CN202544844U - 测定岩石可钻性及钻井参数敏感性的试验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测定岩石可钻性及钻井参数敏感性的试验仪，包括工作台、微钻头和驱动机构，所述微钻头设置于所述工作台的下方，所测岩石固定于所述工作台上并置于所述微钻头的正上方，所述驱动机构驱动所述微钻头的主轴旋转，所述试验仪还包括钻压加载机构和测量装置，所述钻压加载机构包括油泵、砝码式蓄能器和加载油缸，所述微钻头的主轴下端通过轴承与所述加载油缸的柱塞上端相接触，所述砝码式蓄能器分别与所述油泵、加载油缸通过油路连接，所述测量装置用于测量所述微钻头的钻深、钻速及钻时；通过改变钻头、钻压和钻速，可实现对地层岩石可钻性及钻井参数敏感性的测定，为钻头选型、钻井参数优化提供依据。

Description

测定岩石可钻性及钻井参数敏感性的试验仪

技术领域

本实用新型涉及石油天然气勘探开发领域，对地层可钻性进行测定，更具体的讲，涉及一种测定岩石可钻性及钻井参数敏感性的试验仪。

背景技术

岩石可钻性测定仪是测定石油钻井工程中岩石可钻性级值的专用仪器。

其中，中国专利文献CN1138134公开了一种测量地层岩石可钻性的测试方法，钻井井口取得随泥浆带出的钻井岩屑，将岩屑干燥后，筛分出合适粒度的岩屑作为测试样品，称23克岩屑为一份测试样品装入料筒，压好压棒，利用实验压力机对其自动施加压力，将岩屑压碎，并利用函数记录仪记录位移——压力关系曲线，最后利用位移和压力之间的关系，就可计算出地层岩石的可钻性参数。

中国专利文献CN85205092公开了一种岩石可钻性测定仪，由传动机构，冲击机构，加压机构，钻头部分和岩石夹持筒等组成，该仪器可用来模拟冲击钻、回转钻、冲击回转钻、测定各类岩石的可钻性指标，还可用空白钻头测定岩石的研磨性。

中国专利文献CN102011582A公开了一种地层条件下岩石可钻性测试仪，包括夹持机构、压力平衡机构和动力机构，夹持机构设置在压力平衡机构下端，动力机构设置在压力平衡机构和夹持机构内。夹持机构由夹持器釜体、锥套、橡胶套、上柱塞和下柱塞组成；压力平衡机构由井筒压力釜体、钻压釜体和钻压活塞组成；动力机构由电机、减速器、犬齿冲击器和钻杆组成。它采用机电一体化的结构，能够模拟地层条件下的温度、围压、孔隙压力和井筒泥浆压力进行真实准确的岩石可钻性测试，对地层上覆围压、孔隙压力和泥浆井筒压力可以模拟到90MPa以上，对于钻井施工具有更为实际的指导意义。

上述的专利文献中所公开的测定仪能够测定岩石的可钻性，包括牙轮钻头可钻性和PDC钻头可钻性级值，但是不能反映出破岩过程中钻井参数的影响，实际上钻压和转速参数，对破岩效率的影响很大，通过测定钻压参数的敏感性、转速参数敏感性进行测定，对指导钻头选型、提高机械钻速、保证井下安全和生产管理等方面都有十分重要的意义，因此对于从事钻井工程的钻井公司、钻头制造厂、高等院校和科研单位都是不可或缺的测试装置。

实用新型内容

为了实现对地层岩石可钻性及钻井参数敏感性的测定，为钻头选型、钻井参数优化提供依据，本实用新型提供了一种测定岩石可钻性及钻井参数敏感性的试验仪。

所述技术方案如下：

一种测定岩石可钻性及钻井参数敏感性的试验仪，包括工作台、微钻头和驱动机构，所述微钻头设置于所述工作台的下方，所测岩石固定于所述工作台上并置于所述微钻头的正上方，所述驱动机构驱动所述微钻头的主轴旋转，其特征在于，所述试验仪还包括钻压加载机构和测量装置，所述钻压加载机构包括油泵、砝码式蓄能器和加载油缸，所述微钻头的主轴下端通过轴承与所述加载油缸的柱塞上端相接触，所述砝码式蓄能器分别与所述油泵、加载油缸通过油路连接，所述测量装置用于测量所述微钻头的钻深、钻速及钻时。

所述驱动机构包括驱动电机、涡轮蜗杆、主轴套筒和变频器，所述变频器与所述驱动电机连接用于调节所述驱动电机的转速，所述主轴套筒套置于所述微钻头的主轴外侧，二者通过轴承键实现同步旋转连接，所述驱动电机通过涡轮蜗杆驱动所述主轴套筒旋转。

所述测量装置包括位移传感器、转速器及秒表，分别用于检测微钻头的钻深、钻速和钻时。

优选，所述位移传感器为LVDT式位移传感器。

所述砝码式蓄能器包括重锤蓄能器和钻压砝码组成，所述重锤蓄能器分别与所述油泵、加载油缸通过油路连接，所述钻压砝码设置于所述重锤蓄能器的柱塞上端，用于调节所述微钻头的钻压。

优选，所述加载油缸的柱塞截面积与所述重锤蓄能器的柱塞截面积的比值为10∶1。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

通过对采自地层的岩石样品两端车平，夹持在台架上，更换微钻头，可以测定牙轮钻头和PDC钻头的可钻性；固定变频器的频率和钻压砝码，可以测定岩石的可钻性；固定变频器的频率，改变钻压砝码，可以测定钻井破岩的钻压参数敏感性；固定钻压砝码，改变变频器的频率，可以测定钻井破岩的转速敏感性。本实用新型在实现对岩石可钻性的测定功能的基础上，实现了对钻井参数敏感性的测定，反映了破岩过程中钻压参数和转速参数对钻时的影响，试验结果能够指导钻头选型优化、钻井参数优选，为钻井提速提供了室内试验依据。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型所提供的岩石可钻性试验仪结构图；

图2是微钻头可钻性测定结果柱状图；

图3是钻压参数的敏感性测定结果曲线图；

图4是转速参数的敏感性测定结果曲线图。

图中：

1-岩石；2-微钻头；3-岩屑盘；4-蜗轮蜗杆；5-轴承键；6-主轴；

7-变频器；8-球形座；9-加载油缸；10-位移传感器；11-手压泵；

12-重锤蓄能器；13-钻压砝码；14-驱动电机；15-联轴器；

16-工作台；17-压紧丝杠；18-主轴套筒。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本实用新型所提供的试验仪由微钻头2、工作台16、驱动机构、钻压加载机构及测量装置等组成，微钻头2设置于工作台16的下方，微钻头2的下方设有岩削盘3，用于收集微钻头2所钻下的岩削，所测岩石1通过压紧丝杠17固定于工作台16上，且岩石1置于微钻头2的正上方，驱动机构驱动微钻头2的主轴6旋转。

其中的钻压加载机构包括油泵、砝码式蓄能器和加载油缸9，这里的油泵为手压泵11，微钻头2的主轴6下端通过轴承与加载油缸9的柱塞上端相接触，砝码式蓄能器包括重锤蓄能器12和钻压砝码13组成，重锤蓄能器12分别与手压泵11、加载油缸9通过油路连接，钻压砝码13设置于重锤蓄能器12的柱塞上端，用于调节微钻头2的钻压；其中的测量装置包括位移传感器10、转速器及秒表，分别用于检测微钻头2的钻深、钻速和钻时，其中，位移传感器10为LVDT式位移传感器。

驱动机构包括驱动电机14、涡轮蜗杆4、主轴套筒18和变频器7，变频器7与驱动电机14连接用于调节驱动电机14的转速，主轴套筒18套置于微钻头2的主轴6外侧，二者通过轴承键5实现同步旋转连接，驱动电机14通过联轴器15与涡轮蜗杆4连接，涡轮蜗杆4与主轴套筒18相连接，通过驱动电机14间接驱动主轴套筒18旋转。

手压泵11产生油压使重锤蓄能器12的柱塞浮起，这时系统压力由砝码13保持恒定。为保持主轴6的稳定旋转，在加载油缸9的柱塞上端设置一球形座8，恒定压力经加载油缸9和球形座8及推力球轴承给主轴6和微钻头2施加钻压。加载油缸的柱塞面积与砝码式蓄能器的柱塞面积比为10∶1，故砝码13的重量是所需要的钻压的十分之一，当然二者的柱塞面积也可以采用其他比例。

采用砝码恒定压力液压加载，钻压波动标准差在±50N以内。时间显示测量范围：0-9.99mm，测量精度1ms±1位数。级值显示范围：0-＞10级，显示精度0.01级(注：微钻时取以2为底的对数即为级值)。钻深显示测量范围：0-9.99mm，测量精度0.5％FS，显示精度0.01mm。采用LVDT式位移传感器测量钻深，由计算机完成数据采集，并具有数据处理、数字显示和操作控制等功能，能实现控制电动机和数据采集同步启动和到规定钻深时自动停钻和显示微钻时或级值功能。

(1)牙轮钻头岩石可钻性测定：

调节钻压890±10N，转速55±1r/min，预钻深0.4mm，工作钻深2.4mm，记录下所耗用的钻时t(S)，用公式K_d＝log₂t计算得到牙轮钻头可钻性级值。

(2)PDC钻头岩石可钻性测定：

调节钻压500±10N，转速55±1r/min，预钻深1mm，工作钻深3mm，记录下所耗用的钻时t(S)，用公式K_pdc＝log₂t计算得到PDC钻头可钻性级值。

微钻头可钻性测定结果见图2，对比牙轮和PDC可钻性结果，选用PDC钻头比牙轮钻头更有利于破岩。

(3)钻压参数的敏感性测定：

固定变频器调节获得55rpm的转速，调节钻压在400、600、800、1000、1200N几个级别变化，预钻深0.4mm，工作钻深2.4mm，记录下所耗用的钻时t(S)，得到一组牙轮钻头破岩对钻压参数的敏感性试验数据；

固定变频器获得55rpm的转速，调节钻压在200、400、600、800、1000N几个级别变化，预钻深1mm，工作钻深3mm，记录下所耗用的钻速t(S)，得到已钻PDC钻头破岩对钻压参数的敏感性试验数据。

图3是钻压参数的敏感性测定，反映了PDC钻头比牙轮钻头低50％的钻压下破岩效率比牙轮钻头更高，获得更快的机械钻速。

(4)转速参数的敏感性测定：

固定钻压890N，调节变频器不同频率，获得电机转速20、40、60、80、100rpm的转速，预钻深0.4mm，工作钻深2.4mm，记录下所耗用的钻时t(S)，得到一组牙轮钻头破岩对转速参数的敏感性试验数据。

固定钻压500N，调节变频器不同频率，获得电机转速20、40、60、80、100rpm的转速，预钻深1mm，工作钻深3mm，记录下所耗用的钻时t(S)，得到一组PDC钻头破岩对转速参数的敏感性试验数据。

图4是转速参数的敏感性测定，反映了PDC钻头在提高转速的条件下，破岩效率比牙轮钻头更高。

参数敏感性测定结果反映了更为丰富的信息，对钻井参数的优选提供了依据。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测定岩石可钻性及钻井参数敏感性的试验仪，包括工作台、微钻头和驱动机构，所述微钻头设置于所述工作台的下方，所测岩石固定于所述工作台上并置于所述微钻头的正上方，所述驱动机构驱动所述微钻头的主轴旋转，其特征在于，所述试验仪还包括钻压加载机构和测量装置，所述钻压加载机构包括油泵、砝码式蓄能器和加载油缸，所述微钻头的主轴下端通过轴承与所述加载油缸的柱塞上端相接触，所述砝码式蓄能器分别与所述油泵、加载油缸通过油路连接，所述测量装置用于测量所述微钻头的钻深、钻速及钻时。

2.根据权利要求1所述的试验仪，其特征在于，

所述驱动机构包括驱动电机、涡轮蜗杆、主轴套筒和变频器，所述变频器与所述驱动电机连接用于调节所述驱动电机的转速，所述主轴套筒套置于所述微钻头的主轴外侧，二者通过轴承键实现同步旋转连接，所述驱动电机通过涡轮蜗杆驱动所述主轴套筒旋转。

3.根据权利要求1或2所述的试验仪，其特征在于，

所述测量装置包括位移传感器、转速器及秒表，分别用于检测微钻头的钻深、钻速和钻时。

4.根据权利要求3所述的试验仪，其特征在于，

所述位移传感器为LVDT式位移传感器。

5.根据权利要求1所述的试验仪，其特征在于，

所述砝码式蓄能器包括重锤蓄能器和钻压砝码组成，所述重锤蓄能器分别与所述油泵、加载油缸通过油路连接，所述钻压砝码设置于所述重锤蓄能器的柱塞上端，用于调节所述微钻头的钻压。

6.根据权利要求5所述的试验仪，其特征在于，

所述加载油缸的柱塞截面积与所述重锤蓄能器的柱塞截面积的比值为10∶1。

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