CN105067231B - 多功能石油钻头单齿切削试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能石油钻头单齿切削试验装置及方法。所述多功能石油钻头单齿切削试验装置包括：基架、加载系统、旋转系统和状态监测系统；所述基架包括：底座(7)和固定在底座上的岩石夹具(8)；所述加载系统设置在所述基架上；所述旋转系统包括：伺服电机(3)、固定在伺服电机伸出轴上的转动轴(5)、设置在转动轴下方的单齿夹具(6)、固定在所述单齿夹具上的钻头单齿(20)；所述旋转系统连接所述加载系统，所述加载系统对所述钻头单齿(20)施加负载；所述状态监测系统监测试验过程和/或收集试验数据。所述试验方法采用上述多功能石油钻头单齿切削试验装置。

Description

多功能石油钻头单齿切削试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多功能石油钻头单齿切削试验装置及方法。

背景技术

石油、天然气是重要的能源，日常经济生活，工业生产，航天军工都需要其作为能源和原料。经过石油分离出的汽油、沥青等化工产品广泛应用到人们日常生活中。在石油、天然气开采过程中，钻头是核心开采装备之一，岩石是钻头直接作用的对象，钻头上的齿是直接作用于岩石的部件。在钻头钻井过程中，齿承受高温、高冲击力、高磨损的特殊工况，齿磨损严重、断裂失效严重，导致钻井效率低、能耗大，因此，提供一种多功能钻头单齿切削实验装置及方法，准确探究动态载荷作用下钻头单齿的破岩机理，为科学设计高效钻头、优化切削齿参数和提高破岩效率提供重要理论依据，为保证石油和天然气的正常生产和我国能源供应具有重要意义。

目前用于研究钻头单齿切削的装置都是用机床改装，旋转运动和进给运动分离，但是实际工况是钻头同时实现旋转运动和进给运动。所以上述试验装置均不能完全模拟实际工况，不能获得最真实的齿的磨损特性、齿的受力情况、岩石磨损区温度变化。

综上所述，现有技术中存在以下问题：石油钻头单齿切削试验装置及方法不能完全模拟实际工况，不能同时实现旋转运动和进给运动。

发明内容

本发明提供一种多功能石油钻头单齿切削试验装置，以解决石油钻头单齿切削试验装置及方法不能完全模拟实际工况、不能同时实现旋转运动和进给运动的问题。

为此，本发明提出一种多功能石油钻头单齿切削试验装置，所述多功能石油钻头单齿切削试验装置包括：基架、加载系统、旋转系统和状态监测系统；

所述基架包括：底座和固定在底座上的岩石夹具；

所述加载系统设置在所述基架上；

所述旋转系统包括：伺服电机、固定在伺服电机伸出轴上的转动轴、设置在转动轴下方的单齿夹具、固定在所述单齿夹具上的钻头单齿；

所述旋转系统连接所述加载系统，所述加载系统对所述钻头单齿施加负载；

所述状态监测系统监测试验过程和/或收集试验数据。

进一步的，所述加载系统包括：设置在所述基架上的伺服电动缸、设置在伺服电动缸下的B固定平板，固定在所述伺服电动缸的伸出活塞下的移动平板、设置在移动平板下部的压力传感器、以及固定在压力传感器下的加载架，所述旋转系统连接在所述加载架上。

进一步的，所述状态监测系统包括进给位移测量系统，所述进给位移测量系统包括设置在伺服电动缸上的可编程控制器。

进一步的，所述状态监测系统还包括：岩石磨损区温度监测系统，所述岩石磨损区温度监测系统包括安装在底座上的热成像仪。

进一步的，所述状态监测系统还包括：切削岩石监测系统，所述切削岩石监测系统包括固定在底座上的高速摄像机。

进一步的，所述高速摄像机为分辨率最高为1600万像素、支持全幅4000帧/秒的超高速摄影、并且小画幅时最高达20万帧/秒的高速摄像机。

进一步的，所述状态监测系统还包括：岩石磨损区应力测量系统，所述岩石磨损区应力测试系统包括固定在单齿夹具上的无线压力传感器。

进一步的，所述热成像仪为能检测1米范围区域的温度场变化的热成像仪，热成像仪的热灵敏度为0.5℃，精度为测量值的±2％。

本发明还提出一种多功能石油钻头单齿切削试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

步骤A：将钻头单齿固定在单齿夹具中，用角度调节台调整角度，调整好后用螺栓固定，将岩石试样挖出相应的孔，放入岩石夹具中，将侧板与岩石夹具连接，岩石试样两端用螺钉固定；

步骤B：然后，启动高速摄像机，调节高速摄像机的位置使得岩石试样切削区呈现在高速摄像机视野内；启动热成像仪，并调节热成像仪能够实时监控切削区附近热场变化；

步骤C：然后，启动伺服电机，使钻头单齿开始绕转动轴旋转，通过可编程控制器控制伺服电动缸的动作，伺服电动缸通过加载架对钻头单齿施加载荷并使其实现进给，使钻头单齿沿着岩石试样上的孔切削岩石并不断进给，实现钻头单齿对岩石试样的切削；

步骤D：在完成切削过程后，伺服电动缸自动停止动作，手动停止伺服电机的动作，升起伺服电动缸，停止实验，保存实时测量的数据。

本发明能够实现单齿旋转的同时对其进行加载，模拟了实际石油钻头钻井时的工况，通过PLC控制伺服电动缸和控制器控制伺服电机可以实现不同进给速度和不同转速的单齿切削岩石实验，并可以实时监测整个切削过程的多个参量，通过压力传感器记录正压力，利用无线压力传感器记录切削力，利用高速摄像机动态记录单齿切削岩石情况，利用热成像仪监测切削过程中岩石切削区热场变化，通过单齿切削实验获得钻头单齿的磨损特性，该试验装置为进一步设计和优化石油钻头、提高钻头寿命与切削效率、探究钻头切削岩石机理提供重要的依据。

附图说明

图1为本发明的多功能石油钻头单齿切削试验装置的整体结构主视结构示意图；

图2为本发明的多功能石油钻头单齿切削试验装置的整体结构侧视结构示意图；

图3为图1中A-A向视图；

图4为单齿夹具的结构示意图。

附图标号说明：

1—压力传感器，2—加载架，3—伺服电机，4—轴承端盖，5—转动轴，6—单齿夹具，7—底座，8—岩石夹具，9—岩石试样，10—A固定平板，11—支撑立柱，12—移动平板，13—伺服电动缸，14—热成像仪，15—高速摄像机，16—电机支撑台，17—B固定平板，18—侧板，19—无线压力传感器，20—钻头单齿，21—角度调节台

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的多功能石油钻头单齿切削试验装置包括：基架、加载系统、旋转系统和状态监测系统；

所述基架包括：底座7和固定在底座上的岩石夹具8；如图1所示，为了充分利用空间，提供钻头单齿20实现旋转运动和进给运动所需的空间，基架还可以包括：对称设置在底座上的四个支撑立柱11、固定在底座上的电机支撑台16、设置在支撑台上的A固定平板10；

所述加载系统设置在所述基架上；加载系统对所述钻头单齿20施加负载，实现钻头单齿20的进给运动；

所述旋转系统包括：伺服电机3、固定在伺服电机伸出轴上的转动轴5、设置在转动轴下方的单齿夹具6、固定在所述单齿夹具上的钻头单齿20；旋转系统使得钻头单齿20实现旋转运动；

所述旋转系统连接所述加载系统，所述加载系统对所述钻头单齿20施加负载；

所述状态监测系统监测试验过程和/或收集试验数据。

本发明通过将旋转系统连接所述加载系统，在旋转系统使得钻头单齿20实现旋转运动后，通过加载系统带动旋转系统，实现了旋转系统的进给运动，因而钻头单齿20旋转运动的同时，也受到了加载系统的负载，最终钻头同时实现旋转运动和进给运动，能完全模拟实际工况。

进一步的，所述加载系统包括：设置在所述基架上的伺服电动缸13、设置在伺服电动缸下的B固定平板17，固定在所述伺服电动缸的伸出活塞下的移动平板12、设置在移动平板下部的压力传感器1、以及固定在压力传感器下的加载架2，所述旋转系统连接在所述加载架2上，转轴5通过轴承和轴承端盖4与加载架2连接。这样，可以快速稳定的提供进给运动所需的加载，而且结构紧凑，便于驱动旋转系统进给运动。

进一步的，所述状态监测系统包括进给位移测量系统，所述进给位移测量系统包括设置在伺服电动缸上的可编程控制器，即PLC控制器。通过PLC控制伺服电动缸和控制器控制伺服电机可以实现不同进给速度和不同转速的单齿切削岩石实验，并可以实时监测整个切削过程的多个参量。

进一步的，所述状态监测系统还包括：岩石磨损区温度监测系统，所述岩石磨损区温度监测系统包括安装在底座上的热成像仪14，监测切削过程中岩石切削区热场变化。

进一步的，所述状态监测系统还包括：切削岩石监测系统，所述切削岩石监测系统包括固定在底座上的高速摄像机15，动态记录单齿切削岩石情况。

进一步的，所述高速摄像机为分辨率最高为1600万像素、支持全幅4000帧/秒的超高速摄影、并且小画幅时最高达20万帧/秒的高速摄像机，以提供足够的动态记录精度。所述高速摄像机例如选用国产千眼狼5F系列高速摄像机。

进一步的，所述状态监测系统还包括：岩石磨损区应力测量系统，所述岩石磨损区应力测试系统包括固定在单齿夹具6上的无线压力传感器19，通过压力传感器记录正压力。

进一步的，所述热成像仪例如为日本千野TP-L小型热成像仪，为能检测1米范围区域的温度场变化的热成像仪，热成像仪的热灵敏度为0.5℃，精度为测量值的±2％，灵敏度高。

本发明还提出一种多功能石油钻头单齿切削试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

步骤A：用紧定螺钉将钻头单齿20固定在单齿夹具6中，用角度调节台21调整角度，调整好后用螺栓固定，将岩石试样9挖出相应的孔，放入岩石夹具8中，将侧板18与岩石夹具连接，岩石试样两端用螺钉固定；

步骤B：然后，启动高速摄像机15，调节高速摄像机15的位置使得岩石试样切削区呈现在高速摄像机15视野内；启动热成像仪14，并调节热成像仪14能够实时监控切削区附近热场变化；

步骤C：然后，启动伺服电机3，使钻头单齿20开始绕转动轴5旋转，通过可编程控制器控制伺服电动缸13的动作，伺服电动缸13通过加载架2对钻头单齿20施加载荷并使其实现进给，使钻头单齿20沿着岩石试样9上的孔切削岩石并不断进给，实现钻头单齿20对岩石试样9的切削；

步骤D：在完成切削过程后，伺服电动缸13自动停止动作，手动停止伺服电机3的动作，升起伺服电动缸13，停止实验，保存实时测量的数据。

本发明能够实现钻头单齿旋转的同时实现加载，通过压力传感器和无线压力传感器记录正压力和切削力，利用高速摄像机动态记录单齿切削岩石情况，利用热成像仪监测切削过程中岩石切削区热场变化。本发明的多功能石油钻头单齿切削试验装置及方法，是一种功能齐全、方法简便、易操作的石油钻头单齿切削试验装置及方法，可用以研究单个齿在切削岩石过程中齿的磨损特性、齿的受力情况、岩石磨损区温度变化。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述多功能石油钻头单齿切削试验装置包括：基架、加载系统、旋转系统和状态监测系统；

所述基架包括：底座(7)、固定在底座上的用于放置岩石试样(9)的岩石夹具(8)、对称设置在所述底座(7)上的四个支撑立柱(11)、固定在所述底座(7)上的电机支撑台(16)和设置在所述电机支撑台(16)上的A固定平板(10)，所述岩石试样(9)上挖有孔；

所述加载系统设置在所述基架上；

所述旋转系统包括：伺服电机(3)、固定在伺服电机伸出轴上的转动轴(5)、设置在转动轴下方的单齿夹具(6)、固定在所述单齿夹具上的钻头单齿(20)；伺服电机(3)固定在A固定平板(10)上，钻头单齿(20)通过角度调节台(21)调整角度；

所述旋转系统连接所述加载系统，所述加载系统对所述钻头单齿(20)施加负载；钻头单齿旋转运动的同时，也受到了加载系统的负载，最终钻头同时实现旋转运动和进给运动，使钻头单齿(20)沿着所述岩石试样(9)上的孔切削岩石并不断进给；

所述状态监测系统监测试验过程和/或收集试验数据。

2.如权利要求1所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述加载系统包括：设置在所述基架上的伺服电动缸(13)、设置在伺服电动缸下的B固定平板(17)，固定在所述伺服电动缸的伸出活塞下的移动平板(12)、设置在移动平板下部的压力传感器(1)、以及固定在压力传感器下的加载架(2)，所述旋转系统连接在所述加载架(2)上。

3.如权利要求1所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述状态监测系统包括进给位移测量系统，所述进给位移测量系统包括设置在伺服电动缸上的可编程控制器。

4.如权利要求1所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述状态监测系统还包括：岩石磨损区温度监测系统，所述岩石磨损区温度监测系统包括安装在底座上的热成像仪(14)。

5.如权利要求1所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述状态监测系统还包括：切削岩石监测系统，所述切削岩石监测系统包括固定在底座上的高速摄像机(15)。

6.如权利要求5所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述高速摄像机为分辨率最高为1600万像素、支持全幅4000帧/秒的超高速摄影、并且小画幅时最高达20万帧/秒的高速摄像机。

7.如权利要求1所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述状态监测系统还包括：岩石磨损区应力测量系统，所述岩石磨损区应力测试系统包括固定在单齿夹具(6)上的无线压力传感器(19)。

8.如权利要求4所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述热成像仪为能检测1米范围区域的温度场变化的热成像仪，热成像仪的热灵敏度为0.5℃，精度为测量值的±2％。

9.一种多功能石油钻头单齿切削试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：

步骤A：将钻头单齿(20)固定在单齿夹具(6)中，用角度调节台(21)调整角度，调整好后用螺栓固定，将岩石试样(9)挖出相应的孔，放入岩石夹具(8)中，将侧板(18)与岩石夹具连接，岩石试样两端用螺钉固定；

步骤B：然后，启动高速摄像机(15)，调节高速摄像机(15)的位置使得岩石试样切削区呈现在高速摄像机(15)视野内；启动热成像仪(14)，并调节热成像仪(14)能够实时监控切削区附近热场变化；

步骤C：然后，启动伺服电机(3)，使钻头单齿(20)开始绕转动轴(5)旋转，通过可编程控制器控制伺服电动缸(13)的动作，伺服电动缸(13)通过加载架(2)对钻头单齿(20)施加载荷并使其实现进给，使钻头单齿(20)沿着岩石试样(9)上的孔切削岩石并不断进给，实现钻头单齿(20)对岩石试样(9)的切削；

步骤D：在完成切削过程后，伺服电动缸(13)自动停止动作，手动停止伺服电机(3)的动作，升起伺服电动缸(13)，停止实验，保存实时测量的数据。