CN114165212B - 一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置 - Google Patents

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Abstract

一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，包括岩石托盘、钻头、岩石样本、油缸、液压站、位移扭矩传感器和综合控制系统，所述油缸竖直放置，其上部的有杆腔和下部的无杆腔通过液压管路与液压站连接，所述岩石托盘固定在活塞杆上端，岩石托盘上固定岩石样本，所述钻头连接在钻杆下端并与岩石样本相对，所述位移扭矩传感器安装在油缸的活塞杆与下封头之间，移扭矩传感器的信号输出端与综合控制系统连接。本发明将钻头的钻进参数转换成油缸的力学和运动参数，再采用相应的传感器进行测量，同传统的地表采集方法相比，本发明不受钻孔深度、孔身轨迹、钻孔结构、泥浆性能等因素的影响，可提高钻进参数的测量精度。

Description

一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置
技术领域
本发明涉及一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，可模拟测量孔底钻头处的真实钻进参数(包括钻压、钻速、扭矩)，属于测量技术领域。
背景技术
地质钻探钻进过程中，需要对钻压、钻速、扭矩等参数进行监测，以便及时监控孔底钻进状况。传统的方法是在地表钻机处采集各种参数信息，但由于钻孔深度、孔身轨迹、钻孔结构、泥浆性能等因素的影响，地表采集的各钻进参数往往难以反映真实的孔底钻进状况，容易造成误判进而导致孔内事故或影响钻进效率。因此，研究出一种能准确测量孔底钻进参数的装置是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，以提高孔底钻进参数的测量精度。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，包括岩石托盘、钻头、岩石样本、油缸、液压站、位移扭矩传感器和综合控制系统，所述油缸竖直放置，其上部的有杆腔和下部的无杆腔通过液压管路与液压站连接，所述岩石托盘固定在活塞杆上端，岩石托盘上固定岩石样本，所述钻头连接在钻杆下端并与岩石样本相对，所述位移扭矩传感器安装在油缸的活塞杆与下封头之间，移扭矩传感器的信号输出端与综合控制系统连接。
上述小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，所述位移扭矩传感器包测量电路、应变片以及与油缸同轴的传力棱柱、扭矩检测柱和圆柱形的轴向限位块，所述轴向限位块活动安装在油缸的下封头下表面中心的凹槽中，凹槽的槽口由封板封堵；所述扭矩检测柱插装在下封头上表面中心的检测柱安装孔内，扭矩检测柱的下端与轴向限位块固定连接，所述应变片夹在扭矩检测柱的侧壁与检测柱安装孔的孔壁之间，所述测量电路的输入端接应变片的信号输出端，输出端接综合控制系统；所述传力棱柱的下端与扭矩检测柱固定连接，上端穿过油缸的活塞的中心孔后插入活塞杆的棱柱形中心孔中，从而将钻头的扭矩依次通过岩石样本、岩石托盘、活塞杆、传力棱柱和扭矩检测柱传递到应变片上。
上述小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，所述位移扭矩传感器还包括磁铁和测量波导丝，所述磁铁通过其中心孔松套在传力棱柱上并与油缸的活塞固定连接，所述测量波导丝位于传力棱柱的中心孔中，测量波导丝的下端与测量电路连接。
上述小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，还包括压力传感器，所述压力传感器安装在油缸的无杆腔所连接的液压管路上，压力传感器的信号信号输出端接综合控制系统。
上述小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，还包括与油缸同轴的套管，所述套管套在石托盘和岩石样本的外部，套管的下端与油缸的上封头固定连接。
上述小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，所述应变片设置四个，它们均贴装在扭矩检测柱的侧壁上并绕扭矩检测柱均匀分布。
上述小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，所述测量电路安装在轴向限位块中。
上述小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，所述综合控制系统包括综合控制器和数据采集模块，测量电路和压力传感器的信号输出端与数据采集模块的不同输入端连接，所述数据采集模块的信号输出端和液压站的控制端均与综合控制器连接。
上述小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，所述传力棱柱的横截面为正六方形。
本发明将钻头的钻进参数转换成油缸的力学和运动参数，再采用相应的传感器进行测量，同传统的地表采集方法相比，本发明不受钻孔深度、孔身轨迹、钻孔结构、泥浆性能等因素的影响，可提高钻进参数的测量精度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为本发明位移扭矩传感器示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为图3的B-B剖视图。
图中各标号为：1、岩石托盘，2、钻头，3、岩石样本，4、套管，5、活塞杆，6、油缸，7、位移扭矩传感器，8、活塞，9、下封头，10、压力传感器，11、液压站，12、综合控制器，13、数据采集模块，14、封板，15、上封头；
7-1、轴向限位块，7-2、应变片，7-3、磁铁，7-4、测量波导丝，7-5、传力棱柱，7-6、扭矩检测柱，7-7、测量电路。
具体实施方式
本发明提供了一种能够模拟测量孔底钻头处真实钻进参数的地质岩心钻探的钻进参数采集试验装置，该装置可实现对钻压、钻速和扭矩的实时监控。
参见图1-图2，本发明包括：油缸6、岩石托盘1、钻头2、岩石样本3、套管4、位移扭矩传感器7、压力传感器10、液压站11、综合控制器12、数据采集模块13、封板14。
油缸6上部的有杆腔和下面的无杆腔通过液压管路与液压站11连接，压力传感器10安装在无杆腔所连接的液压管路上，用于测量钻压，压力传感器10的信号输出端接数据采集模块13的信号输入端；位移扭矩传感器7安装在油缸6的活塞杆5与下封头9之间，用于测量扭矩和钻速，其信号输出端也连接到数据采集模块13的信号输入端，数据采集模块13的信号输出端和液压站11的控制端均连接到综合控制器12。
钻头2为地质岩心钻探常规取心钻头，其上端连接钻杆，岩石样本3安装于岩石托盘1上，其上端与钻头2接触，岩石托盘1固定在活塞杆5上端，钻头2在岩心钻机的驱动下进行回转钻进，钻头2在岩石样本3上回转切削，给岩石样本3一个回转力矩和向下的压力，回转力矩由岩石托盘1经活塞杆5传递给位移扭矩传感器7，向下的压力由岩石托盘1经活塞杆5和活塞8传递给油缸6的无杆腔，进而传递给压力传感器10，数据采集模块13把采集到的位移扭矩传感器7和压力传感器10的信号发送给综合控制器12，通过综合模块12的处理可以时刻输出钻压、扭矩、钻速等数据。
参看图3-图5，位移扭矩传感器7包括轴向限位块7-1、应变片7-2、磁铁7-3、测量波导丝7-4、传力棱柱7-5、扭矩检测柱7-6和测量电路7-7，磁铁7-3固定于活塞8下表面中心的凹槽中；轴向限位块7-1安装在油缸6的下封头9下表面中心的凹槽中并由封板14限位，使轴向限位块7-1只能以活塞杆5的轴线为轴自由转动但不能沿活塞杆5的轴线方向移动；扭矩检测柱7-6置于下封头9上表面中心的检测柱安装孔内，其下端与轴向限位块7-1固定连接，扭矩检测柱7-6的侧部设有四个绕其轴线均匀分布的竖直平面，每个竖直平面上贴装一片应变片7-2，当外力对扭矩检测柱7-6施加扭转力时，检测柱安装孔的孔壁通过应变片7-2阻止扭矩检测柱7-6旋转，使应变片7-2受力变形而输出扭矩信号，应变片7-2的信号输出端接测量电路7-7。传力棱柱7-5的下端与扭矩检测柱7-6的上端固定连接，上端依次穿过磁铁7-3和活塞8的中心孔后插入活塞杆5的棱柱状中心孔中，传力棱柱7-5可沿活塞杆5的轴向自由滑动但不能与活塞杆5发生相对转动；测量波导丝7-4套装在传力棱柱7-5中，测量波导丝7-4的下端称为近端，与测量电路7-7连接，上端称为远端，在传力棱柱7-5的中心孔中悬置。测量电路7-7安装在轴向限位块7-1中，其信号输出端与数据采集模块13连接。
本发明的实施例中，测量波导丝7-4外部套设的传力棱柱7-5的横截面为六方形，即传力棱柱7-5为六棱柱。
测量原理：由测量电路7-7产生的激励脉冲加载到测量波导丝7-4上，从而产生一个垂直于测量波导丝7-4轴线的环形磁场。该环形磁场以光速沿测量波导丝7-4的轴向传递，当该环形磁场到达磁铁7-3所在位置时，与磁铁7-3产生的固有磁场相遇，两磁场矢量相叠加形成一个螺旋磁场，由此产生瞬时扭力，并在测量波导丝7-4上形成一个机械扭力波。该扭力波以超声速度沿测量波导丝7-4传递，在测量波导丝7-4的近端该扭力波由测量电路7-7拾取后，转换为对应的感应脉冲。测量电路7-7通过测量发送激励脉冲与扭力波返回产生的感应脉冲之间的时间差，就可以精确地计算出磁铁7-3与轴向限位块7-1之间的绝对距离，从而实现磁铁7-3和活塞8的绝对位移大小的测量。钻头2的位移量减去活塞8的位移量得到钻头2在岩石样本3上的钻进深度，钻进深度除以钻进时间，即可得到钻速。
本发明的实施例中，应变片7-2设置四个，分别贴装在扭矩检测柱7-6的四个侧面上，用于感应测量扭矩检测柱7-6的变形量，相邻的两个应变片7-2相互垂直，具体的，四个应变片7-2的中心位于扭矩检测柱7-6的同一横截面上，相邻应变片7-2的中心到扭矩检测柱7-6的轴线的垂线相互垂直，且相邻应变片7-2的中心到扭矩检测柱7-6的轴线的距离相等。4个应变片7-2组成扭矩桥路，其输出信号经处理转换成扭矩数值。
扭矩主要引起扭矩检测柱7-6剪切方向上的变化，因此在剪切方向分别放置应变片7-2，应变片7-2分别组成惠斯通测量桥路，输出差分信号。差分信号通过信号调理板进行一级放大、电压偏移、滤波、二级放大处理后输出信号至数据采集模块13。综合控制器12进行专门的AD模数处理，经过专门的比例公式、温漂公式、修正公式等最终得出钻压、扭矩输出数值。
以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，其特征是，包括岩石托盘(1)、钻头(2)、岩石样本(3)、油缸(6)、液压站(11)、位移扭矩传感器(7)和综合控制系统，所述油缸(6)竖直放置，其上部的有杆腔和下部的无杆腔通过液压管路与液压站(11)连接，所述岩石托盘(1)固定在活塞杆(5)上端，岩石托盘(1)上固定岩石样本(3)，所述钻头(2)连接在钻杆下端并与岩石样本(3)相对，所述位移扭矩传感器(7)安装在油缸(6)的活塞杆(5)与下封头（9）之间，位移扭矩传感器(7)的信号输出端与综合控制系统连接；
所述位移扭矩传感器(7)包括测量电路(7-7)、应变片(7-2)以及与油缸(6)同轴的传力棱柱(7-5)、扭矩检测柱(7-6)和圆柱形的轴向限位块(7-1)，所述轴向限位块(7-1)活动安装在油缸(6)的下封头（9）下表面中心的凹槽中，凹槽的槽口由封板（14）封堵；所述扭矩检测柱(7-6)插装在下封头（9）上表面中心的检测柱安装孔内，扭矩检测柱(7-6)的下端与轴向限位块(7-1)固定连接，所述应变片(7-2)夹在扭矩检测柱(7-6)的侧壁与检测柱安装孔的孔壁之间，所述测量电路(7-7)的输入端接应变片(7-2)的信号输出端，输出端接综合控制系统；所述传力棱柱(7-5)的下端与扭矩检测柱(7-6)固定连接，上端穿过油缸(6)的活塞（8）的中心孔后插入活塞杆(5)的棱柱形中心孔中，从而将钻头(2)的扭矩依次通过岩石样本(3)、岩石托盘(1)、活塞杆(5)、传力棱柱(7-5)和扭矩检测柱(7-6)传递到应变片(7-2)上。
2.根据权利要求1所述的一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，其特征是，所述位移扭矩传感器(7)还包括磁铁(7-3)和测量波导丝(7-4)，所述磁铁(7-3)通过其中心孔松套在传力棱柱(7-5)上并与油缸(6)的活塞(8)固定连接，所述测量波导丝(7-4)位于传力棱柱(7-5)的中心孔中，测量波导丝(7-4)的下端与测量电路(7-7)连接。
3.根据权利要求2所述的一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，其特征是，还包括压力传感器(10)，所述压力传感器(10)安装在油缸(6)的无杆腔所连接的液压管路上，压力传感器(10)的信号输出端接综合控制系统。
4.根据权利要求3所述的一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，其特征是，还包括与油缸(6)同轴的套管(4)，所述套管(4)套在石托盘(1)和岩石样本(3)的外部，套管(4)的下端与油缸(6)的上封头(15)固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，其特征是，所述应变片(7-2)设置四个，它们均贴装在扭矩检测柱(7-6)的侧壁上并绕扭矩检测柱(7-6)均匀分布。
6.根据权利要求5所述的一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，其特征是，所述测量电路(7-7)安装在轴向限位块(7-1)中。
7.根据权利要求6所述的一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，其特征是，所述综合控制系统包括综合控制器(12)和数据采集模块(13)，测量电路(7-7)和压力传感器(10)的信号输出端与数据采集模块(13)的不同输入端连接，所述数据采集模块(13)的信号输出端和液压站(11)的控制端均与综合控制器(12)连接。
8.根据权利要求7所述的一种小口径岩心钻探的钻进参数采集试验装置，其特征是，所述传力棱柱(7-5)的横截面为正六方形。
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