一种反扭距定向工具实验系统及方法

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1.本发明涉及石油与天然气钻井工程领域，尤其涉及一种反扭距定向工具实验系统及方法。

背景技术：

2.弯螺杆滑动导向技术成本低，由此我国水平井导向依然以弯螺杆滑动导向为主，例如在2020年，长庆致密油气弯螺杆滑动导向占比超过90％。在弯螺杆滑动导向过程中，钻柱不旋转，钻柱摩阻大极易“托压”，导致钻压不能有效传递，机械钻速通常仅为旋转钻井的 1/10～1/5；“托压”导致工具面不易调整和控制，钻井时效降低超过30％；且极易形成岩屑床，粘附卡钻风险高。
3.钻柱旋转是解决滑动钻井“托压”最有效手段之一，中石油川庆研发了钻柱扭摆系统，实现了上部钻柱往复旋转，提速超过30％，但该系统应用井深受限，2000m水平段以上提速有限。基于滑动钻井钻柱旋转范围越大钻井效果越好的事实，业界提出了mwd以上钻柱全旋转，mwd以下钻柱静止的滑动导向新思路。基于该原理，国内外发明了多种类似专利，如：us5458208、us5311952、cn 2651413y、 cn105525875a、cn201910386427.2、us9109402b1、cn208040307u、 cn109750989a、cn201710028105.1、cn201710720410.7等，截止目前未见类似专利实现商业化成果转化的报道，主要原因在于：实钻试验风险高，无法开展钻井试验；缺乏系统的评价数据，难以为工具的结构优化设计提供数据支撑；试验耗时长，成本高。
4.因此亟待发明一种安全性高、可全面系统采集试验数据，且成本低的反扭矩定向工具实验系统及方法。

技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，发明了一种反扭距定向工具实验系统及方法，由转速传感器(1)、液压马达(2)、水龙头(3)、截止阀(4)、泥浆泵(5)、流量传感器a(6)、压力传感器a(7)、加速度传感器 a(8)、角度传感器a(9)、加速度传感器b(10)、扭距测试仪(11)、反扭距模拟系统a(12)、反扭距弯螺杆导向工具(13)、台架(14)、角度调整机构(15)、二位四通电磁阀a(16)节流阀a(17)、溢流阀a(18)、压力传感b(19)、液压站b(20)、测控系统(21)、无线接收器(22)、变压器(23)、变频器(24)构成；所述：反扭距弯螺杆导向工具上部(13) 连接液压马达(2)，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供扭距和转速，反扭距弯螺杆导向工具下部(13)连接反扭距模拟系统(12)，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供反扭距；所述：反扭距模拟系统(12)由螺杆钻具(1201)和永磁发电机(1202)组成，永磁发电机(1202)发电时产生电磁力，将螺杆钻具(1201)空转转为模拟破岩的负载工况，进而产生反扭距m’，同时实现实验过程自发电，节约电能；所述：永磁发电机(1202)依次连接变频器(24)和变压器(23)，将永磁发电机(1202)发出的电并入到驱动液压站b(20)的供电系统中；所述：角度调整机构 (15)由液压站a(1501)、三位四通电磁阀(1502)、液压杆(1503)、角度传感器b(1504)构成，用于模拟不同井斜角度，所述：液压站 a(1501)和液压杆(1503)之间连接三位四通电磁阀
(1502)。
6.所述：加速度传感器a(8)、加速度传感器b(10)、角度传感器 a(9)和扭距测试仪(11)为无线模式，避免反扭距弯螺杆导向工具(13) 和螺杆钻具(1201)旋转导致有线线缆缠绕破坏传感器。
7.所述：角度传感器a(9)和角度传感器b(1504)为绝对值角度编码器，可以精确采集反扭距弯螺杆导向工具下部(9)的绝对旋转角度和台架(14)的倾角；加速度传感器a(8)和加速度传感器b(10)为三轴加速度计，可以采集反扭距弯螺杆导向工具(13)的轴向、径向和周向的三轴加速度。
8.所述：加速度传感器a(8)安装在反扭距弯螺杆导向工具上部 (1301),角度传感器a(9)、扭距测试仪(11)和加速度传感器b(10)安装在反扭距弯螺杆导向工具下部(1302)。
9.所述：反扭距模拟系统a(12)可由反扭距模拟系统b(25)代替，所述：反扭距模拟系统b(25)由扭距限制器(2501)、扭距加载器 (2502)、二位四通电磁阀b(2403)、节流阀b(2404)、溢流阀 b(2405)、压力传感器c(2406)、液压站c(2407)组成。
10.所述：液压马达(2)为双向变量马达，可驱动反扭距弯螺杆导向工具(13)实现不同转速条件下的正转或反转功能。
11.所述：液压杆(1503)的为双作用活塞，实现伸长和缩短的功能；三位四通电磁阀(1502)为o型机能，断电后三位四通电磁阀 (1502)处于中位，三位四通电磁阀(1502)会阻止液压杆(1503)的两个活塞中的液压油流动，液压杆(1503)长度不发生变化，可保持台架 (14)倾角不会发生变化。
12.一种反扭距定向工具实验方法，由以下步骤组成：
13.s1：将反扭距弯螺杆导向工具(13)安装在台架(14)上；
14.s2：在测控系统(21)中输入反扭距弯螺杆导向工具(13)控制的目标工具面角度α、液压马达(2)转速r、液压马达(2)扭距m、台架 (14)倾角β；
15.s3：泥浆泵(5)打压循环泥浆，螺杆钻具(1201)转子旋转带动永磁发电机(1202)发电，永磁发电机(1202)发电产生电磁力，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供反扭距m’；
16.s4：测控系统(21)控制截止阀(4)开关，进而发射目标工具面角度α的泥浆脉冲信号，反扭距弯螺杆导向工具(13)接收目标工具面角度α的信号，并开始定向作业；
17.s5：测控系统(21)根据转速传感器(1)控制节流阀a(17)开度进而调节液动马达(2)转速r，进而控制反扭距弯螺杆导向工具上部 (1301)的转速r，测控系统(21)根据压力传感器b(19)控制溢流阀 a(18)开度，进而调节液动马达(2)的转矩m1，从而控制反扭距弯螺杆导向工具上部(1301)的转矩m；
18.s6：反扭距弯螺杆导向工具(13)在转矩m和反扭距m’的作用下，执行反扭距弯螺杆导向工具上部(1301)和反扭距弯螺杆导向工具下部(1302)离合动作，进行而调整反扭距弯螺杆导向工具下部 (1302)的动态工具面角α1；
19.s7：角度传感器a(9)实时测量反扭距弯螺杆导向工具下部 (1302)动态工具面角α1，测控系统(21)存储动态工具面角α1；
20.s8：测控系统(21)实时存储加速度传感器a(8)的振动数据g1、加速度传感器b(10)的振动数据g2和扭距测试仪(11)的动态扭距数据t；
21.s9：分析“δα＝目标工具面角度α-动态工具面角α1”随时间的变化规律，得到反扭
距弯螺杆导向工具(13)动态工具面角控制精度，为反扭距弯螺杆导向工具(13)工具面角控制方法研究、工具面角控制精度标定等提供实验支撑，并指导反扭距弯螺杆导向工具(13)设计；
22.s10：分析振动数据g1、振动数据g2和动态扭距数据t的时域特性、幅频特性等，评价反扭距弯螺杆导向工具(13)对钻柱系统动力学的影响，为反扭距弯螺杆导向工具(13)高效破岩提供实验支撑。
23.本发明与现有技术相比，具有的优点有：
24.(1)试验安全性高。常规反扭矩定向工具实验需要下入到井底，极易发生零部件掉落等风险，试验风险极高。本发明属于地面实验，不存在掉落井底的风险。
25.(2)可系统全面采集和分析相关数据。常规反扭矩定向工具实验在井底进行，无法采集工具的压力、扭矩、振动等参数，难以为工具性能评价提供全面系统的实验数据支撑。本发明可实时采集工具动态压力、扭矩、振动等数据，可为工具性能评价和结构优化设计提供实验数据支撑。
26.(3)实验系统自动化程度高、耗时短、成本低。本发明压力、扭矩、转速等数据加载，压力、扭矩、振动等参数数据采集和分析实现全流程自动化，耗时短，成本低。
附图说明
27.图1为发电机作为反扭矩加载机构的反扭距定向工具实验系统原理图。
28.图2为液压马达作为反扭矩加载机构的反扭距定向工具实验系统原理图。
29.图3为模拟井斜的反扭距定向工具实验系统原理图。
30.图4为反扭距定向工具实验方法流程图。
31.图中：1-转速传感器，2-液压马达，3-水龙头，4-截止阀，5-泥浆泵，6-流量传感器a，7-压力传感器a，8-加速度传感器a，9-角度传感器a，10-加速度传感器b，11-扭距测试仪，12-反扭距模拟系统a， 1201-螺杆钻具，1202-永磁发电机，13-反扭距弯螺杆导向工具，1301
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反扭距弯螺杆导向工具上部，1302-反扭距弯螺杆导向工具下部，14
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台架，15-角度调整机构，1501-液压站a，1502-三位四通电磁阀，1503
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液压杆，1504-角度传感器b，16-二位四通电磁阀a，17-节流阀a， 18-溢流阀a，19-压力传感b，20-液压站b，21-测控系统，22-无线接收器，23-变压器，24-变频器，25-反扭距模拟系统b，2501-扭距限制器，2502-扭距加载器，2503-二位四通电磁阀b，2504-节流阀b， 2505-溢流阀b，2506-压力传感器c，2507-液压站c。
具体实施方式
32.为了对本发明的技术特征、目的效果有更加清楚的理解，现结合附图说明本发明的具体实施例。
33.由图1所示，本实施例提供一种反扭距定向工具实验系统及方法，由转速传感器(1)、液压马达(2)、水龙头(3)、截止阀(4)、泥浆泵 (5)、流量传感器a(6)、压力传感器a(7)、加速度传感器a(8)、角度传感器a(9)、加速度传感器b(10)、扭距测试仪(11)、反扭距模拟系统a(12)、反扭距弯螺杆导向工具(13)、台架(14)、角度调整机构(15)、二位四通电磁阀a(16)节流阀a(17)、溢流阀a(18)、压力传感b(19)、液压站b(20)、测控系统(21)、无线接收器
(22)、变压器(23)、变频器 (24)构成；所述：反扭距弯螺杆导向工具上部(13)连接液压马达(2)，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供扭距和转速，反扭距弯螺杆导向工具下部(13)连接反扭距模拟系统(12)，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供反扭距；所述：反扭距模拟系统(12)由螺杆钻具(1201)和永磁发电机 (1202)组成，永磁发电机(1202)发电时产生电磁力，将螺杆钻具(1201) 空转转为模拟破岩的负载工况，进而产生反扭距m’，同时实现实验过程自发电，节约电能；所述：永磁发电机(1202)依次连接变频器(24) 和变压器(23)，将永磁发电机(1202)发出的电并入到驱动液压站b(20) 的供电系统中；所述：角度调整机构(15)由液压站a(1501)、三位四通电磁阀(1502)、液压杆(1503)、角度传感器b(1504)构成，用于模拟不同井斜角度，所述：液压站a(1501)和液压杆(1503)之间连接三位四通电磁阀(1502)；所述：反扭距模拟系统a(12)可由反扭距模拟系统b(25) 代替，所述：反扭距模拟系统b(25)由扭距限制器(2501)、扭距加载器 (2502)、二位四通电磁阀b(2403)、节流阀b(2404)、溢流阀b(2405)、压力传感器c(2406)、液压站c(2407)组成。
34.具体地，如图1～图4所示，按照以下步骤进行试验
35.s1：将反扭距弯螺杆导向工具(13)安装在台架(14)上；
36.s2：在测控系统(21)中输入反扭距弯螺杆导向工具(13)控制的目标工具面角度α、液压马达(2)转速r、液压马达(2)扭距m、台架(14) 倾角β；
37.s3：泥浆泵(5)打压循环泥浆，螺杆钻具(1201)转子旋转带动永磁发电机(1202)发电，永磁发电机(1202)发电产生电磁力，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供反扭距m’；
38.s4：测控系统(21)控制截止阀(4)开关，进而发射目标工具面角度α的泥浆脉冲信号，反扭距弯螺杆导向工具(13)接收目标工具面角度α的信号，并开始定向作业；
39.s5：测控系统(21)根据转速传感器(1)控制节流阀a(17)开度进而调节液动马达(2)转速r，进而控制反扭距弯螺杆导向工具上部(1301) 的转速r，测控系统(21)根据压力传感器b(19)控制溢流阀a(18)开度，进而调节液动马达(2)的转矩m1，从而控制反扭距弯螺杆导向工具上部(1301)的转矩m；
40.s6：反扭距弯螺杆导向工具(13)在转矩m和反扭距m’的作用下，执行反扭距弯螺杆导向工具上部(1301)和反扭距弯螺杆导向工具下部(1302)离合动作，进行而调整反扭距弯螺杆导向工具下部(1302) 的动态工具面角α1；
41.s7：角度传感器a(9)实时测量反扭距弯螺杆导向工具下部(1302) 动态工具面角α1，测控系统(21)存储动态工具面角α1；
42.s8：测控系统(21)实时存储加速度传感器a(8)的振动数据g1、加速度传感器b(10)的振动数据g2和扭距测试仪(11)的动态扭距数据t；
43.s9：分析“δα＝目标工具面角度α-动态工具面角α1”随时间的变化规律，得到反扭距弯螺杆导向工具(13)动态工具面角控制精度，为反扭距弯螺杆导向工具(13)工具面角控制方法研究、工具面角控制精度标定等提供实验支撑，并指导反扭距弯螺杆导向工具(13)设计；
44.s10：分析振动数据g1、振动数据g2和动态扭距数据t的时域特性、幅频特性等，评价反扭距弯螺杆导向工具(13)对钻柱系统动力学的影响，为反扭距弯螺杆导向工具(13)高效破岩提供实验支撑。
45.以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何
本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化和修改，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：转速传感器(1)、液压马达(2)、水龙头(3)、截止阀(4)、泥浆泵(5)、流量传感器a(6)、压力传感器a(7)、加速度传感器a(8)、角度传感器a(9)、加速度传感器b(10)、扭距测试仪(11)、反扭距模拟系统a(12)、反扭距弯螺杆导向工具(13)、台架(14)、角度调整机构(15)、二位四通电磁阀a(16)节流阀a(17)、溢流阀a(18)、压力传感b(19)、液压站b(20)、测控系统(21)、无线接收器(22)、变压器(23)、变频器(24)构成；所述：反扭距弯螺杆导向工具上部(13)连接液压马达(2)，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供扭距和转速，反扭距弯螺杆导向工具下部(13)连接反扭距模拟系统(12)，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供反扭距；所述：反扭距模拟系统(12)由螺杆钻具(1201)和永磁发电机(1202)组成，永磁发电机(1202)发电时产生电磁力，将螺杆钻具(1201)空转转为模拟破岩的负载工况，进而产生反扭距m’，同时实现实验过程自发电，节约电能；所述：永磁发电机(1202)依次连接变频器(24)和变压器(23)，将永磁发电机(1202)发出的电并入到驱动液压站b(20)的供电系统中；所述：角度调整机构(15)由液压站a(1501)、三位四通电磁阀(1502)、液压杆(1503)、角度传感器b(1504)构成，用于模拟不同井斜角度，所述：液压站a(1501)和液压杆(1503)之间连接三位四通电磁阀(1502)。2.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：加速度传感器a(8)、加速度传感器b(10)、角度传感器a(9)和扭距测试仪(11)为无线模式，避免反扭距弯螺杆导向工具(13)和螺杆钻具(1201)旋转导致有线线缆缠绕破坏传感器。3.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：角度传感器a(9)和角度传感器b(1504)为绝对值角度编码器，可以精确采集反扭距弯螺杆导向工具下部(9)的绝对旋转角度和台架(14)的倾角；加速度传感器a(8)和加速度传感器b(10)为三轴加速度计，可以采集反扭距弯螺杆导向工具(13)的轴向、径向和周向的三轴加速度。4.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：加速度传感器a(8)安装在反扭距弯螺杆导向工具上部(1301),角度传感器a(9)、扭距测试仪(11)和加速度传感器b(10)安装在反扭距弯螺杆导向工具下部(1302)。5.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：反扭距模拟系统a(12)可由反扭距模拟系统b(25)代替，所述：反扭距模拟系统b(25)由扭距限制器(2501)、扭距加载器(2502)、二位四通电磁阀b(2403)、节流阀b(2404)、溢流阀b(2405)、压力传感器c(2406)、液压站c(2407)组成。6.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：液压马达(2)为双向变量马达，可控制反扭距弯螺杆导向工具(13)实现不同转速条件下的正转或反转功能。7.根据权利要求1所述的一种反扭距定向工具实验系统，其特征在于：液压杆(1503)的为双作用活塞，实现伸长和缩短的功能；三位四通电磁阀(1502)为o型机能，断电后三位四通电磁阀(1502)处于中位，三位四通电磁阀(1502)会阻止液压杆(1503)的两个活塞中的液压油流动，液压杆(1503)长度不发生变化，可保持台架(14)倾角不会发生变化。8.一种反扭距定向工具实验方法，其特征在于：由以下步骤组成：s1：将反扭距弯螺杆导向工具(13)安装在台架(14)上；s2：在测控系统(21)中输入反扭距弯螺杆导向工具(13)控制的目标工具面角度α、液压马达(2)转速r、液压马达(2)扭距m、台架(14)倾角β；
s3：泥浆泵(5)打压循环泥浆，螺杆钻具(1201)转子旋转带动永磁发电机(1202)发电，永磁发电机(1202)发电产生电磁力，为反扭距弯螺杆导向工具(13)提供反扭距m’；s4：测控系统(21)控制截止阀(4)开关，进而发射目标工具面角度α的泥浆脉冲信号，反扭距弯螺杆导向工具(13)接收目标工具面角度α的信号，并开始定向作业；s5：测控系统(21)根据转速传感器(1)控制节流阀a(17)开度进而调节液动马达(2)转速r，进而控制反扭距弯螺杆导向工具上部(1301)的转速r，测控系统(21)根据压力传感器b(19)控制溢流阀a(18)开度，进而调节液动马达(2)的转矩m1，从而控制反扭距弯螺杆导向工具上部(1301)的转矩m；s6：反扭距弯螺杆导向工具(13)在转矩m和反扭距m’的作用下，执行反扭距弯螺杆导向工具上部(1301)和反扭距弯螺杆导向工具下部(1302)离合动作，进行而调整反扭距弯螺杆导向工具下部(1302)的动态工具面角α1；s7：角度传感器a(9)实时测量反扭距弯螺杆导向工具下部(1302)动态工具面角α1，测控系统(21)存储动态工具面角α1；s8：测控系统(21)实时存储加速度传感器a(8)的振动数据g1、加速度传感器b(10)的振动数据g2和扭距测试仪(11)的动态扭距数据t；s9：分析“δα＝目标工具面角度α-动态工具面角α1”随时间的变化规律，得到反扭距弯螺杆导向工具(13)动态工具面角控制精度，为反扭距弯螺杆导向工具(13)工具面角控制方法研究、工具面角控制精度标定等提供实验支撑，并指导反扭距弯螺杆导向工具(13)设计；s10：分析振动数据g1、振动数据g2和动态扭距数据t的时域特性、幅频特性等，评价反扭距弯螺杆导向工具(13)对钻柱系统动力学的影响，为反扭距弯螺杆导向工具(13)高效破岩提供实验支撑。

技术总结

本发明涉及一种反扭距定向工具实验系统及方法。系统主要由转速传感器、液压马达、水龙头、压力传感器A、流量传感器A、泥浆泵、截止阀、加速度传感器A、反扭距弯螺杆导向工具、角度传感器A、加速度传感器B、扭距测试仪、反扭距模拟系统A、台架、角度调整机构、节流阀A、溢流阀A、压力传感B、液压站B、变压器、变频器、测控系统、无线接收器构成。实验方法为：安装反扭距弯螺杆导向工具；输入实验关键参数；启动泥浆泵；发射目标工具面角度α的泥浆脉冲信号；反扭距弯螺杆导向工具自动控制工具面角；采集和分析实验数据。本发明具有以下优点：试验安全性高，可系统全面采集和分析相关数据，实验系统自动化程度高、耗时短、成本低。成本低。成本低。