CN105973551B - 钻孔动力学模拟测试系统 - Google Patents

Abstract

一种钻孔动力学模拟测试系统统，由钻进模拟与测试、数据采集与数据分析三部分构成，用于冲击、旋转、旋转‑冲击钻进过程的模拟，并实施材料冲击、旋转及旋转‑冲击作用下的动态特性测试。钻进模拟系统实现轴压、冲击速率、钻头转速、钻具扭矩、冲击能以及钻头与岩石摩擦系数、摩擦力、钻杆振动等参量的测量；材料动力学响应系统可在有压接触、无压接触、无压非接触下进行冲击、旋转、旋转‑冲击荷载下的材料强度、动摩擦等动力学响应测试。本发明可适于各种钻进系统以及各种阻抗材料在不同冲击和旋转速率下的钻进参数及材料动力学响应特性测试。

Description

钻孔动力学模拟测试系统

技术领域

本发明涉及一种钻孔动力学模拟测试系统，一种用于钻进过程实验模拟与材料动态响应特性测试的技术，一方面，本技术可用于冲击、旋转及旋转-冲击钻进过程的动态模拟，并实现钻机工作参数、钻头与材料间摩擦特性等的测试；另一方面，可用于冲击、旋转及旋转-冲击下材料的动力学特征的测试及分析。用以研究不同钻进条件下的钻进效果与钻进工作参数之间的关系以及材料在冲击、旋转、旋转-冲击作用下的动力学响应特性。属钻井工程及岩土力学领域。

背景技术

冲击、旋转及旋转-冲击式钻进是地质、岩土等勘察以及矿业生产等的主要钻进方式，在钻进过程中，钻头在一定轴压作用下，受冲击、旋转或冲击-旋转作用，使岩石破碎形成钻孔。钻头与孔底岩石相互作用时，钻头承受来自孔底岩石的荷载，使钻具产生摩擦、振动以及反射应力波，直接影响钻具的工作寿命和效率。对不同荷载下钻头-岩石界面摩擦、振动及应力波等特征进行研究，对研究钻进机具、岩石破坏机理、地层地质的实时评判等具有重要意义。

此外，在地质及岩土工程勘察钻探中，一直以来采用专门的钻探以获取岩土、地层地质等有关信息，并通过室内实验和测试来获取岩土体的物理力学性质与结构特性。钻勘需要进行大量的取样、钻孔编录、原位测试和室内实验与检测，工作繁重，而且效率低，时间长且滞后，影响工作进程。迫切需要新的技术和方法，来解决钻进过程中信息的利用问题。

众所周知，在钻进过程中，钻杆承载了许多有用的信息，这些信息直接与所钻地层岩石的物理力学性质有关。然而，这些信息没有被利用。因此，如果能充分利用钻进过程中的这些信息，则能为钻进过程中实时获取地层岩土体物理力学及结构特性提供新的方法。反过来，也可改进钻具的设计及工作参数的优化。

在现有的材料动力学测试系统中，主要是单脉冲冲击荷载下的材料动力学特性测试，典型的技术是分离式霍普金森杆(SHPB)，但它不能测量旋转、旋转-冲击作用下材料的动力学特性。

本发明建立一种钻孔动力学模拟测试系统，既可以模拟冲击、旋转及旋转-冲击钻进过程，可实现对轴压、扭矩、活塞冲击速率、冲击能及钻头和岩石试样间的摩擦等进行测量以及钻进效果的分析；又可以在上述荷载作用下实现有轴压(有压接触)和无轴压(无压非接触)条件下材料动力学特性的测量和分析，可测量冲头瞬发脉冲速率、冲击压力、转速、冲击能以及冲击杆入/反射应力波，测试和分析受荷材料的动态强度及摩擦等特性。

发明内容

本发明的目的是建立一种钻孔动力学模拟的综合测试系统，可在一定静压作业下进行旋转钻进、冲进钻进以及旋转-冲击试验模拟，实现钻进过程参数及材料动力学与结构特响应特性的测试。同时，克服现有材料动力学测试系统中不能实施旋转及旋转-冲击脉冲加载以及给实验杆施加轴向静荷等局限性。

本发明一种钻孔动力学模拟测试系统，该系统包括钻进模拟与测试系统、数据采集系统与数据分析系统。其中，钻进模拟与测试系统是一种模拟冲击、旋转及旋转-冲击钻进和在此类荷载下测量材料动力学响应的测试系统，可以测量钻进过程中轴压、冲击压力、转速、扭矩，计算冲击能、摩擦力及摩擦系数；同时对钻进过程中振动进行测量。此外，可在冲击、旋转、旋转-冲击荷载下测量材料的动力学特性。数据采集系统通过各类传感器技术，测量钻进模拟时的工作参数以及材料动力学测试时的荷载及应变等参量，并进行信号放大、转换、集成后输送给数据分析系统。数据分析系统通过示波器、计算机等终端和数据分析软件进行数据分析、存储和输出。

所述钻进模拟测试系统，是钻进模拟与材料动态响应特性测试系统的综合试验系统，用于模拟钻进系统和给被测材料施加旋转与脉冲荷载，并将脉冲发生单元产生的应力脉冲通过实验杆传递给由旋转单元输出轴联动的载样仓试样，经实验杆与试样端面作用后应力波反射回实验杆。本系统由测试平台、加压机构、脉冲发生器、整形器、撞击杆系、载样仓及旋转机构组成。系统测试平台是一水平刚性支架，直接固定安装在水平地面上。加压机构、脉冲发生器、动量陷波器及钻杆(实验杆，含整形器)通过支架固定安装在系统平台上，实验杆为带肩圆杆。加压机构由滑块、水平导轨和加压推进油缸组成，水平、固定安装在支架上，活塞杆输出端可与滑块固联，在水平活塞作用下施加水平轴向压力，并沿导轨产生水平轴向位移。脉冲发生器由压力源、调压器、脉冲发射开关组成。整形单元由脉冲整形器、转换阀及动量陷波器组成。撞击杆系由撞击杆、实验杆及钻头组成。压力源为压缩空气，由空气压缩机生成；载样仓用以承载试样，根据试样形状与规格，仓腔可设计为圆柱形、棱柱形等不同形状和尺寸。旋转机构由旋转电机、转速调节器及输出轴组成，输出轴与载样仓固联。

所述数据采集系统，由压力传感器、测速传感器、转速传感器、振动传感器、应变传感器、数据转换盒、数字式动态应变仪和数据集成箱构成，将接收到的所述感测数据信号进行转换和数字集成。

所述数据分析系统，将所述转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析系统如计算机、示波器等进行存储、分析和输出，并对钻进过程参数与材料的结构及动力学特性进行分析、评判、存储和输出。

所述旋转电机的工作电压为380V。

所述数字式动态应变仪的工作电压为220V。

所述红外光电测速传感器的工作电压为220V。

所述数据集成箱的工作电压为DC12V。

本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，一方面，可以模拟冲击、旋转及旋转-冲击钻进过程，可以测试钻进工作参数、钻头-岩石摩擦特性，同时实现对钻进材料动力学特性的同步测试，实时反馈钻进工作参数与岩石力学特性等之间的关系，可根据所钻地层材料特性，为钻具选择及合理钻进工作参数的确定提供依据。另一方面，可实现旋转与冲击荷载有效结合，在旋转-冲击耦合荷载下测试材料的动态抗压强度、入/反射应力波峰值、应变能等动态力学响应特征参数，测试材料动态响应特征与撞击杆冲击能的关系。

附图说明

图1是本发明的系统构造图。

图2是图1压力传感器的连接图。

图3是图1测速传感器的布置图。

图4是图1旋转传感器的布置图。

图5是图1载样仓的布置图。

图6是图1加压机构安装图。

图7是图1测试系统布置图。

图中所示，12DC.12伏直流电源，DIB.数据集成箱，I.输入，O.输出，1.压缩空气源，2.调压器，3.脉冲发生器，4.红外光源，5.转换阀，6.动量限波器，7.导轨，8.拉压应变传感器，9.振动电阻应变传感器，10.接口，11.剪切应变传感器，12.实验杆，13.探针，14.载样仓，15.转速调速器，16.马达，17.转速传感器，18.调压器，19.压力传感器，20.红外光测速传感器，21.压力传感器，22.接口，23.转换盒，24.数字式动态应变仪，25.数据集成箱，26.计算机，27.压力阀，28.压力表，29.连接头，30.信号线缆，31.激光束，32.整形器，33.红外输出信号线缆，34.钻头，35.转速传感器输出线缆，36.载样套仓，37.试样，38.滑块，39.活塞，40.活塞杆。

本系统安装在实验室水平刚性试验平台上，用于模拟冲击、旋转、旋转-冲击钻进系统及其参数测试和材料在此类荷载下动力学响应特性测试。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在图1的实施例中，系统主要由三个部分组成：(i)钻进模拟与测试系统；(ii)数据采集系统及(iii)数据分析系统。钻进模拟与测试系统包括脉冲发生器、加压机构、脉冲整形器、转换阀、动量陷波器、实验杆、试样与载样仓及旋转机构组成。脉冲发生器由压力发生器、调压器、触发开关及脉冲发射管组成。压力发生器为产生压缩空气的压力源，由220V交变电驱动。脉冲发射管内安装有撞击杆，其与实验杆、整形器、转换阀及动量转换器共同构成撞击杆系统，脉冲发生器触发脉冲发射管中的撞击杆，撞击实验杆完成脉冲输入。载样仓中载有材料试样，由旋转机构驱动产生旋转动作；旋转机构由电动马达、调速器与输出轴构成，输出轴与载样仓固联。数据采集系统由压力传感器、转速传感器、速度传感器、应变传感器、转换盒、动态应变仪及数据集成箱组成，将感应信号进行转换或放大，传输到各个终端并储存；数据分析系统由计算机和示波器等各种终端组成，通过专用软件或常用办公软件如EXCEL等进行数据的分析、显示、储存和打印。

在图1的实施例中，数据采集系统安装在实验工作台上，将钻进模拟与测试系统采集的数据进行放大、转化、集成和传输。

在图1的实施例中，布置两个压力传感器，其一用来测量压力源经调压器输出的压气压力，它是脉冲发生器的发射压力；其二用来测量经调压器调节后输送给加压机构驱动水平活塞的压力即施加在实验杆上的轴向压力，该压力保证钻头与试样端面接触并模拟钻进中的合理轴向压力。合理轴压力是保证钻具稳定、高效钻进的最优压力。

应变传感器用于测量输入杆中的入射应力波和反射应力波。本发明根据测量目的采用拉/压应变或剪切应变测量。拉压应变测定采用全桥方式接入，共两对应变片，其中两个为感应片，另两个为补偿片，如R1，R4采用高阻值(1000Ω)应变片，R2，R3采用精密标准1000Ω电阻。剪切应变测定亦采用全桥方式接入，四个应变片均为感应片。黏贴好的应变片阻值变化应小于0.5Ω，且应变片与压杆间的绝缘电阻应大于100MΩ。应变片的粘贴、引线联接及应变测试按常规方法操作。拉压应变传感器用于测量实验杆的压缩/拉伸应变，测量材料的动态抗压强度以及实验杆受冲击时的轴向振动；剪切应变用以测量旋转产生的剪切应变，测量实验杆产生的扭矩。

对于软土、沙土、碎石等散软体及塑料等低阻抗材料，应变率很低，脉冲荷载产生的冲击作用很小，这时的冲击脉冲信号弱。在图1的实施例中，对于较低的信号采用黏弹性杆及/或石英压电传感器进行补偿。

振动传感器用来监测钻进过程中钻机的轴向和横向振动。本发明中采用拉压电阻应变传感器测量轴向振动。

测速传感器用以测量撞击杆冲击实验杆的撞击速度。

转速传感器用以测量载样仓或转速调速器输出轴的旋转速度。

应变传感器与压力传感器、振动传感器通过线缆、接口与转换盒联接，并输入到数字动态应变仪，并接入数据集成箱；测速传感器和转速传感器经线缆接入数据集成箱。数据集成后，由集成箱输送到计算机或示波器等数据分析终端。

数据采集系统由上述各类传感器、转换盒、数字式动态应变仪和数据集成箱组成。其中，转换盒包括放大器和转换器：(1)放大器，它属于典型的惠斯通电桥(WheatstoneBridge)前置放大器，用以将应变信号放大。(2)转换器，将压力传感器采集的模拟数据进行转换。本发明采用日本CSW-5A型转换器，它通过CR-655接口电缆与数字式应变仪相连。数字动态应变仪，将CSW-5A转换盒输入的压力模拟信号变换为数字信号，本发明采用NicoletSigma 90(Digital Oscilloscope workstation)数字动态应变仪，通过RS-232C接口电缆将数据输入到数据集成箱DIB(Date Integrated Box)。数据集成箱将对旋转与冲击系统测试的输入信息进行集成，通过CR-553B接口电缆输入到终端设备。数据转换盒由惠斯通电桥及放大器组成。

在图2的实施例中，给出了压力传感器的安装示意图。

在图2的实施例中，压力传感器21安装在各压力调节器管路中的适当位置，一般处于输入I-输出O回路中压力表28的前方，当压力流体输入到发射器管路中，经压力阀27、压力表28及传感器21输入到所在压力管路，传感器21通过连接头29与管路相连，当压力流体经压力传感器21时，压力作用于传感器上的压阻片，使其变形从而使电阻、电流或电压等电信号发生改变。电信号经信号线缆30，通过接口传输给数据采集系统。本发明采用英国Gems2200/2600传感器系列，各压力传感器的测量范围为0.01-25.0MPa。

在图3的实施例中，测速传感器用来测量脉冲发生器3的冲击速率。本发明采用红外测速传感器进行测速。红外发射源4发射的激光束31经过脉冲发射管的脉冲发生器3和实验杆12之间的间隔，由红外传感器的接收器20接收，当脉冲发生器触发时，发射管中的脉冲发生器3以一定速度沿发射管射出，切割线激光束31，接收器20产生光电脉冲，信号经线缆33传输到数据采集系统，由采集系统再传输到分析系统，根据红外设定的宽度和脉冲时间计算弹头切割速率。红外测速传感器水平安装，光线与发射杆轴线垂直。红外测速采用FF-316uH光纤传感器，MTTu-6EIR-M485微秒计时器。

在图3的实施例中，入射波整形器32、转换阀5以及动量限波器6用来获得完整的加载波形和避免入射杆的二次加载。整形器选取塑性较好的力学性质已知材料，用真空脂粘贴在输入杆撞击端的中心位置上，整形器32由一个或多个组合型整形器构成，用以过滤加载波中由于直接碰撞引起的高频分量，减小波的弥散效应，并通过其塑性变形来有效地增加入射应力脉冲的上升时间，保证试样中变形均匀和应力的平衡，获得常应变率加载。转换阀5以及动量限波器6用以实施单脉冲加载，避免撞击杆冲击过程中实验杆因撞击端反射压缩波对试样产生的二次加载。在对低阻抗材料进行测试时，采用整形器以保证测试的精度。整形器32、转换阀5及动量限波器6可根据测试要求选用。

在图4的实施例中，转速传感器17用来测量载样仓14转速。在本发明中采用德国PEPPERL+FUCHS电磁传感器测量转速，测量范围为0-2500r/min。

转速传感器17安装在与旋转机构调速器15输出轴联接的载样仓14上探针13对应的位置上。当探针13与载样仓14一起转动时，探针13将在转速传感器17前端扫过(虚线园为探针13转动时的轨迹)，即传感器17位于探针13旋转圆周线所包络的平面中。此时转速传感器17发生电磁脉冲，并通过信号线缆35传输给数据采集系统。本发明中撞击杆系由实验杆12及钻头34等组成。调速器15由马达16驱动，马达16可由电、液压或压气等驱动，在本发明实施例中由380V交变电压驱动，载样仓14与调速器15输出轴联接，载样仓14与调速器15的输出轴具有相同的转速。因此，转速传感器17可以安装在输出轴适当的位置。

在图5的实施例中，载样仓14为一定厚度的刚性柱形圆筒，其底座与调速器15输出轴联接，载样仓14内可根据试样规格安装载样套仓36，载样套仓36外柱体与载样仓14内柱体啮合，套仓内安装试样37，载样套仓36与载样仓14、试样37直径与套仓36内径之间的配合误差以及同轴度应满足有关材料测试的要求。根据测试要求，可具有不同的套仓内径和试样尺寸。载样仓14的轴向长度大于试样套仓36和试样37长度，超出的长度应满足试样冲击碎裂时飞溅的安全防护要求。

在图6的实施例中，导轨7与动量限波器6通过滑块38固联，活塞39水平安装在实验平台的刚性支架上，活塞杆40与导轨7及实验转换盒23杆12的轴线平行，活塞杆40一端与滑块38联接。当需要实验杆12向试样施加压力时，活塞杆40在调压器18的压力作用下伸出，通过滑块推动动量限波器6水平向前运动，将活塞杆40的压力通过实验杆12、钻头34，并传递给试样37，实现对试样37的轴向施压。

在图7的实施例中，给出了本发明的布置形式。

压力源1为空压机，一般布置在离测试场所较远的隔声空间，通过压力管网将压气引入室内，并与调压器2联通，压气压力由压力传感器21进行测量，并通过调压器2的标准压力表进行标定。压力传感器21通过接口22与转换盒23相联，并接入应变仪24。脉冲发生器3、转换阀5、动量限波器6、实验杆12及载样仓14、调速器15位于同一水平轴线上。红外测速传感器(20)安装在发生器(撞击杆)3和转换阀5之间，并由红外接收器20的输出端与数据集成箱25联通。实验杆12加压装置的压力由调压器18、压力传感器19经接口22与转换盒23相联，并经应变仪24与数据集成箱联通。在实验杆中布置拉压应变传感器8、应变振动传感器9及剪切应变传感器11，拉压应变8、振动应变9及剪切应变10可同时布置和测量。拉压应变8、振动应变9及剪切应变10通过接口10与转换器23相联，并接入应变仪24。转速传感器17、测速传感器20直接与数据集成箱25联通。上述压力、冲击速度、转速及应变传感器所采集的信号在数据集成箱25集成后输出给数据分析系统的计算机26。

本发明的基本原理是：采用撞击杆系、旋转系统、传感器技术和数字集成技术，建立一种钻进过程模拟及其材料动态响应特性测试系统，通过撞击杆系和加压、旋转系统模拟冲击钻进、旋转钻进或旋转-撞击钻进过程，采用压力传感器测量脉冲发生系统的压力和实验杆加压机构的轴压，采用红外测速传感器测量撞击杆的撞击速度，采用转速传感器测量钻头或试样的转速，采用应变电阻传感器分别测量实验杆撞击和旋转过程中产生的拉压应变、剪切应变以及振动。运用弹性波理论、能量原理等分析计算冲击荷载、扭矩、冲击能与材料破坏特性之间的关系，同时分析计算钻头-孔底岩石间的摩擦特性。此外，运用上述技术建立的系统，还可以对材料在有压接触、无压非接触、无压接触及旋转-冲击荷载下的动态响应特性进行测试。在撞击杆撞击实验杆后，使实验杆产生一定的速度和位移，同时在实验杆中产生入射应力波，当应力波达到实验杆端面后，撞击由旋转系统驱动的试样，并在撞击端面发生反射应力波。采用应变传感器技术对实验杆进行拉/压及剪切应变测试，通过弹性杆应力波有关理论计算分析应变能、扭矩及被测材料的动态抗压强度等参数。

Claims (3)

1.一种钻孔动力学模拟测试系统，其特征在于，该系统包括冲击、旋转以及旋转-冲击钻进模拟与材料测试系统，数据采集系统和数据分析系统；

所述钻进模拟与材料测试系统，由测试平台、加压机构、脉冲发生器、整形单元、撞击杆系、载样仓及旋转机构组成；系统测试平台是一水平刚性支架，直接固定安装在水平地面上；加压机构、脉冲发生器、动量陷波器、实验杆通过支架固定安装在系统平台上，脉冲整形器安装在实验杆的入射端；加压机构由滑块、水平导轨和加压推进油缸组成，水平固定安装在支架上，活塞杆输出端与 滑块固联，在水平活塞作用下对实验杆施加水平轴向压力，并沿导轨产生水平轴向位移；脉冲发生器由压力源、调压器、脉冲发射开关组成；整形单元由脉冲整形器、转换阀及动量陷波器组成，脉冲整形器、转换阀、动量陷波器、实验杆从左到右依次连接；撞击杆系由撞击杆、实验杆及钻头组成；压力源为压缩空气，由空气压缩机生成；载样仓用以承载试样，根据试样形状与规格，仓腔设计为圆柱形、棱柱形不同形状和尺寸；旋转机构由旋转电机、转速调节器及输出轴组成，输出轴与载样仓固联；

所述数据采集系统，由压力传感器、测速传感器、转速传感器、应变传感器、数据转换盒、数字式动态应变仪和数据集成箱构成，将接收到的感测数据信号进行转换和数字集成；

所述数据分析系统，将所述转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析系统进行分析、输出和存储，并对钻进过程参数与材料的结构及动力学特性进行分析、评判、存储和输出。

2.根据权利要求1所述的一种钻孔动力学模拟测试系统，其特征是：实施冲击、旋转、旋转-冲击钻进过程模拟，并实现钻进过程中冲击速率、转速、压力、扭矩、振动及摩擦参数的测量。

3.根据权利要求1所述的一种钻孔动力学模拟测试系统，其特征是：对材料进行有压接触、无压接触、无压非接触下的旋转-冲击响应特性测试；根据测试材料特性变形测量采用应变传感器，测速传感器采用红外测速传感器。