基于全鉆頭試驗測試硬件系統的測試方法技術方案

本發明專利技術公開了一種基于全鉆頭試驗測試硬件系統的測試方法，包括：(a)首先，通過壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器測試鉆頭的鉆壓、位移、扭矩；(b)同時，通過鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器測試鉆頭轉速和牙輪轉速；(c)步驟(a)和(b)中測得的信號經放大器放大后，被數據采集卡采集；(d)最后，輸入計算機進行分析處理。本發明專利技術能成功完成對鉆頭性能參數的測試，且測試過程時間短、自動化程度高、擴展功能廣、制造成本低。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種。
技術介紹
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、HughesChristensen 公司、Halliburton 公司及英國 Schlumberger Cambridge 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。它的整個實驗操作控制、井下模擬條件控制和實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實驗研究，在大型鉆頭試驗架上進行全尺寸鉆頭實驗，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。這些鉆頭試驗設備功能不完善，由人工操作裝有各種控件的操作控制臺來實現整個試驗過程的控制，自動化程度低，特別是測試系統采用傳統硬件化測量儀器采集試驗過程的信號，功能單一、靈活性差、擴展功能局限性大、易受外界干擾，采集信號含有大量的噪聲以及硬件成本高等。隨著石油鉆井深度的增加和地層巖石的復雜化，根據不同地層巖石特點設計和開發特性鉆頭的研究工作更加迫切，鉆頭試驗測試的重要性顯得更加突出，現有鉆頭試驗測試系統很顯然達不到高性能鉆頭試驗測試的要求。牙輪鉆頭在井底工作時的運動狀態和受力狀態是相當復雜的。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生、綜合在一起的復合運動。牙輪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。牙輪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。牙輪鉆頭在井底工作時，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，這種破碎方式是牙輪鉆頭破碎巖石的主要方式之一。牙輪鉆頭工作時，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。根據上述對牙輪鉆頭在井底運動、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。全鉆頭試驗測試過程中均需要通過測試系統采集鉆頭和牙輪/齒圈的轉速、鉆頭位移、鉆壓及扭矩信號等，并輸入計算機進行試驗數據的分析處理，為鉆頭產品的進一步研究提供試驗手段。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種，該能成功完成對鉆頭性能參數的測試，且測試過程時間短、自動化程度高、擴展功能廣、制造成本低。本專利技術的目的通過下述技術方案實現:，其特征在于，包括以下步驟:(a)首先，通過壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器測試鉆頭的鉆壓、位移、扭矩；(b)同時，通過鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器測試鉆頭轉速和牙輪轉速；(c)步驟(a)和(b)中測得的信號經放大器放大后，被數據采集卡采集；本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于全鉆頭試驗測試硬件系統的測試方法，其特征在于，包括以下步驟：(a)首先，通過壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器測試鉆頭的鉆壓、位移、扭矩；(b)同時，通過鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器測試鉆頭轉速和牙輪轉速；(c)步驟(a)和(b)中測得的信號經放大器放大后，被數據采集卡采集；(d)最后，輸入計算機進行分析處理。

【技術特征摘要】
1.關于全鉆頭試驗測試硬件系統的測試方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)首先，通過壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器測試鉆頭的鉆壓、位移、扭矩； (b)同時，通過鉆頭轉速傳感器和牙輪轉速傳感器測試鉆頭轉速和牙輪轉速； (C)步驟(a)和(b)中測得的信號經放大器放大后，被數據采集卡采集； (d)最后，輸入計算機進行分析處理。2.根據權利要求1所述的基于全鉆頭試驗測試硬件系統的測試方法，其特征在于，所述步驟(a)中，扭矩的測試過程為:當應變軸受扭力影響產生微小變形后，粘貼在應變軸上的應變計阻值發生相應變化，將具有相同應變特性的應變計組成測量電橋，應變電阻的變化即可轉變為電壓信號的變化進行測量。3.根據權利要求1所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王曉琳，
申請(專利權)人：王曉琳，
類型：發明
國別省市：