[发明专利]一种冲击旋转钻井实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井过程中岩石破碎领域，特别是一种冲击旋转钻井实验装置。

背景技术

目前，随着油气资源的需求量的逐年增加，常规油气资源产量的不断下降，从常规到非常规油气，从中深层到深层、超深层，从中浅海到深海、超深海，已成为全球油气勘探的必然趋势。在非常规油气勘探开发中要用到长水平井段钻井技术，势必增加了勘探成本；另外随井深增加，钻遇岩石越坚硬，钻速越低。钻井成本高是制约浅层非常规油气和深层油气高效开发的主要技术瓶颈。

冲击旋转钻井技术适合浅层非常油气和深层硬脆性地层，因为冲击旋转钻井是在旋转钻井的基础上对钻头施加一定频率的冲击能量，旋转的钻头不但对钻头有静压力和扭矩，而且附加了一种冲击动载荷。实际应用时与常规钻井相比，相同钻压下，机械钻速高，大幅提高钻井效率。

冲击旋转钻井通常是通过在钻头上安装冲击器，将冲击能量传递给钻头，实现高效破岩，所以冲击器是关键，石油行业常用的冲击器为液动和气动两种。虽然，冲击旋转钻井技术已提出多年，并有诸多优点，但是并没得到推广应用，而且破岩速度不稳定，在同一地层、同一井况下钻速差别很大，主要原因：一是由于井下钻井工况极其复杂，各参数耦合在一起，很难精确测量单参数对钻速影响关系，所以并未研究清楚冲旋钻井破岩机理；二是，冲击器加工和现场试验成本很高，并且每种冲击器提供的参数范围有限，所以很难得到合理的钻井参数及其优化设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够单独并精确控制各影响因素、准确测量各响应参数、降低实验成本、提供冲击频率范围大、冲击载荷多样、工作可靠、使用寿命长的冲击旋转钻井实验装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种冲击旋转钻井实验装置，它包括基础底座、冲击载荷控制机构、钻压控制机构、岩石夹持机构、钻杆、岩屑清理机构、测量系统、转速控制机构和转换接头；

所述的测量系统由钻压传感器、扭矩传感器、加速度传感器I、加速度传感器II和位移传感器组成；

所述的基础底座由连接于地面的水泥底座和经地脚螺钉固定在水泥底座上的槽钢底座组成，槽钢底座的顶部上且沿槽钢底座的一端到另一端顺次设置有支持板I、支持板II和支持板III；

所述的钻杆由相连接的大直径花键筒段和小直径圆筒段组成，钻杆的大直径花键筒段与转换接头花键连接，钻杆的小直径圆筒段转轴旋转安装在支持板I和支持板II之间，转换接头的另一端经螺纹连接有扭矩传感器，扭矩传感器经螺纹连接有钻头；

所述的冲击载荷控制机构由固定于地面并水平放置的冲击载荷发生器、经螺钉连接在冲击载荷发生器台面上的法兰盘、冲击杆、半球形冲头和冲击杆校正装置组成，冲击杆的一端设置在法兰盘上，冲击杆的另一端设置在钻杆的小直径圆筒段内，半球形冲头设置在钻杆的小直径圆筒段内，且半球形冲头经螺纹连接在冲击杆上，半球形冲头与转换接头的端面接触，冲击杆校正装置设置在钻杆与法兰盘之间；

所述的转速控制机构由伺服电机、与伺服电机连接的变频器、小直径同步齿轮、大直径同步齿轮和同步带组成，小直径同步齿轮安装在伺服电机的输出端，大直径同步齿轮安装在钻杆的小直径圆筒段上，小直径同步齿轮与大直径同步齿轮之间安装有同步带；

所述的岩石夹持机构设置在钻头与支持板III之间，岩石夹持机构由设置在槽钢底座上的导轨、滑套和岩石夹持器组成，滑套安装在导轨上，岩石夹持器由带有缺口的机壳、角度调整螺钉、角度调整块和位置调整螺钉组成，机壳的缺口朝向钻头设置且固定在滑套上，机壳的两侧面和底部均设置有位置调整螺钉，机壳的端面上设置有角度调整螺钉，角度调整螺钉上铰接有角度调整块，角度调整块设置在机壳内，所述的机壳的缺口处设置有防尘罩，机壳的端面上还设置有法兰II，法兰II内设置有推力滚子轴承；

所述的钻压控制机构由推杆和连接在支持板III上的液压缸组成，液压缸的活塞杆上连接有推杆，推杆上经螺纹连接有钻压传感器，钻压传感器与推力滚子轴承同心接触；

所述的岩屑清理机构由空气压缩机与对准钻头钻进方向的且用于清理岩屑的喷头组成，喷头设置在槽钢底座上，喷头与空气压缩机连接；

所述的位移传感器设置在支持板III与机壳之间，所述的加速度传感器I设置在法兰盘的端面上，所述的加速度传感器II设置在机壳的端面上。

所述的支持板II的侧面上设置有法兰I，法兰I内设置有推力球轴承，推力球轴承安装在钻杆的小直径圆筒段上。

所述的支持板I、支持板II和支持板III均经螺栓固定在槽钢底座上。