一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架

1.本发明涉及钻杆性能试验技术领域，尤其涉及一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架。


背景技术：

2.柔性钻杆是超短半径侧钻水平井技术的核心部件之一，其力学强度是否合格直接影响柔性钻具在钻井过程中能否成功钻进。柔性钻杆是由多个钻杆短节首尾连接而成，节与节之间可以弯曲一定角度。通过多个钻杆短节弯曲角度的叠加，便能实现从竖直到水平段的转变，从而能够进行超短半径的径向水平井钻井作业。它一般位于钻具组合底部，与钻头或者柔性钻具相连，起到传递钻压和扭矩作用。
3.柔性钻杆在钻井施工过程中，需要同时承受钻压和扭矩的双重载荷，现场使用时有出现钻杆断裂、密封失效等安全风险。因此，柔性钻杆在研制过程中，必须开展复合加载试验，验证其力学性能。而目前的试验加载情况多为单作用力加载：单压作用、单拉作用或单扭作用，而且实验对象多为直杆，或者使用柔性钻杆模拟直线状态下的试验，但柔性钻杆在工作过程中，呈一定弯曲角度，所以常用的复合加载试验机无法对柔性钻杆弯曲状态下进行压扭复合加载的加载试验，更无法作为数值模拟的正确验证。
4.公开号为cn104764576b柔性杆件拉扭弯联合作用振动试验机的中国发明专利，虽然利用拉伸油缸可以对柔性杆件上下端施加拉压载荷，用扭转电机在柔性杆件底端加载扭转载荷，用联合摆动装置实现柔性杆件底端前后左右摆动，但是不能满足柔性钻杆压扭复合加载试验的位移边界条件(在柔性钻杆的上接头只有横向位移约束，在柔性钻杆的下接头全约束)及载荷边界条件(在柔性钻杆的上接头有扭矩和轴向力以及柔性钻杆要承受自重)，即无法模拟柔性钻杆的实际工况，使得柔性钻杆在弯曲状态下的压扭试验数据失真，最终降低了柔性钻杆在工作状态下的力学性能预测精度。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，用以解决现有技术中无法有效模拟柔性钻杆的实际工况，进而导致力学性能预测精度降低的技术问题。
6.本发明提供一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，包括台架、复合加载机构、支撑缓冲限位机构以及全固定机构；
7.所述台架包括机架，所述机架上方固定连接压作用油缸；
8.所述复合加载机构包括加载架，所述加载架位于所述压作用油缸正下方，用以使得所述压作用油缸抵接所述加载架的顶端并施加载荷，所述加载架内从上至下依次套设有扭转电机和钻杆夹具，所述钻杆夹具用以夹持柔性钻杆的上接头，所述扭转电机用以向所述钻杆夹具施加扭矩；
9.所述支撑缓冲限位机构位于所述加载架的下方，所述加载架的底端套设于所述支
撑缓冲限位机构内，且所述支撑缓冲限位机构中央开设有限位孔，用以套设柔性钻杆并限定柔性钻杆上接头的水平位移；
10.所述全固定机构位于所述机架的一侧，所述全固定机构用以固定柔性钻杆的下接头。
11.本发明的一实施例中，所述台架还包括底座，所述底座的顶端分别与所述全固定机构、所述支撑缓冲限位机构以及所述机架的底端固定连接。
12.本发明的一实施例中，所述加载架包括壳体，所述壳体具有一开口朝下的容纳腔，所述壳体相背离的外壁向下延伸有至少三个支柱，三个所述支柱各自伸入所述支撑缓冲限位机构内并与所述支撑缓冲限位机构适配。
13.本发明的一实施例中，扭转电机与钻杆夹具均安装于所述容纳腔内上部，所述扭转电机与所述钻杆夹具之间可拆卸连接有扭转夹具。
14.本发明的一实施例中，所述扭转电机的输出端套设于所述扭转夹具内，所述扭转夹具内下方还套设有传递轴，所述传递轴的底端伸出所述扭转夹具并与所述钻杆夹具固定连接。
15.本发明的一实施例中，所述传递轴的中部从上至下依次固定有推力轴承和压作用夹具，所述推力轴承的上端面和下端面依次与所述容纳腔内壁、所述压作用夹具抵接。
16.本发明的一实施例中，所述支撑缓冲限位机构包括支撑架，所述支撑架内设置有内胆和外胆，所述内胆和所述外胆中均设置有液压油，所述加载架的底端伸入所述内胆并抵接所述液压油，所述内胆的侧壁上部与下部均开设有回流孔。
17.本发明的一实施例中，所述内胆的内底部设置有弹性组件。
18.本发明的一实施例中，所述弹性组件包括弹簧和活塞，所述弹簧的一端与所述内胆的内底部固定连接，所述弹簧的另一端与所述活塞固定连接。
19.本发明的一实施例中，所述全固定机构包括内螺纹钻夹具，所述内螺纹钻夹具用以与柔性钻杆的下接头螺纹连接。
20.与现有技术相比，本发明提供的一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，具有如下有益效果：
21.本发明中，通过设置复合加载机构、支撑缓冲限位机构以及全固定机构，构建了柔性钻杆用的压扭复合加载试验的结构基础；具体的，通过在机架上固定连接压作用油缸，并通过压作用油缸抵接加载架的顶端并施加载荷以及在在加载架内设置扭转电机和钻杆夹具，进一步的通过钻杆夹具夹持柔性钻杆的上接头，使得柔性钻杆的上接头产生扭矩和轴向力以及柔性钻杆承受自重(即符合载荷边界条件)；与此同时，加载架的底端套设于支撑缓冲限位机构内，且支撑缓冲限位机构的中央开设有限位孔，用以套设柔性钻杆并限定柔性钻杆上接头的水平位移，即通过支撑缓冲限位机构以及限位孔分别限定了加载架以及柔性钻杆上接头的水平位移，即在柔性钻杆的上接头只有横向位移约束。而通过全固定机构固定了柔性钻杆的下接头，也使得柔性钻杆的下接头受到了全约束(即符合了位移边界条件)。由此，通过上述结构的组合设计，使得柔性钻杆在压扭复合加载试验台架上能够模拟实际的工况，从而提升了柔性钻杆在工作状态下的力学性能预测精度。
22.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如下。本发
明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
24.图1为本发明提供的一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架的轴测图；
25.图2为图1中加载架与柔性钻杆的连接关系示意图；
26.图3为图1中支撑缓冲限位机构的轴测图；
27.图4为图1中全固定机构与柔性钻杆主体的连接关系示意图；
28.图5为图4中a处的放大示意图；
29.图6为图1中加载架与支撑架的连接关系示意图。
30.附图标记如下：
31.100、台架；110、机架；120、底座；200、复合加载机构；210、加载架；211、壳体；212、容纳腔；213、支柱；220、扭转电机；221、输出端；230、钻杆夹具；240、扭转夹具；250、传递轴；260、推力轴承；270、压作用夹具；300、支撑缓冲限位机构；310、支撑架；320、内胆；330、外胆；340、液压油；350、弹性组件；351、弹簧；352、活塞；360、回流孔；370、螺旋细管；400、全固定机构；410、内螺纹钻夹具；420、内花键筒；430、外花键；500、压作用油缸；600、柔性钻杆主体；700、限位孔。
具体实施方式
32.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
33.请参见图1-图6，本发明提供一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，包括台架100、复合加载机构200、支撑缓冲限位机构300以及全固定机构400；台架100包括机架110，机架110上方固定连接压作用油缸500；复合加载机构200包括加载架210，加载架210位于压作用油缸500正下方，用以使得压作用油缸500抵接加载架210的顶端并施加载荷，加载架210内从上至下依次套设有扭转电机220和钻杆夹具230，钻杆夹具230用以夹持柔性钻杆的上接头，扭转电机220用以向钻杆夹具230施加扭矩；支撑缓冲限位机构300位于加载架210的下方，加载架210的底端套设于支撑缓冲限位机构300内，支撑缓冲限位机构300的中央开设有限位孔700，用以套设柔性钻杆并限定柔性钻杆上接头的水平位移；全固定机构400位于机架110的一侧，全固定机构400用以固定柔性钻杆的下接头。需要说明的是，钻杆夹具230与柔性钻杆之间通过螺纹连接的方式进行夹持。
34.使用时，首先将柔性钻杆主体600穿过支撑缓冲限位机构300的中间(即限位孔700)，然后分别将柔性钻杆主体600的上接头与钻杆夹具230连接，将柔性钻杆主体600的下接头与全固定机构400连接(优选的，柔性钻杆的弯曲相应角度可模拟侧钻水平井的曲率半径)；然后启动压作用油缸500，使得压作用油缸500的压作用力经由加载架210、钻杆夹具230依次传递到柔性钻杆主体600以及支撑缓冲限位机构300上。由于支撑缓冲限位机构300的中央开设有限位孔700，用以套设柔性钻杆(即图1中的柔性钻杆主体600)并限定柔性钻杆上接头的水平位移，且加载架210的底端套设于支撑缓冲限位机构300内，这使得柔性钻
杆上接头被限位孔700限定了水平位移，而支撑缓冲限位机构300则通过限定加载架210间接的限定柔性钻杆上接头的水平位移，即两者充分的对了柔性钻杆主体600上接头的水平位移进行限定，而全固定机构400则对柔性钻杆主体600的下接头进行固定，即满足了位移边界条件；而压作用油缸500抵接加载架210的顶端并施加载荷以及在在加载架210内设置扭转电机220和钻杆夹具230，且通过钻杆夹具230夹持柔性钻杆(即柔性钻杆主体600)的上接头，使得柔性钻杆的上接头也产生扭矩和轴向力以及柔性钻杆承受自重(即符合载荷边界条件)，即上述压扭复合加载试验台架可以模拟柔性钻杆主体600的实际工况，进而提升了柔性钻杆在工作状态下的力学性能预测精度。
35.为了更好的对上述压扭复合加载试验台架的结构进行布局，本发明的一实施例中，台架100还包括底座120，底座120的顶端分别与全固定机构400、支撑缓冲限位机构300以及机架110的底端固定连接。
36.为了使得支撑缓冲限位机构300可以对柔性钻杆主体600的水平位移进行限定，本发明的一实施例中，加载架210包括壳体211，壳体211具有一开口朝下的容纳腔212，壳体211相背离的外壁向下延伸有至少三个支柱213，三个支柱213各自伸入支撑缓冲限位机构300内并与支撑缓冲限位机构300适配。需要说明的是，支撑缓冲限位机构300还可以通过与加载架210底端的滑动连接方式(适配的一种方式)，实现缓冲和过加载保护作用。
37.进一步的，本发明的一实施例中，扭转电机220与钻杆夹具230均安装于容纳腔212内上部，扭转电机220与钻杆夹具230之间可拆卸连接有扭转夹具240。
38.进一步的，本发明的一实施例中，扭转电机220的输出端221套设于扭转夹具240内，扭转夹具240内下方还套设有传递轴250，传递轴250的底端伸出扭转夹具240并与钻杆夹具230固定连接。具体的，扭转夹具240需要将传递轴250以及输出端221夹紧，这样便于保证扭转电机220转动时的平稳性。优选的，传递轴250和钻杆夹具230为一体成型设置。
39.为了使得压扭得到复合加载，本发明的一实施例中，传递轴250的中部从上至下依次固定有推力轴承260和压作用夹具270，推力轴承260的上端面(转子)和下端面(定子)依次与容纳腔212内壁、压作用夹具270抵接。具体的，当压作用油缸500施加载荷到加载架210时，载荷会依次经由加载架210、容纳腔212内壁传递到推力轴承260的上端面(转子)，再经由推力轴承260的下端面(定子)施加到压作用夹具270上，并通过压作用夹具270传递到柔性钻杆主体600上(此时，柔性钻杆主体600的上接头与钻杆夹具230连接)。
40.为了使得支撑缓冲限位机构300更好的发挥缓冲作用，本发明的一实施例中，支撑缓冲限位机构300包括支撑架310，支撑架310内设置有内胆320和外胆330，内胆320和外胆330中均设置有液压油340，加载架210的底端伸入内胆320并抵接液压油340，内胆320的侧壁上部与下部均开设有回流孔360。具体的，当两支柱213在受到载荷向下移动时，会率先挤压液压油340，由于内胆320的侧壁下部开设有回流孔360，这使得液压油340会在压力的作用下通过变截面流出并使得压作用力缓慢加载，此时位于外胆330中的液压油340的液面上升，且一旦有充满整个外胆330的趋势，将经由位于内胆320的侧壁上部的回流孔360回流至内胆320中。
41.进一步的，本发明的一实施例中，内胆320的外壁处挂设有螺旋细管370，螺旋细管370的一端与回流孔360连通，螺旋细管370的另一端向上延伸，这样可以使得液压油340在螺旋细管370内往复流动。此外，当载荷卸掉后，三个支柱213会缓慢的恢复初始位置。需要
指出的是，相同直径、相同压力作用下，在回流孔360的孔口处接上螺旋细管370后(管嘴出流)，液压油340受阻碍流体运动的阻力要比回流孔360的孔口(孔口出流)更大。需要指出的是，当三个支柱213持续向下移动时，并位于下端的回流孔360的下方时，形成密闭空间，将因为受到过载保护而无法继续向下移动。
42.为了增加缓冲以及使得三个支柱213更好的复位(卸掉压作用油缸500的载荷后)，本发明的一实施例中，内胆320的内底部设置有弹性组件350。
43.进一步的，本发明的一实施例中，弹性组件350包括弹簧351和活塞352，弹簧351的一端与内胆320的内底部固定连接，弹簧351的另一端与活塞352固定连接。具体的，三个支柱213在向下移动时，不仅会挤压液压油340，还会使得弹簧351压缩，更好的实现缓冲以及位移限定。
44.为了更好的实现柔性钻杆主体600的全约束，本发明的一实施例中，全固定机构400包括内螺纹钻夹具410，内螺纹钻夹具410用以与柔性钻杆的下接头螺纹连接。
45.进一步的，全固定机构400还包括外花键430和内花键筒420，外花键430的一端与内螺纹钻夹具410固定连接，外花键430的另一端与内花键筒420键连接。优选的，内花键筒420固定安装在底座120上，底座120与地面固定连接。
46.上述压扭复合加载试验台架在具体使用时，首先通过钻杆夹具230对柔性钻杆主体600的上接头实现限定，并通过该压作用油缸500对柔性钻杆主体600的上接头施加轴向力以及让柔性钻杆主体600承受自重，然后通过套设在加载架210内的扭转电机220对柔性钻杆主体600施加扭矩，由于柔性钻杆被限位孔700所限定，且三个支柱213分别伸入内胆320，则使得柔性钻杆主体600的上接头的水平位移得到了进一步的限定，且内螺纹钻夹具410以及外花键430、内花键筒420的组合设计，使得柔性钻杆主体600的下接头受到了全约束，即柔性钻杆主体600在上述压扭复合加载试验台架做试验时，符合了载荷边界条件与位移边界条件，即能够更好的模拟柔性钻杆主体600在实际工况下的状态，从而提升柔性钻杆在工作状态下的力学性能预测精度。
47.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，其特征在于，包括台架、复合加载机构、支撑缓冲限位机构以及全固定机构；所述台架包括机架，所述机架上方固定连接压作用油缸；所述复合加载机构包括加载架，所述加载架位于所述压作用油缸正下方，用以使得所述压作用油缸抵接所述加载架的顶端并施加载荷，所述加载架内从上至下依次套设有扭转电机和钻杆夹具，所述钻杆夹具用以夹持柔性钻杆的上接头，所述扭转电机用以向所述钻杆夹具施加扭矩；所述支撑缓冲限位机构位于所述加载架的下方，所述加载架的底端套设于所述支撑缓冲限位机构内，且所述支撑缓冲限位机构的中央开设有限位孔，用以套设柔性钻杆并限定柔性钻杆上接头的水平位移；所述全固定机构位于所述机架的一侧，所述全固定机构用以固定柔性钻杆的下接头。2.根据权利要求1所述的一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，其特征在于，所述台架还包括底座，所述底座的顶端分别与所述全固定机构、所述支撑缓冲限位机构以及所述机架的底端固定连接。3.根据权利要求1所述的一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，其特征在于，所述加载架包括壳体，所述壳体具有一开口朝下的容纳腔，所述壳体相背离的外壁向下延伸有至少三个支柱，三个所述支柱各自伸入所述支撑缓冲限位机构内并与所述支撑缓冲限位机构适配。4.根据权利要求3所述的一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，其特征在于，扭转电机与钻杆夹具均安装于所述容纳腔内上部，所述扭转电机与所述钻杆夹具之间可拆卸连接有扭转夹具。5.根据权利要求4所述的一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，其特征在于，所述扭转电机的输出端套设于所述扭转夹具内，所述扭转夹具内下方还套设有传递轴，所述传递轴的底端伸出所述扭转夹具并与所述钻杆夹具固定连接。6.根据权利要求5所述的一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，其特征在于，所述传递轴的中部从上至下依次固定有推力轴承和压作用夹具，所述推力轴承的上端面和下端面依次与所述容纳腔内壁、所述压作用夹具抵接。7.根据权利要求1所述的一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，其特征在于，所述支撑缓冲限位机构包括支撑架，所述支撑架内设置有内胆和外胆，所述内胆和所述外胆中均设置有液压油，所述加载架的底端伸入所述内胆并抵接所述液压油，所述内胆的侧壁上部与下部均开设有回流孔。8.根据权利要求7所述的一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，其特征在于，所述内胆的外壁处挂设有螺旋细管，所述螺旋细管的一端与所述回流孔连通，所述螺旋细管的另一端向上延伸。9.根据权利要求7所述的一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，其特征在于，所述内胆的内底部设置有弹性组件。10.根据权利要求9所述的一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，其特征在于，所述弹性组件包括弹簧和活塞，所述弹簧的一端与所述内胆的内底部固定连接，所述弹簧的另一端与所述活塞固定连接。

技术总结
本发明涉及一种柔性钻杆弯曲状态下压扭复合加载试验台架，包括台架、复合加载机构、支撑缓冲限位机构以及全固定机构；所述台架包括机架，所述机架上方固定连接压作用油缸；所述复合加载机构包括加载架，所述加载架位于所述压作用油缸正下方，所述加载架内从上至下依次套设有扭转电机和钻杆夹具，所述钻杆夹具用以夹持柔性钻杆的上接头；所述支撑缓冲限位机构位于所述加载架的下方，所述加载架的底端套设于所述支撑缓冲限位机构内；所述全固定机构位于所述机架的一侧，所述全固定机构用以固定柔性钻杆的下接头。本发明通过复合加载机构、支撑缓冲限位机构以及全固定机构的组合设计，可使得柔性钻杆的复合加载试验数据更为真实准确。确。确。


技术研发人员：管锋 吴广
受保护的技术使用者：长江大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/5