CN203083834U

CN203083834U - 一种空气锤性能的评价装置

Info

Publication number: CN203083834U
Application number: CN 201320077036
Authority: CN
Inventors: 李永杰; 赵之; 孟英峰; 陈一健; 李皋
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2023-02-19

Abstract

本实用新型涉及一种空气锤性能的评价装置，由实验架、钻进***、岩心夹持器、起升***、数据采集***组成。所述实验架包括实验架架体11、前轴3以及后轴24；所述钻进***包括加钻压气缸13、钻进滑车4及转动机构7，转动机构7连接旋转接头8，旋转接头又通过钻杆短接9连接待测空气锤12；所述岩心夹持器15固定在实验架架体11上；所述起升***包括举升架立柱1、举升油缸5、带有锁止机构的举升滑车6和平动滑车17；所述数据采集***包括注入压力传感器2、无线应力波监测器10、倾斜角度仪20、位移传感器21、钻压压力传感器22。本实用新型原理可靠，操作方便，解决了空气锤性能受角度变化影响的评价问题。

Description

一种空气锤性能的评价装置

技术领域

本实用新型涉及一种针对石油钻井工程中使用的空气锤工作性能的评价装置，用于分析空气锤工作机理，为其理论研究及结构优化提供实验依据。

背景技术

当石油钻井工程中使用气体欠平衡钻井时，使用空气锤作为垂直钻井井下动力钻具是一个很好的解决办法，其具有低转速、小钻压、钻具寿命长、机械钻速高、防斜能力强的技术特点，能在钻进复杂、硬质、易斜、高陡地层中取得良好的经济效益。

近年来，随着气体钻定向井、水平井技术的不断发展，空气锤的应用技术领域越来越大。然而传统的空气锤基于垂直钻进设计，在垂直井段应用效果良好，而在定向井、水平井中的应用受到制约。其不能适应越来越复杂的应用要求，急需对结构进行优化。

目前空气锤定向钻井技术发展方向主要有两种：一种是采用具有自回转功能的空气锤自身提供井下旋转扭矩的回转式空气锤定向钻井技术，另一种是采用空气螺杆马达提供井下旋转扭矩的空气螺杆马达驱动式空气锤定向钻井技术。这两个发展方向都有一些专利涌现。而这两种技术的着重点都在于怎么让空气锤进行旋转，从而能进行定向作业。其使用的空气锤用于输出冲击功的锤体本身，仍沿用了最初基于垂直钻进设计的结构。当空气锤处于倾斜状态甚至水平状态时，其活塞重力势能对活塞的冲击能基本没有影响。因此这种设计的空气锤锤体的工作性能将受到倾斜角度的影响。研究者普遍认识到了这种影响，而这方面的具体研究还较为缺乏。同时在定向井、水平井钻进中，还存在有井壁摩擦阻力过大，摩阻吸收钻压，加压困难，钻具受力更加复杂，磨损更加严重等各种问题。

在空气锤的应用领域中，急需对空气锤进行理论和实验台架的研究。目前，国内外还鲜有较为完备的空气锤实验装置。一些研究单位使用了诸如数字模拟、室内模拟实验等方法进行了一些研究。中国石油勘探开发研究院曾对其研制的空气锤产品进行了地面台架试验，其主要评价指标是空气锤的耗风量和气压，而其破碎对象是木头，测试范围较窄，测试方法较为简易，且其台架也是基于垂直状态考虑，未进行倾斜状态的实验。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种空气锤性能的评价装置，该装置原理可靠，操作方便，通过钻进***、岩心夹持器、起升***、数据采集***的共同作用，解决了空气锤的工作性能受工作角度变化的影响的评价问题。

为达到以上技术目的，本实用新型提供以下技术方案。

通过建立可调节角度的空气锤实验架，来进行不同角度的空气锤工作性能实验；通过向空气锤提供可调的气源压力、钻压、转速等工作参数进行空气锤的工作性能实验；通过使用人造均质岩心，从而排除岩心对实验结果的干扰；通过无线传输的应力波监测设备，高速摄像机的拍摄，以及位移传感器，压力传感器，扭矩传感器，倾斜角度仪的运用，进行空气锤工作状态的精确监测；通过对不同工作角度下的注入压力、钻压、转速与空气锤的冲击频率、钻速、冲击功大小，井底模式，岩屑进行对比，从而对空气锤工作性能进行评价。

一种空气锤性能的评价装置，由实验架、钻进***、岩心夹持器、起升***、数据采集***组成。

所述实验架包括实验架架体、前轴以及后轴，所述实验架架体由两段槽钢背对背组合，形成一个工作台面，用于安装各个附属部件，且能形成滑轨，供活动部件滑动。

所述钻进***包括加钻压气缸、钻进滑车及转动机构，所述钻进滑车可以沿着实验架架体的滑轨滑动，加钻压气缸固定于实验架架体中间，其活塞端连接到钻进滑车上，通过调节气缸的进气口与出气口之间的压差，来推动滑车沿着滑轨上下移动，在移动到指定位置时，通过对气缸提供指定压力的气体来提供钻压。所述转动机构连接旋转接头，旋转接头又通过钻杆短接连接待测空气锤，转动机构能为空气锤钻井提供转速及扭矩，从压缩机输入的空气从旋转接头的注气口进入钻杆，为空气锤提供气源，待测空气锤连有空气锤锤头，在钻进***的作用下，破碎岩石，进行实验。

所述岩心夹持器通过下部的底座固定在实验架架体上，尾部带有加强脊，用于承受轴向的冲击。岩心夹持器中装有岩心，与待测空气锤锤头相对，岩心夹持器可以对所夹持的岩石施加围压，从而实现固定岩心跟随实验架改变角度、防止岩心在冲击下碎裂、施加围压改变实验条件的目的。

所述起升***包括举升架立柱、举升油缸、带有锁止机构的举升滑车和平动滑车，平动滑车也带有锁止机构。实验架的前轴铰接于举升滑车上，后轴铰接于平动滑车上。当举升油缸推动举升滑车升高时，实验架一端被抬起，另一端在牵引作用下沿着平动滑车的滑轨滑动，从而拖动实验架架体增大倾斜角度。需要减小角度时，先解除锁止机构，在人力和自重的共同作用下，降低实验架架体的倾斜角度，让整个实验架在0至90度之内变换角度，并可通过实验架头尾反装，使实验架在90度至180度之间任意变换角度。

所述数据采集***包括注入压力传感器、无线应力波监测器、倾斜角度仪、位移传感器和钻压压力传感器，所述注入压力传感器位于旋转接头上的注气口上，所述无线应力波监测器附着于钻杆短接上。所述倾斜角度仪、位移传感器均位于实验架架体上，所述钻压压力传感器位于加钻压气缸上，这三者分别用于测量空气锤的工作角度、空气锤的钻速和钻压。

空气锤破碎岩石的过程中，同时用高速摄像机对准空气锤锤头进行拍摄。

空气锤的工作角度通过倾斜角度仪测量，注入气体压力通过注入压力传感器监测，钻压通过钻压压力传感器测量，空气锤的转速通过对转动机构的电机频率进行换算得到，空气锤的钻速通过位移传感器测量，空气锤的冲击功通过对无线应力波监测器监测到的应力波数据进行换算得到，通过对高速摄像机的记录进行分析，可计量一定冲次所消耗的时间，得出空气锤冲击频率。

通过多种角度的实验，即可对空气锤工作性能随角度变化的影响进行评价。

对不同工作角度形成的岩屑进行分析，观察岩屑大小，分析岩屑粒度，以评价空气锤在该工作状态使用时，其岩屑大小能否顺利排出，是否会对钻井作业产生影响。

对不同工作角度形成的井底模式进行分析，观察井底锤齿坑大小、井壁光滑度以及井壁锤齿擦痕，以评价空气锤在该工作状态使用时，是否会对锤头磨损产生影响。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构示意图

图2是本实用新型的主体结构示意图

图中：1、举升架立柱，2、注入压力传感器，3、前轴，4、钻进滑车，5、举升油缸，6、带有锁止机构的举升滑车，7、转动机构，8、旋转接头，9、钻杆短接，10、无线应力波监测器，11、实验架架体，12、待测空气锤，13、加钻压气缸，14、待测空气锤锤头，15、岩心夹持器，16、加强脊，17、平动滑车，18、锁止机构，19、滑轨，20、倾斜角度仪，21、位移传感器，22、钻压压力传感器，23、岩心夹持器底座，24、后轴。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型。

参看图1、图2。

所述实验架包括实验架架体11、前轴3以及后轴24，所述实验架架体由两段槽钢背对背组合，形成滑轨。

所述钻进***包括加钻压气缸13、钻进滑车4及转动机构7，所述加钻压气缸13固定于实验架架体11中间，其活塞端连接钻进滑车4，所述钻进滑车4可以沿着实验架架体的滑轨滑动；所述转动机构7连接旋转接头8，旋转接头又通过钻杆短接9连接待测空气锤12，待测空气锤连有待测空气锤锤头14。

所述岩心夹持器15通过其底座23固定在实验架架体11上，其尾部带有加强脊16，岩心夹持器中装有岩心，与待测空气锤锤头相对。

所述起升***包括举升架立柱1、举升油缸5、带有锁止机构的举升滑车6和平动滑车17，平动滑车带有锁止机构18；实验架的前轴3铰接于举升滑车上，后轴24铰接于平动滑车上，当举升油缸推动举升滑车升高时，实验架在牵引作用下沿着平动滑车的滑轨19滑动。

所述数据采集***包括注入压力传感器2、无线应力波监测器10、倾斜角度仪20、位移传感器21、钻压压力传感器22，所述注入压力传感器2位于旋转接头8的注气口上，所述无线应力波监测器10附着于钻杆短接9上。所述倾斜角度仪20、位移传感器21均位于实验架架体11上，所述钻压压力传感器22位于加钻压气缸13上，这三者分别用于测量空气锤的工作角度、空气锤的钻速和钻压。

Claims

1.一种空气锤性能的评价装置，由实验架、钻进***、岩心夹持器、起升***、数据采集***组成，其特征在于，所述实验架包括实验架架体（11）、前轴（3）以及后轴（24），所述实验架架体由两段槽钢背对背组合，形成滑轨；所述钻进***包括加钻压气缸（13）、钻进滑车（4）及转动机构（7），所述加钻压气缸（13）固定于实验架架体（11）中间，其活塞端连接钻进滑车（4），所述钻进滑车（4）可以沿着实验架架体的滑轨滑动，所述转动机构（7）连接旋转接头（8），旋转接头又通过钻杆短接（9）连接待测空气锤（12），待测空气锤连有待测空气锤锤头(14)；所述岩心夹持器（15）通过其底座（23）固定在实验架架体（11）上，其尾部带有加强脊（16），岩心夹持器中装有岩心，与待测空气锤锤头（14）相对；所述起升***包括举升架立柱（1）、举升油缸（5）、带有锁止机构的举升滑车（6）和平动滑车（17），所述实验架的前轴（3）铰接于举升滑车上，后轴（24）铰接于平动滑车上；所述数据采集***包括注入压力传感器（2）、无线应力波监测器（10）、倾斜角度仪（20）、位移传感器（21）、钻压压力传感器（22），所述注入压力传感器（2）位于旋转接头（8）的注气口上，所述无线应力波监测器（10）附着于钻杆短接（9）上，所述倾斜角度仪（20）、位移传感器（21）均位于实验架架体（11）上，所述钻压压力传感器（22）位于加钻压气缸（13）上。