一种用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置制造方法
【专利摘要】一种用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，该装置至少包括实验装置外壳、钻杆、岩心管、钻头、岩石样品、压力表、阀门、电缆、回转立轴、轴承部件、电力驱动装置、供电电源、示波器、流量计和流量传感器，钻杆、岩心管、钻头、岩石样品安装在实验装置外壳内，岩石样品固定在回转立轴上部；回转立轴与实验装置外壳密封连接；电力驱动装置通过轴承部件与回转立轴连接；钻头水口部位安装有电阻传感器，电阻传感器、供电电源、示波器通过电缆连接形成回路；压力表、阀门安装在实验装置外壳侧壁外的管路上。本发明的有益效果：判断钻头在水口处是否存在气蚀现象及研究气蚀现象发生规律，将有利作用应用于破碎孔底岩石，提高碎岩效果及钻井速度。
【专利说明】一种用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及钻井冲洗液气蚀效应检测领域，具体涉及一种用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，研究气蚀效应同冲洗液水力参数间的变化规律，将其有利条件应用于破碎岩石。
【背景技术】
[0002]冲洗液在钻杆、钻头和环状空间中流动时，过水断面经常发生变化，尤其是经过钻头水口时，过水断面的变化更为明显。从水力学可知，当冲洗液流量一定时，断面的变化必将引起流速的变化。流速变化的过程越快则瞬时升降的压强就越大，在这种情况下将产生水击。当冲洗液流经过水断面最小的部位时，液体压力最大，压强最小，往往出现真空。当这种真空度增大到一定程度后，液体中溶解的空气首先要分离成气泡，并从液体中游离出来。随着压强继续降低，真空度增大，甚至液体本身也会气化，形成气穴现象，通常称之为气蚀效应。
[0003]气蚀效应产生的条件是局部位置的高速和低压。过水断面最小的位置往往是最典型的液流高速部位，而液流高速部位则必然形成低压强区。在低压区产生的气泡随着所处位置压强的增大，其体积逐渐减小以致破灭，形成冲击波，可对过流部位产生冲击破坏损蚀，强度较高的气蚀还可能使该部件产生噪声和振动，严重影响工具的使用效果。理论分析和实验研究表明，在钻井冲洗液流中，特别是在钻头水口部位确实存在气蚀效应，其对钻头的磨损和对钻探技术经济指标的影响值得深入研究。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，针对现有钻井冲洗液流存在气蚀效应造成钻头磨损的问题，提供一种用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，研究气蚀效应对钻头磨损和钻探技术经济技术指标的影响。
[0005]本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:
[0006]一种用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，该装置至少包括实验装置外壳、钻杆、岩心管、钻头、岩石样品、压力表、阀门、电缆、回转立轴、轴承部件、电力驱动装置、供电电源和示波器，所述钻杆、岩心管、钻头、岩石样品安装在实验装置外壳内，钻杆上端与实验装置外壳之间密封连接，钻杆下端与岩心管的上端固接，岩心管的下端与钻头固接，岩石样品设置于钻头的下方、且岩石样品固定在回转立轴上部；所述回转立轴安装在实验装置外壳的底部、且回转立轴与实验装置外壳之间密封连接；电力驱动装置通过轴承部件与回转立轴的底部连接、用于驱动回转立轴转动；所述钻头水口部位的两侧安装有电阻传感器，电阻传感器、供电电源、示波器通过电缆连接形成回路(电缆穿过实验装置外壳、一端与电阻传感器连接、另一端与供电电源和示波器相连)；所述压力表、阀门安装在实验装置外壳侧壁外的管路上，压力表用于测量实验装置的孔内液柱压力，阀门用于调节孔内液柱压力的大小。
[0007]按上述方案，所述实验装置还包括用于调节实验过程中冲洗液的泵量和流速的流量计和流量传感器，流量传感器安装在压力表、阀门所在的管路上，流量计与流量传感器连接。
[0008]按上述方案，所述轴承部件为止推轴承。
[0009]按上述方案，所述钻杆上端与实验装置外壳之间通过钻杆密封圈密封连接。
[0010]按上述方案，所述回转立轴与实验装置外壳之间由密封圈密封连接。
[0011]本发明实验装置检测冲洗液是否发生气蚀效应的原理是，采用工业水作为冲洗介质，首先检测工业水的正常电阻率；然后检测以工业水作为冲洗介质，在岩石样品回转条件下，检测冲洗液电阻率的变化情况；冲洗液电阻率的变化即代表测试部位发生气蚀效应，其气蚀效应强度与电阻率变化程度密切相关。钻头水口部位的冲洗液电阻率在发生气蚀效应后，冲洗液发生相变，液流开始饱含气泡，液流连续性被破坏，密度降低，引起冲洗液的电阻率变化。
[0012]气蚀效应检测实验开始前，将岩石样品固定在回转立轴之上，回转立轴和实验装置外壳之间由密封圈密封；岩心管与钻杆相连接，在钻杆上端采用钻杆密封圈保持钻杆和实验装置外壳间的密封状态；气蚀效应检测实验过程中，钻头和岩心管不发生转动，通过钻杆和岩心管往实验装置内注入冲洗液，电力驱动装置驱动回转立轴转动，岩石样品因为固定在回转立轴之上而跟随回转立轴一块回转，从而与钻头产生相对运动；岩石样品与钻头之间产生相对运动以后，将导致冲洗液从岩心管经过钻头水口，流向钻头外壁与钻孔间的环状间隙时产生液流速度变化和压强变化。如果冲洗液在钻头水口部位受液流速度和压强变化产生气蚀效应，则冲洗液中将产生气泡，使冲洗液的密度降低，钻头水口部位两侧的电阻传感器间的电阻也将发生变化。
[0013]止推轴承用于保证电力驱动装置驱动回转立轴转动时转动部分和非转动部分分开，整个实验装置的回转运动由电力驱动装置和供电电源驱动。采用阀门对实验装置内的孔内液柱压力进行调节，并通过压力表对孔内液柱压力进行准确测量，从而模拟实际钻井条件下的液柱压力。通过流量计和流量传感器调整冲洗液的流量和液柱压力，获得钻头水口部位产生气蚀效应的发生条件，及其随冲洗液水力参数的变化规律，从而对气蚀现象的利弊进行研究。
[0014]本发明具有以下有益效果:本发明所涉及的检测装置通过检测实验过程中钻头水口部位冲洗液的电阻率变化情况(冲洗液水力参数条件以及冲洗液水力参数对气蚀效应产生强度的影响规律)，判断钻头在水口处是否存在气蚀现象及研究气蚀现象的发生规律；可用于钻探过程中冲洗液的气蚀效应检测，研究其利弊后将其有利作用应用于破碎孔底岩石，提高钻头破碎岩石效果，提高钻井速度，应用性极强，适用价值高，可带来非常可观的经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置结构示意图示意图；
[0016]图2是本发明电阻传感器在钻头工作底唇面上的布置示意图；
[0017]图3是本发明冲洗液无气蚀效应时的示波器正常信号显示图；
[0018]图4是本发明冲洗液量为30L/min时气蚀现象的示波器信号显示图；
[0019]图5是本发明冲洗液量为50L/min时气蚀现象的示波器信号显示图；[0020]图6是本发明冲洗液量为60L/min时气蚀现象的示波器信号显示图；
[0021]图中:1-钻杆密封圈,2-岩心管,3-钻头,4-岩石样品，5-压力表,6-阀门，7-电缆，8-实验装置外壳，9-回转立轴，10-止推轴承，11-电力驱动装置，12-供电电源，13-示波器，14-流量计，15-钻杆，16-电阻传感器，17-流量传感器。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0023]参照图1?图2所示，本发明所述的用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，该装置至少包括实验装置外壳8、钻杆15、岩心管2、钻头3、岩石样品4、压力表5、阀门6、电缆7、回转立轴9、止推轴承10、电力驱动装置11、供电电源12和示波器13，所述钻杆15、岩心管
2、钻头3、岩石样品4安装在实验装置外壳8内，钻杆15上端与实验装置外壳8之间通过钻杆密封圈I密封连接，钻杆15下端与岩心管2的上端固接，岩心管2的下端与钻头3固接，岩石样品4设置于钻头3的下方、且岩石样品4固定在回转立轴9上部；所述回转立轴9安装在实验装置外壳8的底部、且回转立轴9与实验装置外壳8之间由密封圈(图1中未示出)密封连接；电力驱动装置11通过止推轴承10与回转立轴9的底部连接、用于驱动回转立轴9转动(岩石样品4跟随回转立轴9 一起回转)；所述钻头3水口部位的两侧安装有电阻传感器16，电阻传感器16、供电电源12、示波器13通过电缆7连接形成回路(电缆7穿过实验装置外壳8、一端与电阻传感器16连接、另一端与供电电源12和示波器13相连);所述压力表5、阀门6安装在实验装置外壳8侧壁外的管路上，压力表5用于测量实验装置的孔内液柱压力，阀门6用于调节孔内液柱压力的大小。
[0024]所述实验装置还包括用于调节实验过程中冲洗液的泵量和流速的流量计14和流量传感器17，流量传感器17安装在压力表5、阀门6所在的管路上，流量计14与流量传感器17连接。
[0025]气蚀效应检测实验开始前，将岩石样品4固定在回转立轴9之上，回转立轴9和实验装置外壳8之间由密封圈密封；岩心管2与钻杆15相连接，在钻杆15上端采用钻杆15密封圈I保持钻杆15和实验装置外壳8间的密封状态；气蚀效应检测实验过程中，钻头3和岩心管2不发生转动，通过钻杆15和岩心管2往实验装置内注入冲洗液(工业水)，电力驱动装置11驱动回转立轴9转动，岩石样品4因为固定在回转立轴9之上而跟随回转立轴9一块回转，从而与钻头3产生相对运动；岩石样品4与钻头3之间产生相对运动以后，将导致冲洗液从岩心管2经过钻头3水口，流向钻头3外壁与钻孔间的环状间隙时产生液流速度变化和压强变化。如果冲洗液在钻头3水口部位受液流速度和压强变化产生气蚀效应，则冲洗液中将产生气泡，使冲洗液的密度降低，钻头3水口部位两侧的电阻传感器16间的电阻也将发生变化。
[0026]止推轴承10用于保证电力驱动装置11驱动回转立轴9转动时转动部分和非转动部分分开，整个实验装置的回转运动由电力驱动装置11和供电电源12驱动。采用阀门6对实验装置内的孔内液柱压力进行调节，并通过压力表5对孔内液柱压力进行准确测量，从而模拟实际钻井条件下的液柱压力。通过流量计14和流量传感器17调整冲洗液的流量和液柱压力(调节实验过程中冲洗液的泵量和流速)，获得钻头3水口部位产生气蚀效应的发生条件，及其随冲洗液水力参数的变化规律，从而对气蚀现象的利弊进行研究。[0027]当实验装置外壳8内填充满具有一定液柱压力的冲洗液后，电缆7与安装在钻头3水口部位两侧的电阻传感器16、供电电源12、示波器13依次连接并形成一电路，这一电路因冲洗液的存在而接通。在静态条件下(冲洗液流量Q=0L/min时)，电阻传感器16之间的电阻R=0，冲洗液密度P为1000kg/m3，对应在示波器13上存在一组标准的校对信号，此时为无气蚀现象存在时的示波器正常信号(如图3所示)。
[0028]因为冲洗液电阻传感器16之间的电阻与冲洗液中的气泡含量和冲洗液密度密切相关，因此可以通过示波器13上的信号变化，判断冲洗液流的密度是否发生改变，进而判断冲洗液流是否因为发生气蚀效应产生气泡而发生相变。例如，实验表明，当冲洗液流量Q=30L/min时，钻头3水口部位的冲洗液电阻率在发生气蚀效应，冲洗液流开始发生相变，液流开始出现气泡，液流连续性被破坏，冲洗液密度P降到730kg/m3(如图4所示);当冲洗液流量Q=50L/min时，冲洗液密度P降低到500kg/m3 (如图5所示);当冲洗液流量Q=60L/min时，冲洗液密度P降低到230kg/m3，气蚀现象连续产生，示波器13屏幕上的读数激烈振荡，并以波的脉冲形式展现出来(如图6所示)。
[0029]通过上述方式调整冲洗液的流量和液柱压力，即可获得钻头3水口部位产生气蚀效应的发生条件，及其随冲洗液水力参数的变化规律。对气蚀现象的利弊进行研究，如将其有利一面应用到破碎孔底岩石的条件上，则可提闻钻头破碎岩石的效果，从而提闻钻井效率。
[0030]以上内容是结合【具体实施方式】对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，其特征在于:该装置至少包括实验装置外壳、钻杆、岩心管、钻头、岩石样品、压力表、阀门、电缆、回转立轴、轴承部件、电力驱动装置、供电电源和示波器，所述钻杆、岩心管、钻头、岩石样品安装在实验装置外壳内，钻杆上端与实验装置外壳之间密封连接，钻杆下端与岩心管的上端固接，岩心管的下端与钻头固接，岩石样品设置于钻头的下方、且岩石样品固定在回转立轴上部；所述回转立轴安装在实验装置外壳的底部、且回转立轴与实验装置外壳之间密封连接；电力驱动装置通过轴承部件与回转立轴的底部连接、用于驱动回转立轴转动；所述钻头水口部位的两侧安装有电阻传感器，电阻传感器、供电电源、示波器通过电缆连接形成回路；所述压力表、阀门安装在实验装置外壳侧壁外的管路上，压力表用于测量实验装置的孔内液柱压力，阀门用于调节孔内液柱压力的大小。
2.根据权利要求1所述的用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，其特征在于:所述实验装置还包括用于调节实验过程中冲洗液的泵量和流速的流量计和流量传感器，流量传感器安装在压力表、阀门所在的管路上，流量计与流量传感器连接。
3.根据权利要求1所述的用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，其特征在于:所述轴承部件为止推轴承。
4.根据权利要求1所述的用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，其特征在于:所述钻杆上端与实验装置外壳之间通过钻杆密封圈密封连接。
5.根据权利要求1所述的用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，其特征在于:所述回转立轴与实验装置外壳之间由密封圈密封连接。
【文档编号】G01N27/08GK103760198SQ201410037457
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】段隆臣, 契霍特金V·F, 庞丰, 谭松成, 汤凤林 申请人:中国地质大学（武汉）