[发明专利]一种反扭距定向工具实验系统及方法

权利要求书

1.一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：转速传感器(1)、液压马达(2)、水龙头(3)、截止阀(4)、泥浆泵(5)、流量传感器A(6)、压力传感器A(7)、加速度传感器A(8)、角度传感器A(9)、加速度传感器B(10)、扭距测试仪(11)、反扭距模拟系统A(12)、反扭距弯螺杆导向工具(13)、台架(14)、角度调整机构(15)、二位四通电磁阀A(16)节流阀A(17)、溢流阀A(18)、压力传感B(19)、液压站B(20)、测控系统(21)、无线接收器(22)、变压器(23)、变频器(24)构成；所述：反扭距弯螺杆导向工具上部(13)连接液压马达(2)，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供扭距和转速，反扭距弯螺杆导向工具下部(13)连接反扭距模拟系统(12)，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供反扭距；所述：反扭距模拟系统(12)由螺杆钻具(1201)和永磁发电机(1202)组成，永磁发电机(1202)发电时产生电磁力，将螺杆钻具(1201)空转转为模拟破岩的负载工况，进而产生反扭距M’，同时实现实验过程自发电，节约电能；所述：永磁发电机(1202)依次连接变频器(24)和变压器(23)，将永磁发电机(1202)发出的电并入到驱动液压站B(20)的供电系统中；所述：角度调整机构(15)由液压站A(1501)、三位四通电磁阀(1502)、液压杆(1503)、角度传感器B(1504)构成，用于模拟不同井斜角度，所述：液压站A(1501)和液压杆(1503)之间连接三位四通电磁阀(1502)。

2.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：加速度传感器A(8)、加速度传感器B(10)、角度传感器A(9)和扭距测试仪(11)为无线模式，避免反扭距弯螺杆导向工具(13)和螺杆钻具(1201)旋转导致有线线缆缠绕破坏传感器。

3.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：角度传感器A(9)和角度传感器B(1504)为绝对值角度编码器，可以精确采集反扭距弯螺杆导向工具下部(9)的绝对旋转角度和台架(14)的倾角；加速度传感器A(8)和加速度传感器B(10)为三轴加速度计，可以采集反扭距弯螺杆导向工具(13)的轴向、径向和周向的三轴加速度。

4.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：加速度传感器A(8)安装在反扭距弯螺杆导向工具上部(1301),角度传感器A(9)、扭距测试仪(11)和加速度传感器B(10)安装在反扭距弯螺杆导向工具下部(1302)。

5.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：反扭距模拟系统A(12)可由反扭距模拟系统B(25)代替，所述：反扭距模拟系统B(25)由扭距限制器(2501)、扭距加载器(2502)、二位四通电磁阀B(2403)、节流阀B(2404)、溢流阀B(2405)、压力传感器C(2406)、液压站C(2407)组成。

6.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：液压马达(2)为双向变量马达，可控制反扭距弯螺杆导向工具(13)实现不同转速条件下的正转或反转功能。

7.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：液压杆(1503)的为双作用活塞，实现伸长和缩短的功能；三位四通电磁阀(1502)为O型机能，断电后三位四通电磁阀(1502)处于中位，三位四通电磁阀(1502)会阻止液压杆(1503)的两个活塞中的液压油流动，液压杆(1503)长度不发生变化，可保持台架(14)倾角不会发生变化。

8.一种反扭距定向工具实验方法，其特征在于：由以下步骤组成：

S1：将反扭距弯螺杆导向工具(13)安装在台架(14)上；

S2：在测控系统(21)中输入反扭距弯螺杆导向工具(13)控制的目标工具面角度α、液压马达(2)转速R、液压马达(2)扭距M、台架(14)倾角β；

S3：泥浆泵(5)打压循环泥浆，螺杆钻具(1201)转子旋转带动永磁发电机(1202)发电，永磁发电机(1202)发电产生电磁力，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供反扭距M’；

S4：测控系统(21)控制截止阀(4)开关，进而发射目标工具面角度α的泥浆脉冲信号，反扭距弯螺杆导向工具(13)接收目标工具面角度α的信号，并开始定向作业；

S5：测控系统(21)根据转速传感器(1)控制节流阀A(17)开度进而调节液动马达(2)转速R，进而控制反扭距弯螺杆导向工具上部(1301)的转速R，测控系统(21)根据压力传感器B(19)控制溢流阀A(18)开度，进而调节液动马达(2)的转矩M1，从而控制反扭距弯螺杆导向工具上部(1301)的转矩M；

S6：反扭距弯螺杆导向工具(13)在转矩M和反扭距M’的作用下，执行反扭距弯螺杆导向工具上部(1301)和反扭距弯螺杆导向工具下部(1302)离合动作，进行而调整反扭距弯螺杆导向工具下部(1302)的动态工具面角α1；

S7：角度传感器A(9)实时测量反扭距弯螺杆导向工具下部(1302)动态工具面角α1，测控系统(21)存储动态工具面角α1；

S8：测控系统(21)实时存储加速度传感器A(8)的振动数据G1、加速度传感器B(10)的振动数据G2和扭距测试仪(11)的动态扭距数据T；

S9：分析“Δα＝目标工具面角度α-动态工具面角α1”随时间的变化规律，得到反扭距弯螺杆导向工具(13)动态工具面角控制精度，为反扭距弯螺杆导向工具(13)工具面角控制方法研究、工具面角控制精度标定等提供实验支撑，并指导反扭距弯螺杆导向工具(13)设计；

S10：分析振动数据G1、振动数据G2和动态扭距数据T的时域特性、幅频特性等，评价反扭距弯螺杆导向工具(13)对钻柱系统动力学的影响，为反扭距弯螺杆导向工具(13)高效破岩提供实验支撑。