一种自动垂直取心钻具动力学分析实验装置

本发明涉及钻探，特别是涉及一种自动垂直取心钻具动力学分析实验装置。

背景技术：

1、科学超深井钻探面临着长井段、大批量、长时间连续取心钻进的艰巨任务。近年来，深井高效取心钻进工艺取得了重要突破，长钻程取心钻进技术回次取心进尺超过40m，但仍然面临着井斜难以控制的瓶颈技术难题，尤其在钻遇高造斜地层时，井斜失控的问题更为突出，如何保持井眼垂直是一大难题，井斜的问题将直接制约钻进速度和钻孔质量，甚至是整个钻探工程的成败。许多钻探工程，如苏联kola超深井(设计终孔深度15000m、实际终孔深度12262m)和德国ktb主孔(设计终孔深度10000m、实际终孔深度9101m)，因孔斜无法控制而被迫提前终孔。为了解决这一难题，国内外进行了大量的理论分析和现场实践，相继提出了刚性满眼钻具、钟摆组合钻具、偏轴钻具等防斜方法。但这些方法都是以牺牲钻压，降低机械钻速来换取防斜效果的被动防斜方式，效果并不明显，甚至有些地层完全达不到防斜纠斜的效果。尤其是在深孔及超深孔的钻探施工中，被动防斜方法成效有限，用于纠斜的施工时间所占比重还很大。

2、自动垂直钻井以及旋转导向钻井系统的出现，为防斜纠斜带来了重大技术突破，是一种集机电液于一体化的井下智能闭环导向钻井系统，可实现井下主动防斜纠斜，不需要人为干预而自动跟踪预定的井眼轨迹，可以成功解决高陡构造、大倾角复杂地层的防斜纠斜难题，在保证井眼质量的同时，释放钻压，提高机械钻速。其解决了上述传统被动式防斜技术钻效低、质量差的缺点，成为直井轨迹控制方案的最佳选择。

3、近年来，随着导向钻井技术的快速发展与用，垂直钻井技术在传统的防斜打快理论和技术基础上也取得了较大进展，但科学钻探由于井比较深，垂直钻井系统参数的要求与地面设备的能力及打捞工具不完全匹配，且目前的自动垂直钻井技术均是以全面钻进工艺为前提，其在取心钻进中的研究尚鲜有报道，当前的自动垂直钻具难以满足科学钻探取心作业的要求。针对上述问题，创新性地将推靠式自动垂直钻井工具引入科学钻探取心工艺，与高效提钻取心钻具相配合，组成自动垂直取心bha成为极具潜力的解决方案。因此，亟待开展自动垂直钻井技术适配取心钻具的导向控斜工艺研究，基于动力学理论分析自动垂直取心bha的动态导向控斜机理，为深井科学钻探的高质量垂直轨迹控制提供理论支撑。

技术实现思路

1、为解决以上技术问题，本发明提供一种自动垂直取心钻具动力学分析实验装置，用于研究自动垂直取心bha控斜机理，为自动垂直钻井技术在深井科学钻探取心钻进中的实际应用提供理论依据和前期储备。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种自动垂直取心钻具动力学分析实验装置，包括台架、井筒、驱动机构、钻进模拟机构、井壁倾角模拟机构、推靠力施加机构和数据采集控制系统，所述井筒固定于所述台架中，所述井筒采用透明材质，所述台架的底部用于铰接于地面或基座上，所述井壁倾角模拟机构设置于所述台架的一侧并用于驱动所述台架相对于地面或基座倾斜，所述钻进模拟机构包括垂直取心钻进组件、稳定器、导向块、转扭传感器、第一直线伸缩部件、第一压力传感器、支撑件和激光位移传感组件，所述驱动机构固定于所述台架的顶部并位于所述井筒的上方，所述垂直取心钻进组件设置于所述井筒中，所述驱动机构的动力输出端通过所述转扭传感器与所述垂直取心钻进组件的上端连接，所述稳定器和所述导向块由上至下依次固定套设于所述垂直取心钻进组件上，所述导向块为圆环形，所述推靠力施加机构垂直设置于所述台架的另一侧，所述井筒上设置有供所述推靠力施加机构穿过的通孔，所述推靠力施加机构用于穿过所述通孔伸至所述井筒中并向所述导向块施加推靠力，所述第一直线伸缩部件设置于所述台架的底部，所述第一直线伸缩部件的顶部通过所述第一压力传感器与所述支撑件连接，所述支撑件上用于安装试块，所述激光位移传感组件固定于所述台架上且位于所述垂直取心钻进组件和所述井筒的外侧，所述转扭传感器、所述第一压力传感器、所述激光位移传感组件、所述第一直线伸缩部件、所述驱动机构、所述井壁倾角模拟机构、所述推靠力施加机构均与所述数据采集控制系统连接。

4、优选地，所述钻进模拟机构还包括固定块和轴承，所述固定块固定于所述台架上且位于所述驱动机构与所述井筒之间，所述轴承的外圈固定套设于所述固定块的中心，所述垂直取心钻进组件的顶部固定套设于所述轴承的内圈中。

5、优选地，所述垂直取心钻进组件包括由上至下依次连接的垂直钻具、取心钻具和钻头，所述垂直钻具的顶部固定套设于所述轴承的内圈中，所述稳定器和所述导向块由上至下依次固定套设于所述垂直钻具上，所述驱动机构的动力输出端通过所述转扭传感器与所述垂直钻具的上端连接。

6、优选地，所述驱动机构包括电机和变径器，所述电机固定于所述台架的顶部并与所述数据采集控制系统连接，所述电机的动力输出轴通过所述变径器与所述转扭传感器的上端连接，所述转扭传感器的下端通过联轴器与所述垂直钻具的上端连接。

7、优选地，所述激光位移传感组件设置为多个，多个所述激光位移传感组件由上至下依次固定于所述台架上，至少一个所述激光位移传感组件与所述垂直钻具位置相对应，至少一个所述激光位移传感组件与所述取心钻具位置相对应。

8、优选地，所述激光位移传感组件包括至少三个激光位移传感器，多个所述激光位移传感器沿周向均布于所述台架上，所述激光位移传感器与所述数据采集控制系统连接。

9、优选地，所述钻进模拟机构还包括支撑座和多个设置于所述支撑座下部的轮子，所述轮子用于放置于地面或基座上，所述支撑座位于所述井筒的下方，所述第一直线伸缩部件固定于所述支撑座的上部。

10、优选地，还包括支撑架，所述支撑架设置于所述台架的另一侧，所述推靠力施加机构包括第二直线伸缩部件、第二压力传感器和推靠块，所述第二直线伸缩部件的一端固定于所述支撑架上，所述第二直线伸缩部件的另一端通过所述第二压力传感器与所述推靠块连接，所述推靠块伸至所述井筒中并用于向所述导向块施加推靠力，所述推靠块靠近所述导向块的一侧为圆弧面，所述第二直线伸缩部件和所述第二压力传感器均与所述数据采集控制系统连接。

11、优选地，所述井壁倾角模拟机构包括第三直线伸缩部件、第一支座和第二支座，所述第一支座固定于所述台架的一侧，所述第二支座用于固定于地面或基座上，所述第三直线伸缩部件的两端分别铰接于所述第一支座和第二支座上，所述第三直线伸缩部件与所述数据采集控制系统连接。

12、优选地，所述支撑件包括底板、圆筒和多个第三压力传感器，所述第一直线伸缩部件的顶部通过所述第一压力传感器与所述底板连接，所述圆筒固定于所述底板的上部，各所述第三压力传感器的一端均与所述圆筒的内侧壁连接，各所述第三压力传感器的另一端均用于与所述试块的外侧壁连接，各所述第三压力传感器均与所述数据采集控制系统连接。

13、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

14、本发明的自动垂直取心钻具动力学分析实验装置能够模拟自动垂直取心钻进的过程，监测钻进过程中的钻压、转速、扭矩和bha轴心位置等参数，定量分析自动垂直取心bha(底部钻具组合)的动态导向控斜机理。通过对钻进过程的实时监控，可用于验证不同工艺参数下自动垂直取心bha(底部钻具组合)的控斜能力，为准确评价钻具性能、合理指导钻具组合、改进钻具工艺设计参数提供科学的实验方法。还可以进一步选用不同井斜、方位条件和强造斜岩石试块，开展持续钻进试验，对“近垂直”轨迹超前预测方法进行验证，能够为自动垂直钻井技术在深井科学钻探取心钻进中的实际应用提供理论依据和前期储备。