CN1510245A - Pdc钻头头部流场可视化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种作为井下工具PDC钻头头部流场可视化装置，其特点是，能够清晰直观可靠地显示钻头头部水力场的结构，它由水循环系统、测试系统、成像系统、粒子加入与回收系统和流动稳定系统5个子系统、操作控制柜及模型钻头传动装置组成。用此装置进行模拟井下流场实验，获得清晰的、直观的井下流场图象，所得到的流场图象有助于验证其它研究方法的可靠性，并有利于分析PDC钻头水力结构的清洗能力、冷却特性及钻头可能产生的破坏。

Description

PDC钻头头部流场可视化装置
技术领域
本发明涉及一种作为井下工具PDC钻头头部流场可视化装置。
背景技术
从现场PDC钻头的使用来看，PDC钻头存在的问题是：在软地层中出现钻头泥包，在硬地层中热磨损加剧。这种现象要求PDC钻头的水力清洗和冷却必须达到某种水平，以延长钻头寿命，防止钻头泥包。PDC钻头头部的喷嘴、流道、排屑槽等水力结构主要提供井底清洗和冷却功能：钻井液由钻头喷嘴进入井底流场，经流道流过井底与钻头表面，然后通过钻头体与井壁间的排屑槽进入环空。钻井液在流动过程中不仅冷却、润滑切削齿，还同时把切下来的岩屑带走，从而达到清洗和冷却的目的。可见，合理组织PDC钻头头部流场对提高钻头水力系统的清洗与冷却能力是非常重要的。为了获得合理的PDC钻头头部流场，首先要正确理解PDC钻头头部流场的结构及特性，为此，必须展开大量的实验与数值研究。由于钻头本身几何形状及工作环境的复杂性，数值研究仍然受到较大局限。在实验方面，已有的研究主要集中于射流特性的探讨，而对如何真实地、直观地显示PDC钻头流场这一研究进行得很少，未见公开报道。
发明内容
本发明的目的是为了获得清晰的、直观的井下流场图象，所得到的流场图象有助于验证其它研究方法的可靠性，并有利于分析PDC钻头水力结构的清洗能力、冷却特性及钻头可能产生的破坏，提供一套实验用的PDC钻头头部流场可视化装置。
本发明的技术方案是这样来实现的，一种PDC钻头头部流场可视化装置，其特点是，它由水循环系统、测试系统、成像系统、粒子加入与回收系统和流动稳定系统5个子系统、操作控制柜及模型钻头传动装置组成：
a)水循环系统主要由储水池、水泵、给水管线、实验井筒、实验钻头及排水管线组成；
b)测试系统包括了井筒与钻头距离调节部分和测试部分，主要有实验钻头、实验井筒、支架、电磁流量计、压力表等组成，支架由三层支撑架和筒体连接而成；
c)成像系统主要有单幅照片显示的摄影和多幅连续显示的高速摄影装置；
d)粒子加入与回收系统由空气压缩机、气阀、粒子加入口、箱体固定环、粒子观察窗、箱体、粒子控流阀及筛网盒组成；
e)流动稳定系统包括水泵及变频仪，由变频仪来控制水泵转速均匀以达流量稳定。
本发明提供一套PDC钻头头部流场可视化装置进行模拟井下流场实验，获得清晰的、直观的井下流场图象，所得到的流场图象有助于验证其它研究方法的可靠性，并有利于分析PDC钻头水力结构的清洗能力、冷却特性及钻头可能产生的破坏。
附图说明
图1为PDC钻头头部流场可视化装置系统组成图；
图2为PDC钻头头部流场可视化装置的基本结构示意图；
图3为水循环系统示意图；
图4为粒子加入装置示意图；
图5为实验钻头结构示意图。
具体实施方式
由图1所示，PDC钻头头部流场可视化装置，其特点是，能够清晰直观可靠地显示钻头头部水力场的结构，它由水循环系统、测试系统、成像系统、粒子加入与回收系统和流动稳定系统5个子系统、操作控制柜及模型钻头传动装置组成。
由图2、图3所示，水循环系统主要由储水池1、水泵2、给水管线3、实验井筒13、实验钻头12及排水管线10组成，其中管线采用的镀锌铁管；水泵采用的是离心泵。泵最大流量为30m3/h，最大扬程为60m。钻头采用的是铝制钻头。为便于拍摄和观察流场，采用了无色透明有机玻璃作井筒，直径为230mm，井筒壁厚10mm。
由图2所示，测试系统是实验的主体部分，测试系统包括了井筒与钻头距离调节部分和测试部分，主要有实验钻头12、实验井筒13、支架、电磁流量计4、压力表等组成，支架由三层支撑架7、8、9和架体6连接而成，支撑安放井筒的实验支架上设计成3层，即图2中所示的7、8、9三层，它们各有不同的作用：第一层7的主要作用是放置使钻头旋转以及钻头表面压力测量所需的设备，和帮助钻杆承受钻头重量的设备；第二层8的作用是承受井筒出水罐段内水的重量；第三层9的作用是承接有机玻璃井筒的重量，并调节钻头表面离井筒的距离，可调节的距离为10～20mm。将第二层与第三层分开设计，而没有作为一整体的目的是便于擦洗钻头和有机玻璃表面，而不需要拆卸重量较大的钻头。同时配合钻头的独特结构设计可有利于钻头表面压力测量的进行。
成像系统主要有单幅照片显示的摄影和多幅连续显示的高速摄影装置，成像系统14是指协助完成流场显示的装置设备。主要有单幅照片显示的摄影和多幅连续显示的高速摄影装置。单幅照片主要用于流场显示中气泡显示法和丝线法。为了使光线充足增大照片的分辨率，拍摄中使用了两台舞台追光灯具增强照明度。连续流场摄影采用了高速摄影。流动显示的示踪粒子是白色聚苯乙烯颗粒，密度为1.04×103Kg/m3，粒子平均直径为1.1mm，它具有很好的跟随性。
粒子加入与回收系统由空气压缩机17、气阀18、粒子加入口19、箱体固定环20、粒子观察窗21、箱体22、粒子控流阀23及筛网盒24组成，为了显示井下流场的结构，本装置中采用了示踪粒子显示轨迹的做法，本发明的粒子加入装置如图4所示。实验时，关闭粒子控流阀23，将粒子加入该装置，之后由空气压缩机17向装置内充一定压力，并关闭气阀18，待需加入粒子时慢慢打开控流阀23，调节粒子流出的量至合适浓度，当装置内压力低于管线内水流压力时，水会流入箱内，当装置内压缩空气达到了压力平衡状态，粒子便会随主流管线内的水一起运动。由于粒子密度与水相近，ρp＝1.04×103Kg/m3，而且粒子在管线上的加入位置离钻头喷嘴很远，所以能使粒子与水流充分混合，在垂直向下的钻杆内随水流均匀进入喷嘴，这样能更精确地显示出流场的微观运动。粒子回收装置比较简单，在排水管线末端安置了一内带有孔径为0.5mm的筛网的大盒体25。由于筛网孔径小于粒子，故粒子既不会阻挡排出的水流出盒体，又能够完全落于盒中。
为了清除如电流或泵运转不稳等外界因素对流场造成的不稳定影响，在给水管线系统中需加入使流动稳定的装置。解决此问题的常规作法是，在管路中增加一大的水罐，使由泵出来的水在此稳定后，再流入计量仪表和钻头喷嘴。由于水罐占地面积较大，成本较高，本发明未采用此做法，由图2所示，而是采用变频仪16来控制水泵2转速均匀，来达到稳定流量的目的，同时进入管线的流体流量也由变频仪控制泵的转速来实现，这样克服了传统的使用阀门来改变流量所造成的问题，如在阀门打开或关闭时，会引起管道内压力的波动等。
由图5所示，实验钻头表面上有喷嘴、主、副筋板各四块，8个流道。本发明的模型钻头是一个铝质钻头，铝制的钻头质量较轻，便于制作和安装。其冠部形状为抛物线，为了方便钻头表面打压力孔和压力传感器的安装，我们把钻头分成3部分加工，即示意图中的头部26，后体27和盖板28。头部26和后体27内部掏空，只留下很薄的一层，以便于以后的压力测量。钻头后体27和钻头头部26的联接是通过螺栓实现的，钻头后体27和盖板28之间也是由螺栓29联结，实现了钻头结构的灵活可拆卸性能。
为了能在实验室内有效观测到射流在井下的流动，实验井筒由2部分组成，即便于拍摄的有机玻璃观察段30和钢铁管路回水储水段31，如图5所示。为防止流体在两段之间的联接处发生泄漏，本发明采用了在回水储水段31的钢体上开凹槽，并置有”O”型密封圈32。实验证明这种方法简单可行，密封性能非常好。

Claims (4)

1、一种PDC钻头头部流场可视化装置，其特征在于，它由水循环系统、测试系统、成像系统、粒子加入与回收系统和流动稳定系统5个子系统、操作控制柜及模型钻头传动装置组成：
a)水循环系统主要由储水池(1)、水泵(2)、给水管线(3)、实验钻头(12)及排水管线(10)组成；
b)测试系统包括了井筒与钻头距离调节部分和测试部分，主要有实验钻头(12)、实验井筒(13)、支架、电磁流量计(4)、压力表等组成，支架由三层支撑架(7)、(8)、(9)和架体(6)连接而成
c)成像系统主要有单幅照片显示的摄影和多幅连续显示的高速摄影装置(14)；
d)粒子加入与回收系统由空气压缩机(17)、气阀(18)、粒子加入口(19)、箱体固定环(20)、粒子观察窗(21)、箱体(22)、粒控流阀(23)及筛网盒(25)组成；
e)流动稳定系统包括水泵(2)及变频仪(16)，由变频仪来控制水泵转速均匀以达流量稳定。
2、根据权利要求1所述的PDC钻头头部流场可视化装置，其特征在于，所述的实验钻头表面上有喷嘴、主、副筋板各四块，8个流道，冠部形状为抛物线，喷嘴为四个。
3、根据权利要求1所述的PDC钻头头部流场可视化装置，其特征在于，所述的实验井筒由便于拍摄的有机玻璃观察段和钢铁管路回水储水段构成，在在回水储水段的钢体上开凹槽，并置有”O”型密封圈。
4、根据权利要求1所述的PDC钻头头部流场可视化装置，其特征在于，所述的支架由支撑架(7)、支撑架(8)、支撑架(9)三层支撑架与一筒体(6)的机架连接而成。
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