一種用于測量模擬鉆井中鉆頭側(cè)向力及軸向力的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于測量實驗室模擬鉆井過程中鉆頭軸向力及側(cè)向力的裝置。該裝置包括密封筒、模擬鉆鋌、彈性測力片、模擬鉆頭、彈性片緊固螺栓、六面形安裝底座、拉壓傳感器、固定端底座；密封筒后端通過固定端底座密封；六面形安裝底座前端為正六棱柱體、后端為圓柱體，正六棱柱體的中部開設(shè)有凹槽；拉壓傳感器的前端與安裝底座通過鏈接螺栓連接成整體；拉壓傳感器的后端通過螺栓與固定端底座連接；六面形安裝底座的每個面上設(shè)有彈性片；在彈性片兩面上粘貼應(yīng)變片，模擬鉆鋌與模擬鉆頭固定連接。本實用新型能得到足夠精確的模擬底部鉆具組合的井斜力和方位力大小和方向，更加真實的模擬鉆井環(huán)境，提高底部鉆具組合動力學(xué)特性的研究水平。
【專利說明】一種用于測量模擬鉆井中鉆頭側(cè)向力及軸向力的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于油氣井管柱力學(xué)實驗測量領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于測量實驗室模擬鉆井過程中鉆頭軸向力及側(cè)向力的裝置。
[0002]【背景技術(shù)】
[0003]鉆柱力學(xué)研究是鉆井工程理論的重要組成部分，其研究對象主要是底部鉆具組合(Bottom-Hole Assembly,簡稱BHA)的受力和變形,其核心內(nèi)容是底部鉆具組合的靜力學(xué)和動力學(xué)特性的研究和應(yīng)用，如鉆柱疲勞破壞、井眼軌跡控制等。在實際的鉆井過程中，BHA所工作的井眼里充滿了鉆井液；加之鉆頭與地層之間、鉆柱與井壁之間的相互作用，鉆柱處于十分復(fù)雜的受力、變形及運動狀態(tài)。對鉆柱的靜力學(xué)分析可以使我們在一定程度上控制鉆進過程，但由于鉆頭在工作時是一個動態(tài)過程，鉆頭對巖石的非對稱切削、以及地層的各向異性、鉆壓波動等復(fù)雜因素，使得井眼軌跡難以控制。在國內(nèi)的現(xiàn)場應(yīng)用中常采用鐘擺鉆具、剛?cè)徙@具、滿眼鉆具等鉆具組合來實現(xiàn)防斜打快的目標。但由于對BHA運動狀態(tài)的研究還不夠深入，上述鉆具組合的應(yīng)用具有很大的局限性。在當前形勢下，BHA運動狀態(tài)及動力學(xué)特性研究仍是十分必要的。
[0004]隨著隨鉆測量技術(shù)的發(fā)展，國外已分別利用電纜傳輸、井下存儲、基于底部鉆柱動力學(xué)模型的地面測量和室內(nèi)模擬測量等方法，對井下底部鉆柱受力和運動特性進行了實驗研究和現(xiàn)場測量，取得了較大發(fā)展(參見:US4324297、US4445578、US4662458、US4958517)，但仍存在難度大、經(jīng)濟成本高等缺點，且國內(nèi)目前還不能很好的現(xiàn)場測量BHA動力學(xué)特性，缺少先進的地面和井下測量系統(tǒng)，因此，現(xiàn)階段有必要進一步開展底部鉆具組合力學(xué)特性的室內(nèi)模擬研究。其研究重點就是BHA特性在鉆頭側(cè)向力上的體現(xiàn)。
[0005]前人在研究BHA特性模擬實驗方面也做了一定的嘗試，取得了一些成果。如專利:CN103061745A, CN202991008U。但是其不足之處在于不能用于流體環(huán)境中測量模擬實驗數(shù)據(jù)，所得結(jié)果不能真實反映現(xiàn)場情況，而且在測量鉆頭側(cè)向力時使用的是3片式應(yīng)變片，其所測得的鉆頭側(cè)向力只包括三個方向，使測量數(shù)據(jù)不夠精確。另外，該裝置在鉆頭軸向與測力環(huán)軸線重合度上也有所欠缺，這也會影響到最終的實驗結(jié)果。
實用新型內(nèi)容
[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本實用新型提供一種用于模擬更加真實的井下環(huán)境下的鉆頭側(cè)向力測量裝置，進一步提高室內(nèi)實驗?zāi)M底部鉆具組合力學(xué)性能的研究水平，以便闡述鉆井現(xiàn)場所出現(xiàn)問題的可能原因。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種用于測量模擬井底鉆頭受到的軸向力和側(cè)向力的測力裝置，包括:密封筒、模擬鉆鋌、彈性測力片、模擬鉆頭、彈性測力片緊固螺栓、六面形安裝底座、拉壓傳感器、拉壓傳感器與安裝底座連接螺栓、固定端底座、拉壓傳感器與固定端底座連接螺栓；其特征在于:密封筒后端通過固定端底座密封；六面形安裝底座前端為正六棱柱體、后端為圓柱體，正六棱柱體的中部開設(shè)有凹槽；拉壓傳感器的前端與安裝底座通過鏈接螺栓連接成整體；拉壓傳感器的后端通過螺栓與固定端底座連接；六面形安裝底座的每個面上設(shè)有一個彈性測力片，每個彈性測力片通過兩個緊固螺栓固定在六面形安裝支座側(cè)面上，形成60度分布的六面形的測力環(huán)，測力環(huán)的內(nèi)切圓內(nèi)徑等于或小于模擬鉆頭的直徑；在彈性測力片兩面上位于正六棱柱體的凹槽位置粘貼專用應(yīng)變片，以構(gòu)成半橋連接的應(yīng)變式測力傳感器，測量數(shù)據(jù)傳輸線路從密封筒表面的開孔引出；模擬鉆鋌與模擬鉆頭固定連接。
[0009]進一步地，S封筒為如端直徑小后端直徑大的圓筒；S封筒后端的內(nèi)表面加工有內(nèi)螺紋，固定端底座設(shè)有外螺紋，密封筒后端與固定端底座螺紋連接。
[0010]進一步地，模擬井筒的外徑與密封筒的前端外徑相同，模擬井筒、密封筒的前端通過密封接頭與相連。
[0011]進一步地，圓柱體的直徑比正六棱柱體的外接圓的直徑大。
[0012]進一步地，模擬鉆鋌與模擬鉆頭通過螺紋連接，模擬鉆鋌、模擬鉆頭的軸線與安裝底座的軸線重合。
[0013]進一步地，使彈性測力片與鉆頭在初始狀態(tài)下接觸；通過改變彈性測力片的厚度可以達到改變測力量程的效果，實現(xiàn)不同情況下的模擬實驗。
[0014]進一步地，彈性測力片用彈簧鋼加工制作。
[0015]進一步地，拉壓傳感器采用LC1102型拉壓傳感器，能將鉆壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺ㄟ^信號處理得到鉆壓數(shù)值。
[0016]進一步地，密封接頭分兩層，內(nèi)層為橡膠，外層為金屬。
[0017]進一步地，需在密封筒上開孔，孔與線纜之間通過環(huán)氧樹脂密封。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0019](I)、既能測量靜態(tài)下的BHA力學(xué)特性，也能連續(xù)動態(tài)的測量模擬鉆頭的軸向壓力及側(cè)向力，得到足夠精確的模擬底部鉆具組合的井斜力和方位力大小和方向。
[0020](2)、設(shè)計了安全有效的密封環(huán)境，能夠在不同的流體(鉆井液)環(huán)境下測量鉆頭的受力，更加真實的模擬了鉆井環(huán)境。
[0021](3)、該裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，使用方便，易于改進，能為室內(nèi)研究模擬底部鉆具合的動力學(xué)特性提供有效的測量數(shù)據(jù)，進一步提高了底部鉆具組合動力學(xué)特性的研究水平。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為用于測量模擬鉆井過程中鉆頭軸向力及側(cè)向力的裝置示意圖。
[0023]圖2為圖1中A-A剖面示意圖。
[0024]圖3為圖1中B-B剖面示意圖。
[0025]圖4為圖1中C-C剖面示意圖。
[0026]圖5為用于測量模擬鉆井過程中鉆頭軸向力及側(cè)向力的裝置彈性測力片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖中:1、密封筒，2、模擬鉆鋌，3、彈性測力片，4、模擬鉆頭，5、測力片緊固螺栓，6、六面形安裝底座，7、拉壓傳感器，8、拉壓傳感器與安裝底座連接螺栓，9、固定端底座，10、拉壓傳感器與固定端底座連接螺栓，11、模擬井筒，12、密封接頭?！揪唧w實施方式】
[0028]如圖1，圖2，圖3，圖4所示，用于測量模擬井底鉆頭受到的軸向力和側(cè)向力的測力裝置，包括:密封筒1、模擬鉆鋌2、彈性測力片3、模擬鉆頭4、彈性測力片緊固螺栓5、六面形安裝底座6、拉壓傳感器7、拉壓傳感器與安裝底座連接螺栓8、固定端底座9、拉壓傳感器與固定端底座連接螺栓10 ;其中彈性測力片3用彈簧鋼加工制作。
[0029]如圖1所示，密封筒I為前端直徑小后端直徑大的圓筒(圖1中，左端為前端、右端為后端)；S封筒I后端的內(nèi)表面加工有內(nèi)螺紋，固定端底座9設(shè)有外螺紋，S封筒I后端與固定端底座9螺紋連接。
[0030]模擬井筒11的外徑與密封筒I的前端外徑相同，模擬井筒11、密封筒I的前端通過密封接頭12與相連，密封接頭12分兩層，內(nèi)層為橡膠，外層為金屬，能保證該連接處的密封性能；為引出數(shù)據(jù)傳輸線；需在密封筒I上開孔，孔與線纜之間通過環(huán)氧樹脂密封。
[0031]如圖1和圖2所示，六面形安裝底座6前端為正六棱柱體、后端為圓柱體，圓柱體的直徑比正六棱柱體的外接圓的直徑稍大；如圖1、圖3所示，為方便應(yīng)變片的粘貼，在正六棱柱體的中部開設(shè)有凹槽。
[0032]拉壓傳感器7采用LC1102型拉壓傳感器，能將鉆壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，通過信號處理得到鉆壓數(shù)值。拉壓傳感器7的前端與安裝底座6通過鏈接螺栓8連接成整體；拉壓傳感器的后端通過螺栓10與固定端底座9連接；使整個測量裝置定位，形成固定的模擬井底。
[0033]六面形安裝底座6的每個面上設(shè)有一個彈性測力片3，每個彈性測力片通過兩個緊固螺栓5固定在六面形安裝支座側(cè)面上，形成60度分布的六面形的測力環(huán)，環(huán)的內(nèi)切圓內(nèi)徑等于或略小于模擬鉆頭的直徑，使彈性測力片與鉆頭在初始狀態(tài)下接觸；通過改變彈性測力片的厚度可以達到改變測力量程的效果，實現(xiàn)不同情況下的模擬實驗。
[0034]在彈性測力片3兩面上位于正六棱柱體的凹槽位置粘貼應(yīng)變片，用于應(yīng)力應(yīng)變測量。以構(gòu)成半橋連接的應(yīng)變式測力傳感器，測量數(shù)據(jù)傳輸線路從密封筒表面的開孔引出。
[0035]模擬鉆鋌2與模擬鉆頭4通過螺紋連接，模擬鉆鋌2、模擬鉆頭4的軸線與安裝底座6的軸線重合。
[0036]實驗時，模擬鉆頭4軸向作用于安裝底座6的上端面，安裝底座6的上端面受到的鉆頭軸向作用力會傳遞到拉壓傳感器，實現(xiàn)鉆壓的測量；整個測量系統(tǒng)置于密封筒I內(nèi)，密封筒I與固定底座9以螺紋形式連接，使密封筒定位；密封筒前端加工成與模擬井筒11等外徑的圓柱形，如前所述，兩者通過密封接頭12連接形成完整的流體通道，便可實現(xiàn)流體環(huán)境下的鉆頭處鉆壓和側(cè)向力的測量。
[0037]本實用新型可實現(xiàn)在流體環(huán)境下接觸式測量在模擬底部鉆具組合旋轉(zhuǎn)時模擬鉆頭處動態(tài)變化的軸向壓力和側(cè)向力，在更接近鉆井現(xiàn)場條件下模擬研究底部鉆具組合的靜，動力學(xué)特性，進一步提高底部鉆具組合力學(xué)性能的實驗研究水平，為改進底部鉆具組合設(shè)計和提高井眼軌跡的控制水平提供參考依據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于測量模擬鉆井中鉆頭側(cè)向力及軸向力的裝置，包括:密封筒、模擬鉆鋌、彈性測力片、模擬鉆頭、彈性片緊固螺栓、六面形安裝底座、拉壓傳感器、拉壓傳感器與安裝底座連接螺栓、固定端底座、拉壓傳感器與固定端底座連接螺栓；其特征在于:密封筒后端通過固定端底座密封；六面形安裝底座前端為正六棱柱體、后端為圓柱體，正六棱柱體的中部開設(shè)有凹槽；拉壓傳感器的前端與安裝底座通過鏈接螺栓連接成整體；拉壓傳感器的后端通過螺栓與固定端底座連接；六面形安裝底座的每個面上設(shè)有一個彈性片，每個彈性片通過兩個緊固螺栓固定在六面形安裝支座側(cè)面上，形成60度分布的六面形的測力環(huán)，測力環(huán)的內(nèi)切圓內(nèi)徑等于或小于模擬鉆頭的直徑；在彈性測力片兩面上位于正六棱柱體的凹槽位置粘貼專用應(yīng)變片，以構(gòu)成半橋連接的應(yīng)變式測力傳感器，測量數(shù)據(jù)傳輸線路從密封筒表面的開孔引出；模擬鉆鋌與模擬鉆頭固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測量模擬鉆井中鉆頭側(cè)向力及軸向力的裝置，其特征在于:密封筒為前端直徑小后端直徑大的圓筒；密封筒后端的內(nèi)表面加工有內(nèi)螺紋，固定端底座設(shè)有外螺紋，密封筒后端與固定端底座螺紋連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于測量模擬鉆井中鉆頭側(cè)向力及軸向力的裝置，其特征在于:模擬井筒的外徑與密封筒的前端外徑相同，模擬井筒、密封筒的前端通過密封接頭與相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于測量模擬鉆井中鉆頭側(cè)向力及軸向力的裝置，其特征在于:圓柱體的直徑比正六棱柱體的外接圓的直徑大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于測量模擬鉆井中鉆頭側(cè)向力及軸向力的裝置，其特征在于:模擬鉆鋌與模擬鉆頭通過螺紋連接，模擬鉆鋌、模擬鉆頭的軸線與安裝底座的軸線重合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于測量模擬鉆井中鉆頭側(cè)向力及軸向力的裝置，其特征在于:彈性片采用彈簧鋼制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于測量模擬鉆井中鉆頭側(cè)向力及軸向力的裝置，其特征在于:拉壓傳感器采用LC1102型拉壓傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于測量模擬鉆井中鉆頭側(cè)向力及軸向力的裝置，其特征在于:密封接頭分兩層，內(nèi)層為橡膠，外層為金屬。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于測量模擬鉆井中鉆頭側(cè)向力及軸向力的裝置，其特征在于:在密封筒上開孔，孔與線纜之間通過環(huán)氧樹脂密封。
【文檔編號】E21B47/007GK203729975SQ201420002180
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】張輝, 高德利, 房軍, 肖冠琦, 韋紅術(shù), 張偉國, 林海春, 張新平 申請人:中國石油大學(xué)(北京)