牙輪鑽頭軸承的磨合方法及系統的製作方法
2023-07-06 11:31:31
專利名稱：牙輪鑽頭軸承的磨合方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種專門用於在地面上模擬鑽進過程來磨合牙輪鑽頭軸承的方法及系統，屬於石油鑽採設備技術領域。
背景技術：
牙輪鑽頭是目前石油鑽井使用最廣泛的破巖工具，其使用效果和工作壽命對鑽井施工和鑽井成本具有十分重要的影響。牙輪鑽頭的工作壽命主要取決於鑽頭軸承的工作壽命，而影響鑽頭軸承壽命的因素包括使用因素(如鑽壓、轉速、井深、井溫等)、製造質量(如軸承間隙、材質及熱處理、表面質量、密封、潤滑條件等)，同時不容忽視磨合過程對軸承壽命也具有重要影響。按照牙輪鑽頭的使用要求，需要一個井下磨合的過程，即鑽頭入井後在井下輕壓慢轉0.5～1小時，然後再逐漸加足鑽壓和轉速進行鑽進。軸承磨合得好，可以延長使用壽命；磨合得不好就加壓鑽進，容易造成軸承的先期損壞。根據室內實驗結果，磨合過程需要至少1～2小時，而且磨合過程參數還需要合理確定。但在鑽井施工現場，往往在鑽頭入井後，就很難嚴格按照要求進行軸承磨合，經常出現磨合時間不夠甚至未磨合就直接使用、磨合過程中鑽壓控制不好、泥漿環境中磨合容易造成密封先期損壞等問題，這都會影響鑽頭的使用壽命。這種井下磨合鑽頭軸承的方法，不但佔用鑽機的有效鑽進時間，增加鑽井成本，而且磨合質量不能保證，磨合效率低，磨合過程中出現的問題不能及時發現和排除。
發明內容
本發明的目的在於，針對現有技術在井下磨合鑽頭軸承的不足，提供一種在地面上模擬井下鑽井過程來高效地磨合牙輪鑽頭軸承的方法及系統，可以準確地控制磨合過程和磨合參數，提高鑽頭軸承的磨合質量、磨合效率，並能早期發現磨合過程中暴露出來的鑽頭質量問題；磨合工作在鑽井現場或鑽頭生產廠內預先進行，磨合過程不佔用鑽機有效鑽進時間。鑽頭軸承在地面磨合好後，鑽頭入井經過短時間的磨合井底過程，就可加壓正常鑽進。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的一種牙輪鑽頭軸承的磨合方法，該方法包括如下步驟步驟1將需要磨合的牙輪鑽頭安裝固定在磨合系統上；步驟2牙輪鑽頭與磨合系統中的人工井底產生相對轉動，並對二者平穩加壓，通過模擬牙輪鑽頭在井下鑽進的過程對其進行磨合。
步驟3在整個磨合過程中對各種參數進行實時監測，直到磨合參數達到要求。
步驟2為人工井底旋轉、鑽頭加壓或者鑽頭旋轉、人工井底加壓。
人工井底旋轉為井底沿逆時針方向旋轉；鑽頭旋轉為鑽頭沿順時針旋轉。
步驟2的具體方法為穩定牙輪鑽頭和人工井底的相對轉速、逐步加載至實際使用鑽壓；或者穩定鑽壓、逐步提高牙輪鑽頭和人工井底的相對轉速至實際轉速；或者將鑽壓和牙輪鑽頭與人工井底的相對轉速從小到大同時逐步增加。
實時監測參數為轉速、壓力、扭矩、軸承溫度、時間。
一種牙輪鑽頭軸承的磨合系統，所述的系統至少包括主機架、旋轉裝置、加載裝置，其中，旋轉裝置和加載裝置都固設在主機架上，旋轉裝置通過主機架固定在整個系統的下方，加載裝置則固定在整個系統的上方，旋轉裝置為鑽頭提供動力和轉速，加載裝置為鑽頭提供穩定的鑽壓，通過對牙輪鑽頭旋轉過程中逐步加載，實現對其軸承磨合。
所述的系統還包括測試裝置，該測試裝置用於實時監測磨合過程中的各種參數。
主機架包括底板、立柱、上橫梁和支架，其中，支架底端固定在底板上，頂端將旋轉臺支託起來，立柱底端固定在底板上，頂端與上橫梁固設在一起，上橫梁用於固定加載裝置。
旋轉裝置包括電動機及調速器、聯軸器、減速器和旋轉臺，電動機及調速器固定在主機架的底板上，其輸出動力通過聯軸器傳遞給減速器，減速器帶動旋轉臺旋轉，減速器固定在主機架的底板上、支架的下方，旋轉裝置為鑽頭提供旋轉的動力和轉速。
旋轉臺上還設有井底座和人工井底，人工井底固設在井底座內，旋轉臺帶動井底座和人工井底旋轉。
人工井底的材質為橡膠或塑料或高韌性金屬材料或顆粒介質等受壓變形材料。
加載裝置包括液壓源或氣壓源、調壓閥、蓄能器、液壓缸或氣缸、活塞、活塞杆、對中接頭和鑽頭接頭組成，液壓源或氣壓源、調壓閥、蓄能器順次連接，通過油管與液壓缸或氣缸連接。
對中接頭通過軸承與鑽頭接頭連接，且對中接頭設在鑽頭接頭的上方。
對中接頭的上端面和活塞杆的下端面分別設有彼此相互配合的錐面，保證對中接頭與液壓缸或氣缸的活塞杆同心設置，施加的壓力不會偏離鑽頭軸線。
測試裝置為轉速測量儀、壓力表或壓力傳感器、扭矩測量儀、溫度傳感器、計時器。
綜上所述，採用本發明牙輪鑽頭軸承的磨合方法和磨合系統，鑽頭軸承磨合過程能夠得到很好的控制，磨合質量有保證，可以減少鑽頭的先期損壞，延長鑽頭的使用壽命，並具有簡便、靈活、效率高、成本低等優點。
圖1為本發明的牙輪鑽頭軸承磨合系統的結構示意圖；圖2為圖1的A-A剖視圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細的說明。
如圖1、2所示，本發明的牙輪鑽頭軸承磨合系統由主機架、旋轉裝置、加載裝置、測試裝置、人工井底等組成。具體地講，主機架由底板4、四根立柱6、上橫梁17、支架5等組成，主機架有足夠的強度和剛度，能夠承受鑽頭鑽壓的反作用力。
旋轉裝置由電動機及調速器1、聯軸器2、減速器3、旋轉臺8等組成。電動機1通過聯軸器2、減速器3帶動旋轉臺8旋轉，旋轉臺8與減速器3的輸出軸之間通過鍵連接傳遞扭矩；在旋轉臺8與支架5之間設置止推滾動軸承7，將鑽壓傳遞給支架5，使減速器3不受鑽壓作用；人工井底10及井底座9放置在旋轉臺8上，採用井底10反時針旋轉、鑽頭11加壓的方式。
加載裝置由油箱28、油泵27、調壓閥26、蓄能器25、液壓表24、油管23、液壓缸21、活塞20、活塞密封22、活塞杆19、復位彈簧18、鑽頭接頭12、對中接頭16、止推滾動軸承15等組成。工作時，高壓油推動活塞20及活塞杆19，通過對中接頭16、止推滾動軸承15、鑽頭接頭12給鑽頭11加壓，通過調壓閥26調節液壓控制鑽壓。對中接頭16與活塞杆19之間的錐面配合保證施加的鑽壓不會偏離鑽頭軸線。採用蓄能器25減小壓力波動，實現平穩加壓。停泵時，復位彈簧18使活塞20和活塞杆19復位，留出足夠的空間用於裝卸鑽頭11。
測試裝置由轉速測量儀(圖中未示出)、液壓表24、扭矩測量儀14、計時器(圖中未示出)等組成。鑽頭扭矩可採用多種方法測量，既可通過壓杆13和壓力傳感器測出壓力換算得到，也可通過壓杆13壓住油缸活塞測出油缸的油壓，然後換算出壓力和扭矩量；還可在鑽頭接頭12與對中接頭16之間加一個扭矩傳感器直接測量。為了保證扭矩的測量精度，在對中接頭16和鑽頭接頭12之間安裝有止推滾動軸承15，減小外力產生的摩擦力矩對鑽頭扭矩測量的影響。軸承溫度的測量需要鑽頭生產廠在鑽頭加工時就預留出測量孔，在現有鑽頭上還不便測量。
人工井底10固定在井底座9內，井底座9與旋轉臺8之間為鑲嵌連接，傳遞扭矩；人工井底的材料為橡膠或塑料或高韌性金屬材料或顆粒介質等受壓變形材料，要求能夠承受鑽頭鑽壓，同時鑽頭11在其上運動不產生體積破碎，無明顯進尺。人工井底10與井底座9可一起更換，人工井底10也可單獨更換。
如圖1、圖2所示，本發明鑽頭軸承磨合過程是這樣的預先通過在地面上的專用裝置來完成，磨合過程參數根據鑽頭尺寸、型號和使用條件具體確定，可精確控制，通常可採用下列方式之一進行磨合(1)穩定轉速，分階段逐步加載至實際使用鑽壓(2)穩定鑽壓，分階段逐步提高轉速至實際轉速(3)從小到大，分階段逐步增加鑽壓轉速，直至實際的鑽壓轉速磨合時間的長短，主要根據在實際的鑽壓轉速下鑽頭扭矩是否達到平穩正常進行判斷。
需要磨合的鑽頭在該裝置上安裝好後，通過加載裝置加壓，通過旋轉裝置使其軸承轉動，在人工井底上模擬鑽進過程進行磨合，測試系統監測磨合過程參數。
磨合過程參數也可採用計算機採集和記錄。扭矩測量儀可監測軸承磨合程度，鑽壓轉速穩定時，磨合初期鑽頭扭矩較大且不穩定，磨合後期鑽頭扭矩較小且相對平穩；如出現扭矩一直異常波動不穩定，說明軸承質量可能存在問題。
為了測試鑽頭軸承密封的可靠性，可以通過傳壓孔向鑽頭的儲油補償系統加上適當的氣壓(圖中未示出)，使軸承密封在一定的壓力差條件進行帶壓磨合、測試，觀察磨合過程中是否存在潤滑脂洩漏現象。如存在洩漏，表明軸承密封有問題，密封不可靠，不能入井使用。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種牙輪鑽頭軸承的磨合方法，其特徵在於該方法包括如下步驟步驟1將需要磨合的牙輪鑽頭安裝固定在磨合系統上；步驟2牙輪鑽頭與磨合系統中的人工井底產生相對轉動，並對二者平穩加壓，通過模擬牙輪鑽頭在井下鑽進的過程對其進行磨合；步驟3在整個磨合過程中對各種參數進行實時監測，直到磨合參數達到要求。
2.根據權利要求1所述的牙輪鑽頭軸承的磨合方法，其特徵在於所述的步驟2為人工井底旋轉、鑽頭加壓或者鑽頭旋轉、人工井底加壓。
3.根據權利要求1所述的牙輪鑽頭軸承的磨合方法，其特徵在於所述的步驟2的具體方法為穩定牙輪鑽頭和人工井底的相對轉速、逐步加載至實際使用鑽壓；或者穩定鑽壓、逐步提高牙輪鑽頭和人工井底的相對轉速至實際轉速；或者將鑽壓和牙輪鑽頭與人工井底的相對轉速從小到大同時逐步增加。
4.根據權利要求1所述的牙輪鑽頭軸承的磨合方法，其特徵在於所述的步驟3的實時監測參數為轉速、壓力、扭矩、軸承溫度、時間。
5.一種牙輪鑽頭軸承的磨合系統，其特徵在於所述的系統至少包括主機架、旋轉裝置、加載裝置，其中，旋轉裝置和加載裝置都固設在主機架上，旋轉裝置通過主機架固定在整個系統的下方，加載裝置則固定在整個系統的上方，旋轉裝置為鑽頭提供動力和轉速，加載裝置為鑽頭提供穩定的鑽壓，通過對牙輪鑽頭旋轉過程中逐步加載，實現對其軸承磨合。
6.根據權利要求5所述的牙輪鑽頭軸承的磨合系統，其特徵在於所述的系統還包括測試裝置，該測試裝置用於實時監測磨合過程中的各種參數。
7.根據權利要求5所述的牙輪鑽頭軸承的磨合系統，其特徵在於所述的主機架包括底板、立柱、上橫梁和支架，其中，支架底端固定在底板上，頂端將旋轉臺支託起來，立柱底端固定在底板上，頂端與上橫梁固設在一起，上橫梁用於固定加載裝置。
8.根據權利要求5所述的牙輪鑽頭軸承的磨合系統，其特徵在於所述的旋轉裝置包括電動機及調速器、聯軸器、減速器和旋轉臺，電動機及調速器固定在主機架的底板上，其輸出動力通過聯軸器傳遞給減速器，減速器帶動旋轉臺旋轉，減速器固定在主機架的底板上、支架的下方，旋轉裝置為鑽頭提供旋轉的動力和轉速。
9.根據權利要求8所述的牙輪鑽頭軸承的磨合系統，其特徵在於所述的旋轉臺上還設有井底座和人工井底，人工井底固設在井底座內，旋轉臺帶動井底座和人工井底旋轉。
10.根據權利要求9所述的牙輪鑽頭軸承的磨合系統，其特徵在於所述的人工井底的材質為橡膠或塑料或高韌性金屬材料或顆粒介質等受壓變形材料。
11.根據權利要求5所述的牙輪鑽頭軸承的磨合系統，其特徵在於所述的加載裝置包括液壓源或氣壓源、調壓閥、蓄能器、液壓缸或氣缸、活塞、活塞杆、對中接頭和鑽頭接頭組成，液壓源或氣壓源、調壓閥、蓄能器順次連接，通過油管與液壓缸或氣缸連接。
12.根據權利要求11所述的牙輪鑽頭軸承的磨合系統，其特徵在於所述的對中接頭的上端面和活塞杆的下端面分別設有彼此相互配合的錐面，保證對中接頭與液壓缸或氣缸的活塞杆同心設置，施加的壓力不會偏離鑽頭軸線。
全文摘要
一種牙輪鑽頭軸承的磨合方法和系統，該方法包括如下步驟步驟1將待磨合的牙輪鑽頭安裝固定在磨合系統上；步驟2牙輪鑽頭與磨合系統中的人工井底產生相對轉動，並對二者平穩加壓，通過模擬牙輪鑽頭在井下鑽進的過程對其進行磨合；步驟3在整個磨合過程中對各種參數進行實時監測，直到磨合參數達到要求；該磨合系統至少包括主機架、旋轉裝置、加載裝置和測試裝置。採用本發明牙輪鑽頭軸承磨合的方法和系統，鑽頭軸承磨合過程能夠得到很好的控制，磨合質量有保證，可以減少鑽頭的先期損壞，延長鑽頭的使用壽命，並具有簡便、靈活、效率高、成本低等優點。
文檔編號E21B10/22GK1510247SQ0215876
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月26日 優先權日2002年12月26日
發明者李樹盛 申請人:石油大學(北京)