不同钻井方式钻头磨损和岩石研磨性评价装置及评价方法与流程

本发明涉及石油天然气工程钻井领域，具体涉及不同钻井方式钻头磨损和岩石研磨性评价装置及评价方法。

背景技术：

在钻井过程中，钻头破碎岩石的同时本身也会因磨损而变钝，岩石磨损钻头刀刃或牙齿的能力称为岩石的研磨性。钻头的磨损会增加钻头的消耗，降低钻头破碎岩石的效率，增加起下钻等钻井辅助作业时间，导致钻井效率大为降低。钻头的磨损过程极其复杂，受现场工况条件的制约，现有室内实验方法得到的钻头摩擦磨损机理的研究还很不充分。实际地层中的岩心受到三个方向上不同的主应力影响，且在不同钻井方式下（过平衡钻井、近平衡钻井和欠平衡钻井）岩石研磨性和对钻头的磨损情况均不相同。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供不同钻井方式钻头磨损和岩石研磨性评价装置，这种不同钻井方式钻头磨损和岩石研磨性评价装置用于解决现有室内钻头摩擦磨损实验装置对于钻头的磨损的模拟研究不充分的问题，本发明的另一个目的是提供这种不同钻井方式钻头磨损和岩石研磨性评价装置的评价方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种不同钻井方式钻头磨损和岩石研磨性评价装置包括钻进系统、主机架、平台、平台举升系统、缸体，平台置于主机架内，平台与主机架滑动连接，平台底部连接平台举升系统，缸体固定于平台上构成压力室，岩样坐在压力室中的试样座上，岩样的前后两面设置钢板，岩样的左右两侧设置胶囊，垫块固定在缸体的两个内侧面上，钢板及胶囊均与垫块滑动连接，两个胶囊分别与注液管连接，两个钢板分别与压力泵连接，第三注液管穿过试样座与岩样相通，第四注液管穿过缸体上部与压力室相通，平台举升系统中设置有第五传感器，上述各注液管均连接相应的传感器、注液泵、油箱，钻进系统中的钻头伸入到缸体内，钻进系统中设置有载荷传感器和转速转矩仪，上述各传感器、压力泵、转速转矩仪均连接信号采集系统。

上述方案中主机架包括底板、顶板，底板、顶板之间设置导向柱，每个导向柱均与顶板螺栓连接，平台与每个导向柱均滑动连接。

上述方案中主机架顶板上安装有提升电机，提升电机连接伸缩钢管，缸体上设置有挂钩，伸缩钢管连接挂钩，伸缩钢管通过电机控制伸缩，使缸体升降。

上述方案中缸体与平台通过卡箍紧固，卡箍用于将缸体固定在平台上，使压力室下部密封。

上述方案中钻进系统包括依次相连的驱动电机、联轴器、所述载荷传感器、所述转速转矩仪、钻杆扶正套、驱动钻杆、所述钻头，载荷传感器位于联轴器下，用于监测实验过程中的钻压，转速转矩仪与载荷传感器相连接，用于监测实验过程中的转速和扭矩。

上述方案中平台举升系统包括油缸、第五传感器，油缸穿过主机架底板支撑在平台底面上。

上述不同钻井方式钻头磨损和岩石研磨性评价装置的评价方法包括：

制备岩样，用电子天平分别称量岩样和钻头的初始重量并记录，将制备好的岩样置于试样座上，所述岩样为长方体形状；

将所述压力室的缸体通过所述挂钩升起，将钻头与钻杆相连接，落下缸体到底板，用卡箍将压力室密封；

为岩样施加两个方向上的水平主应力，通过驱动所述压力室内的钢板对岩样施加纵向水平方向上的围压，通过胶囊注液，对岩样施加横向水平方向上的围压；

通过试样座下部的注液管注液，对岩样施加孔隙压力。

通过缸体上部的注液管对缸体内注液，对岩样施加垂向压力；

通过所述平台举升系统将岩样与钻头接触，施加到指定钻压；

调节垂向压力的大小，分别实现欠平衡钻井、近平衡钻井和过平衡钻井条件下钻头的摩擦磨损情况；

通过所述数据采集系统改变钻进参数，得到不同工况下钻头的摩擦磨损情况；

将压力室内液体回流到相应油箱中，通过所述顶板上的钢管将压力室缸体升起，更换岩样或钻头，实现不同破岩方式下的钻头摩擦磨损测定；

通过电子天平再次称量实验后的岩样和钻头的重量，计算岩石破碎体积，以破碎单位体积岩石牙轮钻头的磨损失重作为衡量岩石研磨性指标，即相对磨损率，用表示，单位为mg/cm³：。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过压力室对岩样施加不同的三轴压力，模拟地层真实环境，能够用于实验室条件下不同钻井方式的岩石研磨性和钻头磨损情况的测定。在对所述钻头进行研磨实验时，在岩样底部注入液体施加孔隙压力。通过改变垂向液压模拟不同钻井方式下岩石对钻头的摩擦磨损规律。改变钻头类型和钻进参数，模拟不同工况下钻头的摩擦磨损规律。通过信号采集系统实时监控钻头钻进过程中岩样与钻头间扭矩的变化。

2、本发明能够再现自然环境中岩石所处的应力环境，更好的揭示岩石研磨性评价指标和钻头的磨损机理。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中的压力室俯视图的剖视图。

图中：1驱动电机；2联轴器；3载荷传感器；4转速转矩仪；5提升电机；6顶板；7导向柱；8伸缩钢管；9挂钩；10驱动钻杆；11钻头；12缸体；13垫块；14胶囊；15阀门；16岩样；17试样座；18卡箍；19平台；20底板；21压力室；22钢板；23压力泵；24第三注液管；25第四注液管；26第五传感器；27注液泵；28油箱；29信号采集系统；30油缸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种不同钻井方式钻头磨损和岩石研磨性评价装置包括钻进系统、主机架、平台19、平台举升系统、缸体12，平台19置于主机架内，平台19与主机架滑动连接，平台19底部连接平台举升系统，缸体12固定于平台19上构成压力室21，缸体12与平台19通过卡箍18紧固，卡箍18用于将缸体12固定在平台19上，使压力室21下部密封，压力室21位于所述主机架内，用于对岩样16施加各不相等的三轴压力和孔隙压力。

岩样16为长方体形状，岩样16坐在压力室21中的试样座17上，岩样16的前后两面设置钢板22，岩样16的左右两侧设置胶囊14，垫块13分别置于缸体12内壁两侧，垫块13上有滑道，钢板22分别嵌入滑道并可相对滑动。胶囊14分别镶嵌于所述两个垫块13的内侧滑道。钢板22及胶囊14均与垫块13滑动连接，两个胶囊14分别与注液管连接，为胶囊14提供液体，两块钢板22嵌入滑道并可相对滑动；两个钢板22分别与压力泵23连接，胶囊14和钢板22用于为岩样16施加最大水平主应力和最小水平主应力。第三注液管24穿过试样座17与岩样16相通，为岩样16提供孔隙压力，第四注液管25穿过缸体12上部与压力室21相通，通过注液为岩样16施加垂向应力。其中，柔性胶囊14分别位于岩样16的横向水平方向上的两侧，充入液体后为试样施加横向水平方向上的主应力，即胶囊14充入液体后为所述岩样16施加横向水平方向上的围压。采用柔性胶囊14加压可以使应力分布均匀并消除加压面与岩样16侧面的边界干扰。如图2所示，两个钢板22分别位于岩样16的纵向水平方向上的两侧，通过压力泵23为岩样16施加纵向水平方向上的主应力，即钢板22与压力泵23相连用于为所述岩样16施加纵向水平方向上的围压。

平台举升系统中设置有第五传感器26，本发明中各注液管均连接相应的传感器、注液泵27、油箱28，注液泵27为齿轮泵，钻进系统中设置有载荷传感器3和转速转矩仪4，本发明中各传感器、压力泵23、转速转矩仪4均连接信号采集系统29；信号采集系统29与主机架相连，用于控制液压泵电机的启停、油缸30升降快慢、设定实验钻压、转速等参数、采集扭矩实时变化情况。

主机架为装置主体部分，用于岩样16对钻头11进行研磨实验；主机架包括底板20、顶板6，底板20、顶板6之间设置四个导向柱7，每个导向柱7均与顶板6螺栓连接，平台19与四个导向柱7均滑动连接，导向柱7用于支撑整个主机架和引导平台19上升下降。

主机架顶板6上安装有提升电机5，提升电机5连接伸缩钢管8，伸缩钢管8有两个，缸体12上设置有两个挂钩9，伸缩钢管8通过其端部的钩子连接相应的挂钩9，伸缩钢管8通过电机控制伸缩，使缸体12升降。

钻进系统包括依次相连的驱动电机1、联轴器2、所述载荷传感器3、所述转速转矩仪4、钻杆扶正套、驱动钻杆10、所述钻头11，缸体12上部设有圆形孔，孔四周加入密封塞，驱动钻杆10穿入孔内，钻头11在压力室21内与驱动钻杆10相连，对所述岩样16施加钻压；驱动电机1与联轴器2相连接，用于为装置提供动能；载荷传感器3位于联轴器2下，用于监测实验过程中的钻压，转速转矩仪4与载荷传感器3相连接，用于监测实验过程中的转速和扭矩。主机架的顶板6位于转速转矩仪4下，与钻杆扶正套相连接。钻杆扶正套与驱动钻杆10相连接，用于扶正钻杆，使之运动平稳可靠。驱动钻杆10与钻头11相连接，用于带动钻头11转动，并破碎岩石检测其摩擦磨损变化。钻头11可更换为牙轮、PDC、研磨棒等不同形式，用于模拟不同破岩方式下的钻头11摩擦磨损情况。

平台举升系统包括油缸30、第五传感器26，油缸30穿过主机架底板20支撑在平台19底面上。油缸30为活塞杆，驱动平台19上升下降。

上述不同钻井方式钻头磨损和岩石研磨性评价装置的评价方法包括：

1）制备岩样16，并将岩样16置于压力室21内。

一般地，所述岩样16为长方体形状。首先用电子天平分别称量岩心和钻头11的初始重量并记录，然后启动电机，通过钢管连接挂钩9将压力室21缸体16提起。将钻头11连接到钻杆上。将制备好的长方体岩心置于试样座17上，落下缸体12到平台19，用卡箍18将缸体12和平台19固定好。

启动注液泵27，驱动油缸30使平台19上升，岩样16与钻头11接触时，利用载荷传感器3监测钻压直到钻压达到预定值。

2）对岩样16施加真三轴压力和孔隙压力。

启动注液泵27，打开试样座17下部的阀门15，通过第三注液管24对岩样16注水施加孔隙压力，达到通过计算的岩石真实地层中的孔隙压力值时停止注液，关闭该阀门15。启动两个压力泵23，推动两块钢板22沿着垫块13滑动移动，对岩样16施加纵向水平主应力。启动与胶囊14连接的注液泵27对两柔性胶囊14注液，使胶囊14膨胀并与岩样16接触，对其施加横向水平主应力。两方向水平主应力达到预定的岩石真实地层中的最大、最小水平主应力时，停止加压。

3）不同钻井方式的钻头11摩擦磨损测定。

启动与缸体12上部连接的注液泵27，打开相应阀门15，通过第四注液管25对岩样16注水施加垂向压力。在某些实施方式中，模拟传统的过平衡钻井环境，即钻井液压力大于地层流体压力, 小于地层破裂压力。压力室21上部由第四注液管25注入液体，通过相应的传感器监测垂向压力值超过与第三注液管24连接的传感器监测的孔隙压力，大小达到实验所需压差后关闭与缸体12上部连接的阀门，实现过平衡压力状态。在此环境下启动驱动电机1，带动钻头11对岩样16的进行破碎。通过转速转矩仪4实时监测二者间的扭矩变化。

在另一些实施方式中，模拟近平衡钻井环境，即控制钻井液密度,维持钻井液的静液柱压力与地层压力处于平衡状态。使压力室21上部由第四注液管25注入的液体压力与下部由第三注液管24注入的液体压力近似相等，关闭与缸体12上部连接的阀门，实现过平衡压力状态。再用钻头11破碎岩样16。

还有一些实施方式中，模拟欠平衡钻井，即在钻井时井底压力小于地层压力，地底的流体有控制地进入井筒并且循环到地面上。压力室21上部由第四注液管25注入的液体压力小于下部由第三注液管24注入的液体，达到所需压差后关闭阀门，实现欠平衡压力状态。再用钻头11破碎岩样16。

通过数据采集系统29改变钻进参数，得到不同工况下钻头11的摩擦磨损情况。实验结束后，通过各泵站将压力室21内液体回流到相应油箱28中，通过顶板6上的钢管将压力室21缸体12升起，更换岩样16或钻头11，实现不同破岩方式下的钻头11摩擦磨损测定。

通过电子天平再次称量实验后的岩样16和钻头11的重量，计算岩石破碎体积。以破碎单位体积岩石牙轮钻头的磨损失重作为衡量岩石研磨性指标，通过公式便可对不同岩石进行研磨性分级。

本发明实施例的测试装置及方法能够对不同钻井方式和破岩方式下地层对岩石的摩擦磨损进行监测，从而能够揭示岩石研磨性和钻头11磨损规律，可以应用到钻井高效破岩等技术领域。

本发明实施例的测试装置及方法能够在原始地应力情况下较真实反映不同钻头11在各种工况下的摩擦磨损规律，测定岩石对钻头11的摩擦扭矩变化和磨损量的大小更贴近实际工况。通过对多种工况的实验研究，能够获得各种岩石在不同钻井方式下的研磨性和钻头11的磨损情况，为钻头11选型和设计奠定基础。