水平定向鉆鉆桿振動受力分析綜合實驗方法及實驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種水平定向鉆鉆桿振動受力分析綜合實驗方法及實驗裝置，屬于非開挖工程領域。
【背景技術】
[0002]水平定鉆技術(Horizontal Direct1nal Drilling，HDD)是采用安裝于地表的鉆孔設備，以相對于地面的較小的入射角鉆入地層形成導向孔，然后將導向孔擴至所需大小并鋪設管道(線)的一項技術。目前，水平定向鉆技術已廣泛應用于市政管道和大直徑長距離油氣管道穿江過河中。隨著我國經濟飛速發展，能源需求不斷增加，水平定向鉆施工的管道尺寸越來越大，一次性穿越長度也越來越長。針對以往的HDD工程案例進行分析可知，孔內不穩定因素導致擴孔扭矩增加、回拖力過大，孔內鉆桿的受力狀態復雜:鉆桿除了受到拉力和扭矩的作用以外，還會受到擴孔鉆具回轉而產生的交變彎曲應力、地層復雜非均質導致的孔內鉆桿發生水平方向和豎直方向的振動。這些復雜的鉆桿受力狀態往往導致鉆桿發生斷裂等孔內事故，嚴重影響施工周期，增加施工成本，甚至可能會導致工程失敗。而水平定向鉆技術與傳統的石油鉆井技術從工藝上有很大的區別，大孔徑比(10:1)使得水平定向鉆。此，要研究HDD鉆桿受力狀態，分析鉆桿振動情況，建立HDD鉆桿振動模型，優化施工設計和鉆進參數，科學的指導大直徑HDD施工。而目前，尚未出現具有此功能的模擬方法和裝置。
【發明內容】
[0003]為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種水平定向鉆鉆桿振動受力分析綜合實驗方法及實驗裝置，針對HDD鉆桿振動受力的問題，能夠實時測試不同轉速、拉力、扭矩、鉆具組合條件下孔內鉆桿的振動受力狀態。
[0004]本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是:提供了一種水平定向鉆鉆桿振動受力分析綜合實驗方法，包括以下步驟:
[0005](1)搭建實驗環境:
[0006]將鉆桿水平放置，鉆桿頂端與調速電機連接，鉆桿尾端安裝扭矩控制器，鋼絲繩的一端通過拉力傳感器與鉆桿端部連接，鋼絲繩的另一端懸掛加力砝碼，在鉆桿尾端放置用于模擬孔壁的設有圓形空心的模擬孔壁支撐架，使鉆桿尾端通過模擬孔壁支撐架內部的圓形空心，在鉆桿表面安裝2組以上電阻式應變片，每組電阻式應變片位于與鉆桿軸垂直的平面，沿鉆桿軸向延伸方向布置一組振動位移檢測器，一個振動位移檢測器對應一組電阻式應變片，在鉆桿的側面和上方布置攝像機；
[0007](2)狀態初始化:
[0008]利用調速電機控制鉆桿軸向轉動，利用電阻式應變片采集應力狀態數據，利用拉力傳感器采集鉆桿所受軸向拉力，利用振動位移檢測器采集鉆桿的位移變化數據，利用攝像機采集鉆桿空間形態圖像數據；
[0009](3)調節轉速:
[0010]利用與調速電機連接的變頻器調節調速電機的速度，進而控制鉆桿調速，利用電阻式應變片采集應力狀態數據，利用拉力傳感器采集鉆桿所受軸向拉力，利用振動位移檢測器采集鉆桿的位移變化數據，利用攝像機采集鉆桿空間形態圖像數據；
[0011](4)調節軸向拉力:
[0012]通過改變加力砝碼的數量調節鉆桿軸向拉力，利用電阻式應變片采集應力狀態數據，利用拉力傳感器采集鉆桿所受軸向拉力，利用振動位移檢測器采集鉆桿的位移變化數據，利用攝像機采集鉆桿空間形態圖像數據；
[0013](5)調節扭矩:
[0014]利用扭矩控制器調節鉆桿受到的扭矩，利用電阻式應變片采集應力狀態數據，利用拉力傳感器采集鉆桿所受軸向拉力，利用振動位移檢測器采集鉆桿的位移變化數據，利用攝像機采集鉆桿空間形態圖像數據；
[0015](6)模擬不同鉆具組合:
[0016]在鉆桿上加裝扶正器，使扶正器和鉆桿形成鉆具組合；調整扶正器在鉆桿上的位置，或更換不同尺寸扶正器，以模擬不同鉆具組合，重復步驟(2)至步驟(5)。
[0017]本發明同時提供了一種基于上述方法的水平定向鉆鉆桿振動受力分析綜合實驗裝置，包括水平放置的鉆桿和鉆具回轉系統，還包括拉力扭矩控制系統、應力監測系統、振動位移檢測系統和圖像采集系統；所述鉆桿尾端放置用于模擬孔壁的設有圓形空心的模擬孔壁支撐架，使鉆桿尾端通過模擬孔壁支撐架內部的圓形空心，以限制鉆桿運動；所述鉆具回轉系統包括安裝于鉆桿頂端的由變頻控制器控制的調速電機，所述調速電機通過減速箱連接在鉆桿頂端；所述拉力扭矩控制系統包括安裝于鉆桿尾端的扭矩控制器、拉力傳感器、鋼絲繩以及加力砝碼，鋼絲繩的一端通過拉力傳感器與扭矩控制器連接，扭矩控制器與鉆桿端部連接，鋼絲繩的另一端懸掛加力砝碼；所述應力監測系統包括鉆桿表面均勻安裝的2組以上電阻式應變片，以及與電阻式應變片連接的無線采集卡，每組電阻式應變片位于與鉆桿軸垂直的平面；所述振動位移檢測系統包括沿鉆桿軸向延伸方向布置的一組振動位移檢測器以及與振動位移檢測器連接的振動位移采集器，一個振動位移檢測器對應一組電阻式應變片；所述圖像采集系統包括位于鉆桿的側面和上方的攝像機；無線采集卡和振動位移采集器通過無線方式與無線采集卡信號接收器連接，以向無線采集卡信號接收器發送數據，無線采集卡信號接收器與數據處理終端連接。
[0018]所述鉆桿上套裝有扶正器。
[0019]每組電阻式應變片以對稱正交分布均勻安裝于鉆桿表面。
[0020]所述振動位移檢測器包括相互垂直的兩組振動位移檢測單元，每組振動位移檢測單元包括兩個平行光發射器和兩個光線接收器，兩個平行光發射器發射的光線相互平行，當鉆桿處于靜止自然下垂與模擬孔壁支撐接觸狀態時，兩組相互垂直的振動位移監測單元發出的兩組相互垂直的平行光線分別與鉆桿的正上外表面、正下外表面、正左外表面以及正右外表面相切。
[0021]所述鉆桿的兩端各由一個支撐臺支撐。
[0022]所述鉆桿的尾端的支撐臺上設有定滑輪，鋼絲繩置于定滑輪上。
[0023]所述攝像機為高速攝像機。
[0024]本發明基于其技術方案所具有的有益效果在于:
[0025](1)本發明的水平定向鉆鉆桿振動受力分析綜合實驗方法可以通過變頻器調節調速電機的速度，結合記錄的鉆桿的應力狀態、位移變化、空間形態，分析回轉速度對鉆桿振動受力的影響；通過加力砝碼調節鉆桿軸向拉力，結合記錄的鉆桿的應力狀態、位移變化、空間形態，分析軸向拉力對鉆桿振動受力的影響；通過扭矩調節器調節鉆桿受到的扭矩，結合記錄的鉆桿的應力狀態、位移變化、空間形態，分析扭矩對鉆桿振動受力的影響；通過在鉆桿不同位置安裝不同尺寸的扶正器，結合記錄的鉆桿的應力狀態、位移變化、空間形態，分析不同鉆具組合對鉆桿振動受力的影響，實現了位移、應力、空間形態同時采集，實驗結果更加真實可靠；
[0026](2)本發明的水平定向鉆鉆桿振動受力分析綜合實驗裝置是首個針對水平定向鉆鉆桿振動受力分析的綜合實驗系統，可以使用真實鉆桿進行模擬實驗，也可以按照相似原理進行相似實驗；
[0027](3)本發明的水平定向鉆鉆桿振動受力分析綜合實驗裝置能夠實現位移、應力、空間形態同時采集，實驗結果更加真實可靠；
[0028](4)本發明的水平定向鉆鉆桿振動受力分析綜合實驗裝置可以實現不同回轉速度、軸向拉力、扭矩、鉆具組合條件下鉆桿振動受力監測分析，實驗系統應用范圍大。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發明的水平定向鉆鉆桿振動受力分析綜合實驗裝置示意圖。
[0030]圖2為本發明的振動位移監測器原理示意圖。
[0031]圖3為本發明的振動位移監測器安裝示意圖。
[0032]圖4為本發明的振動位移監測器安裝示意圖。
[0033]圖5為本發明的無線采集卡及電阻式應變片安裝示意圖。
[0034]圖6為本發明的拉力扭矩控制系統示意圖。
[0035]圖7為本發明的回轉動力支撐臺側面示意圖。
[0036]圖8為本發明的回轉動力支撐臺軸向示意圖。
[0037]圖9為本發明的尾部支撐臺側面示意圖。
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