CN103048074A - 一种石油钻井冲击器性能测试装置及其测试方法 - Google Patents

一种石油钻井冲击器性能测试装置及其测试方法 Download PDF

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陶兴华
张海平
牛新明
涂玉林
刘鹏
胡彦峰
刘晓丹
王文立
江山红
詹美玲
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Abstract

本发明，一种石油钻井冲击器性能测试的测试装置及其方法，所述装置包括待测冲击器，包括泥浆泵，传感器和数据处理单元；所述泥浆泵和待测冲击器的液体入口端相连，所述传感器利用冲击力法，用于直接测定出不同型号待测冲击器的冲击力和冲击频率。本发明采用传感器和数据转换器相结合的方式，利用冲击力法，直接测定出不同型号冲击器的冲击力和冲击频率。同时也可以利用压力传感器测量出冲击器的钻井液入口压力、出口压力、缸体上下腔压力，利用流量传感器测出冲击器出口流量。通过缸体上下腔压差测量，并计算得出冲击功和冲击末速度。这种方法准确、快捷、方便。

Description

一种石油钻井冲击器性能测试装置及其测试方法
技术领域
本发明属于一种石油勘探钻井领域，尤其涉及一种石油钻井冲击器性能测试的测试方法及其装置，主要是用于测试冲击器的冲击力、冲击频率、冲击功和冲击末速度等性能参数。
背景技术
随着我国油气资源勘探的不断深入，旋冲钻井技术的应用范围迅速扩大，而冲击器是实现旋冲钻井技术的关键工具，其性能优劣直接影响旋冲钻井的破岩效率，是旋冲钻井能否高效进行的最为关键因素之一。衡量冲击器性能的主要参数是冲击功和冲击频率。常用的冲击器性能测试方法主要有：应力波法、光电位移微分法、电磁感应法、触点法、气压法、示功图法和能量法等。这些方法用于石油钻井冲击器性能测试，存在工作量大、操作复杂、成本高等缺点。
CN201340318Y公开了一种物探冲击器性能测试装置，该装置利用高速摄影仪，通过高频拍摄的方式，得到活塞位移-时间曲线，进而得到速度-时间曲线，由活塞位移-时间曲线得到冲击器的冲击频率，由速度-时间曲线计算得出冲击功。其利用高速摄像仪拍摄活塞的运动，只适用于冲击器的外壳为透明材质的情况，而实际使用的冲击器均为金属材质，即只能通过拍摄冲击器试验工具的性能来代表其实际性能，和实际性能存在一定差异，另一方面，因需要重新加工试验工具，采用昂贵的高速摄影仪，增加了试验成本。
CN1387030和CN2479499公开了冲击器输出性能测试装置和冲击器输出性能的测试装置及测试方法，该两个测试装置均采用同一原理，即利用封闭气腔中气体压力变化来检测冲击器的输出性能，通过计算机系统的计算来获得活塞的速度、位移、冲击能和冲击频率等参数。该发明原理可行，但安装密闭气腔形成完全的绝热环境较为困难，同时，计算存在较大误差。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的技术问题，研发了一种石油钻井冲击器性能测试装置及其测试方法。本发明采用传感器和数据转换器相结合的方式，利用冲击力法，直接测定出不同型号冲击器的冲击力和冲击频率。同时也可以利用压力传感器测量出冲击器的钻井液入口压力、出口压力、缸体上下腔压力，利用流量传感器测出冲击器出口流量。通过缸体上下腔压差测量，并计算得出冲击功和冲击末速度。这种方法准确、快捷、方便。
本发明所采用的技术方案如下，
一种石油钻井冲击器性能测试装置，所述装置包括待测冲击器3，包括泥浆泵1，传感器和数据处理单元；
所述泥浆泵1和待测冲击器3的液体入口端相连，所述传感器利用冲击力法，用于直接测定出不同型号待测冲击器3的冲击力和冲击频率；所述传感器设置在所述待测冲击器3的冲击力测量端；所述传感器通过线路与所述数据处理单元相连，用于将测量的信号处理输出。所述的数据处理单元包括数据采集卡9和数据处理和显示模块10，所述的数据采集卡9用于采集各个线路中的探测信号，并通过模数转换器将信号转换为电信号，后传输给所述的数据处理和显示模块10，用于输出结果。
具体的，所述的传感器为冲击力传感器14，设置在所述待测冲击器3的正下方；所述冲击力传感器14的一端和所述的数据处理单元电连接。
具体的，所述待测冲击器包括：上接头16、密封垫17、元件压盖18、O型密封圈19，20，24，33、射流元件21、缸体22、外缸23、缸盖25、销钉26、活塞27、中接头28、冲锤29、外管30、防护套31、半圆卡32、八方34、砧子35
上接头16和外缸23、外缸23和中接头28、中接头28和外管30、外管30和八方34采用螺纹连接，砧子35和八方34通过八方面配合连接；防护套31套在砧子35端头，半圆卡32卡在砧子35端头和八方34之间，防止砧子滑落；
密封垫17、元件压盖18、射流元件21、缸体22、缸盖25被压紧在上接头、外缸和中接头形成的内腔中，活塞27细端套在缸盖25中，粗短套在缸体22中，缸体22和缸盖25之间采用销钉26定位，避免周向转动，O型密封圈19，20，24，33安装在对应位置的密封槽内，冲锤29的细端和活塞细杆采用锥配合连接。
为了测量入口和出口压力，所述装置包括一组压力传感器：入口压力传感器2和出口压力传感器6，用于测量待测冲击器的钻井液入口压力和出口压力；所述入口压力传感器2一端与待测冲击器的上接头入口连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接；所述的出口压力传感器6一端与待测冲击器的测试接头排水管11连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接。
为了实现测量出口流量，所述装置包括流量传感器8，用于测量待测冲击器的出口流量；所述流量传感器8一端与待测冲击器的测试接头排水管11连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接。
为了进一步测量缸体上下腔压力数值，所述装置还包括缸体上下腔压力传感器，用于分别测量待测冲击器内缸体上下腔压力信号；所述缸体上腔压力传感器4一端和上腔入口I连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接，所述缸体下腔压力传感器5一端和下腔出口II连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接。
所述数据采集卡9为8通道数据采集卡，包括采用12位高精度数据转换器。本发明第二个发明点在于，一种石油钻井冲击器性能测试方法，所述测试方法包括如下步骤：
A设置各个传感器测试通路步骤：用于将待测冲击器和所述各个传感器进行连接：包括，
(1)设置冲击力传感器：将所述冲击力传感器设置在所述待测冲击器的正下方，所述待测冲击器下方分别依次安装有冲击器固定环和冲击力传感器过渡板，所述冲击力传感器固定在所述冲击力传感器过渡板下方，其一端和所述的数据处理单元电连接；
(2)设置一组压力传感器：将所述入口压力传感器一端与待测冲击器的上接头入口连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接；将所述的出口压力传感器一端与待测冲击器的测试接头排水管连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接；
(3)设置流量传感器：将所述流量传感器一端与待测冲击器的测试接头排水管连接，所述待测冲击器的测试接头排水管上设置有阀门，所述流量传感器设置在阀门一端，通过阀门控制测量出口流量；另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接；
(4)设置缸体上下腔压力传感器：将所述缸体上腔压力传感器一端和上腔入口I连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接，所述缸体下腔压力传感器一端和下腔出口II连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接；
B搭建测试平台步骤：
(1)将所述泥浆泵和待测冲击器的液体入口端相连；
(2)将待测冲击器安装在支撑架上；
(3)所述数据处理单元中的数据采集卡与数据处理和显示模块连接
C测量过程：
开启所述的泥浆泵，待测冲击器和数据处理单元，所述各个传感器将探测信号传输给数据采集卡；经过采集和转换后，将数据信号传输给处理和显示模块；即利用所述的压力传感器测冲击器的钻井液入口压力、出口压力和缸体上下腔压力信号，利用流量传感器测冲击器的出口流量信号，利用冲击力传感器直接测定冲击器的冲击力和冲击频率；所述显示模块输出结果。
D获取冲击功和冲击末速度步骤：利用测量缸体的上、下腔压力大小、活塞和锤头的总质量大小及冲击器冲击作用时间，得到
活塞在缸体中的运动为变加速运动，压力传感器每秒采集数据240次，单冲程可采集数据次数为n(n＜240)，取向下的方向为正方向，则有
V 1 = V 0 + Δp 1 A + mg m Δt 1 - - - ( 1 )
V i = V i - 1 + Δp i A + mg m Δ t i - - - ( 2 )
其中，速度Vi为第一个最大值时，n＝i，此时冲程运动结束；之后活塞开始了回程运动，当Vi＝0时，回程运动结束，活塞开始了另一个冲程运动，如此往复；
V n = V 0 + Σ i = 1 n Δp i A + mg m Δt i - - - ( 3 )
由于初始速度V0＝0，
V n = Σ i = 1 n Δp i A + mg m Δt i - - - ( 4 )
冲击功
W = 1 2 m V n 2 - - - ( 5 )
式中：Δp1-第1次取样，缸体上、下腔压力差，Pa；Δpi-第i次取样，缸体上、下腔压力差，Pa；m-冲锤和活塞的总重量，Kg；Δt1-第1次取样，冲击作用时间，s；Δti-第i次取样，冲击作用时间，s；A-高压液体对活塞有效作用面积，m2；V0-单冲程初始速度，m/s；Vn-冲击末速度，m/s；W-冲击功，J。
本发明石油钻井冲击器性能测试装置可以准确、快捷、方便地测定出不同型号冲击器的冲击力和冲击频率等性能参数。同时也可以利用压力传感器测量出冲击器的钻井液入口压力、出口压力、缸体上下腔压力，利用流量传感器测量冲击器出口流量。为综合评价冲击器的性能提供了有利的平台。也为冲击器的后续研究和设计提供重要的测试依据。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明中冲击器的结构示意图
图中，1.泥浆泵，2.泥浆入口压力传感器，3.冲击器，4.缸体上腔压力传感器，5.缸体下腔压力传感器，6.泥浆出口压力传感器，7.泥浆出口高压阀门，8.泥浆出口流量传感器，9.数据采集卡，10数据显示器，11.泥浆出口软管，12.冲击器固定环，13.冲击力传感器过渡板，14.冲击力传感器，15.支撑架，16.上接头，17.密封垫，18.元件压盖，19，20，24，33.O型密封圈，21.射流元件，22.缸体，23.外缸，25.缸盖，26.销钉，27.活塞，28.中接头，29.冲锤，30.外管，31.防护套，32.半圆卡，34.八方，35.砧子
将结合具体的实施方式加以说明
具体实施方式
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明中冲击器的结构示意图
一种石油钻井冲击器性能测试装置，所述装置包括待测冲击器3，包括泥浆泵1，传感器和数据处理单元；
所述泥浆泵1和待测冲击器3的液体入口端相连，所述传感器利用冲击力法，用于直接测定出不同型号待测冲击器3的冲击力和冲击频率；所述传感器设置在所述待测冲击器的冲击力测量端；所述传感器通过线路与所述数据处理单元相连，用于将测量的信号处理输出。所述的数据处理单元包括数据采集卡9和数据处理和显示模块10，所述的数据采集卡9用于采集各个线路中的探测信号，并通过模数转换器将信号转换为电信号，后传输给所述的数据处理和显示模块10，用于输出结果。
具体的，所述的传感器为冲击力传感器14，设置在所述待测冲击器3的正下方；所述冲击力传感器14的一端和所述的数据处理单元电连接。
具体的，所述待测冲击器包括：上接头16、密封垫17、元件压盖18、O型密封圈19，20，24，33、射流元件21、缸体22、外缸23、缸盖25、销钉26、活塞27、中接头28、冲锤29、外管30、防护套31、半圆卡32、八方34、砧子35
上接头16和外缸23、外缸23和中接头28、中接头28和外管30、外管30和八方34采用螺纹连接，砧子35和八方34通过八方面配合连接；
防护套31套在砧子35端头，半圆卡32卡在砧子35端头和八方34之间，防止砧子滑落；
密封垫17、元件压盖18、射流元件21、缸体22、缸盖25被压紧在上接头、外缸和中接头形成的内腔中，活塞27细端套在缸盖25中，粗短套在缸体22中，缸体22和缸盖25之间采用销钉26定位，避免周向转动，O型密封圈19，20，24，33安装在对应位置的密封槽内，冲锤29的细端和活塞细杆采用锥配合连接。
为了测量入口和出口压力，所述装置包括一组压力传感器：入口压力传感器和2出口压力传感器6，用于测量待测冲击器的钻井液入口压力和出口压力；所述入口压力传感器2一端与待测冲击器的上接头入口连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接；所述的出口压力传感器6一端与待测冲击器的测试接头排水管11连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接。
为了实现测量出口流量，所述装置包括流量传感器8，用于测量待测冲击器的出口流量；所述流量传感器8一端与待测冲击器的测试接头排水管11连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接。所述的流量传感器8通过阀门7连接在测试接头排水管11上，用于得到流量数据。
为了进一步测量缸体上下腔压力数值，所述装置还包括缸体上下腔压力传感器，用于分别测量待测冲击器内缸体上下腔压力信号；所述缸体上腔压力传感器4一端和上腔入口I连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接，所述缸体下腔压力传感器5一端和下腔出口II连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接。
所述数据采集卡9为8通道数据采集卡，包括采用12位高精度数据转换器。
本发明设计了一种石油钻井冲击器性能测试方法及其装置，经试验检验其可靠性和灵活性，并和理论计算结果相拟合，拟合结果表明，该石油钻井冲击器性能测试装置能够准确测出冲击器的冲击力、冲击频率等性能参数。

Claims (10)

1.一种石油钻井冲击器性能测试装置，所述装置包括待测冲击器(3)；其特征在于，所述装置包括泥浆泵(1)，传感器和数据处理单元；
所述泥浆泵(1)和待测冲击器(3)的液体入口端相连，所述传感器利用冲击力法，用于直接测定出不同型号待测冲击器(3)的冲击力和冲击频率；所述传感器设置在所述待测冲击器(3)的冲击力测量端；所述传感器通过线路与所述数据处理单元相连，用于将测量的信号处理输出。
2.根据权利要求1所述的一种石油钻井冲击器性能测试装置，其特征在于，所述的传感器为冲击力传感器(14)，设置在所述待测冲击器(3)的正下方；所述冲击力传感器(14)的一端和所述的数据处理单元连接。
3.根据权利要求1所述的一种石油钻井冲击器性能测试装置，其特征在于，所述装置包括一组压力传感器：入口压力传感器(2)和出口压力传感器(6)，用于测量待测冲击器的钻井液入口压力和出口压力；所述入口压力传感器(2)一端与待测冲击器的上接头入口连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接；所述的出口压力传感器(6)一端与待测冲击器的测试接头排水管(11)连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种石油钻井冲击器性能测试装置，其特征在于，所述装置包括流量传感器(8)，用于测量待测冲击器的出口流量；所述流量传感器(8)一端与待测冲击器的测试接头排水管(11)连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接。
5.根据权利要求1所述的一种石油钻井冲击器性能测试装置，其特征在于，所述待测冲击器包括：上接头(16)、密封垫(17)、元件压盖(18)、O型密封圈(19)，(20)，(24)，(33)、射流元件(21)、缸体(22)、外缸(23)、缸盖(25)、销钉(26)、活塞(27)、中接头(28)、冲锤(29)、外管(30)、防护套(31)、半圆卡(32)、八方(34)和砧子(35)；
所述上接头(16)和外缸(23)、外缸(23)和中接头(28)、中接头(28)和外管(30)、外管(30)和八方(34)采用螺纹连接，砧子(35)和八方(34)通过八方面配合连接；
所述防护套(31)套在砧子(35)端头，半圆卡(32)卡在砧子(35)端头和八方(34)之间，防止砧子滑落；
密封垫(17)、元件压盖(18)、射流元件(21)、缸体(22)、缸盖(25)被压紧在上接头、外缸和中接头形成的内腔中，活塞(27)细端套在缸盖(25)中，粗短套在缸体(22)中，缸体(22)和缸盖(25)之间采用销钉(26)定位，避免周向转动，O型密封圈(19)，(20)，(24)，(33)安装在对应位置的密封槽内，冲锤(29)的细端和活塞细杆采用锥配合连接。
6.根据权利要求1，3，5之一所述的一种石油钻井冲击器性能测试装置，其特征在于，所述装置还包括缸体上下腔压力传感器，用于分别测量待测冲击器内缸体上下腔压力信号；所述缸体上腔压力传感器(4)一端和上腔入口(I)连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接，所述缸体下腔压力传感器(5)一端和下腔出口(II)连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接。
7.根据权利要求1-6之一所述的一种石油钻井冲击器性能测试装置，其特征在于，所述的数据处理单元包括数据采集卡(9)和数据处理和显示模块(10)，所述的数据采集卡(9)用于采集各个线路中的探测信号，并通过模数转换器将信号转换为电信号，后传输给所述的数据处理和显示模块(10)，用于输出结果。
8.采用权利要求1-7所述的一种石油钻井冲击器性能测试装置的一种测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：
A设置各个传感器测试通路步骤：用于将待测冲击器和所述各个传感器进行连接：包括，
(1)设置冲击力传感器：将所述冲击力传感器设置在所述待测冲击器的正下方，所述待测冲击器下方分别依次安装有冲击器固定环和冲击力传感器过渡板，所述冲击力传感器固定在所述冲击力传感器过渡板下方，其一端和所述的数据处理单元电连接；
(2)设置一组压力传感器：将所述入口压力传感器一端与待测冲击器的上接头入口连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接；将所述的出口压力传感器一端与待测冲击器的测试接头排水管连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接；
(3)设置流量传感器：将所述流量传感器一端与待测冲击器的测试接头排水管连接，所述待测冲击器的测试接头排水管上设置有阀门，所述流量传感器设置在阀门一端，通过阀门控制测量出口流量；另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接；
(4)设置缸体上下腔压力传感器：将所述缸体上腔压力传感器一端和上腔入口(I)连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接，所述缸体下腔压力传感器一端和下腔出口(II)连接，另一端通过数据线与所述的数据处理单元连接；
B搭建测试平台步骤：
(1)将所述泥浆泵和待测冲击器的液体入口端相连；
(2)将待测冲击器安装在支撑架上；
(3)所述数据处理单元中的数据采集卡与数据处理和显示模块连接；
C测量过程：
开启所述的泥浆泵，待测冲击器和数据处理单元，所述各个传感器将探测信号传输给数据采集卡；经过采集和转换后，将数据信号传输给处理和显示模块；即利用所述的压力传感器测冲击器的钻井液入口压力、出口压力和缸体上下腔压力信号，利用流量传感器测冲击器的出口流量信号，利用冲击力传感器直接测定冲击器的冲击力和冲击频率；所述显示模块输出结果。
9.根据权利要求8所述的一种石油钻井冲击器性能测试方法，其特征在于，所述测试方法还包括如下步骤：
D获取冲击功和冲击末速度步骤：利用测量缸体的上、下腔压力大小、活塞和锤头的总质量大小及冲击器冲击作用时间，得到
活塞在缸体中的运动为变加速运动，压力传感器每秒采集数据240次，单冲程可采集数据次数为n(n＜240)，取向下的方向为正方向，则有
V 1 = V 0 + Δp 1 A + mg m Δt 1 - - - ( 1 )
V i = V i - 1 + Δp i A + mg m Δ t i - - - ( 2 )
其中，速度Vi为第一个最大值时，n＝i，此时冲程运动结束；之后活塞开始了回程运动，当Vi＝0时，回程运动结束，活塞开始了另一个冲程运动，如此往复；
V n = V 0 + Σ i = 1 n Δp i A + mg m Δt i - - - ( 3 )
由于初始速度V0＝0，
V n = Σ i = 1 n Δp i A + mg m Δt i - - - ( 4 )
冲击功
W = 1 2 m V n 2 - - - ( 5 )
式中：Δp1-第1次取样，缸体上、下腔压力差，Pa；Δpi-第i次取样，缸体上、下腔压力差，Pa；m-冲锤和活塞的总重量，Kg；Δt1-第1次取样，冲击作用时间，s；Δti-第i次取样，冲击作用时间，s；A-高压液体对活塞有效作用面积，m2；V0-单冲程初始速度，m/s；Vn-冲击末速度，m/s；W-冲击功，J。
10.根据权利要求8所述的一种石油钻井冲击器性能测试方法，其特征在于，所述数据采集卡(9)为8通道数据采集卡，包括采用12位高精度数据转换器。
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