具有冲击功能的智能空气钻井钻头的制作方法

1.本发明属涉及钻井工程领域，具体涉及一种具有冲击功能的智能空气钻井钻头。


背景技术：

2.空气钻井是现如今油气资源勘探开发的关键技术之一，由于在特定区块具有非常突出的提速效果，成为了当今相关领域的研究热点。目前空气钻井过程使用空气锤作为井下破岩工具，它是以压缩空气作为动力的一种冲击工具，其工作原理是利用空气增压设备产生的高压空气，驱动空气锤内的活塞作高频往复运动，活塞通过撞击钻头尾部而将动能传递到钻头上，钻头冲击岩石，然后再通过钻机转盘旋转驱动，形成对井底地层的脉动破碎另一方面空气锤排出的压缩空气对钻头进行冷却，将破碎后的岩屑通过环空返出井口，减少了岩石重复破碎的机会，从而实现对井底冲击钻进的目的。
3.空气锤钻井技术具有钻压小、转速低、机械钻速高、防斜能力强、钻头寿命长等技术优势，同时空气作为循环介质，气源来源广、环保，特别适合在干旱缺水地区推广应用。空气锤技术在钻进硬质、复杂、高陡、易斜地层中具有重要的经济效益和社会效益，可优化不同的钻具增强工程实用性。
4.测试模块方面，利用应变电阻法，原理是金属丝变形后，金属丝的电阻对应发生改变，以获得被测构件的应变值。应变电阻测量法具有测量范围大、响应带宽高、灵敏度高、应变片易于使用、抗干扰性强、精度高等特点，广泛应用在飞机结构强度测试、船舶结构健康、交通运输、地质勘探、井下测试等相关领域。


技术实现要素：

5.本发明提供具有冲击功能的智能空气钻井钻头，通过控制冲击特性，实现提速增效的同时，位于活塞下表面的采集模块进行测试，提高空气钻井钻头智能化程度。
6.具有冲击功能的智能空气钻井钻头，其特征在于，设有上接头(1)、外壳(2)、逆止阀(3)、弹簧a(5)、碟簧组a(4)、配气座(6)、气缸(8)、活塞(9)、导向套(10)、传动套(11)、卡环a(14)、卡环b(15)、钻头(16)、密封橡胶圈(7)、下接头(17)；上接头(1)与外壳(2)通过螺纹连接；外壳(2)与下接头(17)、下接头(17)与钻头(16)为螺纹连接；配气座(5)开有多个周向孔可使空气由此进入气缸(8)内；气缸(8)的上部与中部开有多个径向孔，空气可由此进入气缸(8)与外壳(2)、活塞(9)间的空隙，可实现活塞(9)的往复运动；活塞(9)的中心空气流道与钻头(16)所开中心孔连通，可起到清理岩屑的作用。
7.所述测试部分包括：桥路变换电路、桥路激励电路、信号采集电路、信号放大电路、信号滤波电路、自校准电路、微控制器和电阻应变片组成。
8.其中，桥路变换电路可以提高应变测量系统的适应性、保证测量的准确性和测量精度，减少因人工操作失误，而导致测量结果与实际偏差较大甚至失败的情况；信号放大电路可以将捕捉的微弱信号，放大至采集电路的接受范围，还可以将较大的信号进行衰减，提高仪器的测量量程；信号滤波电路方案采用两阶双反馈巴特沃斯滤波器，可最大程度过滤
掉信号以外的噪声；信号采集电路方案采用24位adc作为模数转换器，可将被电路放大、滤波处理后的初始应变信号进行数模转换，保证测量精度。
9.由于采用上述技术方案，使本发明与现有技术相比具有以下优点:
10.本发明通过提供具有冲击功能的智能空气钻井钻头，首次将冲击器部分与测试部分相结合，钻头在钻进的同时冲击钻杆不断冲击岩石进行破岩；同时在活塞下表面安装采集模块，实时采集不断撞击而产生的应变；并且其工作效率高，输出性能稳定，提高了施工效率，可用于石油天然气空气钻井中。
11.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
12.图1是本发明具有冲击功能的智能空气钻井钻头的剖面图。
13.图2是显示配气座与密封橡胶圈配合关系的局部放大图i。
14.图3是显示应变采集模块与活塞配合关系的局部放大图ii。
15.图4是应变采集处理模块电路方案。
16.图5是桥路变换电路方案图。
17.图6是1/4桥、半桥和全桥桥路变换电路方案接线图。
18.图7是信号放大、信号采集、信号滤波电路方案图。
19.图8是应变电桥自动平衡方案图。
20.图9是系统自校准电路方案图。
21.图10是桥路激励电路方案图。
22.图11是系统电源电路方案图。
23.图12是配气座的外廓示意图。
24.图13是气缸的外廓示意图。
25.图14是显示导向套外廓与内部结构的示意图。
26.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，仅用于说明本发明的原理，并未按照实际的比例绘制。
27.在附图中各附图标记的含义如下：1.上接头；2.外壳；3.逆止阀；4.碟簧组a；5.弹簧a；6.配气座；7.密封橡胶圈；8.气缸；9.活塞；10.导向套；11.传动套；12.应变采集模块；13.卡环a；14.卡环b；15.碟簧组b；16.钻头；17.下接头；a.上气室；b.下气室。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明作进一步说明：
29.参见图1，本发明的工作原理是：空气从上接头(1)的中心孔进入，分两路运行；一路经逆止阀(3)的径向孔和轴向孔，配气座(6)中心孔、活塞(9)中心孔、钻头(16)的中心通孔至井底，冷却钻头和喷吹岩石碎屑；另一路经逆止阀(3)的径向孔和轴向孔，配气座(6)轴向孔，气缸(8)上部径向孔，进入气缸(8)与外壳(2)的空隙，再经气缸(8)尾部径向孔进入下气室b；此时，下气室开始储气，压力开始增加变为高压区，上气室a为低压区，导向套(10)径
向孔封闭，活塞(9)在压力差的作用下向上运动，随着活塞(9)的上升，上气室的空间不断被压缩，其压力逐渐增大会减缓活塞(9)的上升速度，同时，随着活塞(9)向上运动，导向套(10)径向孔打开，下气室气体开始排出，进一步减缓活塞(9)上升速度直至活塞(9)到达上死点，此为回程阶段；当活塞(9)到达上死点时，由于导向套(10)径向孔早已打开，下气室空气大量排出，此时上气室为高压区，下气室为低压区，活塞(9)在压差作用下向下移动，随着活塞(9)向下移动，导向套(10)再次封闭，排气结束，下气室压力开始增加，活塞(9)运动到最低点并撞击钻头(16)，此时气体再给下气室充气，为下一次的回程阶段做准备，如此反复可实现活塞(9)的高频运动。
30.参见图3，所述测试模块包括：应变片、桥路变换模块、桥路激励模块、信号处理模块、信号转换模块、自平衡模块、自校准模块、温度采集模块、微控制模块和电源模块，其工作原理为：信号处理模块的作用是将初始应变信号进行放大和滤波，信号转换模块用于将采集的信号进行模数转换，桥路激励模块可为应变电桥提供激励电压，自平衡模块用于抵消初始应变值，自校准模块用于校准系统电压测量精度，温度采集模块用于测量此通道电路的温度，微控制器模块用于管理处理信号转换模块以外的其他模块。
31.其实施方式为电阻应变片收到冲击力输出信号，通过桥路变换电路匹配合适的桥路电路，再通过信号放大电路将采集信号放大，滤波电路将除信号之外无关噪声进行过滤，之后再将信号送入信号采集电路进行模数转换后将信号送入fpga模块处理。自平衡电路与自校准电路作用在信号经桥路变换电路后即将送入信号放大电路的过程中，起到抵消初始应变值和对信号采集、处理电路进行精确标定的作用。通过上述方式可测得因冲击力冲击钻头上表面而产生的应变。
32.参见图4，所述桥路变换电路方案图中k1、k2和k3采用电子模拟开关并由微控制器进行控制，其中k1是双刀单掷模拟开关并与r5组成电阻标定网络，当k1导通时，r5与外部电阻应变片相连，然后由微控制器进行应变测量标定程序；k2是切换桥路电路的差分正输入端的开关，当k2导通上端子时，桥路电路的正输入端接到由r6和r7组成的分压电路的中点，在1/4桥路和半桥桥路测量中，r6和r7与应变片和匹配电阻共同组成全桥测试电路，当k2导通下端子时，桥路电路的正输入端接到全桥桥路的正输入端；k3是单刀四掷模拟开关，当测量应变桥路为全桥桥路时，k3接最上端子，电桥负激励直接输出；当测量应变桥路为1/4桥桥路时，k3可分别将r8、r9和用户自定义电阻根据需求选择一个电阻接入。
33.参见图5，所述系统电源电路方案图采用24v供电，需要将24v减小到+16v给信号处理电路供电，减小到-16v给桥路激励电路供电，减小到+5v给dac芯片供电及减小到+3.3v给微控制器供电。要降到+16v首先采用buck降压电路初降至+17v，再采用ldo降压电路降至+16v，完成降压；要降到-16v先采用inverting电路降至-17v，再采用ldo电路降至-16v；要降到+5v先采用buck电路降至+6v，再采用ldo电路降至+5v；要降至+3.3v采用buck降压电路直接降至+3.3v即可。
34.最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。