本發(fā)明涉及特深井鉆探機(jī)具測(cè)試，特別涉及一種萬(wàn)米深井鉆具金屬螺桿測(cè)試系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、特深井實(shí)際工作環(huán)境都在幾千米甚至萬(wàn)米的地下，若工件直接在地下測(cè)試會(huì)造成測(cè)試數(shù)據(jù)難以采集，且地下未知因數(shù)太多，風(fēng)險(xiǎn)很大，反復(fù)測(cè)試還會(huì)大幅增加研發(fā)成本。因此亟需開(kāi)發(fā)一種針對(duì)鉆具金屬螺桿的測(cè)試平臺(tái)用于代替實(shí)際工作環(huán)境下的測(cè)試，將地下不可見(jiàn)的、復(fù)雜的環(huán)境通過(guò)測(cè)試平臺(tái)展現(xiàn)出來(lái)。并在擬實(shí)環(huán)境下完成對(duì)鉆具金屬螺桿部件的性能測(cè)試和壽命測(cè)試，能夠監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)和測(cè)試參數(shù)。可以提前發(fā)現(xiàn)被測(cè)件的缺陷和不足，為被測(cè)件的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而改善結(jié)構(gòu)，降低研發(fā)成本。

2、工作原理

3、深井鉆探中的金屬螺桿被用于傳遞扭矩、支持鉆頭并保持鉆井工具的穩(wěn)定性，其主要工作原理包括：

4、1.傳遞扭矩：在鉆井過(guò)程中，鉆井設(shè)備通過(guò)旋轉(zhuǎn)提供扭矩，使鉆頭鉆進(jìn)地下巖層。在這個(gè)過(guò)程中，金屬螺桿作為傳遞扭矩的關(guān)鍵部件，將扭矩從上方的鉆機(jī)傳遞到底部的鉆頭，確保鉆頭能夠順利進(jìn)行鉆探。

5、2.支撐和連接作用：金屬螺桿不僅負(fù)責(zé)扭矩的傳遞，還起到支撐和連接作用。它們將鉆機(jī)的各個(gè)部件(如鉆頭、加重器、穩(wěn)定器等)通過(guò)機(jī)械連接起來(lái)，并保持鉆具的整體穩(wěn)定性。尤其在萬(wàn)米深井的極端環(huán)境下，螺桿的連接性能和強(qiáng)度至關(guān)重要。

6、3.抗壓、抗拉和抗彎性能：在深井中，螺桿不僅需要承受鉆探產(chǎn)生的扭矩，還要承受井下高壓力、高溫環(huán)境的挑戰(zhàn)。金屬螺桿需要具備很高的抗壓、抗拉、抗彎等性能，以保證鉆具在井下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

7、4.熱膨脹和應(yīng)力變化：在深井中，溫度和壓力隨著深度的增加而變化，這會(huì)導(dǎo)致螺桿在工作過(guò)程中產(chǎn)生熱膨脹或應(yīng)力變化。因此，螺桿的材質(zhì)和設(shè)計(jì)需要能夠承受這些極端的物理變化，避免因溫度變化或壓力波動(dòng)而導(dǎo)致斷裂或損壞。

8、所以萬(wàn)米深井鉆具金屬螺桿測(cè)試系統(tǒng)的核心目標(biāo)是確保螺桿在極端深井環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。它通過(guò)模擬井下的溫度、壓力和機(jī)械負(fù)荷，監(jiān)測(cè)螺桿在不同條件下的工作狀態(tài)，評(píng)估其強(qiáng)度、性能及壽命的可靠性。這種測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于提高鉆探效率、降低井下故障風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于以上問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種萬(wàn)米深井鉆具金屬螺桿測(cè)試系統(tǒng)，能夠最大程度的模擬特深井的實(shí)際工況，將地下不可見(jiàn)的、復(fù)雜的環(huán)境通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)展現(xiàn)出來(lái)，并在擬實(shí)環(huán)境下完成鉆探機(jī)具金屬螺桿的性能測(cè)試和壽命測(cè)試。

2、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是：一種萬(wàn)米深井鉆具金屬螺桿測(cè)試系統(tǒng)，包括基臺(tái)、液壓缸、電機(jī)、紅外熱感攝像頭、泥漿罐、泥漿泵、散熱器、電機(jī)、振動(dòng)傳感器、扭矩傳感器、第一軸系，其中：

3、第一軸系固定安裝于基臺(tái)上，所述鉆具金屬螺桿及安裝組件的具體結(jié)構(gòu)為：

4、待測(cè)鉆具金屬螺桿分為左右螺桿，分別通過(guò)推力軸承與推力接頭與中心的連接起來(lái)共同固定于第一軸系當(dāng)中，液壓缸提供給金屬鉆具推力座動(dòng)力，使其通過(guò)在滑軌上的運(yùn)動(dòng)將整個(gè)軸系壓緊。中部安裝有磁感應(yīng)加熱線圈模擬出特深井?dāng)M實(shí)環(huán)境下的溫度條件，測(cè)試其熱學(xué)性能。左右螺桿上分別安裝有一組錐齒輪，通過(guò)與其相連的電機(jī)提供動(dòng)力，在將轉(zhuǎn)矩由錐齒輪傳遞到整個(gè)第一軸系上去。

5、在第一軸系中安裝有扭矩傳感器與振動(dòng)傳感器，收集被測(cè)金屬螺桿的扭矩與振動(dòng)數(shù)據(jù)。

6、在第一軸系外部，安裝有泥漿泵，可將鉆探過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿運(yùn)輸至另一側(cè)的泥漿罐中儲(chǔ)存起來(lái)，同時(shí)在管道上安裝有散熱器，提高運(yùn)輸過(guò)程中的散熱效率。

7、所述液壓缸固定安裝于軸系外部的基臺(tái)上。

8、本發(fā)明的有益效果為：

9、能最大程度的模擬特深井的實(shí)際工況，將地下不可見(jiàn)的、復(fù)雜的環(huán)境通過(guò)測(cè)試平臺(tái)展現(xiàn)出來(lái)，并在擬實(shí)環(huán)境下通過(guò)傳感器采集金屬螺桿相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成鉆探機(jī)具中的金屬螺桿的性能測(cè)試和壽命測(cè)試，可以提前發(fā)現(xiàn)被測(cè)件的缺陷和不足，為被測(cè)件的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而改善結(jié)構(gòu)，降低研發(fā)成本。

10、數(shù)據(jù)處理

11、在模擬萬(wàn)米深井鉆探作業(yè)中，為了精確地評(píng)估金屬螺桿在工作過(guò)程中承受的力學(xué)性能和振動(dòng)特性，本發(fā)明采用扭矩傳感器和振動(dòng)傳感器對(duì)金屬螺桿進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取螺桿的扭矩、振動(dòng)等重要數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在采集后需要進(jìn)行處理，以提取出有意義的信息，幫助判斷螺桿的工作狀態(tài)和疲勞程度。具體的處理方法采用最小二乘法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析和擬合。

12、最小二乘法(least?squares?method)是一種用于數(shù)據(jù)擬合的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，它的主要目的是通過(guò)最小化預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值之間的誤差的平方和，從而找到一個(gè)最佳擬合模型。

13、對(duì)于給定的數(shù)據(jù)點(diǎn)(xi，yi)，最小二乘法通過(guò)最小化以下目標(biāo)函數(shù)來(lái)擬合模型：

14、

15、其中：

16、yi是實(shí)際觀測(cè)值，f(xi)是通過(guò)模型預(yù)測(cè)得到的值，s是誤差的平方和，n是數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

17、具體處理方法為：通過(guò)給定數(shù)據(jù)建立線性回歸模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，計(jì)算模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值之間的誤差，并將這些誤差的平方和相加。通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，最小化誤差平方和，得到最佳擬合模型。

18、該方法用于扭矩信號(hào)的平滑處理，從而去除信號(hào)中的噪聲，精確捕捉螺桿扭矩的變化趨勢(shì)。對(duì)于振動(dòng)信號(hào)中的低頻或擬合性較強(qiáng)的部分，可去除因外部干擾或信號(hào)噪聲帶來(lái)的不規(guī)則波動(dòng)。這有助于準(zhǔn)確地提取振動(dòng)信號(hào)的基本趨勢(shì)可以有效識(shí)別出螺桿的工作狀態(tài)。

技術(shù)特征：

1.一種萬(wàn)米深井鉆具金屬螺桿測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，包括基臺(tái)(1)、液壓缸(4)、電機(jī)(6)、磁感應(yīng)加熱線圈(206)、散熱器(7)、第一軸系(2)、扭矩傳感器、振動(dòng)傳感器、壓力表、流量計(jì)、泥漿泵、泥漿罐，其中：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種萬(wàn)米深井鉆具金屬螺桿測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述振動(dòng)傳感器安裝于鉆具金屬螺桿上，扭矩傳感器安裝于電機(jī)(61)與小錐齒輪(61)之間的傳動(dòng)軸上；所述液壓缸(4)固定安裝于第一軸系旁的基臺(tái)(1)表面；所述散熱器(7)含有兩種類型的散熱片，分別是窄口散熱片(71)和寬口散熱片(72)。

技術(shù)總結(jié)
一種萬(wàn)米深井鉆具金屬螺桿測(cè)試系統(tǒng)，涉及特深井鉆探機(jī)具測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，其主要結(jié)構(gòu)包括基臺(tái)、液壓缸、紅外熱感攝像頭、泥漿罐、泥漿泵、散熱器、電機(jī)、扭矩傳感器、振動(dòng)傳感器、第一軸系，第一軸系將待測(cè)金屬螺桿固定在一個(gè)軸系進(jìn)行測(cè)試，液壓缸提供軸向載荷，電機(jī)作為動(dòng)力源將動(dòng)力通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給鉆具金屬螺桿，本發(fā)明在擬實(shí)環(huán)境下完成萬(wàn)米深井鉆具金屬螺桿性能測(cè)試和壽命測(cè)試。

技術(shù)研發(fā)人員：李炎炎,鄧文杰,陳領(lǐng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：鄧文杰
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/24