專利名稱：一種石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
石油鉆頭是破碎地層巖石的主要工具，是石油鉆井工程中提高機(jī)械鉆速、降低鉆井成本的重要手段。高性能鉆頭產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研究都是建立在理論和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，鉆頭試驗(yàn)主要是進(jìn)行全鉆頭破碎不同地層巖石試驗(yàn)和鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)，全鉆頭試驗(yàn)主要是測(cè)試鉆頭在一定鉆井參數(shù)條件下破碎不同巖石的機(jī)械鉆速和破碎井底，鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)?zāi)M鉆頭牙齒的運(yùn)動(dòng)和破巖狀況，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)采集試驗(yàn)過(guò)程中的鉆頭和齒圈轉(zhuǎn)速、鉆頭位移、鉆壓及扭矩信號(hào)。目前針對(duì)鉆頭研究開(kāi)展的試驗(yàn)主要是全尺寸鉆頭試驗(yàn)和鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)，全鉆頭試驗(yàn)主要是檢測(cè)新型鉆頭鉆進(jìn)不同地層巖石的破碎規(guī)律；鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)主要是研究不同鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)、齒面結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)參數(shù)與地層巖石的破碎規(guī)律?，F(xiàn)有全鉆頭試驗(yàn)和鉆頭齒圈復(fù)合運(yùn)動(dòng)破巖試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)主要是由傳感器、轉(zhuǎn)速測(cè)定儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗(yàn)過(guò)程中的鉆頭、牙輪和齒圈轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)；由傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗(yàn)過(guò)程中的鉆頭位移、鉆壓及扭矩模擬信號(hào)。但是隨著鉆頭研究進(jìn)一步的深化，現(xiàn)有鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)存在很多問(wèn)題已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段鉆頭研究和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的需要，比如研究鉆頭及5個(gè)牙齒的運(yùn)動(dòng)和受力情況， 現(xiàn)有兩張8通道數(shù)據(jù)采集卡的模擬量通道不夠，不能全面滿足試驗(yàn)需要的擴(kuò)展功能；由于液壓系統(tǒng)、電機(jī)和環(huán)境等的影響，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集的信號(hào)含有大量的噪聲，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高；動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備價(jià)格昂貴，測(cè)試系統(tǒng)硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的鉆頭試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，以能夠快捷、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)采集鉆頭及各個(gè)牙齒的運(yùn)動(dòng)及受力情況，從而為鉆頭的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和科學(xué)化設(shè)計(jì)提供重要的試驗(yàn)手段。石油鉆頭在井底工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)， 除了鉆頭繞自身軸線作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和牙輪繞牙掌軸線作逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外， 還有軸向縱振及牙輪的滑動(dòng)，這幾種運(yùn)動(dòng)是鉆井時(shí)同時(shí)發(fā)生、綜合在一起的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。石油鉆頭就是在上述復(fù)合運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊、壓碎及滑動(dòng)剪切作用下破碎巖石的。石油鉆頭鉆進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向振動(dòng)，在每次振動(dòng)中，鉆頭上行時(shí)壓縮下部鉆柱，鉆頭下行時(shí)則鉆柱恢復(fù)原長(zhǎng)，其勢(shì)能轉(zhuǎn)化為鉆頭的動(dòng)載荷。鉆頭工作時(shí)，牙齒作用到巖石上的力有靜載荷(加在鉆頭上的鉆壓)和動(dòng)載荷(鉆頭與下部鉆柱加速下降而產(chǎn)生的動(dòng)載)，也就是說(shuō)牙齒沖擊破碎巖石時(shí)，鉆頭受到巖石的反作用力也等于靜載荷與動(dòng)載荷之和。鉆頭在井下工作時(shí)，除了受到縱向靜載荷和動(dòng)載荷外，由于鉆柱旋轉(zhuǎn)，還要受到扭矩作用。當(dāng)鉆壓較大，牙齒吃入巖石較深，尤其是牙齒在井底滑動(dòng)較大時(shí)，鉆頭承受的扭矩更大。石油鉆頭在井底工作時(shí)，由于鉆頭在井底產(chǎn)生縱振，使鉆柱不斷壓縮和伸張，下部鉆柱把這種周期性的彈性變形能傳遞給牙齒，產(chǎn)生牙齒對(duì)巖石的沖擊、壓碎作用，這種破碎方式是石油鉆頭破碎巖石的主要方式之一。
石油鉆頭工作時(shí)，由于鉆頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及地層摩擦阻力的影響而產(chǎn)生滑動(dòng)，轉(zhuǎn)速越快、滑動(dòng)量越大，對(duì)巖石的剪切破碎越大，從而通過(guò)牙齒的滑動(dòng)剪切井底巖石，提高破碎效率。根據(jù)上述對(duì)石油鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)、受力和破碎巖石情況的簡(jiǎn)要分析，可以看出在鉆頭的研究過(guò)程中，必須有效地分析鉆頭破巖運(yùn)動(dòng)所承受的鉆壓、扭矩作用以及鉆頭和牙輪的轉(zhuǎn)速。隨著石油鉆井深度增加和地層巖石的復(fù)雜化，根據(jù)不同地層巖石特點(diǎn)開(kāi)發(fā)高性能鉆頭的研究工作更加迫切，目前現(xiàn)有鉆頭試驗(yàn)的控制和測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段鉆頭的研究和開(kāi)發(fā)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法，該石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法能快速測(cè)得石油鉆頭的破巖性能，且測(cè)試精度高，測(cè)試步驟簡(jiǎn)單，降低了人工成本，進(jìn)而降低了整個(gè)測(cè)試成本。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法，包括以下步驟(a)首先安裝傳感器在石油鉆頭體及下轉(zhuǎn)盤上；(b)再安裝巖石固定在試驗(yàn)架的下轉(zhuǎn)盤上；(c)然后分別開(kāi)動(dòng)清水、可控硅調(diào)速裝置、液壓控制臺(tái)，輕壓慢轉(zhuǎn)造井底，井底造好后對(duì)鉆壓、扭矩及鉆進(jìn)深度進(jìn)行標(biāo)零，并調(diào)整好動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、石油鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測(cè)定儀、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(d)最后進(jìn)行不同參數(shù)條件下石油鉆頭破巖試驗(yàn)，從而獲得不同參數(shù)條件下石油鉆頭的破巖性能。所述步驟(a)中，傳感器為磁芯傳感器。所述步驟(a)中，傳感器數(shù)目為4個(gè)。所述步驟(C)中，破巖性能包括鉆壓、扭矩、機(jī)械鉆速、鉆頭轉(zhuǎn)速、各牙輪與鉆頭的轉(zhuǎn)速比及井底模式。所述鉆壓、扭矩和進(jìn)尺參數(shù)的采取時(shí)間間隔為1秒鐘，鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)隨時(shí)采集。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是能快速測(cè)得石油鉆頭的破巖性能，且測(cè)試精度高，測(cè)試步驟簡(jiǎn)單，降低了人工成本，進(jìn)而降低了整個(gè)測(cè)試成本。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。實(shí)施例本發(fā)明涉及的一種石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法，其具體步驟如下(a)首先安裝傳感器在石油鉆頭體及下轉(zhuǎn)盤上；(b)再安裝巖石固定在試驗(yàn)架的下轉(zhuǎn)盤上；
(c)然后分別開(kāi)動(dòng)清水、可控硅調(diào)速裝置、液壓控制臺(tái)，輕壓慢轉(zhuǎn)造井底，井底造好后對(duì)鉆壓、扭矩及鉆進(jìn)深度進(jìn)行標(biāo)零，并調(diào)整好動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、石油鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測(cè)定儀、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(d)最后進(jìn)行不同參數(shù)條件下石油鉆頭破巖試驗(yàn)，從而獲得不同參數(shù)條件下石油鉆頭的破巖性能。所述步驟(a)中，傳感器為磁芯傳感器。所述步驟(a)中，傳感器數(shù)目為4個(gè)。所述步驟(C)中，破巖性能包括鉆壓、扭矩、機(jī)械鉆速、鉆頭轉(zhuǎn)速、各牙輪與鉆頭的轉(zhuǎn)速比及井底模式。所述鉆壓、扭矩和進(jìn)尺參數(shù)的采取時(shí)間間隔為1秒鐘，鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)隨時(shí)采集。本發(fā)明的原理為在給定鉆壓及轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)的條件下測(cè)量鉆頭破碎不同巖石的機(jī)械鉆速和破碎井底。鉆頭鉆壓、扭矩測(cè)量是在薄璧接頭上粘貼應(yīng)變片，鉆進(jìn)深度是用位移傳感器，然后都通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)獲得。牙輪轉(zhuǎn)速測(cè)量則是通過(guò)固定在鉆頭體上的磁芯傳感器(探測(cè)牙輪外排齒)，即每當(dāng)一枚牙輪外排齒的頂部經(jīng)過(guò)磁芯傳感器，后者就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測(cè)定儀、數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)獲得，而鉆頭轉(zhuǎn)速測(cè)量則是通過(guò)固定在下轉(zhuǎn)盤上的磁芯傳感器，探測(cè)下轉(zhuǎn)盤粘貼的銅片而獲得。施加鉆頭鉆壓則是通過(guò)鉆頭試驗(yàn)架的自重及調(diào)節(jié)液壓控制臺(tái)控制油缸進(jìn)油量的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，鉆頭轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過(guò)可控硅調(diào)速裝置、直流電機(jī)、調(diào)速箱及試驗(yàn)架下轉(zhuǎn)盤來(lái)實(shí)現(xiàn)。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法，其特征在于，包括以下步驟(a)首先安裝傳感器在石油鉆頭體及下轉(zhuǎn)盤上；(b)再安裝巖石固定在試驗(yàn)架的下轉(zhuǎn)盤上；(c)然后分別開(kāi)動(dòng)清水、可控硅調(diào)速裝置、液壓控制臺(tái)，輕壓慢轉(zhuǎn)造井底，井底造好后對(duì)鉆壓、扭矩及鉆進(jìn)深度進(jìn)行標(biāo)零，并調(diào)整好動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、石油鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測(cè)定儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(d)最后進(jìn)行不同參數(shù)條件下石油鉆頭破巖試驗(yàn)，從而獲得不同參數(shù)條件下石油鉆頭的破巖性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法，其特征在于，所述步驟 (a)中，傳感器為磁芯傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法，其特征在于，所述步驟 (a)中，傳感器數(shù)目為4個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法，其特征在于，所述步驟 (c)中，破巖性能包括鉆壓、扭矩、機(jī)械鉆速、鉆頭轉(zhuǎn)速、各牙輪與鉆頭的轉(zhuǎn)速比及井底模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法，其特征在于，所述鉆壓、 扭矩和進(jìn)尺參數(shù)的采取時(shí)間間隔為1秒鐘，鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)隨時(shí)采集。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法。該石油鉆頭破巖性能的測(cè)試方法包括安裝傳感器和巖石；進(jìn)行造井底；最后進(jìn)行不同參數(shù)條件下石油鉆頭破巖試驗(yàn)，從而獲得不同參數(shù)條件下石油鉆頭的破巖性能等步驟。本發(fā)明能快速測(cè)得石油鉆頭的破巖性能，且測(cè)試精度高，測(cè)試步驟簡(jiǎn)單，降低了人工成本，進(jìn)而降低了整個(gè)測(cè)試成本。
文檔編號(hào)G01M13/00GK102466565SQ201010558638
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者常萍 申請(qǐng)人:常萍