[发明专利]一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统及其使用方法

说明书

本发明涉及一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统及其使用方法，其特征在于，包括支撑架、加载系统、工具面角测量系统、钻柱模拟系统、反扭矩模拟系统和计算机；支撑架的顶层设置有所述加载系统，加载系统用于模拟顶驱旋转；支撑架的底层设置有工具面角测量系统，加载系统的输出端通过第一联轴器连接钻柱模拟系统的一端，钻柱模拟系统内注有模拟钻井液，钻柱模拟系统的另一端穿过支撑架的各中间层通过第二联轴器连接工具面角测量系统，工具面角测量系统用于采集面角数据；第二联轴器上设置有反扭矩模拟系统，反扭矩模拟系统用于模拟钻头受到的反扭矩；计算机分别电连接加载系统和工具面角测量系统，本发明可广泛用于石油钻井室内实验设备领域中。

技术领域

本发明是关于一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统及其使用方法，属于石油钻井室内实验设备领域。

背景技术

滑动导向钻井有着钻具结构简单易实现、使用成本低廉等天然优势，但是，在实际钻井过程中，由于已钻井眼轨迹的复杂性、地层条件的不确定性、钻柱和井壁之间的静摩擦与滑动摩擦等因素的共同影响，对井下动力钻具工具面角的控制过程存在很强的非线性，同时表现出很强的迟滞特性。因此，目前滑动导向钻井的工具面角控制工作主要依靠司钻经验，缺乏有效的理论模型甚至经验模型。若通过多次实地钻井总结钻井数据，进行钻井工具面角模型研究或经验总结，将付出巨大的时间成本与经济成本。

作为实地钻井实验的实验室替代仿真，钻井过程实物仿真以其低成本、易操作和直观可重复受到科研人员的广泛重视。然而，目前已经开发的定向钻井实物仿真装置，仍存在以下不足：1)对钻柱和井壁的模拟不够细致，不考虑实验模型与实际钻井系统的相似性；只从几何相似的角度进行模拟，不考虑动力学相似，实际上，在钻井过程中，力的作用起到至关重要的作用，考虑动力学相似是十分必要的。2)对钻井过程的模拟不够全面，针对钻井过程中工具面角变化规律的研究尚属空白。3)缺少对反扭矩的模拟装置，而实际钻井过程中，岩石对钻头的反扭矩对工具面角的变化存在重要影响。

因此，从动力学相似的角度，建立一套可以对井下工具面角变化规律进行细致研究且能够全面反映钻井过程动力学特性的实验装置是很有必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够全面反映钻井过程动力学特性的滑动导向钻井工具面角变化实验系统及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种滑动导向钻井工具面角变化实验系统，包括支撑架、加载系统、工具面角测量系统、钻柱模拟系统、反扭矩模拟系统和计算机；

所述支撑架的顶层设置有所述加载系统，所述加载系统用于模拟顶驱旋转；所述支撑架的底层设置有所述工具面角测量系统，所述加载系统的输出端通过第一联轴器连接所述钻柱模拟系统的一端，所述钻柱模拟系统内注有模拟钻井液，所述钻柱模拟系统的另一端穿过所述支撑架的各中间层通过第二联轴器连接所述工具面角测量系统，所述钻柱模拟系统用于模拟钻柱和已钻井眼井壁，所述工具面角测量系统用于采集所述钻柱模拟系统的面角数据；所述第二联轴器上设置有所述反扭矩模拟系统；所述反扭矩模拟系统用于模拟钻头受到的反扭矩；

所述计算机分别电连接所述加载系统和工具面角测量系统。

进一步地，所述支撑架是由若干横梁、横杆、立柱和角铁连接而成的矩形框架结构，所述支撑架的顶层设置有用于固定设置所述加载系统的第一支撑板，所述支撑架的底层设置有用于固定设置所述工具面角测量系统和钻柱模拟系统的两第一支撑板，所述支撑架的每一中间层均滑动连接用于固定设置所述钻柱模拟系统的第二支撑板。

进一步地，所述加载系统包括电机底座和伺服电机；

所述电机底座固定设置在位于所述支撑架顶层的所述第一支撑板上，所述电机底座上固定连接所述伺服电机，所述伺服电机的输出端通过所述第一联轴器连接所述钻柱模拟系统的一端；

所述伺服电机还电连接所述计算机，所述计算机用于控制所述伺服电机的开闭以及旋转角度。