CN106248416A - 振动类钻井工具性能检测装置及其用途 - Google Patents

振动类钻井工具性能检测装置及其用途 Download PDF

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王建龙
张永忠
闫光
李健
魏宝明
李彬
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顾洪凯
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Abstract

本发明公开了一种振动类钻井工具性能检测装置及其用途，该装置包括夹持装置、供料装置和性能测试装置；夹持装置用于固定待测振动类钻井工具；性能测试装置中，测压接头有两个，均安装有压力传感器，分别安装在待测振动类钻井工具的两端；振动位移传感器安装在待测振动类钻井工具上；轴向载荷加载装置用于向待测振动类钻井工具内部施加轴向载荷；压力传感器、振动位移传感器分别与数据采集器连接；数据采集器将采集到的信息传输至计算机；供料装置分别通过管线与待测振动类钻井工具两端连接，形成回路。该装置能模拟井下复杂环境下振动类钻井工具动态振动特性，分析结构参数、流体性能等因素对振动类钻井工具的影响。

Description

振动类钻井工具性能检测装置及其用途
技术领域
本发明涉及石油天然气钻探领域，特别是涉及振动类钻井工具性能检测装置及其用途。
背景技术
随着各油田开发的不断深入，深井、超深井、复杂结构井越来越多。然而深井、超深井钻探过程中，由于岩石硬度大、研磨性强、可钻性差，常规的螺杆钻具与PDC钻头配合的钻进方式机械钻速极低；大斜度井、大位移井、水平井等复杂结构井滑动钻进过程中由于井斜角大、裸眼段长，钻具与井壁接触面积大，产生较大的摩阻，造成滑动钻进过程中严重的托压现象，导致滑动钻进机械钻速极低。
为解决深井、超深井硬岩层地层机械钻速低的问题，国内外研发了扭力冲击器、液动冲击器等工具；为解决复杂结构井滑动钻进托压问题，国内外研发了水力振荡器等工具。扭力冲击器、液动冲击器、水力振荡器等工具都属于振动类井下工具，都是通过将钻井流体能量转换为机械振动能量，从而达到提高机械钻速的目的。然而，钻井液流体性质的变化，排量的变化，工具结构参数的变化，工具在井下受力状态的变化，都对工具振动性能有一定的影响。因此在设计研发这类工具时，振动参数的获得是非常重要的。目前主要靠有限元模拟、地面静态承压实验、静态的拉扭试验来测试工具的性能，这种静态模拟或试验的条件是无法与井下复杂的动态受力状态相比拟的，测试结果差距会很大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种振动类钻井工具性能检测装置及其用途，其能模拟井下复杂环境下振动类钻井工具动态振动特性，分析结构参数、流体性能等因素对振动类钻井工具的影响，为振动类钻井工具的设计和现场应用提供理论依据和指导。
为此，本发明的技术方案如下：
一种振动类钻井工具性能检测装置，包括夹持装置、供料装置和性能测试装置；
所述夹持装置用于固定待测振动类钻井工具；
所述性能测试装置包括轴向载荷加载装置、振动位移传感器、测压接头、压力传感器、数据采集器和计算机；所述测压接头有两个，分别安装在待测振动类钻井工具的两端；所述测压接头上均安装有压力传感器；所述振动位移传感器安装在待测振动类钻井工具上；所述轴向载荷加载装置设置于待测振动类钻井工具一端，用于向待测振动类钻井工具内部施加轴向载荷；所述压力传感器、振动位移传感器分别与数据采集器连接；所述数据采集器将从所述压力传感器和振动位移传感器采集到的信息传输至计算机；
所述供料装置分别通过管线与安装在待测振动类钻井工具两端的测压接头连接，用于从一端向待测振动类钻井工具的内部输送钻井液和岩屑，并从另一端汇集输出混合液，形成回路。
所述轴向载荷加载装置包括连接在一起的液压站和液压活塞缸。
进一步，所述供料装置包括岩屑注入装置和钻井液注入装置；所述钻井液注入装置包括通过管线依次连接的固液分离装置、截止阀I、泥浆罐、截止阀II、泵、止回阀、截止阀III和流量计，从待测振动类钻井工具输出的混合液经所述固液分离装置进入泥浆罐；所述岩屑注入装置通过管道并入所述流量计与待测振动类钻井工具进料侧测压接头之间的管线；所述岩屑注入装置包括岩屑保存箱和用于把所述岩屑保存箱内的岩屑送入管线中的输入装置。优选，所述泵为柱塞泵或离心泵。
进一步，所述泥浆罐还连接有电动调节阀，用于精确输出泥浆罐内的钻井液。
进一步，所述夹持装置有两个，一个位置固定，一个位置可调，能在两端固定所述待测振动类钻井工具性能检测装置；同时，所述轴向载荷加载装置安装在夹持装置位置固定侧。
进一步，所述振动位移传感器为分体式结构。
一种如上所述振动类钻井工具性能检测装置用于检测振动类钻井工具性能的方法，包括如下步骤：
1)将待测振动类钻井工具性能检测装置安装在夹持装置上；
2)利用轴向载荷加载装置向待测振动类钻井工具内部施加轴向载荷F1；利用供料装置从待测振动类钻井工具一端向其内部输送钻井液和岩屑，在待测振动类钻井工具内混合，而后从另一端流出，回到所述供料装置中，循环使用；压力传感器实时采集待测振动类钻井工具两端的压力，并将采集到的数据传输到数据采集器；振动位移传感器实时采集待测振动类钻井工具的位移，并将采集到的数据传输到数据采集器；所述数据采集器将采集到的数据传输到计算机。
该振动类钻井工具性能检测装置能够模拟井下复杂环境下振动类钻井工具动态振动特性，分析结构参数、流体性能等因素对振动类钻井工具的影响，为振动类钻井工具的设计和现场应用提供理论依据和指导。
附图说明
图1为本发明提供的振动类钻井工具性能检测装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
如图1所示，一种振动类钻井工具性能检测装置，包括夹持装置13、供料装置10和性能测试装置；夹持装置13用于固定待测振动类钻井工具16；优选，夹持装置13有两个，一个位置固定，一个位置可调，能在两端固定待测振动类钻井工具16性能检测装置；试装置包括轴向载荷加载装置17、振动位移传感器15、测压接头11、压力传感器12、数据采集器25和计算机26；测压接头11有两个，分别安装在待测振动类钻井工具16的两端；测压接头11上均安装有压力传感器12；振动位移传感器15安装在待测振动类钻井工具16上(具体而言，振动位移传感器15为分体式结构，其用于检测待测振动类钻井工具16轴向位移的感应片14安装在待测振动类钻井工具16的进料端)；轴向载荷加载装置17安装在固定待测振动类钻井工具16的夹持装置位置固定侧，用于向待测振动类钻井工具16内部施加轴向载荷；压力传感器12、振动位移传感器15分别与数据采集器25连接；数据采集器25将从压力传感器12和振动位移传感器15采集到的信息传输至计算机26；供料装置10分别通过管线与安装在待测振动类钻井工具16两端的测压接头11连接，用于从一端向待测振动类钻井工具16的内部输送钻井液和岩屑，并从另一端汇集输出混合液，形成回路。
具体来说，轴向载荷加载装置17包括连接在一起的液压站23和液压活塞缸24。供料装置10包括岩屑注入装置27和钻井液注入装置20；钻井液注入装置20包括通过管线依次连接的固液分离装置21、截止阀I22、泥浆罐1、截止阀II2、泵3、止回阀5、截止阀III6和流量计7，从待测振动类钻井工具16输出的混合液经固液分离装置21进入泥浆罐1；岩屑注入装置27通过管道并入流量计7与待测振动类钻井工具16进料侧测压接头11之间的管线；岩屑注入装置27包括岩屑保存箱8和用于把岩屑保存箱8内的岩屑送入管线中的输入装置9。优选，泵3为柱塞泵或离心泵。
作为一个优选技术方案，泥浆罐1还连接有电动调节阀4，用于精确输出泥浆罐1内的钻井液。
利用该振动类钻井工具性能检测装置检测振动类钻井工具性能的方法，包括如下步骤：
1)将待测振动类钻井工具16性能检测装置安装在夹持装置13上；
2)利用轴向载荷加载装置17向待测振动类钻井工具16内部施加轴向载荷F1；利用供料装置10从待测振动类钻井工具16一端向其内部输送钻井液和岩屑，在待测振动类钻井工具16内混合，而后从另一端流出，回到供料装置10中，循环使用；压力传感器12实时采集待测振动类钻井工具16两端的压力，并将采集到的数据传输到数据采集器25；振动位移传感器15实时采集待测振动类钻井工具16的位移，并将采集到的数据传输到数据采集器25；数据采集器25将采集到的数据传输到计算机26。
测试时，先开启数据采集器25和计算机26，保证各传感器信号采集正常。开启液压站23，逐渐增加液压站输出压力，直至显示结果达到给定轴向载荷F1时保持该输出压力不变。开启泵3，逐渐增加流量，经流量计7测试显示结果达到给定流量Q1保持该流量不变。开启固相输入装置9，逐渐增加固相含量C1，直到达到所给定的固相含量值保持不变。此时，保持F1、Q1、C1不变，使待测振动类钻井工具进入正常模拟工作状态。
经过前端压力传感器11检测压力P1，经末端传感器11检测压力P2，二者的差值P1-P2即为被测试振动类钻井工具在该工况下的压耗。
经位振动位移传感器15记录试验过程中的位移x，其最大值与最小值的差值即为被测试振动类钻井工具在该工况下的振幅。
振动类钻井工具测试环境为轴向载荷F1、流量Q1、固相含量C1二者皆可调整。

Claims (8)

1.一种振动类钻井工具性能检测装置，包括夹持装置(13)、供料装置(10)和性能测试装置；其特征在于：
所述夹持装置(13)用于固定待测振动类钻井工具(16)；
所述性能测试装置包括轴向载荷加载装置(17)、振动位移传感器(15)、测压接头(11)、压力传感器(12)、数据采集器(25)和计算机(26)；所述测压接头(11)有两个，分别安装在待测振动类钻井工具(16)的两端；所述测压接头(11)上均安装有压力传感器(12)；所述振动位移传感器(15)安装在待测振动类钻井工具(16)上；所述轴向载荷加载装置(17)设置于待测振动类钻井工具(16)一端，用于向待测振动类钻井工具(16)内部施加轴向载荷；所述压力传感器(12)、振动位移传感器(15)分别与数据采集器(25)连接；所述数据采集器(25)将从所述压力传感器(12)和振动位移传感器(15)采集到的信息传输至计算机(26)；
所述供料装置(10)分别通过管线与安装在待测振动类钻井工具(16)两端的测压接头(11)连接，用于从一端向待测振动类钻井工具(16)的内部输送钻井液和岩屑，并从另一端汇集输出混合液，形成回路。
2.如权利要求1所述振动类钻井工具性能检测装置，其特征在于：所述轴向载荷加载装置(17)包括连接在一起的液压站(23)和液压活塞缸(24)。
3.如权利要求1所述振动类钻井工具性能检测装置，其特征在于：所述供料装置(10)包括岩屑注入装置(27)和钻井液注入装置(20)；所述钻井液注入装置(20)包括通过管线依次连接的固液分离装置(21)、截止阀I(22)、泥浆罐(1)、截止阀II(2)、泵(3)、止回阀(5)、截止阀III(6)和流量计(7)，从待测振动类钻井工具(16)输出的混合液经所述固液分离装置(21)进入泥浆罐(1)；所述岩屑注入装置(27)通过管道并入所述流量计(7)与待测振动类钻井工具(16)进料侧测压接头(11)之间的管线；所述岩屑注入装置(27)包括岩屑保存箱(8)和用于把所述岩屑保存箱(8)内的岩屑送入管线中的输入装置(9)。
4.如权利要求3所述振动类钻井工具性能检测装置，其特征在于：所述泵(3)为柱塞泵或离心泵。
5.如权利要求3所述振动类钻井工具性能检测装置，其特征在于：所述泥浆罐(1)还连接有电动调节阀(4)，用于精确输出泥浆罐(1)内的钻井液。
6.如权利要求1所述振动类钻井工具性能检测装置，其特征在于：所述夹持装置(13)有两个，一个位置固定，一个位置可调，能在两端固定所述待测振动类钻井工具(16)性能检测装置；同时，所述轴向载荷加载装置(17)安装在夹持装置位置固定侧。
7.如权利要求1所述振动类钻井工具性能检测装置，其特征在于：所述振动位移传感器(15)为分体式结构。
8.利用如权利要求1所述振动类钻井工具性能检测装置用于检测振动类钻井工具性能的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将待测振动类钻井工具(16)性能检测装置安装在夹持装置(13)上；
2)利用轴向载荷加载装置(17)向待测振动类钻井工具(16)内部施加轴向载荷F1；利用供料装置(10)从待测振动类钻井工具(16)一端向其内部输送钻井液和岩屑，在待测振动类钻井工具(16)内混合，而后从另一端流出，回到所述供料装置(10)中，循环使用；压力传感器(12)实时采集待测振动类钻井工具(16)两端的压力，并将采集到的数据传输到数据采集器(25)；振动位移传感器(15)实时采集待测振动类钻井工具(16)的位移，并将采集到的数据传输到数据采集器(25)；所述数据采集器(25)将采集到的数据传输到计算机(26)。
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