孔底振动模拟试验台的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种孔底振动模拟试验台，包括上部激振源、下部激振源、支撑台架和测控单元，上部激振源设置在支撑台架的上方，下部激振源设置在支撑台架的下方，在支撑台架内设置有模拟钻具，钻具上端与上部激振源连接，钻具下端与下部激振源接触，测控单元安装在钻具上。该孔底振动模拟试验台主要通过上部电磁激振器模拟上部钻具振动，下部变频电机-曲面盘结构模拟钻头与地层作用产生的振动，并设置了不同孔壁阻尼约束模拟装置和底部钻具约束模拟装置，配置了可实时检测多种性能参数的测试系统，本孔底振动模拟试验台可在实验室状态下对底部钻具的振动特性、孔下减振器的减振特性、钻杆中振动波的传播特性开展实验研究。
【专利说明】孔底振动模拟试验台
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种试验台，尤其涉及一种孔底振动模拟试验台。
【背景技术】
[0002]在现有技术中，振动是钻具在钻进过程所碰到的最普遍问题之一。尤其在深孔钻进过程中钻具所表现出的弹性伸缩，使得轴向振动成为钻具振动的主要问题。底部钻具振动主要来源是孔底钻头与岩石的相互作用、上部转盘旋转和孔壁诱发的上部钻具振动，以及两者之间的耦合作用。孔下钻具的振动会使钻头寿命降低乃至损坏，钻具脱扣导致落鱼事故，降低钻速等。设计开发合适的孔下减振器，减少并合理利用底部钻具的轴向振动成为钻探技术的重要发展方向。
[0003]由于深孔钻探的特殊性，研究底部钻具振动的有效办法是根据孔下各种振动谱的特征，开展室内的钻具振动与减振特性模拟实验研究，而孔底振动模拟试验台是研究底部钻具振动、孔下减振器的关键测试平台。国内外虽然针对底部钻具的振动作过大量研究，但对于考虑合理振动谱特征、具备模拟孔壁实际阻尼和多种振源的底部钻具振动测试实验平台还未见公开报道。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够模拟出不同孔底工况以便研究孔底钻具震动的孔底振动模拟试验台。
[0005]为实现上述目的，本发明提供一种孔底振动模拟试验台，包括上部激振源、下部激振源、支撑台架和测控单元，所述上部激振源设置在所述支撑台架的上方，所述下部激振源设置在所述支撑台架的下方，在所述支撑台架内设置有一根钻具，所述钻具上端与所述上部激振源连接，所述钻具下端与所述下部激振源连接，所述测控单元安装在所述钻具上。
[0006]优选地，所述上部激振源为用以产生轴向激振力的电磁激振器，所述电磁激振器设置在所述支撑台架的上方且与所述钻具上端连接。
[0007]优选地，所述下部激振源为一由变频电机驱动的孔底工况模拟曲面盘，所述孔底工况模拟曲面盘与设置在所述支撑台架的下方且与所述钻具下端接触。
[0008]优选地，还包括模拟底部钻具约束装置，所述模拟底部钻具约束装置设置在所述钻具下方，所述模拟底部钻具约束装置包括壳体、弹簧和压力调节阀，所述弹簧底端设置在所述壳体底面，在所述弹簧顶端设有压力调节阀，在所述壳体端面开有通孔，所述钻具下端穿过所述壳体端面上的通孔与所述压力调节阀螺纹连接，在所述壳体内填充有阻尼液，所述阻尼液用于模拟带有阻尼的钻进工况。
[0009]优选地，在组成所述钻具的每节钻杆上均设置有孔壁约束模拟结构，所述孔壁约束模拟结构包括孔壁模拟块、轴向摩擦阻尼模块和周向扭转阻尼模块，所述钻杆穿过所述孔壁模拟块，所述轴向摩擦阻尼模块和所述周向扭转阻尼模块的一端设置在所述支撑台架上，另一端与所述钻杆接触设置。[0010]优选地，所述轴向摩擦阻尼模块包括分别设置在钻杆两侧的两根带有螺纹的轴向阻力杆，两根所述轴向阻力杆在同一直线上且所在直线通过所述钻杆的轴心，两根所述轴向阻力杆靠近所述钻杆的一端与所述钻杆接触设置，两根所述轴向阻力杆的另一端上设置有螺纹调节套，所述螺纹调节套与所述钢架上设置的拉压力传感器连接，所述轴向阻力杆与所述螺纹调节套螺纹连接。
[0011 ] 优选地，所述周向扭转阻尼模块包括分别设置在钻杆两侧的两根带有螺纹的周向扭转阻力杆，两根所述周向扭转阻力杆相互平行且处于两条直线上，两根所述周向扭转阻力杆靠近所述钻杆的一端与所述钻杆接触设置，两根所述周向扭转阻力杆的另一端设置有螺纹调节套，所述螺纹调节套与所述支撑台架上设置的拉压力传感器连接，所述周向扭转阻力杆与所述螺纹调节套螺纹连接。
[0012]优选地，所述孔底工况模拟曲面盘转动一周过程中，其表面形状配合所述钻具底端之间的相对运动，模拟出所述钻具钻进过程中的孔底工况。
[0013]优选地，所述测控单元包括多个加速度传感器、扭矩传感器、同步数据采集卡和数据处理器，多个所述加速度传感器分别设置在所述钻具的顶部、底部和中部，所述拉压力传感器设置在所述孔壁模拟块内的所述轴向阻力杆上，所述扭矩传感器设置在所述孔底工况模拟曲面盘的传动轴的一端，所述加速度传感器、所述扭矩传感器和所述拉压力传感器均与同步数据采集卡通信连接，同步数据采集卡与所述数据处理器通信连接，所述同步数据采集卡将采集的传感器信号传递至数据处理器进行数据处理。
[0014]本发明提供的孔底振动模拟试验台是在调研了国内外对于底部钻具振动特性、孔底钻具工作状态等基础上，按照几何相似和动力学相似的基本理论进行设计。本实验台主要通过上部激振器模拟上部钻具振动，下部变频电机-曲面盘结构模拟钻头与地层作用产生的振动，并设置了不同孔壁阻尼约束装置，配置了可实时检测多种性能参数的测试系统，本实验装置可在实验室状态下对底部钻具的振动特性、孔下减振器的减振特性、钻杆中振动波的传播特性开展实验研究。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明孔底振动模拟试验台的主视结构示意图；
[0016]图2为本发明孔底振动模拟试验台的俯视结构示意图；
[0017]图3为本发明孔底振动模拟试验台的侧视结构示意图；
[0018]图4为本发明孔底振动模拟试验台的模拟底部钻具约束装置的结构示意图；
[0019]图5为本发明孔底振动模拟试验台的孔壁约束模拟结构的结构示意图；
[0020]图6为实际钻进过程中，钻头与孔下岩石作用后形成的四种孔底形状结构示意图；
[0021]图7为本发明孔底振动模拟试验台的孔底工况模拟曲面盘轮廓曲线模拟出的锯齿形无规则孔底曲线示意图；
[0022]图8为本发明孔底振动模拟试验台的孔底工况模拟曲面盘轮廓曲线模拟出的锯齿形规则孔底曲线示意图；
[0023]图9为本发明孔底振动模拟试验台的孔底工况模拟曲面盘轮廓曲线模拟出的正弦形理想规则孔底曲线示意图；[0024]图10为本发明孔底振动模拟试验台的孔底工况模拟曲面盘的一种实施方式的轮廓结构示意图；
[0025]图11为本发明孔底振动模拟试验台的孔底工况模拟曲面盘的另一种实施方式的轮廓曲线结构示意图。
[0026]图中:1-支撑台架，2-电磁激振器，3-钻具，4-孔底工况模拟曲面盘，5-壳体，6-弹簧，7-压力调节阀，8-孔壁模拟块，9-螺纹调节套，10-轴向阻力杆，11-周向扭转阻力杆，12-扭矩传感器，13-变频电机，14-激振器加持板，15-激振器支撑板，16-连接板。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明做进一步的说明:
[0028]请参考图1和图3，图1为本发明孔底振动模拟试验台的主视结构示意图；图3为本发明孔底振动模拟试验台的侧视结构示意图。
[0029]一种孔底振动模拟试验台，包括上部激振源、下部激振源、支撑台架I和测控单元，所述上部激振源设置在所述支撑台架I的上方，所述下部激振源设置在所述支撑台架I的下方，在所述支撑台架I内设置有一根模拟钻具3，所述钻具3上端与所述上部激振源连接，所述钻具3下端与所述下部激振源连接，所述测控单元安装在所述钻具3上。
[0030]请参考图1，图1为本发明孔底振动模拟试验台的主视结构示意图。
[0031]所述上部激振源为用以产生轴向激振力的电磁激振器2，所述电磁激振器2设置在所述支撑台架I的上方且与所述钻具3上端连接。在安装过程中，电磁激振器2通过激振器加持板14进行加持，然后通过激振器支撑板15将电磁激振器2和激振器加持板14设置在支撑台架I的上方，然后通过连接板16将激振器支撑板15固定在支撑台架I的上方。
[0032]请参考图2，图2为本发明孔底振动模拟试验台的俯视结构示意图。
[0033]所述下部激振源为一由变频电机13驱动的孔底工况模拟曲面盘4，孔底工况模拟曲面盘4设置在一根轴上，在轴两端设置轴承及轴承支架，在轴的一端安装皮带轮，变频电机13可以设置在支撑台架I的侧边，在变频电机13的输出轴上通过联轴器安装上皮带轮，孔底工况模拟曲面盘4所在的轴可以通过皮带与变频电机13的输出轴连接，所述孔底工况模拟曲面盘4与设置在所述支撑台架I的下方且与所述钻具3下端连接。
[0034]请参考图4，图4为本发明孔底振动模拟试验台的模拟底部钻具约束装置的结构示意图。
[0035]还包括模拟底部钻具约束装置，所述模拟底部钻具约束装置设置在所述孔底工况模拟曲面盘4的下方，所述模拟底部钻具约束装置包括壳体5、弹簧6和压力调节阀7，所述弹簧6底端设置在所述壳体5底面，在所述弹簧6顶端设有压力调节阀7，在所述壳体5端面开有通孔，所述钻具3的下端穿过所述壳体5端面上的通孔与所述压力调节阀7螺纹连接，在所述壳体5内填充有阻尼液。压力调节阀7可以通过与钻具3之间的螺纹来调整弹簧6的预紧力，孔底工况模拟曲面盘4与模拟底部钻具约束装置更换使用，不能同时使用。
[0036]请参考图5，图5为本发明孔底振动模拟试验台的孔壁约束模拟结构的结构示意图。
[0037]在组成所述钻具3的每节钻杆上均设置有孔壁约束模拟结构，所述孔壁约束模拟结构包括孔壁模拟块8、轴向摩擦阻尼模块和周向扭转阻尼模块，所述钻杆穿过所述孔壁模拟块8，所述轴向摩擦阻尼模块和所述周向扭转阻尼模块的一端设置在所述支撑台架I上，另一端与所述钻杆接触设置。
[0038]所述轴向摩擦阻尼模块包括分别设置在钻杆两侧的两根刻有螺纹的轴向阻力杆10，两根所述轴向阻力杆10在同一直线上且所在直线通过所述钻杆的轴心，两根所述轴向阻力杆10靠近所述钻杆的一端与所述钻杆接触设置，两根所述轴向阻力杆10的另一端上设置有螺纹调节套9，所述螺纹调节套9设置与在所述支撑台架I上的拉压力传感器连接，所述轴向阻力杆10与所述螺纹调节套9螺纹连接。通过旋转螺纹调节套9调节轴向阻力杆10的前进与后退，进而调节轴向阻力杆10与钻杆之间的压力，从而调节钻杆轴向上所受摩擦力的大小。
[0039]所述周向扭转阻尼模块包括分别设置在钻杆两侧的两根刻有螺纹的周向扭转阻力杆11，两根所述周向扭转阻力杆11相互平行且处于两条直线上，两根所述周向扭转阻力杆11靠近所述钻杆的一端与所述钻杆接触设置，两根所述周向扭转阻力杆11的另一端设置有螺纹调节套9，所述螺纹调节套9与在所述支撑台架I单元上的拉压力传感器连接，所述周向扭转阻力杆11与所述螺纹调节套9螺纹连接。通过旋转螺纹调节套9调节周向扭转阻力杆11的前进与后退，进而调节周向扭转阻力杆11与钻杆之间的压力，从而调节钻杆周向上所受扭矩的大小。
[0040]请参考图6-图11，图6为实际钻进过程中，钻头与孔下岩石作用后形成的四种孔底形状结构示意图；图7为本发明孔底振动模拟试验台的孔底工况模拟曲面盘轮廓曲线模拟出的锯齿形无规则孔底曲线示意图；图8为本发明孔底振动模拟试验台的孔底工况模拟曲面盘轮廓曲线模拟出的锯齿形规则孔底曲线示意图；图9为本发明孔底振动模拟试验台的孔底工况模拟曲面盘轮廓曲线模拟出的正弦形理想规则孔底曲线示意图；图10为本发明孔底振动模拟试验台的孔底工况模拟曲面盘的一种实施方式的轮廓结构示意图；图11为本发明孔底振动模拟试验台的孔底工况模拟曲面盘的另一种实施方式的轮廓曲线结构示意图。
[0041]所述孔底工况模拟曲面盘4转动一周过程中，其表面形状配合所述钻具3底端之间的相对运动，模拟出所述钻具3钻进过程形成的V字型、一字型、凸起型或环形的孔底工况。由于真实孔底钻头钻后会形成不同形状的孔底，而且由于孔底的不平整使得钻具产生轴向振动(不同的孔底形状会产生不同频率、不同振幅的轴向振动)，针对不同的孔底形状设计不同的曲孔底工况模拟曲面盘4的轮廓曲线，来配合钻具3模拟真实振动。在实际钻井过程中，由于钻头类型不同钻头与孔底岩石作用后孔下岩石形状也不同，但总体可分为以上的四种形式(V字型、一字型、凸起型或环形)，理想情况下孔底应该是光滑面，但是实际钻进过程中由于钻头、岩粉以及钻井液等作用使得孔底面变得凹凸不平，这使钻具产生轴向振动。那么针对不同类型的孔底形状，在以某一固定尺寸为半径的基础上，绕钻孔中心环绕一周得到一圆弧，该圆弧上各点的竖直方向位移即为曲面盘的轮廓曲线。经过理论分析得到三种基本类型轮廓曲线:锯齿形无规则孔底形状、锯齿形规则孔底形状和正弦形理想规则孔底形状。
[0042]本试验台通过孔底工况模拟曲面盘4来模拟孔底产生的振动特性，其在轴的带动下逆时针旋转，由于曲面与钻具3始终保持接触，同时曲面与理想基圆之间存在正负间隙，使得钻具3产生相应的轴向正负位移，进而实现钻具振动。[0043]所述测控单元包括多个加速度传感器、扭矩传感器12、同步数据采集卡和数据处理器，多个所述加速度传感器分别设置在所述钻具3的顶部、底部和中部，所述拉压力传感器设置在所述孔壁模拟块8内的所述轴向阻力杆10上，所述扭矩传感器12设置在所述孔底工况模拟曲面盘4的传动轴的一端，所述加速度传感器、所述扭矩传感器12和所述拉压力传感器均与同步数据采集卡通信连接，同步数据采集卡与所述数据处理器通信连接，所述同步数据采集卡将采集的传感器信号传递至数据处理器进行数据处理。在实际应用中被测物件(如本专利申请中的钻具3的扭转和振动等)会产生0到几毫伏的应变放大，为了保证清晰准确的采集到这部分应变信息，通常采用应变片与传感器结合使用，通过应变片采集到的微小应变放大后经过信号放大器进行放大，并将放大后的信号传输给数据处理器进行信号的分析与处理。)测控原理、信号的采集、放大以及输出等均为现有技术中应用相当成熟的技术，在此不做详细赘述，且图中各传感器、同步数据采集卡、数据处理器等的通信连接关系请参考信号的走向，附图中未给出)。
[0044]孔底振动模拟试验台的使用说明:
[0045]①「激振力法模拟上部振动工况
[0046]在采用激振力法模拟上部振动工况时需要让上方的电磁激振器2工作，下方的孔底工况模拟曲面盘4不工作，通过数据处理器输出0-5V的电信号并由功率放大器进行放大后传输给电磁激振器2，通过上方的电磁激振器2可以模拟产生多种波形的周期性激振力用以模拟相应的工况，观测钻具3上下两端的加速度传感器所测量的钻具3的轴向加速度值的变化，得到上部振动对钻具3的影响。
[0047]②激振位移法模拟单纯孔底振动工况
[0048]在采用激振位移法模拟单纯孔底振动工况时需关闭上部的电磁激振器2，让下部孔底工况模拟曲面盘4工作，通过变频器对孔底工况模拟曲面盘4的驱动电机进行调速，实现不同频率的振动工况，另外还可以通过更换不同曲面形状的孔底振动模拟曲面盘模拟不同的孔底形状。
[0049]③模拟上部下部耦合振动工况
[0050]在进行上部下部耦合振动模拟时要同时打开上部的电磁激振器2和下部的孔底工况模拟曲面盘4进行工作，在同时加载的情况下，通过扭矩传感器12、加速度传感器测量振动参数。
[0051 ] ④模拟孔下减振器对钻具3振动的影响
[0052]在模拟孔下减振器对钻具3的振动的影响时，需要配合减振器进行，通过将减振器安放到钻具3的不同位置，可以用于分析减振器安装的不同位置对减振效果的影响，同时也可以论证孔下减振器的可行性。除此之外还可以用于对比研究孔下减振器对上部和下部钻具3振动的隔振效果。
[0053]⑤模拟孔底不同阻尼状态
[0054]由于在真实钻孔过程中，钻具3是处在泥浆、岩粉等混合物溶液中，受到非常复杂的阻尼作用。模拟底部钻具3约束装置可以模拟出比较真实的环境，弹簧6作为一种线性的阻尼元件，水等液体可以提供非线性阻尼。鉴于两种材料的不同阻尼效果，可以用于对不同阻尼工况下钻具3振动效果进行研究。
[0055]上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造【具体实施方式】的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。
【权利要求】
1.一种孔底振动模拟试验台，其特征在于，包括上部激振源、下部激振源、支撑台架和测控单元，所述上部激振源设置在所述支撑台架的上方，所述下部激振源设置在所述支撑台架的下方，在所述支撑台架内设置有一根钻具，所述钻具上端与所述上部激振源连接，所述钻具下端与所述下部激振源连接，所述测控单元安装在所述钻具上。
2.根据权利要求1所述的孔底振动模拟试验台，其特征在于，所述上部激振源为用以产生轴向激振力的电磁激振器，所述电磁激振器设置在所述支撑台架的上方且与所述钻具上端连接。
3.根据权利要求1所述的孔底振动模拟试验台，其特征在于，所述下部激振源为一由变频电机驱动的孔底工况模拟曲面盘，所述孔底工况模拟曲面盘与设置在所述支撑台架的下方且与所述钻具下端接触。
4.根据权利要求1所述的孔底振动模拟试验台，其特征在于，还包括模拟底部钻具约束装置，所述模拟底部钻具约束装置设置在所述钻具下方，所述模拟底部钻具约束装置包括壳体、弹簧和压力调节阀，所述弹簧底端设置在所述壳体底面，在所述弹簧顶端设有压力调节阀，在所述壳体端面开有通孔，所述钻具下端穿过所述壳体端面上的通孔与所述压力调节阀螺纹连接，在所述壳体内填充有阻尼液，所述阻尼液用于模拟带有阻尼的钻进工况。
5.根据权利要求1-3任一所述的孔底振动模拟试验台，其特征在于，在组成所述钻具的每节钻杆上均设置有孔壁约束模拟结构，所述孔壁约束模拟结构包括孔壁模拟块、轴向摩擦阻尼模块和周向扭转阻尼模块，所述钻杆穿过所述孔壁模拟块，所述轴向摩擦阻尼模块和所述周向扭转阻尼模块的一端设置在所述支撑台架上，另一端与所述钻杆接触设置。
6.根据权利要求5所述的孔底振动模拟试验台，其特征在于，所述轴向摩擦阻尼模块包括分别设置在钻杆两侧的两根带有螺纹的轴向阻力杆，两根所述轴向阻力杆在同一直线上且所在直线通过所述钻杆的轴心，两根所述轴向阻力杆靠近所述钻杆的一端与所述钻杆接触设置，两根所述轴向阻力杆的另一端上设置有螺纹调节套，所述螺纹调节套与所述钢架上设置的拉压力传感器连接，所述轴向阻力杆与所述螺纹调节套螺纹连接。
7.根据权利要求6所述的孔底振动模拟试验台，其特征在于，所述周向扭转阻尼模块包括分别设置在钻杆两侧的两根带有螺纹的周向扭转阻力杆，两根所述周向扭转阻力杆相互平行且处于两条平行直线上，两根所述周向扭转阻力杆靠近所述钻杆的一端与所述钻杆接触设置，两根所述周向扭转阻力杆的另一端设置有螺纹调节套，所述螺纹调节套与所述支撑台架上设置的拉压力传感器连接，所述周向扭转阻力杆与所述螺纹调节套螺纹连接。
8.根据权利要求3所述的孔底振动模拟试验台，其特征在于，所述孔底工况模拟曲面盘转动一周过程中，其表面形状配合所述钻具底端之间的相对运动，模拟出所述钻具钻进过程中的孔底工况。
9.根据权利要求7所述的孔底振动模拟试验台，其特征在于，所述测控单元包括多个加速度传感器、扭矩传感器、同步数据采集卡和数据处理器，多个所述加速度传感器分别设置在所述钻具的顶部、底部和中部，所述拉压力传感器设置在所述孔壁模拟块内的所述轴向阻力杆上，所述扭矩传感器设置在所述孔底工况模拟曲面盘的传动轴的一端，所述加速度传感器、所述扭矩传感器和所述拉压力传感器均与同步数据采集卡通信连接，同步数据采集卡与所述数据处理器通信连接，所述同步数据采集卡将采集的传感器信号传递至数据处理器进行数据处理。
【文档编号】G01M7/04GK103454055SQ201310421607
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】王瑜, 高明帅, 刘宝林, 王志乔, 黄明新, 吕建国 申请人:中国地质大学（北京）