CN2592841Y

CN2592841Y - Pdc钻头头部流场可视化装置

Info

Publication number: CN2592841Y
Application number: CN 02283641
Authority: CN
Inventors: 陈康民
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2003-12-17
Anticipated expiration: 2012-12-26

Abstract

本实用新型涉及一种PDC钻头头部流场可视化装置，特点是，它由储水池、水泵、给水管线、实验井筒、实验钻头及水循环装置、测试装置、高速摄影和摄像装置、示踪粒子加入器和回收器、由变频仪和水泵组成的流动稳定装置、控制柜及实验钻头传动装置组成。用此装置模拟井下流场实验，可获得清晰的、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

本实用新型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钻头的主要包括喷嘴、流道、排屑槽等的水力结构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

本实用新型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。

本实用新型的技术方案是这样来实现的，一种PDC钻头头部流场可视置，其特点是能够方便且直观可靠地显示钻头头部水力场的结构，它由储水池、水泵、给水管线、实验井筒、实验钻头及排水管线组成的水循环装置、主要由实验钻头、实验井筒、支架、电磁流量计、压力表等组成的测试装置、高速摄影和摄像装置、示踪粒子加入器回收器、由变频仪和水泵组成的流动稳定装置、操作控制柜及实验钻头传动装置组成。

本实用新型提供一套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的基本结构示意图；

图2为示踪粒子加入器示意图；

图3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，它由储水池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组成的水循环装置、主要由实验钻头12、实验井筒13、实验支架6、电磁流量计4、压力表等组成的测试装置、高速摄影和摄像装置14、示踪粒子加入器5和回收器17、由变频仪16和水泵2组成的流动稳定装置、操作控制柜15及实验钻头传动装置组成。

由图1所示，支撑安放井筒的实验支架6上设计成3层，即图1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旋转钻头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。

高速摄影和摄像装置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。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。

示踪粒子加入器如图2所示，它由空气压缩机18、气阀19、粒子加入20、箱体固定环21、粒子观察窗22、箱体23、粒子控流阀24及接口25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，实验时，关闭粒子控流阀24，将粒子加入该装置，之后由空气压缩机18向装置内充一定压力，并关闭气阀19，待需加入粒子时慢慢打开控流阀24，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，ρ_p＝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。粒子回收器比较简单，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17。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，本实用新型未采用此做法，由图1所示，而是采用通过控制变频仪16来控制水泵2转速均匀，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3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，中间置有压力传感器29，以便于以后的压力测量。钻头后体和钻头头部的联接是通过螺栓30实现的，钻头后体和盖板之间也是由螺栓31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32和钢铁管路回水储水段33，如图3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的钢体上开凹槽，并置有”O”型密封圈34。实验证明这种方法简单可行，密封性能非常好。

Claims

1、一种PDC钻头头部流场可视化装置，其特征在于，它由储水池(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)组成的水循环装置、主要由实验钻头(12)、实验井筒(13)、实验支架(6)、电磁流量计(4)、压力表等组成的测试装置、高速摄影和摄像装置(14)、示踪粒子加入器(5)和回收器(17)、由变频仪(16)和水泵(2)组成的流动稳定装置、操作控制柜(15)及实验钻头传动装置组成。

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，所述的实验钻头包括头部(26)、后体(27)和盖板(28)，头部和后体中空置有压力传感器(29)，头部和后体及盖板和后体之间通过螺栓(30，31)联接，冠部形状为抛物线，置有四个喷嘴，主、副筋板各四块，8个流道。

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(32)和钢铁管路回水储水段(33)构成，在在回水储水段的钢体上开凹槽，并置有”O”型密封圈(34)。

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)三层支撑架与一架体(6)的机架连接而成。

5、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，所述的示踪粒子加入器由空气压缩机(18)、气阀(19)、粒子加入(20)、箱体固定环(21)、粒子观察窗(22)、箱体(23)、粒子控流阀(24)及接口(25)组成。