[发明专利]一种用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及钻井冲洗液气蚀效应检测领域，具体涉及一种用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，研究气蚀效应同冲洗液水力参数间的变化规律，将其有利条件应用于破碎岩石。

背景技术

冲洗液在钻杆、钻头和环状空间中流动时，过水断面经常发生变化，尤其是经过钻头水口时，过水断面的变化更为明显。从水力学可知，当冲洗液流量一定时，断面的变化必将引起流速的变化。流速变化的过程越快则瞬时升降的压强就越大，在这种情况下将产生水击。当冲洗液流经过水断面最小的部位时，液体压力最大，压强最小，往往出现真空。当这种真空度增大到一定程度后，液体中溶解的空气首先要分离成气泡，并从液体中游离出来。随着压强继续降低，真空度增大，甚至液体本身也会气化，形成气穴现象，通常称之为气蚀效应。

气蚀效应产生的条件是局部位置的高速和低压。过水断面最小的位置往往是最典型的液流高速部位，而液流高速部位则必然形成低压强区。在低压区产生的气泡随着所处位置压强的增大，其体积逐渐减小以致破灭，形成冲击波，可对过流部位产生冲击破坏损蚀，强度较高的气蚀还可能使该部件产生噪声和振动，严重影响工具的使用效果。理论分析和实验研究表明，在钻井冲洗液流中，特别是在钻头水口部位确实存在气蚀效应，其对钻头的磨损和对钻探技术经济指标的影响值得深入研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有钻井冲洗液流存在气蚀效应造成钻头磨损的问题，提供一种用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，研究气蚀效应对钻头磨损和钻探技术经济技术指标的影响。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于冲洗液气蚀效应检测的实验装置，该装置至少包括实验装置外壳、钻杆、岩心管、钻头、岩石样品、压力表、阀门、电缆、回转立轴、轴承部件、电力驱动装置、供电电源和示波器，所述钻杆、岩心管、钻头、岩石样品安装在实验装置外壳内，钻杆上端与实验装置外壳之间密封连接，钻杆下端与岩心管的上端固接，岩心管的下端与钻头固接，岩石样品设置于钻头的下方、且岩石样品固定在回转立轴上部；所述回转立轴安装在实验装置外壳的底部、且回转立轴与实验装置外壳之间密封连接；电力驱动装置通过轴承部件与回转立轴的底部连接、用于驱动回转立轴转动；所述钻头水口部位的两侧安装有电阻传感器，电阻传感器、供电电源、示波器通过电缆连接形成回路（电缆穿过实验装置外壳、一端与电阻传感器连接、另一端与供电电源和示波器相连）；所述压力表、阀门安装在实验装置外壳侧壁外的管路上，压力表用于测量实验装置的孔内液柱压力，阀门用于调节孔内液柱压力的大小。

按上述方案，所述实验装置还包括用于调节实验过程中冲洗液的泵量和流速的流量计和流量传感器，流量传感器安装在压力表、阀门所在的管路上，流量计与流量传感器连接。

按上述方案，所述轴承部件为止推轴承。

按上述方案，所述钻杆上端与实验装置外壳之间通过钻杆密封圈密封连接。

按上述方案，所述回转立轴与实验装置外壳之间由密封圈密封连接。

本发明实验装置检测冲洗液是否发生气蚀效应的原理是，采用工业水作为冲洗介质，首先检测工业水的正常电阻率；然后检测以工业水作为冲洗介质，在岩石样品回转条件下，检测冲洗液电阻率的变化情况；冲洗液电阻率的变化即代表测试部位发生气蚀效应，其气蚀效应强度与电阻率变化程度密切相关。钻头水口部位的冲洗液电阻率在发生气蚀效应后，冲洗液发生相变，液流开始饱含气泡，液流连续性被破坏，密度降低，引起冲洗液的电阻率变化。

气蚀效应检测实验开始前，将岩石样品固定在回转立轴之上，回转立轴和实验装置外壳之间由密封圈密封；岩心管与钻杆相连接，在钻杆上端采用钻杆密封圈保持钻杆和实验装置外壳间的密封状态；气蚀效应检测实验过程中，钻头和岩心管不发生转动，通过钻杆和岩心管往实验装置内注入冲洗液，电力驱动装置驱动回转立轴转动，岩石样品因为固定在回转立轴之上而跟随回转立轴一块回转，从而与钻头产生相对运动；岩石样品与钻头之间产生相对运动以后，将导致冲洗液从岩心管经过钻头水口，流向钻头外壁与钻孔间的环状间隙时产生液流速度变化和压强变化。如果冲洗液在钻头水口部位受液流速度和压强变化产生气蚀效应，则冲洗液中将产生气泡，使冲洗液的密度降低，钻头水口部位两侧的电阻传感器间的电阻也将发生变化。