[发明专利]钻井振动测量与控制实验台架

说明书

本发明提供了一种钻井振动测量与控制实验台架。主机架的侧面竖直设置直线导轨；顶部固定有顶部吊塔组件；顶部驱动组件设置于导轨上，可由顶部吊塔控制其自由滑动；顶部驱动组件与底部钻具组件之间通过钻杆弹性元件连接；底部钻具组件设置在导轨上可自由滑动；模拟岩层组件设置在底部钻具组件下端，并通过螺栓可调节锁紧在导轨上。本发明设计简单巧妙，可模拟钻井作业中钻柱的扭矩波动、扭转振动、黏‑滑运动、钻头纵向跳起等多种动力学行为，并可对多项动态数据进行实时测量；此外，测量数据经实时控制算法反馈至塔吊电机与顶驱电机，可实现对钻柱振动的主动控制实验。

技术领域

本发明涉及一种钻井领域，具体地，涉及钻井振动测量与控制实验台架，尤其是一种用于研究钻井作业中钻柱的纵-扭耦合振动动态量测量与动力学主动控制研究的通用实验台架。

背景技术

钻井杆柱(钻柱)系统是石油、天然气资源开采过程中的核心组件，是一个具有超大长径比的柔性旋转机械系统。在钻井过程复杂的力学环境下，钻柱系统极易发生动力学失稳并产生具有危害性的自激振动。井底随钻测量数据表明，在钻井作业参数平面的大部分区域内，钻柱存在强烈的非线性纵-扭耦合自激振动,导致钻柱的过度变形、疲劳断裂以及表面刺漏等多种形式的失效，严重制约了钻井效率的提高并带来了巨大的经济财产损失。因此，研究钻柱系统在不同岩层、钻具组合以及作业参数下的纵、扭耦合振动及失稳规律，并对其失稳实现主动控制以扩大钻井安全作业参数包络分析，是钻井工程领域长期以来高度重视并亟待解决的问题。

钻井现场实验是研究钻柱振动最直接的方式，然而，由于现场实验只能提供单一的作业工况，且对于井底钻柱各种动态结果难以实时监测，复杂的井下事故不易重现且重现的成本巨大，极大地限制了现场实验的应用范围。模拟钻井实验平台从钻柱系统的动力学方程出发，通过量纲分析进行缩比实验台的设计，实验可重现钻井作业中的多种现象，是一种高效、便捷、可靠及低成本的研究方法，因此使用模拟实验设备日益成为学者以及工程人员对钻柱动力学、钻井参数优化等进行深入研究的重要手段。

在目前已有的钻井实验平台的设计中，专利文献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，无法模拟钻柱系统的动态特性。专利文献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。而专利文献CN103712790A提供了一种研究钻柱动力学特性的实验设备，其根据动力学相似原理对实验设备的各项参数进行设计，可实现钻柱横向涡动的实验模拟与测量，但该设备对于钻柱的纵向运动与扭转运动无法进行模拟与观测。专利文献CN201391312Y提供了一种钻柱与钻井液耦合动力学行为研究试验台，其通过底部的激振器对钻压动态力进行模拟，可对钻井液作用下旋转钻柱的纵向运动研究，但该试验台无法对钻柱扭转运动进行模拟与观测，同时由于其底部不存在钻头与岩层的切削破碎过程，可导致较大试验误差。此外，目前已有的这些实验装置/台架均无法对钻柱的运动，尤其是纵-扭耦合振动进行主动抑振控制。

由此可见，目前尚缺少一种能同时对钻柱纵向与扭转动力学进行观察，并对振动进行主动控制的通用的实验设备。因此，设计一种通用的钻井缩比实验装置，重现钻井作业中出现的多种复杂动力学过程，对钻井振动的多组动态量进行测量，并实现对钻柱系统振动的主动控制，这将给钻井工程带来积极的经济效益与学术价值。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种钻井振动测量与控制实验台架。

根据本发明提供的一种钻井振动测量与控制实验台架，包括主机架、直线导轨、顶部塔吊组件、顶部驱动组件、钻杆弹性元件、底部钻具组件、模拟岩层组件；

主机架上设置有直线导轨；

顶部塔吊组件与主机架紧固连接；顶部塔吊组件控制顶部驱动组件的运动；