專利名稱：全鉆頭破巖試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全鉆頭破巖試驗方法。
背景技術(shù)：
在石油鉆井中，鉆頭是破碎地層巖石的主要工具，是石油鉆井工程中提高機械鉆速、降低鉆井成本的重要手段。為了提高鉆頭的破巖效率，達(dá)到降低成本的目的，就必須針對不同的鉆井地層設(shè)計和選用適合地層特性的鉆頭。目前國內(nèi)外研究鉆頭破巖效率的主要方法有現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗，現(xiàn)場試驗就是針對不同地層設(shè)計好的鉆頭在現(xiàn)場的應(yīng)用，然后再修改設(shè)計和重新加工，這樣開發(fā)一種特性鉆頭需要的周期長，成本高；室內(nèi)主要的試驗方法有單齒垂直壓入試驗、鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗和全尺寸鉆頭鉆進(jìn)試驗。目前針對鉆頭研究開展的試驗主要是全尺寸鉆頭試驗和鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗，全鉆頭試驗主要是檢測新型鉆頭鉆進(jìn)不同地層巖石的破碎規(guī)律；鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗主要是研究不同鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)、齒面結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)參數(shù)與地層巖石的破碎規(guī)律?，F(xiàn)有全鉆頭試驗和鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗的測試系統(tǒng)主要是由傳感器、轉(zhuǎn)速測定儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗過程中的鉆頭、牙輪和齒圈轉(zhuǎn)速脈沖信號；由傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗過程中的鉆頭位移、鉆壓及扭矩模擬信號。但是隨著鉆頭研究進(jìn)一步的深化，現(xiàn)有鉆頭試驗測試系統(tǒng)存在很多問題已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段鉆頭研究和新產(chǎn)品開發(fā)的需要，比如:研究鉆頭及5個牙齒的運動和受力情況，現(xiàn)有兩張8通道數(shù)據(jù)采集卡的模擬量通道不夠，不能全面滿足試驗需要的擴展功能；由于液壓系統(tǒng)、電機和環(huán)境等的影響，動態(tài)應(yīng)變儀采集的信號含有大量的噪聲，試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高；動態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備價格昂貴，測試系統(tǒng)硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于現(xiàn)代測試技術(shù)的鉆頭試驗測試系統(tǒng)，以能夠快捷、準(zhǔn)確、實時采集鉆頭及各個牙齒的運動及受力情況，從而為鉆頭的新產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)化設(shè)計提供重要的試驗手段。鉆頭新產(chǎn)品開發(fā)在理論研究的基礎(chǔ)上必須經(jīng)過試驗驗證其性能，鉆頭試驗對研究和開發(fā)高性能產(chǎn)品具有非常重要的作用。在國外，美國Smith Bits公司、HughesChristensen 公司、Halliburton 公司及英國 Schlumberger Cambridge 公司等都建立了鉆頭試驗測試架，對新開發(fā)鉆頭進(jìn)行試驗研究找出其優(yōu)缺點，并相應(yīng)地制定了鉆頭試驗的檢測標(biāo)準(zhǔn)；同時各公司都申請了相應(yīng)的鉆頭仿真設(shè)計專利，其中大部分是以鉆頭試驗為基礎(chǔ)的，通過開展鉆頭試驗取得了不少的研究成果，開發(fā)出一系列特性或高性能鉆頭，對于提高鉆頭的機械轉(zhuǎn)速、破碎效率等起到了很重要的作用。1975年，在美國猶他州的鹽湖城建成了第一個全尺寸模擬井下條件的試驗架，可以用來試驗鉆頭、井下工具和一些井下動力鉆具。用液壓控制系統(tǒng)施加鉆進(jìn)壓力，伺服控制系統(tǒng)可以按試驗?zāi)康牡男枰刂埔院沣@壓、恒鉆速或恒扭矩方式鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中，可動態(tài)測量的數(shù)據(jù)有:鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、巖石的覆蓋應(yīng)力、圍限應(yīng)力、孔隙壓力和鉆頭的進(jìn)尺量和進(jìn)尺速度。1985年，英國斯倫貝謝劍橋公司建成了另一個世界聞名的模擬井下條件的鉆井試驗架，該試驗架可以模擬井深5000m的壓力和溫度。它的整個實驗操作控制、井下模擬條件控制和實驗數(shù)據(jù)的采集與處理都用計算機系統(tǒng)的閉環(huán)控制，其控制和測試系統(tǒng)較先進(jìn)。在國內(nèi)，江漢鉆頭股份公司、成都總機廠、西南石油大學(xué)、大慶油田等單位進(jìn)行鉆頭新產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)化設(shè)計研究且都建立了相應(yīng)的鉆頭試驗架，對提高我國鉆頭性能和研究、趕上世界水平起到了一定的作用。1989年，中國石油天然氣總公司北京石油勘探開發(fā)研究院鉆井所建成一臺模擬井底情況的小型鉆頭試驗架。該試驗架能夠做37/8in以下鉆頭在3500m井深條件下的鉆進(jìn)試驗并進(jìn)行試驗過程中的數(shù)據(jù)采集和分析處理。90年代，大慶油田的鉆井技術(shù)研究所建成一臺模擬6000m井深條件的大型鉆井試驗架。從1981年起，西南石油大學(xué)鉆頭研究所就對鉆頭角速度和牙輪角速度進(jìn)行實驗研究，在大型鉆頭試驗架上進(jìn)行全尺寸鉆頭實驗，該試驗架可給鉆頭施加300kN的鉆壓，并通過傳感器測得試驗過程中的脈沖信號及模擬信號，再輸入二次儀表和計算機進(jìn)行處理，得到試驗過程中的鉆壓、扭矩、位移及鉆頭轉(zhuǎn)速等信號。80年代初，西南石油大學(xué)鉆頭研究所在中國石油天然氣總公司的大力支持下，在解決了牙輪鉆頭幾何學(xué)、運動學(xué)一系列理論問題，掌握了鉆頭觸底齒本身的運動狀態(tài)及其規(guī)律的基礎(chǔ)上，建成一臺國內(nèi)外首創(chuàng)的模擬牙輪鉆頭牙齒造坑過程的試驗設(shè)備。它能夠使試樣牙齒同真實鉆頭牙齒作相同的復(fù)合運動，通過控制臺控制試驗操作過程，采集系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù)再輸入計算機進(jìn)行分析處理。這些鉆頭試驗設(shè)備功能不完善，由人工操作裝有各種控件的操作控制臺來實現(xiàn)整個試驗過程的控制，自動化程度低，特別是測試系統(tǒng)采用傳統(tǒng)硬件化測量儀器采集試驗過程的信號，功能單一、靈活性差、擴展功能局限性大、易受外界干擾，采集信號含有大量的噪聲以及硬件成本高等。隨著石油鉆井深度的增加和地層巖石的復(fù)雜化，根據(jù)不同地層巖石特點設(shè)計和開發(fā)特性鉆頭的研究工作更加迫切，鉆頭試驗測試的重要性顯得更加突出，現(xiàn)有鉆頭試驗測試系統(tǒng)很顯然達(dá)不到高性能鉆頭試驗測試的要求。牙輪鉆頭在井底工作時的運動狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。鉆頭在井底運動，除了鉆頭繞自身軸線作順時針方向旋轉(zhuǎn)運動和牙輪繞牙掌軸線作逆時針方向旋轉(zhuǎn)運動外，還有軸向縱振及牙輪的滑動，這幾種運動是鉆井時同時發(fā)生、綜合在一起的復(fù)合運動。牙輪鉆頭就是在上述復(fù)合運動所產(chǎn)生的沖擊、壓碎及滑動剪切作用下破碎巖石的。牙輪鉆頭鉆進(jìn)時會產(chǎn)生縱向振動，在每次振動中，鉆頭上行時壓縮下部鉆柱，鉆頭下行時則鉆柱恢復(fù)原長，其勢能轉(zhuǎn)化為鉆頭的動載荷。鉆頭工作時，牙齒作用到巖石上的力有靜載荷(加在鉆頭上的鉆壓)和動載荷(鉆頭與下部鉆柱加速下降而產(chǎn)生的動載)，也就是說牙齒沖擊破碎巖石時，鉆頭受到巖石的反作用力也等于靜載荷與動載荷之和。鉆頭在井下工作時，除了受到縱向靜載荷和動載荷外，由于鉆柱旋轉(zhuǎn)，還要受到扭矩作用。當(dāng)鉆壓較大，牙齒吃入巖石較深，尤其是牙齒在井底滑動較大時，鉆頭承受的扭矩更大。牙輪鉆頭在井底工作時，由于鉆頭在井底產(chǎn)生縱振，使鉆柱不斷壓縮和伸張，下部鉆柱把這種周期性的彈性變形能傳遞給牙齒，產(chǎn)生牙齒對巖石的沖擊、壓碎作用，這種破碎方式是牙輪鉆頭破碎巖石的主要方式之一。牙輪鉆頭工作時，由于鉆頭的設(shè)計結(jié)構(gòu)及地層摩擦阻力的影響而產(chǎn)生滑動，轉(zhuǎn)速越快、滑動量越大，對巖石的剪切破碎越大，從而通過牙齒的滑動剪切井底巖石，提高破碎效率。根據(jù)上述對牙輪鉆頭在井底運動、受力和破碎巖石情況的簡要分析，可以看出在鉆頭的研究過程中，必須有效地分析鉆頭破巖運動所承受的鉆壓、扭矩作用以及鉆頭和牙輪的轉(zhuǎn)速。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種全鉆頭破巖試驗方法，該全鉆頭破巖試驗方法主要檢測鉆頭在一定鉆井參數(shù)條件下破碎不同巖石的機械鉆速和破碎井底，能簡單并能真實反映鉆頭破巖特點。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):全鉆頭破巖試驗方法，其特征在于，包括以下步驟:(a)首先將磁芯傳感器安裝在鉆頭及下轉(zhuǎn)盤上；(b)再安裝巖石固定在試驗架的下轉(zhuǎn)盤上；(C)分別開動清水、可控硅調(diào)速裝置、液壓控制臺，輕壓慢轉(zhuǎn)造井底；(d)井底造好后對鉆壓、扭矩及鉆進(jìn)深度進(jìn)行標(biāo)零，并調(diào)整好動態(tài)應(yīng)變儀、鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測定儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(e)最后進(jìn)行不同參數(shù)條件下進(jìn)行鉆頭破巖試驗，獲得了不同參數(shù)條件下鉆頭破巖的鉆壓、扭矩、鉆進(jìn)深度、機械鉆速、鉆頭轉(zhuǎn)速、各牙輪與鉆頭的轉(zhuǎn)速比及井底模式。所述步驟(e)中，鉆頭鉆壓、扭矩測量通過設(shè)置在薄璧接頭上的粘貼應(yīng)變片實現(xiàn)。所述步驟(e)中，鉆進(jìn)深度是用位移傳感器，然后都通過動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀及計算機獲得。所述步驟(e)中，鉆頭轉(zhuǎn)速測量通過固定在下轉(zhuǎn)盤上的磁芯傳感器，探測下轉(zhuǎn)盤粘貼的銅片而獲得。本發(fā)明所用的設(shè)備，主要由鉆頭試驗架、設(shè)置于鉆頭試驗架下方的下轉(zhuǎn)盤、安裝在鉆頭試驗架上的測量接頭和位移傳感器構(gòu)成，所述鉆頭試驗架連接有驅(qū)動裝置，測量接頭和位移傳感器均與同一個測控裝置連接。所述驅(qū)動裝置主要由與鉆頭試驗架相連的油缸、以及與油缸相連的液壓控制臺構(gòu)成。所述測控裝置主要由均與測量接頭和位移傳感器相連的動態(tài)應(yīng)變儀、與動態(tài)應(yīng)變儀相連的數(shù)據(jù)采集箱、以及與數(shù)據(jù)采集箱相連的計算機構(gòu)成。所述數(shù)據(jù)采集箱還連接有轉(zhuǎn)速測定儀。所述轉(zhuǎn)速測定儀連接有磁芯傳感器，所述磁芯傳感器與下轉(zhuǎn)盤的表面接觸。所述測量接頭和位移傳感器均安裝在鉆頭試驗架的下端面。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是:主要檢測鉆頭在一定鉆井參數(shù)條件下破碎不同巖石的機械鉆速和破碎井底，能簡單并能真實反映鉆頭破巖特點。


圖1為本發(fā)明所用設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例:
本發(fā)明涉及的全鉆頭破巖試驗方法，包括以下步驟:(a)首先將磁芯傳感器安裝在鉆頭及下轉(zhuǎn)盤上；(b)再安裝巖石固定在試驗架的下轉(zhuǎn)盤上；(c)分別開動清水、可控硅調(diào)速裝置、液壓控制臺，輕壓慢轉(zhuǎn)造井底；(d)井底造好后對鉆壓、扭矩及鉆進(jìn)深度進(jìn)行標(biāo)零，并調(diào)整好動態(tài)應(yīng)變儀、鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測定儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(e)最后進(jìn)行不同參數(shù)條件下進(jìn)行鉆頭破巖試驗，獲得了不同參數(shù)條件下鉆頭破巖的鉆壓、扭矩、鉆進(jìn)深度、機械鉆速、鉆頭轉(zhuǎn)速、各牙輪與鉆頭的轉(zhuǎn)速比及井底模式。所述步驟(e)中，鉆頭鉆壓、扭矩測量通過設(shè)置在薄璧接頭上的粘貼應(yīng)變片實現(xiàn)。所述步驟(e)中，鉆進(jìn)深度是用位移傳感器，然后都通過動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀及計算機獲得。所述步驟(e)中，鉆頭轉(zhuǎn)速測量通過固定在下轉(zhuǎn)盤上的磁芯傳感器，探測下轉(zhuǎn)盤粘貼的銅片而獲得。另外，在試驗中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，對于鉆壓、扭矩和進(jìn)尺采取間隔I秒鐘各試驗參數(shù)采樣10次，鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的脈沖信號則隨時采集。因此，每一次試驗獲得的各試驗參數(shù)值，都是在鉆頭鉆進(jìn)正常后，鉆進(jìn)一段時間里的各試驗采樣點的平均值。本發(fā)明所用設(shè)備如圖1所示，主要由鉆頭試驗架1、設(shè)置于鉆頭試驗架I下方的下轉(zhuǎn)盤2、安裝在鉆頭試驗架I上的測量接頭3和位移傳感器4構(gòu)成，所述鉆頭試驗架I連接有驅(qū)動裝置，測量接頭3和位移傳感器4均與同一個測控裝置連接。所述驅(qū)動裝置主要由與鉆頭試驗架I相連的油缸5、以及與油缸5相連的液壓控制臺6構(gòu)成。所述測控裝置主要由均與測量接頭3和位移傳感器4相連的動態(tài)應(yīng)變儀7、與動態(tài)應(yīng)變儀7相連的數(shù)據(jù)采集箱8、以及與數(shù)據(jù)采集箱8相連的計算機9構(gòu)成。所述數(shù)據(jù)采集箱8還連接有轉(zhuǎn)速測定儀10。所述轉(zhuǎn)速測定儀10連接有磁芯傳感器11，所述磁芯傳感器11與下轉(zhuǎn)盤2的表面接觸。所述測量接頭3和位移傳感器4均安裝在鉆頭試驗架I的下端面。本發(fā)明的工作原理為:鉆頭鉆壓、扭矩測量是在薄璧接頭上粘貼應(yīng)變片，鉆進(jìn)深度是用位移傳感器，然后都通過動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀及計算機獲得。牙輪轉(zhuǎn)速測量則是通過固定在鉆頭體上的磁芯傳感器(探測牙輪外排齒)，即每當(dāng)一枚牙輪外排齒的頂部經(jīng)過磁芯傳感器，后者就發(fā)出一個脈沖信號，這些信號通過鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測定儀、數(shù)據(jù)采集儀及計算機獲得，而鉆頭轉(zhuǎn)速測量則是通過固定在下轉(zhuǎn)盤上的磁芯傳感器，探測下轉(zhuǎn)盤粘貼的銅片而獲得。施加鉆頭鉆壓則是通過鉆頭試驗架的自重及調(diào)節(jié)液壓控制臺控制油缸進(jìn)油量的大小來實現(xiàn)，鉆頭轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過可控硅調(diào)速裝置、直流電機、調(diào)速箱及試驗架下轉(zhuǎn)盤來實現(xiàn)。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.全鉆頭破巖試驗方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)首先將磁芯傳感器安裝在鉆頭及下轉(zhuǎn)盤上； (b)再安裝巖石固定在試驗架的下轉(zhuǎn)盤上； (C)分別開動清水、可控硅調(diào)速裝置、液壓控制臺，輕壓慢轉(zhuǎn)造井底； (d)井底造好后對鉆壓、扭矩及鉆進(jìn)深度進(jìn)行標(biāo)零，并調(diào)整好動態(tài)應(yīng)變儀、鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測定儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； (e)最后進(jìn)行不同參數(shù)條件下進(jìn)行鉆頭破巖試驗，獲得了不同參數(shù)條件下鉆頭破巖的鉆壓、扭矩、鉆進(jìn)深度、機械鉆速、鉆頭轉(zhuǎn)速、各牙輪與鉆頭的轉(zhuǎn)速比及井底模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全鉆頭破巖試驗方法，其特征在于，所述步驟(e)中，鉆頭鉆壓、扭矩測量通過設(shè)置在薄璧接頭上的粘貼應(yīng)變片實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全鉆頭破巖試驗方法，其特征在于，所述步驟(e)中，鉆進(jìn)深度是用位移傳感器，然后都通過動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀及計算機獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全鉆頭破巖試驗方法，其特征在于，所述步驟(e)中，鉆頭轉(zhuǎn)速測量通過固定在下轉(zhuǎn)盤上的磁芯傳感器，探測下轉(zhuǎn)盤粘貼的銅片而獲得。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全鉆頭破巖試驗方法，包括(a)首先將磁芯傳感器安裝在鉆頭及下轉(zhuǎn)盤上；(b)再安裝巖石固定在試驗架的下轉(zhuǎn)盤上；(c)分別開動清水、可控硅調(diào)速裝置、液壓控制臺，輕壓慢轉(zhuǎn)造井底；(d)井底造好后對鉆壓、扭矩及鉆進(jìn)深度進(jìn)行標(biāo)零，并調(diào)整好動態(tài)應(yīng)變儀、鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測定儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(e)最后進(jìn)行不同參數(shù)條件下進(jìn)行鉆頭破巖試驗，獲得了不同參數(shù)條件下鉆頭破巖的鉆壓、扭矩、鉆進(jìn)深度、機械鉆速、鉆頭轉(zhuǎn)速、各牙輪與鉆頭的轉(zhuǎn)速比及井底模式。本發(fā)明主要檢測鉆頭在一定鉆井參數(shù)條件下破碎不同巖石的機械鉆速和破碎井底，能簡單并能真實反映鉆頭破巖特點。
文檔編號G01M13/00GK103105290SQ20111037296
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者陳洪偉 申請人:陳洪偉