一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽的制作方法

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1.本实用新型涉及石油领域水平井钻井、完井过程中管柱下入摩阻系数的检测试验，特别涉及一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽。

背景技术：

2.在大位移水平井钻井、完井作业中，管柱与井壁之间的摩擦阻力是影响钻具能否形成足够钻压，套管能否顺利下入的重要因素。因此，需要于施工之前使用数值模型预测整个管柱下入过程中的摩擦阻力和大钩载荷。在预测过程中，摩阻系数是重要参数，直接关系到计算结果的准确性。通常情况下，摩阻系数取经验值，或根据邻井实测大钩载荷曲线代入模型反演，但经验值往往难以反映当前井位的实际工况，而反演结果则取决于模型合理性，且经常因缺乏邻井相关资料而无法获得。
3.为解决上述问题，有专家学者使用试验方法确定摩阻系数。专利201510740610.x、201610860503.5和201710059756.7涉及一种表面摩阻系数测试装置，测试头向样件施加正压力，并测试驱动样件旋转的扭矩，以此计算出摩阻系数。值得注意的是，上述专利都是针对材料本身的测试，严格意义上应称为“摩擦系数”，由管柱材料性质和岩石性质决定。
4.在实际施工过程中，管柱下入摩擦阻力包含诸多复杂因素，主要包括：因实钻井眼不规则而存在扩径、缩径和井壁键槽，因井眼不清洁而形成砂桥和岩屑床，导致管柱上的接箍和扶正器等外径较大的部位通过困难，从而产生“附加阻力”；管柱不同部位使用的材料不同，如管外封隔器的橡胶桶和金属外套等，导致摩擦系数复杂多变；钻井液及其形成的泥饼通常具备润滑性能，可在一定程度上减少管柱下入摩擦阻力；如果使用了滚轮扶正器，也可减少管柱下入摩擦阻力。
5.因此，应使用“摩阻系数”来综合表征上述复杂摩擦特性，通常情况下，摩阻系数大于摩擦系数。然而如果要针对摩阻系数进行测试，现有测量装置无法满足要求，需要提出能够反映井下复杂工况的新型装置。

技术实现要素：

6.本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽。
7.其技术方案如下：
8.一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽，包括实验槽、径向伸缩机构、岩心组梁架；
9.实验槽为一上部开口的槽体，内部设有隔板将槽体分隔成机构槽和工作槽，槽体左侧板加工有滑动轴套，隔板和槽体底板上分别设有一组对向设置的径向伸缩机构，两组径向伸缩机构之间架设有岩心组梁架。
10.进一步的，所述径向伸缩机构由若干齿轮齿条副组成，所述齿轮齿条副之间由万向节顺次连接构成半环形阵列。
11.进一步的，所述齿轮齿条副包括变径齿条、变径齿轮、齿轮支架；
12.齿轮支架成对固设于实验槽，顶部设有轴孔，底部设有l型开口槽；
13.变径齿轮通过齿轮支架转动架设于变径齿条上；
14.变径齿条底部两侧设有凸轨，凸轨与l型开口槽滑动配合。
15.进一步的，所述变径齿轮两端设有凸轴，凸轴和齿轮支架上的轴孔转动配合，且穿过所述齿轮支架上的轴孔；
16.若干个齿轮齿条副围绕轴心组成放射状半环形阵列构成一个径向伸缩机构，每相邻两个齿轮齿条副之间，通过万向节将变径齿轮的凸轴顺次连接。
17.进一步的，还包括转杆支架、变径转杆，所述径向伸缩机构两端部的变径齿轮上设有矩形孔；
18.工作槽顶部两端分别设有一个转杆支架，转杆支架两端设有轴孔；
19.变径转杆插入转杆支架的轴孔内呈转动配合，变径转杆的矩形卯榫头插入上部的变径齿轮的矩形孔内
20.进一步的，变径齿条为一直齿条结构，两端各加工有凸轨，顶端加工有一弧形板。
21.进一步的，所述岩心组梁架两端分别与隔板、槽体底板上的弧形板连接。
22.进一步的，弧形板两端加工成锯齿。
23.进一步的，万向节由十字轴、轴叉和矩形轴组成，两个矩形轴通过轴叉与十字轴铰接，矩形轴与变径齿轮的凸轴连接。
24.进一步的，岩心组梁架为多孔棒状结构，其中一侧加工有盲孔直线阵列。
25.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
26.1、模拟实际井眼状态。岩心组梁架上密集安装大量标准人造岩心，可模拟水平连续井眼；适当调整各个岩心伸出盲孔的高度，以模拟不规则井眼，包括井眼扩径、井眼缩径、井壁键槽和微小井眼起伏等；在岩心上端涂抹混有岩屑的泥饼，以模拟井眼不清洁工况；可通过手动方式调节径向伸缩机构，以模拟不同尺寸的井眼。分析上述因素对摩阻系数的影响，可对井眼轨迹方案设计和洗井、通井作业提出合理建议。
27.2、测试全尺寸工具样件。井下工具不同部位的外表尺寸和外覆材料不尽相同，本专利使用全尺寸样件进行测试，充分考虑这两个因素对摩阻系数的影响，进而对井下工具的改进提出建议。
28.3、可灌注液体。测量槽内可灌注不同种类的液体，以模拟井液成分对摩阻系数的影响。如果灌注钻井液，并配合岩心上端涂抹的泥饼，则可以此研究最佳钻井液配方，使之具备良好的润滑性。
附图说明
29.图1为本实用新型的一种实施例结构示意图
30.图2为按图1所示的齿轮齿条副结构示意图
31.图3为按图1所示的实验槽结构示意图
32.图4为按图1所示的变径齿条结构示意图
33.图5为按图1所示的变径齿轮结构示意图
34.图6为按图1所示的齿轮支架结构示意图
35.图7为按图1所示的万向节结构示意图
36.图8为按图1所示的变径转杆结构示意图
37.图9 为按图1所示的转杆支架结构示意图
38.图10为按图1所示的岩心组梁架结构示意图
39.图11为按图1所示的梁架锁头结构示意图
40.图12为按图1所示的齿轮齿条副径向伸缩机构最大围园尺寸示意图
41.图13为按图1所示的岩心组梁架阵列最大围园尺寸示意图
42.图14为按图1所示的安装岩心的最大模拟井筒截面示意图
43.图15为按图1所示的齿轮齿条副径向伸缩机构最小围园尺寸示意图
44.图16为按图1所示的岩心组梁架阵列最小围园尺寸示意图
45.图17为按图1所示的安装岩心的最小模拟井筒截面示意图
46.图中：1、实验槽，2、变径齿条，3、变径齿轮，4、齿轮支架，5、万向节，6、变径转杆，7、转杆支架，8、岩心组梁架，9、梁架锁头。
具体实施方式
47.如图1所示，一种可变径水平井筒实验槽，包括：实验槽1、变径齿条2、变径齿轮3、齿轮支架4、万向节5、变径转杆6、转杆支架7、岩心组梁架8、梁架锁头9。
48.如图3所示，实验槽1为一上部开口的金属槽体，内部有一隔板101将槽体隔成机构槽102和工作槽103两部分，槽体左侧板加工有滑动轴套104，隔板101分别加工有长条形椭圆通孔105和围绕井筒轴心的通孔半环形阵列106，槽体底板107加工有围绕井筒轴心的通孔半环形阵列108。
49.如图2所示，变径齿条2由齿牙21、凸轨22、弧形板24组成，凸轨22设置于齿条2底部两侧，弧形板24设置于齿条2一端，弧形板24两侧加工有锯齿23。
50.如图5所示，变径齿轮3两端加工有凸轴31，凸轴31的轴心处加工有矩形通孔32。
51.如图6所示，齿轮支架4为一l型支架结构，上部加工有滑动轴孔41，底板加工有通孔42，底板底部加工有开口槽43。
52.如图2所示，变径齿条2的齿牙21与变径齿轮3啮合配合，变径齿轮3两端的凸轴31分别与左右两个齿轮支架4的轴孔41套接并呈转动配合，变径齿条2两端的的凸轨22分别嵌入左右两个齿轮支架4的l型开口槽43内并呈滑动配合，一个变径齿条2、一个变径齿轮3和两个齿轮支架4组成一个齿轮齿条副。
53.如图7所示，万向节5由十字轴51、轴叉52和矩形轴53组成。
54.如图12所示，齿轮齿条副通过齿轮支架4的通孔42与隔板101的通孔106螺栓紧固在工作槽103一侧，若干个（本案7个）齿轮齿条副围绕轴心组成放射状半环形阵列径向伸缩机构a；另一组齿轮齿条副通过齿轮支架4的通孔42与槽体底板107的通孔108螺栓紧固，若干个（本案7个）齿轮齿条副围绕轴心组成放射状半环形阵列径向伸缩机构b，这两个半环形齿轮齿条副阵列中，每相邻两个齿轮齿条副之间，均用万向节5两端的矩形轴53分别插接于相邻变径齿轮3的矩形孔32内进行串连接，使阵列中的变径齿轮3联动。
55.如图8所示，变径转杆6为一回转体，顶部有内六方盲孔61，底部加工矩形卯榫头62。
56.如图9所示，转杆支架7为一长条板型结构（见图9），两端折弯，板条上加工有滑动轴承孔71。
57.两个转杆支架7通过焊接分别安装于实验槽1的顶部两端，变径转杆6插入转杆支架7的轴孔71内呈滑动配合，其矩形卯榫头62插入最上部的齿轮齿条副的变径齿轮3的矩形孔32内(本案4个)。
58.如图10所示，岩心组梁架8为一长条多孔梯形棒状结构，两端侧面呈一角度n
°
，底部加工成弧面83，其一端部加工有槽体82，顶部加工有盲孔直线阵列81，盲孔81的内径φ与高度h参数与试验用标准岩心尺寸相当。
59.如图11所示，梁架锁头9为一l型结构体，上部加工一螺纹孔91，下部加工成楔块92。
60.岩心组梁架8一端担在隔板101半环形阵列a的变形齿条2弧板24上，另一端担在槽体底板107的半环形阵列b的变形齿条2弧板24上，如此排放若干根(本案13个)，两个梁架锁头9的楔块92分别插入最上部岩心组梁架8a和8b的开口槽82内。
61.本实用新型的目的是这样来达到的：
62.用一个普通内六方扳手插入变径转杆6的内六方孔61，带动变径转杆6旋转变径齿轮3。因变径齿条2与变径齿轮3的啮合迫使其向轴心移动。由于齿轮齿条副半环形阵列由万向节5串接，导致阵列中所有变径齿轮3同步旋转，即所有阵列中的变径齿条2也同步向轴心移动。阵列围园径向收缩。当围园尺寸达到要求后，即停止旋转。将岩心组梁架8顺序紧靠摆放在齿轮齿条副的半环形阵列的所有变径齿条2的弧形板24上，最后用梁架锁头9锁定所有的岩心组梁架8。
63.在每个岩心组梁架8的每个盲孔81内放置标准人造岩心10，即可达到满足试验条件的水平井模拟井筒的目的。
64.本实用新型由试验槽体和径向伸缩机构组成。试验槽体为一个上部开口的金属槽体，内部可充填清水、高矿化度液体、原油、油水混合液或泥浆等，以模拟井筒液体环境。径向伸缩机构可通过手动方式转动齿轮，驱使围绕模拟井筒轴心呈放射状排列的齿条沿径向移动，从而改变围圆径向尺寸，以模拟不同尺寸的井筒。岩心组梁架的盲孔直线阵列内安装大量标准人造岩心，各个岩心伸出盲孔的高度可分别设置，岩心上端可涂抹混有岩屑的泥饼，以模拟不规则井壁。由于摩擦阻力基本不涉及井筒上半部，所以本实用新型只包含下半部井身结构。

技术特征：

1.一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽，其特征在于，包括实验槽、径向伸缩机构、岩心组梁架；实验槽为一上部开口的槽体，内部设有隔板将槽体分隔成机构槽和工作槽，槽体左侧板加工有滑动轴套，隔板和槽体底板上分别设有一组对向设置的径向伸缩机构，两组径向伸缩机构之间架设有岩心组梁架。2.根据权利要求1所述的一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽，其特征在于，所述径向伸缩机构由若干齿轮齿条副组成，所述齿轮齿条副之间由万向节顺次连接构成半环形阵列。3.根据权利要求2所述的一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽，其特征在于，所述齿轮齿条副包括变径齿条、变径齿轮、齿轮支架；齿轮支架成对固设于实验槽，顶部设有轴孔，底部设有l型开口槽；变径齿轮通过齿轮支架转动架设于变径齿条上；变径齿条底部两侧设有凸轨，凸轨与l型开口槽滑动配合。4.根据权利要求3所述的一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽，其特征在于，所述变径齿轮两端设有凸轴，凸轴和齿轮支架上的轴孔转动配合，且穿过所述齿轮支架上的轴孔；若干个齿轮齿条副围绕轴心组成放射状半环形阵列构成一个径向伸缩机构，每相邻两个齿轮齿条副之间，通过万向节将变径齿轮的凸轴顺次连接。5.根据权利要求4所述的一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽，其特征在于，还包括转杆支架、变径转杆，所述径向伸缩机构两端部的变径齿轮上设有矩形孔；工作槽顶部两端分别设有一个转杆支架，转杆支架两端设有轴孔；变径转杆插入转杆支架的轴孔内呈转动配合，变径转杆的矩形卯榫头插入上部的变径齿轮的矩形孔内。6.根据权利要求5所述的一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽，其特征在于，变径齿条为一直齿条结构，两端各加工有凸轨，顶端加工有一弧形板。7.根据权利要求6所述的一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽，其特征在于，所述岩心组梁架两端分别与隔板、槽体底板上的弧形板连接。8.根据权利要求7所述的一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽，其特征在于，弧形板两端加工成锯齿。9.根据权利要求8所述的一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽，其特征在于，万向节由十字轴、轴叉和矩形轴组成，两个矩形轴通过轴叉与十字轴铰接，矩形轴与变径齿轮的凸轴连接。10.根据权利要求9所述的一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽，其特征在于，岩心组梁架为多孔棒状结构，其中一侧加工有盲孔直线阵列。

技术总结

本实用新型涉及一种可变径的水平井管柱下入摩阻系数测量槽。由试验槽体和径向伸缩机构组成。试验槽体为一个上部开口的金属槽体，内部可充填各种井液。径向伸缩机构可通过手动方式驱使围绕模拟井筒轴心呈放射状排列的齿条沿径向移动，从而模拟不同尺寸的井筒。岩心组梁架安装大量标准人造岩心，各个岩心伸出盲孔的高度可分别设置，岩心上端可涂抹混有岩屑的泥饼，以模拟不规则井壁。能够充分反映实际井眼状态、井下工具结构和井液成分等复杂因素对摩阻系数的影响，并由此针对钻完井方案设计和施工作业提出合理的建议和要求。和施工作业提出合理的建议和要求。和施工作业提出合理的建议和要求。