專利名稱：Pdc鉆頭頭部流場可視化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種作為井下工具PDC鉆頭頭部流場可視化裝置。
背景技術(shù)：
從現(xiàn)場PDC鉆頭的使用來看，PDC鉆頭存在的問題是在軟地層中出現(xiàn)鉆頭泥包，在硬地層中熱磨損加劇。這種現(xiàn)象要求PDC鉆頭的水力清洗和冷卻必須達到某種水平，以延長鉆頭壽命，防止鉆頭泥包。PDC鉆頭頭部的噴嘴、流道、排屑槽等水力結(jié)構(gòu)主要提供井底清洗和冷卻功能鉆井液由鉆頭噴嘴進入井底流場，經(jīng)流道流過井底與鉆頭表面，然后通過鉆頭體與井壁間的排屑槽進入環(huán)空。鉆井液在流動過程中不僅冷卻、潤滑切削齒，還同時把切下來的巖屑帶走，從而達到清洗和冷卻的目的?？梢姡侠斫M織PDC鉆頭頭部流場對提高鉆頭水力系統(tǒng)的清洗與冷卻能力是非常重要的。為了獲得合理的PDC鉆頭頭部流場，首先要正確理解PDC鉆頭頭部流場的結(jié)構(gòu)及特性，為此，必須展開大量的實驗與數(shù)值研究。由于鉆頭本身幾何形狀及工作環(huán)境的復(fù)雜性，數(shù)值研究仍然受到較大局限。在實驗方面，已有的研究主要集中于射流特性的探討，而對如何真實地、直觀地顯示PDC鉆頭流場這一研究進行得很少，未見公開報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了獲得清晰的、直觀的井下流場圖象，所得到的流場圖象有助于驗證其它研究方法的可靠性，并有利于分析PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)的清洗能力、冷卻特性及鉆頭可能產(chǎn)生的破壞，提供一套實驗用的PDC鉆頭頭部流場可視化裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣來實現(xiàn)的，一種PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特點是，它由水循環(huán)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、粒子加入與回收系統(tǒng)和流動穩(wěn)定系統(tǒng)5個子系統(tǒng)、操作控制柜及模型鉆頭傳動裝置組成a)水循環(huán)系統(tǒng)主要由儲水池、水泵、給水管線、實驗井筒、實驗鉆頭及排水管線組成；b)測試系統(tǒng)包括了井筒與鉆頭距離調(diào)節(jié)部分和測試部分，主要有實驗鉆頭、實驗井筒、支架、電磁流量計、壓力表等組成，支架由三層支撐架和筒體連接而成；c)成像系統(tǒng)主要有單幅照片顯示的攝影和多幅連續(xù)顯示的高速攝影裝置；d)粒子加入與回收系統(tǒng)由空氣壓縮機、氣閥、粒子加入口、箱體固定環(huán)、粒子觀察窗、箱體、粒子控流閥及篩網(wǎng)盒組成；e)流動穩(wěn)定系統(tǒng)包括水泵及變頻儀，由變頻儀來控制水泵轉(zhuǎn)速均勻以達流量穩(wěn)定。
本發(fā)明提供一套PDC鉆頭頭部流場可視化裝置進行模擬井下流場實驗，獲得清晰的、直觀的井下流場圖象，所得到的流場圖象有助于驗證其它研究方法的可靠性，并有利于分析PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)的清洗能力、冷卻特性及鉆頭可能產(chǎn)生的破壞。


圖1為PDC鉆頭頭部流場可視化裝置系統(tǒng)組成圖；圖2為PDC鉆頭頭部流場可視化裝置的基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為水循環(huán)系統(tǒng)示意圖；圖4為粒子加入裝置示意圖；圖5為實驗鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
由圖1所示，PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特點是，能夠清晰直觀可靠地顯示鉆頭頭部水力場的結(jié)構(gòu)，它由水循環(huán)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、粒子加入與回收系統(tǒng)和流動穩(wěn)定系統(tǒng)5個子系統(tǒng)、操作控制柜及模型鉆頭傳動裝置組成。
由圖2、圖3所示，水循環(huán)系統(tǒng)主要由儲水池1、水泵2、給水管線3、實驗井筒13、實驗鉆頭12及排水管線10組成，其中管線采用的鍍鋅鐵管；水泵采用的是離心泵。泵最大流量為30m3/h，最大揚程為60m。鉆頭采用的是鋁制鉆頭。為便于拍攝和觀察流場，采用了無色透明有機玻璃作井筒，直徑為230mm，井筒壁厚10mm。
由圖2所示，測試系統(tǒng)是實驗的主體部分，測試系統(tǒng)包括了井筒與鉆頭距離調(diào)節(jié)部分和測試部分，主要有實驗鉆頭12、實驗井筒13、支架、電磁流量計4、壓力表等組成，支架由三層支撐架7、8、9和架體6連接而成，支撐安放井筒的實驗支架上設(shè)計成3層，即圖2中所示的7、8、9三層，它們各有不同的作用第一層7的主要作用是放置使鉆頭旋轉(zhuǎn)以及鉆頭表面壓力測量所需的設(shè)備，和幫助鉆桿承受鉆頭重量的設(shè)備；第二層8的作用是承受井筒出水罐段內(nèi)水的重量；第三層9的作用是承接有機玻璃井筒的重量，并調(diào)節(jié)鉆頭表面離井筒的距離，可調(diào)節(jié)的距離為10～20mm。將第二層與第三層分開設(shè)計，而沒有作為一整體的目的是便于擦洗鉆頭和有機玻璃表面，而不需要拆卸重量較大的鉆頭。同時配合鉆頭的獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計可有利于鉆頭表面壓力測量的進行。
成像系統(tǒng)主要有單幅照片顯示的攝影和多幅連續(xù)顯示的高速攝影裝置，成像系統(tǒng)14是指協(xié)助完成流場顯示的裝置設(shè)備。主要有單幅照片顯示的攝影和多幅連續(xù)顯示的高速攝影裝置。單幅照片主要用于流場顯示中氣泡顯示法和絲線法。為了使光線充足增大照片的分辨率，拍攝中使用了兩臺舞臺追光燈具增強照明度。連續(xù)流場攝影采用了高速攝影。流動顯示的示蹤粒子是白色聚苯乙烯顆粒，密度為1.04×103Kg/m3，粒子平均直徑為1.1mm，它具有很好的跟隨性。
粒子加入與回收系統(tǒng)由空氣壓縮機17、氣閥18、粒子加入口19、箱體固定環(huán)20、粒子觀察窗21、箱體22、粒子控流閥23及篩網(wǎng)盒24組成，為了顯示井下流場的結(jié)構(gòu)，本裝置中采用了示蹤粒子顯示軌跡的做法，本發(fā)明的粒子加入裝置如圖4所示。實驗時，關(guān)閉粒子控流閥23，將粒子加入該裝置，之后由空氣壓縮機17向裝置內(nèi)充一定壓力，并關(guān)閉氣閥18，待需加入粒子時慢慢打開控流閥23，調(diào)節(jié)粒子流出的量至合適濃度，當裝置內(nèi)壓力低于管線內(nèi)水流壓力時，水會流入箱內(nèi)，當裝置內(nèi)壓縮空氣達到了壓力平衡狀態(tài)，粒子便會隨主流管線內(nèi)的水一起運動。由于粒子密度與水相近，ρp＝1.04×103Kg/m3，而且粒子在管線上的加入位置離鉆頭噴嘴很遠，所以能使粒子與水流充分混合，在垂直向下的鉆桿內(nèi)隨水流均勻進入噴嘴，這樣能更精確地顯示出流場的微觀運動。粒子回收裝置比較簡單，在排水管線末端安置了一內(nèi)帶有孔徑為0.5mm的篩網(wǎng)的大盒體25。由于篩網(wǎng)孔徑小于粒子，故粒子既不會阻擋排出的水流出盒體，又能夠完全落于盒中。
為了清除如電流或泵運轉(zhuǎn)不穩(wěn)等外界因素對流場造成的不穩(wěn)定影響，在給水管線系統(tǒng)中需加入使流動穩(wěn)定的裝置。解決此問題的常規(guī)作法是，在管路中增加一大的水罐，使由泵出來的水在此穩(wěn)定后，再流入計量儀表和鉆頭噴嘴。由于水罐占地面積較大，成本較高，本發(fā)明未采用此做法，由圖2所示，而是采用變頻儀16來控制水泵2轉(zhuǎn)速均勻，來達到穩(wěn)定流量的目的，同時進入管線的流體流量也由變頻儀控制泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，這樣克服了傳統(tǒng)的使用閥門來改變流量所造成的問題，如在閥門打開或關(guān)閉時，會引起管道內(nèi)壓力的波動等。
由圖5所示，實驗鉆頭表面上有噴嘴、主、副筋板各四塊，8個流道。本發(fā)明的模型鉆頭是一個鋁質(zhì)鉆頭，鋁制的鉆頭質(zhì)量較輕，便于制作和安裝。其冠部形狀為拋物線，為了方便鉆頭表面打壓力孔和壓力傳感器的安裝，我們把鉆頭分成3部分加工，即示意圖中的頭部26，后體27和蓋板28。頭部26和后體27內(nèi)部掏空，只留下很薄的一層，以便于以后的壓力測量。鉆頭后體27和鉆頭頭部26的聯(lián)接是通過螺栓實現(xiàn)的，鉆頭后體27和蓋板28之間也是由螺栓29聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)了鉆頭結(jié)構(gòu)的靈活可拆卸性能。
為了能在實驗室內(nèi)有效觀測到射流在井下的流動，實驗井筒由2部分組成，即便于拍攝的有機玻璃觀察段30和鋼鐵管路回水儲水段31，如圖5所示。為防止流體在兩段之間的聯(lián)接處發(fā)生泄漏，本發(fā)明采用了在回水儲水段31的鋼體上開凹槽，并置有”O(jiān)”型密封圈32。實驗證明這種方法簡單可行，密封性能非常好。
權(quán)利要求
1.一種PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特征在于，它由水循環(huán)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、粒子加入與回收系統(tǒng)和流動穩(wěn)定系統(tǒng)5個子系統(tǒng)、操作控制柜及模型鉆頭傳動裝置組成a)水循環(huán)系統(tǒng)主要由儲水池(1)、水泵(2)、給水管線(3)、實驗鉆頭(12)及排水管線(10)組成；b)測試系統(tǒng)包括了井筒與鉆頭距離調(diào)節(jié)部分和測試部分，主要有實驗鉆頭(12)、實驗井筒(13)、支架、電磁流量計(4)、壓力表等組成，支架由三層支撐架(7)、(8)、(9)和架體(6)連接而成c)成像系統(tǒng)主要有單幅照片顯示的攝影和多幅連續(xù)顯示的高速攝影裝置(14)；d)粒子加入與回收系統(tǒng)由空氣壓縮機(17)、氣閥(18)、粒子加入口(19)、箱體固定環(huán)(20)、粒子觀察窗(21)、箱體(22)、?？亓鏖y(23)及篩網(wǎng)盒(25)組成；e)流動穩(wěn)定系統(tǒng)包括水泵(2)及變頻儀(16)，由變頻儀來控制水泵轉(zhuǎn)速均勻以達流量穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特征在于，所述的實驗鉆頭表面上有噴嘴、主、副筋板各四塊，8個流道，冠部形狀為拋物線，噴嘴為四個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特征在于，所述的實驗井筒由便于拍攝的有機玻璃觀察段和鋼鐵管路回水儲水段構(gòu)成，在在回水儲水段的鋼體上開凹槽，并置有”O(jiān)”型密封圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特征在于，所述的支架由支撐架(7)、支撐架(8)、支撐架(9)三層支撐架與一筒體(6)的機架連接而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種作為井下工具PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特點是，能夠清晰直觀可靠地顯示鉆頭頭部水力場的結(jié)構(gòu)，它由水循環(huán)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、粒子加入與回收系統(tǒng)和流動穩(wěn)定系統(tǒng)5個子系統(tǒng)、操作控制柜及模型鉆頭傳動裝置組成。用此裝置進行模擬井下流場實驗，獲得清晰的、直觀的井下流場圖象，所得到的流場圖象有助于驗證其它研究方法的可靠性，并有利于分析PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)的清洗能力、冷卻特性及鉆頭可能產(chǎn)生的破壞。
文檔編號E21B10/00GK1510245SQ0215775
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者陳康民 申請人:上海理工大學(xué)