为初始值，调整模拟旋转导向工具的碟簧，重复步骤3至步骤5，分别得到模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力大小、模拟钻头所受侧向力方向随模拟旋转导向工具翼肋所受推靠力的变化规律；

步骤7，分别将模拟井筒沿顺时针旋转90°、180°和270°，重复步骤6，得到不同井筒方向下的模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力的大小及方向，分别得到模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力大小、模拟钻头所受侧向力方向随模拟井筒方向的变化规律；

步骤8，关闭伺服电机，结束实验。

优选地，分别改变模拟钻杆连接的柔性短节数量及扶正器尺寸，重复步骤3至步骤5，得到不同钻具组合结构条件下模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力的大小及方向，确定模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力大小、模拟钻头所受侧向力方向随钻具组合结构的变化规律。

本发明所带来的有益技术效果：

1、本发明提出了一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置，该实验装置通过将复杂的钻井现场实验转化为室内实验，实现了对静态推靠式旋转导向工具实际钻井过程工作情况的模拟，降低了实验成本，可操作性强。

2、本发明提出了一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验方法，该方法通过模拟各钻进参数条件下静态推靠式旋转导向工具的工作状态，对各钻进参数对静态推靠式旋转导向工具钻头侧向力与翼勒处导向合力、偏心位移偏差的影响规律进行了全面研究，并且还可通过改变钻具组合，研究不同钻具组合结构对静态推靠式旋转导向工具钻头侧向力与翼勒处导向合力、偏心位移偏差的影响规律，有利于确定静态推靠式旋转导向工具导向力调控模式与偏心位移调控模式之间的偏差，为提高静态推靠式旋转导向工具调控精度提供了依据。

附图说明

图1为本发明静态推靠式旋转导向工具调控方式模拟实验装置结构示意图。

图2为本发明模拟旋转导向工具结构示意图。

图3为本发明扶正器与柔性短节结构示意图。

图中，1、实验台调节装置，2、加压手轮，3、压力传感器，4、伺服电机，5、转速传感器，6、模拟井筒，7、模拟钻杆，8、井筒支架，9、模拟旋转导向工具，10、位移传感器，11、加粗井筒，12、模拟钻头，13、岩心底座，14、受力监测板，15、旋转手轮，16、旋转芯轴，17、上主轴台阶，18、推力组合滚针轴承，19、非旋转套，20、翼肋槽，21、非旋转套内台阶，22、下主轴短节，23、柔性短节，24、扶正器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置，如图1所示，包括实验台、加压装置、模拟装置和钻头受力监测装置。

所述加压装置、模拟装置和钻头受力监测装置依次沿直线设置于实验台顶面，实验台一侧设置有用于调节实验台高度及倾斜角度的调节装置1，利用调节装置1调整实验台角度与水平面呈一定倾角，实现对静态推靠式旋转导向工具多种工作场景的模拟。

所述加压装置包括加压手轮2和压力加载板，压力加载板置于移动底座内，顶面设置有用于显示加载压力的压力传感器3，底面通过加载丝杠与加压手轮2相连接，加载丝杠驱动压力加载板沿模拟钻杆轴向运动，旋转压力手轮2控制加载丝杠向模拟钻杆7施加压力，控制模拟钻头所受压力。

所述模拟装置包括模拟井筒6、模拟钻杆7、模拟旋转导向工具9、模拟钻头12和岩心，其中，模拟钻杆7采用多根钻杆螺纹连接而成，模拟井筒6采用多个由有机玻璃制成的井筒法兰连接而成，模拟井筒6通过井筒支架8固定于实验台顶面，该模拟井筒6透明可视，便于实验人员观察实验过程中模拟钻杆7的运动状态，并且为了配合放置模拟旋转导向工具9，对应套于模拟旋转导向工具9外侧的模拟井筒6选用内径较大的加粗井筒11；岩心置于岩心底座13内固定于实验台顶面，用来模拟实际地层情况，模拟旋转导向工具9一端与模拟钻头12相连接，另一端与模拟钻杆7底端相连接，模拟钻头12紧贴岩心表面，模拟旋转导向工具9与模拟钻杆7均套于模拟井筒6内部，模拟旋转导向工具9两端设置有旋转密封套，与模拟井筒6密封形成密闭空间，模拟钻杆7顶端穿过伺服电机4与压力加载板底面相接触，伺服电机4用于驱动模拟钻杆7转动，靠近伺服电机4的模拟钻杆7上设置有转速传感器5，根据转速传感器5示数控制伺服电机4调整实验过程中模拟钻杆7的转速。

所述钻头受力监测装置包括旋转手轮15和受力监测板14；受力监测板14置于移动底座内，移动底座既可固定于实验台顶面也可在实验台顶面移动，旋转手轮15通过加载丝杠与受力监测板14顶面相连接，受力监测板14底面设置有侧向力传感器和压力传感器，侧向力传感器和压力传感器均紧贴于岩心表面，用于测量实验过程中模拟钻头12施加的侧向推靠力，并且该模拟钻头12相比于实际钻具结构简单，具有满足室内实验操作的特点，同时，当加压装置损坏无法正常工作时，可以利用钻头受力监测装置代替加压装置向模拟钻头12施加压力，旋转旋转手轮15挤压加载丝杠驱动受力监测板沿模拟钻杆轴向运动，挤压岩心向模拟钻头12施加压力，替代加压装置向模拟钻头12施加压力。

所述模拟旋转导向工具9包括旋转芯轴16、非旋转套19和下主轴短节22；非旋转套19中间位置处沿轴向设置有三个翼肋槽20，各翼肋槽20等间距分布周向间隔度数为120°；翼肋槽20中心处设置有圆孔，碟簧嵌于圆孔内部，翼肋槽20内部放置有翼肋，翼肋紧贴于碟簧顶部，本发明实验装置采用碟簧代替液压单元施加推靠力，通过更换碟簧组合施加不同的推靠力，满足模拟旋转导向工具9施加不同推靠力的要求，碟簧的设置在简化复杂液压装置的同时实现了替代液压装置施加推靠力的作用；非旋转套19两端内侧设置有非旋转套内台阶21、外侧设置有推力组合滚针轴承18，推力组合滚针轴承18满足实验过程中要求的轴向载荷，用于隔离旋转芯轴16与非旋转套19的相对运动，使得旋转芯轴16在模拟钻杆7的带动下发生转动时，非旋转套19保持原状态，不随旋转芯轴16发生转动，同时，靠近模拟钻头12一端的推力组合滚针轴承18固定于下主轴短节22和非旋转套内台阶21之间，远离模拟钻头12一端的推力组合滚针轴承18固定于上主轴台阶17和非旋转套内台阶21之间，旋转芯轴16底端依次穿过上主轴台阶17和推力组合滚针轴承18与下主轴短节22顶端相连接，上主轴台阶17和非旋转套内台阶21均用于限制推力组合滚针轴承18的位置，起到了良好的限位功能，上主轴台阶17防止了推力组合滚针轴承18随旋转芯轴16的转动发生滑动，非旋转套内台阶21防止了推力组合滚针轴承18沿旋转芯轴16滑向非旋转套19内侧；下主轴短节22底端与模拟钻头12相连接，旋转芯轴16顶端依次通过扶正器24和柔性短节23与模拟钻杆7相连接，扶正器24、柔性短节23与模拟钻杆7采用螺纹连接，便于拆卸更换，有利于实验装置的维修和重复利用，节约了实验成本。

所述模拟井筒6对应模拟旋转导向工具9非旋转套19翼肋槽20圆孔处设置有孔眼，本实施例中模拟井筒6上设置有三个孔眼，各孔眼位置与模拟旋转导向工具9非旋转套19翼肋槽20圆孔位置相对应，孔眼内嵌有接触式位移传感器10，接触式位移传感器10紧贴模拟旋转导向工具9翼肋，用于测量实验过程中模拟旋转导向工具9翼肋的径向位移。

本发明还提出了一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验方法，利用上述用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置，具体包括如下步骤：

步骤1，将加压装置、模拟装置和钻头受力监测装置依次沿直线安装于实验台顶面，根据模拟井筒倾斜角度，利用实验台调节装置1调整实验台的高度及倾斜角度；

步骤2，调整模拟井筒6孔眼内部位移传感器10的位置，使其紧贴模拟旋转导向工具9的翼肋，利用位移传感器10测量模拟旋转导向工具9翼肋的初始径向位移，将模拟钻头钻压、模拟钻杆转速和模拟旋转导向工具翼肋所受推靠力设置为钻进参数，设置模拟钻头钻压、模拟钻杆转速以及模拟旋转导向工具翼肋所受推靠力的初始值；

步骤3，通过旋转加压装置的加压手轮2，利用加载丝杠推动压力加载板向模拟钻头12施加压力，直至压力加载板上压力传感器3的示数达到设定的模拟钻头钻压；

步骤4，开启伺服电机4，驱动模拟钻杆7和模拟旋转导向工具旋转芯轴16发生转动，根据转速传感器5的示数，调整模拟钻杆7和模拟旋转导向工具旋转芯轴16的转速；

步骤5，模拟钻杆7和模拟旋转导向工具旋转芯轴16转动过程中，利用钻头受力检测装置受力监测板上14的侧向力传感器进行测量，得到模拟钻头12所受侧向力的大小及方向，再利用位移传感器10测量此时模拟旋转导向工具9翼肋的径向位移，结合翼肋的初始径向位移，得到模拟旋转导向工具偏心位移，并基于模拟旋转导向工具偏心位移确定翼肋所受导向合力；

步骤6，改变模拟钻头12钻压，将其余钻进参数设置为初始值，重复步骤3至步骤5，分别得到模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力大小、模拟钻头所受侧向力方向随模拟钻头钻压的变化规律；

再改变伺服电机4转速，将其余钻进参数设置为初始值，重复步骤3至步骤5，分别得到模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力大小、模拟钻头所受侧向力方向随模拟钻杆转速的变化规律；

再改变模拟旋转导向工具9翼肋所受推靠力，将其余钻进参数设置为初始值，调整模拟旋转导向工具9的碟簧，重复步骤3至步骤5，分别得到模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力大小、模拟钻头所受侧向力方向随模拟旋转导向工具翼肋所受推靠力的变化规律；

步骤7，分别将模拟井筒6沿顺时针旋转90°、180°和270°，重复步骤6，得到不同井筒方向下的模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力的大小及方向，分别得到模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力大小、模拟钻头所受侧向力方向随模拟井筒方向的变化规律；

步骤8，关闭伺服电机4，结束实验。

同时，本发明方法还通过改变模拟钻杆7连接的柔性短节23数量及扶正器24尺寸，重复步骤3至步骤5，得到不同钻具组合结构条件下模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力的大小及方向，确定模拟旋转导向工具偏心位移、翼肋所受导向合力、模拟钻头所受侧向力大小、模拟钻头所受侧向力方向随钻具组合结构的变化规律。

在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。