專利名稱：一種石油鉆頭破巖性能的測試方法
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)品的開發(fā)和研究都是建立在理論和試驗研究基礎(chǔ)上，鉆頭試驗主要是進(jìn)行全鉆頭破碎不同地層巖石試驗和鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗，全鉆頭試驗主要是測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)合運動破巖試驗?zāi)M鉆頭牙齒的運動和破巖狀況，通過測試系統(tǒng)采集試驗過程中的鉆頭和齒圈轉(zhuǎn)速、鉆頭位移、鉆壓及扭矩信號。目前針對鉆頭研究開展的試驗主要是全尺寸鉆頭試驗和鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗，全鉆頭試驗主要是檢測新型鉆頭鉆進(jìn)不同地層巖石的破碎規(guī)律；鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗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)有全鉆頭試驗和鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗的測試系統(tǒng)主要是由傳感器、轉(zhuǎn)速測定儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗過程中的鉆頭、牙輪和齒圈轉(zhuǎn)速脈沖信號；由傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗過程中的鉆頭位移、鉆壓及扭矩模擬信號。但是隨著鉆頭研究進(jìn)一步的深化，現(xiàn)有鉆頭試驗測試系統(tǒng)存在很多問題已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段鉆頭研究和新產(chǎn)品開發(fā)的需要，比如研究鉆頭及5個牙齒的運動和受力情況， 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，動態(tài)應(yīng)變儀采集的信號含有大量的噪聲，試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高；動態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備價格昂貴，測試系統(tǒng)硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于現(xiàn)代測試技術(shù)的鉆頭試驗測試系統(tǒng)，以能夠快捷、準(zhǔn)確、實時采集鉆頭及各個牙齒的運動及受力情況，從而為鉆頭的新產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)化設(shè)計提供重要的試驗手段。石油鉆頭在井底工作時的運動狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。鉆頭在井底運動， 除了鉆頭繞自身軸線作順時針方向旋轉(zhuǎn)運動和牙輪繞牙掌軸線作逆時針方向旋轉(zhuǎn)運動外， 還有軸向縱振及牙輪的滑動，這幾種運動是鉆井時同時發(fā)生、綜合在一起的復(fù)合運動。石油鉆頭就是在上述復(fù)合運動所產(chǎn)生的沖擊、壓碎及滑動剪切作用下破碎巖石的。石油鉆頭鉆進(jìn)時會產(chǎn)生縱向振動，在每次振動中，鉆頭上行時壓縮下部鉆柱，鉆頭下行時則鉆柱恢復(fù)原長，其勢能轉(zhuǎn)化為鉆頭的動載荷。鉆頭工作時，牙齒作用到巖石上的力有靜載荷(加在鉆頭上的鉆壓)和動載荷(鉆頭與下部鉆柱加速下降而產(chǎn)生的動載)，也就是說牙齒沖擊破碎巖石時，鉆頭受到巖石的反作用力也等于靜載荷與動載荷之和。鉆頭在井下工作時，除了受到縱向靜載荷和動載荷外，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較大時，鉆頭承受的扭矩更大。石油鉆頭在井底工作時，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，由于鉆頭的設(shè)計結(jié)構(gòu)及地層摩擦阻力的影響而產(chǎn)生滑動，轉(zhuǎn)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(jù)上述對石油鉆頭在井底運動、受力和破碎巖石情況的簡要分析，可以看出在鉆頭的研究過程中，必須有效地分析鉆頭破巖運動所承受的鉆壓、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)不同地層巖石特點開發(fā)高性能鉆頭的研究工作更加迫切，目前現(xiàn)有鉆頭試驗的控制和測試系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段鉆頭的研究和開發(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)的缺點和不足，提供一種石油鉆頭破巖性能的測試方法，該石油鉆頭破巖性能的測試方法能快速測得石油鉆頭的破巖性能，且測試精度高，測試步驟簡單，降低了人工成本，進(jìn)而降低了整個測試成本。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種石油鉆頭破巖性能的測試方法，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架的下轉(zhuǎn)盤上；(c)然后分別開動清水、可控硅調(diào)速裝置、液壓控制臺，輕壓慢轉(zhuǎn)造井底，井底造好后對鉆壓、扭矩及鉆進(jìn)深度進(jìn)行標(biāo)零，并調(diào)整好動態(tài)應(yīng)變儀、石油鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測定儀、 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，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。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)的采取時間間隔為1秒鐘，鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的脈沖信號隨時采集。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是能快速測得石油鉆頭的破巖性能，且測試精度高，測試步驟簡單，降低了人工成本，進(jìn)而降低了整個測試成本。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例本發(fā)明涉及的一種石油鉆頭破巖性能的測試方法，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架的下轉(zhuǎn)盤上；
(c)然后分別開動清水、可控硅調(diào)速裝置、液壓控制臺，輕壓慢轉(zhuǎn)造井底，井底造好后對鉆壓、扭矩及鉆進(jìn)深度進(jìn)行標(biāo)零，并調(diào)整好動態(tài)應(yīng)變儀、石油鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測定儀、 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，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。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)的采取時間間隔為1秒鐘，鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的脈沖信號隨時采集。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，然后都通過動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀及計算機(jī)獲得。牙輪轉(zhuǎn)速測量則是通過固定在鉆頭體上的磁芯傳感器(探測牙輪外排齒)，即每當(dāng)一枚牙輪外排齒的頂部經(jīng)過磁芯傳感器，后者就發(fā)出一個脈沖信號，這些信號通過鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測定儀、數(shù)據(jù)采集儀及計算機(jī)獲得，而鉆頭轉(zhuǎn)速測量則是通過固定在下轉(zhuǎn)盤上的磁芯傳感器，探測下轉(zhuǎn)盤粘貼的銅片而獲得。施加鉆頭鉆壓則是通過鉆頭試驗架的自重及調(diào)節(jié)液壓控制臺控制油缸進(jìn)油量的大小來實現(xiàn)，鉆頭轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過可控硅調(diào)速裝置、直流電機(jī)、調(diào)速箱及試驗架下轉(zhuǎn)盤來實現(xiàn)。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對以上實施例所作的任何簡單修改、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架的下轉(zhuǎn)盤上；(c)然后分別開動清水、可控硅調(diào)速裝置、液壓控制臺，輕壓慢轉(zhuǎn)造井底，井底造好后對鉆壓、扭矩及鉆進(jìn)深度進(jìn)行標(biāo)零，并調(diào)整好動態(tài)應(yīng)變儀、石油鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)速測定儀、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，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試方法，其特征在于，所述步驟 (a)中，傳感器數(shù)目為4個。
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)的采取時間間隔為1秒鐘，鉆頭及牙輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的脈沖信號隨時采集。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石油鉆頭破巖性能的測試方法。該石油鉆頭破巖性能的測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，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)明能快速測得石油鉆頭的破巖性能，且測試精度高，測試步驟簡單，降低了人工成本，進(jìn)而降低了整個測試成本。
文檔編號G01M13/00GK102466565SQ201010558638
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者常萍 申請人:常萍