一种牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法与流程

本发明涉及牙轮钻头领域，特别是涉及一种牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法。

背景技术：

牙轮钻头是钻井工程中最主要的破岩工具，在井底破岩中起着主导作用，其工作性能的好坏直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本，牙轮钻头的使用寿命几乎直接取决于钻头轴承的寿命，而轴承的寿命在很大程度上又依赖密封的寿命。牙轮钻头目前的发展趋势是实现高速化，随着钻头转速的不断提高，在恶劣环境下工作的普通轴承密封这一环节的薄弱性将显得越来越突出。因此，在研究钻头的同时，决不可忽视对轴承寿命的研究和改进。轴承密封是高速牙轮钻头最薄弱的环节，也是易损部件，是决定高速牙轮钻头寿命的最关键因素。据现场数据统计分析表明，因轴承先期损坏导致失效的钻头占失效钻头总数的80％，因密封先期失效而严重磨损的轴承占失效轴承总数的30％。牙轮钻头的轴承密封问题已经成为严重影响高速牙轮钻头钻井效率及钻井成本的技术瓶颈，是目前石油钻采工程中亟待解决的问题。

实践表明，目前常规牙轮钻头轴承密封性能不能很好的满足使用要求，特别是在较高转速钻进的时候，其密封使用寿命更低，密封的耐久性能较差，密封的磨损、老化较严重。牙轮钻头密封的工况是十分恶劣的，包括高温、高磨砺性介质、高载荷，并且密封腔的尺寸很小，这些工况和环境就加剧了密封的失效，也给密封的研究带来了巨大的困难和挑战。泥浆磨砺介质的进入是影响高速牙轮钻头密封寿命的最关键因素，现有轴承密封均属被动密封方式，不具有自动排砂功能，一旦泥浆颗粒进入密封腔，密封将会快速磨损后失效。目前，针对高速牙轮钻头螺旋密封性能的测试还未涉及，测试研究是现场试验及产品应用顺利进行的前提保障，进行高速牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试对提高钻头寿命具有重要意义。

因此，如何改变现有技术中，高速牙轮钻头螺旋密封的泵送排砂性能测试无法进行的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法，以解决上述现有技术存在的问题，使工作人员能够对牙轮钻头螺旋密封的泵送排砂性能进行测试，为实际生产应用提供便利。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法，包括如下步骤：

步骤一、向牙轮钻头螺旋密封处注入一定重量的含砂液体，对进入牙轮钻头螺旋密封处的密封空间内的含砂液体进行称重m1；

步骤二、令牙轮转动，向牙轮钻头螺旋密封处注入相同重量的含砂液体，对进入密封空间内的含砂液体进行称重m2；

步骤三、比较m1和m2，若m1＝m2，则牙轮钻头螺旋密封无泵送排砂能力；若m1＞m2，则牙轮钻头螺旋密封具有泵送排砂能力，m2越小，牙轮钻头螺旋密封的泵送排砂性能越强。

优选地，在步骤一完成后，对牙轮钻头螺旋密封及密封空间进行清洁，并擦拭晾干。

优选地，牙轮由电机驱动，牙轮与电机通过联轴器相连。

优选地，分别设定电机的转速为200r/min、250r/min或300r/min，重复步骤二和步骤三的操作。

优选地，将牙轮钻头螺旋密封的螺距设置为1.6mm、2.0mm或2.4mm，并重复步骤一、步骤二和步骤三的操作。

优选地，将牙轮钻头螺旋密封的斜螺旋面倾角设置为20°、23°或27°，并重复步骤一、步骤二和步骤三的操作。

优选地，将牙轮钻头螺旋密封的螺纹设置为梯形螺纹或锯齿形螺纹，并重复步骤一、步骤二和步骤三的操作。

优选地，采用称重传感器对盛放含砂液体的容器进行称重。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法，通过向牙轮钻头螺旋密封处注入一定重量的含砂液体，对进入牙轮钻头螺旋密封处的密封空间内的含砂液体的进行称重，牙轮静止时进入密封空间的含砂液体的重量反映无泵送效应时牙轮钻头螺旋密封的排砂性能，牙轮旋转时进入密封空间的含砂液体的重量反映牙轮钻头螺旋密封具有无泵送效应时的排砂性能，比较二者之间的重量差值，可以评价牙轮钻头螺旋密封的密封排砂性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法的试验流程图；

图2为本发明牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法的牙轮钻头螺旋密封的斜螺旋面倾角示意图；

其中，α为斜螺旋面倾角。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法，以解决上述现有技术存在的问题，使工作人员能够对牙轮钻头螺旋密封的泵送排砂性能进行测试，为实际生产应用提供便利。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1和图2，图1为本发明牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法的试验流程图，图2为本发明牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法的牙轮钻头螺旋密封的斜螺旋面倾角示意图。

泵送作用，是指当螺旋密封旋转时，旋转的螺旋槽壁面会对密封内部的粘性液体施加推力，在推力的作用下会发生能量的转换，即将旋转产生的动能转化为液体的压力能，从而使密封液体获得了一个泵扬程，即所谓的泵送效应。

本发明提供一种牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法，包括如下步骤：

步骤一、向牙轮钻头螺旋密封处注入一定重量的含砂液体，对进入牙轮钻头螺旋密封处的密封空间内的含砂液体进行称重m1；

步骤二、令牙轮转动，向牙轮钻头螺旋密封处注入相同重量的含砂液体，对进入密封空间内的含砂液体进行称重m2；

步骤三、比较m1和m2，若m1＝m2，则牙轮钻头螺旋密封无泵送排砂能力；若m1＞m2，则牙轮钻头螺旋密封具有泵送排砂能力，m2越小，牙轮钻头螺旋密封的泵送排砂性能越强。

m1为牙轮静止时，牙轮钻头螺旋密封处无泵送效应时的排砂量，比较m1和m2的大小，以确定牙轮旋转时，牙轮钻头螺旋密封处是否具备泵送效应，若m1＝m2，则牙轮钻头螺旋密封无泵送排砂能力；若m1＞m2，则牙轮钻头螺旋密封具有泵送排砂能力；牙轮钻头螺旋密封具备泵送排砂能力的前提下，m2越小，牙轮钻头螺旋密封的泵送排砂能力越强。

应该注意的是，在步骤一完成后，对牙轮钻头螺旋密封及密封空间进行清洁，并擦拭晾干，避免因牙轮钻头螺旋密封及密封空间内残留液体影响试验结果。

具体地，牙轮由电机驱动，牙轮与电机通过联轴器相连。电机带动牙轮钻头螺旋密封转动，使其转动更加平稳，提高试验结果的精确度。

试验时，分别设定电机的转速为200r/min、250r/min或300r/min，重复步骤二和步骤三的操作，分别记录牙轮钻头螺旋密封在不同转速的情况下，进入密封空间内的含砂液体的重量，得出牙轮钻头螺旋密封最佳排砂能力时的转速。

另外，将牙轮钻头螺旋密封的螺距设置为1.6mm、2.0mm或2.4mm，并重复步骤一、步骤二和步骤三的操作，分别记录牙轮钻头螺旋密封在不同螺距时，进入密封空间内的含砂液体的重量，得出牙轮钻头螺旋密封最佳排砂能力时的螺距值。

与此同时，将牙轮钻头螺旋密封的斜螺旋面倾角设置为20°、23°或27°，并重复步骤一、步骤二和步骤三的操作，分别记录牙轮钻头螺旋密封在不同导程角的情况下，进入密封空间内的含砂液体的重量，得出牙轮钻头螺旋密封最佳排砂能力时的导程角。

进一步地，将牙轮钻头螺旋密封的螺纹设置为梯形螺纹或锯齿形螺纹，并重复步骤一、步骤二和步骤三的操作，得出牙轮钻头螺旋密封最佳排砂能力时的螺纹形状。

更进一步地，将牙轮钻头螺旋密封的泵送排砂能力最佳时的转速、螺距、导程角、螺纹形状等参数组合在一起，对牙轮钻头螺旋密封的泵送排砂重量进行测试，获得牙轮钻头螺旋密封的泵送排砂能力最佳时的参数配比。

其中，在盛放含砂液体的容器上安装称重传感器，采用称重传感器对盛放含砂液体的容器进行称重，通过差值计算达到控制流出的含砂液体的重量的目的，确保试验精确度。

本发明的牙轮钻头螺旋密封排砂性能的测试方法，通过向牙轮钻头螺旋密封处注入一定重量的含砂液体，对进入牙轮钻头螺旋密封处的密封空间内的含砂液体的进行称重，牙轮静止时进入密封空间的含砂液体的重量反映无泵送效应时牙轮钻头螺旋密封的排砂性能，牙轮旋转时进入密封空间的含砂液体的重量反映牙轮钻头螺旋密封具有无泵送效应时的排砂性能，比较二者之间的重量差值，可以评价牙轮钻头螺旋密封的密封排砂性能，进入密封空间的含砂液体的重量越轻，则牙轮钻头螺旋密封的密封泵送性能越强。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。