一種鉆柱粘滑振動參數的測試方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種石油與天然氣鉆井技術領域，具體是一種鉆柱粘滑振動參數的測試方法及裝置。
【背景技術】
[0002]粘滑振動是指鉆頭以“粘滯”與“滑動”交替出現的一種現象，在粘滯階段，鉆頭停止轉動而鉆柱在頂部轉盤的驅動下繼續扭轉，當鉆柱扭轉所積蓄的能量足以克服鉆頭和鉆柱受到的摩擦力和摩擦扭矩時，粘滯的鉆頭又開始滑動；在滑動階段，鉆柱積蓄的能量瞬間釋放，使得鉆頭的轉動速度數倍于地表轉盤轉速，從而完成一次“粘滯”與“滑動”的過程。鑒于大位移井具有水平位移大、大斜度井段長、鉆柱等效扭轉剛度小的顯著特征，且鉆井過程中大部分鉆柱幾乎躺在井眼的低邊，從而導致大位移井內的鉆柱很容易產生粘滑振動。
[0003]粘滑振動對鉆進的影響主要有:1)滑動階段高速轉動對鉆頭沖擊大，增大鉆頭磨損，加速鉆頭失效；2)粘滑振動用于破巖的能量比例小，消耗井口驅動裝置提供的能量；3)粘滑振動本身及其引起的其他振動(如軸向、橫向、扭轉振動)加速下部鉆具的疲勞失效；
4)粘滑振動會增加鉆柱的磨損，導致鉆柱的提前失效；5)降低鉆進連續性及井身質量，增加純鉆進時間及起下鉆次數，降低鉆進效率。因此，粘滑振動是一種破壞性極強的扭轉振動，此外，粘滑振動還會與其他形式的振動形成新的稱合振動，由于其產生的扭矩波動較大，不僅降低鉆井效率，而且嚴重的威脅著鉆井安全，也是一種不容忽視的破壞性振動。
[0004]當然，為減緩或避免鉆井過程中鉆柱的粘滑振動，科技工作者已經提出了很多種粘滑振動的減振方法，主要包括兩種:一種是通過理論建模的方法求解下部鉆具的運動形式及運動規律，然后改變鉆井參數以減緩或避免粘滑振動；另一種是優化鉆頭及井身結構或使用井下工具(如柔式減振器和扭轉沖擊器)，然而，沒有一種方法可以完全的解決粘滑振動的問題。理論研究表明:確定需要調節的鉆井參數是抑制鉆井過程中粘滑振動的關鍵，而在鉆井參數中，對粘滑振動影響最大的2個參數是鉆壓與轉速，且某一鉆壓下存在一個發生粘滑振動的臨界轉速，當轉速高于臨界轉速時粘滑振動將消失，臨界轉速與鉆具組合及地層條件等有關，由于不同鉆井工況的參數不同，故很難通過理論計算的方法確定鉆壓和轉速，但可通過測試的方法來確定鉆柱粘滑振動的參數(如鉆壓和轉速等)，并進一步弄清粘滑振動機理。
[0005]目前，國內還沒有可以測試鉆柱在實際鉆進工況下粘滑振動參數的測試裝置，無法準確獲取鉆柱發生粘滑振動所對應的鉆井參數，從而不能徹底解決鉆柱粘滑振動的問題，為此，本發明提出一種鉆柱粘滑振動參數的測試方法及裝置，該裝置可開展鉆柱在不同鉆進工況下工作的模擬試驗，并準確獲取鉆柱在不同鉆井工況下的粘滑振動參數，從而實現對鉆柱粘滑振動的控制。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是，提出一種鉆柱粘滑振動參數的測試方法及裝置，以解決不同鉆進工況下鉆柱粘滑振動參數難以準確獲取的技術難題，并在達到上述目的的同時，簡化測試裝置的復雜性，降低測試裝置的成本。
[0007]為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:
[0008]所述的鉆柱粘滑振動參數的測試方法包括以下步驟:
a)設定井架的井斜角及電機的轉速。
b)啟動電機帶動鉆柱和鉆頭在井筒內開始旋轉，同時采用高速攝像機對鉆頭的轉動規律進行觀測并記錄。
c)采用液缸通過柱塞和鉆柱緩慢給鉆頭施加鉆壓，并利用應變計測試施加到鉆頭上的鉆壓，同時觀察鉆頭的轉動規律。
d)緩慢增加鉆壓，直到鉆頭粘滯(停止轉動)為止，記錄鉆頭粘滯時所對應的鉆壓。
e)保持鉆頭粘滯時所對應的鉆壓及電機的轉速不變，讓鉆柱在電機帶動下繼續旋轉，直到粘滯的鉆頭重新開始滑動，用高速攝像機記錄鉆頭從粘滯到滑動所需的時間和鉆頭重新開始滑動的瞬間轉動速度(主要包括轉速、鉆壓、鉆頭從粘滯到滑動的時間、開始滑動的瞬間轉動速度)。
f)停止電機，釋放施加到鉆頭上的鉆壓。
g)改變井架的井斜角或電機的轉速，重復步驟(I)?步驟出)，可以獲得不同井斜角或轉速下鉆頭粘滯所對應的鉆壓和鉆頭從粘滯到重新滑動所需的時間及鉆頭重新開始滑動的瞬間轉動速度，從而確定鉆柱在不同鉆井工況下的粘滑振動參數。
[0009]為使用上述方法，本發明提供一種鉆柱粘滑振動參數的測試裝置，其特征在于，主要包括:液壓支架、應變計、井架、柱塞、電機、傳動齒輪、鉆柱、第一滑動軸承、第二滑動軸承、井筒、移動夾持鉗、高速攝像機、監測窗口、鉆頭、巖芯、滑動支架和滑軌。其中，帶柱塞的液缸、電機、第一滑動軸承、第二滑動軸承、井筒、移動夾持鉗均與井架連接；井架可在液壓支架和滑動支架的共同作用下旋轉角度并定位，從而實現不同井斜角(0-90° )下的鉆進模擬；鉆柱、井筒和鉆頭的尺寸均按油田現場常用的井身結構通過相似性原理設計；電機用于給整個測試裝置提供動力，帶動鉆柱(包括鉆桿、鉆鋌及井下工具)和鉆頭旋轉；傳動齒輪用于傳遞電機的動力；液壓支架固定于底座I上，可伸長縮短并定位，滑動支架可在滑軌內左右滑動；液缸用于通過柱塞和鉆柱給鉆頭施加鉆壓，應變計用于測量施加到鉆頭上的鉆壓；第一接頭用于連接鉆柱和鉆頭，第二接頭用于連接井筒和巖芯槽；移動夾持鉗可以在井架上左右滑動，用于固定整個井筒；第一滑動軸承和第二滑動軸承可在井架上左右滑動，用于對整個鉆柱進行定位，鉆柱可在第一滑動軸承和第二滑動軸承內轉動；高速攝像機可通過監測窗口觀測并記錄整個測試過程。
[0010]本發明的優點是:
(1)該裝置可開展鉆柱在不同鉆進工況下粘滑振動的模擬試驗，并準確獲取鉆柱在不同鉆井工況下的粘滑振動參數，為減緩或避免鉆柱在不同鉆井工況下的粘滑振動提供了重要的試驗數據，同時也為不同鉆井工況下鉆柱粘滑振動機理的研究提供了較為完備中間試驗條件；
(2)裝置結構簡單，操作方便，成本低廉，能真實模擬不同水平井內鉆柱粘滑振動的過程。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明結構示意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖及實施例，對本發明進行詳細描述。
[0013]所述的鉆柱粘滑振動參數的測試方法包括以下步驟:
a)設定井架4的井斜角及電機7的轉速。
b)啟動電機7帶動鉆柱10和鉆頭17在井筒12內開始旋轉，同時開啟高速攝像機15對鉆頭17的轉動規律進行觀測并記錄。
c)采用液缸5通過柱塞6和鉆柱10緩慢給鉆頭17施加鉆壓，并利用應變計3測試施加到鉆頭17上的鉆壓，同時