[发明专利]水平井扭摆钻井钻柱动力学模拟实验装置

说明书

本发明公开了一种水平井扭摆钻井钻柱动力学模拟实验装置，包括实验井架、井身模拟系统、地面驱动系统、井底驱动系统、数据采集系统、钻井液循环系统；实验井架包括水平井架、垂直井架、弧形导管架，垂直井架设置在水平井架的左端上表面，弧形导管架包括首尾相连的水平面、垂直面和弧形面，弧形导管架与水平井架可拆卸相连，弧形导管架的垂直面与垂直井架的右侧面可拆卸相连；井身模拟系统包括井筒和钻柱，地面驱动系统设置在实验井架上，地面驱动系统包括加压电机和驱动电机，驱动电机与钻柱相连，驱动钻柱进行扭摆钻井。本发明除了能够模拟常规钻井外，还能模拟扭摆钻井，研究扭摆钻井工艺下的钻柱动力学，为扭摆钻井的参数设置提供依据。

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别涉及一种水平井扭摆钻井钻柱动力学模拟实验装置。

背景技术

非常规油气水平井钻井普遍面临钻柱摩阻高、“托压”严重的问题，导致机械钻速低、水平段延伸困难，进而使得钻井周期长、钻井成本高，严重制约了非常规油气高效开发。为了降低钻进摩阻、提高机械钻速，国外率先提出运用钻柱扭摆运动降低滑动钻井摩阻的设想，并开发了一种钻柱扭摆钻井系统－Slider系统。

而钻柱扭摆钻井的关键是计算出地面顶驱施加正反向扭矩传递到钻柱的位置，以及螺杆反扭矩传递到管柱的位置，当这两个位置不相交时，螺杆不会受到上部钻柱传递的扭矩影响进而可以保持工具面的稳定，如地面扭矩过小则起不到减小摩阻的作用，所以须确定合理的地面扭矩值，使得旋转管柱的长度能尽可能的长，既可以有效减小摩阻又不影响井底工具面。然而，扭摆钻井过程中，地面施加扭矩沿全井钻柱的传递规律以及钻柱变形特征难以通过理论计算得到反馈，导致现有的扭摆钻井系统的控制方法仍以开环控制为主，扭摆钻井参数设置主要依靠工程师的现场经验。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种水平井扭摆钻井钻柱动力学模拟实验装置，能够在地面进行扭摆钻井钻柱动力学模拟实验，研究地面顶驱施加正反向扭矩传递到钻柱的位置，为现场实验提供依据。

本发明的技术方案如下：

一种水平井扭摆钻井钻柱动力学模拟实验装置，包括实验井架、井身模拟系统、地面驱动系统、井底驱动系统、数据采集系统、钻井液循环系统；

所述实验井架包括水平井架、垂直井架、弧形导管架，所述垂直井架设置在所述水平井架的左端上表面，所述弧形导管架包括依次首尾相连的水平面、垂直面和弧形面，所述弧形导管架的水平面与所述水平井架可拆卸相连，所述弧形导管架的垂直面与所述垂直井架的右侧面可拆卸相连；

所述井身模拟系统包括设置在所述实验井架上的井筒和设置在所述井筒内的钻柱，所述钻柱采用铅管，所述钻柱上设有多个光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器沿所述钻柱的轴向上均匀设置多个，所述钻柱的同一径向上设有至少六个所述光纤光栅传感器，同一径向上的一对相对的两个切点上沿所述钻柱的轴向各设置一个所述光纤光栅传感器，另一对相对的两个切点上各设置两个所述光纤光栅传感器，且两个所述光纤光栅传感器呈90°设置；所述井身模拟系统的顶端与所述地面驱动系统相连，所述井身模拟系统的底端与所述井底驱动系统相连；

所述地面驱动系统设置在所述实验井架上，所述地面驱动系统包括加压电机和驱动电机，所述驱动电机与所述钻柱相连，驱动所述钻柱进行扭摆钻井。

作为优选，还包括与所述实验井架相连的提升系统，所述地面驱动系统与所述提升系统相连，所述地面驱动系统通过所述提升系统可在所述实验井架上滑动。

作为优选，所述提升系统包括依次相连的起升电机、钢丝绳、滑轮、上滑轮座、滑动板和下滑轮座，所述滑轮设置在所述垂直井架的顶部，所述地面驱动系统设置在所述滑动板上，通过所述提升系统能够使所述地面驱动系统在0～90°范围内转动并固定。