CN105675326B - 松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统，包括卸掉外管的钻具、驱动装置、转速测量装置、负压显示装置和返水收集装置，该钻具包括接头、负吸元件、过渡元件、过渡联通元件、内管接头、内管、弹卡和外管；驱动装置通过加长轴连接至钻具的负吸元件；转速测量装置包括反光片和光电转速仪，反光片贴在加长轴上，光电转速仪正对反光片设置；负压显示装置与钻具的内管连接；返水收集装置与钻具的负吸元件的出水孔连接。该测试系统方便测试出泵量、泵压与钻具内叶轮及轴的转速的关系，以及测试轴及啮合齿轮的转速与负压、返水效率的关系，能够为松散破碎地层用局部反循环取心钻具的结构参数、安装参数和工作参数设计或选取提供依据。

Description

松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统

技术领域

本发明涉及地质钻探和石油钻井中钻具测试领域，具体涉及一种松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统。

背景技术

目前，世界各国矿产资源日渐枯竭，这就需要钻井公司更经济、更有效地进行矿产资源开发。要了解地层中矿产资源的结构，走向等情况，取心钻探是最有效的手段。作为钻进作业中的重要工具——钻具，其工作性能直接影响到钻进作业的质量、成本和效率。随着地质钻探和石油钻井范围越来越广，钻遇松散破碎等复杂地层的情况越来越多，钻遇这类复杂地层时取心非常困难，要想在这些复杂地层中进行高质量取心钻进，那么针对松散破碎等复杂地层的取心钻具研究就显得非常重要。

目前，针对松散破碎等复杂地层而设计的一种松散破碎地层用局部反循环取心钻具，如图1所示，松散破碎地层用局部反循环取心钻具是利用泵吸原理，采用孔底局部反循环的液流回路结合单动双管结构来实现孔底局部反循环的取心钻具，该钻具具有高质量采取所需岩心的优点，可在松散破碎地层钻探钻井工程领域推广应用。为了更加方便和有效的研究松散破碎地层用局部反循环取心钻具，有必要研究一套针对该钻具工作性能的测试系统，从而为钻具的进一步研究和优化提供支撑。

发明内容

本发明是要解决的技术问题是，针对现有松散破碎地层用钻具测试存在的上述不足，提供一种松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统，该系统在钻具工作过程中，方便测试出泵量、泵压与钻具内叶轮及轴的转速的关系，以及测试轴及啮合的齿轮的转速与负压、返水效率的关系，得出钻具的工作性能，为钻具的进一步研究和优化提供支撑。

本发明解决上述问题采用的技术方案是：

松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统，包括卸掉外管的钻具，该钻具包括接头、负吸元件、过渡元件、过渡联通元件、内管接头、内管、弹卡和外管，负吸元件的上端与接头下端连接，负吸元件的下端通过支撑环连接过渡元件，过渡元件通过内管接头与内管连接，弹卡置于内管中，过渡联通元件贯穿支撑环、过渡元件、内管接头设置，外管套接在接头外螺纹上；还包括驱动装置、转速测量装置、负压显示装置和返水收集装置，其中，所述驱动装置通过加长轴连接至卸掉外管的钻具的负吸元件；所述转速测量装置包括反光片和光电转速仪，反光片贴在加长轴上，光电转速仪正对反光片设置；所述负压显示装置与卸掉外管的钻具的内管连接；所述返水收集装置与卸掉外管的钻具的负吸元件的出水孔连接。

按上述方案，所述负吸元件包括一对啮合的齿轮、叶轮、轴、四个深沟球轴承和支撑部分，齿轮、叶轮均通过键与轴固定连接，轴设置两个、安装在两两深沟球轴承上；支撑部分包括支架、支架齿轮侧和支架叶轮侧，支架分别与支架齿轮侧和支架叶轮侧形成两个分开空间，齿轮安装在支架与支架齿轮侧形成的空间里，叶轮安装在支架与支架叶轮侧形成的空间里；支撑部分的下端与支撑环连接，支撑环下端紧挨第一螺母，第一螺母和第一止推轴承与过渡元件的上端连接，过渡元件的下端通过第二止推轴承、第二螺母与内管接头连接，内管接头与内管通过螺纹连接；负吸元件进水孔设置在支架的与支架齿轮侧配合的一侧的下端，且与支撑环相通，负吸元件出水孔设置在支架中部，与接头下端上的孔对应。

按上述方案，所述支架、支架齿轮侧和支架叶轮侧组合后形成一个圆柱形，安装在接头下端的空腔内，支架与接头下端之间设置有支架盖板。

按上述方案，所述驱动装置包括依次连接的电源、调速器、电动机以及和电动机输出轴连接的联轴器，将卸掉外管的钻具的负吸元件的其中一个轴取出替换为加长轴，联轴器通过加长轴接至负吸元件。

按上述方案，所述负压显示装置包括直管、长橡胶软管、玻璃刻度管、大水槽和小水槽，大水槽置于内管下端，直管的一端伸入卸掉外管的钻具的内管中、另一端与长橡胶软管的一端连接，长橡胶软管的另一端与玻璃刻度管的一端连接，玻璃刻度管的另一端伸入小水槽中。

按上述方案，所述返水收集装置包括引流管、短橡胶软管、导流管和刻度容器，引流管的一端与负吸元件的出水孔连接、另一端通过短橡胶软管与导流管的一端连接，导流管的另一端伸入刻度容器中。

本发明的工作原理：松散破碎地层用局部反循环取心钻具内包含负吸元件，该元件由一对啮合的齿轮、叶轮、两个轴和三个可以组合成一个圆柱的支架构成，钻具工作时，携带能量冲洗液冲击叶轮旋转，叶轮带动一对啮合的齿轮旋转，该对啮合的齿轮以齿轮泵原理工作，形成负吸效应，造成局部反循环。松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统在测试齿轮转速与负压、返水效率的关系时，由调速器调节电动机转速，电动机通过联轴器驱动负吸元件中轴转动，轴上贴有反光元件，可用光电转速仪测量并显示转速；负压大小由装置中玻璃管液柱高度来显示，返水效率由返水时间和返水收集量来计算。该测试系统在测试泵量、泵压与叶轮转速关系时，拆除联轴器和电动机，让水泵以一定的泵量和泵压冲击叶轮旋转，叶轮带动轴和啮合的齿轮旋转，轴上贴有反光元件，用光电转速仪测量并显示转速，改变泵量和泵压，得出不同泵量、泵压下轴(或者说叶轮、齿轮)的转速。

本发明的有益效果：在针对松散破碎等复杂地层的各种钻具中，松散破碎地层用局部反循环取心钻具具有高质量采取所需岩心的优点，而现有其他钻具的结构和松散破碎地层用局部反循环取心钻具结构存在很大程度的不同，不能应用到该取心钻具上，因此本发明提出一种针对松散破碎地层用局部反循环取心钻具的性能测试系统，能够较方便的测试出泵量、泵压、(齿轮或者叶轮)转速、负压、返水效率等各参数之间的关系，能够为松散破碎地层用局部反循环取心钻具的结构参数、安装参数和工作参数提供依据，为进一步的研究和优化钻具奠定基础。

附图说明

图1为松散破碎地层用局部反循环取心钻具平面装配示意图；

图2为本发明松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统的整体结构示意图；

图1中，1-接头上端，2-支架盖板，3-接头下端，4-齿轮，5-深沟球轴承，6-轴，7-叶轮，8-支架齿轮侧，9-支架，10-支架叶轮侧，11-键，12-支撑环，13-第一螺母(小)，14-第一止推轴承(小)，15-过渡联通元件，16-过渡元件，17-第二止推轴承(大)，18-第二螺母(大)，19-内管接头，20-外管，21-内管(岩芯管)，22-弹卡；

图2中，23-电源，24-调速器，25-电动机，26-联轴器，27-加长轴，28-反光片，29-卸掉外管的钻具，30-引流管，31-短橡胶软管，32-导流管，33-刻度容器，34-光电转速仪，35-直管，36-长橡胶软管，37-大水槽，38-玻璃刻度管，39-小水槽。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。

参照图1所示，本发明针对的松散破碎地层用局部反循环取心钻具，包括接头、负吸元件、过渡元件16、过渡联通元件15、内管接头19、内管(岩心管)21和外管20，接头由接头上端1、接头下端3连接而成，负吸元件的上端与接头下端3连接(接头下端3是一个空腔，空腔内安装负吸元件，空腔下端有内螺纹和过渡元件16连接)，负吸元件的下端通过支撑环12连接过渡元件16，过渡元件16通过内管接头19与内管(岩心管)21连接，弹卡22置于内管(岩心管)21中，内管(岩心管)21坐落在钻头内壁台阶上，过渡联通元件15贯穿支撑环12、过渡元件16、内管接头19设置，外管20套接在接头外螺纹上。

负吸元件包括一对啮合的齿轮4、叶轮7、轴6、四个深沟球轴承5和支撑部分，齿轮4、叶轮7均通过键11与轴6固定连接，轴6设置两个、安装在两两深沟球轴承5上；支撑部分包括支架9、支架齿轮侧8和支架叶轮侧10，支架9分别与支架齿轮侧8和支架叶轮侧10形成两个分开空间，齿轮4安装在支架9与支架齿轮侧8形成的空间里，叶轮7安装在支架9与支架叶轮侧10形成的空间里；支撑部分的下端与支撑环12连接，支撑环12下端紧挨第一螺母13，第一螺母13和第一止推轴承14与过渡元件16的上端连接，过渡元件16的下端通过第二止推轴承、第二螺母18与内管接头19连接，内管接头19与内管(岩心管)21通过螺纹连接；负吸元件进水孔设置在支架9与支架齿轮侧8配合的一侧的下端，且与支撑环12相通，负吸元件出水孔设置在支架9中部，与接头下端3上的孔对应(负吸元件进水孔和出水孔都在支架9上，与齿轮4的齿顶是挨着的，负吸元件进水孔设置在支架9的下端，与支架9和支架齿轮侧8所形成的空间相通，也与支撑环12相通)。支架9、支架齿轮侧8和支架叶轮侧10组合后形成一个圆柱形，安装在接头下端3的空腔内。支架9与接头下端3之间设置有支架盖板2。

局部反循环取心钻具在钻进松散破碎地层过程中按如下方式进行工作：从泥浆泵来的钻井冲洗液从回转的钻杆中心通道进入与钻杆柱连接的接头上端1，经接头内斜孔，冲击负吸元件内叶轮7旋转，叶轮7旋转带动轴6及一对啮合的齿轮4旋转，该对齿轮4的旋转会形成负吸现象，通过过渡元件16、过渡联通元件15和内管接头19抽吸内管(岩芯管)21内的流体，在内管21中造成负压，从而形成孔底局部反循环，在钻井液通过钻头时造成负吸效应。

参照图2所示，本发明所述的松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统，包括：卸掉外管的钻具29、驱动装置、转速测量装置、负压显示装置、返水收集装置，其中，卸掉外管的钻具29即为图1中松散破碎地层用局部反循环取心钻具去除外管20的结构，在测试系统中，其中一个轴6用加长轴27来替代，且在支架叶轮侧10上对应添加一通孔，驱动装置通过加长轴27连接至卸掉外管的钻具29的负吸元件的轴6处；转速测量装置包括反光片28和光电转速仪34，反光片28贴在加长轴27上，光电转速仪34正对反光片28设置；负压显示装置与卸掉外管的钻具29的内管21连接，返水收集装置与卸掉外管的钻具29的负吸元件的出水孔连接。

驱动装置包括依次连接的电源23、调速器24、电动机25以及和电动机输出轴连接的联轴器26，将卸掉外管的钻具29的负吸元件的其中一个轴6取出替换为加长轴27，联轴器26通过加长轴27接至负吸元件的深沟球轴承5内；开启电动机25，电动机25的输出轴通过联轴器26驱动加长轴27，通过调节调速器24改变电动机25的转速，从而调节通过联轴器26与电动机25输出轴连接的加长轴27的转速。开始测速工作时，光电转速仪34对着反光片28发射光线，反光片28每旋转一周则反射一次光线，光电转速仪34接收到反射回来的光线后，进行计数并计算、显示转速。

负压显示装置包括直管35、长橡胶软管36、玻璃刻度管38、大水槽37和小水槽39，大水槽37置于内管21下端，直管35的一端伸入卸掉外管的钻具29的内管21中、另一端与长橡胶软管36的一端连接，长橡胶软管36的另一端与玻璃刻度管38的一端连接，玻璃刻度管38的另一端伸入小水槽39中。取心钻具内一对啮合的齿轮4的旋转会形成负吸效应，在内管21中造成负压，根据连通器原理，安放在内管中的直管35、长橡胶软管36以及玻璃刻度管38的内部均会形成负压，由于大水槽37和小水槽39的隔离空气作用，玻璃刻度管38内的液面会由于负压的影响而上升，液面上升的高度h可由玻璃刻度管38上的刻度读出。根据读出的高度h计算出负压P的大小：P＝ρgh，其中ρ——小水槽39中液体的密度；g——重力加速度，一般取g＝9.8g/cm³；h——液面上升的高度。

返水收集装置包括引流管30、短橡胶软管31、导流管32和刻度容器33，引流管30的一端与负吸元件的出水孔连接、另一端通过短橡胶软管31与导流管32的一端连接，导流管32的另一端伸入刻度容器33中。当钻具浸没在大水槽中液面高于负吸元件进水孔时，啮合的齿轮的旋转会带动大水槽内的液体从进水孔进入齿轮两相邻齿间，然后从出水孔被挤压出来，经引流管30、短橡胶软管31后流入刻度容器33中，刻度容器33具有刻度，能够读出流入刻度容器33内返水量的具体数值。根据齿轮的转速v₁(电动机或者轴的转速)、记录的时间t和返水量Q，可以计算出一定转速下返水效率反映一定转速下返水的快慢。

本发明松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统的测试方法，包括如下步骤：

1)测试转速与负压的关系

在测试转速与负压的关系时，无需安装由引流管30、短橡胶软管31、导流管32和刻度容器33组成的返水收集装置，把电源23通过调速器24连接到电动机25，电动机25的输出轴通过联轴器26连接卸掉外管的钻具29中为测试系统特制的加长轴27，在加长轴27上贴有反光片28，反光片28反射来自光电转速仪34的光，当开启电动机25带动加长轴27和反光片28旋转时，光电转速仪34有规律的接收到来自反光片28反射回来的光线，经过光电转速仪34内部元器件的计算，显示加长轴27的转速，加长轴27带动与轴6通过键11连接的一对啮合的齿轮4一起旋转，基于齿轮泵的泵吸原理，该对啮合的齿轮4的旋转，在内管21中形成负压，基于连通器原理，内管21的负压传导到玻璃刻度管38内，玻璃刻度管38内产生负压后，则玻璃刻度管38内的液面上升，直管35、长橡胶软管36、大水槽37、玻璃刻度管38和小水槽39组成负压显示装置，由玻璃刻度管38中液面上升高度来显示负压大小，通过这种方式将转速与负压联系起来，通过调速器24改变转速，从而得出转速与负压的关系。

2)测试转速与返水效率的关系：在测试转速与返水效率的关系时，无需负压显示装置，只需要按要求安装返水收集装置，调速器24、电动机25、联轴器26、加长轴27和反光片28仍然按照上述连接方式安装，将卸掉外管的钻具29放在大水槽37中浸没至啮合的齿轮4的进水孔，开启电动机25，电动机25通过联轴器26带动加长轴27、反光片28、一对啮合的齿轮4同步旋转，基于泵吸原理且钻具已浸没至齿轮泵进水孔，在该对啮合的齿轮4的作用下，液体会由于齿轮泵的作用被抽吸到出水口，经引流管30、短橡胶软管31和直管32，最后流入刻度容器33中。测试时记录转速、时间和返水量，就可以得出一定转速下，单位时间的返水效率；通过调速器24改变电动机25的转速，就能够得出不同转速下，单位时间的返水效率。

第二部分：测试泵量、泵压与转速的关系

测试泵量、泵压与转速的关系：拆除驱动装置(由电源23、调速器24、电动机25、联轴器26组成)，负压显示装置(由直管35，长橡胶软管36，大水槽37，玻璃刻度管38，小水槽39组成)和返水收集装置(由引流管30，短橡胶软管31，导流管32，刻度容器33组成)，反光片28仍然安装在加长轴27上，光电转速仪34和反光片28对应；将卸掉外管的钻具29通过水龙头和高压水管连接BW150泥浆泵，该泵具有8种档位和流量可控制调节的优点，且可显示泵压大小。

安装好测试系统各部件，测试工作开始：开启泥浆泵，则泥浆泵驱动泥浆通过高压水管、水龙头进入钻杆和卸掉外管的钻具29上部接头，由接头内的倾斜导流孔将泥浆引导并冲击叶轮7旋转，叶轮7带动与之相连的加长轴27、反光片28、齿轮4同步旋转，光电转速仪34接收到反光片28反射回的光线后，经过仪器内部运算，显示加长轴27(同时也是叶轮7、齿轮4)的转速。泥浆泵上可读出泵压和泵量，光电转速仪34可读出转速，从而可测试出泵量、泵压与转速的关系；调节泥浆泵不同的流量档位(共有8个档位可调)，可测试出不同泵量、泵压下与齿轮转速的关系和变化趋势。

应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统，包括卸掉外管的钻具，该钻具包括接头、负吸元件、过渡元件、过渡联通元件、内管接头、内管、弹卡和外管，负吸元件的上端与接头下端连接，负吸元件的下端通过支撑环连接过渡元件，过渡元件通过内管接头与内管连接，弹卡置于内管中，过渡联通元件贯穿支撑环、过渡元件、内管接头设置，外管套接在接头外螺纹上，其特征在于：还包括驱动装置、转速测量装置、负压显示装置和返水收集装置，其中，所述驱动装置通过加长轴连接至卸掉外管的钻具的负吸元件；所述转速测量装置包括反光片和光电转速仪，反光片贴在加长轴上，光电转速仪正对反光片设置；所述负压显示装置与卸掉外管的钻具的内管连接；所述返水收集装置与卸掉外管的钻具的负吸元件的出水孔连接。

2.如权利要求1所述的松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统，其特征在于：所述负吸元件包括一对啮合的齿轮、叶轮、轴、四个深沟球轴承和支撑部分，齿轮、叶轮均通过键与轴固定连接，轴设置两个、安装在两两深沟球轴承上；支撑部分包括支架、支架齿轮侧和支架叶轮侧，支架分别与支架齿轮侧和支架叶轮侧形成两个分开空间，齿轮安装在支架与支架齿轮侧形成的空间里，叶轮安装在支架与支架叶轮侧形成的空间里；支撑部分的下端与支撑环连接，支撑环下端紧挨第一螺母，第一螺母和第一止推轴承与过渡元件的上端连接，过渡元件的下端通过第二止推轴承、第二螺母与内管接头连接，内管接头与内管通过螺纹连接；负吸元件进水孔设置在支架的与支架齿轮侧配合的一侧的下端，且与支撑环相通，负吸元件出水孔设置在支架中部，与接头下端上的孔对应。

3.如权利要求2所述的松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统，其特征在于：所述支架、支架齿轮侧和支架叶轮侧组合后形成一个圆柱形，安装在接头下端的空腔内，支架与接头下端之间设置有支架盖板。

4.如权利要求2所述的松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统，其特征在于：所述驱动装置包括依次连接的电源、调速器、电动机以及和电动机输出轴连接的联轴器，将卸掉外管的钻具的负吸元件的其中一个轴取出替换为加长轴，联轴器通过加长轴接至负吸元件。

5.如权利要求1所述的松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统，其特征在于：所述负压显示装置包括直管、长橡胶软管、玻璃刻度管、大水槽和小水槽，大水槽置于内管下端，直管的一端伸入卸掉外管的钻具的内管中、另一端与长橡胶软管的一端连接，长橡胶软管的另一端与玻璃刻度管的一端连接，玻璃刻度管的另一端伸入小水槽中。

6.如权利要求2所述的松散破碎地层用局部反循环取心钻具测试系统，其特征在于：所述返水收集装置包括引流管、短橡胶软管、导流管和刻度容器，引流管的一端与负吸元件的出水孔连接、另一端通过短橡胶软管与导流管的一端连接，导流管的另一端伸入刻度容器中。