高频扭转冲击钻具冲击参数测试装置及方法与流程

本发明涉及一种高频扭转冲击钻具冲击参数测试装置及方法，属于石油勘探开发领域。

背景技术：

在石油天然气勘探开发中，钻井费用占石油生产综合成本的大部分，钻井技术水平直接影响油气勘探开发效益。随着石油工业的发展，深井超深井勘探开发的比例正逐步增加。深部硬地层的快速钻进是深井超深井钻井中的一大技术难题，是制约深井超深井钻井发展的技术关键。随着井深的增加，岩石的硬度和塑性增大，可钻性变差。常规钻井技术在钻深部硬地层时不但钻井效率低，还频繁出现由振动引起的钻具失效。高频扭转冲击钻井是一种新兴的钻井技术，它是指在钻头的上方连接一个高频扭转冲击钻具，用于给钻进中的钻头提供低幅高频扭转冲击，从而提高机械钻速。

目前国外对高频扭转冲击钻具的研究主要集中于美国联合金刚石公司的产品torkbuster，国内单位近年来报道了多种扭转冲击钻井工具结构(例如zl200910058083.9、zl201010511421.2和zl201310698227.3等)。由于国外公司技术保密等方面的原因，有关高频扭转冲击钻具方面的研究资料较少，其实验方面的研究资料更少。为促进深部硬地层快速钻进的发展，自主研发扭转冲击钻具是一项重要而又紧迫的工作。高频扭转冲击钻具作为一种新产品，对其进行整机试验并测量其工作参数是必不可少的。

技术实现要素：

本发明的目的是：为了实现高频扭转冲击钻具冲击参数的测试，从而指导工具设计及其使用，特提出一种高频扭转冲击钻具冲击参数测试装置及方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：高频扭转冲击钻具冲击参数测试装置，由动力系统、泥浆循环系统、冲击系统及数据采集系统组成，其特征在于：动力系统包括柴油机、风机、离合器和电线组成，所述柴油机为动力系统的动力源，柴油机与风机共同控制离合器从而控制泥浆泵的开闭及排量；泥浆循环系统包括泥浆池、泥浆泵、控制阀及软管，所述泥浆泵与高频扭转冲击钻具上接头间的连接以及旋转密封接头与泥浆池间的连接都采用软管；冲击系统包括高频扭转冲击钻具、冲击接头、冲击臂、旋转密封接头、深沟球轴承及密封圈，所述高频扭转冲击钻具固定于试验台架上，冲击接头与高频扭转冲击钻具的传动轴通过螺纹连接，冲击臂固定于冲击接头上，旋转密封接头与冲击接头通过深沟球轴承连接，冲击接头与旋转密封接头连接处设有两个密封圈；数据采集系统包括流量计、冲击传感器、电荷放大器、plc控制系统及电线，所述流量计设置于泥浆泵与高频扭转冲击钻具连接的管线中，冲击传感器固定于试验台架上紧邻冲击臂的位置，高频扭转冲击钻具内部产生的高频扭转冲击通过冲击臂传递，冲击臂直接对冲击传感器产生动态冲击力，冲击传感器与plc控制系统间设有电荷放大器，plc控制系统可采集冲击传感器及流量计的数据。

2.高频扭转冲击钻具冲击参数测试方法，其特征在于包括以下步骤：①测试准备工作，包括将高频扭转冲击钻具固定于试验台架上、向泥浆池充入泥浆、连接试验装置、检查装置；②启动柴油机预热10-15分钟，启动plc控制系统，控制柴油机上用于控制风机的开关处于关闭状态，管路中的控制阀也处于关闭状态；③打开控制阀，启动风机，控制柴油机以100转/分的转速运转；④稳定运转10分钟，记录保存plc控制系统中不同流量下的冲击参数，包括冲击频率、冲击力以及冲击作用时间；⑤调节柴油机转速以改变泥浆泵冲程从而改变循环流量，使柴油机转速以100转/分的增幅逐渐增大，直至柴油机转速达到800转/分，此过程中对应不同的柴油机转速都重复步骤④；⑥测试结束，依次关闭风机、柴油机及控制阀，拆下测试装置。

本发明是基于机械设计与流体动力学理论，加上控制理论及信号检测知识，经实际操作而得出的方案。

本发明具有的有益效果是：(1)利用本发明的方法及装置可验证高频扭转冲击钻具运行的可行性，并可测量其冲击力、冲击频率及冲击作用时间等冲击参数；(2)本发明是在得到实际操作的良好效果基础上提出来的，实验方法简单，可操作性强，可在室内完成；(3)本发明采用真实泥浆作流体介质，所测冲击参数可供现场直接应用。

附图说明

图1是本发明高频扭转冲击钻具实验装置的结构示意图。

图2是本发明装置中冲击系统的放大图。

图3是本发明装置中高频扭转冲击钻具的结构示意图。

图4是图3的a-a剖面图。

图5是图3的b-b剖面图。

图6是本发明装置中冲击参数采集的原理图。

图中：1.泥浆池，2.柴油机，3.风机，4.离合器，5.泥浆泵，6.控制阀，7.软管，8.流量计，9.高频扭转冲击钻具，10.冲击接头，11.冲击臂，12.冲击传感器，13.深沟球轴承，14.密封圈，15.旋转密封接头，16.电荷放大器，17.电线，18.plc控制系统，19.传动轴，20.壳体，21.传动销，22.滑动块，23.驱动器，24.传动轴端帽，25.推力轴承，26.定轴，27.涡轮定子，28.涡轮转子，29.防掉拉杆，30.防掉挡盘，31.防掉端帽，32.上接头。

具体实施方式

如图1与图2，高频扭转冲击钻具冲击参数测试装置，由动力系统、泥浆循环系统、冲击系统及数据采集系统组成，其特征在于：动力系统包括柴油机2、风机3、离合器4和电线17组成，所述柴油机2为动力系统的动力源，柴油机2与风机3共同控制离合器4从而控制泥浆泵5的开闭及排量；泥浆循环系统包括泥浆池1、泥浆泵5、控制阀6及软管7，所述泥浆泵5与高频扭转冲击钻具上接头32间的连接以及旋转密封接头15与泥浆池1间的连接都采用软管7；冲击系统包括高频扭转冲击钻具9、冲击接头10、冲击臂11、旋转密封接头15、深沟球轴承13及密封圈14，所述高频扭转冲击钻具9固定于试验台架上，冲击接头10与高频扭转冲击钻具9的传动轴19通过螺纹连接，冲击臂11固定于冲击接头10上，旋转密封接头15与冲击接头10通过深沟球轴承13连接，冲击接头10与旋转密封接头15连接处设有两个密封圈14；数据采集系统包括流量计8、冲击传感器12、电荷放大器16、plc控制系统18及电线17，所述流量计8设置于泥浆泵5与高频扭转冲击钻具9连接的管线中，冲击传感器12固定于试验台架上紧邻冲击臂11的位置，高频扭转冲击钻具9内部产生的高频扭转冲击通过冲击臂11传递，冲击臂11直接对冲击传感器12产生动态冲击力，冲击传感器12与plc控制系统18间设有电荷放大器16，plc控制系统18可采集冲击传感器12及流量计8的数据。

高频扭转冲击钻具冲击参数测试方法，其特征在于包括以下步骤：①测试准备工作，包括将高频扭转冲击钻具9固定于试验台架上、向泥浆池1充入泥浆、连接试验装置、检查装置；②启动柴油机2预热10-15分钟，启动plc控制系统18，控制柴油机2上用于控制风机3的开关处于关闭状态，管路中的控制阀6也处于关闭状态；③打开控制阀6，启动风机3，控制柴油机2以100转/分的转速运转；④稳定运转10分钟，记录保存plc控制系统18中不同流量下的冲击参数，包括冲击频率、冲击力以及冲击作用时间；⑤调节柴油机2转速以改变泥浆泵5冲程从而改变循环流量，使柴油机2转速以100转/分的增幅逐渐增大，直至柴油机2转速达到800转/分，此过程中对应不同的柴油机2转速都重复步骤④；⑥测试结束，依次关闭风机3、柴油机2及控制阀6，拆下测试装置。

如图3-5所示，所述高频扭转冲击钻具9，其工作原理是传动轴19与壳体20通过花键连接，且传动轴19与壳体20的花键连接处设有周向间隙；滑动块22内部及传动轴19承撞段的外部分别设有凸起，滑动块22与传动轴19形成棘轮结构，驱动器23通过传动销21驱动滑动块22转动，滑动块22每转动一圈便撞击传动轴19一次，其每个转动周期包括同轴转动与偏心转动；驱动器23通过螺纹与定轴26下端连接，传动轴19上端设有传动轴端帽24，二者通过螺纹连接，传动轴端帽24用于防止传动轴19掉落；在定轴26与传动轴端帽24间设有一副推力轴承25，推力轴承25承受着高频扭转冲击钻具9内部零件的重量及流体推力；定轴26外端与壳体20内部分别设有台阶用于安装涡轮级，防掉拉杆29通过螺纹与定轴26连接，将涡轮转子28压紧于定轴26上，防掉挡盘30与壳体20螺纹连接，将涡轮定子27压紧于壳体20内；防掉挡盘30、防掉拉杆29及防掉端帽31共同组成高频扭转冲击钻具9的上防掉装置；上接头32用于高频将扭转冲击钻具9与其它井下钻具相连。当流体进入9扭转冲击钻具后，驱动涡轮转子28带动定轴26一起转动，定轴26带动驱动器23同速转动，驱动器23通过传动销21使滑动块22周期性地与传动轴19承撞段高速撞击，所产生低幅高频扭转冲击由传动轴19传至钻头。

如图6所示，高频扭转冲击钻具9产生的高频扭转冲击通过冲击臂11传递并撞击冲击传感器12，传至冲击传感器12的动态压力使传感器产生电荷信号，电荷信号经电荷放大器16放大，并由其信号调理模块将电荷信号转换为电压信号输入plc控制系统18，进入plc控制系统18的信号经转换显示于plc控制系统18的屏幕上，plc控制系统18可进行数据采集。