一种钻柱动态特性测试装置及其使用方法与流程

本发明属于油气钻井工程领域，具体涉及一种钻柱动态特性测试装置及其使用方法。

背景技术：

1、在旋转钻井过程中，钻柱会承受到拉、压、弯、扭等复杂载荷的作用，加之井筒的约束，钻柱在井下的受力和运动十分复杂。例如：实践表明，钻井过程中钻柱通常存在振动现象，而钻柱的剧烈振动轻则导致钻具的提前失效，降低钻井效率，增加钻井成本，重则导致钻具和井眼报废，造成巨大的经济损失。

2、由此可见，准确掌握钻柱的动态特性以及明确钻柱动态特性的变化规律对于实现钻柱井下安全高效钻井具有重要的意义。目前，国内外专家学者对于钻柱动态特性开展了大量的理论及实验研究。通过理论建模对钻柱动态特性进行仿真分析，为认识与控制钻柱的动态特性及其变化提供了理论基础。实验方面，专家学者们按照相似原理，对钻柱尺寸按照一定比例进行缩小，建立了室内模拟实验装置来开展钻柱动态特性研究，为理论模型的验证提供了一定的数据支撑。

3、但是，在上述模拟实验装置中，模拟钻柱所处的井筒环境通常为空气介质，而不能有效模拟钻井液流体环境，实验结果具有一定的局限性。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种钻柱动态特性测试装置及其使用方法。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种钻柱动态特性测试装置，包括：

3、钻柱，所述钻柱的第一端连接有能够随其转动的钻头；驱动机构，能够带动至少所述钻柱的一部分发生旋转；支撑系统，用于支撑所述钻柱和所述钻头以使所述钻柱和所述钻头保持一定的工作姿态；供液系统，包括至少将所述钻头的一部分包含在内且能够储存钻井液的池槽；以及检测器，其中，至少所述钻柱的一部分在所述驱动机构的作用下发生旋转以模拟钻井作业时，所述检测器能够对所述钻柱的动态特性进行测试。

4、作为对上述技术方案的拓展，本发明还提供了以下实施例：

5、所述供液系统包括一端与所述驱动机构相连接，另一端伸入所述池槽内的循环管道，所述驱动机构包括驱动泵，所述驱动泵能够带动所述池槽内的钻井液在所述钻柱和所述循环管道内进行循环，进而带动螺杆旋转。

6、所述驱动机构包括与所述钻柱的第二端相连接的钻机，所述钻机能够带动所述钻柱旋转。

7、在所述支撑系统末端的外侧设置有用于调节所述钻头受力大小的变压部，所述变压部包括与所述支撑系统相邻的压力传感器以及设置在所述压力传感器外侧的压力加载装置，其中，通过调节所述压力加载装置所施加压力的大小，能够改变所述钻头受力的大小，进而模拟不同的钻压状况。

8、所述支撑系统包括钻头支座，所述钻头支座包括钻头支座底盘和钻头支座顶盖，所述钻头支座底盘和所述钻头支座顶盖共同限定了用于容纳所述钻头的空缺部。

9、所述钻头支座与所述变压部相邻设置，在所述钻头支座的下方设置有导轨，以便于所述钻头支座在所述变压部输出的作用力发生变化时进行移动。

10、所述支撑系统包括若干钻柱支座，所述钻柱支座包括钻柱支座底盘和钻柱支座顶盖，所述钻柱支座底盘和所述钻柱支座顶盖共同限定了用于容纳所述钻柱的圆柱形空缺部。

11、所述钻柱支座的高度设定为高于所述钻头支座的高度。

12、包括控制系统，所述控制系统构造成能够控制所述驱动泵和所述钻机的运行状况。

13、根据本发明的第二方面，提供了一种如上所述的钻柱动态特性测试装置的使用方法，包括以下步骤：

14、步骤一：开启并调节所述驱动泵或所述钻机，以使至少部分所述钻柱模拟钻井作业；

15、步骤二：通过所述检测器对所述钻柱的动态特性进行测试。

16、作为对上述技术方案的拓展，本发明还提供了以下实施例：

17、开始所述步骤一之前，在所述池槽内注入钻井液。

18、在所述步骤一中，开启并调节所述压力加载装置为所述钻柱提供不同的模拟钻压条件。

19、本发明相比于现有技术的优点是：首先，除了能够在空气环境中作业之外，得益于供液系统与驱动机构的设计，钻柱还能够模拟在液体环境下的钻井作业，从而使得对钻柱的动态特性的测试结果具有更广泛的适用性；其次，本发明中的钻柱可以是包括了钻杆与螺杆的形式，与实际井下钻具组合形式更加接近，具有更优的拟合性，并且能够根据测试需要切换各种钻井形式；再次，本发明提供的测试装置结构简单，能够容易地实现真实钻柱尺寸条件下的模拟测试，从而更准确地反映出钻柱的真实动态特性。

技术特征：

1.一种钻柱动态特性测试装置，包括：

2.根据权利要求1所述的钻柱动态特性测试装置，其特征在于：所述供液系统(5)包括一端与所述驱动机构(3)相连接，另一端伸入所述池槽(51)内的循环管道(52)，所述驱动机构(3)包括驱动泵(31)，所述驱动泵(31)能够带动所述池槽(51)内的钻井液在所述钻柱(1)和所述循环管道(52)内进行循环，进而带动螺杆(13)旋转。

3.根据权利要求2所述的钻柱动态特性测试装置，其特征在于：所述驱动机构(3)包括与所述钻柱(1)的第二端(12)相连接的钻机(32)，所述钻机(32)能够带动所述钻柱(1)旋转。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的钻柱动态特性测试装置，其特征在于：在所述支撑系统(4)末端的外侧设置有用于调节所述钻头(2)受力大小的变压部(7)，所述变压部(7)包括与所述支撑系统(4)相邻的压力传感器(71)以及设置在所述压力传感器(71)外侧的压力加载装置(72)，其中，通过调节所述压力加载装置(72)所施加压力的大小，能够改变所述钻头(2)受力的大小，进而模拟不同的钻压状况。

5.根据权利要求4所述的钻柱动态特性测试装置，其特征在于：所述支撑系统(4)包括钻头支座(41)，所述钻头支座(41)包括钻头支座底盘(411)和钻头支座顶盖(412)，所述钻头支座底盘(411)和所述钻头支座顶盖(412)共同限定了用于容纳所述钻头(2)的空缺部。

6.根据权利要求5所述的钻柱动态特性测试装置，其特征在于：所述钻头支座(41)与所述变压部(7)相邻设置，在所述钻头支座(41)的下方设置有导轨(73)，以便于所述钻头支座(42)在所述变压部(7)输出的作用力发生变化时进行移动。

7.根据权利要求6所述的钻柱动态特性测试装置，其特征在于：所述支撑系统(4)包括若干钻柱支座(42)，所述钻柱支座(42)包括钻柱支座底盘(421)和钻柱支座顶盖(422)，所述钻柱支座底盘(421)和所述钻柱支座顶盖(422)共同限定了用于容纳所述钻柱(1)的圆柱形空缺部。

8.根据权利要求7所述的钻柱动态特性测试装置，其特征在于：所述钻柱支座(42)的高度设定为高于所述钻头支座(41)的高度。

9.根据权利要求8所述的钻柱动态特性测试装置，其特征在于：包括控制系统(8)，所述控制系统(8)构造成能够控制所述驱动泵(31)和所述钻机(32)的运行状况。

10.一种根据权利要求4至9中任一项所述的钻柱动态特性测试装置的使用方法，包括以下步骤：

11.根据权利要求10所述的钻柱动态特性测试装置的使用方法，其特征在于：开始所述步骤一之前，在所述池槽(51)内注入钻井液。

12.根据权利要求10或11所述的钻柱动态特性测试装置的使用方法，其特征在于：在所述步骤一中，开启并调节所述压力加载装置(72)为所述钻柱(1)提供不同的模拟钻压条件。

技术总结本发明属于油气钻井工程领域，具体涉及一种钻柱动态特性测试装置及使用方法。钻柱动态特性测试装置包括钻柱、钻头、驱动机构、支撑系统、供液系统以及检测器等部分。钻柱能够在驱动机构的作用下发生旋转而在空气或者液体环境下模拟钻井作业，在此过程中，检测器能够对钻柱的动态特性进行测试，为后续对钻柱的动态特性分析提供准确的数据支持。另外，本发明提供的技术方案结构简单，能够做到与真实钻柱尺寸相同，提高了模拟数据的可靠性。技术研发人员：王恒,孙明光,张进双,王光磊,吴超,玄令超,张文平受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/9