CN109655246A - 一种钻井用pdc钻头自调节装置工作性能测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法，通过测试平台复位、安装被测装置、选取钻井地层类型、数据检索、进行温度设置、进行速度设置、在测试过程中，平行光源发射器始终发射平行光；光敏接收器采集每一时刻平行光线的宽度与其对应时刻，并将数据由数据接口传到计算机、计算机处理数据显示测试结果，完成性能测试，以上八个步骤完成，该方法操作简便，检测效果准确，可以实时输出测试数据曲线，数据文件格式可以按要求输出保存，有利于数据的后续处理应用。

Description

一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法
技术领域
本发明属于石油钻井领域，涉及一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法。
背景技术
PDC钻头也是聚晶金刚石复合片钻头的简称，是地质钻探行业常用的一种钻井工具。石油勘探用复合片钻头，主要是应用在油气田的钻采用钻头。目前来说，油田用复合片钻头是所有复合片钻头里面造价最高，要求最高的。
黏/滑一直是钻井行业面临的主要挑战。黏/滑造成的动态不稳定性不仅会引起钻头过早损坏，而且还会导致BHA组件损坏和扭断。切削深度(depth of cut，以下简称DOC)控制技术是钻头设计技术进步的一个重要里程碑，该技术减缓了黏/滑振动，极大地拓宽了PDC 钻头的应用范围。
自适应钻头是针对钻头引起的黏滑问题提出的一种创新技术，能随着钻进环境变化自动调整钻头切削深度，通过切削深度控制装置抵消部分冲击，避免钻齿过度咬入地层，从而提高钻进效率，降低钻井成本。PDC钻头的自调节装置通过被动式液压机械反馈机构实现。从图2可以看出，该装置包括一个内置液压油的活塞式液压缸，不含任何电子元件，可靠性强。固定在钻头体的内部，可更换，易于在刀翼中安装和拆卸。金刚石垫片安装在活塞杆上，从钻头表面延伸出来，通过速率敏感收缩和快速伸张行程对外部载荷做出反应。
自调节装置对自适应PDC钻头的正常工作性能影响至关重要，因此需要反复测试才能获得最佳结构数据。对自调节装置的测试方法，主要有实验室测试和油田试验井测试，由于实验条件及成本限制，通常只能测试在某一种地层钻进时的性能，所得的数据缺乏通用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
为解决上述现有技术问题，本发明提供一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法，其特征在于，测试方法步骤如下：
步骤1，测试平台复位：将测试平台各结构功能部件复位，对计算机及软件进行初始化设置；
步骤2，安装被测装置：打开保温罩，将被测装置固定在夹持手爪上，并将紧固螺钉拧紧，最后将保温罩关闭；
步骤3，选取钻井地层类型：根据测试需求，在计算机控制系统中选取所需测试的钻井地层类型；
步骤4，数据检索：计算机控制系统根据所需的钻井地层类型，在数据库中进行检索，如果检索到相应地层的模型数据，则调用该数据；如果用于测试的是未知地层，数据库中没有相关参数数据的，控制系统可以根据实际需要自主预设环境参数并生成相关数据；
步骤5，进行温度设置：温度控制装置由温控传感器和电加热器组成，根据控制系统设定的温度控制信号将自调节装置加热到设定工作温度，并随地层深度增加而继续加热并实时控温，温度控制范围为常温～200℃；
步骤6，进行速度设置：调速液压缸按照控制系统设定的速度变化信号带动自调节DOC装置运动；
加载液压缸按照控制系统设定的速度变化信号输出载荷和运动；
调速液压缸、自调节装置和加载液压缸三者在控制系统指令下相互配合运动，模拟钻井过程中变化的负载，各部件自带传感器，采用负载反馈的闭环控制，用于模拟稳定钻进、粘滞、突然打滑过程中负载的突变；负载加载变化范围为0～100kN，输出速度范围为0～10m/s；
步骤7，在测试过程中，平行光源发射器始终发射平行光。光敏接收器采集每一时刻平行光线的宽度与其对应时刻，并将数据由数据接口传到计算机；
步骤8：计算机处理数据，通过平行光线的宽度与其对应时刻以及指令位置等信息计算得到工作位移、最大速度、响应时间参数指标，按要求绘制相关数据曲线、图表等，并在显示器上实时显示。同时可以按要求格式将数据文件输出保存，用于数据的后续处理应用；显示测试结果，完成性能测试。
作为优选，所述被测装置是指PDC钻头自调节装置。
作为优选，步骤1所述测试平台结构包括测试平台安装支架，安装支架上从左到右依次水平安装设置加载液压缸、被测装置、夹持手爪和调速液压缸，被测装置右侧末端与夹持手爪通过紧固螺钉固定连接，被测装置通过夹持手爪与调速液压缸的活塞杆进行固定连接，连接后被测装置可以同调速液压缸的活塞杆一起运动，被测装置的左侧端部与加载液压缸的活塞杆右侧端部相吻合接触设置，其中加载液压缸与比例溢流阀连接，调速液压缸与比例调速阀连接，工业控制计算机通过PLC控制器与比例溢流阀和比例调速阀相连接，比例溢流阀控制加载液压缸，比例调速阀控制调速液压缸。
进一步所述夹持手爪上通过连接件固定安装有平行光源发射器和光敏接收器，平行光源发射器和光敏接收器分别位于被测装置的两侧。
进一步所述平台安装支架中间位置横向设置有可开闭的圆柱筒形保温罩，被测装置、夹持手爪、平行光源发射器及光敏接收器设置在保温罩密闭空间内部，保温罩内上部安装设置有电加热器和温度传感器。
进一步所述电加热器、温控传感器、平行光源发射器和光敏接收器分别与工业控制计算机相连接。
作为优选，步骤4中所述的数据包括：钻井地层所对应的环境温度、钻井载荷和钻进速度等，这些数据都是随地层深度变化而实时变化的，是动态变量，由控制系统实时控制；
自主预设环境参数的方法包括：直接输入已知相关参数数据、为各变量调用各种数学函数曲线和为各变量手动输入变化图形曲线。
作为优选，所述工业控制计算机通过PLC与比例溢流阀和比例调速阀相连接，比例溢流阀控制加载液压缸，比例调速阀控制调速液压缸；
加载液压缸和调速液压缸上分别装有感应磁环，感应磁环与计算机相连接；电加热器、温控传感器、平行光源发射器和光敏接收器分别与计算机相连接。
作为优选，所述工业控制计算机中安装有西门子SIMATIC WinCC 软件，用于过程监测控制。计算机及软件能够按照要求模拟变化的负载和速度输入信号，为提高控制精度，加闭环反馈控制，并能用各种现代智能控制策略对系统实现控制，如PID模糊控制、自适应控制、神经网络等。控制系统能够采集各传感器的数据并设置可视化界面，输出负载变化规律。其输入控制信号可以根据操作用户要求自行设置进行输出跟踪控制，包括直接输入已知相关参数数据、为各变量调用各种数学函数曲线和为各变量手动输入变化图形曲线等。
作为优选，比例溢流阀控制输入压力，加载液压缸两腔装压力传感器(感应磁环)，采用负载反馈的闭环控制，两位两通阀用于模拟突然打滑负载的突变，也可以用于系统的卸荷。
带压力补偿的比例调速阀控制调速液压缸，调速液压缸上配有加速度传感器，采用闭环反馈控制。
本发明的有益效果是：
1)该方法操作简便，检测效果准确。
2)该方法能够模拟测试多种复杂钻井环境，数据丰富，也可以根据实际需要自主预设环境参数进行测试，主要用于探测的未知地层进行模拟测试。
3)该方法可以实时输出测试数据曲线，数据文件格式可以按要求输出保存，有利于数据的后续处理应用。
附图说明
图1为本发明测试方法流程示意图。
图2为本发明被测装置结构示意图；
图3为本发明测试平台结构连接关系示意图；
图4为本发明加载液压缸与调速液压缸的液压原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图，本发明实施例中，一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法，其特征在于，测试方法步骤如下：
步骤1，测试平台复位：将测试平台各结构功能部件复位，对计算机及软件进行初始化设置；
步骤2，安装被测装置：打开保温罩，将被测装置固定在夹持手爪上，并将紧固螺钉拧紧，最后将保温罩关闭；
步骤3，选取钻井地层类型：根据测试需求，在计算机控制系统中选取所需测试的钻井地层类型；
步骤4，数据检索：计算机控制系统根据所需的钻井地层类型，在数据库中进行检索，如果检索到相应地层的模型数据，则调用该数据；如果用于测试的是未知地层，数据库中没有相关参数数据的，控制系统可以根据实际需要自主预设环境参数并生成相关数据；
步骤5，进行温度设置：温度控制装置由温控传感器和电加热器组成，根据控制系统设定的温度控制信号将自调节装置加热到设定工作温度，并随地层深度增加而继续加热并实时控温，温度控制范围为常温～200℃；
步骤6，进行速度设置：调速液压缸按照控制系统设定的速度变化信号带动自调节DOC装置运动；
加载液压缸按照控制系统设定的速度变化信号输出载荷和运动；
调速液压缸、自调节装置和加载液压缸三者在控制系统指令下相互配合运动，模拟钻井过程中变化的负载，各部件自带传感器，采用负载反馈的闭环控制，用于模拟稳定钻进、粘滞、突然打滑过程中负载的突变；负载加载变化范围为0～100kN，输出速度范围为0～10m/s；
步骤7，在测试过程中，平行光源发射器始终发射平行光。光敏接收器采集每一时刻平行光线的宽度与其对应时刻，并将数据由数据接口传到计算机；
步骤8：计算机处理数据，通过平行光线的宽度与其对应时刻以及指令位置等信息计算得到工作位移、最大速度、响应时间参数指标，按要求绘制相关数据曲线、图表等，并在显示器上实时显示；同时可以按要求格式将数据文件输出保存，用于数据的后续处理应用；显示测试结果，完成性能测试。
作为优选，所述被测装置是指PDC钻头自调节装置。
作为优选，如图3所示，步骤1所述结构包括测试平台安装支架，安装支架上从左到右依次水平安装设置加载液压缸(1)、被测装置(2)、夹持手爪(3)和调速液压缸(4)，被测装置(2)右侧末端与夹持手爪(3)通过紧固螺钉(5)固定连接，被测装置(2)通过夹持手爪 (3)与调速液压缸(4)的活塞杆进行固定连接，连接后被测装置(2) 可以同调速液压缸(4)的活塞杆一起运动，被测装置(2)的左侧端部与加载液压缸(1)的活塞杆右侧端部相吻合接触设置，其中加载液压缸(1)与比例溢流阀(6)连接，调速液压缸(4)与比例调速阀(7)连接，工业控制计算机(8)通过PLC控制器(9)与比例溢流阀(6)和比例调速阀(7)相连接，比例溢流阀(6)控制加载液压缸(1)，比例调速阀(7)控制调速液压缸(4)。
具体实施过程中，所述夹持手爪(3)上通过连接件固定安装有平行光源发射器(10)和光敏接收器(11)，平行光源发射器(10) 和光敏接收器(11)分别位于被测装置(2)的两侧。
具体实施过程中，所述平台安装支架中间位置横向设置有可开闭的圆柱筒形保温罩(12)，被测装置(2)、夹持手爪(3)、平行光源发射器(10)及光敏接收器(11)设置在保温罩(12)密闭空间内部，保温罩(12)内上部安装设置有电加热器(13)和温度传感器(14)。
具体实施过程中，所述电加热器(13)、温控传感器(14)、平行光源发射器(10)和光敏接收器(11)分别与工业控制计算机(8) 相连接。
具体实施过程中，如图2所示所述被测装置(2)为PDC钻头自调节装置，结构由金刚石垫片(21)、活塞(22)、流量控制阀(23)、工作腔(24)、弹簧(25)、补油腔(26)等构成。
具体实施过程中，步骤4中所述的数据包括：钻井地层所对应的环境温度、钻井载荷和钻进速度等，这些数据都是随地层深度变化而实时变化的，是动态变量，由控制系统实时控制；
自主预设环境参数的方法包括：直接输入已知相关参数数据、为各变量调用各种数学函数曲线和为各变量手动输入变化图形曲线。
作为优选，所述工业控制计算机通过PLC与比例溢流阀和比例调速阀相连接，比例溢流阀控制加载液压缸，比例调速阀控制调速液压缸；
加载液压缸和调速液压缸上分别装有感应磁环，感应磁环与计算机相连接；电加热器、温控传感器、平行光源发射器和光敏接收器分别与计算机相连接。
具体实施过程中，所述工业控制计算机中安装有西门子 SIMATIC WinCC软件，用于过程监测控制。计算机及软件能够按照要求模拟变化的负载和速度输入信号，为提高控制精度，加闭环反馈控制，并能用各种现代智能控制策略对系统实现控制，如PID模糊控制、自适应控制、神经网络等。控制系统能够采集各传感器的数据并设置可视化界面，输出负载变化规律。其输入控制信号可以根据操作用户要求自行设置进行输出跟踪控制，包括直接输入已知相关参数数据、为各变量调用各种数学函数曲线和为各变量手动输入变化图形曲线等。
具体实施过程中，如图4所示，比例溢流阀控制输入压力，加载液压缸两腔装压力传感器(感应磁环)，采用负载反馈的闭环控制，两位两通阀用于模拟突然打滑负载的突变，也可以用于系统的卸荷。
带压力补偿的比例调速阀控制调速液压缸，调速液压缸上配有加速度传感器，采用闭环反馈控制。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法，其特征在于，测试方法步骤如下：
步骤1，测试平台复位：将测试平台各结构功能部件复位，对计算机及软件进行初始化设置；
步骤2，安装被测装置：打开保温罩，将被测装置固定在夹持手爪上，并将紧固螺钉拧紧，最后将保温罩关闭；
步骤3，选取钻井地层类型：根据测试需求，在计算机控制系统中选取所需测试的钻井地层类型；
步骤4，数据检索：计算机控制系统根据所需的钻井地层类型，在数据库中进行检索，如果检索到相应地层的模型数据，则调用该数据；如果用于测试的是未知地层，数据库中没有相关参数数据的，控制系统可以根据实际需要自主预设环境参数并生成相关数据；
步骤5，进行温度设置：温度控制装置由温控传感器和电加热器组成，根据控制系统设定的温度控制信号将自调节装置加热到设定工作温度，并随地层深度增加而继续加热并实时控温，温度控制范围为常温～200℃；
步骤6，进行速度设置：调速液压缸按照控制系统设定的速度变化信号带动自调节DOC装置运动；
加载液压缸按照控制系统设定的速度变化信号输出载荷和运动；
调速液压缸、自调节装置和加载液压缸三者在控制系统指令下相互配合运动，模拟钻井过程中变化的负载，各部件自带传感器，采用负载反馈的闭环控制，用于模拟稳定钻进、粘滞、突然打滑过程中负载的突变；负载加载变化范围为0～100kN，输出速度范围为0～10m/s；
步骤7，在测试过程中，平行光源发射器始终发射平行光；光敏接收器采集每一时刻平行光线的宽度与其对应时刻，并将数据由数据接口传到计算机；
步骤8：计算机处理数据，通过平行光线的宽度与其对应时刻以及指令位置等信息计算得到工作位移、最大速度、响应时间参数指标，按要求绘制相关数据曲线、图表等，并在显示器上实时显示；同时可以按要求格式将数据文件输出保存，用于数据的后续处理应用；显示测试结果，完成性能测试。
2.根据权利要求1所述的一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法，其特征在于，被测装置是指PDC钻头自调节装置。
3.根据权利要求1所述的一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法，其特征在于，测试平台结构包括测试平台安装支架，安装支架上从左到右依次水平安装设置加载液压缸、被测装置、夹持手爪和调速液压缸，被测装置右侧末端与夹持手爪通过紧固螺钉固定连接，被测装置通过夹持手爪与调速液压缸的活塞杆进行固定连接，连接后被测装置可以同调速液压缸的活塞杆一起运动，被测装置的左侧端部与加载液压缸的活塞杆右侧端部相吻合接触设置，其中加载液压缸与比例溢流阀连接，调速液压缸与比例调速阀连接，工业控制计算机通过PLC控制器与比例溢流阀和比例调速阀相连接，比例溢流阀控制加载液压缸，比例调速阀控制调速液压缸；
夹持手爪上通过连接件固定安装有平行光源发射器和光敏接收器，平行光源发射器和光敏接收器分别位于被测装置的两侧；
平台安装支架中间位置横向设置有可开闭的圆柱筒形保温罩，被测装置、夹持手爪、平行光源发射器及光敏接收器设置在保温罩密闭空间内部，保温罩内上部安装设置有电加热器和温度传感器；
电加热器、温控传感器、平行光源发射器和光敏接收器分别与工业控制计算机相连接。
4.根据权利要求1所述的一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法，其特征在于，步骤4中所述的数据包括：钻井地层所对应的环境温度、钻井载荷和钻进速度等，这些数据都是随地层深度变化而实时变化的，是动态变量，由控制系统实时控制；
自主预设环境参数的方法包括：直接输入已知相关参数数据、为各变量调用各种数学函数曲线和为各变量手动输入变化图形曲线。
5.根据权利要求1所述的一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法，其特征在于，工业控制计算机通过PLC与比例溢流阀和比例调速阀相连接，比例溢流阀控制加载液压缸，比例调速阀控制调速液压缸；
加载液压缸和调速液压缸上分别装有感应磁环，感应磁环与计算机相连接；电加热器、温控传感器、平行光源发射器和光敏接收器分别与计算机相连接。
6.根据权利要求1所述的一种钻井用PDC钻头自调节装置工作性能测试方法，其特征在于，工业控制计算机中安装有西门子SIMATIC WinCC软件，用于过程监测控制；计算机及软件能够按照要求模拟变化的负载和速度输入信号，为提高控制精度，加闭环反馈控制，并能用各种现代智能控制策略对系统实现控制，如PID模糊控制、自适应控制、神经网络；控制系统能够采集各传感器的数据并设置可视化界面，输出负载变化规律；其输入控制信号可以根据操作用户要求自行设置进行输出跟踪控制，包括直接输入已知相关参数数据、为各变量调用各种数学函数曲线和为各变量手动输入变化图形曲线。
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