本發(fā)明涉及一種石油與天然氣采氣工程技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種模擬生產(chǎn)鉆柱振動(dòng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)試方法及裝置。

背景技術(shù)：

在鉆井工程中，尤其氣體鉆井，鉆柱振動(dòng)主要形式有縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和橫向振動(dòng)?？v向振動(dòng)是由于井底的不平整、牙輪鉆頭牙齒間隔接觸井底、鉆頭破巖過(guò)程中受到不穩(wěn)定的反作用力等因素引起的，縱向共振產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊載荷加速了鉆具的疲勞過(guò)程，導(dǎo)致鉆柱、鉆頭、井下動(dòng)力鉆具等下井工具的損壞。對(duì)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，由于鉆具的公轉(zhuǎn)或渦動(dòng)，外徑較大的接頭或彎曲鉆具會(huì)不斷地敲擊井壁產(chǎn)生“粘卡”現(xiàn)象，導(dǎo)致井下鉆具旋轉(zhuǎn)停止，而鉆柱的旋轉(zhuǎn)能量在鉆柱中不斷積累，當(dāng)鉆柱中積累的動(dòng)力足以夠克服井壁與鉆具間的磨阻時(shí)，瞬間產(chǎn)生“釋放”現(xiàn)象，此時(shí)鉆頭和鉆具以高速旋轉(zhuǎn)釋放能量，正是因?yàn)殂@柱的往復(fù)“粘卡—釋放”引發(fā)了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。嚴(yán)重的粘卡會(huì)造成卡點(diǎn)以上附近鉆具超扭矩，導(dǎo)致鉆具內(nèi)部的永久變形，持續(xù)的粘卡能引起鉆具的疲勞破壞。鉆柱橫向振動(dòng)主要表現(xiàn)是不規(guī)則的橫向擺動(dòng)，它是由鉆柱的偏轉(zhuǎn)或渦動(dòng)造成的。嚴(yán)重的橫向振動(dòng)可能導(dǎo)致鉆柱受到高頻率下的交變應(yīng)力，最終產(chǎn)生疲勞破壞。

鉆具的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)雖然各有區(qū)別，但又相互聯(lián)系和耦合。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明：一種振動(dòng)常常會(huì)引起另外兩種形式的振動(dòng)。輕微的振動(dòng)對(duì)鉆井不會(huì)有很大的影響，當(dāng)振動(dòng)的頻率接近鉆柱系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，鉆柱處于共振狀態(tài)，嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)。

為此，基于鉆具組合/結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、所受載荷特性等動(dòng)力學(xué)因素，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者已對(duì)鉆井過(guò)程中的鉆柱振動(dòng)問(wèn)題開(kāi)展了系統(tǒng)而深入的工作，主要包括：下部鉆具組合（bha）的縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性研究、氣體鉆井鉆柱振動(dòng)特性及控制措施研究，氣體鉆井鉆柱振動(dòng)力學(xué)模型研究、減振工藝及工具研究。此外，也形成了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井過(guò)程中鉆柱振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)測(cè)量?jī)x器及系統(tǒng)。因此，目前的研究成果及相關(guān)測(cè)試手段基本能實(shí)現(xiàn)鉆井過(guò)程中鉆柱振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分析，并提出相應(yīng)的控制措施。

然而，除了鉆井過(guò)程中的鉆柱振動(dòng)以外，在高溫高壓高產(chǎn)氣井應(yīng)急工況下的生產(chǎn)過(guò)程中，流固耦合很可能引發(fā)井下鉆柱的劇烈振動(dòng)（主要包括橫向和縱向），其主要原因是，高溫高壓高產(chǎn)氣井出現(xiàn)應(yīng)急工況時(shí)，完全來(lái)不及下生產(chǎn)管柱及配套的井下封隔器，更來(lái)不及安裝配套的井口裝置及采油樹(shù)，只能采用井筒內(nèi)的鉆柱生產(chǎn)、鉆柱與套管之間的環(huán)空生產(chǎn)及鉆柱和環(huán)空同時(shí)生產(chǎn)三種方式。應(yīng)急工況下生產(chǎn)的鉆柱只有在井口固定，其余完全懸掛在井筒內(nèi)容，無(wú)任何約束，因此，在流固耦合產(chǎn)生的高頻動(dòng)態(tài)應(yīng)力及劇烈振動(dòng)下非常危險(xiǎn)，極易導(dǎo)致鉆柱疲勞破壞甚至直接斷裂，如新疆塔河油田某區(qū)塊的高溫高壓高產(chǎn)氣井。

目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有提出應(yīng)急工況下生產(chǎn)鉆柱動(dòng)態(tài)應(yīng)力及振動(dòng)的測(cè)試方法及裝置，無(wú)法預(yù)測(cè)應(yīng)急工況下生產(chǎn)鉆柱動(dòng)態(tài)應(yīng)力及振動(dòng)特性，從而不能為應(yīng)急工況下鉆柱生產(chǎn)方案的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，為此，本發(fā)明提出一種模擬生產(chǎn)鉆柱振動(dòng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)試方法及裝置，該裝置可根據(jù)相似性原理開(kāi)展鉆柱在不同應(yīng)急生產(chǎn)工況下的模擬試驗(yàn)，并準(zhǔn)確獲取鉆柱在不同生產(chǎn)條件下的振動(dòng)特性參數(shù)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，提出一種模擬生產(chǎn)鉆柱振動(dòng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)試方法及裝置，以解決不同應(yīng)急生產(chǎn)工況下鉆柱動(dòng)態(tài)應(yīng)力及振動(dòng)特性難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的技術(shù)難題，并在達(dá)到上述目的的同時(shí)，簡(jiǎn)化測(cè)試裝置的復(fù)雜性，降低測(cè)試裝置的成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

所述的模擬生產(chǎn)鉆柱振動(dòng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)試方法，其特征是：利用高壓泵向鉆柱和環(huán)空注入一定壓力的氣體，讓鉆柱和環(huán)空憋壓，打開(kāi)鉆柱排氣閥或打開(kāi)環(huán)空排氣閥或同時(shí)打開(kāi)鉆柱排氣閥和環(huán)空排氣閥，分別模擬鉆柱生產(chǎn)、環(huán)空生產(chǎn)和鉆柱與環(huán)空同時(shí)生產(chǎn)三種應(yīng)急生產(chǎn)方式，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)及振動(dòng)傳感器測(cè)量三種應(yīng)急生產(chǎn)方式下閥門(mén)開(kāi)度及流固耦合引起的鉆柱振動(dòng)特性參數(shù)，采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)及應(yīng)力傳感器測(cè)量三種應(yīng)急生產(chǎn)方式下閥門(mén)開(kāi)度及流固耦合引起的鉆柱動(dòng)態(tài)應(yīng)力，所述的模擬生產(chǎn)鉆柱振動(dòng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)試方法包括以下步驟：

步驟1：基于現(xiàn)場(chǎng)高溫高壓高產(chǎn)氣井應(yīng)急工況下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用相似性原理，計(jì)算實(shí)驗(yàn)所需的壓力、流速、管徑、管長(zhǎng)、環(huán)空間隙，完成鉆柱振動(dòng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試裝置設(shè)計(jì)及安裝；

步驟2：采用高壓泵通過(guò)環(huán)空進(jìn)氣口向環(huán)空和鉆柱注入氣體，直到環(huán)空壓力表和鉆柱壓力表上升到指定壓力（根據(jù)實(shí)際模擬工況而定）且相等為止，鉆柱和環(huán)空處于憋壓狀態(tài)；

步驟3：打開(kāi)鉆柱排氣閥，模擬應(yīng)急工況下的鉆柱生產(chǎn)，當(dāng)壓力降到一定值時(shí)，關(guān)閉鉆柱排氣閥，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)及鉆柱底部的振動(dòng)傳感器測(cè)量這一過(guò)程中流固耦合引起的振動(dòng)特性參數(shù)，采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)及鉆柱頂部的應(yīng)力傳感器測(cè)量振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)力；

步驟4：同理，鉆柱和環(huán)空憋壓后，可打開(kāi)環(huán)空排氣閥而關(guān)閉鉆柱排氣閥模擬環(huán)空生產(chǎn)，也可同時(shí)打開(kāi)環(huán)空排氣閥和鉆柱排氣閥模擬環(huán)空與鉆柱同時(shí)生產(chǎn)，并采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)分別測(cè)量環(huán)空生產(chǎn)和環(huán)空與鉆柱同時(shí)生產(chǎn)時(shí)流固耦合引起的振動(dòng)特性參數(shù)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力；

步驟5：動(dòng)態(tài)改變鉆柱排氣閥和環(huán)空排氣閥的開(kāi)度，模擬不同天然氣產(chǎn)量，重復(fù)步驟3和步驟4，可測(cè)得不同產(chǎn)量下鉆柱生產(chǎn)、環(huán)空生產(chǎn)和鉆柱與環(huán)空同時(shí)生產(chǎn)時(shí)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度及流固耦合引起的振動(dòng)特性參數(shù)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力；

步驟6：動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)及應(yīng)力的分析處理，得到不同產(chǎn)量下鉆柱生產(chǎn)、環(huán)空生產(chǎn)和鉆柱與環(huán)空同時(shí)生產(chǎn)時(shí)鉆柱的橫向振幅、縱向振幅、周期/頻率及動(dòng)態(tài)等效應(yīng)力。

為使用上述方法，本發(fā)明提供一種模擬生產(chǎn)鉆柱振動(dòng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)試裝置，其特征在于，主要包括：鉆柱排氣閥、懸掛器、直角臺(tái)肩、環(huán)空進(jìn)氣口、特殊接頭、套管、環(huán)空、動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)、導(dǎo)線、振動(dòng)傳感器、底座、堵頭、水泥石、鉆柱、支架、外筒、環(huán)空壓力表、環(huán)空排氣閥、動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)、鉆柱壓力表、應(yīng)力傳感器、錐形臺(tái)肩。其中，鉆柱頂部通過(guò)螺紋連接固定于帶有直角臺(tái)肩和錐形臺(tái)肩的懸掛器上；外筒由上部特殊接頭和下部套管組成并固定于支架上，上部特殊接頭帶有直角臺(tái)肩和錐形臺(tái)肩，在鉆柱重力作用下懸掛器通過(guò)直角臺(tái)肩和錐形臺(tái)肩實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)空的密封，套管下部采用帶螺紋的堵頭密封并用水泥石固定于底座上；外筒與鉆柱形成環(huán)空；動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)及鉆柱底部外壁的振動(dòng)傳感器用于測(cè)量鉆柱振動(dòng)特性參數(shù)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)及鉆柱頂部?jī)?nèi)壁的應(yīng)力傳感器用于測(cè)量鉆柱動(dòng)態(tài)應(yīng)力；環(huán)空進(jìn)氣口用于給環(huán)空及鉆柱注入一定壓力的氣體，環(huán)空壓力表和鉆柱壓力表分別用于檢測(cè)環(huán)空及鉆柱的壓力變化；鉆柱排氣閥和環(huán)空排氣閥用于模擬不同產(chǎn)量下的鉆柱生產(chǎn)、環(huán)空生產(chǎn)及鉆柱與環(huán)空同時(shí)生產(chǎn)；鉆柱底部與外筒底部之間的間隙足以避免鉆柱振動(dòng)時(shí)與外筒底部之間的碰撞發(fā)生。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）該裝置可根據(jù)相似性原理開(kāi)展鉆柱在不同應(yīng)急生產(chǎn)工況下的振動(dòng)模擬試驗(yàn)，并準(zhǔn)確獲取鉆柱在不同生產(chǎn)工況下的鉆柱動(dòng)態(tài)應(yīng)力及振動(dòng)特性參數(shù)，為應(yīng)急工況下采用鉆柱生產(chǎn)、環(huán)空生產(chǎn)及鉆柱與環(huán)空同時(shí)生產(chǎn)的方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，同時(shí)也為不同應(yīng)急生產(chǎn)工況下鉆柱振動(dòng)機(jī)理的研究提供了較為完備的中間試驗(yàn)條件；

（2）裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉，能真實(shí)模擬不同應(yīng)急生產(chǎn)條件下鉆柱振動(dòng)的過(guò)程。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

所述的模擬生產(chǎn)鉆柱振動(dòng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)試方法，其特征是：利用高壓泵向鉆柱14和環(huán)空7注入一定壓力的氣體，讓鉆柱14和環(huán)空7憋壓；打開(kāi)鉆柱排氣閥20或打開(kāi)環(huán)空排氣閥18或同時(shí)打開(kāi)鉆柱排氣閥20和環(huán)空排氣閥18，分別模擬鉆柱14生產(chǎn)、環(huán)空7生產(chǎn)和鉆柱14與環(huán)空7同時(shí)生產(chǎn)三種應(yīng)急生產(chǎn)方式，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)8及振動(dòng)傳感器10測(cè)量三種應(yīng)急生產(chǎn)方式下閥門(mén)開(kāi)度及流固耦合引起的鉆柱14振動(dòng)特性參數(shù)，采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)19及應(yīng)力傳感器21測(cè)量三種應(yīng)急生產(chǎn)方式下閥門(mén)開(kāi)度及流固耦合引起的鉆柱14動(dòng)態(tài)應(yīng)力，所述的模擬生產(chǎn)鉆柱振動(dòng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)試方法包括以下步驟：

步驟1：基于現(xiàn)場(chǎng)高溫高壓高產(chǎn)氣井應(yīng)急工況下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用相似性原理，計(jì)算實(shí)驗(yàn)所需的壓力、流速、管徑、管長(zhǎng)、環(huán)空間隙，完成鉆柱振動(dòng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試裝置設(shè)計(jì)及安裝；

步驟2：采用高壓泵通過(guò)環(huán)空進(jìn)氣口4向環(huán)空7和鉆柱14注入氣體，直到環(huán)空壓力表17和鉆柱壓力表20上升到指定壓力（根據(jù)實(shí)際模擬工況而定）且相等為止，鉆柱14和環(huán)空7處于憋壓狀態(tài)；

步驟3：打開(kāi)鉆柱排氣閥1，模擬應(yīng)急工況下的鉆柱生產(chǎn)，當(dāng)壓力降到一定值時(shí)，關(guān)閉鉆柱排氣閥1，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)8和鉆柱14底部的振動(dòng)傳感器10測(cè)量這一過(guò)程中流固耦合引起的振動(dòng)特性參數(shù)，采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)19和鉆柱14頂部的應(yīng)力傳感器21測(cè)量振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)力；

步驟4：同理，鉆柱14和環(huán)空7憋壓后，可打開(kāi)環(huán)空排氣閥18而關(guān)閉鉆柱排氣閥1模擬環(huán)空7生產(chǎn)，也可同時(shí)打開(kāi)環(huán)空排氣閥18和鉆柱排氣閥1模擬環(huán)空7與鉆柱14同時(shí)生產(chǎn)，并采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)8和動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)19分別測(cè)量環(huán)空7生產(chǎn)和環(huán)空7與鉆柱14同時(shí)生產(chǎn)時(shí)流固耦合引起的振動(dòng)特性參數(shù)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力；

步驟5：動(dòng)態(tài)改變鉆柱排氣閥1和環(huán)空排氣閥18的開(kāi)度，模擬不同天然氣產(chǎn)量，重復(fù)步驟3和步驟4，可測(cè)得不同產(chǎn)量下鉆柱14生產(chǎn)、環(huán)空7生產(chǎn)和鉆柱14與環(huán)空7同時(shí)生產(chǎn)時(shí)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度及流固耦合引起的振動(dòng)特性參數(shù)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力；

步驟6：動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)及應(yīng)力的分析處理，得到不同產(chǎn)量下鉆柱14生產(chǎn)、環(huán)空7生產(chǎn)和鉆柱14與環(huán)空7同時(shí)生產(chǎn)時(shí)鉆柱14的橫向振幅、縱向振幅、周期/頻率及動(dòng)態(tài)等效應(yīng)力。

參見(jiàn)圖1，為使用上述方法，本發(fā)明提供一種模擬生產(chǎn)鉆柱振動(dòng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)試裝置，其特征在于，主要包括：鉆柱排氣閥1、懸掛器2、直角臺(tái)肩3、環(huán)空進(jìn)氣口4、特殊接頭5、套管6、環(huán)空7、動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)8、導(dǎo)線9、振動(dòng)傳感器10、底座11、堵頭12、水泥石13、鉆柱14、支架15、外筒16、環(huán)空壓力表17、環(huán)空排氣閥18、動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)19、鉆柱壓力表20、應(yīng)力傳感器21、錐形臺(tái)肩22。其中，鉆柱14頂部通過(guò)螺紋連接固定于帶有直角臺(tái)肩3和錐形臺(tái)肩22的懸掛器2上；外筒16由上部特殊接頭5和下部套管6組成并固定于支架15上，上部特殊接頭5帶有與懸掛器匹配的直角臺(tái)肩3和錐形臺(tái)肩22，在鉆柱14重力作用下懸掛器2通過(guò)直角臺(tái)肩3和錐形臺(tái)肩22實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)空7的密封，套管6下部采用帶螺紋的堵頭12密封并用水泥石13固定于底座11上；外筒16與鉆柱14形成環(huán)空7；動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)8及鉆柱14底部外壁的振動(dòng)傳感器10用于測(cè)量鉆柱14振動(dòng)特性參數(shù)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)19及鉆柱14頂部?jī)?nèi)壁的應(yīng)力傳感器21用于測(cè)量鉆柱14動(dòng)態(tài)應(yīng)力；環(huán)空進(jìn)氣口4用于給環(huán)空7及鉆柱14注入一定壓力的氣體，環(huán)空壓力表17和鉆柱壓力表20分別用于檢測(cè)環(huán)空7及鉆柱14的壓力變化；鉆柱排氣閥1和環(huán)空排氣閥18用于模擬不同產(chǎn)量下的鉆柱14生產(chǎn)、環(huán)空7生產(chǎn)及鉆柱14與環(huán)空7同時(shí)生產(chǎn)；鉆柱14底部與外筒16底部之間的間隙足以避免鉆柱14振動(dòng)時(shí)與外筒16底部之間的碰撞發(fā)生。