一种钻具耦合摩擦磨损试验装备及基于其的试验方法

摘要

本发明属于石油钻井领域，具体公开了一种钻具耦合摩擦磨损试验装备，包括旋转动力构件、夹持构件、钻具本体、沉砂容器、活塞板、温度传感器和载荷施加构件；夹持构件与旋转动力构件连接，钻具本体的固定端夹持在夹持构件上，自由端伸入至沉砂容器内；活塞板套设在钻具本体的自由端，载荷施加构件与活塞板连接；沉砂容器、活塞杆及钻具本体所形成的间隙内填充有沉砂；温度传感器安装在钻具本体的内孔上，温度传感器与控制器相连，控制器与旋转动力构件相连。还公开了其试验方法，模拟了钻具在井下与沉砂间的摩擦磨损状态，为分析研究钻具的摩擦磨损损耗、摩擦热的形成和聚集、钻具的转速和接触时间与摩擦磨损状态间的关系等理论问题提供数据支持。

说明书

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，特别涉及一种钻具耦合摩擦磨损试验装备及基于其的试验方法。

背景技术

在油气勘探开发中的钻井作业过程中，井壁失稳导致沉砂的情况时有发生，导致井下复杂，严重时发生沉砂卡钻。卡钻后，钻具将与沉砂间产生摩擦磨损，当沉砂导致泥浆循环通道受阻时，钻具与沉砂间的摩擦磨损加剧，甚至导致钻具因摩擦热产生的高温使钻具发生相变，降低钻具的承载能力，发生断裂失效。目前，针对沉砂卡钻后钻具与沉砂间摩擦磨损导致的钻具磨损与高温问题还仅处于依据事实的理论分析和推测，对沉砂与钻具间摩擦磨损的磨损量与时间、温度、压力等参数的定量关系无试验数据支持，也没有试验装备再现沉砂卡钻时沉砂与钻具间摩擦磨损的过程，因而在沉砂卡钻下的钻具摩擦磨损失效分析中缺少强有力的证据支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻具耦合摩擦磨损试验装备及基于其的试验方法，解决沉砂卡钻工况下钻具与沉砂间的摩擦磨损状态与后果的试验模拟问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种钻具耦合摩擦磨损试验装备，包括旋转动力构件、夹持构件、钻具本体、沉砂容器、活塞板、温度传感器和载荷施加构件；

夹持构件与旋转动力构件固定连接，钻具本体的固定端夹持在夹持构件上，自由端伸入至沉砂容器内；活塞板套设在钻具本体的自由端，载荷施加构件与活塞板连接，用于给活塞杆施加压力；

沉砂容器、活塞杆及钻具本体所形成的间隙内填充有沉砂；

温度传感器安装在钻具本体的内孔上，温度传感器连接有控制器；

控制器内存储有预设温度和预设时间，控制器与旋转动力构件相连，当测试温度达到预设温度或预设时间时，控制器控制旋转动力构件停止；

控制器上设有显示屏，用于显示温度和时间。

进一步，夹持构件采用卡盘结构。

进一步，沉砂容器通过固定构件固定，使用时，沉砂容器固定不动。

进一步，载荷施加构件包括动力控制机构和连接在动力控制机构上的推杆，推杆与活塞板固定连接。

进一步，动力控制机构的载荷控制方式采用液压控制。

进一步，沉砂容器为底部敞口的桶形件。

进一步，温度传感器设有多个，沿轴向均匀布设在钻具本体的内孔上。

进一步，温度传感器与显示器无线通讯。

本发明还公开了所述的钻具耦合摩擦磨损试验装备的试验方法，具体包括以下步骤：

S1、先将钻具本体的自由端插入沉砂容器中，再将钻具本体的固定端连接在旋转动力构件上，固定好沉砂容器；

S2、将沉砂填入沉砂容器；

S3、在沉砂容器的自由端盖上活塞板，通过载荷施加构件施加载荷在活塞板上，使沉砂容器内的沉砂填实；

S4、通过载荷施加构件向活塞板施加恒定的压力，启动旋转动力构件，旋转动力构件带动钻具本体旋转，与沉砂发生摩擦，温度传感器实时监测钻具本体的温度，将温度反馈至控制器，当当测试温度达到预设温度或预设时间时，控制器控制旋转动力构件停止，钻具本体停止转动。

进一步，沉砂为钻井现场取回的岩石砂砾，在使用中，添加膨润土和水，模拟钻井过程中的沉砂状态。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的钻具耦合摩擦磨损试验装备，包括旋转动力构件、夹持构件、钻具本体、沉砂容器、活塞板、温度传感器和载荷施加构件；钻具本体用于模拟井下的钻具，沉砂容器用于模拟井下的井筒，在沉砂容器内部填充沉砂，钻具本体在沉砂容器中转动，钻具本体与沉砂发生摩擦，产生热量，此过程模拟了钻具在井下与沉砂间的摩擦磨损状态，为分析研究钻具的摩擦磨损损耗、摩擦热的形成和聚集、钻具的转速和接触时间与摩擦磨损状态间的关系等理论问题提供数据支持，以及为沉砂卡钻下的钻具失效分析提供试验数据支持和失效过程反演。

进一步，夹持构件为卡盘结构，方便进行夹持钻具本体，且在试验过程中，卡盘结构的夹持构件稳定性强，不易晃动，能够有效避免试验误差。

进一步，温度传感器与控制器无线连接，减少线路连接，结构更简单。

本发明还公开了所述钻具耦合摩擦磨损试验装备的实验方法，过程简单，数据反馈及时，不需要操作者提供技术支持，节省人力。

附图说明

图1为本发明的一种钻具耦合摩擦磨损试验装备的结构示意图。

其中，1为旋转动力构件，2为夹持构件，3为钻具本体，4为沉砂容器，5为沉砂，6为固定构件，7为活塞板，8为载荷施加构件，9为温度传感器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明公开了一种钻具耦合摩擦磨损试验装备，包括旋转动力构件1、夹持构件2、钻具本体3、沉砂容器4、活塞板7、温度传感器9和载荷施加构件8；夹持构件2与旋转动力构件1固定连接，钻具本体3的固定端夹持在夹持构件2上，自由端伸入至沉砂容器4内；活塞板7套设在钻具本体3的自由端，载荷施加构件8与活塞板7连接，用于给活塞杆施加压力；沉砂容器4、活塞杆及钻具本体3所形成的间隙内填充有沉砂5；温度传感器9安装在钻具本体3的内孔上，温度传感器9与外部控制器相连；控制器内存储有预设温度和预设时间，控制器与旋转动力构件1相连，当测试温度达到预设温度或预设时间时，控制器控制旋转动力构件1停止；控制器上设有显示屏，用于显示温度和时间。

钻具本体3为具有一定内孔尺寸的阶梯圆柱形，钻具上直径大的圆柱段夹持在夹持构件2上，直径小的圆柱段从沉砂5空器的底板中心孔伸入至沉砂容器4内。当然，钻具本体3的形状需要根据待模拟的钻具结构来设计。钻具的两个圆柱段尺寸分别与钻杆接头的接头尺寸和焊径尺寸相同，内孔尺寸与钻杆接头的内孔相同。

夹持构件2为卡盘结构，一般采用三爪卡盘，将钻具本体3的大尺寸圆柱段固定在旋转动力构件1。

沉砂容器4为底部带孔的桶形件，方便装入沉砂5。沉砂容器4底部中心孔的直径比钻具本体3外径大0.5～1.5mm。

沉砂容器4的材料为金属材料，具有一定的厚度，可承受一定的内压。

沉砂容器4通过沉砂容器4固定构件6进行固定，保证沉砂容器4在实验时保持固定不动状态。

活塞板7为具有一定厚度的带孔的金属圆板，内孔与钻具本体3间隙配合，外沿与沉砂容器4也是间隙配合，可沿沉砂容器4的内壁轴向滑动。内孔直径比钻具本体3外径大0.5～1.5mm。

载荷施加构件8施加一个恒定的载荷在活塞板7上，使沉砂5与钻具本体3接触表面间产生恒定的接触压力，载荷施加构件8的载荷控制方式为液体压力控制。

启动旋转动力构件1旋转钻具本体3，实现钻具本体3与沉砂5的摩擦。旋转动力构件1的转速和运行时间可调整和设定，通过温度传感器9实时反馈数据，当温度超过设定预设温度值时或达到预设的运行时间时，旋转动力构件1停止转动，实现自动停车功能。

本发明的旋转动力构件1可采用基于电机驱动的无级变速装置，也可采用机床；载荷施加构件8的动力控制机构可采用液压机；控制器可采用单片机。

温度传感器9与控制器无线连接，减少线路连接，结构更简单。

以下为实施例的某具体试验参数数据：

以127*9.19mm S135钻杆为参考，阶梯圆柱形钻具本体3的两段圆柱段外径尺寸分别为168mm和133mm，锥面与本体轴线的角度为35°，夹持构件2夹持在钻具本体3尺寸大的168mm圆柱段。钻具本体33的材料屈服强度为827MPa，硬度为311HB。

沉砂容器4的外径215.9mm，壁厚12.7mm，底部中心圆孔的直径为168.5mm，材料屈服强度为759MPa。

本发明所用的沉砂5为钻井现场取回的岩石砂砾，等效半径在1-5mm之间，在使用中，添加膨润土和水，模拟钻井过程中的沉砂5状态。

活塞板7的外径为190mm，壁厚12.7mm，中心孔直径为133.5mm，材料屈服强度为759MPa。

试验时，先将钻具本体3插入沉砂容器4，将调好的沉砂5填入沉砂容器4，盖上活塞板7，采用机械外力施加压力，使沉砂容器4内的沉砂5填实；

载荷施加构件8施加一个恒定的载荷在活塞板7上，使沉砂5与活塞板7之间的接触应力为70MPa，并保持载荷大小不变。载荷施加构件8的载荷控制方式为液体压力控制；

启动旋转动力构件1，带动钻具本体3旋转，设定旋转动力构件1的转速为20r/min

设置两个自动停车控制点：一是运行时间8h后自动停车。二是钻具本体3内壁侧的温度达到750°时自动停车。两个控制点，任一个达到都可实现自动停车。

以下是两个不同控制点停车的试验结果

试验结果一：钻具本体3内壁表面的测试温度达到了750°，自动停车，记录实际的运转时间。试验结果说明钻具本体3发生了明显的摩擦磨损，钻具与沉砂5间的摩擦磨损将导致钻具的质量损失和温度的上升，达到使钻具材料发生相变的温度。可得出在一定接触压力参数下，钻具摩擦磨损上升温度与时间的定量关系，钻具磨损量与时间的定量关系，以及钻具磨损量与温度间的定量关系等。

试验结果二：设备在运行8h后自动停车，记录此时的钻具内表面温度。试验结果可定量表征在一定的接触压力参数下，钻具磨损量与时间的定量关系，钻具磨损量与温度间的变化关系，以及钻具摩擦热引起的温度上升与时间的定量关系等。

通过上述实施方式的钻具耦合摩擦磨损试验装备，可模拟钻具与井下沉砂5间的摩擦磨损状态，为分析研究钻具的摩擦磨损损耗、摩擦热的形成和聚集、钻具的转速和接触时间与摩擦磨损状态间的关系等理论问题提供数据支持，以及为沉砂5卡钻下的钻具失效分析提供试验数据支持和失效过程反演。