CN112014221B - 钻井牵引机器人支撑机构测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钻井牵引机器人支撑机构测试装置。主要由支撑挡板、拉压传感器A、拉压传感器B、拉压传感器C、拉压传感器D、液压A、液压B、液压C、液压D、位移传感器A、位移传感器B、模拟井筒、支撑拉杆、底板、伸缩拉杆、伸缩挡板、轴向推力轴承、支撑/扭矩挡板、滑块A、滑块B、支撑块A、支撑块B、连杆支撑机构、楔形支撑机构组成。本发明目的在于提供钻井牵引机器人支撑机构测试装置，测量钻井牵引机器人支撑机构支撑力、牵引力、扭矩等关键参数，缩短钻井牵引机器人研发周期，降低钻井牵引机器人实验成本，为支撑机构结构优化设计提供实验数据参考，促进钻井牵引机器人的理论研究与工程推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及井下机器人领域，尤其涉及钻井牵引机器人支撑机构测试装置。
背景技术
随着我国国民经济的快速发展及人民生活水平的提高，我国对能源的需求飞速增长，能源供需矛盾日益突出，石油天然气对外依存度逐年攀升，2018年我国石油对外依存度上升至69.8％，天然气攀升至45.3％，大大超过国际公认的警戒线，严重威胁我国能源安全。随着勘探开发的深入，低渗透、低孔隙等致密油气(如页岩气等)逐渐成为勘探开发的重点。例如：据2018年联合国贸易和发展会议报告显示，我国页岩气储量为31.6万亿立方米，全球排名第一位。2018年我国页岩气产量超百亿立方米，作为一种典型的非常规天然气资源，我国页岩气开发潜力巨大。四川盆地是我国页岩气开发的主战场，年产页岩气占全国的90％以上。比如近期，中石油西南油气田的深层页岩气评价井泸203井取得了重大突破，测试日产量高达137.9万立方米，成为国内首口单井测试日产量超百万立方米的页岩气井。
为了提高页岩气等非常规油气开采的综合经济效益，大位移水平井越来越受到国内外的青睐。因此，开展长水平段钻井高效安全快速建井技术研究，对缓解我国能源供需矛盾、促进经济社会科学发展具有重大战略意义。然而，随着水平井水平段位移的增加，我国油气开采面临诸多新的世界性难题：
难题一：钻柱“托压”严重，钻速慢，钻井周期长。随井深增加，水平段延长，“托压”问题突出，机械钻速难以有效提高，平均钻井周期由中浅层的78天激增至196天，钻井成本显著增大；
难题二：钻柱摩阻大，水平段延伸能力不足。MWD与井底的距离较远，纠斜、纠方位滞后，井眼轨迹局部曲率大，钻柱摩阻大，限制了水平段极限延伸长度。水平段延伸能力不足，页岩气等非常规油气资源无法实现高效经济开发。
针对长水平段钻井面临钻柱“托压”严重和水平段延伸“困难”两大瓶颈问题，国内外主要开展了降摩减阻工具和工艺研究，但延伸长度依然有限。由此可见，常规降摩减阻技术已无法有效解决水平井钻井延伸困难的技术难题。与常规技术不同，钻井牵引机器人通过拖拽提供轴向拉力的方法，以增加水平井延伸长度。国内外针对井下牵引机器人的研究和应用较为成熟；在钻井牵引机器人研究方面，虽然美国WWT公司处于领先地位，但未见开展现场应用报道。进一步分析发现：钻井牵引机器人能否投入实际钻井工程，钻井牵引机器人系统的地面实验评价数据是钻井牵引机器人应用的前提。在钻井牵引机器人实验系统方面，目前发明了2项专利：CN201710705983.2、CN201710720406.0，但这2项专利仅能开展钻井牵引机器人整机的牵引力、牵引速度及控制实验，无法测试支撑机构支撑力、牵引力、扭矩参数，无法开展钻井牵引机器人支撑机构可靠性评价实验，无法开展防阻卡特性实验。
因此，由于现有井下机器人相关实验装置主要为整机实验装置，实验装置结构异常复杂，开展实验需要加工钻井牵引机器人整体样机，致使实验准备周期长、实验成本居高不下，且无法为支撑机构结构优化设计提供实验数据参考，一定程度上制约了钻井牵引机器人的理论研究与工程推广应用。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供钻井牵引机器人支撑机构测试装置。
钻井牵引机器人支撑机构测试装置，它包括支撑挡板(1)、拉压传感器A(2)、拉压传感器B(12)、拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)、液压A(3)、液压B(11)、液压C(7)、液压D(22)、位移传感器A(13)、位移传感器B(6)、模拟井筒(4)、支撑拉杆(5)、底板(8)、伸缩拉杆(10)、伸缩挡板(14)、轴向推力轴承(15)、支撑/扭矩挡板(16)、滑块A(201/202)、滑块B(181/182)、支撑块A(21)、支撑块B(17)、连杆支撑机构(191)、楔形支撑机构(192)；
所述：模拟井筒(4)的左支撑板(401)和右支撑板(404)焊接在底板(8)上；
所述：支撑挡板(1)和支撑/扭矩挡板(16)通过支撑拉杆(5)固连，其中在支撑挡板(1)左侧的支撑拉杆(5)上连接螺母，在支撑/扭矩挡板(16)左右两侧的支撑拉杆(5)上均连接螺母，在支撑挡板(1)右侧和液压A(3)左端的活塞之间利用固体胶固定拉压传感器A(2)，液压A(3)的右端利用螺栓固定在支撑块A(21)的左侧，滑块A(201/202)、滑块B(181/182)分别装配在支撑块A(21)和支撑块B(17)的矩形槽(211)中，这些零部件构成支撑系统，实现连杆支撑机构(191)、楔形支撑机构(192)的支撑模拟实验；
所述：伸缩挡板(14)和模拟井筒(4)通过伸缩拉杆(10)固连，其中在模拟井筒(4)左右两侧的伸缩拉杆(10)上均连接螺母，在伸缩挡板(14)右侧的伸缩拉杆(10)上连接螺母，伸缩挡板(14)与液压B(11)右端的活塞之间利用固体胶固定拉压传感器B(12)，液压B(11)左端利用固体胶与轴向推力轴承(15)固连，轴向推力轴承(15)装配在支撑/扭矩挡板(16)圆形盲孔(162)内，支撑/扭矩挡板(16)利用螺栓与支撑块B(17)固连，这些零部件构成牵引系统，实现连杆支撑机构(191)或楔形支撑机构(192)的抗牵引力反作用力模拟实验；
所述：液压C(7)、液压D(22)的底座用螺栓安装在底板(8)上，液压C(7)、液压D(22)的活塞分别与拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)连接，拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)与支撑/扭矩挡板(16)矩形凸起(161)连接在一起，这些零部件构成扭转系统，实现支撑机构(191/192)抗扭转模拟实验。
所述：模拟井筒(4)的左支撑板(401)和右支撑板(404)布置有4-12个周向均匀分布的圆弧孔(402)，同时右支撑板(404)在圆弧孔(402)径向外沿方向上布置4-12个均匀分布的圆孔C(403)。
所述：支撑/扭矩挡板(16)径向轴对称布置2个矩形凸起(161)，周向布置4-12个均匀分布的圆孔A(163)，中间布置一个圆形盲孔(162)。
所述：支撑块A(21)、支撑块B(17)均设置有2-4个轴对称矩形槽(211)。
所述：滑块A(20)、滑块B(18)分别有2种结构，第一种为矩形滑块(204)，任意一个角上设置一个圆孔B(203)，圆孔B(203)附近角为圆弧角，第二种为楔形滑块(205)，楔形滑块(205)斜面倾角与楔形支撑机构(192)的斜面倾角相同。
所述：位移传感器A(13)、位移传感器B(6)均为拉线式位移传感器，位移传感器A(13)利用固体胶固定在液压B(11)的液缸上，位移传感器A(13)的拉线头A(131)利用固体胶固定在伸缩挡板(14)上，位移传感器B(6)利用固体胶固定在液压C(7)的液缸上，位移传感器B(6)的拉线头B(601)利用固体胶固定在矩形凸起(161)上。
所述：液压A(3)、液压B(11)、液压C(7)、液压D(22)均采用双作用液压缸结构。
本发明具有以下优点：本发明属于钻井牵引机器人支撑机构单元实验装置，实验装置结构简单，开展实验时仅需加工支撑机构即可，实验准备周期大大减小、实验成本明显降低，同时可测量支撑力、牵引力、扭矩等关键参数，可为支撑机构结构优化设计提供实验数据参考，对钻井牵引机器人的理论研究与工程推广应用具有重要的意义。
附图说明
图1为钻井牵引机器人支撑机构测试装置(连杆支撑机构)结构示意图；
图2为钻井牵引机器人支撑机构测试装置(楔形支撑机构)结构示意图；
图3为图1的主视图；
图4为图1的A-A剖面图；
图5为本发明的模拟井筒结构示意图；
图6为本发明的支撑/扭矩挡板结构示意图；
图7为本发明的支撑块A/支撑块B结构示意图；
图8为本发明的固定连杆支撑机构的滑块A/滑块B结构示意图。
图9为本发明的固定楔形支撑机构的滑块A/滑块B结构示意图。
图中：1-支撑挡板，2-拉压传感器A，3-液压A，4-模拟井筒，5-支撑拉杆，6-位移传感器B，7-液压C，8-底板，9-拉压传感器C，10-伸缩拉杆，11-液压B，12-拉压传感器B，13-位移传感器A，14-伸缩挡板，15-轴向推力轴承，16-支撑/扭矩挡板，17-支撑块B，131-拉线头A，181/182-滑块B，191-连杆支撑机构，192-楔形支撑机构，201/202-滑块A，21-支撑块A，22-液压D，23-拉压传感器D，161-矩形凸起，162-圆形盲孔，163-圆孔A，203-圆孔B，204-矩形滑块，205-楔形滑块，211-矩形槽，401-左支撑板，402-圆弧孔，403-圆孔C，404-右支撑板，601-拉线头B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1～8所示：钻井牵引机器人支撑机构测试装置，它包括支撑挡板(1)、拉压传感器A(2)、拉压传感器B(12)、拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)、液压A(3)、液压B(11)、液压C(7)、液压D(22)、位移传感器A(13)、位移传感器B(6)、模拟井筒(4)、支撑拉杆(5)、底板(8)、伸缩拉杆(10)、伸缩挡板(14)、轴向推力轴承(15)、支撑/扭矩挡板(16)、滑块A(201/202)、滑块B(181/182)、支撑块A(21)、支撑块B(17)、连杆支撑机构(191)、楔形支撑机构(192)。所述的模拟井筒(4)的左支撑板(401)和右支撑板(404)焊接在底板(8)上。所述的支撑挡板(1)和支撑/扭矩挡板(16)通过支撑拉杆(5)固连，其中在支撑挡板(1)左侧的支撑拉杆(5)上连接螺母，在支撑/扭矩挡板(16)左右两侧的支撑拉杆上均连接螺母，在支撑挡板(1)右侧和液压A(3)左端的活塞之间利用固体胶固定拉压传感器A(2)，液压A(3)的右端利用螺栓固定在支撑块A(21)的左侧，滑块A(201/202)、滑块B(181/182)分别装配在支撑块A(21)和支撑块B(17)的矩形槽(211)中，这些零部件构成支撑系统，实现连杆支撑机构(191)、楔形支撑机构(192)的支撑模拟实验。所述的伸缩挡板(14)和模拟井筒(4)通过伸缩拉杆(10)固连，其中在模拟井筒(4)左右两侧的伸缩拉杆(10)上均连接螺母，在伸缩挡板(14)右侧的伸缩拉杆(10)上连接螺母，伸缩挡板(14)与液压B(11)右端的活塞之间利用固体胶固定拉压传感器B(12)，液压B(11)左端利用固体胶与轴向推力轴承(15)固连，轴向推力轴承(15)装配在支撑/扭矩挡板(16)圆形盲孔(162)内，支撑/扭矩挡板(16)利用螺栓与支撑块B(17)固连，这些零部件构成牵引系统，实现连杆支撑机构(191)或楔形支撑机构(192)的抗牵引力反作用力模拟实验。所述的液压C(7)、液压D(22)的底座用螺栓安装在底板(8)上，液压C(7)、液压D(22)的活塞分别与拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)连接，拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)与支撑/扭矩挡板(16)矩形凸起(161)连接在一起，这些零部件构成扭转系统，实现连杆支撑机构(191)或楔形支撑机构(192)抗扭转模拟实验。
所述的模拟井筒(4)的左支撑板(401)和右支撑板(404)布置有4-12个周向均匀分布的圆弧孔(402)，同时右支撑板(404)在圆弧孔(402)径向外沿方向上布置4-12个均匀分布的圆孔C(403)。
所述的支撑/扭矩挡板(16)径向轴对称布置2个矩形凸起(161)，周向布置4-12个均匀分布的圆孔A(163)，中间布置一个圆形盲孔(162)。所述的支撑块A(21)、支撑块B(17)均设置有2-4个轴对称矩形槽(211)。所述的滑块A(20)、滑块B(18)分别有2种结构，第一种为矩形滑块(204)，任意一个角上设置一个圆孔B(203)，圆孔B(203)附近角为圆弧角，第二种为楔形滑块(205)，楔形滑块(205)斜面倾角与楔形支撑机构(192)的斜面倾角相同。所述的位移传感器A(13)、位移传感器B(6)均为拉线式位移传感器，位移传感器A(13)利用固体胶固定在液压B(11)的液缸上，位移传感器A(13)的拉线头A(131)利用固体胶固定在伸缩挡板(14)上，位移传感器B(6)利用固体胶固定在液压C(7)的液缸上，位移传感器B(6)的拉线头B(601)利用固体胶固定在矩形凸起(161)上。所述的液压A(3)、液压B(11)、液压C(7)、液压D(22)均采用双作用液压缸结构。
根据图1～4所示的钻井牵引机器人支撑机构测试装置，步骤1：将连杆支撑机构或楔形支撑机构安装于钻井牵引机器人支撑机构测试装置上。步骤2：液压A右腔打压将连杆支撑机构或楔形支撑机构径向支撑在模拟井筒内壁，并记录拉压传感器A的数据。步骤3：液压B左腔打压，并记录拉压传感器B的数据和位移传感器A的数据。步骤4：液压C、液压D的下腔打压，并记录拉压传感器C、拉压传感器D和位移传感器B的数据。步骤5：设置不同液压A、液压B的压力值，重复步骤2～4，记录数据，完成实验。
Claims (7)
1.钻井牵引机器人支撑机构测试装置，其特征在于：它包括支撑挡板(1)、拉压传感器A(2)、拉压传感器B(12)、拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)、液压A(3)、液压B(11)、液压C(7)、液压D(22)、位移传感器A(13)、位移传感器B(6)、模拟井筒(4)、支撑拉杆(5)、底板(8)、伸缩拉杆(10)、伸缩挡板(14)、轴向推力轴承(15)、支撑/扭矩挡板(16)、滑块A(201/202)、滑块B(181/182)、支撑块A(21)、支撑块B(17)、连杆支撑机构(191)、楔形支撑机构(192)；
所述：模拟井筒(4)的左支撑板(401)和右支撑板(404)焊接在底板(8)上；
所述：支撑挡板(1)和支撑/扭矩挡板(16)通过支撑拉杆(5)固连，其中在支撑挡板(1)左侧的支撑拉杆(5)上连接螺母，在支撑/扭矩挡板(16)左右两侧的支撑拉杆(5)上均连接螺母，在支撑挡板(1)右侧和液压A(3)左端的活塞之间利用固体胶固定拉压传感器A(2)，液压A(3)的右端利用螺栓固定在支撑块A(21)的左侧，滑块A(201/202)、滑块B(181/182)分别装配在支撑块A(21)和支撑块B(17)的矩形槽(211)中，这些零部件构成支撑系统，实现连杆支撑机构(191)、楔形支撑机构(192)的支撑模拟实验；
所述：伸缩挡板(14)和模拟井筒(4)通过伸缩拉杆(10)固连，其中在模拟井筒(4)左右两侧的伸缩拉杆(10)上均连接螺母，在伸缩挡板(14)右侧的伸缩拉杆(10)上连接螺母，伸缩挡板(14)与液压B(11)右端的活塞之间利用固体胶固定拉压传感器B(12)，液压B(11)左端利用固体胶与轴向推力轴承(15)固连，轴向推力轴承(15)装配在支撑/扭矩挡板(16)圆形盲孔(162)内，支撑/扭矩挡板(16)利用螺栓与支撑块B(17)固连，这些零部件构成牵引系统，实现连杆支撑机构(191)或楔形支撑机构(192)的抗牵引力反作用力模拟实验；
所述：液压C(7)、液压D(22)的底座用螺栓安装在底板(8)上，液压C(7)、液压D(22)的活塞分别与拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)连接，拉压传感器C(9)、拉压传感器D(23)与支撑/扭矩挡板(16)矩形凸起(161)连接在一起，这些零部件构成扭转系统，实现支撑机构(191/192)抗扭转模拟实验。
2.根据权利要求1所述的钻井牵引机器人支撑机构测试装置，其特征在于：模拟井筒(4)的左支撑板(401)和右支撑板(404)布置有4-12个周向均匀分布的圆弧孔(402)，同时右支撑板(404)在圆弧孔(402)径向外沿方向上布置4-12个均匀分布的圆孔C(403)。
3.根据权利要求1所述的钻井牵引机器人支撑机构测试装置，其特征在于：支撑/扭矩挡板(16)径向轴对称布置2个矩形凸起(161)，周向布置4-12个均匀分布的圆孔A(163)，中间布置一个圆形盲孔(162)。
4.根据权利要求1所述的钻井牵引机器人支撑机构测试装置，其特征在于：支撑块A(21)、支撑块B(17)均设置有2-4个轴对称矩形槽(211)。
5.根据权利要求1所述的钻井牵引机器人支撑机构测试装置，其特征在于：滑块A(20)、滑块B(18)分别有2种结构，第一种为矩形滑块(204)，任意一个角上设置一个圆孔B(203)，圆孔B(203)附近角为圆弧角，第二种为楔形滑块(205)，楔形滑块(205)斜面倾角与楔形支撑机构(192)的斜面倾角相同。
6.根据权利要求1所述的钻井牵引机器人支撑机构测试装置，其特征在于：位移传感器A(13)、位移传感器B(6)均为拉线式位移传感器，位移传感器A(13)利用固体胶固定在液压B(11)的液缸上，位移传感器A(13)的拉线头A(131)利用固体胶固定在伸缩挡板(14)上，位移传感器B(6)利用固体胶固定在液压C(7)的液缸上，位移传感器B(6)的拉线头B(601)利用固体胶固定在矩形凸起(161)上。
7.根据权利要求1所述的钻井牵引机器人支撑机构测试装置，其特征在于：液压A(3)、液压B(11)、液压C(7)、液压D(22)均采用双作用液压缸结构。
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