專利名稱：一種用于模擬底部鉆具組合力學特性的測力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于模擬底部鉆具組合力學特性的測力裝置，屬于管柱動力學測試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在石油勘探與開發(fā)過程中，鉆井是必不可少的基本環(huán)節(jié)，具有資金和技術(shù)密集型特征。鉆柱力學特性研究是現(xiàn)代鉆井工程理論和技術(shù)的重要組成部分。隨著鉆井技術(shù)向高溫高壓井、深井超深井、特殊工藝井(包括定向井、水平井、大位移井、復雜結(jié)構(gòu)井、叢式井、欠平衡鉆井及套管鉆井等)等方向發(fā)展，對管柱力學，特別是對底部鉆具組合力學性能的研究提出了更高的要求，需要進一步掌握底部鉆具組合防斜打直的機理。國內(nèi)外許多學者對底部鉆具組合的力學問題進行了大量理論研究，并通過建立理想模型和理論計算，取得了很多成果。比如，自1950年A.Lubinski較系統(tǒng)、全面地研究了豎直井中鉆柱的受力與變形，開創(chuàng)了鉆柱力學研究的新局面之后，先后出現(xiàn)了 B.H.Walker的能量法、W.B.Bradley和F.J.Fischer的差分法、白家祉的縱橫彎曲法、K.K.Millheim的有限元法、高德利的加權(quán)余量法、狄勤豐的預彎曲動力學防斜打快鉆具組合動力學模型等，但僅從理論角度了解并分析底部鉆柱的動力學特性是不全面的。隨著隨鉆測量技術(shù)的發(fā)展，國外已分別利用電纜傳輸、井下存儲、基于底部鉆柱動力學模型的地面測量和室內(nèi)模擬測量等方法，對井下底部鉆柱受力和運動特性進行了實驗研究和現(xiàn)場測量，取得了較大發(fā)展(參見:US4324297、US4445578、US4662458、US4958517)，但仍存在難度大、經(jīng)濟成本高等缺點，且國內(nèi)目前還不能很好的現(xiàn)場測量BHA動力學特性，缺少先進的地面和井下測量系統(tǒng)，因此，現(xiàn)階段有必要進一步開展底部鉆具組合力學特性的室內(nèi)模擬研究。本
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是，為了克服上述已存在的技術(shù)問題和不足，進一步提高室內(nèi)實驗模擬底部鉆具組合力學性能的研究水平，特提供一種用于模擬底部鉆具組合力學特性的測力裝置。本實用新型實現(xiàn)其目的所采用的技術(shù)方案是:一種用于模擬底部鉆具組合力學特性的測力裝置，主要由安裝座1、測力環(huán)2、應變片3、彈性片4、模擬鉆鋌5、模擬鉆頭6、拉壓傳感器壓桿7、彈性片緊固螺栓8、彈性片緊固螺栓墊圈9、彈性片墊片10、拉壓傳感器壓桿緊固螺栓11、拉壓傳感器12、底座13、測力環(huán)緊固螺栓14、拉壓傳感器緊固螺栓15構(gòu)成。模擬鉆鋌5與模擬鉆頭6螺紋連接，其軸線與安裝座I的軸線重合；測力環(huán)2嵌入安裝座1，在測力環(huán)2內(nèi)圓上切3個相間120°的刀槽安裝彈性片4，彈性片4由彈性片緊固螺栓8固定在測力環(huán)2上，3個彈性片4圍成的圓的直徑等于模擬鉆頭6的直徑，以保證3個彈性片4與模擬鉆頭6在初始狀態(tài)下接觸；通過改變彈性片4的厚度可以測量模擬鉆頭6的不同側(cè)向力，并選擇合適厚度的彈性片墊片10以保證3個彈性片4圍成的內(nèi)切圓的直徑等于模擬鉆頭6的直徑，測力環(huán)緊固螺栓14相間180°分布以固定測力環(huán)2 ;優(yōu)選地，應變片3貼在彈性片4的兩面以構(gòu)成半橋連接的應變式測力傳感器；優(yōu)選地，拉壓傳感器壓桿7安裝在拉壓傳感器12上，頂端與模擬鉆頭6的頂端接觸以測量模擬鉆頭6的軸向壓力，拉壓傳感器壓桿緊固螺栓11固緊拉壓傳感器壓桿7以消除拉壓傳感器壓桿7與拉壓傳感器12之間螺紋連接的間隙；底座13約束拉壓傳感器12的軸向位移；拉壓傳感器緊固螺栓15相間180°分布以約束拉壓傳感器12的橫向位移。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:(1)能連續(xù)動態(tài)的、準確的測量模擬鉆頭的軸向壓力及側(cè)向力；(2)結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，并容易測量不同直徑的模擬鉆頭及其大小范圍不同的側(cè)向力。因此，為室內(nèi)研究模擬底部鉆具合的力學特性提供了有效的測量數(shù)據(jù)，進一步提高了底部鉆具組合力學特性的研究水平。

圖1為用于模擬底部鉆具組合力學特性的測力裝置裝配圖。圖2為圖1的A向剖面圖。圖3為圖1的B向剖面圖。圖4a為用于模擬底部鉆具組合力學特性的測力裝置的彈性片和應變片裝配圖的主視圖。圖4b為用于模擬底部鉆具組合力學特性的測力裝置的彈性片和應變片裝配圖的俯視圖。圖5為用于測量模擬鉆頭側(cè)向力和軸向壓力的流程圖。圖中:1.安裝座、2.測力環(huán)、3.應變片、4.彈性片、5.模擬鉆鋌、6.模擬鉆頭、7.拉壓傳感器壓桿、8.彈性片緊固螺栓、9.彈性片緊固螺栓墊圈、10.彈性片墊片、11.拉壓傳感器壓桿緊固螺栓、12.拉壓傳感器、13.底座、14.測力環(huán)緊固螺栓、15.拉壓傳感器緊固螺栓。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1，圖2，圖3所示，本實用新型是一種用于模擬底部鉆具組合力學特性的測力裝置，主要由安裝座1、測力環(huán)2、應變片3、彈性片4、拉壓傳感器壓桿7、彈性片緊固螺栓8、彈性片緊固螺栓墊圈9、彈性片墊片10、拉壓傳感器壓桿緊固螺栓11、拉壓傳感器12、底座13、測力環(huán)緊固螺栓14、拉壓傳感器緊固螺栓15構(gòu)成，其中彈性片4用彈簧鋼加工和制作。各組成部件的安裝連接關(guān)系為:模擬鉆鋌5與模擬鉆頭6螺紋連接組成模擬底部鉆具組合，其遠離鉆頭端與驅(qū)動裝置相連，近鉆頭端的模擬鉆頭6安裝在測力裝置內(nèi)，測力裝置的安裝座I被夾具夾緊固定；測力環(huán)2嵌入安裝座1，在測力環(huán)2內(nèi)圓上切3個相間120°的刀槽安裝彈性片4 ;如圖4a、圖4b所示，應變片3貼在彈性片4的兩面以構(gòu)成半橋連接的應變式測力傳感器；彈性片4由彈性片緊固螺栓8固定在測力環(huán)2上，3個彈性片4圍成的內(nèi)切圓的直徑等于模擬鉆頭6的直徑，以保證3個彈性片4與模擬鉆頭6在初始狀態(tài)下接觸，構(gòu)成測量模擬鉆頭6的側(cè)向力的側(cè)向力傳感器；通過改變彈性片4的厚度可以測量模擬鉆頭6的不同側(cè)向力，并選擇合適厚度的彈性片墊片10以保證3個彈性片4圍成的內(nèi)切圓的直徑等于模擬鉆頭6的直徑；測力環(huán)緊固螺栓14相間180°分布以固定測力環(huán)2。[0018]拉壓傳感器12為北京安迪世紀電子有限公司生產(chǎn)的LCl 102型應變式拉壓力傳感器，出廠時已標定；拉壓傳感器壓桿7安裝在拉壓傳感器12上，頂端與模擬鉆頭6的頂端接觸以測量模擬鉆頭6的軸向壓力，拉壓傳感器壓桿緊固螺栓11固緊拉壓傳感器壓桿7以消除拉壓傳感器壓桿7與拉壓傳感器12之間螺紋連接的間隙。底座13約束拉壓傳感器12的軸向位移；拉壓傳感器緊固螺栓15相間180°分布以約束拉壓傳感器12的橫向位移。本實用新型的工作過程為:將應變片3貼在彈性片4的正反兩面，接著將3個同樣的彈性片4間隔120°由彈性片緊固螺栓8固定在測力環(huán)2上，構(gòu)成側(cè)向力傳感器；如圖5所示，使用之前對側(cè)向力傳感器進行標定，得到力與應變的對應關(guān)系；將側(cè)向力傳感器和拉壓傳感器12安裝在安裝座I上并被試驗臺上的夾具夾緊固定；通過信號電纜將側(cè)向力傳感器、拉壓傳感器12和信號采集模塊、計算機連接在一起；將模擬井筒、模擬鉆柱裝夾在試驗臺上；通過試驗臺的加載系統(tǒng)為模擬鉆柱加載一定的轉(zhuǎn)速和軸向壓力；這時信號采集模塊按照已設(shè)好的采集頻率采集信號，并存儲在計算機中，待試驗完成后讀取已記錄好的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)標定數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，得到鉆頭的軸向力與側(cè)向力。本實用新型可測量在模擬底部鉆具組合旋轉(zhuǎn)時模擬鉆頭處動態(tài)變化的軸向壓力和側(cè)向力，提高底部鉆具組合力學性能的研究水平，進一步改進底部鉆具組合設(shè)計和提高井眼軌跡的控制水平，從而減少起下鉆次數(shù)、縮短鉆井周期，降低鉆井成本。
權(quán)利要求1.一種用于模擬底部鉆具組合力學特性的測力裝置，主要由安裝座(I)、測力環(huán)(2)、應變片(3)、彈性片(4)、模擬鉆鋌(5)、模擬鉆頭(6)、拉壓傳感器壓桿(7)、彈性片緊固螺栓(8)、彈性片緊固螺栓墊圈(9)、彈性片墊片(10)、拉壓傳感器壓桿緊固螺栓(11)、拉壓傳感器(12)、底座(13)、測力環(huán)緊固螺栓(14)、拉壓傳感器緊固螺栓(15)構(gòu)成，其特征是:模擬鉆鋌(5)與模擬鉆頭(6)螺紋連接，其軸線與安裝座⑴的軸線重合；測力環(huán)(2)嵌入安裝座(I)，在測力環(huán)⑵內(nèi)圓上切3個相間120°的刀槽安裝彈性片(4)，彈性片(4)由彈性片緊固螺栓⑶固定在測力環(huán)⑵上，3個彈性片(4)圍成的內(nèi)切圓的直徑等于模擬鉆頭(6)的直徑，以保證3個彈性片(4)與模擬鉆頭(6)在初始狀態(tài)下接觸；通過改變彈性片(4)的厚度可以測量模擬鉆頭(6)的不同側(cè)向力，并選擇合適厚度的彈性片墊片(10)以保證3個彈性片⑷圍成的圓的直徑等于模擬鉆頭(6)的直徑；測力環(huán)緊固螺栓(14)相間180°分布以固定測力環(huán)(2)。
2.如權(quán)利要求1所述的測力裝置，其特征是:應變片(3)貼在彈性片(4)的兩面以構(gòu)成半橋連接的應變式測力傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的測力裝置，其特征是:拉壓傳感器壓桿(7)安裝在拉壓傳感器(12)上，頂端與模擬鉆頭￠)的頂端接觸以測量模擬鉆頭￠)的軸向壓力，拉壓傳感器壓桿緊固螺栓(11)固緊拉壓傳感器壓桿(7)以消除拉壓傳感器壓桿(7)與拉壓傳感器(12)之間螺紋連接的間隙；底座(13)約束拉壓傳感器(12)的軸向位移 ；拉壓傳感器緊固螺栓(15)相間180°分布以約束拉壓傳感器(12)的橫向位移。
專利摘要本實用新型涉及一種用于模擬底部鉆具組合力學特性的測力裝置，主要由安裝座、測力環(huán)、應變片、彈性片、模擬鉆鋌、模擬鉆頭、拉壓傳感器壓桿、緊固螺栓、墊圈、墊片、緊固螺母、拉壓傳感器、底座構(gòu)成。模擬鉆鋌與模擬鉆頭螺紋連接，其軸線與安裝座軸線重合；測力環(huán)嵌入安裝座，在測力環(huán)內(nèi)圓上相間120°切槽安裝3個彈性片；應變片貼在彈性片的兩面構(gòu)成半橋連接的梁式測力傳感器；緊固螺栓將彈性片、墊圈、墊片固定在測力環(huán)上以測量模擬鉆頭的側(cè)向力；拉壓傳感器壓桿安裝在拉壓傳感器上并由緊固螺母固緊以測量模擬鉆頭的軸向壓力。本實用新型可測量模擬鉆頭處的軸向壓力和側(cè)向力，為改進底部鉆具組合設(shè)計和提高井眼軌跡的控制水平提供依據(jù)。
文檔編號E21B47/00GK202991008SQ20122069901
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者范永濤, 高德利, 房軍, 宋執(zhí)武 申請人:中國石油大學(北京)