阅读说明：本技术 一种双摆提速钻具工作特性地面测试系统 (Double-pendulum acceleration drilling tool working characteristic ground test system ) 是由 王建龙 郑锋 张雅静 柳鹤 张雯琼 王瑶 于 2020-04-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种双摆提速钻具工作特性地面测试系统,包括电动转盘、梯形支架、密封循环套、偏心块、循环罐、支撑台、固定盘、循环泵、位移传感器、固定杆、数据处理与显示系统；支撑台下端与固定盘表面固定连接,梯形支架下端与支撑台顶部固定连接,电动转盘固定于梯形支架顶部,循环罐底端与固定盘表面固定连接,且其底端与循环管线一端贯通连接,循环管线上设有循环泵,循环管线另一端与密封循环套贯通连接,固定杆竖直位于固定盘表面上,且其在固定盘表面上位置可移动,固定杆上设有若干个位移传感器,数据处理与显示系统与位移传感器电气连接,并收集测量的数据,进行存储和显示；本发明可测试不同条件下的双摆提速钻具工作特性。(The invention relates to a ground test system for the working characteristics of a double-pendulum speed-increasing drilling tool, which comprises an electric turntable, a trapezoidal bracket, a sealing circulating sleeve, an eccentric block, a circulating tank, a supporting table, a fixed disc, a circulating pump, a displacement sensor, a fixed rod and a data processing and displaying system, wherein the electric turntable is arranged on the upper part of the trapezoidal bracket; the lower end of the support table is fixedly connected with the surface of the fixed disc, the lower end of the trapezoidal support is fixedly connected with the top of the support table, the electric rotary disc is fixed at the top of the trapezoidal support, the bottom end of the circulating tank is fixedly connected with the surface of the fixed disc, the bottom end of the circulating tank is communicated with one end of a circulating pipeline, the circulating pipeline is provided with a circulating pump, the other end of the circulating pipeline is communicated with the sealed circulating sleeve, the fixed rod is vertically positioned on the surface of the fixed disc and can move on the surface of the fixed disc, the fixed rod is provided with a plurality of displacement sensors, and a data processing and displaying system is electrically connected; the invention can test the working characteristics of the double-pendulum speed-increasing drilling tool under different conditions.)

一种双摆提速钻具工作特性地面测试系统

技术领域

本发明属于石油天然气钻探技术领域，尤其涉及一种双摆提速钻具工作特性地面测试系统。

背景技术

近些年，我国深部油气资源正在大力开发，但深部钻井面临硬地层的提速瓶颈，在西部的新青玉地区问题尤为突出。比如4000米以上的砂砾岩、泥岩地层，6000米以上的致密白云岩和泥岩地层，地层坚硬、可钻性差、机械钻速低、钻头寿命短，严重制约了深井提速。

钻头的破岩效率是影响钻速的最直接因素。在硬地层钻进过程中，钻头要承受各方向的震动，呈现跳动、摆动或涡动状态，根据美国史密斯公司提供的实测数据，钻头承受的径向加速度可达100G～200G，轴向加速度可达5～30G，换算成瞬间受力相当于径向8吨、轴向1.2吨冲击力，因此钻头状态是极不稳定的，切削齿不能充分吃入地层，而且各向震动严重影响钻头寿命，大幅降低钻井效率。

双摆提速钻具是基于高速陀螺自稳性原理主动抑制钻头涡动和跳动带来的径向震动，削弱振动加速度，稳定钻头姿态，实现平稳破岩，延长钻头寿命，提高钻头破岩效率。陀螺稳定原理的应用很广泛，比如摩天大楼的陀螺平衡阻尼器、火车轮船上的陀螺稳定器等等，都是用于缓解物体的振动响应。高速陀螺的减震机理在于角动量大小，即转动惯量与转速的乘积，二者越大，角动量越大，转动状态越稳定，减震效果越好。

因此，提供一种为了研究双摆提速钻具工作特性，为工具优化升级提供实验数据，可以实现不同排量、不同转速、不同振动位移和振动形式等条件下的双摆提速钻具工作特性的双摆提速钻具工作特性地面测试系统，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种为了研究双摆提速钻具工作特性，为工具优化升级提供实验数据，可以实现不同排量、不同转速、不同振动位移和振动形式等条件下的工作特性的双摆提速钻具工作特性地面测试系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种双摆提速钻具工作特性地面测试系统，包括电动转盘、梯形支架、密封循环套、偏心块、循环罐、支撑台、固定盘、循环泵、位移传感器、固定杆、数据处理与显示系统；所述支撑台下端与固定盘表面固定连接，所述梯形支架下端与支撑台顶部固定连接，所述电动转盘固定于梯形支架顶部，所述循环罐底端与固定盘表面固定连接，且其底端与循环管线一端贯通连接，所述循环管线上设有循环泵，所述循环管线另一端与密封循环套贯通连接，所述固定杆竖直位于所述固定盘表面上，且其在固定盘表面上位置可移动，所述固定杆上设有若干个位移传感器，所述数据处理与显示系统与位移传感器电气连接，并收集测量的数据，进行存储和显示；

所述电动转盘输出端连接双摆提速钻具模块，所述偏心块为若干块，且可固定在所述双摆提速钻具模块上，且双摆提速钻具模块中央为贯通结构，所述密封循环套与双摆提速钻具模块贯通连接，且通过循环泵进入双摆提速钻具模块的液体可从其末端流出，并落入到循环罐内。

进一步的，所述双摆提速钻具模块包括依次连接的循环短节(3)、万向循环短接、钻杆、双摆提速钻具、钻头，且循环短节、万向循环短接、钻杆、双摆提速钻具、钻头之间为中心贯通结构，且密封循环套与循环短节贯通连接，使得通过循环泵进入循环短节的液体可从钻头(8)末端流出，并落入到循环罐内。

进一步的，所述位移传感器为三个，安装在固定杆上，用于分别测试钻杆、双摆提速钻具、钻头的横向振动位移。

进一步的，所述支撑台顶端开孔，使钻杆能够穿过所述支撑台，并能与铅垂线呈一定角度摆动。

进一步的，所述固定盘上设有圆形轨道，所述固定杆位于所述圆形轨道上并可沿所述圆形轨道移动。

进一步的，所述圆形轨道的中心点位于所述双摆提速钻具模块的正下方。

进一步的，所述偏心块可采用实心或者空心的铁块。

进一步的，所述循环管线上还设有阀门。

本发明的优点和积极效果是：

本发明能够实现双摆提速钻具在不同排量、不同转速、不同振动位移和形式等条件下的工作测试，将为双摆提速钻具的检测、研发、性能优化改进、井下应用提供理论依据和指导。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明实施例提供的一种双摆提速钻具工作特性地面测试系统进行测试时的结构示意图；

具体实施方式

首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面就结合图1来具体说明本发明。

实施例1

图1为本发明实施例提供的一种双摆提速钻具工作特性地面测试系统进行测试时的结构示意图；如图1所示，本实施例提供的一种双摆提速钻具工作特性地面测试系统，包括电动转盘1、梯形支架2、密封循环套4、偏心块9、循环罐10、支撑台11、固定盘13、循环泵15、位移传感器17、固定杆18、数据处理与显示系统20；所述支撑台11下端与固定盘13表面通过固定螺栓12固定连接，所述梯形支架2下端与支撑台11顶部固定连接，所述电动转盘1固定于梯形支架2顶部，所述循环罐10底端与固定盘13表面固定连接，且其底端与循环管线14一端贯通连接，所述循环管线14上设有循环泵15，所述循环管线14另一端与密封循环套4贯通连接，所述固定杆18竖直位于所述固定盘13表面上，且其在固定盘13表面上位置可移动，所述固定杆18上设有若干个位移传感器17，所述数据处理与显示系统20与位移传感器17电气连接，并收集测量的数据，进行存储和显示；

所述电动转盘1输出端连接双摆提速钻具模块，所述偏心块9为若干块，且可固定在所述双摆提速钻具模块上，且双摆提速钻具模块中央为贯通结构，所述密封循环套4与双摆提速钻具模块贯通连接，且通过循环泵15进入双摆提速钻具模块的液体可从其末端流出，并落入到循环罐10内，具体的，在本实施例中，所述循环罐10上端开口状态，底端通过焊接的方式与固定盘13连接为一个整体，底端中间通过螺纹与循环管线14连接。

具体的，在本实施例中，所述双摆提速钻具模块包括依次连接的循环短节3、万向循环短接5、钻杆6、双摆提速钻具7、钻头8，且循环短节3、万向循环短接5、钻杆6、双摆提速钻具7、钻头8之间为中心贯通结构，且密封循环套4与循环短节3贯通连接，使得通过循环泵15进入循环短节3的液体可从钻头8末端流出，并落入到循环罐10内，在本实施例中，循环泵15用于给整个测试系统循环清水或钻井液提供动力，排量范围0-60L/s。

所述位移传感器17为三个，安装在固定杆18上，用于分别测试钻杆6、双摆提速钻具7、钻头8的横向振动位移，需要说明的是，为了测量准确，在安装位移传感器17时，需要将位移传感器17安装在固定杆18上与钻杆6、双摆提速钻具7、钻头8在水平方向上分别对应的位置。

并且，所述支撑台11顶端开孔，使钻杆6能够穿过所述支撑台11，并能与铅垂线呈一定角度摆动。

所述固定盘13上设有圆形轨道19，所述固定杆18位于所述圆形轨道19上并可沿所述圆形轨道19移动；具体的，在本实施例中，所述固定杆18底端为倒“T”形结构，其上有三个孔，孔用于安装位移传感器17，倒“T”形结构固定在固定盘13上的圆形轨道19内，可以自由滑动，用于调节位移传感器17在圆周方向上位置，便于测量任意方位上的振动位移。

需要说明的是，所述圆形轨道19的中心点位于所述双摆提速钻具模块的正下方。

所述偏心块9可采用实心或者空心的铁块，所述偏心块是用于让钻杆、钻头、双摆提速钻具产生偏心运动的机构，可以实心的铁块，也可以是空心的铁块；当需要产生有序的偏心运动时，选用实心的铁块；当需要产生无序的偏心运动时，选用空心的铁块，内部可加一定量的水，利用水的无规则运动性能产生无序偏心振动。

所述循环管线14上还设有阀门16，便于控制整个测试系统循环开关。

需要说明的是，所述电动转盘1固定于梯形支架2上，下端与循环短节3连接，在电驱动条件下，可以产生0-200转/分钟的转速；所述梯形支架2下端通过焊接的方式与支撑台11联合成一个整体；所述循环短节采用常规产品，可在其右边和下端开设开孔，上端和下端可通过螺纹分别与电动转盘和万向循环短节连接；所述密封循环套套设在循环短节上，且其在轴向上与循环短节之间设置动密封，右侧设置通孔并与循环管线相连，为了安装方便，可以考虑密封循环套下部为杆状结构，垂直固定在支撑台11上；所述万向循环短节采用现有产品，上端通过螺纹与循环短节连接，下端通过螺纹与钻杆连接，既能实现与铅垂线成一定角度的周向转动，又能从中间流通清水或钻井液等液体；所述钻杆采用现有产品，上下端通过螺纹分别与万向循环短节和双摆提速钻具连接，中间通孔，用于循环清水或钻井液等液体；所述钻杆表面可设置螺纹孔，用于安装偏心块；

所述双摆提速钻具是一种基于陀螺稳定原理，稳定钻头持续切削，从而达到提高机械钻速及机械进尺目的的钻具提速工具，主要包括流道接头、稳定陀螺、耦合转子、耦合内轴、涡轮、导流轮等结构。为了便于测试，在双摆提速钻具中间外壁上设置螺纹孔，该螺纹孔与中间通孔不连通，用于安装偏心块，当然，本发明的测试系统可以测试现有的双摆提速钻具，也可以测试研发出的双摆提速钻具；

所述钻头是普通的牙轮钻头或者PDC钻头，为了便于测试，在钻头上设置螺纹孔，用于安装偏心块；

需要说明的是，数据处理与显示系统20采用常规的手提电脑或者智能手机均可。

需要说明的是，本发明中的固定连接方式采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，在此不再赘述，但由于上述原因，不会影响本领域技术人员的重复再现。

作为举例，在本实施例中，当需要进行测试时：

安装步骤：将固定盘13放置在平整的地面上，将支撑台11通过固定螺栓12固定在固定盘13上，将梯形支架2通过焊接的方式固定在支撑台11上，并将循环罐10放置在固定盘13上；穿过支撑台11中心通孔，依次连接钻头8、双摆提速钻具7、钻杆6、万向循环短节5、密封循环套4、循环短节3、电动转盘1；然后通过循环管线14依次连接循环罐10、阀门16、循环泵15、密封循环套4；然后将固定杆18放置在固定盘13的圆形轨道内，然后将位移传感器17固定在固定杆18上，通过数据线将位移传感器17与数据处理与显示系统20连接。

测试方法：第1步、根据震动类型需求，安装偏心块101、102、103，可以安装1个、2个或3个偏心块；第二步、测试双摆提速钻具7未工作时的振动情况，即循环泵处于关闭状态，此时双摆提速钻具内部无钻井液或清水流经，处于不工作状态；第三步、开启数据处理与显示系统20，然后开启电动转盘1，根据测试需求，调至需要的转速，此时可以测试出钻杆6、双摆提速钻具7或钻头8处的振动状况；第四步、测试双摆提速钻具7工作时的振动情况，即开启数据处理与显示系统20，然后开启电动转盘1，然后开启阀门16和循环泵15，并调节至所需的循环排量，此时有清水或钻井液流经双摆提速钻具7，产生强大的向心力，然后此时可以测试出钻杆6、双摆提速钻具7或钻头8处的振动状况；第五步、根据两次的测试振动结果，对比分析出双摆提速钻具的减震效果；第六步、根据上述步骤，可以测试在不同转速、不同循环排量、不同振动位移和形式等条件下的减震效果。

以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。