[发明专利]一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置及方法

说明书

本发明提供了一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置，包括实验台、加压装置、模拟装置和钻头受力监测装置；加压装置包括加压手轮和压力加载板，模拟装置包括模拟井筒、模拟钻杆、模拟旋转导向工具、模拟钻头和岩心，模拟钻杆、模拟旋转导向工具和模拟钻头依次连接，模拟钻杆和模拟旋转导向工具套于模拟井筒内，模拟钻杆穿过伺服电机连接加压装置，钻头受力监测装置包括旋转手轮和设置有侧向力及压力传感器的受力监测板，模拟钻头与受力监测板均紧贴于岩心表面。本发明还提出了一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验方法，通过研究各钻进参数对旋转导向工具受力的影响，为提高旋转导向工具的调控精度提供了依据。

技术领域

本发明涉及石油钻井管柱力学实验领域，具体涉及一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置及方法。

背景技术

旋转导向技术作为当前钻井技术中的一项自动化钻井新技术，与其他随钻系统相比，旋转导向钻井技术钻井过程中摩擦阻力小、钻速快、精度高且井眼轨迹的可控性强。旋转导向钻井技术不仅能够提高钻井成功率、减少事故，还能从整体上降低钻井成本，尤其是在海上大位移钻井技术中发挥了显著优势。国际上已经有许多商业化旋转导向钻井系统及多种旋转导向工具，其中，静态推靠式旋转导向系统的工作原理为：在钻柱旋转状态下，通过非旋转套上的导向翼肋推靠井壁产生导向力，从而控制钻头的钻井方向。现场试验时发现由于导向力与偏心位移调控不完全等效导致工具面调控误差太大；在钻柱旋转之前先下达调控指令再钻进，工作时钻柱先旋转后加钻压，下指令与实际工作过程中均未考虑钻柱旋转使得导向力和偏心位移重新分配，造成实钻井眼轨迹偏离设计轨道。

目前，由于条件有限，无法在室内对静态推靠式旋转导向工具进行全尺寸实验，虽然部分学者采用静力学模型计算静态推靠式旋转导向钻具组合的导向特性，但是静力学模型计算不能反映出底部钻具组合旋转运动中产生的动态影响，尽管动力学理论模型因素较为全面，但是其部分计算参数的选择需要依靠经验。因此，亟需提出一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置及方法，研究不同底部钻具组合结构、钻压和转速对推靠式旋转导向工具调控方式的影响规律，确定出导向力调控模式与偏心位移调控模式的偏差，从而优选调控模式使钻具沿设计井眼轨道钻进。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的不足，提供了一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置及方法，通过模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式，研究静态推靠式旋转导向工具导向力调控模式与偏心位移调控模式之间的偏差，为提高静态推靠式旋转导向工具调控精度提供了依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于模拟静态推靠式旋转导向工具调控方式的实验装置，其特征在于，包括实验台、加压装置、模拟装置和钻头受力监测装置；

所述加压装置、模拟装置和钻头受力监测装置依次设置于实验台顶面，实验台一侧设置有调节装置；

所述加压装置包括加压手轮和压力加载板，压力加载板置于移动底座内，顶面设置有压力传感器，底面通过加载丝杠与加压手轮相连接；

所述模拟装置包括模拟井筒、模拟钻杆、模拟旋转导向工具、模拟钻头和岩心，岩心置于岩心底座内，模拟旋转导向工具一端与紧贴岩心表面的模拟钻头相连接，另一端与模拟钻杆底端相连接，模拟旋转导向工具与模拟钻杆外侧均套有模拟井筒，模拟旋转导向工具两端设置有旋转密封套，与模拟井筒密封形成密闭空间，模拟钻杆顶端穿过伺服电机与压力加载板底面相接触，伺服电机带动模拟钻杆转动，模拟钻杆靠近伺服电机一侧设置有转速传感器；

所述钻头受力监测装置包括旋转手轮和受力监测板，受力监测板置于移动底座内，旋转手轮通过加载丝杠与受力监测板顶面相连接，受力监测板底面设置有侧向力传感器和压力传感器，侧向力传感器和压力传感器均紧贴于岩心表面；