CN107024348A - 一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟机台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台；属石油井下动力试验装置技术领域。它由试验控制装置、底座、加载机构、传动机构、倾角变换架和井下动力钻具构成，底座上通过倾角变换架装有井下动力钻具；倾角变换架前端装有传动机构，倾角变换架后端设置有绞盘，绞盘与井下动力钻具连接；传动机构一侧底座上装有加载机构，井下动力钻具通过传动机构与加载机构连接；该模拟试验机台能够实现井下动力钻具转速‑扭矩、转速‑输出功率、转速‑压力降、转速‑效率等物理性能测试，从而为设计制造新型高效的石油井下动力钻具提供测试数据，以及为我国的石油与天然气，尤其是非常规油气钻井提供有力支撑。

Description

一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟机台

技术领域

本发明涉及一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台；属石油井下动力试验装置技术领域。

背景技术

石油井下动力钻具的物理性能是评价井下动力钻具整机性能的一个重要指标，而目前对于石油井下动力钻具的物理性能的测试，主要是根据现场作业的工作数据来得到；其测试成本高且测试难度大，在测试过程中，只能满足某一种型号或某一种类的井下动力钻具的物理性能测试，不能研究造斜井时倾斜角度与其物理性能之间的关系，严重浪费了设备资源。为降低试验成本，满足试验的多样性及确保井下动力钻具工作的高效性，需要综合研究石油井下动力钻具的多样性及井下动力钻具工作过程复杂性等情况，弄清井下动力钻具转速-扭矩、转速-输出功率、转速-压力降、转速-效率等物理特性，以及井下工具倾斜角度与其物理特性之间工作关系，为设计制造新型高效的石油井下动力钻具提供测试数据，从而为我国的石油与天然气，尤其是非常规油气钻井提供有力支撑，以及为造斜井井身倾斜偏离情况提供指导作用。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能模拟不同类型井下动力钻具以及其在不同倾斜角度下其工作特性、能够实现井下动力钻具转速-扭矩、转速-输出功率、转速-压力降、转速-效率等物理性能测试，同时能够实现各物理性能参数测试结果的可视化功能石油井下动力钻具物理性能测试模拟机台。

本发明的技术方案是：

一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台，它由试验控制装置、底座、加载机构、传动机构、倾角变换架和井下动力钻具构成，其特征在于：底座上通过倾角变换架活动安装有井下动力钻具；倾角变换架前端的底座上装有传动机构，倾角变换架后端设置有绞盘，绞盘由绞盘绳通过定滑轮与井下动力钻具连接；传动机构一侧底座上装有加载机构，井下动力钻具通过传动机构与加载机构连接；所述的井下动力钻具下方一侧设置有循环水箱，循环水箱上方设置有分水器，分水器通过分水器连通管A与井下动力钻具连通，分水器通过分水器连通管B与循环水箱连通，循环水箱通过连通软管与井下动力钻具连通，所述的井下动力钻具、加载机构、倾角变换架分别与试验控制装置连接。

所述的连通软管上依次安装有入口压力传感器、出口流量传感器、入口流量传感器、安全阀、五缸柱塞泵、管道泵和电磁阀；入口压力传感器、出口流量传感器、入口流量传感器、安全阀、五缸柱塞泵、管道泵和电磁阀分别与试验控制装置连接。

所述的倾角变换架由对称设置的倾角支架构成，倾角支架呈扇形体，倾角支架上设置有内滑槽和外滑槽；与内滑槽和外滑槽对应的倾角支架内壁上设置有内侧固定板，内侧固定板上间隔设置有固定凹槽，倾角变换架上装有倾角传感器，用于检测井下动力钻具的工作角度。

所述的井下动力钻具由壳体、动力轴、上圆锥滚子轴承、下圆锥滚子轴承、上整流栅、下整流栅和涡轮构成，壳体内通过对称设置的上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承安装有动力轴；动力轴的一端延伸至壳体外端，上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承之间的壳体内通过衬套和压紧套装有涡轮；上圆锥滚子轴承一侧的壳体内装有上整流栅；下圆锥滚子轴承与涡轮之间的壳体内装有下整流栅。

所述的涡轮包括定子和转子；所述转子通过锁紧螺母和轴套进行压紧定位。

所述井下动力钻具的壳体上对称设置有连接栓，井下动力钻具通过连接栓与倾角支架的滑槽配合与倾角变换架滑动连接。

所述的传动机构由活动支座、固定支座、联轴器、大锥齿轮、小锥齿轮、圆柱滚子轴承、水平轴、圆锥滚子轴承和竖直轴构成，固定支座上通过圆柱滚子轴承安装有活动支座和水平轴，水平轴上固装有小锥齿轮，活动支座圆锥滚子轴承安装有竖直轴，竖直轴一端固装有大锥齿轮，大锥齿轮与小锥齿轮啮合连接，竖直轴另一端设置有联轴器，竖直轴通过联轴器与延伸至壳体外端的动力轴连接。

所述加载机构由磁粉制动器、联轴器和扭矩测试仪构成，磁粉制动器通过联轴器与扭矩测试仪连接；扭矩测试仪通过联轴器与水平轴连接。

本发明的优点如下：

该石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台能够模拟不同类型的井下动力钻具在不同倾斜角度下的工作特性，能够实现井下动力钻具转速-扭矩、转速-输出功率、转速-压力降、转速-效率等物理性能测试，同时能够实现各物理性能参数测试结果的可视化等功能。通过了解不同类型的井下动力钻具的物理特性，从而为设计制造新型高效的石油井下动力钻具提供测试数据，以及为我国的石油与天然气，尤其是非常规油气钻井提供有力支撑。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的立体结构示意图；

图3是本发明的倾角变换架的倾角支架的结构示意图；

图4是本发明的井下动力钻具的结构示意图；

图5是本发明的传动机构的结构示意图。

图中：1、底座，2、井下动力钻具，3、传动机构，4、倾角变换架，5、壳体，6、动力轴，7、上圆锥滚子轴承，8、下圆锥滚子轴承，9、上整流栅，10、下整流栅，11、涡轮，12、衬套，13、压紧套，14、连接栓，15、倾角支架，16、内滑槽，17、外滑槽，18、内侧固定板，19、固定凹槽，20、活动支座，21、固定支座，22、联轴器，23、大锥齿轮，24、小锥齿轮，25、圆柱滚子轴承，26、水平轴，27、圆锥滚子轴承，28、竖直轴，29、绞盘，30、绞盘绳，31、定滑轮，32、磁粉制动器，33、扭矩测试仪，34、循环水箱，35、分水器，36、分水器连通管A，37、连通口，38、分水器连通管B，39、连通软管。

具体实施方式

该石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台由试验控制装置、底座1、加载机构、传动机构3、倾角变换架4和井下动力钻具2构成，底座1上通过倾角变换架4活动安装有井下动力钻具2。井下动力钻具3由壳体5、动力轴6、上圆锥滚子轴承7、下圆锥滚子轴承8、上整流栅9、下整流栅10和涡轮11构成，壳体5内通过对称设置的上圆锥滚子轴承7和下圆锥滚子轴承8安装有动力轴6；动力轴6的一端延伸至壳体5外端，上圆锥滚子轴承7和下圆锥滚子轴承8之间的壳体5内通过衬套12和压紧套13装有涡轮11；涡轮11包括定子和转子；转子通过锁紧螺母和轴套进行压紧定位。上圆锥滚子轴承7一侧的壳体5内装有上整流栅9；下圆锥滚子轴承8与涡轮11之间的壳体5内装有下整流栅10；下圆锥滚子轴承8一侧的壳体5上设置有连通口36。

倾角变换架4由对称设置的倾角支架15构成，倾角支架15呈扇形体，倾角支架15上设置有内滑槽16和外滑槽17；与内滑槽16和外滑槽17对应的倾角支架15内壁上设置有内侧固定板18，内侧固定板18上间隔设置有固定凹槽19，倾角变换架4上装有倾角传感器（图中未示），用于检测井下动力钻具2在倾角变换架4上的工作角度。

井下动力钻具2的壳体5上对称设置有连接栓14。井下动力钻具2通过连接栓14与倾角支架15内滑槽16和外滑槽17的配合与倾角变换架4滑动连接。

倾角变换架4前端的底座1上装有传动机构3。传动机构3由活动支座20、固定支座21、联轴器22、大锥齿轮23、小锥齿轮24、圆柱滚子轴承25、水平轴26、圆锥滚子轴承27和竖直轴28构成，固定支座21上通过圆柱滚子轴承25安装有活动支座20和水平轴26，活动支座20通过圆柱滚子轴承25可在固定支座21上相对转动；水平轴26上固装有小锥齿轮24，活动支座20上通过圆锥滚子轴承27安装有竖直轴28，竖直轴28一端固装有大锥齿轮23，大锥齿轮23与小锥齿轮24啮合连接，竖直轴28另一端设置有联轴器22，竖直轴28通过联轴器22与延伸至壳体5外端的井下动力钻具2的动力轴6连接。

倾角变换架4后端设置有绞盘29，绞盘29由绞盘绳30通过定滑轮31与井下动力钻具2连接；传动机构3一侧的底座1上装有加载机构。加载机构由磁粉制动器32、联轴器22和扭矩测试仪33构成，磁粉制动器32通过联轴器22与扭矩测试仪33连接；扭矩测试仪33通过联轴器22与传动机构3的水平轴26连接。

井下动力钻具2通过传动机构3与加载机构连接；井下动力钻具2下方一侧设置有循环水箱34，循环水箱34上方设置有分水器35，分水器35通过分水器连通管A36与井下动力钻具2的连通口37连通，分水器通过分水器连通管B38与循环水箱34连通，循环水箱34通过连通软管39与井下动力钻具2顶部连通。连通软管39上依次安装有入口压力传感器、出口流量传感器、入口流量传感器、安全阀、五缸柱塞泵、管道泵和电磁阀；入口压力传感器、出口流量传感器、入口流量传感器、安全阀、五缸柱塞泵、管道泵、电磁阀、加载机构、倾角传感器分别与试验控制装置（图中未示）连接。

该模拟试验机台的试验控制装置包括A/D接口板、D/A接口计算机、稳流电源、计算机控制中心、打印机，所述A/D接口板主要用来接收传感器系统采集发送回来的信号并进行编译解码发送直计算机控制中心， D/A接口计算机两端分别与计算机和稳流电源相连接。

该模拟试验机台工作时，通过绞盘29可调整井下动力钻具在倾角变换架4上的工作角度，试验过程中由五缸柱塞泵、管道泵提供动力液，从而带动井下动力钻具2的动力轴6转动，并通过加载机构对动力轴6施加载荷，且各试验参数通过各传感器上传试验控制装置，由此模拟不同类型的井下动力钻具在不同倾斜角度下的工作特性，可实现井下动力钻具转速-扭矩、转速-输出功率、转速-压力降、转速-效率等物理性能测试，同时能够实现各物理性能参数测试结果的可视化等功能。为设计制造新型高效的石油井下动力钻具提供测试数据，以及为我国的石油与天然气，尤其是非常规油气钻井提供有力支撑。

该模拟试验机台可有效降低试验成本，满足试验的多样性及确保井下动力钻具工作的高效性，同时该装置为我国设计制造新型高效的石油井下动力钻具提供测试数据，从而为我国的石油与天然气，尤其是非常规油气钻井提供有力支撑，以及为造斜井井身倾斜偏离情况提供指导作用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台，它由试验控制装置、底座（1）、加载机构、传动机构（3）、倾角变换架（4）和井下动力钻具（2）构成，其特征在于：底座（1）上通过倾角变换架（4）活动安装有井下动力钻具（2）；倾角变换架（4）前端的底座（1）上装有传动机构（3），倾角变换架（4）后端设置有绞盘（29），绞盘（29）由绞盘绳（30）通过定滑轮（31）与井下动力钻具（2）连接；传动机构（3）一侧的底座（1）上装有加载机构，井下动力钻具（2）通过传动机构（3）与加载机构连接；所述的井下动力钻具（2）下方一侧设置有循环水箱（34），循环水箱（34）上方设置有分水器（35），分水器（35）通过分水器连通管A（36）与井下动力钻具（2）连通，分水器（35）通过分水器连通管B（38）与循环水箱（34）连通，循环水箱（34）通过连通软管（39）与井下动力钻具（2）连通，所述的井下动力钻具（2）、加载机构、倾角变换架（4）分别与试验控制装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台，其特征在于：所述的连通软管（39）上依次安装有入口压力传感器、出口流量传感器、入口流量传感器、安全阀、五缸柱塞泵、管道泵和电磁阀；入口压力传感器、出口流量传感器、入口流量传感器、安全阀、五缸柱塞泵、管道泵和电磁阀分别与试验控制装置连接。

3.根据权利要求1所述的一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台，其特征在于：所述的倾角变换架（4）由对称设置的倾角支架（15）构成，倾角支架（15）呈扇形体，倾角支架（15）上设置有内滑槽（16）和外滑槽（17）；与内滑槽（16）和外滑槽（17）对应的倾角支架（15）内壁上设置有内侧固定板（18），内侧固定板（18）上间隔设置有固定凹槽（19），倾角变换架（4）上装有倾角传感器，用于检测井下动力钻具（2）的工作角度。

4.根据权利要求1所述的一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台，其特征在于：所述的井下动力钻具（2）由壳体（5）、动力轴（6）、上圆锥滚子轴承（7）、下圆锥滚子轴承（8）、上整流栅（9）、下整流栅（10）和涡轮（11）构成，壳体（5）内通过对称设置的上圆锥滚子轴承（7）和下圆锥滚子轴承（8）安装有动力轴（6）；动力轴（6）的一端延伸至壳体（5）外端，上圆锥滚子轴承（7）和下圆锥滚子轴承（8）之间的壳体（5）内通过衬套（12）和压紧套（13）装有涡轮（11）；上圆锥滚子轴承（7）一侧的壳体（5）内装有上整流栅（9）；下圆锥滚子轴承（8）与涡轮（11）之间的壳体（5）内装有下整流栅（10）。

5.根据权利要求4所述的一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台，其特征在于：所述的涡轮（11）包括定子和转子；所述转子通过锁紧螺母和轴套进行压紧定位。

6.根据权利要求4所述的一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台，其特征在于：所述井下动力钻具（2）的壳体（5）上对称设置有连接栓（14），井下动力钻具（2）通过连接栓（14）与倾角支架（15）的滑槽配合与倾角变换架（4）滑动连接。

7.根据权利要求4所述的一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台，其特征在于：所述的下圆锥滚子轴承（8）一侧的壳体（5）上设置有连通口（36）。

8.根据权利要求1所述的一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台，其特征在于：所述的传动机构（3）由活动支座（20）、固定支座（21）、联轴器（22）、大锥齿轮（23）、小锥齿轮（24）、圆柱滚子轴承（25）、水平轴（26）、圆锥滚子轴承（27）和竖直轴（28）构成，固定支座（21）上通过圆柱滚子轴承（25）安装有活动支座（20）和水平轴（26），水平轴（26）上固装有小锥齿轮（24），活动支座（20）上通过圆锥滚子轴承（27）安装有竖直轴（28），竖直轴（28）一端固装有大锥齿轮（23），大锥齿轮（23）与小锥齿轮（24）啮合连接，竖直轴（28）另一端设置有联轴器（22），竖直轴（28）通过联轴器（22）与延伸至壳体（5）外端的动力轴（6）连接。

9.根据权利要求1所述的一种石油井下动力钻具物理性能测试模拟试验机台，其特征在于：所述的加载机构由磁粉制动器（32）、联轴器（22）和扭矩测试仪（33）构成，磁粉制动器（32）通过联轴器（22）与扭矩测试仪（33）连接；扭矩测试仪（33）通过联轴器（22）与水平轴（26）连接。