CN103089237A

CN103089237A - 用于钻头齿圈破岩性能的测试系统及其测试方法

Info

Publication number: CN103089237A
Application number: CN 201110374178
Authority: CN
Inventors: 汪建平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明公开了一种用于钻头齿圈破岩性能的测试系统。该用于钻头齿圈破岩性能的测试系统主要由应变传感器、转盘转速传感器、牙轮转速传感器、与应变传感器相连的动态应变仪、与转盘转速传感器和牙轮转速传感器均相连的钻头测速仪、与动态应变仪和钻头测速仪均相连的数据采集箱、与数据采集箱相连的数据采集卡、以及与数据采集卡相连的计算机构成。本发明还公开了一种基于上述测试系统的测试方法。本发明试验过程时间短、自动化程度高、扩展功能广、采集到的信号中含有噪声少、制造成本低。

Description

用于钻头齿圈破岩性能的测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于钻头齿圈破岩性能的测试系统及其测试方法。

背景技术

在石油钻井中，钻头是破碎地层岩石的主要工具，是石油钻井工程中提高机械钻速、降低钻井成本的重要手段。为了提高钻头的破岩效率，达到降低成本的目的，就必须针对不同的钻井地层设计和选用适合地层特性的钻头。目前国内外研究钻头破岩效率的主要方法有现场试验和室内试验，现场试验就是针对不同地层设计好的钻头在现场的应用，然后再修改设计和重新加工，这样开发一种特性钻头需要的周期长，成本高；室内主要的试验方法有单齿垂直压入试验、钻头齿圈复合运动破岩试验和全尺寸钻头钻进试验。

目前针对钻头研究开展的试验主要是全尺寸钻头试验和钻头齿圈复合运动破岩试验，全钻头试验主要是检测新型钻头钻进不同地层岩石的破碎规律；钻头齿圈复合运动破岩试验主要是研究不同钻头结构参数、齿面结构和钻进参数与地层岩石的破碎规律。现有全钻头试验和钻头齿圈复合运动破岩试验的测试系统主要是由传感器、转速测定仪以及数据采集卡采集试验过程中的钻头、牙轮和齿圈转速脉冲信号；由传感器、动态应变仪以及数据采集卡采集试验过程中的钻头位移、钻压及扭矩模拟信号。但是随着钻头研究进一步的深化，现有钻头试验测试系统存在很多问题已经不能满足现阶段钻头研究和新产品开发的需要，比如：研究钻头及5个牙齿的运动和受力情况，现有两张8通道数据采集卡的模拟量通道不够，不能全面满足试验需要的扩展功能；由于液压系统、电机和环境等的影响，动态应变仪采集的信号含有大量的噪声，试验数据准确性不高；动态应变仪和数据采集卡等硬件设备价格昂贵，测试系统硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于现代测试技术的钻头试验测试系统，以能够快捷、准确、实时采集钻头及各个牙齿的运动及受力情况，从而为钻头的新产品开发和科学化设计提供重要的试验手段。

钻头新产品开发在理论研究的基础上必须经过试验验证其性能，钻头试验对研究和开发高性能产品具有非常重要的作用。在国外，美国Smith Bits公司、Hughes Christensen公司、Halliburton公司及英国SchlumbergerCambridge公司等都建立了钻头试验测试架，对新开发钻头进行试验研究找出其优缺点，并相应地制定了钻头试验的检测标准；同时各公司都申请了相应的钻头仿真设计专利，其中大部分是以钻头试验为基础的，通过开展钻头试验取得了不少的研究成果，开发出一系列特性或高性能钻头，对于提高钻头的机械转速、破碎效率等起到了很重要的作用。

1975年，在美国犹他州的盐湖城建成了第一个全尺寸模拟井下条件的试验架，可以用来试验钻头、井下工具和一些井下动力钻具。用液压控制系统施加钻进压力，伺服控制系统可以按试验目的的需要控制以恒钻压、恒钻速或恒扭矩方式钻进。在钻进过程中，可动态测量的数据有：钻压、转速、扭矩、岩石的覆盖应力、围限应力、孔隙压力和钻头的进尺量和进尺速度。1985年，英国斯伦贝谢剑桥公司建成了另一个世界闻名的模拟井下条件的钻井试验架，该试验架可以模拟井深5000m的压力和温度。它的整个实验操作控制、井下模拟条件控制和实验数据的采集与处理都用计算机系统的闭环控制，其控制和测试系统较先进。

在国内，江汉钻头股份公司、成都总机厂、西南石油大学、大庆油田等单位进行钻头新产品开发和科学化设计研究且都建立了相应的钻头试验架，对提高我国钻头性能和研究、赶上世界水平起到了一定的作用。1989年，中国石油天然气总公司北京石油勘探开发研究院钻井所建成一台模拟井底情况的小型钻头试验架。该试验架能够做37/8in以下钻头在3500m井深条件下的钻进试验并进行试验过程中的数据采集和分析处理。90年代，大庆油田的钻井技术研究所建成一台模拟6000m井深条件的大型钻井试验架。从1981年起，西南石油大学钻头研究所就对钻头角速度和牙轮角速度进行实验研究，在大型钻头试验架上进行全尺寸钻头实验，该试验架可给钻头施加300kN的钻压，并通过传感器测得试验过程中的脉冲信号及模拟信号，再输入二次仪表和计算机进行处理，得到试验过程中的钻压、扭矩、位移及钻头转速等信号。80年代初，西南石油大学钻头研究所在中国石油天然气总公司的大力支持下，在解决了牙轮钻头几何学、运动学一系列理论问题，掌握了钻头触底齿本身的运动状态及其规律的基础上，建成一台国内外首创的模拟牙轮钻头牙齿造坑过程的试验设备。它能够使试样牙齿同真实钻头牙齿作相同的复合运动，通过控制台控制试验操作过程，采集系统采集试验数据再输入计算机进行分析处理。

这些钻头试验设备功能不完善，由人工操作装有各种控件的操作控制台来实现整个试验过程的控制，自动化程度低，特别是测试系统采用传统硬件化测量仪器采集试验过程的信号，功能单一、灵活性差、扩展功能局限性大、易受外界干扰，采集信号含有大量的噪声以及硬件成本高等。随着石油钻井深度的增加和地层岩石的复杂化，根据不同地层岩石特点设计和开发特性钻头的研究工作更加迫切，钻头试验测试的重要性显得更加突出，现有钻头试验测试系统很显然达不到高性能钻头试验测试的要求。

牙轮钻头在井底工作时的运动状态和受力状态是相当复杂的。钻头在井底运动，除了钻头绕自身轴线作顺时针方向旋转运动和牙轮绕牙掌轴线作逆时针方向旋转运动外，还有轴向纵振及牙轮的滑动，这几种运动是钻井时同时发生、综合在一起的复合运动。牙轮钻头就是在上述复合运动所产生的冲击、压碎及滑动剪切作用下破碎岩石的。

牙轮钻头钻进时会产生纵向振动，在每次振动中，钻头上行时压缩下部钻柱，钻头下行时则钻柱恢复原长，其势能转化为钻头的动载荷。钻头工作时，牙齿作用到岩石上的力有静载荷(加在钻头上的钻压)和动载荷(钻头与下部钻柱加速下降而产生的动载)，也就是说牙齿冲击破碎岩石时，钻头受到岩石的反作用力也等于静载荷与动载荷之和。钻头在井下工作时，除了受到纵向静载荷和动载荷外，由于钻柱旋转，还要受到扭矩作用。当钻压较大，牙齿吃入岩石较深，尤其是牙齿在井底滑动较大时，钻头承受的扭矩更大。

牙轮钻头在井底工作时，由于钻头在井底产生纵振，使钻柱不断压缩和伸张，下部钻柱把这种周期性的弹性变形能传递给牙齿，产生牙齿对岩石的冲击、压碎作用，这种破碎方式是牙轮钻头破碎岩石的主要方式之一。牙轮钻头工作时，由于钻头的设计结构及地层摩擦阻力的影响而产生滑动，转速越快、滑动量越大，对岩石的剪切破碎越大，从而通过牙齿的滑动剪切井底岩石，提高破碎效率。根据上述对牙轮钻头在井底运动、受力和破碎岩石情况的简要分析，可以看出在钻头的研究过程中，必须有效地分析钻头破岩运动所承受的钻压、扭矩作用以及钻头和牙轮的转速。

在钻头齿圈复合运动破岩试验过程中，需要测量的参数有：牙轮的平均转速、钻头(即岩石反转)平均转速、牙齿对岩石的吃入深度、钻压即牙齿与岩石间相互作用的垂直力和转盘带动岩石夹持器旋转的扭矩。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种用于钻头齿圈破岩性能的测试系统，该用于钻头齿圈破岩性能的测试系统的试验过程时间短、自动化程度高、扩展功能广、采集到的信号中含有噪声少、制造成本低。

本发明的另一目的在于提供了一种基于上述测试系统的测试方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：用于钻头齿圈破岩性能的测试系统，主要由应变传感器、转盘转速传感器、牙轮转速传感器、与应变传感器相连的动态应变仪、与转盘转速传感器和牙轮转速传感器均相连的钻头测速仪、与动态应变仪和钻头测速仪均相连的数据采集箱、与数据采集箱相连的数据采集卡、以及与数据采集卡相连的计算机构成。

所述应变传感器包括压力传感器、位移传感器、扭矩传感器。

所述压力传感器与动态应变仪之间、位移传感器与动态应变仪之间、扭矩传感器与动态应变仪之间均设置有电桥。

基于上述测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)首先，通过压力传感器、位移传感器、扭矩传感器测试钻头的钻压、位移、扭矩；

(b)同时，通过转盘转速传感器和牙轮转速传感器测试转盘转速和牙轮转速；

(c)步骤(a)中测得的信号经电桥转换，经动态应变仪后传入数据采集箱；同时，步骤(b)中测得的信号经钻头测速仪后也传入数据采集箱；

(d)传入数据采集箱的信号经数据采集卡采集信号调理电路输出的信号；

(e)最后，输入计算机进行分析处理。

所述步骤(a)中，通过电阻应变片测出所受的力，即测得钻压和扭矩。

所述步骤(a)中，非接触式位移传感器测量牙齿的吃入深度信号，电桥即信号调理电路将传感器输出的信号进行转换，动态应变仪、数据采集箱及采集卡采集信号调理电路输出的信号，再输入计算机进行分析处理。

所述步骤(b)中，转盘转动时探头交替接触铜片和转盘而发出一个脉冲信号，这些信号经过转速测定仪放大、计数，再经数据采集箱、采集卡及计算机处理就可测得钻头的平均转速；同理可测得牙轮的平均转速。

综上所述，本发明的有益效果是：试验过程时间短、自动化程度高、扩展功能广、采集到的信号中含有噪声少、制造成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例：

如图1所示，本发明涉及的用于钻头齿圈破岩性能的测试系统，主要由应变传感器、转盘转速传感器、牙轮转速传感器、与应变传感器相连的动态应变仪、与转盘转速传感器和牙轮转速传感器均相连的钻头测速仪、与动态应变仪和钻头测速仪均相连的数据采集箱、与数据采集箱相连的数据采集卡、以及与数据采集卡相连的计算机构成。

本发明的工作原理如下：

压力和扭矩测量的实现：岩石夹持器由两层钢板制成的平台组成，上面一层装夹岩石试块，下面一层连接下面支持轴，接受液缸向上的推力和转盘传来的扭矩。上下两层之间靠三根垂直的和三根水平的联结杆把上层“悬挂”在下层周边短短的三个“支柱”上。这六根联结杆两端都用球铰，属于力学上的二力杆。六根杆限制了上层平台的六个自由度，使其相对于下层台固定。用电阻应变片测出这六根杆所受的力即可测得钻压和扭矩。

位移测量：在钻头试验过程中，需测量牙齿对岩石的吃入深度，非接触式位移传感器测量牙齿的吃入深度信号，电桥即信号调理电路将传感器输出的信号进行转换，动态应变仪、数据采集箱及采集卡采集信号调理电路输出的信号，再输入计算机进行分析处理。

转速测量：在下转盘上粘贴铜片，由于铜片与铁的导磁率不同，转盘转动时探头交替接触铜片和转盘而发出一个脉冲信号，这些信号经过转速测定仪放大、计数，再经数据采集箱、采集卡及计算机处理就可测得钻头的平均转速；同理可测得牙轮的平均转速。

基于上述测试系统的测试方法，包括以下步骤：

(e)最后，输入计算机进行分析处理。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.用于钻头齿圈破岩性能的测试系统，其特征在于，主要由应变传感器、转盘转速传感器、牙轮转速传感器、与应变传感器相连的动态应变仪、与转盘转速传感器和牙轮转速传感器均相连的钻头测速仪、与动态应变仪和钻头测速仪均相连的数据采集箱、与数据采集箱相连的数据采集卡、以及与数据采集卡相连的计算机构成。

2.根据权利要求1所述的用于钻头齿圈破岩性能的测试系统，其特征在于，所述应变传感器包括压力传感器、位移传感器、扭矩传感器。

3.根据权利要求2所述的用于钻头齿圈破岩性能的测试系统，其特征在于，所述压力传感器与动态应变仪之间、位移传感器与动态应变仪之间、扭矩传感器与动态应变仪之间均设置有电桥。

4.基于上述测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(e)最后，输入计算机进行分析处理。

5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述步骤(a)中，通过电阻应变片测出所受的力，即测得钻压和扭矩。

6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述步骤(a)中，非接触式位移传感器测量牙齿的吃入深度信号，电桥即信号调理电路将传感器输出的信号进行转换，动态应变仪、数据采集箱及采集卡采集信号调理电路输出的信号，再输入计算机进行分析处理。

7.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述步骤(b)中，转盘转动时探头交替接触铜片和转盘而发出一个脉冲信号，这些信号经过转速测定仪放大、计数，再经数据采集箱、采集卡及计算机处理就可测得钻头的平均转速；同理可测得牙轮的平均转速。