[發明專利]全鉆頭破巖試驗系統及其試驗方法

無效

• 申請號: 201110373932.7
• 申請日: 2011-11-07
• 公開（公告）號: CN103091082A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 汪建平
• 申請（專利權）人: 汪建平
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種全鉆頭破巖試驗系統及其試驗方法。

背景技術

在石油鉆井中，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。為了提高鉆頭的破巖效率，達到降低成本的目的，就必須針對不同的鉆井地層設計和選用適合地層特性的鉆頭。目前國內外研究鉆頭破巖效率的主要方法有現場試驗和室內試驗，現場試驗就是針對不同地層設計好的鉆頭在現場的應用，然后再修改設計和重新加工，這樣開發一種特性鉆頭需要的周期長，成本高；室內主要的試驗方法有單齒垂直壓入試驗、鉆頭齒圈復合運動破巖試驗和全尺寸鉆頭鉆進試驗。

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、齒面結構和鉆進參數與地層巖石的破碎規律。現有全鉆頭試驗和鉆頭齒圈復合運動破巖試驗的測試系統主要是由傳感器、轉速測定儀以及數據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、動態應變儀以及數據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，現有鉆頭試驗測試系統存在很多問題已經不能滿足現階段鉆頭研究和新產品開發的需要，比如：研究鉆頭及5個牙齒的運動和受力情況，現有兩張8通道數據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、電機和環境等的影響，動態應變儀采集的信號含有大量的噪聲，試驗數據準確性不高；動態應變儀和數據采集卡等硬件設備價格昂貴，測試系統硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于現代測試技術的鉆頭試驗測試系統，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和科學化設計提供重要的試驗手段。

鉆頭新產品開發在理論研究的基礎上必須經過試驗驗證其性能，鉆頭試驗對研究和開發高性能產品具有非常重要的作用。在國外，美國Smith?Bits公司、Hughes?Christensen公司、Halliburton公司及英國SchlumbergerCambridge公司等都建立了鉆頭試驗測試架，對新開發鉆頭進行試驗研究找出其優缺點，并相應地制定了鉆頭試驗的檢測標準；同時各公司都申請了相應的鉆頭仿真設計專利，其中大部分是以鉆頭試驗為基礎的，通過開展鉆頭試驗取得了不少的研究成果，開發出一系列特性或高性能鉆頭，對于提高鉆頭的機械轉速、破碎效率等起到了很重要的作用。

1975年，在美國猶他州的鹽湖城建成了第一個全尺寸模擬井下條件的試驗架，可以用來試驗鉆頭、井下工具和一些井下動力鉆具。用液壓控制系統施加鉆進壓力，伺服控制系統可以按試驗目的的需要控制以恒鉆壓、恒鉆速或恒扭矩方式鉆進。在鉆進過程中，可動態測量的數據有：鉆壓、轉速、扭矩、巖石的覆蓋應力、圍限應力、孔隙壓力和鉆頭的進尺量和進尺速度。1985年，英國斯倫貝謝劍橋公司建成了另一個世界聞名的模擬井下條件的鉆井試驗架，該試驗架可以模擬井深5000m的壓力和溫度。它的整個試驗操作控制、井下模擬條件控制和試驗數據的采集與處理都用計算機系統的閉環控制，其控制和測試系統較先進。

在國內，江漢鉆頭股份公司、成都總機廠、西南石油大學、大慶油田等單位進行鉆頭新產品開發和科學化設計研究且都建立了相應的鉆頭試驗架，對提高我國鉆頭性能和研究、趕上世界水平起到了一定的作用。1989年，中國石油天然氣總公司北京石油勘探開發研究院鉆井所建成一臺模擬井底情況的小型鉆頭試驗架。該試驗架能夠做37/8in以下鉆頭在3500m井深條件下的鉆進試驗并進行試驗過程中的數據采集和分析處理。90年代，大慶油田的鉆井技術研究所建成一臺模擬6000m井深條件的大型鉆井試驗架。從1981年起，西南石油大學鉆頭研究所就對鉆頭角速度和牙輪角速度進行試驗研究，在大型鉆頭試驗架上進行全尺寸鉆頭試驗，該試驗架可給鉆頭施加300kN的鉆壓，并通過傳感器測得試驗過程中的脈沖信號及模擬信號，再輸入二次儀表和計算機進行處理，得到試驗過程中的鉆壓、扭矩、位移及鉆頭轉速等信號。80年代初，西南石油大學鉆頭研究所在中國石油天然氣總公司的大力支持下，在解決了牙輪鉆頭幾何學、運動學一系列理論問題，掌握了鉆頭觸底齒本身的運動狀態及其規律的基礎上，建成一臺國內外首創的模擬牙輪鉆頭牙齒造坑過程的試驗設備。它能夠使試樣牙齒同真實鉆頭牙齒作相同的復合運動，通過控制臺控制試驗操作過程，采集系統采集試驗數據再輸入計算機進行分析處理。