專利名稱：鉆頭齒圈復合破巖試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆頭齒圈復合破巖試驗方法。
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，達到降低成本的目的，就必須針對不同的鉆井地層設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計好的鉆頭在現(xiàn)場的應用，然后再修改設計和重新加工，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)應變儀采集的信號含有大量的噪聲，試驗數(shù)據(jù)準確性不高；動態(tài)應變儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設備價格昂貴，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)和科學化設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)鉆頭進行試驗研究找出其優(yōu)缺點，并相應地制定了鉆頭試驗的檢測標準；同時各公司都申請了相應的鉆頭仿真設計專利，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)施加鉆進壓力，伺服控制系統(tǒng)可以按試驗目的的需要控制以恒鉆壓、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、巖石的覆蓋應力、圍限應力、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。在國內(nèi)，江漢鉆頭股份公司、成都總機廠、西南石油大學、大慶油田等單位進行鉆頭新產(chǎn)品開發(fā)和科學化設計研究且都建立了相應的鉆頭試驗架，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、運動學一系列理論問題，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備。它能夠使試樣牙齒同真實鉆頭牙齒作相同的復合運動，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雜化，根據(jù)不同地層巖石特點設計和開發(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)和受力狀態(tài)是相當復雜的。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、綜合在一起的復合運動。牙輪鉆頭就是在上述復合運動所產(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，提供一種鉆頭齒圈復合破巖試驗方法，該鉆頭齒圈復合破巖試驗方法能根據(jù)鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)和牙齒齒面結(jié)構(gòu)，模擬鉆頭各個齒圈上牙齒的運動和破巖狀況，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機處理測量這些動態(tài)參數(shù)。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):鉆頭齒圈復合破巖試驗方法，其特征在于，包括以下步驟:(a)首先將米集的露頭巖樣加工成復合破巖實驗用的標準巖樣,然后將加工好的標準巖樣在自然狀態(tài)下風干；(b)試驗時先將切割好的巖塊裝入試驗系統(tǒng)內(nèi)；(C)根據(jù)鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗齒圈在鉆頭的位置，在試驗機上調(diào)整好試驗齒圈的移軸距、軸傾角及鉆頭牙爪基準尺寸C值；(d)根據(jù)全鉆頭的仿真試驗結(jié)果，調(diào)整鉆頭轉(zhuǎn)速；并按試驗齒圈的牙輪與鉆頭轉(zhuǎn)速的一定傳動比，調(diào)整好試驗用齒輪；(e)根據(jù)全鉆頭的仿真試驗結(jié)果,確定試驗齒圈應施加的鉆壓大小；(f)啟動電機使試驗機轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，控制試驗齒圈破巖過程中的啟動、加載、保持恒載和卸載過程，同時通過壓力傳感器及鉆頭轉(zhuǎn)速測定儀實時連續(xù)測量破巖過程中的鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速、牙輪轉(zhuǎn)速等動態(tài)參數(shù)及動態(tài)曲線，另外還獲得一個無重復破碎坑的破碎井底；(g)測量合格破碎坑的坑深、面積和體積，獲得破碎坑的形貌與鉆頭齒圈上牙齒破巖過程中運動與動力之間的對應關(guān)系。所述步驟(a)中，標準巖樣的尺寸為300X300X300mm3。所述步驟(a)中，風干時間為兩周以上。所述步驟(b)中，巖塊裝入試驗系統(tǒng)的巖石夾持器盒內(nèi)。所述步驟(f)中，通過操作控制臺自動控制試驗齒圈破巖過程中的啟動、加載、保持恒載和卸載過程。本發(fā)明所用的試驗系統(tǒng)，主要由轉(zhuǎn)盤、設置在轉(zhuǎn)盤上方的牙輪齒圈、與轉(zhuǎn)盤表面接觸的鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器、設置在轉(zhuǎn)盤上的壓力傳感器、以及與牙輪齒圈接觸的牙輪轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器構(gòu)成，所述轉(zhuǎn)盤連接有轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置，扭矩傳感器連接有扭矩驅(qū)動裝置，鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器連接有測控裝置。所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置主要由與轉(zhuǎn)盤相連的油缸、以及與油缸相連的油泵構(gòu)成。所述油缸和轉(zhuǎn)盤之間設置有活塞。所述扭矩驅(qū)動裝置主要由與扭矩傳感器相連的傳動器、以及與傳動器相連的電機構(gòu)成。所述測控裝置主要由與鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器和牙輪轉(zhuǎn)速傳感器均相連的轉(zhuǎn)速測定儀、與扭矩傳感器和壓力傳感器均相連的動態(tài)應變儀、與轉(zhuǎn)速測定儀和動態(tài)應變儀均相連的數(shù)據(jù)采集箱、以及與數(shù)據(jù)采集箱相連的計算機和控制臺構(gòu)成。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是:能根據(jù)鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)和牙齒齒面結(jié)構(gòu)，模擬鉆頭各個齒圈上牙齒的運動和破巖狀況，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機處理測量這些動態(tài)參 數(shù)。
圖1為本發(fā)明所用系統(tǒng)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)明作進一步的詳細說明，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)明涉及的鉆頭齒圈復合破巖試驗系統(tǒng)，主要由轉(zhuǎn)盤1、設置在轉(zhuǎn)盤I上方的牙輪齒圈2、與轉(zhuǎn)盤I表面接觸的鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器3、設置在轉(zhuǎn)盤I上的壓力傳感器8、以及與牙輪齒圈2接觸的牙輪轉(zhuǎn)速傳感器4和扭矩傳感器5構(gòu)成，所述轉(zhuǎn)盤I連接有轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置，扭矩傳感器5連接有扭矩驅(qū)動裝置，鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器3連接有測控裝置。所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置主要由與轉(zhuǎn)盤I相連的油缸6、以及與油缸6相連的油泵7構(gòu)成。所述油缸6和轉(zhuǎn)盤I之間設置有活塞17。所述扭矩驅(qū)動裝置主要由與扭矩傳感器5相連的傳動器14、以及與傳動器14相連的電機15構(gòu)成。所述測控裝置主要由與鉆頭轉(zhuǎn)速傳感器3和牙輪轉(zhuǎn)速傳感器4均相連的轉(zhuǎn)速測定儀9、與扭矩傳感器5和壓力傳感器8均相連的動態(tài)應變儀10、與轉(zhuǎn)速測定儀9和動態(tài)應變儀10均相連的數(shù)據(jù)采集箱11、以及與數(shù)據(jù)采集箱11相連的計算機12和控制臺13構(gòu)成。本發(fā)明的工作原理為:在保持鉆頭齒圈在全尺寸鉆頭上的位置與結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，根據(jù)全尺寸鉆頭的仿真試驗結(jié)果，確定合理的鉆壓、轉(zhuǎn)速和牙輪與鉆頭的轉(zhuǎn)速比；然后通過快速加(卸)載裝置實現(xiàn)在極短時間內(nèi)將鉆壓加到全尺寸鉆頭齒圈破巖時所需的鉆壓，又在極短的時間內(nèi)使齒圈與巖石16互作用的牙齒脫離巖石16,即齒圈牙齒破碎巖石16的有效行程為一圈(包括加載和卸載過程)，在數(shù)據(jù)采集過程中，三分之一圈作為加載過程和卸載過程，三分之二圈作為齒圈有效破碎巖石16，這樣就保證了能準確地測量正常工況下鉆頭牙齒與巖石的相互作用過程，在試驗過程中則用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機記錄鉆頭牙齒與巖石相互作用過程中的運動參數(shù)和動力參數(shù)；最后，測量鉆頭齒圈破巖后破碎坑的深度，破碎面積及破碎體積?；谏鲜鲈囼炏到y(tǒng)的試驗方法，包括以下步驟:(a)首先將米集的露頭巖樣加工成復合破巖實驗用的標準巖樣,然后將加工好的標準巖樣在自然狀態(tài)下風干；(b)試驗時先將切割好的巖塊裝入試驗系統(tǒng)內(nèi)；(C)根據(jù)鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗齒圈在鉆頭的位置，在試驗機上調(diào)整好試驗齒圈的移軸距、軸傾角及鉆頭牙爪基準尺寸C值；(d)根據(jù)全鉆頭的仿真試驗結(jié)果，調(diào)整鉆頭轉(zhuǎn)速；并按試驗齒圈的牙輪與鉆頭轉(zhuǎn)速的一定傳動比，調(diào)整好試驗用齒輪；(e)根據(jù)全鉆頭的仿真試驗結(jié)果,確定試驗齒圈應施加的鉆壓大小；
(f)啟動電機使試驗機轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，控制試驗齒圈破巖過程中的啟動、加載、保持恒載和卸載過程，同時通過壓力傳感器及鉆頭轉(zhuǎn)速測定儀實時連續(xù)測量破巖過程中的鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速、牙輪轉(zhuǎn)速等動態(tài)參數(shù)及動態(tài)曲線，另外還獲得一個無重復破碎坑的破碎井底；(g)測量合格破碎坑的坑深、面積和體積，獲得破碎坑的形貌與鉆頭齒圈上牙齒破巖過程中運動與動力之間的對應關(guān)系。所述步驟(a)中，標準巖樣的尺寸為300X300X300mm3。所述步驟(a)中，風干時間為兩周以上。所述步驟(b)中，巖塊裝入試驗系統(tǒng)的巖石夾持器盒內(nèi)。所述步驟(f)中，通過操作控制臺自動控制試驗齒圈破巖過程中的啟動、加載、保持恒載和卸載過程。為了確定鉆頭在一定鉆壓下各齒圈的實際受力情況，在復合破巖試驗機上采用不同鉆壓針對具體齒圈進行復合破巖試驗，觀察破碎坑的大小，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得試驗過程的動態(tài)參數(shù)，最后確定出鉆頭各齒圈的試驗載荷和試驗參數(shù)。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.鉆頭齒圈復合破巖試驗方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)首先將采集的露頭巖樣加工成復合破巖實驗用的標準巖樣，然后將加工好的標準巖樣在自然狀態(tài)下風干； (b)試驗時先將切割好的巖塊裝入試驗系統(tǒng)內(nèi)； (C)根據(jù)鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗齒圈在鉆頭的位置，在試驗機上調(diào)整好試驗齒圈的移軸距、軸傾角及鉆頭牙爪基準尺寸C值； (d)根據(jù)全鉆頭的仿真試驗結(jié)果，調(diào)整鉆頭轉(zhuǎn)速；并按試驗齒圈的牙輪與鉆頭轉(zhuǎn)速的一定傳動比，調(diào)整好試驗用齒輪； (e)根據(jù)全鉆頭的仿真試驗結(jié)果，確定試驗齒圈應施加的鉆壓大??； (f)啟動電機使試驗機轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，控制試驗齒圈破巖過程中的啟動、加載、保持恒載和卸載過程，同時通過壓力傳感器及鉆頭轉(zhuǎn)速測定儀實時連續(xù)測量破巖過程中的鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速、牙輪轉(zhuǎn)速等動態(tài)參數(shù)及動態(tài)曲線，另外還獲得一個無重復破碎坑的破碎井底； (g)測量合格破碎坑的坑深、面積和體積，獲得破碎坑的形貌與鉆頭齒圈上牙齒破巖過程中運動與動力之間的對應關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭齒圈復合破巖試驗方法，其特征在于，所述步驟(a)中，標準巖樣的尺寸為300 X 300 X 300mm3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭齒圈復合破巖試驗方法，其特征在于，所述步驟(a)中，風干時間為兩周以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭齒圈復合破巖試驗方法，其特征在于，所述步驟(b)中，巖塊裝入試驗系統(tǒng)的巖石夾持器盒內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭齒圈復合破巖試驗方法，其特征在于，所述步驟(f)中，通過操作控制臺自動控制試驗齒圈破巖過程中的啟動、加載、保持恒載和卸載過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉆頭齒圈復合破巖試驗方法，包括(a)將巖樣加工成標準巖樣，風干；(b)將巖塊裝入試驗系統(tǒng)；(c)調(diào)整試驗齒圈的移軸距、軸傾角及鉆頭牙爪基準尺寸；(d)調(diào)整鉆頭轉(zhuǎn)速和試驗用齒輪；(e)確定試驗齒圈應施加的鉆壓大??；(f)控制試驗齒圈破巖過程中的啟動、加載、保持恒載和卸載過程，通過壓力傳感器及鉆頭轉(zhuǎn)速測定儀連續(xù)測量破巖過程中的鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速、牙輪轉(zhuǎn)速等動態(tài)參數(shù)及動態(tài)曲線；(g)測量合格破碎坑的坑深、面積和體積，獲得運動與動力之間的對應關(guān)系。本發(fā)明能根據(jù)鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)和牙齒齒面結(jié)構(gòu)，模擬鉆頭各個齒圈上牙齒的運動和破巖狀況，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機處理測量這些動態(tài)參數(shù)。
文檔編號G01M13/00GK103105291SQ20111037768
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