一種研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括主機(jī)架、模擬井壁總成、回轉(zhuǎn)總成、圓盤總成、激振總成、稱重總成和檢測(cè)裝置。模擬井壁總成包括有機(jī)玻璃管、固定夾具和夾具安裝板；回轉(zhuǎn)總成設(shè)有電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器、細(xì)鋼柱和頂部安裝板，回轉(zhuǎn)總成貫穿整個(gè)主機(jī)架，圓盤總成包括圓盤和圓筒，圓筒安裝在浮動(dòng)平臺(tái)上，圓盤在圓筒內(nèi)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；激振總成中的激振器按照輸入的信號(hào)類型對(duì)圓盤底部進(jìn)行激振，以模擬鉆頭與鉆井底部的巖石的相互作用；檢測(cè)裝置包括渦動(dòng)軌跡和橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)檢測(cè)裝置。本設(shè)備能夠模擬檢測(cè)鉆柱的振動(dòng)和變形情況，并根據(jù)動(dòng)力相似比和幾何相似比確定裝置的轉(zhuǎn)速和鉆壓相似比等參數(shù)；用于進(jìn)行模擬和研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性。
【專利說(shuō)明】一種研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆井動(dòng)力學(xué)是研究最佳鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)置、鉆柱疲勞、磨損、振動(dòng)、屈曲行為、渦動(dòng)、井眼軌跡預(yù)測(cè)及控制、鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等問(wèn)題的研究基礎(chǔ)。鉆柱在井眼中的力學(xué)行為是一種包含了幾何非線性和接觸非線性的雙重非線性問(wèn)題。
[0003]鉆柱的振動(dòng)可以分解為縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三種，真實(shí)工況下其振動(dòng)極其復(fù)雜，一般是幾種振動(dòng)的耦合；質(zhì)量不平衡會(huì)使鉆柱在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生離心力，從而產(chǎn)生渦動(dòng)致使鉆柱偏磨；此外，鉆柱的振動(dòng)還受鉆井液、孔壁、鉆具重量等因素的影響。在陸地表面監(jiān)測(cè)或由井底隨鉆測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)都難以真實(shí)反應(yīng)其井底鉆具的振動(dòng)情況，例如，鉆柱的橫向振動(dòng)在由井底向井口傳播的過(guò)程中急劇衰減。
[0004]本發(fā)明提出一種研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性的相似方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以準(zhǔn)確模擬鉆柱的位移和運(yùn)動(dòng)以及振動(dòng)情況，并且方便在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、記錄、分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為提供一種用于研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)根據(jù)鉆柱模擬相似比理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和各種實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:提供一種研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括主機(jī)架、模擬井壁總成、回轉(zhuǎn)總成、圓盤總成、激振總成、稱重總成和檢測(cè)裝置；
[0007]所述的主機(jī)架由主框架、角鏈接件及連接螺栓螺母組成；
[0008]所述的模擬井壁總成包括有機(jī)玻璃管、固定夾具和夾具安裝板，有機(jī)玻璃管穿過(guò)固定夾具并固定在固定夾具中，固定夾具固定在夾具安裝板上，夾具安裝板通過(guò)螺栓螺母安裝在主框架上；
[0009]所述的回轉(zhuǎn)總成包括電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器、細(xì)鋼柱和頂部安裝板，回轉(zhuǎn)總成貫穿整個(gè)主機(jī)架，頂部安裝板通過(guò)T型螺栓螺母安裝在主框架的頂部，電機(jī)安裝在頂部安裝板上并通過(guò)聯(lián)軸器與細(xì)鋼柱連接，細(xì)鋼柱下端與圓盤總成的圓盤連接；
[0010]所述的圓盤總成包括圓盤和圓筒，圓筒安裝在浮動(dòng)平臺(tái)上，圓盤的直徑小于圓筒的直徑，圓盤在圓筒內(nèi)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，圓筒和浮動(dòng)平臺(tái)通過(guò)中部設(shè)的開孔與下部的激振器接觸，受到下部激振器的激振；
[0011]所述的激振總成包括激振器、力傳感器、信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)放大器，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激振信號(hào)經(jīng)由信號(hào)放大器輸入到激振器中，激振器按照輸入的信號(hào)類型對(duì)圓盤底部進(jìn)行激振，以模擬鉆頭與鉆井底部的巖石的相互作用，其中力傳感器安裝在激振器的激振桿上，用于檢測(cè)激振器產(chǎn)生的激振力；
[0012]所述的稱重總成包括四個(gè)直線導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌連接件、浮動(dòng)平臺(tái)、支撐板、稱重傳感器，四個(gè)直線導(dǎo)軌豎直均布在主框架上，浮動(dòng)平臺(tái)通過(guò)直線導(dǎo)軌連接件安裝在直線導(dǎo)軌上，且能在直線導(dǎo)軌中上下運(yùn)動(dòng)，浮動(dòng)平臺(tái)下方安裝有支撐板，支撐板的下端連接著稱重傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施加在細(xì)鋼柱上的壓力大??；
[0013]所述的檢測(cè)裝置包括渦動(dòng)軌跡和橫向振動(dòng)檢測(cè)裝置、縱向振動(dòng)檢測(cè)裝置；所述的渦動(dòng)軌跡和橫向振動(dòng)檢測(cè)裝置由兩個(gè)安裝在浮動(dòng)平臺(tái)上激光位置傳感器組成，兩個(gè)激光位置傳感器分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)相互垂直方向到圓盤的距離，計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)之后通過(guò)軌跡計(jì)算算法，計(jì)算出圓盤的渦動(dòng)軌跡；同時(shí)，所述的兩個(gè)激光位置傳感器還測(cè)量圓盤在橫向上的位置變化，因而也用于檢測(cè)圓盤的橫向振動(dòng)；所述的縱向振動(dòng)檢測(cè)裝置由一組電渦流傳感器和振動(dòng)圓盤組成，振動(dòng)圓盤安裝在模擬鉆柱的細(xì)鋼柱上，電渦流傳感器安裝在夾具安裝板上，當(dāng)模擬鉆柱的細(xì)鋼柱產(chǎn)生縱向振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)圓盤也產(chǎn)生縱向振動(dòng)，電渦流傳感器就產(chǎn)生與縱向振動(dòng)大小對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。
[0014]本發(fā)明所述的回轉(zhuǎn)總成中的細(xì)鋼柱穿在有機(jī)玻璃管中，實(shí)驗(yàn)中受有機(jī)玻璃管的約束，用于模擬鉆柱與井壁的相互作用。
[0015]本發(fā)明所述的浮動(dòng)平臺(tái)與支撐板連接，支撐板與稱重傳感器連接，通過(guò)調(diào)整頂部安裝板的位置給細(xì)鋼柱施加不同大小的壓力，壓力傳遞到下端浮動(dòng)平臺(tái)上的圓盤上，并使得浮動(dòng)平臺(tái)作向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，最終使得下端的稱重傳感器順利檢測(cè)到所施加的壓力。
[0016]本發(fā)明所述的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中采用的有機(jī)玻璃管、細(xì)鋼柱的尺寸根據(jù)模擬井壁和鉆柱的幾何相似比設(shè)計(jì)的，實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的材料選擇由模擬鉆柱的材料密度相似比確定，動(dòng)力設(shè)計(jì)參數(shù)由動(dòng)力相似比確定，動(dòng)力相似比包括時(shí)間相似比和力相似比，實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)參數(shù)由轉(zhuǎn)速相似比確定，實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬實(shí)驗(yàn)所用的壓力參數(shù)由鉆壓相似比確定，計(jì)算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括主機(jī)架、模擬井壁總成、回轉(zhuǎn)總成、圓盤總成、激振總成、稱重總成和檢測(cè)裝置；其特征在于: 所述的主機(jī)架由主框架、角鏈接件及連接螺栓螺母組成； 所述的模擬井壁總成包括有機(jī)玻璃管、固定夾具和夾具安裝板，有機(jī)玻璃管穿過(guò)固定夾具并固定在固定夾具中，固定夾具固定在夾具安裝板上，夾具安裝板通過(guò)螺栓螺母安裝在王框架上； 所述的回轉(zhuǎn)總成包括電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器、細(xì)鋼柱和頂部安裝板，回轉(zhuǎn)總成貫穿整個(gè)主機(jī)架，頂部安裝板通過(guò)T型螺栓螺母安裝在主框架的頂部，電機(jī)安裝在頂部安裝板上并通過(guò)聯(lián)軸器與細(xì)鋼柱連接，細(xì)鋼柱下端與圓盤總成的圓盤連接； 所述的圓盤總成包括圓盤和圓筒，圓筒安裝在浮動(dòng)平臺(tái)上，圓盤的直徑小于圓筒的直徑，圓盤在圓筒內(nèi)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，圓筒和浮動(dòng)平臺(tái)通過(guò)中部設(shè)的開孔與下部的激振器接觸，受到下部激振器的激振； 所述的激振總成包括激振器、力傳感器、信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)放大器，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激振信號(hào)經(jīng)由信號(hào)放大器輸入到激振器中，激振器按照輸入的信號(hào)類型對(duì)圓盤底部進(jìn)行激振，以模擬鉆頭與鉆井底部的巖石的相互作用，其中力傳感器安裝在激振器的激振桿上，用于檢測(cè)激振器產(chǎn)生的激振力； 所述的稱重總成包括四個(gè)直線導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌連接件、浮動(dòng)平臺(tái)、支撐板、稱重傳感器，四個(gè)直線導(dǎo)軌豎直均布在主框架上，浮動(dòng)平臺(tái)通過(guò)直線導(dǎo)軌連接件安裝在直線導(dǎo)軌上，且能在直線導(dǎo)軌中上下運(yùn)動(dòng)，浮動(dòng)平臺(tái)下方安裝有支撐板，支撐板的下端連接著稱重傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施加在細(xì)鋼柱上的壓力大小； 所述的檢測(cè)裝置包括渦動(dòng)軌跡和橫向振動(dòng)檢測(cè)裝置、縱向振動(dòng)檢測(cè)裝置；所述的渦動(dòng)軌跡和橫向振動(dòng)檢測(cè)裝置由兩個(gè)安裝在浮動(dòng)平臺(tái)上激光位置傳感器組成，兩個(gè)激光位置傳感器分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)相互垂直方向到圓盤的距離，計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)之后通過(guò)軌跡計(jì)算算法，計(jì)算出圓盤的渦動(dòng)軌跡；同時(shí)，所述的兩個(gè)激光位置傳感器還測(cè)量圓盤在橫向上的位置變化，因而也用于檢測(cè)圓盤的橫向振動(dòng)；所述的縱向振動(dòng)檢測(cè)裝置由一組電渦流傳感器和振動(dòng)圓盤組成，振動(dòng)圓盤安裝在模擬鉆柱的細(xì)鋼柱上，電渦流傳感器安裝在夾具安裝板上，當(dāng)模擬鉆柱的細(xì)鋼柱產(chǎn)生縱向振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)圓盤也產(chǎn)生縱向振動(dòng)，電渦流傳感器就產(chǎn)生與縱向振動(dòng)大小對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其特征在于:所述的回轉(zhuǎn)總成中的細(xì)鋼柱穿在有機(jī)玻璃管中，實(shí)驗(yàn)中受有機(jī)玻璃管的約束，用于模擬鉆柱與井壁的相互作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其特征在于:所述的浮動(dòng)平臺(tái)與支撐板連接，支撐板與稱重傳感器連接，通過(guò)調(diào)整頂部安裝板的位置給細(xì)鋼柱施加不同大小的壓力，壓力通過(guò)細(xì)鋼柱傳遞到下端浮動(dòng)平臺(tái)上的圓盤上，并使得浮動(dòng)平臺(tái)作向下的運(yùn)動(dòng)，最終使得下端的稱重傳感器檢測(cè)到所施加的壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究鉆柱動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其特征在于:所述的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中采用的有機(jī)玻璃管、細(xì)鋼柱的尺寸根據(jù)模擬井壁和鉆柱的幾何相似比設(shè)計(jì)的，實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的材料選擇由模擬鉆柱的材料密度相似比確定，動(dòng)力設(shè)計(jì)參數(shù)由動(dòng)力相似比確定，動(dòng)力相似比包括時(shí)間相似比和力相似比，實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)參數(shù)由轉(zhuǎn)速相似比確定，實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬實(shí)驗(yàn)所用的壓力參數(shù)由鉆壓相似比確定，計(jì)算公式如下:
【文檔編號(hào)】G01M13/00GK103712790SQ201410012152
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】李波, 王錫霖, 張東宵, 王龍, 左國(guó)勇, 趙海侗, 尹邵君 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）