石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機的製作方法
2023-10-09 16:24:04 1
專利名稱：石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種摩擦學試驗裝置，主要模擬石油鑽井過程中深井段鑽杆接頭與套管之間的磨損狀況，鑽杆接頭為鋼性圓柱狀杆件，套管為有一定壁厚的圓形鋼管，在鑽進過程中鑽杆在套管內部繞自己的軸心旋轉的同時在徑向發生對套管內壁的衝擊。本試驗機用以模擬鑽杆與套管間的這種相對運動，為研究在此工作狀況下的套管與鑽杆磨損提供手段。另外本試驗機也可用於模擬其他類似情況的摩擦學系統，尤其是摩擦學試驗領域中衝擊滑動複合工況條件或者介質情況下的磨損試驗。
背景技術：
目前用於評價衝擊-滑動複合工況條件或者介質情況下的石油鑽杆與套管材料耐磨性試驗手段，主要有利用加有振動裝置的銷盤試驗機、凸輪或曲軸驅動的往復衝擊磨損試驗機、擺杆加載的脈動衝擊磨損試驗機以及各種潤滑試驗儀。
(1)銷盤試驗機原理及特點銷盤試驗機是利用一個靜止的銷狀試件加壓後貼近一個旋轉的圓盤試件來實現對材料摩擦和磨損性能測定的。該試驗機因簡單易行，成為最普遍採用的一種摩擦學試驗方法。通過改進後也可以進行有潤滑介質情況下的小振動磨損試驗。因試驗機尺寸很小，所以試件尺寸很小、衝擊力小、不能模擬複雜工況試驗。
(2)往復衝擊磨損試驗機往復衝擊磨損試驗機是由電機帶動曲軸旋轉，從而實現第一試件在第二試件內腔的往復運動。本試驗機可以較好地模擬活塞缸套間的相對運動，不能更廣泛地模擬其它摩擦系統。試驗機不足是無介質循環，模擬工況簡單，適用範圍窄。
(3)脈動衝擊磨損試驗機脈動衝擊磨損試驗機使用偏心機構產生激振力，通過槓桿傳送到旋轉試件上，可以實現較大的衝擊力，但衝擊形式單一不能調整，沒有潤滑介質。
(4)Maurer公司套管磨損試驗機如圖5所示，Maurer公司專門針對鑽杆與套管的磨損研製了一種試驗機，工具接頭試樣1』由一臺電動機驅動做旋轉運動，套管試樣2』安裝在一個氣囊隨動裝置上可做小幅縱向擺動從而實現對井斜的模擬，在該裝置下裝有一個槓桿加載機構，由一個氣壓泵3』驅動實現加載。鑽井液4』通過泥漿泵由管道輸送到套管與接頭接觸表面。試驗時的接觸力大小和套管2』與接頭1』的磨損量，通過計算機控制由分別安裝在加載機構上的接觸力傳感器5』以及接頭試樣1』表面上的工具接頭磨損傳感器6』和加載鉸支點處的套管磨損傳感器7』進行實時採集。
Maurer試驗機有較好的檢測系統，但是該試驗機只能夠模擬靜載作用下的滑動磨損工作狀況，不能針對深井、超深井下部的橫向振動引起的衝擊滑動複合磨損工況開展相關研究。
有鑑於上述公知磨損試驗機存在的缺陷，本設計人為解決上述公知技術存在的問題，乃決心憑其從事本領域多年研發、製造的經驗，經多次的開發研究後終於獲得本實用新型的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其可完全克服上述公知試驗機的缺陷。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是針對目前的磨損試驗機不能滿足循環介質條件下研究石油鑽井鑽杆與套管之間衝擊滑動複合磨損試驗的要求，提供一種專用的衝擊滑動磨損試驗機，它可以很好地對不同的大尺寸材料在各種介質循環條件下的石油鑽井鑽杆與套管衝擊滑動複合摩擦磨損進行系統研究，為石油鑽杆和套管磨損研究提供新的試驗手段。
本實用新型的技術解決方案是一種石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其包括裝夾系統、傳動系統及激振系統，其中，所述裝夾系統固定夾持管狀試件，所述傳動系統的一端對應該所述管狀試件裝設有杆狀試件，所述傳動系統驅動該杆狀試件繞軸心旋轉，所述激振系統向所述杆狀試件提供徑向的衝擊力，驅動該杆狀試件在旋轉的同時衝擊固定在裝夾系統上的管狀試件，實現複合的衝擊滑動摩擦，並通過摩擦將扭矩傳遞給杆狀試件。
如上所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其中所述傳動系統由調速電機、主皮帶輪、皮帶、從皮帶輪、傳動軸組成，所述傳動軸由三段組成，前兩段軸固定安裝有軸承，以傳遞由調速電機、主皮帶輪、皮帶、從皮帶輪產生的扭矩；第三段軸是試驗軸，其靠近第二段軸的左端由調心球軸承固定，中間由一浮動的軸承支撐，右端安裝第二試件，該第三段軸形成一擺軸，此擺軸在所述激振系統的衝擊力作用下可在圖紙平面內以所述調心球軸承為圓心擺動。
如上所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其中所述激振系統由激振控制器、激振器、激振杆、滾輪組件及扶持機構組成，該激振器為試驗軸的徑向衝擊力來源，激振控制器用於調整激振參數，實現複雜振動，所述扶持機構包括用於安裝該激振器的上部平臺和用於限制激振杆橫向運動的激振杆杆套，該扶持機構與機架固定在一起，所述滾輪組件由支架、滾輪和滾輪軸組成，所述支架上端對應設置於該激振杆下端，所述滾輪與試驗軸的軸套保持滾動接觸狀態。
如上所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，還包括一回復系統，該回復系統為一可上下移動的彈性回復系統，其裝設於與激振系統相對的傳動軸的另一方位，包括上固定板、穩定柱、彈簧組和下固定板，上固定板用來安裝所述浮動的軸承，下固定板固定在機架上，每組穩定柱由上下兩根組成，上根穩定柱的下部相當於活塞，下根穩定柱相當於缸套，形成可上下滑動的配合，該傳動軸藉由彈簧組的彈力回復原位時，四根彈簧內部的四組穩定柱構成滑動軌道以保證試驗軸上下滑動的穩定性。
如上所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，還包括一循環系統，由泵、閥組、流量計、攪拌器組成，該循環系統構成流量可調的多相介質潤滑系統，給磨損試驗機提供不同流動介質的潤滑條件，流量計用於在線檢測流量，泥漿池裡安裝有攪拌器，維持固相分散體系性能。
如上所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，所述管狀試件的上端裝夾系統上安裝有位移傳感器，以在線檢測試驗管和試驗杆總的線性磨損度；在回復系統的下端安裝傳動軸軸心偏移傳感器，在線檢測軸線偏移量。
如上所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，還包括一檢測控制系統，且該檢測控制系統由檢測和控制兩部分組成，檢測部分用於實現對試驗數據的在線檢測；控制部分用於對試驗機的運行參數進行實時控制。
本實用新型的特點和優點是本試驗機可以實現多相循環潤滑介質條件下可控衝擊加載類型的衝擊滑動複合工作狀況的杆管摩擦和磨損研究。它不僅能夠實現流量可調、成分可變的多相介質循環，而且為衝擊大小可調、波型可控制的複雜衝擊，同時可在線檢測摩擦力、衝擊力、衝擊頻率、磨損量等參數，並由計算機自動控制。總之，積極應用先進科學技術開發的本試驗機為鑽井鑽杆套管磨損及摩擦學研究提供了全新的手段，必將為鑽井鑽杆套管磨損以及摩擦學的研究做出巨大的貢獻。
圖1為本實用新型的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機的總體結構示意圖；圖2A、圖2B為本實用新型的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機的裝夾系統的結構示意圖；圖3為本實用新型的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機的檢測與控制系統的示意圖；圖4為本實用新型的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機的循環系統的示意圖。
圖5為Maurer公司研製的鑽杆與套管磨損試驗機的示意圖。
附圖標號說明1、裝夾系統 2、傳動系統3、激振系統4、回復系統 5、循環系統6、檢測與控制系統10、套管試件20、鑽杆試件 11、套管夾持器12、壓力測定杆 13、鉸支座 14、衝擊力傳感器21、調速電機22、主皮帶輪 23、皮帶24、從皮帶輪25、傳動軸 251、第一段傳動軸252、第二段傳動軸 253、第三段傳動軸 26、扭矩傳感器27、萬向節 31、激振器 32、扶持機構33、激振杆 34、滾輪組件 35、圓形底座36、平臺38、激振杆杆套 41、上固定板42、穩定柱 43、彈簧 44、下固定板61、動載荷作用點62、靜載荷作用點具體實施方式
下面配合附圖及具體實施例對本實用新型的具體實施方式
作進一步的詳細說明。
如圖所示，本實用新型提出的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，包括裝夾系統1、傳動系統2及激振系統3，其中，所述裝夾系統1固定夾持第一試件，所述傳動系統2的一端對應該第一試件裝設有第二試件，所述傳動系統2驅動該第二試件繞軸心旋轉，所述激振系統3向所述第二試件提供徑向的衝擊力，驅動該第二試件在旋轉的同時衝擊固定在裝夾系統1上的第一試件，通過摩擦將扭矩傳遞給第二試件。
在本實用新型的一具體實施例中，該第一試件為一套管試件10，該第二試件為一鑽杆試件20。
如圖1、圖2A及圖2B所示，裝夾系統1包括一套管夾持器11，且該套管夾持器11由一鉸支座13固定於牆面及/或地面，在裝夾系統上還可集成一衝擊力傳感器14，該夾持器11用來裝夾套管試件10，衝擊力傳感器14實現對摩擦力和衝擊力的在線測量。
如圖1所示，傳動系統2由調速電機21、主皮帶輪22、皮帶23、從皮帶輪24、傳動軸組成，所述傳動軸的外端伸入套管試件10內，且對應該套管試件10裝設有鑽杆試件20，該傳動軸在激振系統3的衝擊力作用下可向下擺動。
在本實用新型的一具體實施例中，傳動軸由三段組成前兩段軸251、252固定安裝有軸承281、282，以傳遞扭矩，第一段傳動軸251與第二段傳動軸252間安裝有一扭矩傳感器26，該扭矩傳感器26的兩端通過二連軸器291、292分別與第一段傳動軸與第二段傳動軸連接，以達到同時在線檢測轉速和傳遞扭矩的目的；在第二段傳動軸251和第三段傳動軸253之間通過雙頭萬向連軸節27連接，保證傳動相位一致並減少第三段傳動軸253的徑向振動向前段傳遞；第三段軸253是試驗軸，其左端較佳由調心球軸承283固定，中間由浮動的軸承284支撐，右端安裝該鑽杆試件20，由此，使該第三段軸253形成一擺軸，此擺軸在所述激振系統3的衝擊力作用下可在圖紙平面內以調心球軸承283為圓心擺動，從而使該傳動軸既可以旋轉傳遞扭矩，右端還可以上下擺動。
在本實施例中，調速電機21採用調頻三相異步電動機，該傳動軸的扭矩由調頻三相異步電動機提供，轉速可以無級調整，通過V型皮帶實現傳遞扭矩、減速和減震的作用。
激振系統3由激振控制器(圖中未示出)、激振器31、激振杆33、滾輪組件34及扶持機構32組成。此處激振器31為試驗軸253的徑向衝擊力來源，也可採用公知的多種激振器，激振控制器可使用由激振器廠家提供的激振器專用控制器(如南京東菱振動試驗儀器公司ES系列激振器專用控制器)，用於調整激振參數，實現複雜振動。在本實用新型的一具體實施例中，激振器31採用南京東菱振動試驗儀器公司的ES-10激振器；扶持機構32由上部平臺36和激振杆杆套38組成，在安裝時與機架牢固固定在一起，起到安裝激振器31和限制激振杆33橫向運動的作用；該激振器31的圓形底座35安裝在扶持機構32上部的平臺36上，圓形底座35的中心是激振器振動頭，此振動頭與激振杆33連接在一起；滾輪組件34由支架、滾輪和滾輪軸組成，在試驗過程中滾輪始終與軸253的軸套保持滾動接觸。當激振器31振動時，推動激振頭和激振杆33向下周期性衝擊滾輪組件34的上端支架，支架上端受到激振杆33的激振力並推動滾輪和試驗軸253向下擺動；當激振杆33向上運動時，由試驗機下面的回覆系統4推動試驗軸253向上擺動，滾輪組件被試驗軸253推動上行。
本實用新型的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機還包括一回復系統4，該回復系統4為一彈性回復系統，用於在激振系統3使傳動軸(試驗軸)向下擺動後提供一可使其向上移動回復原位置的彈性回復力，其裝設在與激振系統4相對的傳動軸的另一方向，如圖1所示，該激振系統裝設於傳動軸的上方，則該回復系統裝設於傳動軸253的下方。該回復系統包括上固定板41、穩定柱42、彈簧組43和下固定板44，上固定板41用來安裝該浮動的軸承284，下固定板44固定在機架上，彈簧組43可相應套設於穩定柱42上，本實施例中包括四組穩定柱42及四組彈簧，且每組穩定柱由上下兩根組成，上根穩定柱的下部相當於活塞，下根穩定柱相當於缸套，形成可上下滑動的配合，該傳動軸藉由彈簧組的彈力回復原位時，四根彈簧內部的四組穩定柱構成滑動軌道以保證試驗軸上下滑動的穩定性。當然，該穩定柱42有多種實施方式，如在另一具體實施例中，該穩定柱42包括上下兩部分，其中，下部穩定柱固定於下固定板44，而上部穩定柱固定於上固定板41，上固定板為一中空柱狀結構，用於在傳動軸向上回復時使下部穩定柱可進入上部穩定柱的空腔內，從而構成滑動的軌道保證試驗軸僅做上下滑動。為了便於對試驗機提供靜載荷及/或動載荷，在與回復系統4相接的傳動軸的浮動軸承284的軸承座上及/或激振系統3的滾輪處分別設有靜載荷及/或動載荷加載點。當然，該靜載荷加載點也可設於其它位置，並不僅限於此。
在本實用新型的一具體實施例中，該石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機還包括一循環系統5，如圖4所示，該循環系統可由泥漿泵、閥組、流量計、攪拌器、磨屑收集器、過濾器等組成，該循環系統構成流量可調的多相介質潤滑系統，給磨損試驗機提供不同流動介質的潤滑條件，裝夾系統1的外側可對應設置泥漿擋板58，其內側可相應設置泥漿出口裝置59，用於使所用的多相介質可循環使用，流量計用於在線檢測流量，泥漿池裡還安裝有攪拌器，以維持固相分散體系性能。由於該循環系統所使用的各部件均為公知結構，因此，此處不再對其具體結構進行詳細描述。
如圖3所示，本實用新型的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機還包括一整套檢測控制系統，且該檢測控制系統由檢測和控制兩部分組成。
檢測部分包括一多通道數據採集系統，用於實現對轉速、扭矩、衝擊頻率、衝擊力、摩擦力和磨損量等試驗數據的在線檢測，相關的檢測裝置可包括一扭矩傳感器26、線性磨損傳感器、軸心偏移傳感器、衝擊力傳感器14、流量計、靜載傳感器，其中扭矩傳感器26安裝在傳動軸上，用於檢測傳動軸的轉速及扭矩；線性磨損傳感器實際可為一位移傳感器，其安裝在裝夾系統1上，用於檢測套管試件及鑽杆試件的總的線性磨損量；軸偏移傳感器安裝於回復系統4的下端，用於檢測試驗軸的軸線偏移量；如圖3所示，該衝擊力傳感器裝設於裝夾系統的下部，以在線檢測實際衝擊力；流量計檢測循環系統5中的多相介質潤滑系統的流量。多通道數據採集系統將採集到的上述試驗數據轉換成數位訊號傳送到控制部分(可為計算機)，由該控制部分通過電路實現對調速電機、激振器、水泵、電磁閥、攪拌器及磨屑收集器的實時控制，以根據檢測到的試驗數據及實際需要對試驗機的轉速、衝擊頻率、衝擊力、衝擊波形及介質流量等運行參數進行適當的調整。
所述裝夾系統1的底部裝有調節裝置，以按試驗的要求適當地調整杆狀試件和管狀試件的間隙，滿足不同試驗條件。由於該調節裝置可以公知結構來實現，此處不再贅述。
為了保證在線檢測的衝擊力的可靠性及真實性，該衝擊力傳感器可採用靈敏度高的壓電力傳感器，且該壓電力傳感器與管狀試件的裝夾系統1集成在一起。
本試驗機可用於研究不同材料、不同介質潤滑條件下的杆管相對衝擊滑動磨損情況，其具體使用方法如下首先將管狀試件和杆狀試件安裝到試驗機上；調配好要使用的介質放入泥漿池中；檢驗並初始化各檢測傳感器；對試驗機加靜載；啟動循環系統，調節到合適的流量；設置並啟動調速電動機，帶動試驗軸旋轉；設置並啟動激振器，開始試驗；持續試驗過程，在線收集各項檢測數據，在此過程中，還可根據檢測數據進一步由控制部分對運行參數進行實時控制；關閉激振器；關閉調速電動機；關閉循環系統；拆卸試件；測量兩個試件的實際線性磨損量。
在本實用新型的一具體實施例中，所用到的鑽杆試件直徑為168mm，軸向寬度8～40mm，套管試件直徑244.5mm，軸向寬度80mm，壁厚10mm。試件上可加的靜載荷最大值8000N，激振器最大激振力8000N，主軸轉速可調範圍60～200轉/分鐘，循環泥漿排量1.0方/小時以上。下表(表1)為本實用新型與公知的各種類型的磨損試驗機的各項參數的比較表1 各類型試驗機比較列表
雖然本實用新型已利用前述具體實施例詳細揭示，然其並非用以限定本實用新型，任何熟習此技藝者，在不脫離本實用新型的精神和範圍內，當可作各種的更動與修改，因此本實用新型的保護範圍當視權利要求書所界定者為準。
權利要求1.一種石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其特徵在於包括裝夾系統、傳動系統及激振系統，其中，所述裝夾系統固定夾持管狀試件，所述傳動系統的一端對應該所述管狀試件裝設有杆狀試件，所述傳動系統驅動該杆狀試件繞軸心旋轉，所述激振系統向所述杆狀試件提供徑向的衝擊力，驅動該杆狀試件在旋轉的同時衝擊固定在裝夾系統上的管狀試件，實現複合的衝擊滑動摩擦，並將扭矩傳遞給杆狀試件。
2.如權利要求1所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其特徵在於所述傳動系統由調速電機、主皮帶輪、皮帶、從皮帶輪、傳動軸組成，所述傳動軸由三段組成，前兩段軸固定安裝有軸承，以傳遞由調速電機、主皮帶輪、皮帶、從皮帶輪產生的扭矩；第三段軸是試驗軸，其靠近第二段軸的左端由調心球軸承固定，中間由一浮動的軸承支撐，右端安裝第二試件，該第三段軸形成一擺軸，此擺軸在所述激振系統的衝擊力作用下可在圖紙平面內以所述調心球軸承為圓心擺動地設置。
3.如權利要求1所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其特徵在於所述激振系統由激振控制器、激振器、激振杆、滾輪組件及扶持機構組成，該激振器為試驗軸的徑向衝擊力來源，激振控制器用於調整激振參數，實現複雜振動，所述扶持機構包括用於安裝該激振器的上部平臺和用於限制激振杆橫向運動的激振杆杆套，該扶持機構與機架固定在一起，所述滾輪組件由支架、滾輪和滾輪軸組成，所述支架上端對應設置於該激振杆下端，所述滾輪與試驗軸的軸套保持滾動接觸狀態。
4.如權利要求2所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其特徵在於所述磨損試驗機還包括一回復系統，該回復系統為一可上下移動的彈性回復系統，其裝設於與激振系統相對的傳動軸的另一方位，包括上固定板、穩定柱、彈簧組和下固定板，上固定板用來安裝所述浮動的軸承，下固定板固定在機架上，每組穩定柱由上下兩根組成，上根穩定柱的下部相當於活塞，下根穩定柱相當於缸套，形成可上下滑動的配合，該傳動軸藉由彈簧組的彈力回復原位時，四根彈簧內部的四組穩定柱構成滑動軌道。
5.如權利要求1所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其特徵在於所述衝擊滑動磨損試驗機還包括一循環系統，由泵、閥組、流量計、攪拌器組成，該循環系統構成流量可調的多相介質潤滑系統，流量計用於在線檢測流量，泥漿池裡安裝有維持固相分散體系性能的攪拌器。
6.如權利要求1所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其特徵在於所述管狀試件的上端裝夾系統上安裝有位移傳感器，以在線檢測試驗管和試驗杆總的線性磨損度；所述回復系統的下端安裝有在線檢測軸線偏移量的傳動軸軸心偏移傳感器。
7.如權利要求1所述的石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其特徵在於所述磨損試驗機還包括一檢測控制系統，且該檢測控制系統包括用於實現對試驗數據的在線檢測的檢測部分和用於對試驗機的運行參數進行實時控制的控制部分。
專利摘要本實用新型公開了一種石油鑽井杆管衝擊滑動磨損試驗機，其包括裝夾系統、傳動系統及激振系統，其中，所述裝夾系統固定夾持管狀試件，所述傳動系統的一端對應該所述管狀試件裝設有杆狀試件，所述傳動系統驅動該杆狀試件繞軸心旋轉，所述激振系統向所述杆狀試件提供徑向的衝擊力，驅動該杆狀試件在旋轉的同時衝擊固定在裝夾系統上的管狀試件，實現複合的衝擊滑動摩擦，通過摩擦將扭矩傳遞給杆狀試件。本實用新型克服了現有磨損試驗機的缺陷，可以實現多相循環潤滑介質條件下可控衝擊加載類型的衝擊滑動複合工作狀況的杆管摩擦和磨損研究，它不僅能夠實現流量可調、成分可變的多相介質循環，而且可實現衝擊大小可調、波型可控制的複雜衝擊。
文檔編號G01M99/00GK2842406SQ20052013303
公開日2006年11月29日 申請日期2005年11月15日 優先權日2005年11月15日
發明者張來斌, 樊建春, 儲勝利, 於會媛, 李 傑 申請人:中國石油大學(北京)