一种优选钻头及破岩参数的装置与方法与流程

本发明属于钻头，尤其涉及一种优选钻头及破岩参数的装置与方法。

背景技术：

1、石油天然气钻井过程中，钻杆及井下动力钻具将动力传递给钻头，钻头通过冲击、切削等方式破碎地层岩石。当前世界范围内，绝大部分钻井进尺由pdc钻头完成，不同结构pdc钻头在不同地层、破岩参数条件下使用效果存在较大差异，其中破岩过程中钻头振动强度是影响其使用效果的主要因素之一，钻头剧烈振动会降低机械钻速，加速钻头磨损、甚至导致钻头蹦齿提前起钻。

2、pdc钻头破岩振动强度受地层岩性、破岩参数、钻头结构等诸多因素影响，针对软硬交错非均质地层中pdc钻头剧烈振动，人们通过pdc钻头上设计切削深度控制装置,实现非均质地层中控制钻头切削深度从而降低振动强度保护钻头。同时鉴于同一井段中均质岩性地层钻进时，切削深度控制装置降低了pdc钻头攻击性，限制了钻头机械钻速最大化发挥，为此，人们通过在pdc钻头上设计包含可滚动的切削深度控制装置，实现同一井段中岩性均质地层中最大化发挥钻头攻击性、软硬交错等非均质地层控制切削深度以降低振动强度保护钻头，确保全井段高速钻进同时实现钻头进尺最大化。但是受钻头价格和装置稳定性等因素影响，该类型钻头尚未在开展规模化应用。

3、当常规pdc钻头在均质地层中钻进时，钻头优选主要依据井段机械钻速与进尺长度，忽略了钻头结构与地层岩性对钻头振动强度、切削齿磨损速率的影响，同时井段钻进过程中常采用强化破岩参数提高机械钻速，忽略了强化破岩参数对钻头振动强度影响，强化破岩参数在提高机械钻速同时，可能加剧钻头振动、造成钻头先期磨损提前起钻。钻井过程中破岩参数主要通过改变钻头切削深度影响钻头机械钻速，而不同结构pdc钻头在不同岩性中振动强度随切削深度变化规律不尽相同。

4、中国发明专利cn 105401935 a中公开了一种钻井钻压计算方法、装置及钻压指示设备，所述方法包括：获取实时钻井数据，利用建立的分析模型处理所述实时钻井数据，获取优化后实时钻井数据；获取钻柱的力学特征数据，将所述优化后实时钻井数据与所述力学特征数据进行耦合得到井下轴向振动强度指数；将获取的钻井工程参数建立用于实时评价轴向振动诱发的破岩效率的能效评价综合指数；基于所述井下轴向振动强度指数、能效评价综合指数和机械钻速确定钻井的最优钻压。此方法没有考虑到切削深度对pdc钻头磨损的影响，所以此方法对于延长pdc钻头寿命的效果十分有限。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种优选钻头及破岩参数的装置与方法，本发明要解决的技术问题是如何降低钻头振动强度、延长钻头寿命和实现趟钻进尺最大化挖掘。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种优选钻头及破岩参数的装置，包括岩心、底座、破碎系统、支撑架、传感器组件以及数据采集与处理系统；

3、破碎系统与支撑架的上部连接，底座位于破碎系统的下方，传感器组件位于破碎系统的中部，数据采集与处理系统与传感器组件电连接；

4、岩心设置在底座上部，底座能够以不同的转速进行旋转；

5、破碎系统设置在岩心的上方，能够对岩心施加不同的压力；

6、传感器组件能够将检测到的电信号传输给数据采集与处理系统进行处理。

7、破碎系统与支撑架的上部连接，底座位于破碎系统的下方，传感器组件与破碎系统的中部连接，数据采集与处理系统与传感器组件电连接。

8、支撑架为门型框架，起到支撑作用。

9、传感器组件能够检测钻头位移、钻压扭矩、三轴振动等数据。

10、数据采集与处理系统能够对传感器组件传输过来的位移、钻压扭矩、三轴振动电信号进行处理分析。

11、进一步的，底座包括转盘和岩心夹持器，岩心夹持器与转盘的上部连接。

12、岩心夹持器能够将岩心夹持住。转盘能够带着岩心旋转。

13、进一步的，岩心设置在岩心夹持器的中部。

14、进一步的，破碎系统包括钻头、钻铤和加压装置，加压装置与支撑架的上部连接，加压装置的下部与钻铤连接，钻头连接在钻铤的末端。钻头、钻铤和加压装置用于给岩心施加压力。钻头设置在岩心的上方，钻头能够与岩心直接接触。

15、进一步的，所述钻头为pdc钻头。

16、进一步的，传感器组件包括位移传感器、钻压扭矩传感器、三轴振动传感器和传感器数据线，位移传感器、钻压扭矩传感器和三轴振动传感器分别与钻铤连接，位移传感器、钻压扭矩传感器和三轴振动传感器通过传感器数据线与数据采集与处理系统连接。

17、进一步的，所述钻铤从上到下依次连接有位移传感器、钻压扭矩传感器和三轴振动传感器。

18、进一步的，支撑架为具有左右两侧立柱的“门型”框架结构。

19、一种优选钻头及破岩参数的方法，其特征在于，用于以上所述的优选钻头及破岩参数的装置，包括如下步骤：

20、s1.获取待试验钻头和目标地层岩性岩心；

21、s2.通过岩心夹持器将目标地层岩性岩心固定；

22、s3.加压装置通过钻铤给钻头施加钻压，同时转盘旋转；

23、s4.位移传感器、钻压扭矩传感器和三轴振动传感器将测量的钻头的位移、钻压扭矩和三轴振动强度的电信号通过传感器数据线传输给数据采集与处理系统进行处理；

24、s5.数据采集与处理系统完成传感器测量电信号的数值输出；

25、s6.对获取的试验数据进行处理，获得试验钻头在目标岩性岩心中破岩机械钻速随钻压、转速分布情况，钻头三轴振动强度随钻压、转速分布情况；

26、s7.对比不同钻头在相同目标岩性岩心中和相同破岩参数范围内机械钻速及振动强度分布，优选机械钻速最快和振动强度最低的钻头；

27、s8.分析优选钻头的振动强度随切削深度变化规律，进行钻压、转速和排量的选择。

28、进一步的，步骤s8还包括当优选钻头振动强度随切削深度增大而减小，优选钻头目标地层中推荐高钻压、低转速、小排量钻进。

29、进一步的，步骤s8还包括当优选钻头振动强度随切削深度增加无明显变化，优选钻头目标地层中推荐高钻压、高转速、大排量钻进。

30、进一步的，步骤s8还包括当优选钻头振动强度随切削深度增大而增大，优选钻头目标地层中推荐高钻压、高转速、大排量钻进。

31、进一步的，步骤s1中目标地层岩性岩心为灰岩。

32、进一步的，步骤s1中岩心规格为300*300*300mm。

33、进一步的，步骤s3中加压装置给钻头施加钻压为10-15kn、20-25kn或者30-35kn。

34、进一步的，步骤s3中转盘的转速分别为20r/min、35r/min或者50r/min。

35、通过岩心夹持器将目标地层岩性岩心固定，将钻头安装在钻铤下端后，加压装置通过钻铤给钻头施加钻压，同时转盘以一定转速顺时针旋转，试验过程中钻铤与钻头保持相对静止，位移传感器、钻压扭矩传感器和三轴振动传感器将测量近钻头位移、钻压扭矩、三轴振动强度电信号通过传感器数据线传输给数据采集与处理系统进行处理，数据采集与处理系统通过内置软件完成传感器测量电信号的数值输出。

36、本发明通过装置试验确定不同钻头在目标地层岩心中机械钻速随破岩参数的变化规律和振动强度随钻头切削深度的变化规律，进行钻头及破岩参数(钻压、转速及排量)的优选，从而实现pdc钻头在目标地层中高速钻进的同时，能够降低钻头振动强度和延长钻头寿命。