一种模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于石油工程实验设备技术领域，公开了一种模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置及方法，钻具组合系统、岩样进给系统和调心系统安装在主支撑组的主支撑架上，所述扭矩和角位移监测系统安装在钻具组合系统上；钻速和转速控制系统基于钻具组合系统和岩样进给系统进行钻速和转速的控制；钻杆的轴向振动主动控制系统基于钻压和轴向位移监测系统和岩样进给系统进行控制；钻杆的扭转振动主动控制系统基于扭矩和角位移监测系统和钻具组合系统进行控制。本发明专利技术可实时测试不同钻削条件下孔内钻杆的振动受力状态，针对实时的测试数据，利用PIC控制器反馈给进给的步进电机与顶驱的伺服电机进行钻柱振动的主动控制措施。驱的伺服电机进行钻柱振动的主动控制措施。驱的伺服电机进行钻柱振动的主动控制措施。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置及方法


[0001]本专利技术属于石油工程实验设备
，尤其涉及一种模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置及方法。

技术介绍

[0002]钻井是石油工程中油气勘探开发的重要组成部分，也是采矿工程中矿物勘探开发的重要组成部分。钻井设施的故障，尤其是钻柱的故障，会对钻井的成本带来巨大的影响。在钻井过程中，钻柱将钻头送至井筒底部并向钻头传递动力，钻头牙齿与地层或岩石间歇性接触进行破坏，进而导致钻头带动钻柱产生振动。
[0003]钻柱的振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动三类。钻柱振动被认为是钻柱部件过早失效、钻头失效、井眼轨迹恶化、钻头和稳定器过度磨损、钻速降低和效率降低的主要原因。研究钻柱振动对设计钻柱、设计减振器和选择合适的转速有重要的指导意义，且为保证钻井成功率、降低钻井事故率和增强钻井整体效益提供保障。
[0004]由于钻井过程的现象复杂，每个模型的使用都存在局限性。对整个钻柱系统进行建模，并使用实验室实验或现场数据验证结果已经成了最佳的实践方式。钻柱的系统动力学的建模和验证都需要实验设备进行实验分析。
[0005]在目前已有的钻井实验平台的设计中，一部分装置采用激振器模拟对于底部的钻头岩石切削破碎进行模拟，但由于过于简化钻削特征使试验存在一定误差。如专利技术专利CN105374260B提供了一种水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验方法及实验装置，该装置包括水平放置的钻杆和钻具回转系统、拉力扭矩控制系统、应力监测系统、振动位移检测系统和图像采集系统。能够实时测试不同钻速、拉力、扭矩、钻具组合条件下孔内钻杆的振动受力状态，但该装置没有实际钻削岩样进行测试。技术专利CN201391312Y提供了一种钻柱与钻井液耦合动力学行为研究试验台，该设备能进行钻杆的固、流动力学行为研究。其通过底部的激振器对钻压动态力进行模拟，对旋转钻柱的纵向运动进行研究，但该试验台无法对钻柱扭转运动进行模拟与观测。专利技术专利CN103712790A提供了一种研究钻柱动力学特性的实验设备，该设备运用动力学相似和几何相似原理进行参数设计，能够检测钻柱横向振动和涡动带来的变形情况，该设备对于钻柱的纵向运动与扭转运动也无法进行模拟与观测。
[0006]在现有的专利设计中，有实验平台以静力学实验为主。如专利技术专利CN106593310A提供了一种多功能钻井实验台架，其采用液压动力驱动整个平台倾斜实现对水平井与斜井的模拟，同时采用液压装置进行钻压负载的模拟，但该实验平台仅能用于钻头的静力学实验，无法模拟钻系统的动态特性。还如专利技术专利CN106769143A提供了一种轨道式多功能钻井实验台架，其将动力水龙头系统安装于轨道之上，通过液压装置实现对钻具提升与加载。同样，该设备属于静力学实验，无法模拟钻柱的动态特性。
[0007]在已有涉及钻井系统测试及控制的专利中，专利技术专利CN105973551A中提出一种钻孔动力学模拟测试系统，该系统包括钻进模拟与测试系统、数据采集系统和数据分析系统。
模拟测试系统可实现旋转钻进、冲击钻进和旋转
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冲击钻进过程中参数及材料动力学与结构响应特性的测试，采集系统能通过传感器技术测量钻进模拟时的工作参数以及材料动力学测试时的荷载及应变等参量，分析系统通过终端和数据分析软件进行数据分析，但采集的数据未能利用进一步进行主动控制。还有专利技术专利CN108918063B提出一种钻井振动测量与控制实验台，该实验台利用钻杆弹性元件能模拟钻井作业中钻柱的扭转振动、黏
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滑运动及钻头纵向跳动动力学行为，并为此进行测量，根据测量数据经过实时控制算法能够实现钻柱振动主动控制。但在实际的钻井过程中，钻柱振动不但有扭转和轴向还存在横向振动及其耦合现象，该装置无法模拟钻柱横向振动及钻柱振动耦合，并针对横向振动无法实现测量和控制。在专利技术专利CN112392458A中提出一种反井钻机刀盘和钻杆振动监测的方法及系统，该方法包括对钻杆振动信号的采集，并对其信号进行预处理，将所处理特征信号输入预先训练的神经网络模型中，得到对应分类结果。但该系统只提供监测，未能将钻杆振动进行有效的主动控制。
[0008]对以上专利进行分析，在现有的测试装置中，通过对整体钻柱旋转系统的移动实现轴向进给运动，由于轴向运动过程干扰过大，轴向振动及扭转振动的数据采集过程误差较大。在现有的测试装置中，无法针对不同类型的钻头(如PDC钻头，刮刀钻头等)，不同直径的钻头和不同材质的岩样，模拟不同工况下，钻头
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岩石相互作用关系(钻压与钻速之间的关系)。且现有的测试系统及装置无法实现实时监测及钻杆振动的主动控制。
[0009]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0010](1)在现有的测试装置中，通过对整体钻柱旋转系统的移动实现轴向进给运动，由于轴向运动过程干扰过大，轴向振动及扭转振动的数据采集过程误差较大。
[0011](2)在现有的测试装置中，无法针对不同类型的钻头，不同直径的钻头和不同材质的岩样，模拟不同工况下，钻头
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岩石相互作用关系。
[0012](3)现有的测试系统及装置无法实现实时监测及钻杆振动的主动控制。

技术实现思路

[0013]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置及方法。
[0014]本专利技术是这样实现的，一种模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置包括：
[0015]主支撑组、钻具组合系统、岩样进给系统、调心系统、钻速和转速控制系统、扭矩和角位移监测系统、钻压和轴向位移监测系统、钻杆的轴向振动主动控制系统和钻杆的扭转振动主动控制系统；
[0016]所述钻具组合系统、岩样进给系统和调心系统安装在主支撑组的主支撑架上，所述扭矩和角位移监测系统安装在钻具组合系统上；所述钻压和轴向位移监测系统分别安装在钻具组合系统和岩样进给系统上；
[0017]所述钻具组合系统用于根据需要模拟不同条件的钻具组合；
[0018]所述岩样进给系统用于对所选岩样进行固定，并带动岩样依据设置的进给速度钻进；
[0019]所述调心系统用于对装置的平稳进行调节；
[0020]所述钻速和转速控制系统用于通过PIC控制器分别将信号传递给伺服电机和步进
电机，伺服电机收到指令转速带动钻具回转系统进行旋转运动，步进电机以脉冲指令带动岩样进给系统进行进给运动；
[0021]所述扭矩和角位移监测系统用于利用数据采集装置对传感器采集的扭矩和扭转角位移数据进行收集，通过计算机的采集系统软件可视化处理实现扭转振动的监测；
[0022]所述钻压和轴向位移监测系统用于利用数据采集装置对传感器采集的钻压和轴向位移数据进行收集，通过计算机的采集系统软件可视化处理实现轴向振动的监测；
[0023]所述钻杆的轴向振动主动控制系统用于通过夹具底部压力传感器监控钻压得动态变化情况，根据控制算法优化抑振对步进电机进行恒定钻速控制，或通过位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置，其特征在于，所述模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置包括：主支撑组、钻具组合系统、岩样进给系统、调心系统、钻速和转速控制系统、扭矩和角位移监测系统、钻压和轴向位移监测系统、钻杆的轴向振动主动控制系统和钻杆的扭转振动主动控制系统；所述钻具组合系统、岩样进给系统和调心系统安装在主支撑组的主支撑架上，所述扭矩和角位移监测系统安装在钻具组合系统上；所述钻压和轴向位移监测系统分别安装在钻具组合系统和岩样进给系统上；所述钻具组合系统用于根据需要模拟不同条件的钻具组合；所述岩样进给系统用于对所选岩样进行固定，并带动岩样依据设置的进给速度钻进；所述调心系统用于对装置的平稳进行调节；所述钻速和转速控制系统用于通过PIC控制器分别将信号传递给伺服电机和步进电机，伺服电机收到指令转速带动钻具回转系统进行旋转运动，步进电机以脉冲指令带动岩样进给系统进行进给运动；所述扭矩和角位移监测系统用于利用数据采集装置对传感器采集的扭矩和扭转角位移数据进行收集，通过计算机的采集系统软件可视化处理实现扭转振动的监测；所述钻压和轴向位移监测系统用于利用数据采集装置对传感器采集的钻压和轴向位移数据进行收集，通过计算机的采集系统软件可视化处理实现轴向振动的监测；所述钻杆的轴向振动主动控制系统用于通过夹具底部压力传感器监控钻压得动态变化情况，根据控制算法优化抑振对步进电机进行恒定钻速控制，或通过位移传感器监控位移的动态变化情况，根据控制算法优化抑振对步进电机进行恒定钻速控制；所述钻杆的扭转振动主动控制系统用于通过钻杆顶部角度编码传感器与底部钻具角度编码器的动态差值变化情况，根据控制算法优化抑振实现伺服电机恒定钻矩的控制，或通过安装于顶部驱动组件和底部钻具的动态扭矩传感器的动态差值变化情况，根据控制算法优化抑振实现恒定钻矩的控制。2.如权利要求1所述的模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置，其特征在于，所述主支撑组由主支撑架和安装在主支撑架上的小支撑架、电机及动态上扭矩传感器安装座、上扭矩传感器安装座、下扭矩传感器安装座、上角度编码器支撑座、下角度编码器支撑座、上导轨连接板、线性滑轨、滑块、防落块、吊耳和底座连接板组成。3.如权利要求1所述的模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置，其特征在于，所述钻具组合系统由伺服电机、刚性联轴器、动态扭矩传感器、钻杆、钻夹头和钻头组成；钻杆顶部与顶部动态扭矩传感器一端通过刚性联轴器连接，顶部动态扭矩传感器的另一端通过刚性联轴器与伺服电机连接；钻杆底部与底部动态扭矩传感器一端通过刚性联轴器连接，底部动态扭矩传感器另一端通过刚性联轴器与直柄钻夹头连接，所述钻头与直柄钻夹头连接；所述钻杆顶部与底部表面安装两个绝对式角度编码器，每个编码器位于与钻杆轴垂直的平面，沿钻杆轴向延伸方向布置一个振动位移传感器。4.如权利要求1所述的模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置，其特征在于，所述岩样进给系统由步进电机、丝杠进给台、进给台与压力传感器连接板、压力传感器、夹具与
滑块连接板、夹具、夹具加紧板、夹具隔板、岩样、小支撑架、线性滑轨和滑块组成；所述岩样水平放置在夹具内，通过夹具加紧板上的螺钉对岩样进行紧定，夹具通过螺钉和夹具与滑块连接板固定，夹具与滑块连接板通过螺钉与压力传感器连接，压力传感器通过螺钉和进给台与压力传感器连接板连接，进给台与压力传感器连接板通过螺钉与丝杠进给台连接；丝杠进给台由底部步进电机提供动力，通过丝杠与进给板组合连接而成。5.如权利要求1所述的模拟钻井系统中钻柱振动及控制的试验装置，其特征在于，所述调心系统由调心底板、进给调心底板、紧定六角螺栓、调心六角螺栓、主支撑架和小支撑架组成；调心底板安装在主支撑架上，进给台调心板靠螺钉安装在主支撑架上，进给调心板上通过螺钉放置两个小支撑架，夹具与滑块连接板通过滑块与导轨安装在两个小支撑架之间，通过改变底板上的螺钉的进行装置的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李欣业，曾浩，李慨，陈涛，李兴鹏，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：