专利名称：一种石油钻头破岩性能的测试方法
技术领域：
本发明涉及一种石油钻头破岩性能的测试方法。
背景技术：
石油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。高性能钻头产品的开发和研究都是建立在理论和试验研究基础上，钻头试验主要是进行全钻头破碎不同地层岩石试验和钻头齿圈复合运动破岩试验，全钻头试验主要是测试钻头在一定钻井参数条件下破碎不同岩石的机械钻速和破碎井底，钻头齿圈复合运动破岩试验模拟钻头牙齿的运动和破岩状况，通过测试系统采集试验过程中的钻头和齿圈转速、钻头位移、钻压及扭矩信号。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。石油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。石油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。石油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。石油钻头在井底工作时，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，这种破碎方式是石油钻头破碎岩石的主要方式之一。
石油钻头工作时，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。根据上述对石油钻头在井底运动、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。随着石油钻井深度增加和地层岩石的复杂化，根据不同地层岩石特点开发高性能钻头的研究工作更加迫切，目前现有钻头试验的控制和测试系统已经不能满足现阶段钻头的研究和开发的需求。
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，提供一种石油钻头破岩性能的测试方法，该石油钻头破岩性能的测试方法能快速测得石油钻头的破岩性能，且测试精度高，测试步骤简单，降低了人工成本，进而降低了整个测试成本。本发明的目的通过下述技术方案实现一种石油钻头破岩性能的测试方法，包括以下步骤(a)首先安装传感器在石油钻头体及下转盘上；(b)再安装岩石固定在试验架的下转盘上；(c)然后分别开动清水、可控硅调速装置、液压控制台，轻压慢转造井底，井底造好后对钻压、扭矩及钻进深度进行标零，并调整好动态应变仪、石油钻头及牙轮转速测定仪、 数据采集系统；(d)最后进行不同参数条件下石油钻头破岩试验，从而获得不同参数条件下石油钻头的破岩性能。所述步骤(a)中，传感器为磁芯传感器。所述步骤(a)中，传感器数目为4个。所述步骤(C)中，破岩性能包括钻压、扭矩、机械钻速、钻头转速、各牙轮与钻头的转速比及井底模式。所述钻压、扭矩和进尺参数的采取时间间隔为1秒钟，钻头及牙轮转动产生的脉冲信号随时采集。综上所述，本发明的有益效果是能快速测得石油钻头的破岩性能，且测试精度高，测试步骤简单，降低了人工成本，进而降低了整个测试成本。
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。实施例本发明涉及的一种石油钻头破岩性能的测试方法，其具体步骤如下(a)首先安装传感器在石油钻头体及下转盘上；(b)再安装岩石固定在试验架的下转盘上；
(c)然后分别开动清水、可控硅调速装置、液压控制台，轻压慢转造井底，井底造好后对钻压、扭矩及钻进深度进行标零，并调整好动态应变仪、石油钻头及牙轮转速测定仪、 数据采集系统；(d)最后进行不同参数条件下石油钻头破岩试验，从而获得不同参数条件下石油钻头的破岩性能。所述步骤(a)中，传感器为磁芯传感器。所述步骤(a)中，传感器数目为4个。所述步骤(C)中，破岩性能包括钻压、扭矩、机械钻速、钻头转速、各牙轮与钻头的转速比及井底模式。所述钻压、扭矩和进尺参数的采取时间间隔为1秒钟，钻头及牙轮转动产生的脉冲信号随时采集。本发明的原理为在给定钻压及转速等钻井参数的条件下测量钻头破碎不同岩石的机械钻速和破碎井底。钻头钻压、扭矩测量是在薄璧接头上粘贴应变片，钻进深度是用位移传感器，然后都通过动态应变仪、数据采集仪及计算机获得。牙轮转速测量则是通过固定在钻头体上的磁芯传感器(探测牙轮外排齿)，即每当一枚牙轮外排齿的顶部经过磁芯传感器，后者就发出一个脉冲信号，这些信号通过钻头及牙轮转速测定仪、数据采集仪及计算机获得，而钻头转速测量则是通过固定在下转盘上的磁芯传感器，探测下转盘粘贴的铜片而获得。施加钻头钻压则是通过钻头试验架的自重及调节液压控制台控制油缸进油量的大小来实现，钻头转速调节是通过可控硅调速装置、直流电机、调速箱及试验架下转盘来实现。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
1.一种石油钻头破岩性能的测试方法，其特征在于，包括以下步骤(a)首先安装传感器在石油钻头体及下转盘上；(b)再安装岩石固定在试验架的下转盘上；(c)然后分别开动清水、可控硅调速装置、液压控制台，轻压慢转造井底，井底造好后对钻压、扭矩及钻进深度进行标零，并调整好动态应变仪、石油钻头及牙轮转速测定仪、数据采集系统；(d)最后进行不同参数条件下石油钻头破岩试验，从而获得不同参数条件下石油钻头的破岩性能。
2.根据权利要求1所述的一种石油钻头破岩性能的测试方法，其特征在于，所述步骤 (a)中，传感器为磁芯传感器。
3.根据权利要求1所述的一种石油钻头破岩性能的测试方法，其特征在于，所述步骤 (a)中，传感器数目为4个。
4.根据权利要求1所述的一种石油钻头破岩性能的测试方法，其特征在于，所述步骤 (c)中，破岩性能包括钻压、扭矩、机械钻速、钻头转速、各牙轮与钻头的转速比及井底模式。
5.根据权利要求4所述的一种石油钻头破岩性能的测试方法，其特征在于，所述钻压、 扭矩和进尺参数的采取时间间隔为1秒钟，钻头及牙轮转动产生的脉冲信号随时采集。
全文摘要
本发明公开了一种石油钻头破岩性能的测试方法。该石油钻头破岩性能的测试方法包括安装传感器和岩石；进行造井底；最后进行不同参数条件下石油钻头破岩试验，从而获得不同参数条件下石油钻头的破岩性能等步骤。本发明能快速测得石油钻头的破岩性能，且测试精度高，测试步骤简单，降低了人工成本，进而降低了整个测试成本。
文档编号G01M13/00GK102466565SQ201010558638
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者常萍 申请人:常萍