[发明专利]用于辅助钻具的压力和/或扭矩与位移关系的测试装置

说明书

根据本发明，提供了一种用于辅助钻具的压力和/或扭矩与位移关系的测试装置，包括：连接在所述辅助钻具的第一端处的压力测量机构，其包括：用于模拟产生井底对辅助钻具的轴向冲击力的模拟压力生成单元；力传感器；和用于连接所述辅助钻具的第一接头；以及连接在所述辅助钻具的第二端处的扭矩测量机构，其包括：用于连接所述辅助钻具的第二接头；扭矩传感器和扭矩接头；通过该测试装置能够测量辅助钻具的当前螺旋副参数情况下的压力和扭矩分别与辅助钻具的弹簧的压缩量之间的关系。本发明还提供了一种用于辅助钻具的压力和/或扭矩与位移关系的测试方法。

技术领域

本发明属于石油工业机械技术领域，具体地涉及一种用于辅助钻具的压力和/或扭矩与位移关系的测试装置。本发明还涉及一种用于辅助钻具的压力和/或扭矩与位移关系的测试方法。

背景技术

随着石油钻井技术的不断发展，为了满足钻井工程中的需求出现了许多不同功能的钻井工具。同时，随着科技的飞速发展，现有技术中的钻井工具的性能得到了很大的提高。

然而，在一些特殊工况下，仍然存在一些问题。例如，在软硬交错地层或硬地层中施工时，由于这种地层的岩性变化大或强度大，地层软硬交错，在钻井过程中易诱发井下钻具振动，从而导致钻头长时间处于动态不稳定的工作状态。钻头工作状态的不稳定会造成井下钻柱处于轴向振动、横向振动和周向振动的耦合状态，这三种井下振动形式分别主要表现为跳钻、涡动和粘滑。钻头振动不仅会降低钻头的破岩效率，还会造成钻头牙齿或切削齿的先期损坏、钻具疲劳破坏，进而导致机械钻速慢、钻头进尺少、钻头寿命短、钻具先期失效和井下落物等一系列影响钻井周期和钻井费用的问题。

为此，在钻井过程中通过使用辅助钻具，例如增压减震稳扭旋冲钻井提速工具，能够起到减小井下轴向振动对钻头的冲击的作用，同时，能够给钻头施加设计钻压，从而给钻头提供一种高频变化的具有轴向周向的复合方向的冲击力。将超出设定转矩时的旋转运动转化为直线运动，防止钻头钻柱失速，解决了钻头在硬地层、夹层的憋跳钻、粘滑、“失速”、机械钻速慢等问题。

现有技术中，增压减震稳扭旋冲钻井提速工具中的减震稳扭机构包括弹簧(如碟簧)、螺旋副等零部件。当发生失速时，在大扭矩及差速的作用下螺旋副的芯轴发生转动，并使弹簧产生压缩，此时，下部钻具会被提升一定距离，释放部分反扭矩。另外，当钻井工具刚接触井底时产生的轴向振动对钻头的破坏很大，通过螺旋副芯轴向上移动，压缩弹簧，能够将振动的破坏能量储存在弹簧中，有效减缓冲击，降低对钻头的破坏。由此可见，螺旋副结构在增压减震稳扭旋冲钻井提速工具中的起到很大作用，其相关参数如螺旋副的牙形、螺旋头数、螺旋升角、材料间的摩擦系数等都工具的性能具有很大影响，并且决定着弹簧的选型。因此，测试辅助钻具(例如增压减震稳扭旋冲钻井提速工具)的压力与位移关系和/或扭矩与位移关系，其中，位移是指辅助钻具中的弹簧的压缩量，即测试辅助钻具的压力和/或扭矩与弹簧压缩量之间的关系，这对正确地设计钻具以提高钻具的性能显得尤为重要。

发明内容

针对至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提供一种用于辅助钻具的压力和/或扭矩与位移关系的测试装置。该测试装置能够模拟井下钻井环境的施加钻压，并能够通过力传感器测量辅助钻具螺旋副参数情况下的压力与辅助钻具的弹簧压缩量的关系，通过扭矩传感器测量螺旋副参数情况下扭矩与弹簧压缩量的关系。改变辅助钻具的螺旋副参数，能够测得多组压力、扭矩与弹簧压缩量的关系。此外，该测试装置结构简单，加工制造成本低，易于安装，操作简单方便，并且能够保证测试结果的精确性。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于辅助钻具的压力和/或扭矩与位移关系的测试装置，包括：连接在所述辅助钻具的第一端处的压力测量机构，所述压力测量机构包括：用于模拟产生钻压对辅助钻具反作用力的生成单元；用于测量所述钻压对辅助钻具反作用力的力传感器；和用于连接所述辅助钻具的第一接头，所述第一接头通过第一回液接头与储液池相连；以及连接在所述辅助钻具的第二端处的扭矩测量机构，所述扭矩测量机构包括：用于连接所述辅助钻具的第二接头，所述第二接头通过第二回液接头与储液池相连；扭矩传感器；和扭矩接头，其用于承受测试时所施加的扭矩，并将所述扭矩传递给所述第二接头。