井下动力钻具钻进行为模拟实验系统技术方案

本发明专利技术公开一种井下动力钻具钻进行为模拟实验系统，包括钻具安装部、试块装夹部和钻井液泵；钻具安装部包括翻转式底座、钻具夹持装置和螺杆钻具，螺杆钻具上设有钻头；试块装夹部包括水平滑动件、升降组件和装夹台，装夹台上设有用于模拟不同地层条件的试验试块，试验试块可根据需要设置和更换。采用本发明专利技术的井下动力钻具钻进行为模拟实验系统的显著效果是，能为钻头的破岩过程模拟出不同钻探角度、不同地层条件；从而在近于工况的条件下测定钻头破岩时的扭矩、钻压和轨迹变化等负载性能参数，以对施工人员评价、选择提供更合理的依据。

Underground Drilling Tool Drilling as a Simulated Experimental System

The invention discloses a downhole power drill tool drilling simulation experiment system, which comprises a drill tool installation part, a test block clamping part and a drilling fluid pump; a drill tool installation part includes a turnover base, a drill tool clamping device and a screw drilling tool, and a drill bit is arranged on the screw drilling tool; a test block clamping part includes a horizontal sliding part, a lifting assembly and a clamping platform, and a clamping platform is arranged on the clamping platform for simulating different formation conditions. The test blocks can be set and replaced as needed. The remarkable effect of using the downhole power drill as the simulation experiment system is that different drilling angles and different formation conditions can be simulated for the rock breaking process of the drill bit, and load performance parameters such as torque, drilling pressure and trajectory change during rock breaking of the drill bit can be determined under the conditions close to the working conditions, so as to provide a more reasonable basis for the evaluation and selection of the constructors.

【技术实现步骤摘要】
井下动力钻具钻进行为模拟实验系统
本专利技术涉及一种动力钻具的试样测试系统，具体涉及一种井下动力钻具钻进行为模拟实验系统。
技术介绍
动力钻具是指能把钻井液的能量转化为钻井破岩动力的井底钻具，动力钻具在西方发达国家已被确定为定向井、丛式井、大斜度井、水平井和抢险救援井的最佳钻井工具之一。动力钻具在提高机械钻速、增加单只钻头进尺、减少每米钻井成本、实现井身轨迹的定向控制和快速准确中靶以及确保井身质量和钻井安全性等方面，与传统的转盘钻井相比具有极大的优越性。动力钻具的输出扭矩等常规机械性能对于人们的评价、衡量和选择具有重要的指导意义，目前的动力钻具试验系统只能检测钻具的输出扭矩、压力、转速等常规机械性能，不能检测岩石破碎扭矩、钻压和轨迹变化等负载性能参数，试验条件与实际工况差异较大，容易导致钻具组合不合理、受力状况恶化，引起机械性能和使用寿命快速下降，发生钻具断裂、轴承失效等井下事故。
技术实现思路
为解决试验条件与实际工况差异较大的问题，本专利技术提供一种井下动力钻具钻进行为模拟实验系统，其能模拟不同钻井角度、不同地层条件等实际工况，从而以近于实际工况的条件进行测试。技术方案如下：一种井下动力钻具钻进行为模拟实验系统，其关键在于：包括钻具安装部、试块装夹部和钻井液泵；所述钻具安装部包括翻转式底座，该翻转式底座上设有至少两个钻具夹持装置，所述钻具夹持装置上夹持有同一个螺杆钻具，该螺杆钻具的尾部通过管道连接所述钻井液泵，该螺杆钻具的头部设有钻头，该钻头朝向所述试块装夹部；所述试块装夹部包括水平滑动件，该水平滑动件上设有升降组件，该升降组件上设有装夹台，所述水平滑动件的滑动方向与所述螺杆钻具长度方向垂直；所述装夹台包括升降底座，该升降底座安装于所述升降组件上，该升降底座上滑动装配有支撑筒，该支撑筒水平放置，该支撑筒的筒心线与其滑动方向平行，该支撑筒的滑动方向与所述水平滑动件的滑动方向垂直，该支撑筒的筒口朝向所述钻头；所述支撑筒内设有试块放置台，该试块放置台上放置有试验试块，所述钻头位于所述试块放置台前方并朝向所述试验试块，所述升降底座上还设有推动件，该推动件的推动方向与所述支撑筒的滑动方向平行，该推动件位于所述试块放置台后方，该推动件与所述试块放置台连接。采用以上技术方案，钻井液泵向螺杆钻具内注入钻井液，螺杆钻具的定子通过钻具夹持装置固定，螺杆钻具的转子末端连接钻头并一起转动；试块装夹部内置试验试块，试验试块的参数(硬度、耐磨性能等)可根据需要模拟的地层条件进行预先设置，试验试块可更换，螺杆钻具和钻具夹持装置可随翻转式底座翻转，以调整钻头与试验试块的对应角度；水平滑动件和升降组件配合，调整试验试块的位置使其与钻头对准，推动件向前推动试块放置台，使试验试块靠近并最终抵紧钻头，模拟钻头破岩；保持推动件始终向前作用于试块放置台，从而使钻头连续破岩。最终为钻头的破岩过程模拟出近于工况的条件；破岩时的扭矩、钻压和轨迹变化等负载性能参数可采用现有技术进行。作为优选的技术方案：所述翻转式底座呈长条状，其长度方向垂直于所述水平滑动件的滑动方向，所述翻转式底座下方设有翻转顶升液压缸，该翻转顶升液压缸的活塞杆向上伸出并支撑所述翻转式底座，所述翻转式底座靠近所述试块装夹部的一端设有铰接座，所述翻转式底座的端部与该铰接座铰接。在所述铰接座上围绕其铰接点环向分布有至少两个角度定位孔，在所述翻转式底座上设有角度锁定孔，该角度锁定孔与任一个所述角度定位孔对应，在所述角度锁定孔和对应的所述角度定位孔内插设有角度锁定插销。采用以上技术方案，翻转式底座通过铰接座翻转，并通过角度锁定孔对应不同的角度定位孔对应达到定位调节翻转角度的目的。作为优选的技术方案：所述钻具夹持装置包括夹持底座，该夹持底座上设有拆装冲扣，所述螺杆钻具穿过该拆装冲扣，所述夹持底座滑动装配在所述翻转式底座上。所述支撑筒上还设有试块抱紧件，该试块抱紧件的工作端朝向所述试块放置台，该试块抱紧件的工作端顶在所述试验试块上；所述试块抱紧件包括至少一个抱紧液压缸，所述抱紧液压缸的缸体分别固定在支撑筒上，所述抱紧液压缸的活塞杆径向向内朝向所述试验试块，所述抱紧液压缸的活塞杆的自由端分别设有抱紧压块，该抱紧压块与所述试验试块接触并抵紧。作为优选技术方案：所述水平滑动件包括两个正对设置的水平轨道，所述水平轨道上分别设有动力行走机构；所述动力行走机构包括行走联动座、以及相互平行的行走导向条和行走齿条，所述行走导向条和行走齿条分别水平设于所述水平轨道上，所述行走联动座位于所述水平轨道上方，所述行走联动座上安装有行走伺服电机、行走滚轮和从动齿轮，所述行走伺服电机的输出轴上同轴固套有主动齿轮，该主动齿轮与所述从动齿轮啮合，所述从动齿轮与所述行走齿条相啮合，所述行走滚轮骑设于所述行走导向条上，所述行走联动座上设置有所述升降组件；所述行走联动座上设有两套所述升降组件，所述升降组件包括竖向设置的升降螺杆、升降导向柱和固定座，所述固定座位于所述行走联动座上方，所述升降导向柱的下端与所述行走联动座固定连接，所述升降导向柱的上端与所述固定座固定连接；所述固定座上设有升降伺服电机，该升降伺服电机的机身固定在所述固定座上，该升降伺服电机的输出轴竖直向下，所述升降螺杆的下端通过轴承安装在所述行走联动座上，所述升降螺杆的上端与所述升降伺服电机的输出轴轴向连接；所述升降导向柱活动穿过所述升降底座，所述升降螺杆穿过所述升降底座并与之螺纹连接；所述试块放置台的上表面设有弧形限位槽，该弧形限位槽的延伸方向与所述支撑筒的筒心线平行，该弧形限位槽的前端穿出所述试块放置台以形成开放的试块卡口，该弧形限位槽的后端固定有封闭其端口的试块挡板，所述试验试块呈圆柱状，该试验试块落在所述弧形限位槽内，所述试验试块的后端面抵靠所述试块挡板，所述试块抱紧件的工作端压紧所述试验试块的外圆周面。采用以上技术方案，水平滑动件和升降组件相互配合，对试验试块的位置进行调节，以使其对准朝向钻头；弧形限位槽用于放置试验试块。作为优选技术方案：所述装夹台还包括钻井液回收套筒，该钻井液回收套筒的筒心线与所述支撑筒的筒心线平行，该钻井液回收套筒的后端与所述弧形限位槽的前端端口对接，所述钻井液回收套筒的下部筒壁上贯穿有落料孔，所述试验试块位于所述钻井液回收套筒内，所述落料孔连接有回液软管，该回液软管的末端连接有钻井液储罐，所述钻井液泵从该钻井液储罐内获取钻井液；在所述弧形限位槽上扣设有半圆筒状的弧形防溅板，该弧形防溅板位于所述弧形限位槽的前部，该弧形防溅板的内弧面朝下，该弧形防溅板的两个直线侧边上分别设有外翻的安装支耳，该弧形防溅板通过其两个直线侧边上的安装支耳分别固定安装在所述弧形限位槽的槽口两侧；所述弧形防溅板的前侧弧形边缘与所述钻井液回收套筒后端的上边缘对接，所述钻井液回收套筒后端的下边缘与所述弧形限位槽的前端边缘对接，所述弧形防溅板与所述钻井液回收套筒一体成型；所述弧形防溅板将所述试验试块包裹其中。作为优选技术方案：所述升降底座为两个，两个所述升降底座正对设置，两个所述升降底座分别位于两个所述水平轨道上方，所述行走联动座位于对应的所述升降底座和所述水平轨道之间，两个所述升降底座之间连接有弧形托板，该弧形托板的两个弧形边缘分别与两个所述升降底座连接，该弧形托板的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种井下动力钻具钻进行为模拟实验系统，其特征在于：包括钻具安装部、试块装夹部和钻井液泵(s)；所述钻具安装部包括翻转式底座(d1)，该翻转式底座(d1)上设有至少两个钻具夹持装置(e)，所述钻具夹持装置(e)上夹持有同一个螺杆钻具(d2)，该螺杆钻具(d2)的尾部通过管道连接所述钻井液泵(s)，该螺杆钻具(d2)的头部设有钻头(d3)，该钻头(d3)朝向所述试块装夹部；所述试块装夹部包括水平滑动件(b)，该水平滑动件(b)上设有升降组件(c)，该升降组件(c)上设有装夹台(a)，所述水平滑动件(b)的滑动方向与所述螺杆钻具(d2)长度方向垂直；所述装夹台(a)包括升降底座(a10)，该升降底座(a10)安装于所述升降组件(c)上，该升降底座(a10)上滑动装配有支撑筒(a11)，该支撑筒(a11)水平放置，该支撑筒(a11)的筒心线与其滑动方向平行，该支撑筒(a11)的滑动方向与所述水平滑动件(b)的滑动方向垂直，该支撑筒(a11)的筒口朝向所述钻头(d3)；所述支撑筒(a11)内设有试块放置台(a13)，该试块放置台(a13)上放置有试验试块(x)，所述钻头(d3)位于所述试块放置台(a13)前方并朝向所述试验试块(x)，所述升降底座(a10)上还设有推动件(a15)，该推动件(a15)的推动方向与所述支撑筒(a11)的滑动方向平行，该推动件(a15)位于所述试块放置台(a13)后方，该推动件(a15)与所述试块放置台(a13)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种井下动力钻具钻进行为模拟实验系统，其特征在于：包括钻具安装部、试块装夹部和钻井液泵(s)；所述钻具安装部包括翻转式底座(d1)，该翻转式底座(d1)上设有至少两个钻具夹持装置(e)，所述钻具夹持装置(e)上夹持有同一个螺杆钻具(d2)，该螺杆钻具(d2)的尾部通过管道连接所述钻井液泵(s)，该螺杆钻具(d2)的头部设有钻头(d3)，该钻头(d3)朝向所述试块装夹部；所述试块装夹部包括水平滑动件(b)，该水平滑动件(b)上设有升降组件(c)，该升降组件(c)上设有装夹台(a)，所述水平滑动件(b)的滑动方向与所述螺杆钻具(d2)长度方向垂直；所述装夹台(a)包括升降底座(a10)，该升降底座(a10)安装于所述升降组件(c)上，该升降底座(a10)上滑动装配有支撑筒(a11)，该支撑筒(a11)水平放置，该支撑筒(a11)的筒心线与其滑动方向平行，该支撑筒(a11)的滑动方向与所述水平滑动件(b)的滑动方向垂直，该支撑筒(a11)的筒口朝向所述钻头(d3)；所述支撑筒(a11)内设有试块放置台(a13)，该试块放置台(a13)上放置有试验试块(x)，所述钻头(d3)位于所述试块放置台(a13)前方并朝向所述试验试块(x)，所述升降底座(a10)上还设有推动件(a15)，该推动件(a15)的推动方向与所述支撑筒(a11)的滑动方向平行，该推动件(a15)位于所述试块放置台(a13)后方，该推动件(a15)与所述试块放置台(a13)连接。2.根据权利要求1所述的井下动力钻具钻进行为模拟实验系统，其特征在于：所述翻转式底座(d1)呈长条状，其长度方向垂直于所述水平滑动件(b)的滑动方向，所述翻转式底座(d1)下方设有翻转顶升液压缸(d4)，该翻转顶升液压缸(d4)的活塞杆向上伸出并支撑所述翻转式底座(d1)，所述翻转式底座(d1)靠近所述试块装夹部的一端设有铰接座(d5)，所述翻转式底座(d1)的端部与该铰接座(d5)铰接。3.根据权利要求2所述的井下动力钻具钻进行为模拟实验系统，其特征在于：在所述铰接座(d5)上围绕其铰接点环向分布有至少两个角度定位孔(d6)，在所述翻转式底座(d1)上设有角度锁定孔，该角度锁定孔与任一个所述角度定位孔(d6)对应，在所述角度锁定孔和对应的所述角度定位孔(d6)内插设有角度锁定插销(d7)。4.根据权利要求1所述的井下动力钻具钻进行为模拟实验系统，其特征在于：所述钻具夹持装置(e)包括夹持底座(e10)，该夹持底座(e10)上设有拆装冲扣(e11)，所述螺杆钻具(d2)穿过该拆装冲扣(e11)，所述夹持底座(e10)滑动装配在所述翻转式底座(d1)上。5.根据权利要求1所述的井下动力钻具钻进行为模拟实验系统，其特征在于：所述支撑筒(a11)上还设有试块抱紧件(a14)，该试块抱紧件(a14)的工作端朝向所述试块放置台(a13)，该试块抱紧件(a14)的工作端顶在所述试验试块(x)上；所述试块抱紧件(a14)包括至少一个抱紧液压缸，所述抱紧液压缸的缸体分别固定在支撑筒(a11)上，所述抱紧液压缸的活塞杆径向向内朝向所述试验试块(x)，所述抱紧液压缸的活塞杆的自由端分别设有抱紧压块(a21)，该抱紧压块(a21)与所述试验试块(x)接触并抵紧。6.根据权利要求1所述的井下动力钻具钻进行为模拟实验系统，其特征在于：所述水平滑动件(b)包括两个正对设置的水平轨道(b10)，所述水平轨道(b10)上分别设有动力行走机构；所述动力行走机构包括行走联动座(b17)、以及相互平行的行走导向条(b12)和行走齿条(b15)，所述行走导向条(b12)和行走齿条(b15)分别水平设于所述水平轨道(b10)上，所述行走联动座(b17)位于所述水平轨道(b10)上方，所述行走联动座(b17)上安装有行走伺服电机(b11)、行走滚轮(b13)和从动齿轮(b16)，所述行走伺服电机(b11)的输出轴上同轴固套有主动齿轮(b14)，该主动齿轮(b14)与所述从动齿轮(b16)啮合，所述从动齿轮(b16)与所述行走齿条(b15)相啮合，所述行走滚轮(b13)骑设于所述行走导向条(b12)上，所述行走联动座(b17)上设置有所述升降组件(c)；所述行走联动座(b17)上设有两套所述升降组件(c)，所述升降组件(c)包括竖向设置的升降螺杆(c10)、升降导向柱(c11)和固定座(c12)，所述固定座(c12)位于所述行走联动座(b17)上方，所述升降导向柱(c11)的下端与所述行走联动座(b17)固定连接，所述升降导向柱(c11)的上端与所述固定座(c12)固定连接；所述固定座(c12)上设有升降伺服电机(c13)，该升降伺服电机(c13)的机身固定在所述固定座...

【专利技术属性】
技术研发人员：张士明，魏秦文，王圣林，尹永清，尹永奇，郭咏梅，魏硕彤，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50