專利名稱：用于鉆頭齒圈破巖性能的測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于鉆頭齒圈破巖性能的測試系統(tǒng)。
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)ー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ー步的深化，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個牙齒的運動和受カ情況，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カ情況，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SchlumbergerCambridge公司等都建立了鉆頭試驗測試架，對新開發(fā)鉆頭進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、井下工具和ー些井下動カ鉆具。用液壓控制系統(tǒng)施加鉆進壓力，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。在鉆進過程中，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尺量和進尺速度。1985年，英國斯倫貝謝劍橋公司建成了另ー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的壓カ和溫度。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)較先迸。在國內(nèi)，江漢鉆頭股份公司、成都總機廠、西南石油大學(xué)、大慶油田等単位進行鉆頭新產(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井深條件下的鉆進試驗并進行試驗過程中的數(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行實驗研究，在大型鉆頭試驗架上進行全尺寸鉆頭實驗，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，功能単一、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増加和地層巖石的復(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)和受カ狀態(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。牙輪鉆頭鉆進時會產(chǎn)生縱向振動，在毎次振動中，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吋，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。牙輪鉆頭工作吋，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、受カ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。
在鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗過程中，需要測量的參數(shù)有:牙輪的平均轉(zhuǎn)速、鉆頭(即巖石反轉(zhuǎn))平均轉(zhuǎn)速、牙齒對巖石的吃入深度、鉆壓即牙齒與巖石間相互作用的垂直力和轉(zhuǎn)盤帶動巖石夾持器旋轉(zhuǎn)的扭矩。
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，提供一種用于鉆頭齒圈破巖性能的測試系統(tǒng)，該用于鉆頭齒圈破巖性能的測試系統(tǒng)的試驗過程時間短、自動化程度高、擴展功能廣、采集到的信號中含有噪聲少、制造成本低。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):用于鉆頭齒圈破巖性能的測試系統(tǒng)，主要由應(yīng)變傳感器、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速傳感器、牙輪轉(zhuǎn)速傳感器、與應(yīng)變傳感器相連的動態(tài)應(yīng)變儀、與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速傳感器和牙輪轉(zhuǎn)速傳感器均相連的鉆頭測速儀、與動態(tài)應(yīng)變儀和鉆頭測速儀均相連的數(shù)據(jù)采集箱、與數(shù)據(jù)采集箱相連的數(shù)據(jù)采集卡、以及與數(shù)據(jù)采集卡相連的計算機構(gòu)成。所述應(yīng)變傳感器包括壓カ傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。所述壓カ傳感器與動態(tài)應(yīng)變儀之間、位移傳感器與動態(tài)應(yīng)變儀之間、扭矩傳感器與動態(tài)應(yīng)變儀之間均設(shè)置有電橋。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是:試驗過程時間短、自動化程度高、擴展功能廣、采集到的信號中含有噪聲少、制造成本低。
圖1為本發(fā)明的結(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)明作進ー步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例:如圖1所示，本發(fā)明涉及的用于鉆頭齒圈破巖性能的測試系統(tǒng)，主要由應(yīng)變傳感器、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速傳感器、牙輪轉(zhuǎn)速傳感器、與應(yīng)變傳感器相連的動態(tài)應(yīng)變儀、與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速傳感器和牙輪轉(zhuǎn)速傳感器均相連的鉆頭測速儀、與動態(tài)應(yīng)變儀和鉆頭測速儀均相連的數(shù)據(jù)采集箱、與數(shù)據(jù)采集箱相連的數(shù)據(jù)采集卡、以及與數(shù)據(jù)采集卡相連的計算機構(gòu)成。所述應(yīng)變傳感器包括壓カ傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。所述壓カ傳感器與動態(tài)應(yīng)變儀之間、位移傳感器與動態(tài)應(yīng)變儀之間、扭矩傳感器與動態(tài)應(yīng)變儀之間均設(shè)置有電橋。本發(fā)明的工作原理如下:壓カ和扭矩測量的實現(xiàn):巖石夾持器由兩層鋼板制成的平臺組成，上面一層裝夾巖石試塊，下面一層連接下面支持軸，接受液缸向上的推力和轉(zhuǎn)盤傳來的扭矩。上下兩層之間靠三根垂直的和三根水平的聯(lián)結(jié)桿把上層“懸桂”在下層周邊短短的三個“支柱”上。這六根聯(lián)結(jié)桿兩端都用球鉸，屬于力學(xué)上的ニカ桿。六根桿限制了上層平臺的六個自由度，使其相對于下層臺固定。用電阻應(yīng)變片測出這六根桿所受的力即可測得鉆壓和扭矩。位移測量:在鉆頭試驗過程中，需測量牙齒對巖石的吃入深度，非接觸式位移傳感器測量牙齒的吃入深度信號，電橋即信號調(diào)理電路將傳感器輸出的信號進行轉(zhuǎn)換，動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集箱及采集卡采集信號調(diào)理電路輸出的信號，再輸入計算機進行分析處理。轉(zhuǎn)速測量:在下轉(zhuǎn)盤上粘貼銅片，由于銅片與鐵的導(dǎo)磁率不同，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時探頭交替接觸銅片和轉(zhuǎn)盤而發(fā)出ー個脈沖信號，這些信號經(jīng)過轉(zhuǎn)速測定儀放大、計數(shù)，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集箱、采集卡及計算機處理就可測得鉆頭的平均轉(zhuǎn)速；同理可測得牙輪的平均轉(zhuǎn)速。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.關(guān)于鉆頭齒圈破巖性能的測試系統(tǒng)，其特征在于，主要由應(yīng)變傳感器、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速傳感器、牙輪轉(zhuǎn)速傳感器、與應(yīng)變傳感器相連的動態(tài)應(yīng)變儀、與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速傳感器和牙輪轉(zhuǎn)速傳感器均相連的鉆頭測速儀、與動態(tài)應(yīng)變儀和鉆頭測速儀均相連的數(shù)據(jù)采集箱、與數(shù)據(jù)采集箱相連的數(shù)據(jù)采集卡、以及與數(shù)據(jù)采集卡相連的計算機構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鉆頭齒圈破巖性能的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述應(yīng)變傳感器包括壓カ傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于鉆頭齒圈破巖性能的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述壓カ傳感器與動態(tài)應(yīng)變儀之間、位移傳感器與動態(tài)應(yīng)變儀之間、扭矩傳感器與動態(tài)應(yīng)變儀之間均設(shè)置有電橋。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于鉆頭齒圈破巖性能的測試系統(tǒng)。該用于鉆頭齒圈破巖性能的測試系統(tǒng)主要由應(yīng)變傳感器、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速傳感器、牙輪轉(zhuǎn)速傳感器、與應(yīng)變傳感器相連的動態(tài)應(yīng)變儀、與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速傳感器和牙輪轉(zhuǎn)速傳感器均相連的鉆頭測速儀、與動態(tài)應(yīng)變儀和鉆頭測速儀均相連的數(shù)據(jù)采集箱、與數(shù)據(jù)采集箱相連的數(shù)據(jù)采集卡、以及與數(shù)據(jù)采集卡相連的計算機構(gòu)成。本發(fā)明試驗過程時間短、自動化程度高、擴展功能廣、采集到的信號中含有噪聲少、制造成本低。
文檔編號G01M13/00GK103091084SQ20111037401
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者汪建平 申請人:汪建平