本發(fā)明涉及鉆井技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種推靠式導(dǎo)向鉆具執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬測(cè)試裝置。

背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)隨著油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中人們對(duì)于鉆井井眼軌跡的新要求應(yīng)運(yùn)而生，它具備摩阻與扭阻小、井眼凈化效果好，位移延伸能力強(qiáng)，井眼軌跡平滑易調(diào)控，適用于高難度井以及特殊油藏等諸多優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)將鉆井工程學(xué)與現(xiàn)代控制論緊密融合，涉及鉆探工程、機(jī)械、電子、控制、液壓、測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域，自面世以來(lái)就得到了迅速發(fā)展，在國(guó)際上形成了多種能夠成熟應(yīng)用的工具。國(guó)內(nèi)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的研究仍處于初級(jí)階段，目前階段對(duì)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的工作方式研究較多。常見(jiàn)的推靠式導(dǎo)向鉆具包括鉆具本體，在鉆具本體的周面分布多個(gè)推靠翼肋，當(dāng)發(fā)生井斜時(shí)，在液壓等方式的驅(qū)動(dòng)下，推靠翼肋會(huì)被推出與井壁接觸，實(shí)現(xiàn)鉆具的糾斜。基于推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工作原理，針對(duì)其導(dǎo)向工具工作時(shí)，目標(biāo)導(dǎo)向力的不同、工具整體及內(nèi)部零件受力不同等因素，對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)。盡管旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的設(shè)計(jì)能力有較大提升，但也使得其結(jié)構(gòu)隨之更為復(fù)雜，所涉及的力學(xué)參數(shù)也隨之大大增加。因此，如何快速有效地對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的性能進(jìn)行測(cè)試與評(píng)定，驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)對(duì)鉆井工具性能的預(yù)測(cè)，進(jìn)而對(duì)鉆井工具設(shè)計(jì)參數(shù)的做出進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化，并有效地減少鉆井工具設(shè)計(jì)研發(fā)成本和周期，開(kāi)發(fā)一種便捷高效的推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具性能測(cè)試驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)便具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外擁有各種類(lèi)型的推靠模擬試驗(yàn)臺(tái)，覆蓋范圍較廣，但均具有較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性和單一性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種推靠式導(dǎo)向鉆具執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬測(cè)試裝置，確定推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的導(dǎo)向翼肋在拍打過(guò)程中，實(shí)際產(chǎn)生的推靠力和推靠位置，保證鉆具的偏移量被準(zhǔn)確測(cè)出。

本發(fā)明一個(gè)方面提供的推靠式導(dǎo)向鉆具執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬測(cè)試裝置，其包括支架，支架上部設(shè)有用于安裝鉆柱的固定軸；所述支架上設(shè)有用于套設(shè)在鉆具外側(cè)的上套筒和下套筒；所述上套筒上設(shè)有上位移傳感器，所述下套筒上設(shè)有下位移傳感器；所述下套筒安裝有第一壓力傳感器和與第一壓力傳感器配合的傳壓機(jī)構(gòu)，傳壓機(jī)構(gòu)接受來(lái)自導(dǎo)向鉆具的推靠壓力并傳遞給第一壓力傳感器；所述支架的后側(cè)設(shè)有能夠向鉆具和/或鉆柱施加推力的裝置。

可選地或優(yōu)選地，所述下套筒的側(cè)壁設(shè)有徑向套筒；所述徑向套筒的內(nèi)側(cè)與所述下套筒連通；所述徑向套筒內(nèi)沿著靠近所述下套筒的軸心方向依次設(shè)置所述第一壓力傳感器和傳壓機(jī)構(gòu)。

可選地或優(yōu)選地，所述傳壓機(jī)構(gòu)包括墊塊以及位于墊塊內(nèi)側(cè)的彈簧和活塞；所述墊塊與所述第一壓力傳感器直接接觸；所述活塞包括活塞主體以及在其端部沿著活塞主體徑向突出形成的凸臺(tái)；所述彈簧套設(shè)在所述活塞主體外側(cè)，彈簧遠(yuǎn)離所述墊塊的一端抵在所述凸臺(tái)靠近所述墊塊一側(cè)的表面上。

可選地或優(yōu)選地，所述第一傳感器的數(shù)量為三個(gè)，沿著所述下套筒的周向分布，且三個(gè)分布點(diǎn)位于同一水平面內(nèi)。

可選地或優(yōu)選地，所述鉆柱的上方設(shè)有一螺栓，螺栓向擰緊方向旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)鉆柱施加壓力，所述螺栓和所述鉆柱之間設(shè)有用于測(cè)量所述螺栓施加壓力的第二壓力傳感器。

可選地或優(yōu)選地，所述螺栓和第二傳感器之間設(shè)有鋼球。

可選地或優(yōu)選地，所述鉆柱和鉆具內(nèi)設(shè)有軸向貫通的鉆井流體通道，鉆井流體通道的上端位于所述鉆柱的頂部以形成流體入口，所述支架的底部設(shè)有收集容器，用于收集鉆井流體通道下端排出的流體。

可選地或優(yōu)選地，所述支架的上部設(shè)有第一橫梁，第一橫梁上設(shè)有用于安裝鉆柱的鉆柱接頭，所述鉆柱和所述鉆具之間通過(guò)鉆具接頭連接。

可選地或優(yōu)選地，所述支架上設(shè)有扶正環(huán)橫梁并在扶正環(huán)橫梁上安裝扶正環(huán)，所述扶正環(huán)用于套設(shè)在所述鉆具外側(cè)。

可選地或優(yōu)選地，所述上位移傳感器和下位移傳感器均通過(guò)位移傳感器夾具分別固定在上套筒和下套筒上。

本發(fā)明提供的推靠式導(dǎo)向鉆具執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬測(cè)試裝置，包括支架以及安裝在支架上的上套筒和下套筒，上套筒和下套筒分別安裝有上位移傳感器和下位移傳感器，且下套筒上還安裝有第一壓力傳感器。當(dāng)鉆具的導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)，導(dǎo)向翼肋被推出，由第一壓力傳感器測(cè)得壓力，上位移傳感器和下位移傳感器測(cè)量推靠位置，保證鉆具的偏移量被準(zhǔn)確測(cè)出，從而為分析推靠力和偏移量之間相關(guān)性提供條件。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施所提供的推靠式導(dǎo)向鉆具執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施所提供的推靠式導(dǎo)向鉆具執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬測(cè)試裝置的下套筒部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2的A-A向剖視圖；

圖4為基于本發(fā)明實(shí)施所提供的推靠式導(dǎo)向鉆具執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬測(cè)試裝置的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：

1-支架 2-橫梁 3-墊板 4-墊板橫梁 5-鋼球 6-第二壓力傳感器 7-鉆柱接頭 8-流體入口 9-接頭橫梁 10-鉆柱 11-鉆具接頭 12-扶正環(huán) 13-扶正環(huán)橫梁 14-鉆具 15-上套筒 16-套筒橫梁 17-下套筒 18-收集容器 19-螺栓 20-固定軸 21-軸套 22-位移傳感器夾具 23-上位移傳感器 24-千斤頂 25-第一壓力傳感器 26-流體出口 27-下位移傳感器 28-徑向套筒 29-活塞 30-彈簧 31-墊塊 290-活塞主體 291-凸臺(tái)。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

請(qǐng)參考圖1-3，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種推靠式導(dǎo)向鉆具執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬測(cè)試裝置，其所適用的導(dǎo)向鉆具執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常包括設(shè)置在鉆具本體周面上的推靠翼，當(dāng)發(fā)生井斜時(shí)，推靠翼被內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)推出，在井壁上產(chǎn)生推靠力。本實(shí)施例提供的模擬測(cè)試裝置，是為了導(dǎo)向鉆具在模擬推靠動(dòng)作下，至少測(cè)試其產(chǎn)生的推靠力和偏移量。

模擬測(cè)試裝置的主體部分包括一個(gè)支架1，支架1的上部設(shè)有橫向的固定軸20以及套設(shè)在固定軸20外的軸套21，鉆柱10的頂部安裝在鉆柱接頭7上。在支架1的底部設(shè)有向鉆具14和/或鉆柱10提供推力的裝置，以使得在推動(dòng)作用下，鉆柱10和鉆具14繞著固定軸20旋轉(zhuǎn)一定角度，模擬井斜的發(fā)生。提供推力的裝置可以有多種，在本實(shí)施例中使用的是千斤頂24，其具有調(diào)節(jié)方便、支撐穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，在其他一些實(shí)施例中也可以采用液壓推桿、電力推桿等能夠提供足夠推力的設(shè)備。

在支架1的靠下部分設(shè)有兩道套筒橫梁16，并在上下兩道套筒橫梁16上分別安裝上套筒15和下套筒17，上套筒15上安裝有上位移傳感器23、下套筒15上安裝有下位移傳感器27，用于測(cè)量推靠位置，進(jìn)而確定偏移量。上位移傳感器23和下位移傳感器27可以通過(guò)位移傳感器夾具22沿著上套筒15和下套筒17的徑向固定在上套筒15和下套筒17的側(cè)壁上。以圖2和圖3所示的下套筒17為例，在下套筒17的側(cè)壁上設(shè)有供下位移傳感器27端部穿入的開(kāi)口，在下套筒17外壁上連接所述位移傳感器夾具，夾具端部的夾片將下位移傳感器27固定在中間。

在下套筒17上還安裝有第一壓力傳感器25以及與第一壓力傳感器25配合的傳壓機(jī)構(gòu)，第一壓力傳感器25優(yōu)選為紐扣式壓力傳感器。當(dāng)推靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)，推靠翼等推靠部件從鉆具本體伸出，將推靠壓力施加在傳壓機(jī)構(gòu)上，進(jìn)而由傳壓機(jī)構(gòu)向第一壓力傳感器25傳遞壓力。本實(shí)施例中，第一壓力傳感器25安裝在徑向套筒28中，該徑向套筒28在下套筒17外壁上沿著下套筒17的徑向設(shè)置，徑向套筒28靠近下套筒17的邊緣可以設(shè)置一圈凸緣，以安裝螺栓，將徑向套筒28與下套筒17外壁固定。在下套筒17外壁上開(kāi)設(shè)有開(kāi)口，以和徑向套筒28內(nèi)部連通。徑向套筒28內(nèi)沿著靠近下套筒17軸心的方向(即靠近下套筒17內(nèi)側(cè)的方向)一次設(shè)置有所述第一壓力傳感器25和傳壓機(jī)構(gòu)。徑向套筒28優(yōu)選的數(shù)量為三個(gè)，沿著下套筒17的周面分布，相應(yīng)地每個(gè)徑向套筒28內(nèi)設(shè)置一組第一壓力傳感器25和傳壓機(jī)構(gòu)，三個(gè)徑向套筒28形成的分布點(diǎn)在同一平面內(nèi)，如在本實(shí)施例中，三個(gè)徑向套筒28的軸線(即下套筒17的徑向線)相互呈120°的夾角沿著下套筒17周面均勻分布。三個(gè)第一壓力傳感器25恰好可以檢測(cè)到三個(gè)方向傳遞的推靠力，檢測(cè)結(jié)果更加精確全面。

在本實(shí)施例中，傳壓機(jī)構(gòu)具體可以包括墊塊31、彈簧30和活塞29，其中墊塊31與第一壓力傳感器25直接接觸，彈簧30和活塞29均橫向設(shè)置在墊塊31的內(nèi)側(cè)(即靠近下套筒17軸心側(cè))，活塞29包括活塞主體290以及在活塞主體290端部沿著活塞主體290徑向形成的凸臺(tái)291，彈簧30套設(shè)在活塞主體290上，彈簧30的一端連接在墊塊31上，另一端抵靠在凸臺(tái)291的內(nèi)側(cè)(即遠(yuǎn)離下套筒17軸心的表面)。當(dāng)推靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)，推靠力直接作用在活塞29的凸臺(tái)上，帶動(dòng)彈簧壓縮，進(jìn)而將力傳遞給墊塊31上，并作用在壓力傳感器25上。當(dāng)推靠機(jī)構(gòu)工作時(shí)，彈簧30會(huì)逐漸壓縮，當(dāng)推靠力消失時(shí)，彈簧30能夠?qū)⒒钊?9復(fù)位。墊塊31與第一壓力傳感器25直接接觸，增大了接觸面積，使得檢測(cè)到的壓力分散均勻，不會(huì)產(chǎn)生壓力集中，進(jìn)而避免壓力集中產(chǎn)生的檢測(cè)誤差。

上套筒15和下套筒17優(yōu)選采用六面體套筒，這樣提供了平整的安裝面，更便于徑向套筒28的安裝和固定。

為了模擬井下鉆柱受壓的過(guò)程，在鉆柱10上方設(shè)有一螺栓19，本實(shí)施例中為六角頭螺栓，該螺栓19通過(guò)墊板3安裝在墊板橫梁4上，當(dāng)向擰緊方向擰動(dòng)螺栓19時(shí)，可以給鉆柱10施加壓力，在螺栓19和鉆柱10之間設(shè)有第二壓力傳感器6，本實(shí)施例中為輪輻式壓力傳感器，用于檢測(cè)施加壓力的大小。通過(guò)施加不同的壓力，給以模擬不同的井下鉆柱受壓條件，使得鉆具的受力環(huán)境更貼近現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的環(huán)境。更為優(yōu)選地，螺栓19和第二傳感器6之間設(shè)有小型的鋼球5，用于保證軸向同心度，避免了軸向位置偏差導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不可靠的情況發(fā)生。

在實(shí)際的鉆探作業(yè)中，鉆柱10和鉆具14內(nèi)貫穿有鉆井流體通道，注入有可循環(huán)的鉆井流體，鉆井流體通常是鉆井液，有時(shí)也可以是泡沫流體。鉆井流體除了可以清洗井底，攜帶巖屑外，還具有控制和平衡底層壓力，將流體功率傳遞鉆頭等力學(xué)作用，因此也會(huì)對(duì)堆靠力的模擬產(chǎn)生影響，為了檢測(cè)采用不同鉆井流體下導(dǎo)向鉆具的推靠力和推靠位置參數(shù)，在鉆柱10頂部設(shè)有一個(gè)流體入口8，支架1的底部設(shè)有收集容器18，用于收集鉆井流體通道下端排出的流體。收集容器18的形式可以有多種，在本實(shí)施例中采用的是上部敞口的水箱。流體出口26開(kāi)設(shè)在水箱的側(cè)面底部，接出一段水管，以方便后續(xù)回收利用。

支架1的上部設(shè)有第一橫梁2，第一橫梁2上設(shè)有鉆柱接頭7，安裝鉆柱10時(shí)，鉆柱10的上端與鉆柱接頭7螺紋連接，在支架1的下部設(shè)有鉆具接頭11，并通過(guò)鉆具接頭11兩端螺紋連接鉆柱10和鉆具14。這樣鉆具14可以獨(dú)立地從支架1上卸下，也可以和鉆柱10作為整體卸下，方便拆裝，鉆具14還可以更換不同的柔性短節(jié)用以比對(duì)性能，且通過(guò)接頭連接后，保證流體通道與外界隔離，形成密閉空間。

在支架1上設(shè)有扶正環(huán)橫梁13并在扶正環(huán)橫梁13上安裝扶正環(huán)12，扶正環(huán)12用于套設(shè)在所述鉆具14外側(cè)。當(dāng)鉆具14偏離軸向時(shí)，會(huì)被扶正環(huán)12扶正，起到糾偏的作用。

圖4為基于本實(shí)施例提供的模擬測(cè)試裝置的模擬測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其示出了該系統(tǒng)包括的主要模塊，包括推靠模擬試驗(yàn)臺(tái)、螺栓、上位移傳感器、下位移傳感器、第一壓力傳感器和第二壓力傳感器，該試驗(yàn)臺(tái)包括了本實(shí)施例中模擬測(cè)試裝置的所有機(jī)械結(jié)構(gòu)，其上具有模擬測(cè)試裝置的各傳感器。試驗(yàn)臺(tái)支架受到推力繞軸旋轉(zhuǎn)，引起井斜，從而使鉆具的執(zhí)行裝置推靠井壁，完成糾斜；頂部螺栓在擰緊過(guò)程中為鉆柱施壓，鉆壓可通過(guò)下部的第二壓力傳感器測(cè)得。同時(shí)，鉆具還可以更換不同的柔性短節(jié)用以比對(duì)性能；鉆具的推靠力和推出位移可通過(guò)上套筒、下套筒上環(huán)形排列的第一壓力傳感器和位移傳感器獲得。推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井試驗(yàn)臺(tái)的所有傳感器均通過(guò)由數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)記錄儀等組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析系統(tǒng)，以便于后續(xù)理論分析及論證。該試驗(yàn)臺(tái)安裝簡(jiǎn)便易于調(diào)節(jié)，傳感器的裝卸簡(jiǎn)便靈活，便于根據(jù)要求更換不同量程的傳感器對(duì)鉆具性能進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)時(shí)連續(xù)的采集并記錄相關(guān)參數(shù)，為鉆具的設(shè)計(jì)研究提供多方位、連續(xù)、可靠、高效的測(cè)試數(shù)據(jù)。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的推靠式導(dǎo)向鉆具執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬測(cè)試裝置進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。