本發(fā)明屬于石油鉆井中柔性鉆桿的測(cè)試設(shè)備，涉及一種基于鉆井液工況下的柔性鉆桿水平段鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

1、水平井是最大井斜角達(dá)到或接近90°（一般不小于86°），并在目的層中維持一定長(zhǎng)度的水平井段的特殊井，主要用于碳酸鹽巖裂縫油藏、帶氣頂或底水的油藏、薄層油藏、低滲透油藏、稠油油藏和高含水人工注水油藏等的開發(fā)。水平井的造價(jià)雖然高于垂直井，但對(duì)非裂縫性油藏其產(chǎn)量大約是垂直井的3倍，對(duì)具有天然裂縫的油藏產(chǎn)量可達(dá)到垂直井的12倍，對(duì)含水開采的油田，油氣采收率要比垂直井提高很多。

2、柔性鉆桿在進(jìn)行超短半徑側(cè)鉆水平井作業(yè)時(shí)，承受著由交變載荷引起的較大應(yīng)力突變，容易形成鉆桿的橫向振動(dòng)。強(qiáng)烈的橫向振動(dòng)容易導(dǎo)致鉆具失效、井眼軌跡難以控制等問題。同時(shí)，鉆桿在鉆進(jìn)過程中常常會(huì)遇到各種阻力，容易在水平井眼中產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力激增，容易使鉆桿受到破壞。鉆桿產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象除了與井壁的接觸碰撞產(chǎn)生的摩擦力有關(guān)之外，同時(shí)還與鉆井液對(duì)鉆具產(chǎn)生的粘性摩擦力存在著非常大的關(guān)系。

3、如何驗(yàn)證柔性鉆桿在水平段的穩(wěn)定性和力學(xué)性能，關(guān)系到超短半徑水平井水平段延伸能力的提高，也是能否提高石油開采效率的關(guān)鍵，已經(jīng)成為當(dāng)前急需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于鉆井液工況下的柔性鉆桿水平段鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，通過該實(shí)驗(yàn)裝置模擬存在鉆井液流動(dòng)的水平井水平段，并在該水平段中對(duì)柔性鉆桿進(jìn)行穩(wěn)定性能和力學(xué)性能的試驗(yàn)，測(cè)量、采集并分析鉆具在鉆進(jìn)過程中自身的橫向振動(dòng)位移和扭力以及鉆壓的變化情況。摸索柔性鉆桿在鉆進(jìn)過程中的穩(wěn)定性情況和力學(xué)情況，進(jìn)一步揭示流動(dòng)的鉆井液對(duì)運(yùn)動(dòng)的柔性鉆桿的作用機(jī)理，為后續(xù)的鉆井工藝參數(shù)控制、鉆具切削力學(xué)分析和柔性鉆桿軌跡預(yù)測(cè)，提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于鉆井液工況下的柔性鉆桿水平段鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，包括步進(jìn)電機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)，其中：鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置還設(shè)有手輪加壓器、電機(jī)移位機(jī)構(gòu)、末端測(cè)壓器、透明套筒和可調(diào)流量泵；由套筒支架支撐且水平放置的透明套筒外壁固定著相互垂直安裝的電渦流位移傳感器，透明套筒的兩端均裝有密封端蓋；由多節(jié)柔性短節(jié)組成的柔性鉆桿水平放置在透明套筒中，柔性鉆桿兩端的端頭均從密封端蓋中露出且一端通過電磁動(dòng)態(tài)扭矩傳感器依次與電機(jī)位移機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電機(jī)和手輪加壓器連接、另一端與末端測(cè)壓器連接；手輪加壓器和末端測(cè)壓器中分別裝有手輪壓力傳感器和末端壓力傳感器；輸送管道中連接著流量計(jì)和充滿鉆井液并裝有可調(diào)流量泵的鉆井液桶，輸送管道的兩端與透明套筒連接并形成循環(huán)回路；電磁動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、手輪壓力傳感器、末端壓力傳感器以及電渦流位移傳感器均通過測(cè)量線纜依次與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)連接。

3、優(yōu)選的，所述電機(jī)移位機(jī)構(gòu)還設(shè)有導(dǎo)軌、導(dǎo)軌支架、電機(jī)固定座和可移動(dòng)電機(jī)底座，電機(jī)固定座固定在可移動(dòng)電機(jī)底座上面，步進(jìn)電機(jī)與電機(jī)固定座固定連接，可移動(dòng)電機(jī)底座能夠沿著導(dǎo)軌移動(dòng)；

4、導(dǎo)軌設(shè)有兩根，兩根導(dǎo)軌的兩端分別與固定在墊板上面的導(dǎo)軌支架固定連接。

5、優(yōu)選的，所述可移動(dòng)電機(jī)底座與兩根導(dǎo)軌通過滑塊連接，所述滑塊是設(shè)有導(dǎo)軌連接孔或連接槽的塊狀體，所述滑塊能夠穿套在導(dǎo)軌的外面且能夠通過螺栓固定在可移動(dòng)電機(jī)底座的下端面，所述滑塊中的導(dǎo)軌連接孔或連接槽與導(dǎo)軌的外部結(jié)構(gòu)相符；所述可移動(dòng)電機(jī)底座是l型板體，在所述可移動(dòng)電機(jī)底座的水平板與立板之間設(shè)有加強(qiáng)板且在立板中設(shè)有能夠與手輪加壓器連接的螺紋孔。

6、優(yōu)選的，所述手輪加壓器還設(shè)有手輪、手輪絲杠滑臺(tái)、傳感器固定板、手輪施壓套管和阻尼彈簧一，手輪絲杠滑臺(tái)中設(shè)有傳感器固定臺(tái)和扶正桿，其中：傳感器固定臺(tái)和扶正桿設(shè)置在手輪絲杠滑臺(tái)的凹槽中，傳感器固定臺(tái)中設(shè)有手輪絲杠螺紋連接孔和扶正桿穿孔，設(shè)置在手輪絲杠滑臺(tái)外側(cè)的手輪與連接在傳感器固定臺(tái)中的手輪絲杠的一端固定連接；傳感器固定板與傳感器固定臺(tái)通過螺栓固定連接，手輪壓力傳感器一端與傳感器固定板通過螺栓連接、另一端與手輪施壓套管的端板通過螺栓連接；阻尼彈簧一穿套在手輪施壓套管的外面且能夠頂靠在手輪施壓套管的端板后端面上，手輪施壓套管的后端能夠與可移動(dòng)電機(jī)底座的立板中的螺紋孔連接。

7、優(yōu)選的，所述手輪加壓器中的手輪絲杠滑臺(tái)通過螺栓與固定在固定地基上面的墊板連接；所述扶正桿設(shè)置在手輪絲杠兩側(cè)的傳感器固定臺(tái)中。

8、優(yōu)選的，所述末端測(cè)壓器中還設(shè)有支撐板、末端測(cè)壓套管、阻尼彈簧二、軸承法蘭和止推軸承，其中：末端壓力傳感器通過螺栓固定在末端測(cè)壓套管的端板與支撐板的立板之間；末端測(cè)壓套管的底板通過螺栓固定在固定地基中，所述末端測(cè)壓套管的底板與立板之間設(shè)有加強(qiáng)板；軸承法蘭與止推軸承通過螺栓連接，穿套著阻尼彈簧二的末端測(cè)壓套管管體的另一端穿過軸承法蘭安裝在止推軸承中；止推軸承與柔性鉆桿固定連接。

9、優(yōu)選的，所述透明套筒由亞克力材料制做，安裝在所述透明套筒兩端的密封端蓋設(shè)有外端蓋、外密封蓋、密封圈、內(nèi)密封蓋、密封件、卡簧和密封軸承，其中：所述外端蓋和外密封蓋均是縱切面呈t型的筒狀體，外密封蓋的下部外圓裝有密封圈，外密封蓋套在外端蓋的下部外壁外面且與外端蓋通過螺栓連接，外密封蓋的外徑與透明套筒端部的內(nèi)徑相符且裝有一個(gè)以上的密封圈，通過外密封蓋以及密封圈實(shí)現(xiàn)與透明套筒之間的密封；所述外密封蓋的中心孔內(nèi)設(shè)有兩個(gè)卡簧裝配槽，在兩個(gè)所述卡簧裝配槽之間的中心孔內(nèi)安裝密封軸承；所述內(nèi)密封蓋是縱切面呈t型的筒狀體、下部筒體安裝在外端蓋中心孔內(nèi)且上部外圓臺(tái)階卡在外端蓋的上端面中，內(nèi)密封蓋中心孔的孔徑與柔性鉆桿的外徑相符；所述內(nèi)密封蓋的中心孔內(nèi)裝有一個(gè)以上的密封件。

10、優(yōu)選的，所述電磁動(dòng)態(tài)扭矩傳感器固定在固定支架中并通過固定支架與固定地基固定連接；電磁動(dòng)態(tài)扭矩傳感器兩端的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器分別與柔性鉆桿和步進(jìn)電機(jī)的輸出軸連接。

11、優(yōu)選的，所述的電渦流位移傳感器固定在電渦流位移傳感器支架中，所述電渦流位移傳感器支架的頂端和兩側(cè)均設(shè)有傳感器固定孔，電渦流位移傳感器支架通過螺栓與固定地基連接；根據(jù)對(duì)柔性鉆桿的測(cè)試需求，在與電渦流位移傳感器相對(duì)應(yīng)的柔性鉆桿外面粘貼導(dǎo)磁元件；所述電渦流位移傳感器通過傳感器固定孔兩側(cè)的螺母夾持在電渦流傳感器支架中。

12、優(yōu)選的，所述套筒支架設(shè)有套筒上支架和套筒下支架，所述套筒上支架和套筒下支架中均設(shè)置弧形槽且通過螺栓對(duì)接后的套筒上支架和套筒下支架中弧形槽形成的內(nèi)圓與透明套筒的外圓相符；所述套筒下支架通過螺栓與固定地基固定連接。

13、本發(fā)明的顯著使用效果在于：本發(fā)明是針對(duì)在不同粘度、不同流速的鉆井液流動(dòng)環(huán)境下工作的柔性鉆桿進(jìn)行鉆壓、扭矩和橫向振動(dòng)位移的實(shí)驗(yàn)裝置，通過安裝在鉆井液桶中的可調(diào)流量泵，使鉆井液在輸送管道和透明套管之間形成循環(huán)回路。使處于水平段中、即透明套管中的柔性鉆桿在具備鉆井液流動(dòng)的工況狀態(tài)下鉆進(jìn)，讓實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)柔性鉆桿的測(cè)試更接近井下工作環(huán)境，從而使測(cè)試數(shù)據(jù)更加真實(shí)、可信。能夠?yàn)樗姐@井條件下的研究目標(biāo)－柔性鉆桿，避免因交變載荷而導(dǎo)致的自鎖破壞和正常穩(wěn)定工作提供數(shù)據(jù)參考。

14、本發(fā)明裝置將柔性鉆桿作為研究對(duì)象，柔性鉆桿兩端分別與末端壓力傳感器和電磁動(dòng)態(tài)扭矩傳感器以及手輪壓力傳感器連接。柔性鉆桿橫置在透明套筒內(nèi)，透明套筒兩端安裝的裝有密封件的密封端蓋，可以有效防止鉆井液在流動(dòng)過程中泄露出來。柔性鉆桿的一端通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)連接、另一端與末端測(cè)壓器中的止推軸承連接；電渦流位移傳感器放置在透明套筒外側(cè)，在柔性鉆桿的指定位置貼上導(dǎo)磁元件，可以測(cè)定指定位置的橫向位移。鉆井液通過可調(diào)流量泵經(jīng)過輸送管道從透明套筒一端進(jìn)入，另一端流出，形成循環(huán)回路；在輸送管道中安裝流量計(jì)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量數(shù)據(jù)。其具體優(yōu)點(diǎn)在于：

15、1、通過本裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)水平段中柔性鉆桿工作狀況的可視化、實(shí)時(shí)觀察；

16、2、通過本裝置可以實(shí)時(shí)測(cè)量柔性鉆桿所承受的壓力、扭矩及其橫向振動(dòng)情況，并將采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模；

17、3、通過本裝置可以無級(jí)調(diào)節(jié)柔性鉆桿的相關(guān)鉆井工藝參數(shù)，以探究鉆井工藝參數(shù)對(duì)柔性鉆桿穩(wěn)定性和動(dòng)力特性的影響。

18、本發(fā)明能夠進(jìn)一步揭示流動(dòng)的鉆井液對(duì)運(yùn)動(dòng)的柔性鉆桿的作用機(jī)理，為后續(xù)的鉆井工藝參數(shù)控制、鉆具切削力學(xué)分析和柔性鉆桿軌跡預(yù)測(cè)，提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。