專利名稱：一種石油鉆頭破巖性能的測試方法
技術領域：
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：
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械鉆速、降低鉆井成本的重要手段。高性能鉆頭產品的開發(fā)和研究都是建立在理論和試驗研究基礎上，鉆頭試驗主要是進行全鉆頭破碎不同地層巖石試驗和鉆頭齒圈復合運動破巖試驗，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械鉆速和破碎井底，鉆頭齒圈復合運動破巖試驗模擬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合運動破巖試驗，全鉆頭試驗主要是檢測新型鉆頭鉆進不同地層巖石的破碎規(guī)律；鉆頭齒圈復合運動破巖試驗主要是研究不同鉆頭結構參數(shù)、齒面結構和鉆進參數(shù)與地層巖石的破碎規(guī)律。現(xiàn)有全鉆頭試驗和鉆頭齒圈復合運動破巖試驗的測試系統(tǒng)主要是由傳感器、轉速測定儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗過程中的鉆頭、牙輪和齒圈轉速脈沖信號；由傳感器、動態(tài)應變儀以及數(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)存在很多問題已經不能滿足現(xiàn)階段鉆頭研究和新產品開發(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展功能；由于液壓系統(tǒng)、電機和環(huán)境等的影響，動態(tài)應變儀采集的信號含有大量的噪聲，試驗數(shù)據(jù)準確性不高；動態(tài)應變儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設備價格昂貴，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)代測試技術的鉆頭試驗測試系統(tǒng)，以能夠快捷、準確、實時采集鉆頭及各個牙齒的運動及受力情況，從而為鉆頭的新產品開發(fā)和科學化設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)是相當復雜的。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，這幾種運動是鉆井時同時發(fā)生、綜合在一起的復合運動。石油鉆頭就是在上述復合運動所產生的沖擊、壓碎及滑動剪切作用下破碎巖石的。石油鉆頭鉆進時會產生縱向振動，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原長，其勢能轉化為鉆頭的動載荷。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，還要受到扭矩作用。當鉆壓較大，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(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速。隨著石油鉆井深度增加和地層巖石的復雜化，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)已經不能滿足現(xiàn)階段鉆頭的研究和開發(fā)的需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足，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，進而降低了整個測試成本。本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(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盤上；(b)再安裝巖石固定在試驗架的下轉盤上；(c)然后分別開動清水、可控硅調速裝置、液壓控制臺，輕壓慢轉造井底，井底造好后對鉆壓、扭矩及鉆進深度進行標零，并調整好動態(tài)應變儀、石油鉆頭及牙輪轉速測定儀、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(d)最后進行不同參數(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、機械鉆速、鉆頭轉速、各牙輪與鉆頭的轉速比及井底模式。所述鉆壓、扭矩和進尺參數(shù)的采取時間間隔為1秒鐘，鉆頭及牙輪轉動產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(fā)明作進一步的詳細說明，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盤上；(b)再安裝巖石固定在試驗架的下轉盤上；
(c)然后分別開動清水、可控硅調速裝置、液壓控制臺，輕壓慢轉造井底，井底造好后對鉆壓、扭矩及鉆進深度進行標零，并調整好動態(tài)應變儀、石油鉆頭及牙輪轉速測定儀、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(d)最后進行不同參數(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、機械鉆速、鉆頭轉速、各牙輪與鉆頭的轉速比及井底模式。所述鉆壓、扭矩和進尺參數(shù)的采取時間間隔為1秒鐘，鉆頭及牙輪轉動產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速等鉆井參數(shù)的條件下測量鉆頭破碎不同巖石的機械鉆速和破碎井底。鉆頭鉆壓、扭矩測量是在薄璧接頭上粘貼應變片，鉆進深度是用位移傳感器，然后都通過動態(tài)應變儀、數(shù)據(jù)采集儀及計算機獲得。牙輪轉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)，即每當一枚牙輪外排齒的頂部經過磁芯傳感器，后者就發(fā)出一個脈沖信號，這些信號通過鉆頭及牙輪轉速測定儀、數(shù)據(jù)采集儀及計算機獲得，而鉆頭轉速測量則是通過固定在下轉盤上的磁芯傳感器，探測下轉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節(jié)液壓控制臺控制油缸進油量的大小來實現(xiàn)，鉆頭轉速調節(jié)是通過可控硅調速裝置、直流電機、調速箱及試驗架下轉盤來實現(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(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
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盤上；(b)再安裝巖石固定在試驗架的下轉盤上；(c)然后分別開動清水、可控硅調速裝置、液壓控制臺，輕壓慢轉造井底，井底造好后對鉆壓、扭矩及鉆進深度進行標零，并調整好動態(tài)應變儀、石油鉆頭及牙輪轉速測定儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(d)最后進行不同參數(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、機械鉆速、鉆頭轉速、各牙輪與鉆頭的轉速比及井底模式。
5.根據(jù)權利要求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、 扭矩和進尺參數(shù)的采取時間間隔為1秒鐘，鉆頭及牙輪轉動產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；進行造井底；最后進行不同參數(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)先權日2010年11月18日
發(fā)明者常萍 申請人:常萍