水力振荡轴向冲击室内实验装置及实验方法
【专利摘要】本发明涉及的是水力振荡轴向冲击室内实验装置及实验方法，其中的水力振荡轴向冲击室内实验装置包括外壳、导流器、叶轮、叶轮轴、叶轮座、收缩筒，外壳内部通过环形凸台被分隔成二级收缩腔，叶轮通过叶轮轴安装在叶轮座上，收缩筒座在环形凸台上，叶轮座坐在收缩筒上，导流器置于叶轮座上，丝堵旋紧在外壳上端口处并将导流器、叶轮座、收缩筒紧固在外壳中；导流器内有截面为直角梯形的导流腔体，导流腔的下端口靠近叶轮的一侧；收缩筒具有三级收缩腔，在第一级收缩腔四周钻有导压孔，导压孔与收缩腔外壁的测压槽相通，外壳有用于安装传感器的测试孔，测试孔与测压槽相通。本发明旨在通过不断的调整实验，实时的检测相关指标数据，对冲击器的结构参数进行优化，解决现存常规冲击器结构参数不合理的问题。
【专利说明】水力振荡轴向冲击室内实验装置及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油行业钻井用工具的室内实验装置及方法，具体涉及水力振荡轴向冲击室内实验装置及实验方法。
【背景技术】
[0002]破岩技术是油气钻井技术的核心内容，也是钻井工程基础理论研究的重点。在深井、超深井中，高效破岩技术更显重要。破岩效率的好坏直接决定着钻井速度和成本，更决定着钻井工程的经济效益。
[0003]当前，各类冲击器是提高深井机械钻速的主要井下动力工具。而其中尤以水力振荡冲击器为最。水力振荡冲击器通过在钻头上部安放一定的水力能量转换机构，使钻头在旋转的同时产生纵向振动，而且可能还伴有脉冲射流空化作用，可大大的提高破岩效率，提高钻速，缩短建井周期，大大的降低建井成本。专利20101014685和专利20122013596分别提供了一种液动冲击器，但存在较多的连接、活动件，形成易损、薄弱部位，大大降低了常规液动冲击器寿命。同时，其弹簧等缓冲储能装置以及冲击锤等中间结构的存在以及结构参数不合理等因素也降低了冲击器的冲击功，影响了冲击器冲击效能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供水力振荡轴向冲击室内实验装置及实验方法，这种水力振荡轴向冲击室内实验装置旨在通过不断的调整实验，实时的检测相关指标数据，对冲击器的结构参数进行优化，解决现存常规冲击器结构参数不合理的问题。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:这种水力振荡轴向冲击室内实验装置包括外壳、导流器、叶轮、叶轮轴、叶轮座、收缩筒，外壳内部通过环形凸台被分隔成二级收缩腔，叶轮通过叶轮轴安装在叶轮座上，收缩筒座在环形凸台上，叶轮座坐在收缩筒上，导流器置于叶轮座上，丝堵旋紧在外壳上端口处并将导流器、叶轮座、收缩筒紧固在外壳中；导流器内有截面为直角梯形的导流腔体，导流腔的下端口靠近叶轮的一侧，导流器下端面具有扇形台，扇形台的圆弧面与叶轮相配合，提供叶轮旋转的空间，扇形台的直角外壁与叶轮座相配合，叶轮座顶靠在直角外壁处；收缩筒具有三级收缩腔，三级收缩腔的内径顺次减小，在第一级收缩腔四周钻有导压孔，导压孔与收缩腔外壁的测压槽相通，外壳有用于安装传感器的测试孔，测试孔与测压槽相通。
[0006]上述方案中叶轮座具有长方体形腔室，沿腔室长度方向设置有通孔，用于与叶轮轴相配合安装叶轮。
[0007]上述方案中外壳下部安装传动短接，传动短接为具有顶面的筒状物，其顶面的周边缘为圆角，并在圆角处均匀设置有与内腔相通的斜孔；传动短接外壁呈为上大下小的台肩状，传动短接的台肩与外壳共同构成弹簧室，弹簧安装在弹簧室内；传动短接下部有内螺纹。
[0008]上述方案中外壳与传动短接之间设置有O型圈，安装O型圈可实现传动短接的轴向密封。
[0009]上述方案中传动短接具有六个斜孔，这六个斜孔直通传动短接内腔，形成液体的流动通道。
[0010]上述水力振荡轴向冲击室内实验装置的实验方法是:
(1)将具有一定重量的金属工作台底座固定在表面十分平整的水泥、岩石等硬质实体平面上；
(2)将所述的水力振荡轴向冲击室内实验装置竖直固定在工作台上；
(3)将高压泵通过管道连接至所述的丝堵，将出水管连接到传动短接，出水管连接到水箱，使工作液重新返水箱，实现工作液循环使用；
(4)在收缩筒第一收缩段测压槽对应的外壳测试孔处连接液压传感器，在传动短接下部紧连的出水管上连接荷重传感器，对液压和冲击力进行实时采集，并在计算机实时显示，液压传感器、荷重传感器、计算机构成数据采集系统；
(5)先打开高压泵，待平稳后打开数据采集系统，进行相关参数采集；
(6)不断调整水力振荡轴向冲击室内实验装置中重要零部件的结构参数，重复进行步骤(5)直到优选出最佳的结构尺寸。
[0011]本发明具有以下有益效果:
1、本发明考虑了实验过程中压力测量，在收缩筒处留有压力传递的导压孔，在外壳相应部位设计了测试孔，安装传感器后即可进行相应测量，同时本发明配合数据采集系统，实现了相关参数的实时量化。
[0012]2、本发明各个零件均具有可换性，可对某个单独零件进行内部改造更换，进行多次重复或者不重复实验，最终优选出零件的最佳参数。
[0013]3、本发明只有丝堵一处螺纹，通常，由于冲击器在工作过程中频繁受到冲击，连接薄弱部位越少越好，可大大提高冲击器寿命。
[0014]4、本发明结构简单，易于实现，成本较低，便于进行多次实验。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中导流器的结构示意图；
图3是本发明中叶轮座的结构示意图；
图4是本发明中叶轮的结构示意图图5是本发明中外壳的结构示意图；
图6是本发明中收缩筒的结构示意图；
图7为本发明中传动短接的结构示意图；
图8是本发明中丝堵的结构示意图；
图9是本发明进行实验的系统结构图。
[0016]图中:1.外壳；2.导流器；3.叶轮；4.叶轮座；5.传动短接；6.收缩筒；7.丝堵；8.叶轮轴；9.轴向密封槽；10.弹簧；11.密封槽；12.导流腔；13.扇形台；14.导压孔；15.测压槽；16.水箱；17.高压泵；18.入水管；19.稳流段；20.水力振荡轴向冲击室内实验装置；21.荷重传感器；22.出水管；23.液压传感器；24.信号处理器；25.通信线路；26.计算机；27.斜孔。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0018]如图1所示，这种水力振荡轴向冲击室内实验装置包括外壳1、导流器2、叶轮3、叶轮轴8、叶轮座4、收缩筒6、传动短接5，参阅图5，外壳I内部通过环形凸台被分隔成二级收缩腔，叶轮参阅图4，叶轮3通过叶轮轴8安装在叶轮座4内，收缩筒6座在环形凸台上，参阅图3，叶轮座4具有长方体形腔室，沿腔室长度方向设置有通孔，用于与叶轮轴8相配合安装叶轮3。叶轮座4坐在收缩筒6上，导流器2置于叶轮座4上，丝堵7旋紧在外壳I上端口处并将导流器2、叶轮座4、收缩筒6紧固在外壳I中，丝堵参阅图8，传动短接5放置在外壳I的最下部，位于第二级收缩腔内，可防止在试验时液体压力过大而使传动短接脱离壳体出现事故。传动短接5与收缩筒6之间留出一定的空间，便于传动短接5在水力冲击作用下实现其纵向振动的效果。
[0019]参阅图2，导流器2内有截面为直角梯形的导流腔体，导流腔12上端口粗，下端口细，导流腔12的下端口靠近叶轮3的一侧，斜面的作用是将水流引导到下部叶轮3的一侧，以使叶轮3不断地转动；导流器2下端面具有扇形台13，扇形台13的圆弧面与叶轮3相配合，提供叶轮3旋转的空间，扇形台13的直角外壁与叶轮座4相配合，叶轮座4顶靠在直角外壁处。导流器2的上端面设置有密封槽11，用于实现丝堵7与导流器2之间的密封。
[0020]参阅图6，收缩筒6具有三级收缩腔，三级收缩腔的内径顺次减小，第一级收缩腔起收拢所用流体的作用，第二级收缩腔最长，起到聚能的作用。在第一级收缩腔四周钻有导压孔14，导压孔14与收缩腔外壁的测压槽15相通，外壳I有用于安装传感器的测试孔，测试孔与测压槽15相通。导压孔14将液压传递到收缩口外侧的测压槽15内，通过外壳I上部测试孔，可连接传感器，进行实验过程的压力测量。
[0021]参阅图7，传动短接5为具有顶面的筒状物，其顶面的周边缘为圆角，并在圆角处均匀设置有与内腔相通的六个斜孔27，这六个斜孔27直通传动短接5内腔，形成液体的流动通道；传动短接5外壁呈为上大下小的台肩状，传动短接5的台肩与外壳共同构成弹簧室，弹簧10安装在弹簧室内；传动短接5下部有内螺纹。外壳I与传动短接5之间设置有O型圈，O型圈设置在传动短接外壁的轴向密封槽9内，安装O型圈可实现传动短接5的轴向密封。
[0022]参阅图9，上述水力振荡轴向冲击室内实验装置的实验方法是:
(1)将具有一定重量的金属工作台底座固定在表面十分平整的水泥、岩石等硬质实体平面上；
(2)将所述的水力振荡轴向冲击室内实验装置20竖直固定在工作台上；
(3)将高压泵17通过入水管18连接至所述的丝堵7，入水管18上安装有调节阀，调节阀与丝堵7之间的入水管为稳流段19，入水管18的另一端连接到水箱16，将出水管22连接到传动短接5，出水管22另一端连接到水箱16，使工作液重新返水箱16，实现工作液循环使用；
(4)在收缩筒6第一收缩段测压槽15对应的外壳测试孔处连接液压传感器23，在传动短接5下部紧连的出水管上连接荷重传感器21，液压传感器23和荷重传感器21分别通过信号处理器24、通信线路25连接计算机26，对液压和冲击力进行实时采集，并在计算机26实时显示，液压传感器23、荷重传感器21、计算机26构成数据采集系统；
(5)先打开高压泵17，待平稳后打开数据采集系统，进行相关参数采集；
(6)不断调整水力振荡轴向冲击室内实验装置20中重要零部件的结构参数，重复进行步骤(5)直到优选出最佳的结构尺寸。
[0023](7)实验先关闭数据采集系统，然后再关闭高压泵17。
[0024](8)对实验装置拆除，对传感器等擦干后进行保存。
[0025](9)打扫实验室卫生。
【权利要求】
1.一种水力振汤轴向冲击室内实验装直，其特征在于:这种水力振汤轴向冲击室内实验装置包括外壳(I)、导流器(2)、叶轮(3)、叶轮轴(8)、叶轮座(4)、收缩筒(6)，外壳(I)内部通过环形凸台被分隔成二级收缩腔，叶轮(3)通过叶轮轴(8)安装在叶轮座(4)上，收缩筒(6)座在环形凸台上，叶轮座(4)坐在收缩筒(6)上，导流器(2)置于叶轮座(4)上，丝堵(7)旋紧在外壳(I)上端口处并将导流器(2)、叶轮座(4)、收缩筒(6)紧固在外壳(I)中；导流器(2)内有截面为直角梯形的导流腔体，导流腔(12)的下端口靠近叶轮(3)的一侧，导流器(2)下端面具有扇形台(13)，扇形台(13)的圆弧面与叶轮(3)相配合，提供叶轮(3)旋转的空间，扇形台(13)的直角外壁与叶轮座(4)相配合，叶轮座(4)顶靠在直角外壁处；收缩筒(6)具有三级收缩腔，三级收缩腔的内径顺次减小，在第一级收缩腔四周钻有导压孔(14)，导压孔(14)与收缩腔外壁的测压槽(15)相通，外壳(I)有用于安装传感器的测试孔，测试孔与测压槽(15)相通。
2.根据权利要求1所述的水力振荡轴向冲击室内实验装置，其特征在于:所述的叶轮座(4)具有长方体形腔室，沿腔室长度方向设置有通孔，用于与叶轮轴(8)相配合安装叶轮(3)。
3.根据权利要求2所述的水力振荡轴向冲击室内实验装置，其特征在于:所述的外壳(I)下部安装传动短接(5)，传动短接(5)为具有顶面的筒状物，其顶面的周边缘为圆角，并在圆角处均匀设置有与内腔相通的斜孔(27);传动短接(5)外壁呈为上大下小的台肩状，传动短接(5)的台肩与外壳(I)共同构成弹簧室，弹簧(10)安装在弹簧室内；传动短接(5)下部有内螺纹。
4.根据权利要求3所述的水力振荡轴向冲击室内实验装置，其特征在于:所述的外壳(I)与传动短接(5 )之间设置有O型圈。
5.根据权利要求4所述的水力振荡轴向冲击室内实验装置，其特征在于:所述的传动短接(5)具有六个斜孔(27)，这六个斜孔(27)直通传动短接(5)内腔，形成液体的流动通道。
6.一种权利要求1或2或3或4或5所述的水力振荡轴向冲击室内实验装置的实验方法，其特征在于: 一、将具有一定重量的金属工作台底座固定在表面十分平整的硬质实体平面上； 二、将所述的水力振荡轴向冲击室内实验装置(20)竖直固定在工作台上； 三、将高压泵(17)通过管道连接至所述的丝堵(7)，将出水管(22)连接到传动短接(5)，出水管(22)连接到水箱(16)，使工作液重新返水箱(16)，实现工作液循环使用； 四、在收缩筒(6)第一收缩段测压槽(15)对应的外壳测试孔处连接液压传感器(23)，在传动短接(5)下部紧连的出水管上连接荷重传感器(21)，对液压和冲击力进行实时采集，并在计算机(26)实时显示，液压传感器(23)、荷重传感器(21)、计算机(26)构成数据采集系统； 五、先打开高压泵(17)，待平稳后打开数据采集系统，进行相关参数采集； 六、不断调整水力振荡轴向冲击室内实验装置(20)中重要零部件的结构参数，重复进行步骤五直到优选出最佳的结构尺寸。
【文档编号】G01M13/00GK104266826SQ201410359560
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】李玮, 闫铁, 纪照生, 李思琪, 刘维凯, 杨斌 申请人:东北石油大学