專利名稱：Pdc鉆頭頭部流場可視化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種作為井下工具PDC鉆頭頭部流場可視化裝置。
背景技術(shù)：
從現(xiàn)場PDC鉆頭的使用來看，PDC鉆頭存在的問題是在軟地層中出現(xiàn)鉆頭泥包，在硬地層中熱磨損加劇。這種現(xiàn)象要求PDC鉆頭的水力清洗和冷卻必須達到某種水平，以延長鉆頭壽命，防止鉆頭泥包。PDC鉆頭的主要包括噴嘴、流道、排屑槽等的水力結(jié)構(gòu)提供井底清洗和冷卻功能鉆井液由鉆頭噴嘴進入井底流場，經(jīng)流道流過井底與鉆頭表面，然后通過鉆頭體與井壁間的排屑槽進入環(huán)空。鉆井液在流動過程中不僅冷卻、潤滑切削齒，還同時把切下來的巖屑帶走，從而達到清洗和冷卻的目的。可見，合理組織PDC鉆頭頭部流場對提高鉆頭水力系統(tǒng)的清洗與冷卻能力是非常重要的。為了獲得合理的PDC鉆頭頭部流場，首先要正確理解PDC鉆頭頭部流場的結(jié)構(gòu)及特性，為此，必須展開大量的實驗與數(shù)值研究。由于鉆頭本身幾何形狀及工作環(huán)境的復(fù)雜性，數(shù)值研究仍然受到較大局限。在實驗方面，已有的研究主要集中于射流特性的探討，而對如何真實地、直觀地顯示PDC鉆頭流場這一研究進行得很少，未見公開報道。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是為了獲得清晰的、直觀的井下流場圖象，所得到的流場圖象有助于驗證其它研究方法的可靠性，并有利于分析PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)的清洗能力、冷卻特性及鉆頭可能產(chǎn)生的破壞，提供一套實驗用的PDC鉆頭頭部流場可視化裝置。
本實用新型的技術(shù)方案是這樣來實現(xiàn)的，一種PDC鉆頭頭部流場可視置，其特點是能夠方便且直觀可靠地顯示鉆頭頭部水力場的結(jié)構(gòu)，它由儲水池、水泵、給水管線、實驗井筒、實驗鉆頭及排水管線組成的水循環(huán)裝置、主要由實驗鉆頭、實驗井筒、支架、電磁流量計、壓力表等組成的測試裝置、高速攝影和攝像裝置、示蹤粒子加入器回收器、由變頻儀和水泵組成的流動穩(wěn)定裝置、操作控制柜及實驗鉆頭傳動裝置組成。
本實用新型提供一套PDC鉆頭頭部流場可視化裝置進行模擬井下流場實驗，獲得清晰的、直觀的井下流場圖象，所得到的流場圖象有助于驗證其它研究方法的可靠性，并有利于分析PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)的清洗能力、冷卻特性及鉆頭可能產(chǎn)生的破壞。


圖1為PDC鉆頭頭部流場可視化裝置的基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為示蹤粒子加入器示意圖；圖3為實驗鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
由圖1所示，PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特點是，它由儲水池1、水泵2、給水管線3、實驗井筒13、實驗鉆頭12及排水管線10組成的水循環(huán)裝置、主要由實驗鉆頭12、實驗井筒13、實驗支架6、電磁流量計4、壓力表等組成的測試裝置、高速攝影和攝像裝置14、示蹤粒子加入器5和回收器17、由變頻儀16和水泵2組成的流動穩(wěn)定裝置、操作控制柜15及實驗鉆頭傳動裝置組成。
由圖1所示，支撐安放井筒的實驗支架6上設(shè)計成3層，即圖1中所示的7、8、9三層，它們各有不同的作用第一層7的主要作用是放置使鉆頭旋轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)鉆頭壓力測量所需的設(shè)備，和幫助鉆桿承受鉆頭重量的設(shè)備；第二層8的作用是承受井筒出水罐段水的重量；第三層9的作用是承接有機玻璃井筒的重量，并調(diào)節(jié)鉆頭表面離井筒的距離，可調(diào)節(jié)的距離為10～20mm。將第二層與第三層分開設(shè)計，而沒有作為一整體的目的是便于擦洗鉆頭和有機玻璃表面，而不需要拆卸重量較大的鉆頭。同時配合鉆頭的獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計可有利于鉆頭表面壓力測量的進行。
高速攝影和攝像裝置14是指協(xié)助完成流場顯示的裝置設(shè)備。主要有單幅照片顯示的攝影和多幅連續(xù)顯示的高速攝影。單幅照片主要用于流場顯示中氣泡顯示法和絲線法。為了使光線充足增大照片的分辨率，拍攝中使用了兩臺舞臺追光燈具增強照明度。連續(xù)流場攝影采用了高速攝影。流動顯示的示蹤粒子是白色聚苯乙烯顆粒，密度為1.04×103Kg/m3，粒子平均直徑為1.1mm，它具有很好的跟隨性。
示蹤粒子加入器如圖2所示，它由空氣壓縮機18、氣閥19、粒子加入20、箱體固定環(huán)21、粒子觀察窗22、箱體23、粒子控流閥24及接口25組成，為了顯示井下流場的結(jié)構(gòu)，本裝置中采用了示蹤粒子顯示軌跡的做法，實驗時，關(guān)閉粒子控流閥24，將粒子加入該裝置，之后由空氣壓縮機18向裝置內(nèi)充一定壓力，并關(guān)閉氣閥19，待需加入粒子時慢慢打開控流閥24，調(diào)節(jié)粒子流出的量至合適濃度，當(dāng)裝置內(nèi)壓力低于管線內(nèi)水流壓力時，水會流入箱內(nèi)，當(dāng)裝置內(nèi)壓縮空氣達到了壓力平衡狀態(tài)，粒子便會隨主流管線內(nèi)的水一起運動。由于粒子密度與水相近，ρp＝1.04×103Kg/m3，而且粒子在管線上的加入位置離鉆頭噴嘴很遠，所以能使粒子與水流充分混合，在垂直向下的鉆桿內(nèi)隨水流均勻進入噴嘴，這樣能更精確地顯示出流場的微觀運動。粒子回收器比較簡單，在排水管線末端安置了一內(nèi)帶有孔徑為0.5mm的篩網(wǎng)的大盒體17。由于篩網(wǎng)孔徑小于粒子，故粒子既不會阻擋排出的水流出盒體，又能夠完全落于盒中。
為了清除如電流或泵運轉(zhuǎn)不穩(wěn)等外界因素對流場造成的不穩(wěn)定影響，在給水管線系統(tǒng)中需加入使流動穩(wěn)定的裝置。解決此問題的常規(guī)作法是，在管路中增加一大的水罐，使由泵出來的水在此穩(wěn)定后，再流入計量儀表和鉆頭噴嘴。由于水罐占地面積較大，成本較高，本實用新型未采用此做法，由圖1所示，而是采用通過控制變頻儀16來控制水泵2轉(zhuǎn)速均勻，達到穩(wěn)定流量的目的，同時進入管線的流體流量也由變頻儀控制泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，這樣克服了傳統(tǒng)的使用閥門來改變流量所造成的問題，如在閥門打開或關(guān)閉時，會引起管道內(nèi)壓力的波動等。
由圖3所示，實驗鉆頭表面上有噴嘴、主、副筋板各四塊，8個流道。本發(fā)明的模型鉆頭是一個鋁質(zhì)鉆頭，鋁制的鉆頭質(zhì)量較輕，便于制作和安裝。其冠部形狀為拋物線，為了方便鉆頭表面打壓力孔和壓力傳感器的安裝，我們把鉆頭分成3部分加工，即示意圖中的頭部26，后體27和蓋板28。頭部26和后體27內(nèi)部掏空，只留下很薄的一層，中間置有壓力傳感器29，以便于以后的壓力測量。鉆頭后體和鉆頭頭部的聯(lián)接是通過螺栓30實現(xiàn)的，鉆頭后體和蓋板之間也是由螺栓31聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)了鉆頭結(jié)構(gòu)的靈活可拆卸性能。
為了能在實驗室內(nèi)有效觀測到射流在井下的流動，實驗井筒由2部分組成，即便于拍攝的有機玻璃觀察段32和鋼鐵管路回水儲水段33，如圖3所示。為防止流體在兩段之間的聯(lián)接處發(fā)生泄漏，本發(fā)明采用了在回水儲水段的鋼體上開凹槽，并置有”O(jiān)”型密封圈34。實驗證明這種方法簡單可行，密封性能非常好。
權(quán)利要求1.一種PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特征在于，它由儲水池(1)、水泵(2)、給水管線(3)、實驗井筒(13)、實驗鉆頭(12)及排水管線(10)組成的水循環(huán)裝置、主要由實驗鉆頭(12)、實驗井筒(13)、實驗支架(6)、電磁流量計(4)、壓力表等組成的測試裝置、高速攝影和攝像裝置(14)、示蹤粒子加入器(5)和回收器(17)、由變頻儀(16)和水泵(2)組成的流動穩(wěn)定裝置、操作控制柜(15)及實驗鉆頭傳動裝置組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特征在于，所述的實驗鉆頭包括頭部(26)、后體(27)和蓋板(28)，頭部和后體中空置有壓力傳感器(29)，頭部和后體及蓋板和后體之間通過螺栓(30，31)聯(lián)接，冠部形狀為拋物線，置有四個噴嘴，主、副筋板各四塊，8個流道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特征在于，所述的實驗井筒由便于拍攝的有機玻璃觀察段(32)和鋼鐵管路回水儲水段(33)構(gòu)成，在在回水儲水段的鋼體上開凹槽，并置有”O(jiān)”型密封圈(34)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特征在于，所述的支架由支撐架(7)、支撐架(8)、支撐架(9)三層支撐架與一架體(6)的機架連接而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，其特征在于，所述的示蹤粒子加入器由空氣壓縮機(18)、氣閥(19)、粒子加入(20)、箱體固定環(huán)(21)、粒子觀察窗(22)、箱體(23)、粒子控流閥(24)及接口(25)組成。
專利摘要本實用新型涉及一種PDC鉆頭頭部流場可視化裝置，特點是，它由儲水池、水泵、給水管線、實驗井筒、實驗鉆頭及水循環(huán)裝置、測試裝置、高速攝影和攝像裝置、示蹤粒子加入器和回收器、由變頻儀和水泵組成的流動穩(wěn)定裝置、控制柜及實驗鉆頭傳動裝置組成。用此裝置模擬井下流場實驗，可獲得清晰的、直觀的井下流場圖象，所得到的流場圖象有助于驗證其它研究方法的可靠性，并有利于分析PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)的清洗能力、冷卻特性及鉆頭可能產(chǎn)生的破壞。
文檔編號E21B10/00GK2592841SQ0228364
公開日2003年12月17日 申請日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者陳康民 申請人:上海理工大學(xué)