三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩的室内实验研究装置技术领域
本发明属于管柱力学技术领域，尤其涉及一种三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩的室
内实验研究装置，用于对三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩计算模型的优选和改进。
背景技术
目前，水平井、定向井等钻井技术不断发展并被广泛应用，但是制约这种技术发展
的问题也日益突出，管柱的摩阻扭矩是其中关键问题之一。管柱在下入到弯曲井段以后，由
于管柱刚度的存在而产生很大的弯矩，加之井眼轨迹是不规则的空间曲线，管柱在下入过
程中会与井壁大面积接触。当管柱贴在井壁上时，管柱与井壁间存在着接触压力，在管柱运
动时，由于摩擦作用，就会在管柱上施加轴向阻力和摩扭矩，使得轴向载荷增加、摩扭矩增
大，尤其是在大位移井和水平井中，由于其具有长水平位移段、大井斜角及长裸眼稳斜段的
特点，因此存在较大的摩阻力和摩扭矩。管柱和井壁所产生的摩阻力和摩扭矩，对钻井设
计、钻井操作以固井作业等影响较大。因此，要成功而经济地钻井和完井，钻井设计时准确
预测摩阻值和扭矩值是十分必要的。
管柱的摩阻扭矩计算模型的重要性可体现在钻井过程的三个阶段中：设计阶段，
为了减小摩阻扭矩值，模型被用来优化井眼轨迹；钻进过程中，结合现场的实时监测，模型
在预测井眼的清洁、可能发生的卡钻等问题是非常有效的；完井阶段，模型被用于分析套管
柱下入通畅与否。
对于三维弯曲井段而言，目前计算管柱摩阻扭矩的理论模型众多，每种方法都有
不同的假设条件，其求解方法也不尽相同，不同的计算模型所得到的结果有的相去甚远，与
实际偏差较大，因此有必要对三维弯曲井眼中管柱的摩阻扭矩进行实验研究，通过实验分
析来校正和优选三维弯曲井段中管柱的摩阻扭矩计算模型。
在实验方面，英国BP公司的Child等人设计了管柱模拟装置，通过室内模拟实验对
井下管柱受力状态进行了模拟，测量了实验中管柱的拉力和扭矩，但该实验所控制的变量
较少，分析结果的说服力较小。
发明内容
本发明旨在克服现阶段上述已有理论和技术存在的问题及不足，提供了一种在实
验室条件下可以真实测量三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩的实验装置,研究不同尺寸、不同
刚度的管柱在不同井眼曲率、不同井筒扭转角度条件下的摩阻扭矩,以此来优选或改进现
有的理论模型，为钻井管柱的设计和现场应用提供理论依据，其采用的技术方案如下：
三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩的室内实验研究装置，其整体分为驱动系统、测量
系统、模拟管柱组合系统和固定系统四大部分，分别为伺服电机、加载丝杠、进给导轨、位移
传感器、滑动框架、拉压力传感器、扭矩传感器、模拟管柱、模拟井筒、固定支架、井筒卡箍、
连接法兰、活动支架、固定底板、模拟井底外壳、计算机、数据处理装置、信号电缆、减速器、
直线轴承、管柱连接接头、管柱连接器、安装螺钉、滚动轴承、活动固定卡箍，其中驱动系统
包括伺服电机、加载丝杠、进给导轨、滑动框架、减速器、直线轴承和管柱连接接头，伺服电
机数量为两个，前部的伺服电机通过减速器连接加载丝杠，并通过减速器安装在进给导轨
一侧的安装板上，后部的伺服电机通过减速器连接管柱连接接头，并通过减速器安装在滑
动框架一侧的安装板上，加载丝杠一侧固定在前部的减速器的输出轴上，并通过螺纹与滑
动框架一端连接，滑动框架通过直线轴承安装在进给导轨的滑轨上；在使用本发明进行实
验前，将模拟管柱与管柱连接接头连接，之后启动驱动系统前部的伺服电机，伺服电机带动
第一段模拟管柱缓慢送入模拟井筒，之后控制伺服电机退回起始位置重复上述动作进行第
二段管柱的旋转推进，直至所有模拟管柱全部装入到模拟井筒；在完成最后一段模拟管柱
前，安装前部的拉压力传感器和扭矩传感器，连接扭矩传感器和最后一段模拟管柱，之后下
入最后一段模拟管柱；在下入过程中，前部的伺服电机可利用加载丝杠和滑动框架之间的
螺纹传动，实现模拟管柱的轴向运动，后部的伺服电机可实现模拟管柱的旋转运动。
测量系统包括位移传感器、拉压力传感器、扭矩传感器、计算机、数据处理装置、信
号电缆，位移传感器安装在进给导轨前部，并将检测端指向滑动框架前端面，拉压力传感器
和扭矩传感器的数量均为两个，前部的拉压力传感器一端连接管柱连接接头，另一端连接
上部的扭矩传感器，后部的拉压力传感器一端连接管柱连接器，另一端连接下部的扭矩传
感器，扭矩传感器分别连接模拟管柱的顶部和底部，数据处理装置由放大器、数据采集模块
组成，并通过信号电缆连接位移传感器、拉压力传感器和扭矩传感器，通过数据线连接计算
机；在完成最后一段模拟管柱前，安装前部的拉压力传感器和扭矩传感器，连接扭矩传感器
和最后一段模拟管柱，通过信号电缆将拉压力传感器、扭矩传感器和位移传感器与数据处
理装置和计算机连接，再下入最后一段模拟管柱，在实验过程中观察实验现象，并采集转
速、推力、扭矩、位移实验数据。
模拟管柱组合系统包括模拟管柱、模拟井筒、连接法兰、模拟井底外壳、管柱连接
器、安装螺钉和滚动轴承，模拟管柱可采用ABS塑料和不锈钢，其中采用ABS塑料的管柱尺寸
为外径22mm，长42cm的实心圆柱，采用不锈钢的管柱尺寸为外径12mm长度为45cm的实心柱
体，相邻的模拟管柱之间采用螺纹连接，模拟井筒可采用有机玻璃管和不锈钢管两种，其井
筒结构由2米的直井段+圆弧段+1米的直井段组成，且各井段的两端均布置连接法兰，相邻
的井段之间采用连接法兰连接，在其前部利用井筒卡箍固定在固定支架，在其后部固定在
活动支架上，模拟井底外壳在其通过滚动轴承安装管柱连接器，在其下部利用安装螺钉固
定在模拟井筒末端，在其外侧利用活动固定卡箍安装在活动支架上；在使用本发明进行实
验前，首先将将指定曲率半径的多个模拟井筒通过连接法兰连接成完整的所需实验井筒，
并通过井筒卡箍将前部的模拟井筒固定在固定支架上，将可旋转部分的模拟井筒向下旋转
特定角度后固定在活动支架上，之后将完成零件和传感器安装的模拟井底外壳安装在末端
的模拟井筒出口处，并将固定模拟井底外壳的活动支架通过螺栓固定在固定底板上。
固定系统包括固定支架、井筒卡箍、活动支架、固定底板和活动固定卡箍，固定支
架由多部分组成，通过螺栓连接便于拆卸，并用膨胀螺钉固定于地面，在其上部利用井筒卡
箍安装模拟井筒，固定底板固定在地面上，并开有若干活动支架的安装孔，并通过螺栓安装
活动支架。
本发明具有如下特点：通过研究不同井眼曲率、不同扭转角条件下的管柱摩阻扭
矩，为钻井设计和现场应用提供理论依据；模拟管柱可以改变刚度和尺寸，以实现模拟不同
的钻井管柱与井眼组合；驱动系统可以实现模拟管柱的边旋转边推进、只旋转不推进和只
推进不旋转三种工作状态；测量系统可实时感应并测量轴向拉压力、扭矩和轴向位移,并在
计算机上即时显示；可模拟起钻、下钻、旋转钻进和划眼等不同的工况。
附图说明
图1：本发明三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩的室内实验研究装置整体结构示意图；
图2：本发明三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩的室内实验研究装置中驱动系统部分
的结构示意图；
图3：本发明三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩的室内实验研究装置中模拟井底部分
的结构示意图。
符号说明
1.伺服电机，2.加载丝杠，3.进给导轨，4.位移传感器，5.滑动框架，6.拉压力传感
器，7.扭矩传感器，8.模拟管柱，9.模拟井筒，10.固定支架，11.井筒卡箍，12.连接法兰，13.
活动支架，14.固定底板，15.模拟井底外壳，16.计算机，17.数据处理装置，18.信号电缆，
19.减速器，20.直线轴承，21.管柱连接接头，22.管柱连接器，23.螺钉，24.滚动轴承，25.活
动固定卡箍。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：
如图1-3所示，三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩的室内实验研究装置，其整体分为驱
动系统、测量系统、模拟管柱组合系统和固定系统四大部分，分别为伺服电机1、加载丝杠2、
进给导轨3、位移传感器4、滑动框架5、拉压力传感器6、扭矩传感器7、模拟管柱8、模拟井筒
9、固定支架10、井筒卡箍11、连接法兰12、活动支架13、固定底板14、模拟井底外壳15、计算
机16、数据处理装置17、信号电缆18、减速器19、直线轴承20、管柱连接接头21、管柱连接器
22、安装螺钉23、滚动轴承24、活动固定卡箍25，其中驱动系统包括伺服电机1、加载丝杠2、
进给导轨3、滑动框架5、减速器19、直线轴承20和管柱连接接头21，伺服电机1数量为两个，
前部的伺服电机1通过减速器19连接加载丝杠2，并通过减速器19安装在进给导轨3一侧的
安装板上，后部的伺服电机1通过减速器19连接管柱连接接头21，并通过减速器19安装在滑
动框架5一侧的安装板上，加载丝杠2一侧固定在前部的减速器19的输出轴上，并通过螺纹
与滑动框架5一端连接，滑动框架5通过直线轴承20安装在进给导轨3的滑轨上；测量系统包
括位移传感器4、拉压力传感器6、扭矩传感器7、计算机16、数据处理装置17、信号电缆18，位
移传感器4安装在进给导轨3前部，并将检测端指向滑动框架5前端面，拉压力传感器6和扭
矩传感器7的数量均为两个，前部的拉压力传感器6一端连接管柱连接接头21，另一端连接
上部的扭矩传感器7，后部的拉压力传感器6一端连接管柱连接器22，另一端连接下部的扭
矩传感器7，扭矩传感器7分别连接模拟管柱8的顶部和底部，数据处理装置17由放大器、数
据采集模块组成，并通过信号电缆18连接位移传感器4、拉压力传感器6和扭矩传感器7，通
过数据线连接计算机16；模拟管柱组合系统包括模拟管柱8、模拟井筒9、连接法兰12、模拟
井底外壳15、管柱连接器22、安装螺钉23和滚动轴承24，模拟管柱8可采用ABS塑料和不锈
钢，其中采用ABS塑料的管柱尺寸为外径22mm，长42cm的实心圆柱，采用不锈钢的管柱尺寸
为外径12mm长度为45cm的实心柱体，相邻的模拟管柱8之间采用螺纹连接，模拟井筒9可采
用有机玻璃管和不锈钢管两种，其井筒结构由2米的直井段+圆弧段+1米的直井段组成，且
各井段的两端均布置连接法兰12，相邻的井段之间采用连接法兰12连接，在其前部利用井
筒卡箍11固定在固定支架10，在其后部固定在活动支架13上，模拟井底外壳15在其通过滚
动轴承24安装管柱连接器22，在其下部利用安装螺钉23固定在模拟井筒9末端，在其外侧利
用活动固定卡箍25安装在活动支架13上；固定系统包括固定支架10、井筒卡箍11、活动支架
13、固定底板14和活动固定卡箍25，固定支架10由多部分组成，通过螺栓连接便于拆卸，并
用膨胀螺钉固定于地面，在其上部利用井筒卡箍11安装模拟井筒9，固定底板14固定在地面
上，并开有若干活动支架13的安装孔，并通过螺栓安装活动支架13。
在使用本发明进行实验前，首先将将指定曲率半径的多个模拟井筒9通过连接法
兰12连接成完整的所需实验井筒，并通过井筒卡箍11将前部的模拟井筒9固定在固定支架
10上，将可旋转部分的模拟井筒9向下旋转特定角度后固定在活动支架13上，之后将完成零
件和传感器安装的模拟井底外壳15安装在末端的模拟井筒9出口处，并将固定模拟井底外
壳15的活动支架13通过螺栓固定在固定底板14上；将模拟管柱8与管柱连接接头21连接，之
后启动驱动系统前部的伺服电机1，伺服电机1带动第一段模拟管柱8缓慢送入模拟井筒9，
之后控制伺服电机1退回起始位置重复上述动作进行第二段管柱的旋转推进，直至所有模
拟管柱8全部装入到模拟井筒9；在完成最后一段模拟管柱8前，安装前部的拉压力传感器6
和扭矩传感器7，连接扭矩传感器7和最后一段模拟管柱8，通过信号电缆18将拉压力传感器
6、扭矩传感器7和位移传感器4与数据处理装置17和计算机16连接，再下入最后一段模拟管
柱8；在下入过程中，前部的伺服电机1可利用加载丝杠2和滑动框架5之间的螺纹传动，实现
模拟管柱8的轴向运动，后部的伺服电机1可实现模拟管柱8的旋转运动，在实验过程中观察
实验现象，并采集转速、推力、扭矩、位移实验数据，完成数据提取后，分析实验数据，得出实
验结论。