[发明专利]一种石油钻头齿圈复合运动状态下的破岩性能测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油钻头齿圈复合运动状态下的破岩性能测试方法。

背景技术

石油钻头是破碎地层岩石的主要工具，是石油钻井工程中提高机械钻速、降低钻井成本的重要手段。高性能钻头产品的开发和研究都是建立在理论和试验研究基础上，钻头试验主要是进行全钻头破碎不同地层岩石试验和钻头齿圈复合运动破岩试验，全钻头试验主要是测试钻头在一定钻井参数条件下破碎不同岩石的机械钻速和破碎井底，钻头齿圈复合运动破岩试验模拟钻头牙齿的运动和破岩状况，通过测试系统采集试验过程中的钻头和齿圈转速、钻头位移、钻压及扭矩信号。

目前针对钻头研究开展的试验主要是全尺寸钻头试验和钻头齿圈复合运动破岩试验，全钻头试验主要是检测新型钻头钻进不同地层岩石的破碎规律；钻头齿圈复合运动破岩试验主要是研究不同钻头结构参数、齿面结构和钻进参数与地层岩石的破碎规律。

现有全钻头试验和钻头齿圈复合运动破岩试验的测试系统主要是由传感器、转速测定仪以及数据采集卡采集试验过程中的钻头、牙轮和齿圈转速脉冲信号；由传感器、动态应变仪以及数据采集卡采集试验过程中的钻头位移、钻压及扭矩模拟信号。

但是随着钻头研究进一步的深化，现有钻头试验测试系统存在很多问题已经不能满足现阶段钻头研究和新产品开发的需要，比如：研究钻头及5个牙齿的运动和受力情况，现有两张8通道数据采集卡的模拟量通道不够，不能全面满足试验需要的扩展功能；由于液压系统、电机和环境等的影响，动态应变仪采集的信号含有大量的噪声，试验数据准确性不高；动态应变仪和数据采集卡等硬件设备价格昂贵，测试系统硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于现代测试技术的钻头试验测试系统，以能够快捷、准确、实时采集钻头及各个牙齿的运动及受力情况，从而为钻头的新产品开发和科学化设计提供重要的试验手段。

石油钻头在井底工作时的运动状态和受力状态是相当复杂的。钻头在井底运动，除了钻头绕自身轴线作顺时针方向旋转运动和牙轮绕牙掌轴线作逆时针方向旋转运动外，还有轴向纵振及牙轮的滑动，这几种运动是钻井时同时发生、综合在一起的复合运动。石油钻头就是在上述复合运动所产生的冲击、压碎及滑动剪切作用下破碎岩石的。

石油钻头钻进时会产生纵向振动，在每次振动中，钻头上行时压缩下部钻柱，钻头下行时则钻柱恢复原长，其势能转化为钻头的动载荷。钻头工作时，牙齿作用到岩石上的力有静载荷(加在钻头上的钻压)和动载荷(钻头与下部钻柱加速下降而产生的动载)，也就是说牙齿冲击破碎岩石时，钻头受到岩石的反作用力也等于静载荷与动载荷之和。

钻头在井下工作时，除了受到纵向静载荷和动载荷外，由于钻柱旋转，还要受到扭矩作用。当钻压较大，牙齿吃入岩石较深，尤其是牙齿在井底滑动较大时，钻头承受的扭矩更大。石油钻头在井底工作时，由于钻头在井底产生纵振，使钻柱不断压缩和伸张，下部钻柱把这种周期性的弹性变形能传递给牙齿，产生牙齿对岩石的冲击、压碎作用，这种破碎方式是石油钻头破碎岩石的主要方式之一。

石油钻头工作时，由于钻头的设计结构及地层摩擦阻力的影响而产生滑动，转速越快、滑动量越大，对岩石的剪切破碎越大，从而通过牙齿的滑动剪切井底岩石，提高破碎效率。

根据上述对石油钻头在井底运动、受力和破碎岩石情况的简要分析，可以看出在钻头的研究过程中，必须有效地分析钻头破岩运动所承受的钻压、扭矩作用以及钻头和牙轮的转速。

随着石油钻井深度增加和地层岩石的复杂化，根据不同地层岩石特点开发高性能钻头的研究工作更加迫切，目前现有钻头试验的控制和测试系统已经不能满足现阶段钻头的研究和开发的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种石油钻头齿圈复合运动状态下的破岩性能测试方法，该测试方法能快速测得石油钻头齿圈复合运动状态下的破岩性能，且测试精度高，测试步骤简单，降低了人工成本，进而降低了整个测试成本。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种石油钻头齿圈复合运动状态下的破岩性能测试方法，包括以下步骤：

(a)首先将采集的露头岩样加工成测试用的标准岩样并风干；

(b)将切割好的岩块装入试验机岩石夹持器盒内；

(c)根据石油钻头的结构参数和试验齿圈在钻头的位置，在试验机上调整好试验齿圈的移轴距、轴倾角及钻头牙爪基准尺寸；

(d)根据全钻头的仿真试验结果，调整钻头转速；并按试验齿圈的牙轮与钻头转速的一定传动比，调整好试验用齿轮；

(e)确定试验齿圈应施加的钻压大小；