一种测试钻井工具中套筒内活塞冲击功的方法与流程 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种测试钻井工具中套筒内活塞冲击功的方法。背景技术：2.在钻井工程项目中，钻井工具的活塞在动力的驱动下做高频上下往复运动及自旋转运动，以此进行机械能转换，不断冲击钻头尾部，实现冲击或旋转破岩。3.现阶段，评价钻井效果的主要指标之一是钻井工具的冲击功，冲击功实际上是两物体碰撞的瞬间作用力，目前对于冲击功的获取方法大致有以下几种，但这几种方法都存在一定的技术问题，分别如下：4.一是根据经验估算，但该方法并不能得到准确的冲击功数据。5.二是利用已知公式进行推导估算，但推导估算的方法一般都在理论状态下进行的，其并非实际运动过程中的真实值，导致得到的冲击功数据与实际相比具有一定的误差。6.三是将荷重传感器安装在钻井工具的运动活塞上直接测量所需要的冲击力，但钻井工具的内部空间狭小，荷重传感器无法直接加装在被测活塞上进行直接有效测试。此外，由于钻井工具的动能较大，工作中的振动幅度相对较大，若直接将荷重传感器安装在活塞上也会因为振动大而导致荷重传感器容易受损，这给测量方法带来一定难度，因而该方法同样不能有效测试冲击功。7.四是若采用气动钻井工具，则可通过压力传感器测量钻井工具空腔内空气压缩的压力，然后将压力换算成所需要的冲功即可。该方法在测试时需要在钻井工具的套筒上开设小孔安装压力传感器，以使压力传感器与产生压力的空气压缩空间相接触。但开设小孔会破坏钻井工具的密封性，影响钻井工具的正常使用，并不实用。8.五是公开号为cn103048074a的专利文献所公开的一种石油钻井冲击器性能测试装置及其测试方法，该专利采用传感器和数据转换器相结合的方式，利用冲击力法，直接测定出不同型号冲击器的冲击力和冲击频率。同时也可以利用压力传感器测量出冲击器的钻井液入口压力、出口压力、缸体上下腔压力，利用流量传感器测出冲击器出口流量。通过缸体上下腔压差测量，并计算得出冲击功和冲击末速度。但实际上，该装置结构复杂，必须要专业施工人员才能安装，普通测试人员无法单独完成测试。且需要安装的传感器和仪器较多，相应导致成本较高。另外，用于直接测试冲击力和冲击频率的传感器，只能在冲击力较小的情况下使用，若是现场冲击力过大，并且有其它力的同时作用，诸如钻头的剪切力、摩擦力等都比较大的情况下，将导致测试的应变片很容易被损坏，也不利于后续测试。9.为此，有必要研发能够适合在封闭狭小空间内准确测试活塞冲击功的新技术。技术实现要素：10.本发明的目的在于提供一种测试钻井工具中套筒内活塞冲击功的方法，该方法能够更为准确的测试出钻井工具的冲击功，不仅有效解决了现有技术中冲击功测试不准确的技术问题，还更有利于钻井效果的准确评价。11.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：12.一种测试钻井工具中套筒内活塞冲击功的方法，其特征在于包括以下步骤：13.步骤一：在钻井工具的套筒下部固定加速度传感器，固定完成后启动并调试钻井工具直至正常运行；14.步骤二：控制钻井工具的活塞开始上下往复运动冲击钻头进行试钻井直至钻进平稳；15.步骤三：读取加速度传感器的时间变化示意图和振动信号图，并根据时间变化示意图和振动信号图得出活塞的下冲程运行时间和下冲程最大加速度值，再基于下冲程运行时间和下冲程最大加速度值计算得出活塞的冲击功。16.所述冲击功的计算方法为：[0017][0018]式中，w表示冲击功；m表示活塞的质量；v表示活塞的冲击末速度；t表示活塞的下冲程运行时间，a表示活塞的下冲程最大加速度值。[0019]所述加速度传感器为单轴加速度传感器。[0020]所述单轴加速度传感器的轴心线与套筒的轴心线相平行。[0021]所述套筒下部靠近钻头处固定有直径为3cm的不锈钢圆板，加速度传感器安装在不锈钢圆板上。[0022]所述不锈钢圆板焊固在套筒下部。[0023]所述的试钻进时间为5-10分钟。[0024]所述钻井工具包括以空气压缩驱动或液压驱动为动力的工具。[0025]所述钻井工具通过支撑架固定在地面上。[0026]采用本发明的优点在于：[0027]1、本发明所述方法采用三个步骤就能够更为准确的在封闭狭小空间内测试出活塞的冲击功，不仅有效解决了现有技术中冲击功测试不准确的技术问题，还具有结构简单、计算方便、测试效果高等优点，更有利于钻井效果的准确评价。[0028]2、本发明采用单轴加速度传感器可以排除活塞在其他运动方向的信号噪声干扰，有利于采集得到更为准确的测试数据。[0029]3、本发明通过3cm的圆板安装加速度传感器，圆板打磨光滑，无锈迹，利于安装传感器底座，不仅可以减少铁锈对传感器灵敏度的影响，还使得传感器不容易损坏。[0030]4、本发明通过5-10分钟的试钻进，可让动力钻井工具在运行平稳的状态下，排除其它自身噪声的干扰，这样才利于传感器测量更精准。[0031]5、本发明既可测试以空气压缩驱动为动力的钻井工具，也可测试以液压驱动为动力的钻井工具，具有适应范围广的优点。附图说明[0032]图1为本发明的安装结构示意图。[0033]图2为加速度传感器记录的时间变化示意图。[0034]图3为加速度传感器测试的部分振动信号图。[0035]图中标记为：1、钻井工具，2、套筒，3、活塞，4、钻头，5、加速度传感器，6、支撑架。具体实施方式[0036]实施例1[0037]本发明公开了一种测试钻井工具中套筒内活塞冲击功的方法，其包括以下步骤：[0038]步骤一：在钻井工具1的套筒2下部固定加速度传感器5，该加速度传感器5优选为单轴加速度传感器5，且单轴加速度传感器5的轴心线与套筒2的轴心线相平行。然后通过支撑架6将钻井工具1固定在地面上，固定完成后启动并调试钻井工具1直至正常运行。[0039]优选的，本实施例在套筒2下部靠近钻头4处以焊接固定的方式安装有直径为3cm的不锈钢圆板，进而将加速度传感器5安装在不锈钢圆板上，以实现加速度传感器5在套筒2上的安装固定。[0040]另外需要说明的是，本实施例对钻井工具1的种类不作具体限定，但优选采用以空气压缩驱动或液压驱动为动力的钻井工具1。[0041]步骤二：调试完成后即可控制钻井工具1开始试钻进，试钻进时，活塞3开始上下往复运动并冲击钻头4。优选的，试钻进的时间为5-10分钟，试钻进完成后，钻井工具1处于平稳运行状态。[0042]步骤三：在钻井工具1处于平稳运动状态时，通过上位机读取加速度传感器5的时间变化示意图和振动信号图，并根据时间变化示意图和振动信号图得出活塞3的下冲程运行时间和下冲程最大加速度值，再基于下冲程运行时间和下冲程最大加速度值计算得出活塞3的冲击功。由于活塞3是上下往复运动的，因此活塞3对钻头4的每一次冲击，都能够得到该往复运动过程中的冲击功数据。由于测试条件相同，因此每次得到的冲击功数据也基本相同。[0043]优选的，所述冲击功的计算方法为：[0044][0045]式中，w表示冲击功；m表示活塞3的质量；v表示活塞3的冲击末速度；t表示活塞3的下冲程运行时间，a表示活塞3的下冲程最大加速度值。[0046]需要说明的是，本发明关于冲击功的测试仅限于地面测试而不包括井下测试，由于本发明仅需在钻井工具1的下部设置一单轴加速度传感器5即可更为准确的测试出活塞3在封闭狭小套筒2内的冲击功，因此还具有测试结构简单、测试工序少、计算过程简洁、测试效果高等优点，更有利于钻井效果的准确评价。[0047]实施例2[0048]本发明目前已进行了实际试验并获得了相关参数，现本实施例根据实际试验情况对本发明所述的测试方法进行了验证，如下：[0049]实际试验采用了空气锤作为钻井工具1，并配备型号为阿特拉斯的空压机976提供压缩空气，空压机的额定功率为317kw，空气排量为25m3/min，空压机的排气量为2.5m3/s，空气锤的活塞3直径为150mm，活塞3质量为179kg。[0050]基于上述条件，利用加速度传感器5测试出的活塞3的下冲程运行时间和下冲程最大加速度值分别为0.25s和49m/s2，进而活塞3的冲击功为：[0051][0052]另外，申请人还利用背景技术中所述的第二、三项测试方法对上述测试的冲击功数据进行了再次验证，由于本实施例已实际试验，因此可得到相关的实际数据应用于第二、三项测试方法中。经验证，第二、三项测试方向均得到的冲击功数据均为12011j左右。由此可知，本发明的准确性更高，且本发明还解决了第二、三项测试所存在的技术问题，因而本发明的技术效果也更好。[0053]以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。









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