Стенд для испытания бурильного инструмента Советский патент 1983 года по МПК E21B4/00 

D

ел

4;:

сл

00

со Изобретение относится к стендам апя испытания машин, преимуиюственно к натурным испытательным стендам забойно го инструмента (забойных цвигатепей, допот). Известен стена, в котором динамичес кая реакиия бурильной копонкы при продоаьных и крутильных колебаниях имитируется с помощью системы сосредоточен ных масс и пружин постоянной жесткооти 1 . Однако данный имитатор не позволяет моделировать другие, например, диссипа- тивные составляющие динамической реак Ш1И бурильной колонны. Кроме того, в данной конструкции имитатора принципиально ограничено продольное перемещени бурильного инструмента в диапазоне ±30 мм, невозможно производить испы тания при значительных ( V 1 м) проходках породо-разрушающего инструмента. Известен стенд для испытания бурильного инструмента, содержащий цолото, забойный двигатель, вертпюг и имитатор силового взаимодействия с бурильной колонной 2 , В известном стенде постоянные составляющие .осевой силы и реактивного момента создаются специальной пружиной а динамические составляющие пропорциональные соответственно линейной и угловой скорости движения в выбранном сечении колонны, моделируются силой и моментом вязкого трения в виде R.HhR.) MxlM-M.), MX (fc) - осевая сила и осе вой реактивный момент; f,j(Q и соответственно постоянные составляющие осевой силы и осевого реактивного моме та.; C0U и К 61 - приведенные коэффициенты демпфирования; X (t HCp(t) соответственно линейные и угловые скорости перемещения в месте соединения забойного инструмента с бурильной колон ной , t -время. Динамические составляющие реакции (1) создаются в сп&циапьном имитаторе: представляющем. собой систему концентрических цилиндров, погруженных в вязкую жидкость. Таким образом, в известном стенде имитатор представляет собой набор мехайш еских устройств, каждое из которых модепирует соответствующие составляющие силового взаимодействия в режиме продольнокрутильных колебаний забойного инструмента. В этом стенде глубина проходки породоразрушающего инструмента ограничивается конструкцией имитатора который допускает пищь малые колебания. Набор механических устройств имитатора определяется предлагаемой структурой (1) моделируемого взаимодействия бурильной колонны с,забойным инструментом и не допускает реализацию других уточненных вариантов такого взаимодействия. Подбор параметров имитатора (характеристики пружин, цилиндров и жидкости) может обеспечить выбранный режим бурения. Изменение же условий эксперимента неизбежно приводит к сложной подготовке и тарировке имитатора. Программное ЯЭмёиение параметров выбранной моцегш (1) взаимодействия в ходе одного испытания оказывается невозможным, так как параметры имитатора устанавливаются неизменными перед каждым испытанием. Не представляется возможным с помощью известного имитатора учесть и смоделировать другие динамические составляющие силового взаимодействия, так как он содержит ограниченный набор устройств моделирования, соответствующих лищь соотнощению (А). В то же время назрела необходимость использования уточненных вариантов описания силового взаимодействия бурильной колонны с забойным инструментом, например со следующими соотнощениями (WnVUt C6.(cOn - X(t) м,н (,(wKVcf it где Сбк(Ып) Hkbk C k цинамические жесткости бурильной колонны в продольных и крутильных колебав СО п И W к - частоты этих кол баний,(а) «Кб|с(сОк) приведенные динамические коэффициенты демпфирования; Х (t) и (р (t) -соответственно .линейное и угловое переме- . щение в месте соединения забойного инструмента с бурильной колонной. Осташэные обозначения соответствуют зависимостям (1). Кроме того, возможны дальнейшие уточнения моцепи взаимодействия, учитывающие .н другие факторы, наиболее общей из которых является представление СИГ1ОВОГО взаимоцействия в виче цвух случайных процессов R ; (.f и М д (I) , Таким образом, известный стена не обеспечивает требуемой точности и циапазона моаепирования, взаимоцействи забойного инструмента и бурипьной копонны иэ-за несовершенства реапизашга процесса натру жения. Цепь изобретения - повышение точности и качества натурного моцепироввкия нагрузок со стороны бзфипьной копонны. Поставпенная цель цостигается тем, что в стенае цпя испытания бурильного инструмента, соцержащем цопото, забойный цвигатепь, вертпюг и имитатор сипового взаимодействия с бурильной коло ной, послецний выполнен в виае jc anoBленных послецовательно линейного и вращательного электрическик цвигателей имеющих обишй подвижный элемент, жес ко соединенный с забойным двигателем. На чертеже приведена схема стенда с универсальным имитатором силового вза имодействия забойного инструмента с бурильной колонной. Стенд содержит забойкый двигатель 1 с долотом 2, которые устанавливаются на экспериментальный забой 3 или блок породы (не показан). -Забойный двигатель 1 жестко соединен с подвижным элементом 4 имитатора. Верхний конец подвижного элемента 4 соединен с верт люгом 5 и установлен в радиальных опорах 6. Нижняя опора 6 выполняется непроточной, чтобы предотвратить попад ние, в полость имитатора промывочной жидкости с выбуренной породой, поступа ющей с забоя 3. Радиальные опоры 6 установаены в корпусе 7 таким образом что между ними последовательно располагаются статоры 8 и 9 соответственно линейного (ЛЭД) и вращательного (ВЭД) электрических двигателей имитатора нагрузки. Неподвижная система элементов имитатора (статоры 8 и 9 и радиальные опоры 6) зажимаются сверху в корпусе 7 стенда стопорным коль- цом 10. Кабели 11 питания и управление 12 электродвигатепей выведены ч&рез неподвижную систему имитатора и соединены с системой 13 регулирования закона нагружения забойного инструмента. В нижней части корпуса 7 расЬоложены окна 14 цпя отвода промывочной ;жидкости,поступающей с забоя 3 вместе с выбуренной пороцой. Стенд работает спэцующим образом. От бурового насоса (не показан) про. мывочная жидкость нагнетается через вертлюг 5 во внутреннюю полость подвижного элемента 4 имитатора и подается к забойному двигателю 1. Подвижный элемент 4 имитатора через корпус; забойного двигателя 1 воспринимает реактивный момент. Для обеспечения заданного углового положения заб Лного двигателя 1 на подвижном элементе 4 создается требуемый, момент со стороны ВЭД. Этот момент фиксируется в системе 13 в соответствие с выбранным законом крутильного взаимодействия забойного двигателя 1 с бурильной колонной (не -показана). Для обеспечения требуемого усилия прижатия забойного двигателя 1 к забою 3 создается продольное усилие со стороны ЛЭД. Это усилие формируется в системе 13 в cooTBeivствии с выбранным законом продольного взаимодействия забойного двигателя 1 .с бурильной колонной. Продольно-крутильные перемещения забойного двигателя 1 в процессе бурения реализуются при движении подвижного элемента 4 имитатора в трех радиальных опорах 6. Движущаяся промывочная жидкость охлаждает подвижный элемент 4 имитатора при работе ЛЭД и ВЭД. Выбуренная порода с промывочной жидкостью поступает с забоя 3 на поверхность и сливается через окна 14. При этом нижняя радиальная . опора 6 выполнена непроточной и прецот вращает попадание промывочной жидкости в полости ЛЭД и ВЭД. Электрические двигатели - линейный (ЛЭД) и вращательный (ВЭД) могут быть различных типов, в том числе и оба асинхронные. В зависимости от спо. соба управления асинхронных ЛЭД и ВЭД . можно показать, что при практически заторможенном роторе ) /A-AlVe Je где R - сила, развиваемая ЛЭД; М - момент, развиваемый ВЭД; Y. HVg -соответственно напряжения о&моток ЛЭД и ВЭД; :«А«Х0 -соответственно частоты питания ЛЭД и ВЭД; формируя с помощью специальной системы закона изменения частоты /д (t ) и/в (i) и напряжения V (i ) Vj (t) можно добиться выполнения равенств RкW RtVдlt)JДt) 1 MxlO ,lt)JeW.r

Таким образом, имитатор, составпенный иа цвух управляемых электроавигатепей,пикейного и врашатепьного может , реализовать произвольно сложный закон нагружения бурильного инструмента и изменять его в процессе испытаний Исполь зо&анне обшегб подвижного элемента (ро тора) в вице полой трубы позволяет провоцить непрерывное нарушение забойного инструмента в процессе реальной про хоцкв стенаовой скважиЮ) (ипи блоха породы) на значительную глубину, cooiw. , BeTCTByiotayro выбранной цтпше поцвижного элемента имитатора. В то же время че-

рез полость подвижного элемента имитатора подается промывочная жидкость к забойному инструменту, осуществляя при этом охлаждение подЬижного элемента в процессе работы имитатора.

Предлагаемый стенд позволяет проводить натурные испытания забойного инструмента в условиях максимально приближенных к рёапьнь1м при значительном сокрашешш сроков подготовки и т.арировки стенаа перед ис тытаниями и быстрого изменения режимов в процессе испытайий.

СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ, БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА, соцержащий цолото, забойный цвигатепь, вертшог и имитатор силового взаимоцействия с бурильной колонной, отпичаюшийт с я тем, что, с цепью повышения точнооти и качества натурного моцепирования нагрузок со стороны бурильной колонны, имитатор выполнен в вице установленных послецовательно линейного и вращательного электрических двигателей, имеющих обитай подвижный элемент, жестко соединенный с забойным двигателем. СП