用于测试钻井工具的实验架、实验系统及测试方法

摘要

本发明公开了一种用于测试钻井工具的实验架、实验系统及测试方法，所述用于测试钻井工具的实验架包括工具夹持机构和多根支柱(20)，该工具夹持机构含有与该多根支柱(20)一一对应的夹持臂(16)，夹持臂(16)的一端与支柱(20)连接，夹持臂(16)的另一端能够夹持固定待测钻井工具(8)，夹持臂(16)能够以支柱(20)的中心线为轴转动，夹持臂(16)能够伸缩。该用于测试钻井工具的实验系统能够综合评价待测钻井工具(8)的工作性能，得出工具的最佳工作状态和工作参数，为工作现场选择何种类型、尺寸的钻井工具提供支撑，达到减少井下事故发生的概率，实现工具工作特性的优化，节省开支和降低成本的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井实验设备领域，具体的是一种用于测试钻井工具的实验架，还是一种用于测试钻井工具的实验系统，更是一种水力脉冲射流振动冲击特性的测试方法。

背景技术

随着浅层油气资源的枯竭，油气钻井向着深井、超深井、高压油气井、海洋深水钻井等领域的转移，大位移井和长水平井的数量也越来越多。钻井工程所要面对的复杂状况越来越多，钻井越来越深，地层可钻性差，对钻具的抗高温性能要求高，钻头加压困难、地质情况复杂等，尤其是深部地层机械钻速低，严重制约着深井钻井速度，直接影响着油气勘探开发的进展。水平井井眼摩阻大，在造斜井段普遍存在着托压和翻卡现象。钻进过程中，摩阻大及托压等问题也容易引起压差卡钻等井下故障，尤其是在滑动钻进时，无法给钻头施加真实有效的钻压，降低了钻井效率，延长了钻井周期。

针对钻井过程中各种问题，钻井工具作为打开油气通道的重要设备，越来越受到石油工程界的重视。在我国钻井大提速的背景下，对钻井速度与质量的要求越来越高。提速工具的出现，有效地解决了深井、超深井机械钻速低的难题。近年来，各种新型钻井工具不断的被研发，例如：通过轴向振动、周向振动或者二者共同作用的提速工具，水平井中起降摩减阻和水力加压作用的工具等。许多已研发的钻井工具也在不断地进行优化调整，并加以改进，以更好地体现其效果。

理论上，钻井工具在提高机械钻速，缩短钻井周期方面有着明显成效。为了更好地应用这些新型工具，在进入现场之前，为了避免一些复杂井下事故的发生，有必要事先对新型的钻井工具进行实验，当然实验条件应尽可能的接近现场工作条件，越接近现场工作条件的试验得出的数据越具有说服力，这种实验既能防止一些复杂井下事故的发生、降低成本、减少风险，又便于收集待测钻井工具的工作特性以做出合理的调整，值得鼓励发明更多的测试方法用于待测钻井工具的优化研究。

发明内容

为了实验测试新型的钻井工具，本发明提供了一种用于测试钻井工具的实验架、实验系统及测试方法，该实验系统能够全尺寸模拟现场工作条件，通过实验架控制及数据采集系统测得工具入口、出口的流体压力，工具内部流体的脉动特性，以及工具活动部件的轴向和周向振动位移、振幅和频率等，可以计算得出工具的工作压降、活动部件的振动载荷大小。通过综合对比分析得出工具的最佳工作参数，为现场应用提供理论基础和技术支撑。既能对工具材料的强度进行实验检验，降低井下事故发生概率，又可以优化待测钻井工具性能，达到减少钻井时间、降低钻井成本的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于测试钻井工具的实验架，包括工具夹持机构和多根支柱，该工具夹持机构含有与该多根支柱一一对应的夹持臂，夹持臂的一端与支柱连接，夹持臂的另一端能够夹持固定待测钻井工具，夹持臂能够以支柱的中心线为轴转动，夹持臂能够伸缩。

一种用于测试钻井工具的实验系统，所述用于测试钻井工具的实验系统包括上述的实验架，所述用于测试钻井工具的实验架的上部设有上下设置的两个所述工具夹持机构，所述用于测试钻井工具的实验系统还包括循环管汇、传感器、数据采集单元和控制单元，循环管汇能够与待测钻井工具连接，循环管汇上设有能够向待测钻井工具内输送泥浆的泥浆泵，该传感器与该数据采集单元连接，该数据采集单元与控制单元连接。

一种水力脉冲射流振动冲击特性的测试方法，所述水力脉冲射流振动冲击特性的测试方法采用了上述的用于测试钻井工具的实验系统，所述水力脉冲射流振动冲击特性的测试方法包括以下步骤：

步骤1、将待测钻井工具安装固定于所述用于测试钻井工具的实验架内；

步骤2、安装钻头与所述传感器；

步骤3、连接循环管汇；

步骤4、检查所述实验系统的连接情况。

本发明的有益效果是：本发明能够全尺寸模拟水力脉冲射流振动冲击提速工具的工作条件，测试数据具有较高的真实性和可信度。本发明通过模拟得出待测钻井工具的工作特性，同时采集不同排量时待测钻井工具的出入口的流体压力、脉动特性、工作压降、轴向振动位移、轴向振动频率、轴向振动载荷大小、周向振幅、周向振动频率及周向振动载荷大小等。本发明是在认定待测钻井工具在理论上具有工作特性时，使用真材实料全尺寸加工之后，再模拟现场工作条件，对其进行不同排量条件下的性能测试，测出工作参数和特性，以便对待测钻井工具做出进一步调整，或者进行参数优化，优选合适的钻进参数。本发明与传统测试方法结合，将更加准确的测出工具的工作参数和特性，更加切合井场实际，更加有利于工具的优化研究，解决钻井周期长等现实问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明所述用于测试钻井工具的实验系统的整体示意图。

图2是本发明所述用于测试钻井工具的实验架的主视图。

图3是本发明所述用于测试钻井工具的实验架的俯视图。

图4是卡盘的俯视图。

图5是卡盘的主视图。

图6是夹持臂的俯视图。

图7是夹持臂的主视图。

图8是夹持臂的左视图。

图9是第一转换接头的主视图。

图10是第一转换接头的仰视图。

图11是第二转换接头的主视图。

图12是第二转换接头的仰视图。

图13是第三转换接头的主视图。

图14是第三转换接头的仰视图。

图15是第四转换接头的主视图。

图16是第四转换接头的仰视图。

图17是图1中A部位的放大示意图。

1、泥浆泵；2、分流阀；3、流量计；4、循环管汇；5、实验架；6、第一转换接头；7、压力传感器；8、待测钻井工具；9、扭矩传感器；10、卡盘；11、位移传感器；12、钻头；13、泥浆罐；14、控制单元；15、上水阀；16、夹持臂；17、第二转换接头；18、第三转换接头；19、第四转换接头；20、支柱；21、滑套；22、弧形板；23、扭矩夹持机构；24、连接板；25、夹持杆；26、支撑台；27、支撑筒；28、固定条。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种用于测试钻井工具的实验架，包括工具夹持机构和多根支柱20，该工具夹持机构含有与该多根支柱20一一对应的夹持臂16，夹持臂16的一端与支柱20连接，夹持臂16的另一端能够夹持固定待测钻井工具8，夹持臂16能够以支柱20的中心线为轴转动，夹持臂16能够伸缩，如图1至图3所示。

夹持臂16将待测钻井工具8夹持固定后，能够模拟待测钻井工具8的现场工作状态，从而对其进行不同排量条件下的性能测试，测出工作参数和特性，以便对待测钻井工具8做出进一步调整，或者进行参数优化，优选合适的钻进参数。能够更加准确的测出工具的工作参数和特性，更加切合井场实际，更加有利于工具的优化研究，解决钻井周期长等现实问题。待测钻井工具8可以为：水力脉冲射流工具、水力脉冲振动冲击工具、扭力冲击工具、复合冲击等利用水力能量、周向或轴向振动冲击的钻井提速工具。

在本实施例中，支柱20可以呈水平状态，也可以呈直立状态。优选每个支柱20均呈直立状态，所述多根支柱20位于该实验架的周围，该多根支柱20的上下两端平齐，该多根支柱20呈正多边形分布，即每根支柱20在水平面的投影均位于该正多边形的顶点，支柱20为圆柱形，该工具夹持机构位于该实验架的上部，一个所述工具夹持机构中所有的夹持臂16均位于同一水平面内，夹持臂16能够将待测钻井工具8夹持固定于该实验架的中央。

具体的，该实验架含有四根支柱20，四根支柱20位于一个正方形的四个顶点，如图3所示，四根支柱20的上下两端均通过横梁连接固定。一个所述工具夹持机构中含有四根夹持臂16，四根夹持臂16与四根支柱20一一对应连接，一个所述工具夹持机构中的四根夹持臂16能够共同夹紧固定待测钻井工具8，如图1和图2所示。支柱20可以具有伸缩功能，从而调节夹持臂16和待测钻井工具8的高度。

在本实施例中，夹持臂16含有液压伸缩杆，夹持臂16的液压伸缩杆的一端设有滑套21，滑套21套设于支柱20外，滑套21能够以支柱20的中心线为轴转动，滑套21与支柱20间隙配合，滑套21能够沿支柱20的中心线方向移动，滑套21上还设有定位螺钉，当需要使滑套21相对于支柱20固定时，可以通过拧紧该定位螺钉使滑套21固定，从而使该夹持臂16的液压伸缩杆固定。夹持臂16的液压伸缩杆的另一端设有与待测钻井工具8的外表面相匹配的弧形板22，如图6至图8所示，这样四根夹持臂16能够相互配合以共同夹紧固定待测钻井工具8。

在本实施例中，所述用于测试钻井工具的实验架还包括扭矩夹持机构23，扭矩夹持机构23用于安装固定扭矩传感器9，扭矩夹持机构23能够将扭矩传感器9固定于待测钻井工具8的下端，扭矩夹持机构23位于所述工具夹持机构的下方，扭矩夹持机构23位于该实验架的中部，扭矩夹持机构23含有一块连接板24和两根夹持杆25，两根夹持杆25位于同一水平面内，两根夹持杆25的一端与两根支柱20一一对应连接，两根夹持杆25的另一端与连接板24连接，连接板24能够与扭矩传感器9连接固定，如图2和图3所示。

在本实施例中，夹持杆25也含有液压伸缩杆，夹持杆25的液压伸缩杆的一端设有滑套21，滑套21套设于支柱20外，滑套21与支柱20间隙配合，滑套21能够以支柱20的中心线为轴转动，滑套21能够沿支柱20的中心线方向移动，滑套21上还设有定位螺钉，当需要使滑套21相对于支柱20固定时，可以通过拧紧该定位螺钉使滑套21固定，从而使该夹持杆25的液压伸缩杆固定。夹持杆25的液压伸缩杆的另一端与连接板24铰接，两根夹持杆25之间的夹角为90°，如图3所示。

在本实施例中，该实验架的下部设有支撑台26，支撑台26含有支撑筒27和环形连接板，支撑筒27为两端开放的筒状结构，支撑筒27的中心线沿竖直方向设置，支撑筒27的中心线到每个支柱20的中心线的距离相等，支撑筒27能够套设于钻头12的工作部外，支撑筒27通过所述环形连接板与支柱20连接固定；支撑筒27的上方设有卡盘10，卡盘10能够固定套设于钻头12的卸扣槽外，卡盘10与支撑筒27之间设有位移传感器11，如图2至图5所示。

具体的，支撑筒27的下端与所述环形连接板的内径对应连接固定，所述环形连接板的外径与支柱20连接固定。卡盘10内设有用于安装钻头12的缺口，卡盘10通过固定条28与钻头12连接固定，卡盘10坐落于位移传感器11上，支撑筒27能够给卡盘10和钻头12提供的一定的支撑作用，位移传感器11的上下两端分别与卡盘10和支撑筒27顶抵。钻头12排出的泥浆能够穿过支撑筒27的下端继续下落。

下面介绍一种用于测试钻井工具的实验系统，该用于测试钻井工具的实验系统包括上述用于测试钻井工具的实验架，所述用于测试钻井工具的实验架的上部设有上下设置的两个所述工具夹持机构，所述用于测试钻井工具的实验系统还包括循环管汇4、传感器、数据采集单元和控制单元14，循环管汇4能够与待测钻井工具8连接，循环管汇4上设有能够向待测钻井工具8内输送泥浆的泥浆泵1，该传感器与该数据采集单元连接，该数据采集单元与控制单元14连接。该控制单元14能够控制该用于测试钻井工具的实验系统的运行。

在本实施例中，该用于测试钻井工具的实验系统还包括泥浆罐13，泥浆罐13位于该实验架的下端，泥浆罐13位于支撑台26的下方，泥浆泵1能够将泥浆罐13中的泥浆通过循环管汇4注入到待测钻井工具8内，待测钻井工具8排出的泥浆能够进入泥浆罐13内，所述传感器包括压力传感器7、扭矩传感器9和位移传感器11。

压力传感器7——将待测钻井工具入口、出口处内部的流体压力通过电信号的方式传给数据采集系统，可以测量工具内部流体压力及脉动特性，可以计算出工具的工作压降。

扭矩传感器9——用于测量待测钻井工具由于自身结构产生的周向扭力冲击特性(周向振幅、周向振动频率及周向振动载荷大小等)。

位移传感器11——用于测量待测钻井工具由于自身结构产生的轴向冲击特性(轴向振动位移、轴向振动频率、轴向振动载荷大小等)。

具体的，循环管汇4含有主管线、第一支管线和第二支管线，该主管线的入口与泥浆罐13下端的出口连接，泥浆泵1设置于该主管线上。该主管线的出口与第一支管线的入口和第二支管线的入口连接，该第一支管线上设有分流阀2和流量计3，第一支管线的出口能够与待测钻井工具8的入口对应连接，该第二支管线上也设有分流阀2，该第二支管线的出口与泥浆罐13上端的入口连接。

下面介绍一种水力脉冲射流振动冲击特性的测试方法，所述水力脉冲射流振动冲击特性的测试方法采用了上述的用于测试钻井工具的实验系统，所述水力脉冲射流振动冲击特性的测试方法包括以下步骤：

步骤1、将待测钻井工具8安装固定于所述用于测试钻井工具的实验架内；

步骤2、安装钻头12与所述传感器；

步骤3、连接循环管汇4；

步骤4、检查所述实验系统的连接情况；

步骤5、启动泥浆泵1，低压试运行；

步骤6、测试不同排量下待测钻井工具8的工作参数和特性；

步骤7、关闭泥浆泵1，卸下待测钻井工具8；

步骤8、数据处理与分析。

步骤1、将待测钻井工具8安装固定于所述用于测试钻井工具的实验架内；

在步骤1中，先将待测钻井工具8装配完成，然后用支撑臂16将待测钻井工具8夹持于实验架5中，多功能实验架5的夹持臂16的长度和高度可以手动调节或通过控制单元14进行调节，使用上下两层共八个夹持臂16足以固定待测钻井工具8的静止部件。

实验架5可以夹持不同长度和型号的待测钻井工具8，以及具有不同活动部件的待测钻井工具8。夹持臂16的伸缩量为600mm，因此可以夹持待测钻井工具8的直径的尺寸范围是100mm～1200mm，支撑臂16与待测钻井工具8接触面的长度为100mm，由四个圆弧爪(即弧形板22)将待测钻井工具8抱住，上下两层固定，确保固定安全牢固，夹持待测钻井工具8时接触面积适中，既达到了夹紧和固定的效果，又防止待测钻井工具8的表面损伤破坏。上下两层夹持臂16可以纵向移动，根据不同待测钻井工具8的工作特性，对待测钻井工具8进行夹持，保证活动部件的正常移动，夹持臂16可以拆卸，如有特殊需要固定其他部件或实验仪器，可以添加更多的夹持臂16。实验架5使用膨胀螺栓固定在水泥地面上，保证在工具测试过程中出现异常情况时实验人员人身安全。

步骤2、安装钻头12与所述传感器；

在步骤2中，将四个压力传感器7分别使用第四转换接头19螺纹连接待测钻井工具8的侧壁，两个压力传感器7与待测钻井工具8的入口对应，两个压力传感器7与待测钻井工具8的出口相对应，第四转换接头19的母螺纹与压力传感器7连接，第四转换接头19的公螺纹与待测钻井工具8连接。扭矩传感器9的上端使用第二转换接头17连接待测钻井工具8下端的活动轴，第二转换接头17上端的公扣与待测钻井工具8下端的活动轴的母扣螺纹连接，第二转换接头17下端与扭矩传感器9通过法兰连接；扭矩传感器9的下端使用第三转换接头18连接钻头12(钻头12为PDC钻头)，第三转换接头18与扭矩传感器9通过法兰连接，第三转换接头18的母扣与钻头12的公扣通过螺纹连接；然后将扭矩传感器9通过两个夹持杆25固定在实验架5上适当的高度；两个位移传感器11安放在实验架5的支撑台26上，卡盘10卡在钻头12的卸扣槽位置，卡盘10直接压在两个位移传感器11上面。将各个传感器的接线柱与数据采集单元通过数据线连接好，并进行调试，确保线路接通、信号传输正常，如图11至图17所示。

压力、扭矩、位移传感器是用来待测钻井工具8内部流体压力及工具自身产生的轴向和周向振动，传感器的安装都有专门的转换接头，便于安装。数据采集单元另有配套软件，该单元能够将电流信号转化为压力信号，将测量得到的各工作参数储存于控制单元(如电脑)中，其信号采集频率可调，测量误差较小。数据采集单元的主要原理就是将通过传感器获得的电流信号转化为压力信号，然后通过电脑操作控制配套软件采集并储存压力信号的数据。若数据采集系统背面接线柱对应的配套软件界面序号指示灯为绿色，则表示传感器连接正常，可以与数据采集系统进行信号传输；若有任何使用中的接线柱对应指示灯为黄色，就应该立即检查线路或者传感器是否完好，防止最终测试数据的缺失，影响对待测钻井工具8工作效果的分析；采集数据的频率在配套软件中可以调节，根据实际用的传感器的量程，也需在配套软件中开始采集数据之前设置。

步骤3、连接循环管汇4；

在步骤3中，泥浆泵1的入口使用较大尺寸的普通管汇连接泥浆罐12，中间安装有上水阀15，上水阀15在开启泥浆泵1之前打开；泥浆泵1出口使用高压管汇连接至分流阀2，高压流体分成两股，一股通向待测钻井工具8，待测钻井工具8与高压管汇使用第一转换接头6通过螺纹连接，如图9和图10所示，且待测钻井工具8和分流阀2之间装有流量计3，通过流量计3可以读出通过待测钻井工具8的流体排量，分流阀2流出的另一股流体直接回流入泥浆罐13；而进入待测钻井工具8的流体，通过扭矩传感器9以及钻头12回流入泥浆罐13；将数据采集单元与传感器(压力传感器7、扭矩传感器9和位移传感器11)通过信号线连接，且使用网线连接控制单元(电脑)和数据采集单元，然后在电脑打开配套软件并进行调试。泥浆泵1在开始工作前，需提前打开上水阀15。

在步骤4中，检查各个管汇连接处是否连接完好，确保整个实验过程中装置形成回路，密封性良好；检查控制单元及数据采集单元运行是否正常，确保能够正常控制实验架的操作，以及数据采集单元连接正常。

在步骤5中，开启泥浆泵1，首先进行低压试运行，再次检查在低压运行阶段，试验装置各个连接接口位置是否密封良好，是否通畅；检查控制单元及数据采集单元中各个传感器是否有信号波动，信号传输是否正常。

在步骤6中，使用控制单元14调节分流阀2，采集不同排量下各个传感器获得的数据，从而综合分析待测钻井工具8的工作参数和特性。

在步骤7中，关闭泥浆泵1，按照实验装置的连接顺序依次拆除，拆除后实验装置放回原来位置，摆放整齐；传感器拆除时，注意轻拿轻放，妥善保管，以免影响其测量精度。

在步骤8中，选取不同排量条件下，排量相对稳定的阶段收集的数据进行分析处理，最终得出待测钻井工具8在不同排量条件下的工作参数及工作特性。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。