CN104502182A - 一种冲击旋转钻井实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击旋转钻井实验装置，它包括基础底座、冲击载荷控制机构、钻压控制机构、岩石夹持机构、钻杆（1）、岩屑清理机构、测量系统、转速控制机构和转换接头（2），测量系统由钻压传感器（3）、扭矩传感器（4）、加速度传感器I（5）、加速度传感器II（6）和位移传感器（7）组成；钻杆（1）的大直径花键筒段与转换接头（2）花键连接，转换接头（2）的另一端经螺纹连接有扭矩传感器（4），扭矩传感器（4）经螺纹连接有钻头（13）。本发明的有益效果是：能够单独并精确控制各影响因素、准确测量各响应参数、降低实验成本、提供冲击频率范围大、冲击载荷多样、工作可靠、使用寿命长。

Description

一种冲击旋转钻井实验装置

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井过程中岩石破碎领域，特别是一种冲击旋转钻井实验装置。

背景技术

目前，随着油气资源的需求量的逐年增加，常规油气资源产量的不断下降，从常规到非常规油气，从中深层到深层、超深层，从中浅海到深海、超深海，已成为全球油气勘探的必然趋势。在非常规油气勘探开发中要用到长水平井段钻井技术，势必增加了勘探成本；另外随井深增加，钻遇岩石越坚硬，钻速越低。钻井成本高是制约浅层非常规油气和深层油气高效开发的主要技术瓶颈。

冲击旋转钻井技术适合浅层非常油气和深层硬脆性地层，因为冲击旋转钻井是在旋转钻井的基础上对钻头施加一定频率的冲击能量，旋转的钻头不但对钻头有静压力和扭矩，而且附加了一种冲击动载荷。实际应用时与常规钻井相比，相同钻压下，机械钻速高，大幅提高钻井效率。

冲击旋转钻井通常是通过在钻头上安装冲击器，将冲击能量传递给钻头，实现高效破岩，所以冲击器是关键，石油行业常用的冲击器为液动和气动两种。虽然，冲击旋转钻井技术已提出多年，并有诸多优点，但是并没得到推广应用，而且破岩速度不稳定，在同一地层、同一井况下钻速差别很大，主要原因：一是由于井下钻井工况极其复杂，各参数耦合在一起，很难精确测量单参数对钻速影响关系，所以并未研究清楚冲旋钻井破岩机理；二是，冲击器加工和现场试验成本很高，并且每种冲击器提供的参数范围有限，所以很难得到合理的钻井参数及其优化设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够单独并精确控制各影响因素、准确测量各响应参数、降低实验成本、提供冲击频率范围大、冲击载荷多样、工作可靠、使用寿命长的冲击旋转钻井实验装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种冲击旋转钻井实验装置，它包括基础底座、冲击载荷控制机构、钻压控制机构、岩石夹持机构、钻杆、岩屑清理机构、测量系统、转速控制机构和转换接头；

所述的测量系统由钻压传感器、扭矩传感器、加速度传感器I、加速度传感器II和位移传感器组成；

所述的基础底座由连接于地面的水泥底座和经地脚螺钉固定在水泥底座上的槽钢底座组成，槽钢底座的顶部上且沿槽钢底座的一端到另一端顺次设置有支持板I、支持板II和支持板III；

所述的钻杆由相连接的大直径花键筒段和小直径圆筒段组成，钻杆的大直径花键筒段与转换接头花键连接，钻杆的小直径圆筒段转轴旋转安装在支持板I和支持板II之间，转换接头的另一端经螺纹连接有扭矩传感器，扭矩传感器经螺纹连接有钻头；

所述的冲击载荷控制机构由固定于地面并水平放置的冲击载荷发生器、经螺钉连接在冲击载荷发生器台面上的法兰盘、冲击杆、半球形冲头和冲击杆校正装置组成，冲击杆的一端设置在法兰盘上，冲击杆的另一端设置在钻杆的小直径圆筒段内，半球形冲头设置在钻杆的小直径圆筒段内，且半球形冲头经螺纹连接在冲击杆上，半球形冲头与转换接头的端面接触，冲击杆校正装置设置在钻杆与法兰盘之间；

所述的转速控制机构由伺服电机、与伺服电机连接的变频器、小直径同步齿轮、大直径同步齿轮和同步带组成，小直径同步齿轮安装在伺服电机的输出端，大直径同步齿轮安装在钻杆的小直径圆筒段上，小直径同步齿轮与大直径同步齿轮之间安装有同步带；

所述的岩石夹持机构设置在钻头与支持板III之间，岩石夹持机构由设置在槽钢底座上的导轨、滑套和岩石夹持器组成，滑套安装在导轨上，岩石夹持器由带有缺口的机壳、角度调整螺钉、角度调整块和位置调整螺钉组成，机壳的缺口朝向钻头设置且固定在滑套上，机壳的两侧面和底部均设置有位置调整螺钉，机壳的端面上设置有角度调整螺钉，角度调整螺钉上铰接有角度调整块，角度调整块设置在机壳内，所述的机壳的缺口处设置有防尘罩，机壳的端面上还设置有法兰II，法兰II内设置有推力滚子轴承；

所述的钻压控制机构由推杆和连接在支持板III上的液压缸组成，液压缸的活塞杆上连接有推杆，推杆上经螺纹连接有钻压传感器，钻压传感器与推力滚子轴承同心接触；

所述的岩屑清理机构由空气压缩机与对准钻头钻进方向的且用于清理岩屑的喷头组成，喷头设置在槽钢底座上，喷头与空气压缩机连接；

所述的位移传感器设置在支持板III与机壳之间，所述的加速度传感器I设置在法兰盘的端面上，所述的加速度传感器II设置在机壳的端面上。

所述的支持板II的侧面上设置有法兰I，法兰I内设置有推力球轴承，推力球轴承安装在钻杆的小直径圆筒段上。

所述的支持板I、支持板II和支持板III均经螺栓固定在槽钢底座上。

所述的冲击杆和半球形冲头的直径相等且均小于钻杆的小直径圆筒段的内径。

所述的支持板I、支持板II、支持板III和法兰盘均垂直于地面设置。

所述的冲击载荷发生器、法兰盘、冲击杆校正装置、冲击杆、半球形冲头和钻杆的小直径圆筒段共轴线。

所述的钻头、法兰II、钻压传感器和推杆共轴线。

本发明具有以下优点：（1）本发明水平放置，减少了设备附加重量的影响，冲击载荷控制机构、转速控制结构和钻压控制机构之间相互独立，能单独并精确控制各影响因素，可准确测量各参数动态破岩的响应值，解决了冲击旋转钻井井下钻井工况极其复杂，各参数耦合在一起，很难精确测量单参数对钻速影响关系问题。（2）本发明提供冲击频率范围大，冲击载荷多样的冲击旋转钻井参数，克服了现有冲击器加工和现场试验成本很高的难题，还解决了每种冲击器提供的参数范围有限的缺陷。（3）本发明的钻头、转接接头、钻杆、以及轴承类零件可随时更换，使得本实验装置工作可靠，使用寿命长，维修更方便。

附图说明

图1 为本发明的主视图；

图2 为本发明的俯视图；

图3 为图2的A-A剖视图；

图4 为本发明的钻杆的结构示意图；

图5 为图4的B-B剖视图；

图6 为图4的C-C剖视图；

图7 为本发明的支持板II的主视图；

图8 为本发明的支持板II的左视图；

图9 为本发明的支持板II的俯视图；

图中，1-钻杆，2-转换接头，3-钻压传感器，4-扭矩传感器，5-加速度传感器I，6-加速度传感器II，7-位移传感器，8-水泥底座，9-槽钢底座，10-支持板I，11-支持板II，12-支持板III，13-钻头，14-冲击载荷发生器，15-法兰盘，16-冲击杆，17-半球形冲头，18-冲击杆校正装置，19-伺服电机，20-变频器，21-小直径同步齿轮，22-大直径同步齿轮，23-同步带，24-导轨，25-滑套，26-机壳，27-角度调整螺钉，28-角度调整块，29-位置调整螺钉，30-防尘罩，31-法兰II，32-推力滚子轴承，33-推杆，34-液压缸，35-空气压缩机，36-喷头，37-法兰I，38-推力球轴承，39-螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1-3所示，一种冲击旋转钻井实验装置，它包括基础底座、冲击载荷控制机构、钻压控制机构、岩石夹持机构、钻杆1、岩屑清理机构、测量系统、转速控制机构和转换接头2，所述的测量系统由钻压传感器3、扭矩传感器4、加速度传感器I5、加速度传感器II6和位移传感器7组成。

如图1-3所示，基础底座由连接于地面的水泥底座8和经地脚螺钉固定在水泥底座8上的槽钢底座9组成，槽钢底座9的顶部上且沿槽钢底座9的一端到另一端顺次设置有支持板I10、支持板II11和支持板III12，所述的支持板I10、支持板II11、支持板III12和法兰盘15均垂直于地面设置，且支持板I10、支持板II11和支持板III12均经螺栓39固定在槽钢底座9上，所述的支持板I10和支持板II11的结构相同，其内部均设置有用于安装深沟球轴承的安装孔，如图7-9所示，为支持板II11的结构示意图。

如图1-6所示，钻杆1由相连接的大直径花键筒段和小直径圆筒段组成，大直径花键筒段的长度小于小直径圆筒段，钻杆1的大直径花键筒段与转换接头2花键连接，使承载能力更大，钻杆1的小直径圆筒段转轴旋转安装在支持板I10和支持板II11之间，转换接头2的另一端经螺纹连接有扭矩传感器4，扭矩传感器4经螺纹连接有钻头13。

如图1-3所示，冲击载荷控制机构由固定于地面并水平放置的冲击载荷发生器14、经螺钉连接在冲击载荷发生器14台面上的法兰盘15、冲击杆16、半球形冲头17和冲击杆校正装置18组成，冲击载荷发生器14控制冲击载荷的形式、频率、能量大小，所述的冲击杆16和半球形冲头17的直径相等且均小于钻杆1的小直径圆筒段的内径，冲击杆16的一端设置在法兰盘15上，冲击杆16的另一端设置在钻杆1的小直径圆筒段内，半球形冲头17设置在钻杆1的小直径圆筒段内，且半球形冲头17经螺纹连接在冲击杆16上，半球形冲头17与转换接头2的端面接触，冲击杆校正装置18设置在钻杆1与法兰盘15之间，通过冲击杆校正装置18调节半球形冲头17与转换接头2花键段的端面之间的距离或接触力。

如图1-3所示，转速控制机构由伺服电机19、与伺服电机19连接的变频器20、小直径同步齿轮21、大直径同步齿轮22和同步带23组成，伺服电机19固定安装在水泥底座8上，小直径同步齿轮21安装在伺服电机19的输出端，大直径同步齿轮22安装在钻杆1的小直径圆筒段上，小直径同步齿轮21与大直径同步齿轮22之间安装有同步带23，变频器20能够实时反馈转速，变频器20调节伺服电机19转动速度，通过小直径同步齿轮21、同步带23和大直径同步齿轮22调节钻杆1转速，钻杆1通过花键连接机构调节钻头13转速。所述的转速控制机构与冲击载荷控制机构分离。

如图1-3所示，岩石夹持机构设置在钻头13与支持板III12之间，岩石夹持机构由设置在槽钢底座9上的导轨24、滑套25和岩石夹持器组成，滑套25安装在导轨24上，岩石夹持器由带有缺口的机壳26、角度调整螺钉27、角度调整块28和位置调整螺钉29组成，机壳26的缺口朝向钻头13设置且固定在滑套25上，机壳26的两侧面和底部均设置有位置调整螺钉29，所有位置调整螺钉29拧紧后，能够将放置在机壳26内的岩石紧固，机壳26的端面上设置有角度调整螺钉27，角度调整螺钉27上铰接有角度调整块28，角度调整块28设置在机壳26内，角度调整螺钉27和角度调整块28用于调整岩石与钻头13所呈的角度，从而控制钻头13的钻进角度。如图1-3所示，机壳26的缺口处设置有防尘罩30，机壳26的端面上还设置有法兰II31，法兰II31内设置有推力滚子轴承32。

如图1-3所示，钻压控制机构由推杆33和连接在支持板III12上的液压缸34组成，液压缸34的活塞杆上连接有推杆33，推杆33上经螺纹连接有钻压传感器3，钻压传感器3与推力滚子轴承32同心接触，钻压控制机构与转速控制机构位于岩石的两侧。

如图1-3所示，岩屑清理机构由空气压缩机35与对准钻头13钻进方向的且用于清理岩屑的喷头36组成，喷头36设置在槽钢底座9上，喷头36与空气压缩机35连接，打开空气压缩机35后，高压气体经喷头36喷出，以吹走钻头13在钻削岩石过程中所产生的碎石颗粒。

如图1-3所示，位移传感器7设置在支持板III12与机壳26之间，所述的加速度传感器I5设置在法兰盘15的端面上，所述的加速度传感器II6设置在机壳26的端面上。

如图1-3所示，支持板II11的侧面上设置有法兰I37，法兰I37内设置有推力球轴承38，推力球轴承38安装在钻杆1的小直径圆筒段上，以限制钻杆1水平方向双向滑动；所述的冲击载荷发生器14、法兰盘15、冲击杆校正装置18、冲击杆16、半球形冲头17和钻杆1的小直径圆筒段共轴线；所述的钻头13、法兰II31、钻压传感器3和推杆33共轴线。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种冲击旋转钻井实验装置，其特征在于：它包括基础底座、冲击载荷控制机构、钻压控制机构、岩石夹持机构、钻杆（1）、岩屑清理机构、测量系统、转速控制机构和转换接头（2），

所述的测量系统由钻压传感器（3）、扭矩传感器（4）、加速度传感器I（5）、加速度传感器II（6）和位移传感器（7）组成；

所述的基础底座由连接于地面的水泥底座（8）和经地脚螺钉固定在水泥底座（8）上的槽钢底座（9）组成，槽钢底座（9）的顶部上且沿槽钢底座（9）的一端到另一端顺次设置有支持板I（10）、支持板II（11）和支持板III（12）；

所述的钻杆（1）由相连接的大直径花键筒段和小直径圆筒段组成，钻杆（1）的大直径花键筒段与转换接头（2）花键连接，钻杆（1）的小直径圆筒段转轴旋转安装在支持板I（10）和支持板II（11）之间，转换接头（2）的另一端经螺纹连接有扭矩传感器（4），扭矩传感器（4）经螺纹连接有钻头（13）；

所述的冲击载荷控制机构由固定于地面并水平放置的冲击载荷发生器（14）、经螺钉连接在冲击载荷发生器（14）台面上的法兰盘（15）、冲击杆（16）、半球形冲头（17）和冲击杆校正装置（18）组成，冲击杆（16）的一端设置在法兰盘（15）上，冲击杆（16）的另一端设置在钻杆（1）的小直径圆筒段内，半球形冲头（17）设置在钻杆（1）的小直径圆筒段内，且半球形冲头（17）经螺纹连接在冲击杆（16）上，半球形冲头（17）与转换接头（2）的端面接触，冲击杆校正装置（18）设置在钻杆（1）与法兰盘（15）之间；

所述的转速控制机构由伺服电机（19）、与伺服电机（19）连接的变频器（20）、小直径同步齿轮（21）、大直径同步齿轮（22）和同步带（23）组成，小直径同步齿轮（21）安装在伺服电机（19）的输出端，大直径同步齿轮（22）安装在钻杆（1）的小直径圆筒段上，小直径同步齿轮（21）与大直径同步齿轮（22）之间安装有同步带（23）；

所述的岩石夹持机构设置在钻头（13）与支持板III（12）之间，岩石夹持机构由设置在槽钢底座（9）上的导轨（24）、滑套（25）和岩石夹持器组成，滑套（25）安装在导轨（24）上，岩石夹持器由带有缺口的机壳（26）、角度调整螺钉（27）、角度调整块（28）和位置调整螺钉（29）组成，机壳（26）的缺口朝向钻头（13）设置且固定在滑套（25）上，机壳（26）的两侧面和底部均设置有位置调整螺钉（29），机壳（26）的端面上设置有角度调整螺钉（27），角度调整螺钉（27）上铰接有角度调整块（28），角度调整块（28）设置在机壳（26）内，所述的机壳（26）的缺口处设置有防尘罩（30），机壳（26）的端面上还设置有法兰II（31），法兰II（31）内设置有推力滚子轴承（32）；

所述的钻压控制机构由推杆（33）和连接在支持板III（12）上的液压缸（34）组成，液压缸（34）的活塞杆上连接有推杆（33），推杆（33）上经螺纹连接有钻压传感器（3），钻压传感器（3）与推力滚子轴承（32）同心接触；

所述的岩屑清理机构由空气压缩机（35）与对准钻头（13）钻进方向的且用于清理岩屑的喷头（36）组成，喷头（36）设置在槽钢底座（9）上，喷头（36）与空气压缩机（35）连接；

所述的位移传感器（7）设置在支持板III（12）与机壳（26）之间，所述的加速度传感器I（5）设置在法兰盘（15）的端面上，所述的加速度传感器II（6）设置在机壳（26）的端面上。

2.根据权利要求1所述的一种冲击旋转钻井实验装置，其特征在于：所述的支持板II（11）的侧面上设置有法兰I（37），法兰I（37）内设置有推力球轴承（38），推力球轴承（38）安装在钻杆（1）的小直径圆筒段上。

3.根据权利要求1所述的一种冲击旋转钻井实验装置，其特征在于：所述的支持板I（10）、支持板II（11）和支持板III（12）均经螺栓（39）固定在槽钢底座（9）上。

4.根据权利要求1所述的一种冲击旋转钻井实验装置，其特征在于：所述的冲击杆（16）和半球形冲头（17）的直径相等且均小于钻杆（1）的小直径圆筒段的内径。

5.根据权利要求1或3所述的一种冲击旋转钻井实验装置，其特征在于：所述的支持板I（10）、支持板II（11）、支持板III（12）和法兰盘（15）均垂直于地面设置。

6.根据权利要求1所述的一种冲击旋转钻井实验装置，其特征在于：所述的冲击载荷发生器（14）、法兰盘（15）、冲击杆校正装置（18）、冲击杆（16）、半球形冲头（17）和钻杆（1）的小直径圆筒段共轴线。

7.根据权利要求1所述的一种冲击旋转钻井实验装置，其特征在于：所述的钻头（13）、法兰II（31）、钻压传感器（3）和推杆（33）共轴线。