专利名称：钻头齿圈复合破岩试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻头齿圈复合破岩试验系统。
背景技术：
在石油钻井中，钻头是破碎地层岩石的主要工具，是石油钻井工程中提高机械钻速、降低钻井成本的重要手段。为了提高钻头的破岩效率，达到降低成本的目的，就必须针对不同的钻井地层设计和选用适合地层特性的钻头。目前国内外研究钻头破岩效率的主要方法有现场试验和室内试验，现场试验就是针对不同地层设计好的钻头在现场的应用，然后再修改设计和重新加工，这样开发一种特性钻头需要的周期长，成本高；室内主要的试验方法有单齿垂直压入试验、钻头齿圈复合运动破岩试验和全尺寸钻头钻进试验。目前针对钻头研究开展的试验主要是全尺寸钻头试验和钻头齿圈复合运动破岩试验，全钻头试验主要是检测新型钻头钻进不同地层岩石的破碎规律；钻头齿圈复合运动破岩试验主要是研究不同钻头结构参数、齿面结构和钻进参数与地层岩石的破碎规律。现有全钻头试验和钻头齿圈复合运动破岩试验的测试系统主要是由传感器、转速测定仪以及数据采集卡采集试验过程中的钻头、牙轮和齿圈转速脉冲信号；由传感器、动态应变仪以及数据采集卡采集试验过程中的钻头位移、钻压及扭矩模拟信号。但是随着钻头研究进一步的深化，现有钻头试验测试系统存在很多问题已经不能满足现阶段钻头研究和新产品开发的需要，比如:研究钻头及5个牙齿的运动和受力情况，现有两张8通道数据采集卡的模拟量通道不够，不能全面满足试验需要的扩展功能；由于液压系统、电机和环境等的影响，动态应变仪采集的信号含有大量的噪声，试验数据准确性不高；动态应变仪和数据采集卡等硬件设备价格昂贵，测试系统硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于现代测试技术的钻头试验测试系统，以能够快捷、准确、实时采集钻头及各个牙齿的运动及受力情况，从而为钻头的新产品开发和科学化设计提供重要的试验手段。钻头新产品开发在理论研究的基础上必须经过试验验证其性能，钻头试验对研究和开发高性能产品具有非常重要的作用。在国外，美国Smith Bits公司、HughesChristensen 公司、Halliburton 公司及英国 Schlumberger Cambridge 公司等都建立了钻头试验测试架，对新开发钻头进行试验研究找出其优缺点，并相应地制定了钻头试验的检测标准；同时各公司都申请了相应的钻头仿真设计专利，其中大部分是以钻头试验为基础的，通过开展钻头试验取得了不少的研究成果，开发出一系列特性或高性能钻头，对于提高钻头的机械转速、破碎效率等起到了很重要的作用。1975年，在美国犹他州的盐湖城建成了第一个全尺寸模拟井下条件的试验架，可以用来试验钻头、井下工具和一些井下动力钻具。用液压控制系统施加钻进压力，伺服控制系统可以按试验目的的需要控制以恒钻压、恒钻速或恒扭矩方式钻进。在钻进过程中，可动态测量的数据有:钻压、转速、扭矩、岩石的覆盖应力、围限应力、孔隙压力和钻头的进尺量和进尺速度。1985年，英国斯伦贝谢剑桥公司建成了另一个世界闻名的模拟井下条件的钻井试验架，该试验架可以模拟井深5000m的压力和温度。它的整个实验操作控制、井下模拟条件控制和实验数据的采集与处理都用计算机系统的闭环控制，其控制和测试系统较先进。在国内，江汉钻头股份公司、成都总机厂、西南石油大学、大庆油田等单位进行钻头新产品开发和科学化设计研究且都建立了相应的钻头试验架，对提高我国钻头性能和研究、赶上世界水平起到了一定的作用。1989年，中国石油天然气总公司北京石油勘探开发研究院钻井所建成一台模拟井底情况的小型钻头试验架。该试验架能够做37/8in以下钻头在3500m井深条件下的钻进试验并进行试验过程中的数据采集和分析处理。90年代，大庆油田的钻井技术研究所建成一台模拟6000m井深条件的大型钻井试验架。从1981年起，西南石油大学钻头研究所就对钻头角速度和牙轮角速度进行实验研究，在大型钻头试验架上进行全尺寸钻头实验，该试验架可给钻头施加300kN的钻压，并通过传感器测得试验过程中的脉冲信号及模拟信号，再输入二次仪表和计算机进行处理，得到试验过程中的钻压、扭矩、位移及钻头转速等信号。80年代初，西南石油大学钻头研究所在中国石油天然气总公司的大力支持下，在解决了牙轮钻头几何学、运动学一系列理论问题，掌握了钻头触底齿本身的运动状态及其规律的基础上，建成一台国内外首创的模拟牙轮钻头牙齿造坑过程的试验设备。它能够使试样牙齿同真实钻头牙齿作相同的复合运动，通过控制台控制试验操作过程，采集系统采集试验数据再输入计算机进行分析处理。这些钻头试验设备功能不完善，由人工操作装有各种控件的操作控制台来实现整个试验过程的控制，自动化程度低，特别是测试系统采用传统硬件化测量仪器采集试验过程的信号，功能单一、灵活性差、扩展功能局限性大、易受外界干扰，采集信号含有大量的噪声以及硬件成本高等。随着石油钻井深度的增加和地层岩石的复杂化，根据不同地层岩石特点设计和开发特性钻头的研究工作更加迫切，钻头试验测试的重要性显得更加突出，现有钻头试验测试系统很显然达不到高性能钻头试验测试的要求。牙轮钻头在井底工作时的运动状态和受力状态是相当复杂的。钻头在井底运动，除了钻头绕自身轴线作顺时针方向旋转运动和牙轮绕牙掌轴线作逆时针方向旋转运动外，还有轴向纵振及牙轮的滑动，这几种运动是钻井时同时发生、综合在一起的复合运动。牙轮钻头就是在上述复合运动所产生的冲击、压碎及滑动剪切作用下破碎岩石的。牙轮钻头钻进时会产生纵向振动，在每次振动中，钻头上行时压缩下部钻柱，钻头下行时则钻柱恢复原长，其势能转化为钻头的动载荷。钻头工作时，牙齿作用到岩石上的力有静载荷(加在钻头上的钻压)和动载荷(钻头与下部钻柱加速下降而产生的动载)，也就是说牙齿冲击破碎岩石时，钻头受到岩石的反作用力也等于静载荷与动载荷之和。钻头在井下工作时，除了受到纵向静载荷和动载荷外，由于钻柱旋转，还要受到扭矩作用。当钻压较大，牙齿吃入岩石较深，尤其是牙齿在井底滑动较大时，钻头承受的扭矩更大。牙轮钻头在井底工作时，由于钻头在井底产生纵振，使钻柱不断压缩和伸张，下部钻柱把这种周期性的弹性变形能传递给牙齿，产生牙齿对岩石的冲击、压碎作用，这种破碎方式是牙轮钻头破碎岩石的主要方式之一。牙轮钻头工作时，由于钻头的设计结构及地层摩擦阻力的影响而产生滑动，转速越快、滑动量越大，对岩石的剪切破碎越大，从而通过牙齿的滑动剪切井底岩石，提高破碎效率。根据上述对牙轮钻头在井底运动、受力和破碎岩石情况的简要分析，可以看出在钻头的研究过程中，必须有效地分析钻头破岩运动所承受的钻压、扭矩作用以及钻头和牙轮的转速。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种钻头齿圈复合破岩试验系统，该钻头齿圈复合破岩试验系统能根据钻头的结构参数和牙齿齿面结构，模拟钻头各个齿圈上牙齿的运动和破岩状况，并通过数据采集系统和计算机处理测量这些动态参数。本发明的目的通过下述技术方案实现:钻头齿圈复合破岩试验系统，主要由转盘、设置在转盘上方的牙轮齿圈、与转盘表面接触的钻头转速传感器、设置在转盘上的压力传感器、以及与牙轮齿圈接触的牙轮转速传感器和扭矩传感器构成，所述转盘连接有转盘驱动装置，扭矩传感器连接有扭矩驱动装置，钻头转速传感器连接有测控装置。所述转盘驱动装置主要由与转盘相连的油缸、以及与油缸相连的油泵构成。所述油缸和转盘之间设置有活塞。所述扭矩驱动装置主要由与扭矩传感器相连的传动器、以及与传动器相连的电机构成。所述测控装置主要由与钻头转速传感器和牙轮转速传感器均相连的转速测定仪、与扭矩传感器和压力传感器均相连的动态应变仪、与转速测定仪和动态应变仪均相连的数据采集箱、以及与数据采集箱相连的计算机和控制台构成。综上所述，本发明的有益效果是:能根据钻头的结构参数和牙齿齿面结构，模拟钻头各个齿圈上牙齿的运动和破岩状况，并通过数据采集系统和计算机处理测量这些动态参数。
图1为本发明的结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。实施例:如图1所示，本发明涉及的钻头齿圈复合破岩试验系统，主要由转盘1、设置在转盘I上方的牙轮齿圈2、与转盘I表面接触的钻头转速传感器3、设置在转盘I上的压力传感器8、以及与牙轮齿圈2接触的牙轮转速传感器4和扭矩传感器5构成，所述转盘I连接有转盘驱动装置，扭矩传感器5连接有扭矩驱动装置，钻头转速传感器3连接有测控装置。所述转盘驱动装置主要由与转盘I相连的油缸6、以及与油缸6相连的油泵7构成。所述油缸6和转盘I之间设置有活塞17。所述扭矩驱动装置主要由与扭矩传感器5相连的传动器14、以及与传动器14相连的电机15构成。所述测控装置主要由与钻头转速传感器3和牙轮转速传感器4均相连的转速测定仪9、与扭矩传感器5和压力传感器8均相连的动态应变仪10、与转速测定仪9和动态应变仪10均相连的数据采集箱11、以及与数据采集箱11相连的计算机12和控制台13构成。本发明的工作原理为:在保持钻头齿圈在全尺寸钻头上的位置与结构参数不变的情况下，根据全尺寸钻头的仿真试验结果，确定合理的钻压、转速和牙轮与钻头的转速比；然后通过快速加(卸)载装置实现在极短时间内将钻压加到全尺寸钻头齿圈破岩时所需的钻压，又在极短的时间内使齿圈与岩石16互作用的牙齿脱离岩石16,即齿圈牙齿破碎岩石16的有效行程为一圈(包括加载和卸载过程)，在数据采集过程中，三分之一圈作为加载过程和卸载过程，三分之二圈作为齿圈有效破碎岩石16，这样就保证了能准确地测量正常工况下钻头牙齿与岩石的相互作用过程，在试验过程中则用数据采集系统和计算机记录钻头牙齿与岩石相互作用过程中的运动参数和动力参数；最后，测量钻头齿圈破岩后破碎坑的深度，破碎面积及破碎体积。本发明的试验过程如下:①首先将采集的露头岩样加工成300 X 300 X 300 (mm3)的复合破岩实验用的标准岩样，然后将加工好的标准岩样在自然状态下风干两周以上；②试验时先将切割好的岩块装入试验机岩石夹持器盒内；③根据钻头的结构参数和试验齿圈在钻头的位置，在试验机上调整好试验齿圈的移轴距、轴倾角及钻头牙爪基准尺寸C值；④根据全钻头的仿真试验结果，调整钻头转速；并按试验齿圈的牙轮与钻头转速的一定传动比，调整好试验用齿轮；⑤根据全钻头的仿真试验结果,确定试验齿圈应施加的钻压大小；⑥启动电机使试验机转盘转动，通过操作控制台自动控制试验齿圈破岩过程中的启动、加载、保持恒载和卸载等过程，同时通过压力传感器及钻头转速测定仪实时连续测量破岩过程中的钻压、钻头转速、牙轮转速等动态参数及动态曲线，另外还获得一个无重复破碎坑的破碎井底；⑦测量合格破碎坑的坑深、面积和体积，获得破碎坑的形貌与钻头齿圈上牙齿破岩过程中运动与动力之间的对应关系。为了确定钻头在一定钻压下各齿圈的实际受力情况，在复合破岩试验机上采用不同钻压针对具体齿圈进行复合破岩试验，观察破碎坑的大小，通过数据采集系统获得试验过程的动态参数，最后确定出钻头各齿圈的试验载荷和试验参数。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.钻头齿圈复合破岩试验系统，其特征在于，主要由转盘(I)、设置在转盘(I)上方的牙轮齿圈(2)、与转盘(I)表面接触的钻头转速传感器(3)、设置在转盘(I)上的压力传感器(8)、以及与牙轮齿圈(2)接触的牙轮转速传感器(4)和扭矩传感器(5)构成，所述转盘(I)连接有转盘驱动装置，扭矩传感器(5)连接有扭矩驱动装置，钻头转速传感器(3)连接有测控装置。
2.根据权利要求1所述的钻头齿圈复合破岩试验系统，其特征在于，所述转盘驱动装置主要由与转盘⑴相连的油缸(6)、以及与油缸(6)相连的油泵(7)构成。
3.根据权利要求2所述的钻头齿圈复合破岩试验系统，其特征在于，所述油缸(6)和转盘(I)之间设置有活塞(17)。
4.根据权利要求1所述的钻头齿圈复合破岩试验系统，其特征在于，所述扭矩驱动装置主要由与扭矩传感器(5)相连的传动器(14)、以及与传动器(14)相连的电机(15)构成。
5.根据权利要求1所述的钻头齿圈复合破岩试验系统，其特征在于，所述测控装置主要由与钻头转速传感器(3)和牙轮转速传感器(4)均相连的转速测定仪(9)、与扭矩传感器(5)和压力传感器⑶均相连的动态应变仪(10)、与转速测定仪(9)和动态应变仪(10)均相连的数据采集箱(11)、以及与数据采集箱(11)相连的计算机(12)和控制台(13)构成。
全文摘要
本发明公开了一种钻头齿圈复合破岩试验系统。该钻头齿圈复合破岩试验系统主要由转盘(1)、设置在转盘(1)上方的牙轮齿圈(2)、与转盘(1)表面接触的钻头转速传感器(3)、设置在转盘(1)上的压力传感器(8)、以及与牙轮齿圈(2)接触的牙轮转速传感器(4)和扭矩传感器(5)构成，所述转盘(1)连接有转盘驱动装置，扭矩传感器(5)连接有扭矩驱动装置，钻头转速传感器(3)连接有测控装置。本发明能根据钻头的结构参数和牙齿齿面结构，模拟钻头各个齿圈上牙齿的运动和破岩状况，并通过数据采集系统和计算机处理测量这些动态参数。
文档编号E21B47/00GK103104247SQ20111037768
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者陈洪伟 申请人:陈洪伟