一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法
2023-04-25 09:32:41
專利名稱：一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法
技術領域：
本發明涉及一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法。
背景技術：
石油鑽頭是破碎地層巖石的主要工具，是石油鑽井工程中提高機械鑽速、降低鑽井成本的重要手段。高性能鑽頭產品的開發和研究都是建立在理論和試驗研究基礎上，鑽頭試驗主要是進行全鑽頭破碎不同地層巖石試驗和鑽頭齒圈複合運動破巖試驗，全鑽頭試驗主要是測試鑽頭在一定鑽井參數條件下破碎不同巖石的機械鑽速和破碎井底，鑽頭齒圈複合運動破巖試驗模擬鑽頭牙齒的運動和破巖狀況，通過測試系統採集試驗過程中的鑽頭和齒圈轉速、鑽頭位移、鑽壓及扭矩信號。目前針對鑽頭研究開展的試驗主要是全尺寸鑽頭試驗和鑽頭齒圈複合運動破巖試驗，全鑽頭試驗主要是檢測新型鑽頭鑽進不同地層巖石的破碎規律；鑽頭齒圈複合運動破巖試驗主要是研究不同鑽頭結構參數、齒面結構和鑽進參數與地層巖石的破碎規律。現有全鑽頭試驗和鑽頭齒圈複合運動破巖試驗的測試系統主要是由傳感器、轉速測定儀以及數據採集卡採集試驗過程中的鑽頭、牙輪和齒圈轉速脈衝信號；由傳感器、動態應變儀以及數據採集卡採集試驗過程中的鑽頭位移、鑽壓及扭矩模擬信號。但是隨著鑽頭研究進一步的深化，現有鑽頭試驗測試系統存在很多問題已經不能滿足現階段鑽頭研究和新產品開發的需要，比如研究鑽頭及5個牙齒的運動和受力情況， 現有兩張8通道數據採集卡的模擬量通道不夠，不能全面滿足試驗需要的擴展功能；由於液壓系統、電機和環境等的影響，動態應變儀採集的信號含有大量的噪聲，試驗數據準確性不高；動態應變儀和數據採集卡等硬體設備價格昂貴，測試系統硬體成本高等。因此迫切需要建立一套基於現代測試技術的鑽頭試驗測試系統，以能夠快捷、準確、實時採集鑽頭及各個牙齒的運動及受力情況，從而為鑽頭的新產品開發和科學化設計提供重要的試驗手段。石油鑽頭在井底工作時的運動狀態和受力狀態是相當複雜的。鑽頭在井底運動， 除了鑽頭繞自身軸線作順時針方向旋轉運動和牙輪繞牙掌軸線作逆時針方向旋轉運動外， 還有軸向縱振及牙輪的滑動，這幾種運動是鑽井時同時發生、綜合在一起的複合運動。石油鑽頭就是在上述複合運動所產生的衝擊、壓碎及滑動剪切作用下破碎巖石的。石油鑽頭鑽進時會產生縱向振動，在每次振動中，鑽頭上行時壓縮下部鑽柱，鑽頭下行時則鑽柱恢復原長，其勢能轉化為鑽頭的動載荷。鑽頭工作時，牙齒作用到巖石上的力有靜載荷(加在鑽頭上的鑽壓)和動載荷(鑽頭與下部鑽柱加速下降而產生的動載)，也就是說牙齒衝擊破碎巖石時，鑽頭受到巖石的反作用力也等於靜載荷與動載荷之和。鑽頭在井下工作時，除了受到縱向靜載荷和動載荷外，由於鑽柱旋轉，還要受到扭矩作用。當鑽壓較大，牙齒吃入巖石較深，尤其是牙齒在井底滑動較大時，鑽頭承受的扭矩更大。石油鑽頭在井底工作時，由於鑽頭在井底產生縱振，使鑽柱不斷壓縮和伸張，下部鑽柱把這種周期性的彈性變形能傳遞給牙齒，產生牙齒對巖石的衝擊、壓碎作用，這種破碎方式是石油鑽頭破碎巖石的主要方式之一。
石油鑽頭工作時，由於鑽頭的設計結構及地層摩擦阻力的影響而產生滑動，轉速越快、滑動量越大，對巖石的剪切破碎越大，從而通過牙齒的滑動剪切井底巖石，提高破碎效率。根據上述對石油鑽頭在井底運動、受力和破碎巖石情況的簡要分析，可以看出在鑽頭的研究過程中，必須有效地分析鑽頭破巖運動所承受的鑽壓、扭矩作用以及鑽頭和牙輪的轉速。隨著石油鑽井深度增加和地層巖石的複雜化，根據不同地層巖石特點開發高性能鑽頭的研究工作更加迫切，目前現有鑽頭試驗的控制和測試系統已經不能滿足現階段鑽頭的研究和開發的需求。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法，該測試方法能快速測得石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能，且測試精度高，測試步驟簡單，降低了人工成本，進而降低了整個測試成本。本發明的目的通過下述技術方案實現一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法，包括以下步驟(a)首先將採集的露頭巖樣加工成測試用的標準巖樣並風乾；(b)將切割好的巖塊裝入試驗機巖石夾持器盒內；(c)根據石油鑽頭的結構參數和試驗齒圈在鑽頭的位置，在試驗機上調整好試驗齒圈的移軸距、軸傾角及鑽頭牙爪基準尺寸；(d)根據全鑽頭的仿真試驗結果，調整鑽頭轉速；並按試驗齒圈的牙輪與鑽頭轉速的一定傳動比，調整好試驗用齒輪；(e)確定試驗齒圈應施加的鑽壓大小；(f)啟動電機使試驗機轉盤轉動，通過操作控制臺自動控制試驗齒圈破巖過程中的啟動、加載、保持恆載和卸載等過程，同時通過壓力傳感器及鑽頭轉速測定儀實時連續測量石油鑽頭破巖過程中的性能參數；(g)測量合格破碎坑的坑深、面積和體積，獲得破碎坑的形貌與鑽頭齒圈上牙齒破巖過程中運動與動力之間的對應關係。所述步驟(a)中，測試用的標準巖樣的尺寸為300 X 300 X 300mm3。所述步驟(a)中，風乾時間至少為兩周。所述步驟(f)中，破巖性能參數包括鑽壓、扭矩、機械鑽速、鑽頭轉速、各牙輪與鑽頭的轉速比及井底模式。所述鑽壓、扭矩和進尺參數的採取時間間隔為1秒鐘，鑽頭及牙輪轉動產生的脈衝信號隨時採集。綜上所述，本發明的有益效果是能快速測得石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能，且測試精度高，測試步驟簡單，降低了人工成本，進而降低了整個測試成本。
具體實施例方式下面結合實施例，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不僅限於此。實施例本發明涉及的一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法，其具體步驟如下(a)首先將採集的露頭巖樣加工成測試用的標準巖樣並風乾；(b)將切割好的巖塊裝入試驗機巖石夾持器盒內；(c)根據石油鑽頭的結構參數和試驗齒圈在鑽頭的位置，在試驗機上調整好試驗齒圈的移軸距、軸傾角及鑽頭牙爪基準尺寸；(d)根據全鑽頭的仿真試驗結果，調整鑽頭轉速；並按試驗齒圈的牙輪與鑽頭轉速的一定傳動比，調整好試驗用齒輪；(e)確定試驗齒圈應施加的鑽壓大小；(f)啟動電機使試驗機轉盤轉動，通過操作控制臺自動控制試驗齒圈破巖過程中的啟動、加載、保持恆載和卸載等過程，同時通過壓力傳感器及鑽頭轉速測定儀實時連續測量石油鑽頭破巖過程中的性能參數；(g)測量合格破碎坑的坑深、面積和體積，獲得破碎坑的形貌與鑽頭齒圈上牙齒破巖過程中運動與動力之間的對應關係。所述步驟(a)中，測試用的標準巖樣的尺寸為300 X 300 X 300mm3。所述步驟(a)中，風乾時間至少為兩周。所述步驟(f)中，破巖性能參數包括鑽壓、扭矩、機械鑽速、鑽頭轉速、各牙輪與鑽頭的轉速比及井底模式。所述鑽壓、扭矩和進尺參數的採取時間間隔為1秒鐘，鑽頭及牙輪轉動產生的脈衝信號隨時採集。本發明的原理為在保持鑽頭齒圈在全尺寸鑽頭上的位置與結構參數不變的情況下，根據全尺寸鑽頭的仿真試驗結果，確定合理的鑽壓、轉速和牙輪與鑽頭的轉速比；然後通過快速加(卸)載裝置實現在極短時間內將鑽壓加到全尺寸鑽頭齒圈破巖時所需的鑽壓，又在極短的時間內使齒圈與巖石互作用的牙齒脫離巖石，即齒圈牙齒破碎巖石的有效行程為一圈(包括加載和卸載過程)，在數據採集過程中，三分之一圈作為加載過程和卸載過程，三分之二圈作為齒圈有效破碎巖石，這樣就保證了能準確地測量正常工況下鑽頭牙齒與巖石的相互作用過程，在試驗過程中則用數據採集系統和計算機記錄鑽頭牙齒與巖石相互作用過程中的運動參數和動力參數；最後，測量鑽頭齒圈破巖後破碎坑的深度，破碎面積及破碎體積。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明做任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質，對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法，其特徵在於，包括以下步驟(a)首先將採集的露頭巖樣加工成測試用的標準巖樣並風乾；(b)將切割好的巖塊裝入試驗機巖石夾持器盒內；(c)根據石油鑽頭的結構參數和試驗齒圈在鑽頭的位置，在試驗機上調整好試驗齒圈的移軸距、軸傾角及鑽頭牙爪基準尺寸；(d)根據全鑽頭的仿真試驗結果，調整鑽頭轉速；並按試驗齒圈的牙輪與鑽頭轉速的一定傳動比，調整好試驗用齒輪；(e)確定試驗齒圈應施加的鑽壓大小；(f)啟動電機使試驗機轉盤轉動，通過操作控制臺自動控制試驗齒圈破巖過程中的啟動、加載、保持恆載和卸載等過程，同時通過壓力傳感器及鑽頭轉速測定儀實時連續測量石油鑽頭破巖過程中的性能參數；(g)測量合格破碎坑的坑深、面積和體積，獲得破碎坑的形貌與鑽頭齒圈上牙齒破巖過程中運動與動力之間的對應關係。
2.根據權利要求1所述的一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法，其特徵在於，所述步驟(a)中，測試用的標準巖樣的尺寸為300X300X300mm3。
3.根據權利要求1所述的一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法，其特徵在於，所述步驟(a)中，風乾時間至少為兩周。
4.根據權利要求1所述的一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法，其特徵在於，所述步驟(f)中，破巖性能參數包括鑽壓、扭矩、機械鑽速、鑽頭轉速、各牙輪與鑽頭的轉速比及井底模式。
5.根據權利要求4所述的一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法，其特徵在於，所述鑽壓、扭矩和進尺參數的採取時間間隔為1秒鐘，鑽頭及牙輪轉動產生的脈衝信號隨時採集。
全文摘要
本發明公開了一種石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法。該石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能測試方法包括加工標準巖樣並風乾；將標準巖樣裝入試驗機後並調整試驗機；通過試驗機測得石油鑽頭破巖過程中的性能參數等步驟。本發明能快速測得石油鑽頭齒圈複合運動狀態下的破巖性能，且測試精度高，測試步驟簡單，降低了人工成本，進而降低了整個測試成本。
文檔編號E21B47/00GK102465696SQ20101055864
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月18日 優先權日2010年11月18日
發明者常萍 申請人:常萍