CN110579236A - 用于辅助钻井工具的参数的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于辅助钻井工具的参数的测试装置，包括：圆柱形的外套，固定连接在所述外套一端的传感器安装件，在所述传感器安装件中安装有传感器；同心布置在所述外套内的中空的传动轴，设置在所述传动轴一端的阀盘机构，以及形成于所述外套和所述传动轴之间的钻井液分流机构。该测试装置其能够测量工具内压力的大小和变化频率，从而测得工具产生的冲击力的大小和频率。本发明还提供了一种用于辅助钻井工具的参数的测试方法，其通过上述测试装置进行测试。

Description

用于辅助钻井工具的参数的测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于石油工业机械技术领域，具体地涉及一种用于辅助钻井工具的参数的测试装置。本发明还涉及一种用于辅助钻井工具的参数的测试方法。

背景技术

随着石油钻井技术的不断发展，为了满足钻井工程中的需求出现了许多不同功能的钻井工具。随着科技的飞速发展，现有技术中的钻井工具的性能得到了很大的提高。

然而，在一些特殊工况下，仍然存在一些问题。例如，在软硬交错地层或硬地层中施工时，由于这种地层的岩性变化大或强度大，地层软硬交错，在钻井过程中易诱发井下钻具振动，从而导致钻头长时间处于动态不稳定的工作状态。钻头工作状态的不稳定会造成井下钻柱处于轴向振动、横向振动和周向振动的耦合状态，钻头振动不仅会降低钻头的破岩效率，还会造成钻头牙齿或切削齿的先期损坏、钻具疲劳破坏，进而导致机械钻速慢、钻头进尺少、钻头寿命短、钻具先期失效和井下落物等一系列影响钻井周期和钻井费用的问题。

为此，在钻井过程中使用增压减震稳扭旋冲钻井提速工具，能够起到减小井下轴向振动对钻头的冲击的作用，同时，能够给钻头施加设计钻压，从而给钻头提供一种高频变化的具有轴向周向的复合方向的冲击力。将超出设定转矩时的旋转运动转化为直线运动，防止钻头钻柱失速，解决了钻头在硬地层、夹层的憋跳钻、粘滑、“失速”、机械钻速慢等问题。

增压减震稳扭旋冲钻井提速工具中的冲击能量发生机构是利用多组涡轮产生连续的大扭矩转动动力，通过动静阀盘间过流面积的变化而产生周期性的节流压差，从而产生轴向冲击力。动静阀盘最大过流面积与最小过流面积之差决定了节流压差的大小，节流压差的大小决定了轴向冲击力的大小。涡轮定子旋转的频率决定了动阀盘旋转的频率，动阀盘旋转的频率决定了节流压差变化的频率，进而决定了轴向冲击力的频率。冲击力的大小和频率是增压减震稳扭旋冲钻井提速工具的重要参数，影响工具的地层适应性和钻井提速的效果。在实际应用中，会遇到多种不同工况。在这一过程中，钻井工具中的零件由于长期经受钻井液的冲刷，尺寸会变化，进而导致工具参数变化，从而严重影响钻具的效率。

然而，在现有技术中，并没有现成的增压减震稳扭旋冲钻井提速工具冲击力的参数测试装置及其测试方法。

发明内容

根据至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提供一种用于辅助钻井工具的参数的测试装置，该测试装置能够模拟辅助钻井工具中的能量发生器的压强变化，并能够测量工具内压力的大小和变化频率。同时，其能够长时间连续运行，从而对辅助钻井工具中的能量发生器进行寿命测试。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于辅助钻井工具的参数的测试装置，包括：圆柱形的外套，固定连接在所述外套一端的传感器安装件，在所述传感器安装件中安装有压力传感器；同心布置在所述外套内的中空的传动轴，设置在所述传动轴一端的阀盘机构，其中，所述阀盘机构包括定阀盘和动阀盘，所述动阀盘设置成能由所述传动轴驱动旋转，从而使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化；形成于所述外套和所述传动轴之间的钻井液分流机构，其包括密封式安装在所述外套内壁上的活塞头、安装在所述活塞头内部的分流件、设置在所述外套内的传力套筒，以及设置在所述活塞头的下游并处于所述传力套筒内的至少一个涡轮节，其中，所述分流件构造成允许一部分钻井液直接流入所述传动轴的内部通道而另一部分钻井液经所述涡轮节流入所述内部通道，所述传力套筒的两端分别与所述活塞头和定阀盘固定连接，所述涡轮节构造成能够在钻井液的作用下带动所述传动轴旋转。

在一个优选的实施例中，所述传感器安装件的上端内表面和下端外表面均设有螺纹，所述传感器安装件通过螺纹与所述外套形成密封连接，且所述传感器安装件的上端通过螺纹密封连接有管线接头。

在一个优选的实施例中，所述传感器安装件设有通孔，其用于连接安装所述传感器。

在一个优选的实施例中，所述分流件固定在所述传动轴的上游端，且在所述传动轴内邻近所述分流件处安装有汇聚喷嘴，所述分流件构造成一端设有径向凸缘的套筒件，在所述套筒件的周向壁上设有若干缝隙，从而允许一部分钻井液流入所述涡轮节。

在一个优选的实施例中，所述涡轮节包括定子和转子，所述转子构造成能在钻井液的作用下转动，从而带动所述传动轴旋转。

在一个优选的实施例中，在所述传力套筒内的所述涡轮节的下游处设有调整环，在所述传动轴的对应于所述调整环的区域内设有通槽，用于将流经所述涡轮节的钻井液引导到所述传动轴的内部通道。

在一个优选的实施例中，所述动阀盘通过涡轮座与所述传动轴固定在一起，并通过滚子轴承安装在所述定阀盘上。

在一个优选的实施例中，在所述动阀盘和定阀盘内分别固定安装有动阀盘偏心套和定阀盘偏心套，且在所述动阀盘和所述定阀盘上分别设有偏心通孔。

根据本发明的另一方面，提供了用于辅助钻井工具的参数的测试方法，包括步骤：

将如上所述的测试装置连接到液压管线中，并通过控制系统调节液压管线的排量，

通过所述压力传感器测量并记录所述测试装置中的压力值，

进行信号处理，测得压力的变化周期频率。

在一个优选的实施例中，通过改变所述分流件、汇聚喷嘴、动阀盘、静阀盘中的一个或多个的尺寸，或改变所述涡轮节的数量，从而测试不同情况下的辅助钻井工具的参数。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的用于辅助钻井工具的参数的测试装置的结构。

图2和3分段式地显示了图1所示测试装置的结构。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

以下通过附图来对本发明进行介绍。

在本申请中，需说明的是，将用于辅助钻井工具的参数的测试装置100安装到钻井工具上且下入井底时，靠近井口的一端定义为上端或相似用语，而将远离井口的一端定义为下端或相似用语。此外，还需说明的是，本申请中的用语“辅助钻井工具”为用于辅助井下钻具以增强钻具工作性能的工具。该辅助钻井工具可以为增压减震稳扭旋冲钻井提速工具，例如可参见同一申请人于2018年4月27日提交的发明名称为“一种井下辅助钻井工具”的中国专利申请201810392282.2，该申请通过引用全文结合到本文中。

图1显示了根据本发明的用于辅助钻井工具的参数的测试装置100的结构。如图1所示，测试装置100包括构造为圆柱形的外套17。外套17的两端均设有连接扣，在一个实施例中，在外套17的两端的内壁上设有螺纹，从而形成螺纹连接扣。在外套17的两端分别通过螺纹连接扣固定连接有管线接头1，测试装置100通过两端的管线接头1与液压管线连接，其安装操作简单快捷。

根据本发明，在外套17的上游端固定连接有传感器安装件3，传感器安装件3连接在外套17与管线接头1之间，其用于安装传感器，例如压力传感器。传感器安装件3构造成圆筒状，且两端可以设置成台阶状连接扣。在传感器安装件3的上端内表面加工有螺纹，且在传感器安装件3的下端外表面加工有螺纹，从而在传感器安装件3的上端和下端分别形成内螺纹连接扣和外螺纹连接扣。传感器安装件3通过外螺纹连接扣与外套17上端的螺纹连接扣配合安装而形成固定连接。此外，在传感器安装件3的侧壁上设有螺纹通孔31，其用于连接压力传感器，以实时检测测试装置100中的压力。

在本实施例中，传感器安装件3与外套17及管线接头1之间均形成密封连接。例如，在管线接头1的配合安装面上加工有第一密封槽，在第一密封槽中安装有密封件2，例如为O形密封圈，从而使外套17两端的管线接头1分别与传感器连接件3及外套17之间形成密封。同时，在传感器连接件3的与外套17上游端连接的配合安装面上设有第二密封槽，在第二密封槽中也安装有O形密封圈，从而在传感器连接件3与外套17之间形成密封。由此，有效保证了测试装置100内部的密封，保证了测试装置100的测量精度。

如图2和3所示，在外套17的内部设有传动轴14，传动轴14与外套17同心布置。传动轴14的中心设有用于过流钻井液的内部通道52，内部通道52沿轴线方向延伸。在外套17和传动轴14之间设有钻井液分流机构70。钻井液分流机构70包括活塞头5，活塞头5密封式安装在外套17的内壁上。活塞头5设置在传动轴14的上游，且活塞头5的上端与传感器安装件3的下端相抵接。在活塞头5与外套17之间安装有密封件4，例如为格莱圈，以对活塞头5与外套17的内壁之间进行密封。

根据本发明，在活塞头5内安装有分流件6。分流件6构造成一端设有径向凸缘的套筒件。在套筒件的周向壁上设有若干缝隙，若干缝隙沿套筒件的周向均匀分布。分流件6固定安装到传动轴14的上游端。在一个实施例中，分流件6的下端内表面加工有螺纹，分流件6通过螺纹连接固定在传动轴14的上游端。在传动轴14的邻近分流件6的上游端还安装有汇聚喷嘴8。由此，来自上部钻具的钻井液经过分流件6时，一部分钻井液(下面称为第一钻井液)直接通过汇聚喷嘴8流入传动轴14的内部通道52，另一部分钻井液(下面称为第二钻井液)通过分流件6的侧壁上的缝隙进入传动轴14与传力套筒15的之间的环空空间，从而实现了钻井液的分流。同时，分流件6上的缝隙还可以用于过滤循环液体中的固体颗粒，以防止固体颗粒进入涡轮。第二钻井液的流动将在下文中详细介绍。

在本实施例中，在汇聚喷嘴8的外表面上加工有外螺纹，由此，汇聚喷嘴8通过螺纹连接固定到传动轴14上。为了保证汇聚喷嘴8与传动轴14之间的密封性能，在一个实施例中。在传动轴14的与汇聚喷嘴8接触的内表面上设有密封槽，在密封槽中安装有O形密封圈，从而实现汇聚喷嘴8与传动轴14之间的密封。汇聚喷嘴8可采用耐冲蚀材料制成。在一个优选的实施例中，汇聚喷嘴8采用硬质合金制成。这样不仅能够有效保证汇聚喷嘴8与传动轴14之间的密封性能，增强其汇聚钻井液的效果，还能够保证汇聚喷嘴具有一定的硬度，从而提高汇聚喷嘴8的使用寿命，保证汇聚喷嘴8的内径不被液体冲蚀变大，影响测试结果。

如图2所示，钻井液分流机构70还包括安装在外套17的内壁上的传力套筒15。传力套筒15构造成圆筒状。传力套筒15的上游端与活塞头5固定连接。在一个实施例中，在传力套筒15的两端的内侧表面均设有螺纹，传力套筒15的上游端与活塞头5通过螺纹连接，并通过固定件7进行进一步固定，紧固件7可为紧定螺钉。这样，能够有效保证传力套筒15与活塞头5之间的稳定性，减少钻具的震动。传力套筒15的下游端与下文将要详细介绍的阀盘机构60连接。

如图2所示，在活塞头5的下端设有若干涡轮节11，涡轮节11安装在传动轴14上，且处于传力套筒15的内部。每个涡轮节11均包括定子和转子，其中，定子与传力套筒15的内壁紧密接触，而转子安装到传动轴14上。转子构造成能在钻井液(即第二钻井液)的作用下转动，通过转子与传动轴14之间的摩擦力而带动传动轴14旋转。在若干涡轮节11的上、下两端可均安装有滚动轴承10，用于起到径向支撑扶正的作用。安装在若干涡轮节11上端的滚动轴承的上端面可与活塞头5的下端面相抵接，以实现轴向上的定位。若干涡轮节11通过两端滚动轴承10挤紧，并通过调整环16调节涡轮节11的轴向位置。在本实施例中，调整环16的长度可以通过实际配合尺寸调节，以避免加工误差。其定子之间相互挤紧，且转子之间也相互挤紧。由此，当由分流件6流入传动轴14与传力套筒15之间的环空空间的第二钻井液流过涡轮节11而带动转子旋转，转子进而通过涡轮节11与传动轴14之间的摩擦力带动传动轴14旋转，从而实现传动轴14的转动。

如图3所示，调整环16安装在涡轮节11的下端的滚动轴承的下游端，用于调节涡轮节11的轴向位置，保证其能够有效带动传动轴14转动。调整环16处于传力套筒15内。在调整环16与传动轴14之间安装有支撑套18，以用于保证调整环16和传动轴14之间的径向空间。此外，在传动轴14的对应于调整环16的区域内设有通槽51，用于将流经涡轮节11的第二钻井液引导到传动轴14的内部通道52内。这样，在操作期间，被分流的第二钻井液能够不断地流经涡轮节11，从而保证涡轮节11的持续旋转。

根据本发明，在传动轴14的下端还可安装有涡轮座21。在一个实施例中，涡轮座21通过螺纹连接固定安装到传动轴14上，其能够随传动轴14转动。在调整环16与涡轮座21之间安装有若干止推轴承19。止推轴承19套接安装在传动轴14上，处于传动轴14与传力套筒15之间，用于承担轴向载荷。在本实施例中，在涡轮座21与外套17之间设有定位环20。

如图3所示，钻井液分流机构70还包括安装在传动轴14上的阀盘机构60。阀盘机构60设置在传动轴14的下游端，且处于传力套筒15内。阀盘机构60包括安装在外套17、传力套筒15的内壁上的定阀盘25、动阀盘23。定阀盘25与传力套筒15固定连接，并且保持静止。在一个实施例中，定阀盘25通过螺纹与传力套筒15相连接，并在定阀盘25与传力套筒15之间设有紧定螺钉进行进一步固定。为了保证定阀盘25与传力套筒15之间的密封性，在一个实施例中，在定阀盘25的下端外表面上设有密封槽，在密封槽中安装有密封件(例如格莱圈)以进行密封。在定阀盘25的内侧还可安装有定阀盘偏心套26，在定阀盘25的内表面加工有螺纹，定阀盘25与定阀盘偏心套26之间通过螺纹形成固定连接。

在本实施例中，在定阀盘25的上端通过滚子轴承24安装有动阀盘23。动阀盘23与涡轮座21固定连接，从而与传动轴14形成固定连接。在一个实施例中，动阀盘23与涡轮座21通过螺纹连接固定在一起。在动阀盘23的内表面也可安装有动阀盘偏心套22，在动阀盘偏心套22的上端外表面和下端内表面均加工有螺纹。动阀盘23与涡轮座21和动阀盘偏心套22之间均通过螺纹配合安装而形成固定连接。

根据本发明，定阀盘25和动阀盘23分别设有第一偏心通孔(未示出)和第二偏心通孔(未示出)。第一偏心通孔和第二偏心通孔的内径及偏心尺寸均根据实际计算设置，且第一偏心通孔和第二偏心通孔形成偏心关系。由于定阀盘25固定不旋转而动阀盘23会在传动轴14的带动下旋转，且定阀盘25与定阀盘偏心套26及动阀盘23与动阀盘偏心套22之间均是固定连接的关系。因此，随着动阀盘23的转动，阀盘机构60的过流面积呈周期性变化。从而导致动阀盘23上的压强是不断变化的，该压强作用在活塞头5处而形成周期性变化的压力，并最终传递给安装在井下辅助钻井工具下游处的钻头，使得钻头在常规钻压的作用下增加了轴向冲击力，大大提高了钻具的破岩效率。此外，该作用力是高频变化的，其频率取决于涡轮节11旋转的频率，且其变化幅度大小取决于动阀盘23与定阀盘25之间过流面积变化的幅度。

根据本发明的用于钻井工具的冲击力的参数的测试装置100，其通过涡轮节11及阀盘机构60在工作过程中能够产生具有轴向方向的作用力。该作用力为轴向方向，也可以通过其它机构使该作用力的角度变化，成为复合冲击力，从而能够有效提高钻井效率。

尽管上面详细地介绍了根据本发明的用于钻井工具的冲击力的参数的测试装置100的各个零部件，然而应当理解，并非所有零部件都是必须的。相反，其中一些零部件可以省略，只要不影响根据本发明的井下辅助钻井工具100的相应功能实现即可。

下面简述根据本发明的用于钻井工具的冲击力的参数测试装置100的测试方法。首先，将测试装置100两端的管线接头1与液压管线的进液口和回液口相连接。之后，启动钻具，并通过控制系统调节液压管线的排量。之后，通过压力传感器测量测试装置100内的实时压力值，并利用采用高频记录装置，记录高频压力信号，由此，通过测试装置100可以记录实时的压力值、排量值。最后，进行信号处理，例如，采用傅里叶变换的信号处理方法，从而能够得到压力变换的频率。当然可以理解，也能够从压力变化图中找出压力变换的周期，从而能够得到冲击力的周期。

在本实施例中，可以分别通过改变汇聚喷嘴8的内径尺寸、涡轮节11的数量、排量、定阀盘25中偏心孔的直径和偏心距以及动阀盘23中偏心孔直径和偏心距，由此，能够测得不同情况下压强的大小和频率，并分别计算所测压强的大小及频率与活塞头5的截面面积的乘积，进而计算出冲击力的大小和频率。在一个实施例中，可以通过分别使用定子替代件13和转子替代件12代替涡轮节11中的定子和转子从而改变涡轮节11的实际使用数量。由此，通过改变测试装置100中部分结构尺寸，实现对辅助钻井工具产生的压强的大小和频率的测量，并根据实际工况实时调整辅助钻井工具的参数，从而提高钻具的应用效果。另外，在实际应用过程中，一些如汇聚喷嘴8、动阀盘偏心套22、定阀盘偏心套26等关键零件由于长期经受钻井液的冲刷，尺寸会发生变化进而导致钻具的参数变化。测试装置100能够长时间连续运行，从而测得这些关键零件的寿命并及时调整钻具的参数，提高钻具的应用效果。

根据本发明的用于辅助钻井工具的参数的测试装置100及测试方法，能够测量工具内压力的变化频率，从而测得工具产生的冲击力的频率。且能够测量工具内的压力值，如最大压力、最小压力，进而测得工具产生的冲击力的大小。该测试装置100能够测试多参数变量下的工具的冲击力的参数，同时，其能够长时间连续运行，从而对辅助钻井工具的参数的测试装置100进行寿命测试。由此，能够为辅助钻井工具的参数设计选取、零件材料选取、加工方式、热处理方式选取等提供有效的数据参考，从而能够有效增强钻井工具的性能，大大提高钻井工具的钻进效率。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于辅助钻井工具的参数的测试装置，包括：

圆柱形的外套(17)，

固定连接在所述外套一端的传感器安装件(3)，在所述传感器安装件中安装有压力传感器；

同心布置在所述外套内的中空的传动轴(14)，

设置在所述传动轴一端的阀盘机构(60)，其中，所述阀盘机构包括定阀盘(25)和动阀盘(23)，所述动阀盘设置成能由所述传动轴驱动旋转，从而使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化；

形成于所述外套和所述传动轴之间的钻井液分流机构(70)，其包括密封式安装在所述外套内壁上的活塞头(5)、安装在所述活塞头内部的分流件(6)、设置在所述外套内的传力套筒(15)，以及设置在所述活塞头的下游并处于所述传力套筒内的至少一个涡轮节(11)，其中，所述分流件构造成允许一部分钻井液直接流入所述传动轴的内部通道而另一部分钻井液经所述涡轮节流入所述内部通道(52)，所述传力套筒(15)的两端分别与所述活塞头和定阀盘(25)固定连接，所述涡轮节(11)构造成能够在钻井液的作用下带动所述传动轴(14)旋转。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述传感器安装件的上端内表面和下端外表面均设有螺纹，所述传感器安装件通过螺纹与所述外套形成密封连接，且所述传感器安装件的上端通过螺纹密封连接有管线接头。

3.根据权利要求1或2所述的测试装置，其特征在于，所述传感器安装件设有通孔(31)，其用于安装所述传感器。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述分流件固定在所述传动轴的上游端，且在所述传动轴(14)内邻近所述分流件(6)处安装有汇聚喷嘴(8)，所述分流件构造成一端设有径向凸缘的套筒件，在所述套筒件的周向壁上设有若干缝隙，从而允许一部分钻井液流入所述涡轮节。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的测试装置，其特征在于，所述涡轮节包括定子和转子，所述转子构造成能在钻井液的作用下转动，从而带动所述传动轴(14)旋转。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的测试装置，其特征在于，在所述传力套筒内的所述涡轮节的下游处设有调整环(16)，在所述传动轴的对应于所述调整环的区域内设有通槽(51)，用于将流经所述涡轮节的钻井液引导到所述传动轴的内部通道。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的测试装置，其特征在于，所述动阀盘通过涡轮座(21)与所述传动轴固定在一起，并通过滚子轴承(24)安装在所述定阀盘上。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的测试装置，其特征在于，在所述动阀盘和定阀盘内分别固定安装有动阀盘偏心套(22)和定阀盘偏心套(26)，且在所述动阀盘和所述定阀盘上分别设有偏心通孔。

9.用于辅助钻井工具的参数的测试方法，包括步骤：

将根据权利要求1到8中任一项所述的测试装置连接到液压管线中，并通过控制系统调节液压管线的排量，

通过所述压力传感器测量并记录所述测试装置中的压力值，

进行信号处理，测得压力的变化周期频率。

10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，通过改变所述分流件、汇聚喷嘴、动阀盘、静阀盘中的一个或多个的尺寸，或改变所述涡轮节的数量，从而测试不同情况下的辅助钻井工具的参数。