一种深海水平气井钻柱动力学行为研究试验台

技术领域

本发明涉及一种应用于石油领域中对深海水平气井钻柱动力学行为进行研究的试验装置。

背景技术

天然气水合物又称可燃冰，其作为一种丰富的新型清洁能源受到了世界各国的重视。在天然气水合物开采钻井过程中，天然气水合物无会在井筒环空中分解，产生大量气体使井筒环空中的流动变为复杂的多相流动，而钻井液在这个过程中的流动也不同于常规油气钻井，管流特征参数变化复杂。并且天然水合物储层岩石强度较低，这就造成了井壁的稳定性较差，若钻柱的横向振动以及与井壁的碰磨作用不被适当抑制，可能导致井眼的不规则性，严重的会导致坍塌事故。目前关于钻柱动力学的研究多集中于局部的耦合作用，对于其全耦合作用研究甚少，在少数的全耦合振动研究中并没有考虑到天然气侵入到钻井液中的工况，并且其仅采用了简化的钻柱-井筒接触模型，其仿真结果并不能和天然气水合物钻井过程很好的吻合。因此，急需建立与天然气水合物钻井过程环境吻合的钻柱全耦合动力学模型，从而提高天然气水合物钻井的安全性与钻井效率。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种深海水平气井钻柱动力学行为研究试验台，该试验台通过控制系统控制天然气流量、钻井液温度、流量、压力、钻柱轴向力以及转速、钻头-研制模拟激励源等，建立了一个与天然气水合物钻井过程环境吻合的钻柱全耦合动力学模型，实现对水平状态下钻井液与钻柱的流固气全耦合作用的仿真研究，为分析气态天然气对钻柱动力学行为的作用机制提供了可靠的试验数据。

本发明的技术方案是：该种深海水平气井钻柱动力学行为研究试验台，包括控制系统190，所述控制系统采用IMAC为控制终端，其特征在于：所述试验台还包括驱动及循环系统、管柱及加热系统和加载及注气系统；

所述驱动及循环系统包括泥浆罐6、水泵1、除气器4、冷却器8、轴向加载装置16、可移动支撑平台12、扭矩传感器13、伺服电机15、行星轮减速器14、进水转换器10、进水管一3、进水管二2、回流管一9、回流管二5、回流管三7以及前端长支撑桌11。

水泵1通过进水管一3和进水管二2将水从泥浆罐5里抽送至进水转换器10里；环空中回流的水通过回流管一9、除气器4、回流管二5、冷却器8和回流管三7回流到泥浆罐6中；可移动支撑平台12和轴向加载装置16均安装在前端长支撑桌上；伺服电机15与行星轮减速器14通过键连接装配在一起，并安装在可移动平台12上；可移动平台12上安装扭矩传感器13和进水转换器10，扭矩传感器13用于反馈系统启动端的扭矩大小。

可移动支撑平台12包括环耳一19、环耳二21、扭矩传感器支撑座24、减速器垫高板22、移动支撑板26、导轨一23、导轨二30、导轨滑座一20、导轨滑座二25、导轨滑座三28、导轨滑座四31、导轨限位块一18、导轨限位块二27、导轨限位块三29以及导轨限位块四32。其中，环耳一19和环耳二21、减速器垫高板22、扭矩传感器支撑座24通过螺栓连接固定在移动支撑板26上；导轨一23和导轨二30通过螺栓连接固定在前端长支撑桌上表面17，并在导轨一23上安装导轨滑座一20和导轨滑座二25，在导轨二30上安装导轨滑座三28和导轨滑座四31；在导轨一23两端固定导轨限位块一18和导轨限位块二27，在导轨二30两端固定导轨限位块三29和导轨限位块四32，以防止导轨滑座脱轨；通过螺栓连接将可移动支撑平台中的四个导轨滑座与移动支撑板26连接。

轴向加载装置16包括钢丝一33、钢丝二42、钢丝固定吊环一36、钢丝固定吊环二45、钢丝固定吊环三38、钢丝固定吊环四47、连接板46、拉力传感器50、丝杠61、丝杠螺母52、手摇柄55、丝杠固定架60、滑轮组一34、滑轮组二35、滑轮组三37、滑轮组四41、滑轮组五40以及滑轮组六39。其中，钢丝固定吊环一36与环耳一19连接，且钢丝一33与钢丝固定吊环一36连接，并绕过滑轮组一34、滑轮组二35和滑轮组三37，然后与钢丝固定吊环二45连接。钢丝固定吊环三38与环耳二21连接，且钢丝二42与钢丝固定吊环三38连接，并绕过滑轮组四41、滑轮组五40和滑轮组六39，然后与钢丝固定吊环四47连接；钢丝固定吊环二45与钢丝固定吊环四47分别与连接板上端的吊耳一44与吊耳二48连接在一起；拉力传感器50上端吊环49与连接板下端的吊耳三63连接，拉力传感器50下端的吊环51与丝杠螺母的传力杆62连接；丝杠61与丝杠螺母52通过螺纹连接形成传动丝杠副；手摇柄上的螺杆56穿过丝杠固定架上的通孔一58与丝杠61连接在一起，并使丝杠的下端面59与丝杠固定架的上端面53及手摇柄的上端面54与丝杠固定架的下端面57形成间隙配合，使丝杠固定架60卡在手摇柄55与丝杠61中间，丝杠固定架60通过螺栓连接和前端长支撑桌的横杆43固定在一起；当转动手摇柄55时可以带动丝杠螺母52向下运动进而带动拉力传感器50、连接板46、钢丝一33、钢丝二42等，给移动支撑板26一个轴向拉力，从而达到给系统一个轴向激励的目的。

行星轮减速器的输出轴64与扭矩传感器13的输入轴66通过弹性联轴器一65连接在一起，扭矩传感器的输出轴67与进水端转换钻杆的左端69通过弹性联轴器二68连接在一起，且均为键连接；伺服电机15启动后带动行星轮减速器的输出轴64转动，并通过扭矩传感器13和进水端转换钻杆75给系统施加一个扭转激励；进水端转换钻杆75穿过密封法兰一70、进水转换器10、密封法兰二71以及密封法兰三72，使进水端转换杆的右端77伸入带三通井筒73内，并通过前端转换头78与前端连接钻柱的左端703连接在一起，且前端转换头78与进水端转换钻杆75和前端连接钻柱79的连接均为密封螺纹连接；带三通井筒的左端701与密封法兰三72通过螺栓连接在一起，密封法兰一70和密封法兰二71通过螺栓连接安装在进水转换器10两端；前端支撑座74通过螺栓连接固定在前端长支撑桌的上表面17上，使其对带三通井筒73起到支撑和固定的作用；当水进入进水转换器内腔80后，通过进水端转换钻杆上的进水孔76进入进水端转换杆内腔81，进而流入钻柱系统内。

所述管柱及加热系统包括九个完全相同且等距布置的连接支撑测量模块、八组完全相同的管柱模块、四组完全相同且等距布置的加热模块；其中，连接支撑测量模块一102、管柱模块一83、连接支撑测量模块二101、管柱模块二84、连接支撑测量模块三100、管柱模块三86、连接支撑测量模块四99、管柱模块四87、连接支撑测量模块五98、管柱模块五89、连接支撑测量模块六97、管柱模块六90、连接支撑测量模块七96、管柱模块七92、连接支撑测量模块八95、管柱模块八93和连接支撑测量模块九94依次连接在一起，且井筒110之间通过井筒接头106连接，钻柱104之间通过斜坡接头105连接；加热模块一82安装在管柱模块一83上，加热模块二85安装在管柱模块三86上，加热模块三88安装在管柱模块五89上，加热模块四91安装在管柱模块七92上。

每个连接支撑测量模块都包括斜坡接头105、井筒接头106、电涡流传感器一109、电涡流传感器二108、电涡流传感器三107、传感器固定座112、方支撑桌113以及套管固定件111；每个管柱模块都包括钻柱104和井筒110，连接支撑测量模块一102中的斜坡接头将驱动及循环系统里的前端连接钻柱的右端704，与管柱模块一83中的钻柱连接在一起，连接支撑测量模块一102中的井筒接头与驱动及循环系统里的带三通井筒的右端702连接，使驱动及循环系统和管柱及加热系统连接在一起；在每个管柱模块中，钻柱104同轴安装在井筒110内，井筒110与钻柱104之间形成环空；斜坡接头105同轴安装在井筒接头106内，且斜坡接头中间带有螺纹孔123，使其可以将管柱模块中的钻柱两两连接起来；井筒接头106与井筒110通过螺栓连接在一起；传感器固定座112与套管固定件111通过螺栓连接固定在方支撑桌113上，且套管固定件111分为上下两部分；套管上固定件118与套管下固定件119通过螺栓连接将井筒110卡在中间，起到支撑和固定井筒110的作用；三个电涡流传感器正交分布在井筒接头106内，通过对每个井筒接头内连接钻柱的斜坡接头105的测量，可以间接的得到每个测点上钻柱的径向和轴向的位移、速度、加速度曲线，并可以据此合成钻柱轴线上的运动轨迹；电涡流传感器一109与井筒上的螺纹孔114通过螺纹连接在一起，并使其伸入井筒接头106内；电涡流传感器二108穿过井筒接头上的通孔三125伸入井筒接头106内，电涡流传感器三107穿过井筒接头上的通孔二124伸入井筒接头106内，且通孔处均用胶水密封；电涡流传感器二的外部螺纹122与螺母一121和螺母二120通过螺纹连接将电涡流传感器二108固定在传感器固定座112上；电涡流传感器三的外部螺纹116与螺母三115和螺母四117通过螺纹连接将电涡流传感器三107固定在传感器固定座112上。

加热模块包括预制加热管127和温度表126；其中预制加热管127套在井筒外负责给环空内气液混合体加热，温度表126通过螺纹连接安装在预制加热管127上；当系统工作时，打开预制加热管，并控制四组预制加热管的温度依次减小，使它们形成阶梯温度，达到模拟真实工况的目的。

所述加载及注气系统包括气罐128、涡街流量计130、进气管129、气液混合管145、密封法兰四131、末端连接钻柱146、末端支撑座144、末端转换钻杆143、弹性联轴器三132、移动平台142、破岩钻头140、钻铤133、顶板134、固定座139、拉压传感器135、激振器136、激振器固定架137和末端长支撑桌141。

其中，气罐128通过进气管129与气液混合管145连接在一起，且气罐128通过进气管129向气液混合管内加气；涡街流量计130安装在进气管129中间，涡街流量计130用于控制进气量；末端连接钻柱左端148与连接支撑测量模块九94中的斜坡接头连接在一起，且为螺纹连接，同时气液混合管左端149与连接支撑测量模块九94中的井筒连接，使加载及注气系统与管柱及加热系统连接在一起；末端连接钻柱右端150通过末端转换头151将穿过密封法兰四的末端转换钻杆左端152连接在一起，且为螺纹连接；密封法兰四131通过螺栓连接与气液混合管的右端154连接在一起；末端支撑座144通过螺栓连接固定在末端长支撑桌141上，使其对气液混合管145起到支撑和固定的作用；末端转换钻杆右端155通过弹性联轴器三132与钻铤左端158连接在一起，且弹性联轴器与二者的连接均为键连接；钻铤右端159内带有螺纹孔，破岩钻头螺纹杆166与钻铤右端159通过钻铤右端内螺纹孔连接在一起；破岩钻头140顶在顶板的研磨槽168内，当破岩钻头140转动时，顶板134充当岩石，使破岩钻头140一直在研磨槽168内研磨，且顶板背后带有顶板螺纹孔167；顶板螺纹孔167通过连接螺柱一165与拉压传感器的左端161连接在一起，且为螺纹连接；拉压传感器右端164通过连接螺柱二162与固定座中间螺纹孔163连接在一起，使固定座139与拉压传感器135连接在一起，且此连接为螺纹连接；四个相同的长螺栓160通过顶板134和固定座139上的通孔将顶板134和固定座139连接在一起；激振器前端螺柱169通过固定座中间螺纹孔163与固定座139连接在一起，且激振器136通过螺栓连接固定在激振器固定架137上；当系统运作时，激振器136会根据破岩钻头140研磨顶板134的频率，通过固定座139、拉压传感器135和顶板134给破岩钻头140一个相应的激励，使破岩钻头140获得到一个钻头-岩石的等效模拟激励。

移动平台142包括可移动板177、导轨三174、导轨四182、导轨滑座五175、导轨滑座六178、导轨滑座七184、导轨滑座八180、导轨限位块五173、导轨限位块六179、导轨限位块七185以及导轨限位块八181。其中，导轨三174和导轨四182通过螺栓连接固定在末端长支撑桌上表面172上，并在导轨三174上安装导轨滑座五175和导轨滑座六178，在导轨四182上安装导轨滑座七185和导轨滑座八180；在导轨三174两端固定导轨限位块五173和导轨限位块六179，在导轨四182两端固定导轨限位块七184和导轨限位块八181以防止导轨滑座脱轨，且通过螺栓连接将所有导轨滑座与导轨平台的下表面183连接在一起。

当气体进入气液混合管的储气腔187后，通过气液混合管内壁上的进气孔186进入气液混合管与末端转换钻杆之间的环空189内；气液混合管内壁上的进气孔186共有四排，每排六个，且为等间距分布，以保证气体均匀进入气液混合管与末端转换钻杆之间的环空189内；管柱里的水进入末端转换钻杆内腔188后通过末端转换钻杆上的孔153进入气液混合管与末端转换钻杆之间的环空189内，并与进入其中的气体均匀混合，用于模拟井下气侵的效果。

所述控制系统分别采集所述驱动及循环系统中的拉力传感器50和扭矩传感器13的反馈信号、管柱及加热系统中的九组正交分布的电涡流传感器及预制加热管127的反馈信号和加载及注气系统中的涡街流量计130及拉压传感器135的反馈信号，同时在内置程序的控制下向所述驱动及循环系统中的伺服电机15、管柱及加热系统中的预制加热管127和加载及注气系统中的涡街流量计130输出控制信号，用于实时控制试验台各部分协作，精细化调整实验参数。

本发明具有如下有益效果：本发明包括四个系统：控制系统、驱动及循环系统、管柱及加热系统、加载及注气系统，控制系统被包括于驱动及循环系统、管柱及加热系统和加载及注气系统之中。驱动及循环系统主要负责钻井液的循环及轴向激励、扭转激励的施加；管柱及加热系统中的管柱系统为本实验装置的主体研究对象，主要包含钻柱和井筒两部分，且加热系统能够提供近工况的温度梯度；加载及注气系统可为试验设备提供模拟的气侵环境以及钻头-岩石的等效激励源；控制系统主要采集钻柱的动力学行为参数，例如转速、轴向力、扭矩、位移、速度以及加速度；控制系统采用IMAC为控制终端，实时控制实验装置各部分协作，精细化调整实验参数。该试验台通过控制系统控制天然气流量、钻井液温度、流量、压力、钻柱轴向力以及转速、钻头-研制模拟激励源等，可实现对水平状态下钻井液与钻柱的流固气全耦合作用的仿真研究，为分析气态天然气对钻柱动力学行为的作用机制提供了可靠的试验数据。

附图说明：

图1是驱动及循环系统的结构示意图。

图2是可移动支撑平台与前端长支撑桌的装配示意图。

图3是轴向加载装置与前端长支撑桌的装配示意图。

图4是轴向加载装置的装配分解示意图。

图5是前端长支撑桌与装配在其上的所有零件的装配示意图。

图6是进水端转换钻杆、前端转换头和前端连接钻柱的装配分解示意图。

图7是进水转换器的剖视图。

图8是进水端转换杆的剖视图。

图9是管柱及加热系统的结构示意图。

图10是连接支撑测量模块和管柱模块的结构示意图。

图11是管柱模块的装配分解示意图。

图12是连接支撑测量模块的装配分解示意图。

图13是井筒接头和斜坡接头的装配分解示意图。

图14是加热模块的装配分解示意图。

图15是加载及注气系统的结构示意图。

图16是气液混合管、末端连接钻柱、末端转换头、末端转换钻杆和密封法兰四的装配分解示意图。

图17是移动平台上所有零件的装配分解示意图。

图18是顶板的示意图。

图19是激振器与激振器固定架的装配分解示意图。

图20是移动平台和末端长支撑桌的装配分解示意图。

图21是气液混合管、末端转换钻杆和密封法兰四的装配剖视图。

图22是本发明总的结构示意图。

图中1-水泵，2-进水管二，3-进水管一，4-除气器，5-回流管二，6-泥浆罐，7-回流管三，8-冷却器，9-回流管一，10-进水转换器，11-前端长支撑桌，12-可移动支撑平台，13-扭矩传感器，14-行星轮减速器，15-伺服电机，16-轴向加载装置，17-前端长支撑桌的上表面，18-导轨限位块一，19-环耳一，20-导轨滑座一，21-环耳二，22-减速器垫高板，23-导轨一，24-扭矩传感器支撑座，25-导轨滑座二，26-移动支撑板，27-导轨限位块二，28-导轨滑座三，29-导轨限位块三，30-导轨二，31-导轨滑座四，32-导轨限位块四，33-钢丝一，34-滑轮组一，35-滑轮组二，36-钢丝固定吊环一，37-滑轮组三，38-钢丝固定吊环三，39-滑轮组六，40-滑轮组五，41-滑轮组四，42-钢丝二，43-前端长支撑桌横杆，44-吊耳一，45-钢丝固定吊环二，46-连接板，47-钢丝固定吊环四，48-吊耳二，49-拉力传感器上端吊环，50-拉力传感器，51-拉力传感器下端吊环，52-丝杠螺母，53-丝杠固定架上端面，54-手摇柄上端面，55-手摇柄，56-手摇柄上螺杆，57-丝杠固定架下端面，58-通孔一，59-丝杠下端面，60-丝杠固定架，61-丝杠，62-丝杠螺母传力杆，63-吊耳三，64-行星轮减速器的输出轴，65-弹性联轴器一，66-扭矩传感器输入轴，67-扭矩传感器输出轴，68-弹性联轴器二，69-进水端转换钻杆的左端，70-密封法兰一，71-密封法兰二，72-密封法兰三，73-带三通井筒，74-前端支撑座，75-进水端转换钻杆，76-进水端转换钻杆上进水孔，77-进水端转换杆右端，78-前端转换头，79-前端连接钻柱，80-进水转换器内腔，81-进水端转换杆内腔，82-加热模块一，83-管柱模块一，84-管柱模块二，85-加热模块二，86-管柱模块三，87-管柱模块四，88-加热模块三，89-管柱模块五，90-管柱模块六，91-加热模块四，92-管柱模块七，93-管柱模块八，94-连接支撑测量模块九，95-连接支撑测量模块八，96-连接支撑测量模块七，97-连接支撑测量模块六，98-连接支撑测量模块五，99-连接支撑测量模块四，100-连接支撑测量模块三，101-连接支撑测量模块二，102-连接支撑测量模块一，104-钻柱，105-斜坡接头，106-井筒接头，107-电涡流传感器三，108-电涡流传感器二，109-电涡流传感器一，110-井筒，111-套管固定件，112-传感器固定座，113-方支撑桌，114-井筒上螺纹孔，115-螺母三，116-电涡流传感器三外部螺纹,117-螺母四,118-套管上固定件,119-套管下固定件,120-螺母二,121-螺母一,122-电涡流传感器二外部螺纹,123-斜坡接头中间螺纹孔,124-井筒接头通孔二,125-井筒接头通孔三,126-温度表,127-预制加热管,128-气罐,129-进气管,130-涡街流量计,131-密封法兰四,132-弹性联轴器三,133-钻铤,134-顶板,135-拉压传感器,136-激振器,137-激振器固定架,139-固定座，140-破岩钻头，141-末端长支撑桌，142-移动平台，143-末端转换钻杆，144-末端支撑座，145-气液混合管，146-末端连接钻柱，148-末端连接钻柱左端，149-气液混合管左端，150-末端连接钻柱右端，151-末端转换头，152-末端转换钻杆左端，153-末端转换钻杆上孔，154-气液混合管右端，155-末端转换钻杆右端，158-钻铤左端，159-钻铤右端，160-长螺栓，161-拉压传感器左端，162-连接螺柱二，163-固定座中间的螺纹孔，164-拉压传感器右端，165-连接螺柱一，166-破岩钻头螺纹杆，167-顶板背后螺纹孔，168-顶板研磨槽，169-激振器前端螺柱，172-末端长支撑桌上表面,173-导轨限位块五,174-导轨三,175-导轨滑座五,177-可移动板,178-导轨滑座六,179-导轨限位块六,180-导轨滑座八,181-导轨限位块八,182-导轨四,183-导轨平台的下表面,184-导轨限位块七,185-导轨滑座七,186-气液混合管内壁上进气孔,187-气液混合管的储气腔,188-末端转换钻杆内腔,189-气液混合管与末端转换钻杆之间的环空,190-控制系统，701-三通井筒左端，702-带三通井筒右端，703-前端连接钻柱左端，704-前端连接钻柱右端。

具体实施方式：

下面对本专利给出详细说明：本种深海水平气井钻柱动力学行为研究试验台，包括控制系统、驱动及循环系统、管柱及加热系统、加载及注气系统，且控制系统被包括于驱动及循环系统、管柱及加热系统和加载及注气系统之中。

所述驱动及循环系统包括泥浆罐、水泵、除气器、冷却器、轴向加载装置、可移动支撑平台、伺服电机、行星轮减速器、扭矩传感器、进水转换器、进水管一、进水管二、回流管一、回流管二、回流管三以及前端长支撑桌。其中扭矩传感器属于控制系统，负责反馈系统启动端的扭矩大小。

水泵通过进水管一和进水管二将水从泥浆罐里抽送至进水转换器里；环空中回流的水通过回流管一、除气器、回流管二、冷却器和回流管三回流到泥浆罐中；可移动支撑平台和轴向加载装置均安装在前端长支撑桌上；伺服电机与行星轮减速器通过键连接装配在一起，并安装在可移动平台上；可移动平台上还安装有扭矩传感器和进水转换器。

可移动支撑平台包括环耳一、环耳二、扭矩传感器支撑座、减速器垫高板、移动支撑板、导轨一、导轨二、导轨滑座一、导轨滑座二、导轨滑座三、导轨滑座四、导轨限位块一、导轨限位块二、导轨限位块三、导轨限位块四。其中，环耳一和环耳二、减速器垫高板、扭矩传感器支撑座通过螺栓连接固定在移动支撑板上；导轨一和导轨二通过螺栓连接固定在前端长支撑桌的上表面，并在导轨一上安装导轨滑座一和导轨滑座二，在导轨二上安装导轨滑座三和导轨滑座四；在导轨一两端固定导轨限位块一和导轨限位块二，在导轨二两端固定导轨限位块三和导轨限位块四，以防止导轨滑座脱轨；通过螺栓连接将可移动支撑平台中的四个导轨滑座与移动支撑板连接。

加载装置包括钢丝一、钢丝二、钢丝固定吊环一、钢丝固定吊环二、钢丝固定吊环三、钢丝固定吊环四、连接板、拉力传感器、丝杠、丝杠螺母、手摇柄、丝杠固定架、滑轮组一、滑轮组二、滑轮组三、滑轮组四、滑轮组五、滑轮组六。其中，钢丝固定吊环一与环耳一连接，且钢丝一与钢丝固定吊环一连接，并绕过滑轮组一、滑轮组二和滑轮组三，然后与钢丝固定吊环二连接；钢丝固定吊环三与环耳二连接，且钢丝二与钢丝固定吊环三连接，并绕过滑轮组四、滑轮组五和滑轮组六，然后与钢丝固定吊环四连接；钢丝固定吊环二与钢丝固定吊环四分别与连接板上端的吊耳一与吊耳二连接在一起；拉力传感器上端吊环与连接板下端的吊耳三连接，拉力传感器下端的吊环与丝杠螺母的传力杆连接；丝杠与丝杠螺母通过螺纹连接形成传动丝杠副；手摇柄上的螺杆穿过丝杠固定架上的通孔一与丝杠连接在一起，并使丝杠的下端面与丝杠固定架的上端面及手摇柄的上端面与丝杠固定架的下端面形成间隙配合，使丝杠固定架卡在手摇柄与丝杠中间，丝杠固定架通过螺栓连接和前端长支撑桌的横杆固定在一起；当转动手摇柄时可以带动丝杠螺母向下运动进而带动拉力传感器、连接板、钢丝一、钢丝二等，给移动支撑板一个轴向拉力，从而达到给系统一个轴向激励的目的。

行星轮减速器的输出轴与扭矩传感器的输入轴通过弹性联轴器一连接在一起，扭矩传感器的输出轴与进水端转换钻杆的左端通过弹性联轴器二连接在一起，且均为键连接；伺服电机启动后带动行星轮减速器的输出轴转动，并通过扭矩传感器和进水端转换钻杆给系统施加一个扭转激励；进水端转换钻杆穿过密封法兰一、进水转换器、密封法兰二、密封法兰三，使进水端转换杆右端伸入带三通井筒内，并通过前端转换头与前端连接钻柱的左端连接在一起，且前端转换头与进水端转换钻杆和前端连接钻柱的连接均为密封螺纹连接；带三通井筒的左端与密封法兰三通过螺栓连接在一起，密封法兰一和密封法兰二通过螺栓连接安装在进水转换器两端；前端支撑座通过螺栓连接固定在前端长支撑桌的上表面上，使其对带三通井筒起到支撑和固定的作用。当水进入进水转换器内腔后，通过进水端转换钻杆上的进水孔进入进水端转换杆内腔，进而流入钻柱系统内。

所述管柱及加热系统包括九个完全相同且等距布置的连接、支撑及测量模块、八组完全相同的管柱模块、四组完全相同且等距布置的加热模块。其中，连接、支撑及测量模块一、管柱模块一、连接、支撑及测量模块二、管柱模块二、连接、支撑及测量模块三、管柱模块三、连接、支撑及测量模块四、管柱模块四、连接、支撑及测量模块五、管柱模块五、连接、支撑及测量模块六、管柱模块六、连接、支撑及测量模块七、管柱模块七、连接、支撑及测量模块八、管柱模块八和连接、支撑及测量模块九依次连接在一起，且井筒之间通过井筒接头连接，钻柱之间通过斜坡接头连接；加热模块一安装在管柱模块一上，加热模块二安装在管柱模块三上，加热模块三安装在管柱模块五上，加热模块四安装在管柱模块七上。

每个连接、支撑及测量模块都包括斜坡接头、井筒接头、电涡流传感器一、电涡流传感器二、电涡流传感器三、传感器固定座、方支撑桌、套管固定件；每个管柱模块都包括钻柱和井筒，且连接、支撑及测量模块一中的斜坡接头将驱动及循环系统里的前端连接钻柱的右端与管柱模块一中的钻柱连接在一起，连接、支撑及测量模块一中的井筒接头与驱动及循环系统里的带三通井筒的右端连接，使驱动及循环系统和管柱及加热系统连接在一起。在每个管柱模块中，钻柱同轴安装在井筒内，井筒与钻柱之间形成环空；斜坡接头同轴安装在井筒接头内，且斜坡接头中间带有螺纹孔，使其可以将管柱模块中的钻柱两两连接起来；井筒接头与井筒通过螺栓连接在一起；传感器固定座与套管固定件通过螺栓连接固定在方支撑桌上，且套管固定件分为上下两部分；套管上固定件与套管下固定件通过螺栓连接将井筒卡在中间，起到支撑和固定井筒的作用；三个电涡流传感器正交分布在井筒接头内，通过对每个井筒接头内连接钻柱的斜坡接头的测量，可以间接的得到每个测点上钻柱的径向和轴向的位移、速度、加速度曲线，并可以据此合成钻柱轴线上的运动轨迹；电涡流传感器一与井筒上的螺纹孔通过螺纹连接在一起，并使其伸入井筒接头内；电涡流传感器二穿过井筒接头上的通孔三伸入井筒接头内，电涡流传感器三穿过井筒接头上的通孔二伸入井筒接头内，且通孔处均用胶水密封；电涡流传感器二的外部螺纹与螺母一和螺母二通过螺纹连接将电涡流传感器二固定在传感器固定座上；电涡流传感器三的外部螺纹与螺母三和螺母四通过螺纹连接将电涡流传感器三固定在传感器固定座上。

加热模块包括预制加热管和温度表。其中预制加热管套在井筒外负责给环空内气液混合体加热，温度表通过螺纹连接安装在预制加热管上；当系统工作时，打开预制加热管，并控制四组预制加热管的温度依次减小，使它们形成阶梯温度，达到模拟真实工况的目的。

所述加载及注气系统包括气罐、涡街流量计、进气管、气液混合管、密封法兰四、末端连接钻柱、末端支撑座、末端转换钻杆、弹性联轴器三、移动平台、破岩钻头、钻铤、顶板、固定座、拉压传感器、激振器、激振器固定架和末端长支撑桌。

其中，气罐通过进气管与气液混合管连接在一起，且气罐通过进气管向气液混合管内加气；涡街流量计安装在进气管中间，且涡街流量计可以控制进气量；末端连接钻柱的左端与连接、支撑及测量模块九中的斜坡接头连接在一起，且为螺纹连接，同时气液混合管的左端与连接、支撑及测量模块九中的井筒连接，使加载及注气系统与管柱及加热系统连接在一起；末端连接钻柱的右端通过末端转换头将穿过密封法兰四的末端转换钻杆的左端连接在一起，且为螺纹连接，密封法兰四通过螺栓连接与气液混合管的右端连接在一起；末端支撑座通过螺栓连接固定在末端长支撑桌上，使其对气液混合管起到支撑和固定的作用；末端转换钻杆的右端通过弹性联轴器三与钻铤的左端连接在一起，且弹性联轴器与二者的连接均为键连接；钻铤的右端内带有螺纹孔，破岩钻头的螺纹杆与钻铤的右端通过钻铤右端内螺纹孔连接在一起；破岩钻头顶在顶板的研磨槽内，当破岩钻头转动时，顶板就充当岩石，使破岩钻头一直在研磨槽内研磨，且顶板背后带有螺纹孔；顶板背后的螺纹孔通过连接螺柱一与拉压传感器的左端连接在一起，且为螺纹连接；拉压传感器的右端通过连接螺柱二与固定座中间的螺纹孔连接在一起，使固定座与拉压传感器连接在一起，且此连接为螺纹连接；四个相同的长螺栓通过顶板和固定座上的通孔将顶板和固定座连接在一起；激振器前端的螺柱通过固定座中间的螺纹孔与固定座连接在一起，且激振器通过螺栓连接固定在激振器固定架上；当系统运作时，激振器会根据破岩钻头研磨顶板的频率，通过固定座、拉压传感器和顶板给破岩钻头一个相应的激励，使破岩钻头获得到一个钻头-岩石的等效模拟激励，使本实验更贴近实际工况。

移动平台包括可移动板、导轨三、导轨四、导轨滑座五、导轨滑座六、导轨滑座七、导轨滑座八、导轨限位块五、导轨限位块六、导轨限位块七、导轨限位块八。其中，导轨三和导轨四通过螺栓连接固定在末端长支撑桌的上表面上，并在导轨三上安装导轨滑座五和导轨滑座六，在导轨四上安装导轨滑座七和导轨滑座八；在导轨三两端固定导轨限位块五和导轨限位块六，在导轨四两端固定导轨限位块七和导轨限位块八，以防止导轨滑座脱轨，且通过螺栓连接将所有导轨滑座与导轨平台的下表面连接在一起。

当气体进入气液混合管的储气腔后，通过气液混合管内壁上的进气孔进入气液混合管与末端转换钻杆之间的环空内；气液混合管内壁上的进气孔共有四排，每排六个，且为等间距分布，以保证气体均匀进入气液混合管与末端转换钻杆之间的环空内；管柱里的水进入末端转换钻杆内腔后通过末端转换钻杆上的孔进入气液混合管与末端转换钻杆之间的环空内，并与进入其中的气体均匀混合，以达到模拟井下气侵的效果。

所述控制系统采用IMAC为控制终端，可实时控制实验装置各部分协作，精细化调整实验参数。所述IMAC即多轴运动控制器，可以接收传感器输出的信号，并在电脑中显示出来，然后再根据接收到的传感器的输出信号给系统一个控制信号，以此来实时控制实验装置。比如当IMAC接收到扭矩传感器输出的信号后，如果发现此时扭矩过大或过小，那么IMAC就会给系统中伺服电机一个信号使其调整输出扭矩。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，驱动及循环系统主要包括泥浆罐6、水泵1、除气器4、冷却器8、轴向加载装置16、可移动支撑平台12、伺服电机15、行星轮减速器14、扭矩传感器13、进水转换器10、进水管一3、进水管二2、回流管一9、回流管二5、回流管三7以及前端长支撑桌11。其中扭矩传感器13属于控制系统，负责反馈系统启动端的扭矩大小。

如图1所示，水泵1通过进水管一3和进水管二2将水从泥浆罐5里抽送至进水转换器10里；环空中回流的水通过回流管一9、除气器4、回流管二5、冷却器8和回流管三7回流到泥浆罐6中；可移动支撑平台12和轴向加载装置16均安装在前端长支撑桌上；伺服电机15与行星轮减速器14通过键连接装配在一起，并安装在可移动平台12上；可移动平台12上还安装有扭矩传感器13和进水转换器10。

如图2所示，所述可移动支撑平台12包括环耳一19、环耳二21、扭矩传感器支撑座24、减速器垫高板22、移动支撑板26、导轨一23、导轨二30、导轨滑座一20、导轨滑座二25、导轨滑座三28、导轨滑座四31、导轨限位块一18、导轨限位块二27、导轨限位块三29、导轨限位块四32。其中，环耳一19和环耳二21、减速器垫高板22、扭矩传感器支撑座24通过螺栓连接固定在移动支撑板26上；导轨一23和导轨二30通过螺栓连接固定在前端长支撑桌的上表面17，并在导轨一23上安装导轨滑座一20和导轨滑座二25，在导轨二30上安装导轨滑座三28和导轨滑座四31；在导轨一23两端固定导轨限位块一18和导轨限位块二27，在导轨二30两端固定导轨限位块三29和导轨限位块四32，以防止导轨滑座脱轨；通过螺栓连接将可移动支撑平台中的四个导轨滑座与移动支撑板26连接。

如图3、图4所示，加载装置包括钢丝一33、钢丝二42、钢丝固定吊环一36、钢丝固定吊环二45、钢丝固定吊环三38、钢丝固定吊环四47、连接板46、拉力传感器50、丝杠61、丝杠螺母52、手摇柄55、丝杠固定架60、滑轮组一34、滑轮组二35、滑轮组三37、滑轮组四41、滑轮组五40、滑轮组六39。其中，钢丝固定吊环一36与环耳一19连接，且钢丝一33与钢丝固定吊环一36连接，并绕过滑轮组一34、滑轮组二35和滑轮组三37，然后与钢丝固定吊环二45连接；钢丝固定吊环三38与环耳二21连接，且钢丝二42与钢丝固定吊环三38连接，并绕过滑轮组四41、滑轮组五40和滑轮组六39，然后与钢丝固定吊环四47连接；钢丝固定吊环二45与钢丝固定吊环四47分别与连接板上端的吊耳一44与吊耳二48连接在一起；拉力传感器上端吊环49与连接板下端的吊耳三63连接，拉力传感器下端的吊环51与丝杠螺母的传力杆62连接；丝杠61与丝杠螺母52通过螺纹连接形成传动丝杠副；手摇柄上的螺杆56穿过丝杠固定架上的通孔一58与丝杠61连接在一起，并使丝杠的下端面59与丝杠固定架的上端面53及手摇柄的上端面54与丝杠固定架的下端面57形成间隙配合，使丝杠固定架60卡在手摇柄55与丝杠61中间，丝杠固定架60通过螺栓连接和前端长支撑桌的横杆43固定在一起；当转动手摇柄55时可以带动丝杠螺母52向下运动进而带动拉力传感器50、连接板46、钢丝一33、钢丝二42等，给移动支撑板26一个轴向拉力，从而达到给系统一个轴向激励的目的。

如图5、图6、图7、图8所示，行星轮减速器的输出轴64与扭矩传感器的输入轴66通过弹性联轴器一65连接在一起，扭矩传感器的输出轴67与进水端转换钻杆的左端69通过弹性联轴器二68连接在一起，且均为键连接；伺服电机15启动后带动行星轮减速器的输出轴64转动，并通过扭矩传感器13和进水端转换钻杆75给系统施加一个扭转激励；进水端转换钻杆75穿过密封法兰一70、进水转换器10、密封法兰二71、密封法兰三72，使进水端转换杆右端77伸入带三通井筒73内，并通过前端转换头78与前端连接钻柱的左端703连接在一起，且前端转换头78与进水端转换钻杆75和前端连接钻柱79的连接均为密封螺纹连接；带三通井筒的左端701与密封法兰三72通过螺栓连接在一起，密封法兰一70和密封法兰二71通过螺栓连接安装在进水转换器10两端；前端支撑座74通过螺栓连接固定在前端长支撑桌的上表面17上，使其对带三通井筒73起到支撑和固定的作用。当水进入进水转换器内腔80后，通过进水端转换钻杆上的进水孔76进入进水端转换杆内腔81，进而流入钻柱系统内。

如图9所示，管柱及加热系统包括九个完全相同且等距布置的连接、支撑及测量模块、八组完全相同的管柱模块、四组完全相同且等距布置的加热模块。其中，连接、支撑及测量模块一102、管柱模块一83、连接、支撑及测量模块二101、管柱模块二84、连接、支撑及测量模块三100、管柱模块三86、连接、支撑及测量模块四99、管柱模块四87、连接、支撑及测量模块五98、管柱模块五89、连接、支撑及测量模块六97、管柱模块六90、连接、支撑及测量模块七96、管柱模块七92、连接、支撑及测量模块八95、管柱模块八93和连接、支撑及测量模块九94依次连接在一起，且井筒110之间通过井筒接头106连接，钻柱104之间通过斜坡接头105连接；加热模块一82安装在管柱模块一83上，加热模块二85安装在管柱模块三86上，加热模块三88安装在管柱模块五89上，加热模块四91安装在管柱模块七92上。

如图10、图11、图12、图13所示，每个连接、支撑及测量模块都包括斜坡接头105、井筒接头106、电涡流传感器一109、电涡流传感器二108、电涡流传感器三107、传感器固定座112、方支撑桌113、套管固定件111；每个管柱模块都包括钻柱104和井筒110，且连接、支撑及测量模块一102中的斜坡接头将驱动及循环系统里的前端连接钻柱的右端704与管柱模块一83中的钻柱连接在一起，连接、支撑及测量模块一102中的井筒接头与驱动及循环系统里的带三通井筒的右端702连接，使驱动及循环系统和管柱及加热系统连接在一起。在每个管柱模块中，钻柱104同轴安装在井筒110内，井筒110与钻柱104之间形成环空；斜坡接头105同轴安装在井筒接头106内，且斜坡接头中间带有螺纹孔123，使其可以将管柱模块中的钻柱两两连接起来；井筒接头106与井筒110通过螺栓连接在一起；传感器固定座112与套管固定件111通过螺栓连接固定在方支撑桌113上，且套管固定件111分为上下两部分；套管上固定件118与套管下固定件119通过螺栓连接将井筒110卡在中间，起到支撑和固定井筒110的作用；三个电涡流传感器正交分布在井筒接头106内，通过对每个井筒接头内连接钻柱的斜坡接头105的测量，可以间接的得到每个测点上钻柱的径向和轴向的位移、速度、加速度曲线，并可以据此合成钻柱轴线上的运动轨迹；电涡流传感器一109与井筒上的螺纹孔114通过螺纹连接在一起，并使其伸入井筒接头106内；电涡流传感器二108穿过井筒接头上的通孔三125伸入井筒接头106内，电涡流传感器三107穿过井筒接头上的通孔二124伸入井筒接头106内，且通孔处均用胶水密封；电涡流传感器二的外部螺纹122与螺母一121和螺母二120通过螺纹连接将电涡流传感器二108固定在传感器固定座112上；电涡流传感器三的外部螺纹116与螺母三115和螺母四117通过螺纹连接将电涡流传感器三107固定在传感器固定座112上。

如图14所示，加热模块包括预制加热管127和温度表126。其中预制加热管127套在井筒外负责给环空内气液混合体加热，温度表126通过螺纹连接安装在预制加热管127上；当系统工作时，打开预制加热管，并控制四组预制加热管的温度依次减小，使它们形成阶梯温度，达到模拟真实工况的目的。

如图15、图16、图17、图18、图19所示，加载及注气系统包括气罐128、涡街流量计130、进气管129、气液混合管145、密封法兰四131、末端连接钻柱146、末端支撑座144、末端转换钻杆143、弹性联轴器三132、移动平台142、破岩钻头140、钻铤133、顶板134、固定座139、拉压传感器135、激振器136、激振器固定架137和末端长支撑桌141。

其中，气罐128通过进气管129与气液混合管145连接在一起，且气罐128通过进气管129向气液混合管内加气；涡街流量计130安装在进气管129中间，且涡街流量计130可以控制进气量；末端连接钻柱的左端148与连接、支撑及测量模块九94中的斜坡接头连接在一起，且为螺纹连接，同时气液混合管的左端149与连接、支撑及测量模块九94中的井筒连接，使加载及注气系统与管柱及加热系统连接在一起；末端连接钻柱的右端150通过末端转换头151将穿过密封法兰四的末端转换钻杆的左端152连接在一起，且为螺纹连接，密封法兰四131通过螺栓连接与气液混合管的右端154连接在一起；末端支撑座144通过螺栓连接固定在末端长支撑桌141上，使其对气液混合管145起到支撑和固定的作用；末端转换钻杆的右端155通过弹性联轴器三132与钻铤的左端158连接在一起，且弹性联轴器与二者的连接均为键连接；钻铤的右端159内带有螺纹孔，破岩钻头的螺纹杆166与钻铤的右端159通过钻铤右端内螺纹孔连接在一起；破岩钻头140顶在顶板的研磨槽168内，当破岩钻头140转动时，顶板134就充当岩石，使破岩钻头140一直在研磨槽168内研磨，且顶板背后带有螺纹孔167；顶板背后的螺纹孔167通过连接螺柱一165与拉压传感器的左端161连接在一起，且为螺纹连接；拉压传感器的右端164通过连接螺柱二162与固定座中间的螺纹孔163连接在一起，使固定座139与拉压传感器135连接在一起，且此连接为螺纹连接；四个相同的长螺栓160通过顶板134和固定座139上的通孔将顶板134和固定座139连接在一起；激振器前端的螺柱169通过固定座中间的螺纹孔163与固定座139连接在一起，且激振器136通过螺栓连接固定在激振器固定架137上；当系统运作时，激振器136会根据破岩钻头140研磨顶板134的频率，通过固定座139、拉压传感器135和顶板134给破岩钻头140一个相应的激励，使破岩钻头140获得到一个钻头-岩石的等效模拟激励，使本实验更贴近实际工况。

如图20所示，移动平台142还包括可移动板177、导轨三174、导轨四182、导轨滑座五175、导轨滑座六178、导轨滑座七184、导轨滑座八180、导轨限位块五173、导轨限位块六179、导轨限位块七185、导轨限位块八181。其中，导轨三174和导轨四182通过螺栓连接固定在末端长支撑桌的上表面172上，并在导轨三174上安装导轨滑座五175和导轨滑座六178，在导轨四182上安装导轨滑座七185和导轨滑座八180；在导轨三174两端固定导轨限位块五173和导轨限位块六179，在导轨四182两端固定导轨限位块七184和导轨限位块八181，以防止导轨滑座脱轨，且通过螺栓连接将所有导轨滑座与导轨平台的下表面183连接在一起。

如图21所示，为气液混合管145、密封法兰四131和末端转换钻杆143的装配图的剖视图。当气体进入气液混合管的储气腔187后，通过气液混合管内壁上的进气孔186进入气液混合管与末端转换钻杆之间的环空189内；气液混合管内壁上的进气孔186共有四排，每排六个，且为等间距分布，以保证气体均匀进入气液混合管与末端转换钻杆之间的环空189内；管柱里的水进入末端转换钻杆内腔188后通过末端转换钻杆上的孔153进入气液混合管与末端转换钻杆之间的环空189内，并与进入其中的气体均匀混合，以达到模拟井下气侵的效果。

如图22所示，所述控制系统190采用IMAC为控制终端，可实时控制实验装置各部分协作，精细化调整实验参数。

本试验台的工作过程如下：系统开始工作时，水泵将泥浆罐中的水抽入进水转换器内，进水转换器通过进水端转换钻杆使水流入钻柱内腔。然后轴向加载装置通过钢丝拉动移动支撑板给钻柱系统一个轴向激励，同时使伺服电机带动行星轮减速器的输出轴和钻柱转动，给钻柱系统一个扭转激励，连接在伺服电机和钻柱系统之间的扭矩传感器负责检测系统的扭矩大小，并通过控制系统进行实时反馈。钻柱内的水流经管柱系统后进入气液混合管内，同时气罐向气液混合管内注入天然气模拟井底的气侵环境，并通过连接在气罐与气液混合罐中间的涡街流量计控制进气量。当气体和水在气液混合管内混合后经过钻柱和井筒之间的环空、除气器、和冷却器回流到泥浆罐中，形成钻井液循环系统。在装置末端，钻柱带动破岩转头旋转并使破岩钻头一直在顶板的研磨槽内研磨，同时激振器根据破岩转头的研磨转速给系统一个激振频率，模拟井下钻头的工作环境。在钻井液回流时，加热系统通过预制加热管给环空中的气液混合体加热，并使四个预制加热管的温度依次减小形成阶梯温度，从而达到研究不同的温度梯度对钻柱动力学行为的影响；同时安装在井筒接头上的九组电涡流传感器通过对斜坡接头的测量，得到每个测点上钻柱的径向和轴向的位移、速度、加速度曲线。