一种钻井模拟装置的制作方法

本申请涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种钻井模拟装置。

背景技术：

钻井提速一直是钻井工程领域的研究热点。高效破岩技术是油气钻井领域的核心，也是钻井工程理论研究的重点内容。随着油气勘探的不断深入，勘探难度日益增加，全球油气勘探开发目标正从浅层向深层、超深层发展，破岩难度加大。

针对当前深部高研磨地层钻井难点和钻井破岩技术的实际情况，亟需发展新的高效破岩技术。目前研究破岩技术的方式主要是通过钻井模拟来进行的。钻井模拟是进行钻井工程设计、钻井压力控制、技术培训和现场施工等的主要手段，钻井模拟装置能够在室内模拟钻井实验。然而，当前钻井模拟装置和方法的研究正处于起步阶段，现有研究成果相对较少，其破岩效率有待提高，因此，亟需研究出一种新的钻井模拟实验装置和方法，以提高破岩效率，突破当前深部高研磨地层钻井难点。

技术实现要素：

本申请实施例的目的是提供一种钻井模拟装置，以提高破岩效率。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种钻井模拟装置是这样实现的：

一种钻井模拟装置，所述装置包括：数控钻床、振动发生短节和钻头；

所述数控机床用于控制所述振动发生短节、所述钻头进行旋转运动和进给运动；

所述振动发生短节的上端安装在所述数控钻床上，以及下端与所述钻头相连接，所述振动发生短节用于控制所述钻头按照指定频率沿所述钻头轴向上下振动；

所述钻头用于在所述数控钻床和所述振动发生短节的控制作用下，破碎放置在岩心夹持器内的岩心样品；其中，所述岩心夹持器放置在所述数控钻床上。

优选方案中，所述数控钻床中包括：钻床电箱、滑动主轴、钻床底座、电机和钻床主轴；

所述滑动主轴的一端安装在所述钻床底座上，所述钻床电箱安装在所述滑动主轴上，以使得所述钻床电箱沿所述滑动主轴的轴向进行进给运动；

所述钻床主轴中包括锥体接头、皮带轮和钻机轴承；其中，所述锥体接头安装在所述钻床电箱内；所述钻机轴承安装在所述锥体接头和所述钻床电箱之间，且与所述锥体接头相配合固定连接；

所述电机安装在所述钻床电箱内，且通过所述皮带轮与所述锥体接头的上端相连接，所述锥体接头的下端与所述振动发生节点的上端同轴心固定连接；所述电机用于通过所述皮带轮控制所述锥体接头、所述振动发生节点和所述钻头进行旋转运动。

优选方案中，所述振动发生短节中包括：换能器外壳、超声波换能器和供电组件；

所述换能器外壳安装在所述锥体接头的下端；

所述超声波换能器安装在所述换能器外壳内，且与所述换能器外壳通过螺栓相连接以及与所述钻头通过螺纹同轴心连接；所述超声波换能器用于将电能转换为沿所述超声波换能器轴向上下振动的机械能，以控制所述钻头按照指定频率沿所述钻头轴向上下振动；

所述供电组件与所述换能器外壳固定连接，用于给所述超声波换能器供电。

优选方案中，所述换能器外壳中包括：换能器接头、换能器轴承、正极环、正负极分隔环、负极环、螺母和通电孔；

所述换能器接头的上端与所述锥体接头相配合固定连接，所述换能器接头的下端外壁从上至下依次与所述换能器轴承、所述正极环、所述正负极分隔环和所述负极环相配合固定连接；所述换能器轴承与所述供电组件固定连接；

所述正极环的内圈和所述负极环的内圈分别通过所述通电孔、电缆与所述超声波换能器相连接，所述正极环的外圈和所述负极环的外圈分别与所述供电组件相连接，以使得通过所述供电组件向所述超声波换能器供电；

所述螺母设置在所述正负极分隔环的下方，且与所述正负极分隔环的下端面相接触，以及与所述换能器接头的下端螺纹连接，以使得在所述螺母锁紧时，将所述正极环、所述正负极分隔环和所述负极环固定在所述换能器接头的下端外壁上。

优选方案中，所述超声波换能器中包括从上至下依次安装在所述换能器接头内的换能器后盖、压电陶瓷和换能器主体；

所述压电陶瓷通过所述通电孔和电缆，与所述正极环的内圈和所述负极环的内圈相连接，所述压电陶瓷用于将电能转换为沿所述压电陶瓷轴向上下振动的机械能，以控制与所述换能器主体通过螺纹连接的所述钻头按照指定频率沿所述钻头轴向上下振动。

优选方案中，所述供电组件中包括保护片、电源绝缘环、两个环形碳刷、供电接头和供电外壳；

所述保护片和所述电源绝缘环从上至下分别与所述换能器轴承固定连接；所述电源绝缘环安装在所述保护片与所述供电外壳之间；所述电源绝缘环内从上至下设置有所述正极环、所述正负极分隔环和所述负极环；

两个所述环形碳刷从上至下分别设置在所述电源绝缘环上，两个所述环形碳刷的一端分别与所述正极环的外圈和所述负极环的外圈摩擦连接，两个所述环形碳刷的另一端分别与所述供电接头相连接，以使得通过所述供电接头向所述超声波换能器供电。

优选方案中，所述钻头中包括钻头基体、设置在所述钻头基体上的至少一个刀翼，以及设置在所述刀翼上的切削齿；其中，所述钻头基体的尾部与所述换能器主体通过螺纹连接。

优选方案中，所述装置还包括岩屑清理机构；

所述岩屑清理机构设置在所述钻床底座上，且与所述钻床底座通过螺栓固定连接，所述岩屑清理机构用于通过与其相连接的泵，向所述钻头钻遇所述岩心样品的位置提供钻井液，以清除所述钻头破碎所述岩心样品后生成的岩屑。

优选方案中，所述装置还包括压力传感器；

所述压力传感器安装在所述岩心夹持器下方，且与所述钻床底座通过螺栓固定连接，所述压力传感器用于检测所述钻头作用在所述岩心样品上的压力，并将检测结果发送至压力采集器。

优选方案中，所述岩心夹持器中包括夹持器主体、岩心筒和多个销钉；

所述夹持器主体安装在所述压力传感器上；

所述岩心筒放置在所述夹持器主体的中间凹槽内，所述岩心筒用于放置所述岩心样品；

所述销钉设置在所述夹持器主体的侧壁的通孔位置处，用于通过所述岩心筒侧壁上的与所述夹持器主体的侧壁的通孔相配合的孔口，将所述岩心样品固定在所述岩心筒内。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例提供的钻井模拟装置，可以通过所述数控机床控制所述振动发生短节、所述钻头进行旋转运动和进给运动，并可以通过所述振动发生短节控制所述钻头按照指定频率沿所述钻头轴向上下振动；那么，可以在所述数控钻床和所述振动发生短节的控制作用下，通过所述钻头破碎放置在所述岩心夹持器内的岩心样品，从而可以提高破岩效率。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。

图1是本申请钻井模拟装置实施例的组成结构示意图；

图2是本申请实施例中钻井模拟装置实施例的三维整体视图；

图3是本申请实施例中电机、钻床主轴和超声波换能器之间的配合关系示意图；

图4是本申请实施例中超声波换能器的组成结构示意图；

图5是本申请实施例中钻头的俯视图；

图6是本申请实施例中岩心夹持器的俯视图。

具体实施方式

本申请实施例提供一种钻井模拟装置。

结合附图和本实用新型具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本实用新型的细节。但是，在此描述的本实用新型的具体实施方式，仅用于解释本实用新型的目的，而不能以任何方式理解成是对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下，技术人员可以构想基于本实用新型的任意可能的变形，这些都应被视为属于本实用新型的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够对深部地层中硬度高的岩石进行有效破碎，在本申请中提出了一种钻井模拟装置，图1是本申请钻井模拟装置实施例的组成结构示意图，图2是本申请实施例中钻井模拟装置实施例的三维整体视图，如图1和图2所示，所述钻井模拟装置可以包括：数控钻床、振动发生短节和钻头9。所述数控机床可以用于控制所述振动发生短节、所述钻头进行旋转运动和进给运动；所述振动发生短节的上端安装在所述数控钻床上，以及下端与所述钻头9相连接，所述振动发生短节可以用于控制所述钻头9按照指定频率沿所述钻头9轴向上下振动；所述钻头9用于在所述数控钻床和所述振动发生短节的控制作用下，破碎放置在岩心夹持器12内的岩心样品11；其中，所述岩心夹持器12放置在所述数控钻床上。这样，

在本实施方式中，所述数控钻床中可以包括：钻床电箱1、滑动主轴2、钻床底座3、电机4和钻床主轴5。其中，所述滑动主轴2的一端安装在所述钻床底座3上，所述钻床电箱1安装在所述滑动主轴2上，以使得所述钻床电箱1沿所述滑动主轴2的轴向进行进给运动。在本实施方式中，图3是本申请实施例中电机、钻床主轴和超声波换能器之间的配合关系示意图，如图3所示，所述钻床主轴5中包括锥体接头5-1、皮带轮5-2和钻机轴承5-3；其中，所述锥体接头5-1安装在所述钻床电箱1内；所述钻机轴承5-3安装在所述锥体接头5-1和所述钻床电箱1之间，且与所述锥体接头5-1相配合固定连接；所述电机4安装在所述钻床电箱1内，且通过所述皮带轮5-2与所述锥体接头5-1的上端相连接，所述锥体接头5-1的下端与所述振动发生节点的上端同轴心固定连接；所述电机4用于通过所述皮带轮5-2控制所述锥体接头5-1、所述振动发生节点和所述钻头9进行旋转运动。

在本实施方式中，所述振动发生短节中可以包括：换能器外壳6、超声波换能器7和供电组件8。其中，所述换能器外壳6安装在图3中所述锥体接头5-1的下端；所述超声波换能器7安装在所述换能器外壳6内，且与所述换能器外壳6通过螺栓相连接以及与所述钻头9通过螺纹同轴心连接；所述超声波换能器7用于将电能转换为沿所述超声波换能器7轴向上下振动的机械能，以控制所述钻头9按照指定频率沿所述钻头轴向上下振动；所述供电组件8与所述换能器外壳6固定连接，用于给所述超声波换能器7供电。其中，所述换能器外壳6、所述超声波换能器7、所述供电组件8与所述钻头9同轴心装配在一起。

在本实施方式中，图4是本申请实施例中超声波换能器的组成结构示意图，如图4所示，所述换能器外壳6中包括：换能器接头6-1、换能器轴承6-2、正极环6-3、正负极分隔环6-4、负极环6-5、螺母6-6和通电孔6-7。其中，所述换能器接头6-1的上端与图3中的所述锥体接头5-1相配合固定连接，所述换能器接头6-1的下端外壁从上至下依次与所述换能器轴承6-2、所述正极环6-3、所述正负极分隔环6-4和所述负极环6-5相配合固定连接；所述换能器轴承6-2与所述供电组件8固定连接；所述正极环6-3的内圈和所述负极环6-5的内圈分别通过所述通电孔6-7、电缆与所述超声波换能器7相连接，所述正极环6-3的外圈和所述负极环6-5的外圈分别与所述供电组件8相连接，以使得通过所述供电组件8向所述超声波换能器7供电；所述螺母6-6设置在所述正负极分隔环6-4的下方，且与所述正负极分隔环6-4的下端面相接触，以及与所述换能器接头6-1的下端螺纹连接，以使得在所述螺母6-6锁紧时，将所述正极环6-3、所述正负极分隔环6-4和所述负极环6-5固定在所述换能器接头6-1的下端外壁上。

在本实施方式中，如图4所示，所述超声波换能器7中包括从上至下依次安装在所述换能器接头6-1内的换能器后盖7-1、压电陶瓷7-2和换能器主体7-3。其中，所述压电陶瓷7-2通过所述通电孔6-7和电缆，与所述正极环6-3的内圈和所述负极环6-5的内圈相连接，所述压电陶瓷7-2用于将电能转换为沿所述压电陶瓷7-2轴向上下振动的机械能，以控制与所述换能器主体7-3通过螺纹连接的所述钻头9按照指定频率沿所述钻头9轴向上下振动。

在本实施方式中，所述供电组件8中可以包括：保护片8-1、电源绝缘环8-2、两个环形碳刷8-3、供电接头8-4和供电外壳8-5。所述保护片8-1和所述电源绝缘环8-2从上至下分别与所述换能器轴承6-2固定连接；所述电源绝缘环8-2安装在所述保护片8-1与所述供电外壳8-5之间；所述电源绝缘环8-2内从上至下设置有所述正极环6-3、所述正负极分隔环6-4和所述负极环6-5；两个所述环形碳刷8-3从上至下分别设置在所述电源绝缘环8-2上，两个所述环形碳刷8-3的一端分别与所述正极环6-3的外圈和所述负极环6-5的外圈摩擦连接，两个所述环形碳刷8-3的另一端分别与所述供电接头8-4相连接，以使得通过所述供电接头8-4向所述超声波换能器7供电。例如，可以通过外部供电电源与所述供电接头8-4相连接，向所述超声波换能器7输入220伏(V)的交变电流，这样，可以利用所述超声波换能器7中的压电陶瓷7-2的压电性能将电能转化为沿所述压电陶瓷7-2轴向上下振动的机械能，由于所述换能器外壳6、所述超声波换能器7、所述供电组件8与所述钻头9同轴心装配在一起，从而带动与所述换能器主体7-3通过螺纹连接的所述钻头9按照所述指定频率沿所述钻头9轴向上下振动。其中，所述钻头9沿轴向上高频振动的振幅的取值范围可以包括0～20微米。

在本实施方式中，图5是本申请实施例中钻头的俯视图，如图5所示，所述钻头9中包括钻头基体9-1、设置在所述钻头基体9-1上的至少一个刀翼9-2，以及设置在所述刀翼9-2上的切削齿9-3。其中，所述钻头基体9-1的尾部与所述换能器主体7-3通过螺纹连接，同时起到变幅杆的作用。

在本实施方式中，所述指定频率的取值范围可以包括20～40000赫兹(Hz)。

在本实施方式中，所述钻头作旋转运动时的转速的取值范围可以包括0～200转/分(Revolutions Per Minute，rmp)。

在本申请一个实施方式中，所述钻井模拟装置还可以包括岩屑清理机构10。所述岩屑清理机构10设置在所述钻床底座3上，且与所述钻床底座3通过螺栓固定连接，所述岩屑清理机构10用于通过与其相连接的泵，向所述钻头9钻遇所述岩心样品11的位置提供钻井液，以清除所述钻头9破碎所述岩心样品11后生成的岩屑，可以防止出现重复破碎，影响实验结果。

在本申请一个实施方式中，所述钻井模拟装置还包括压力传感器13。所述压力传感器13安装在所述岩心夹持器12下方，且与所述钻床底座3通过螺栓固定连接，所述压力传感器13用于检测所述钻头9作用在所述岩心样品11上的压力，并将检测结果发送至图1中的压力采集器14。如此，可以实时监控和采集所述钻头9作用在岩心样品11上的压力，为实验结果分析提供可靠依据。

在本实施方式中，图6是本申请实施例中岩心夹持器的俯视图，如图6所示，所述岩心夹持器12中包括夹持器主体12-1、岩心筒12-2和多个销钉12-3。所述夹持器主体12-1安装在所述压力传感器13上；所述岩心筒12-2放置在所述夹持器主体12-1的中间凹槽内，所述岩心筒12-2用于放置所述岩心样品11；所述销钉12-3设置在所述夹持器主体12-1的侧壁的通孔位置处，用于通过所述岩心筒12-2侧壁上的与所述夹持器主体12-1的侧壁的通孔相配合的孔口，将所述岩心样品11固定在所述岩心筒12-2内。

综上可见，本申请实施例提供的钻井模拟装置，可以通过所述数控机床中的钻床电箱带动所述超声换能器和下部的钻头进行旋转运动和进给运动，同时可以通过所述超声换能器将电能转化为高频振动的机械能，带动超声波换能器下部的钻头做轴向高频冲击振，以破碎放置在所述岩心夹持器内的岩心样品，并通过所述岩屑清理机构向所述钻头钻遇所述岩心样品的位置提供钻井液，清除所述钻头破碎所述岩心样品后生成的岩屑，以实现旋转和高频冲击耦合破碎岩石的目的，从而可以提高破岩效率。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。