涡轮钻探工艺实验装置

摘要

本发明提供一种涡轮钻探工艺实验装置，包括支撑台架、旋转加载装置、涡轮钻具和泥浆循环系统，泥浆循环系统包括岩石箱、泥浆池和泥浆泵，岩石箱设置在涡轮钻具的下方，在涡轮钻具上设置有扶正机构，泥浆泵的输入管道与泥浆池连通，岩石箱下侧具有出水口，出水口与泥浆池连通，泥浆泵的输出管道与涡轮钻具连通，旋转加载装置的动力输出端与涡轮钻具连接。该涡轮钻探工艺实验装置采用立式结构，不但可以作为涡轮钻具性能测试、涡轮钻井技术测试平台，还可以作为以水力驱动为动力源的孔下钻具的测试平台；实际测量时，采用往复式高压泥浆泵，而不是旋转式水泵直接泵入泥浆作为动力源，比现有的电力测功机、磁粉制动器式的测量设备具有压力高、扭矩足、更加贴近真实工况的优势。

说明书

技术领域

本发明涉及地质勘探领域，尤其涉及一种涉及一种用以测量实际钻探过 程中钻具各项性能参数的涡轮钻探工艺实验装置。

背景技术

涡轮钻具是地球深部探测、超深井钻探不可缺少的关键设备，目前，已 经在石油钻井和地质超深井钻探领域得到了广泛应用。涡轮钻探技术实验台 是开展涡轮钻具性能测试，以及涡轮钻具与钻头匹配的钻探工艺实验的关键 设备。目前，对涡轮钻具的测试，通常采用旋转式离心泵驱动涡轮钻具旋转， 由于离心泵的流量大、压差小，因此，无法通过实钻加载钻头上的钻压自然 产生扭矩的方式测试，而是采用磁粉制动器或者电力测功机模拟钻进中的扭 矩，因此，只能开展涡轮钻具测试研究，而无法进行相应的钻探工艺研究。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用以测量实际钻 探过程中钻具各项性能参数的涡轮钻探工艺实验装置。

为实现上述目的，本发明提供的涡轮钻探工艺实验装置，包括支撑台架、 旋转加载装置、涡轮钻具和泥浆循环系统，所述泥浆循环系统包括岩石箱、 泥浆池和泥浆泵，所述岩石箱设置在所述涡轮钻具的下方，在所述涡轮钻具 上设置有扶正机构，所述泥浆泵的输入管道与所述泥浆池连通，所述岩石箱 下侧具有出水口，所述出水口与所述泥浆池连通，所述泥浆泵的输出管道与 所述涡轮钻具连通，所述旋转加载装置的动力输出端与所述涡轮钻具连接。

优选地，所述岩石箱内为立方体形，在所述岩石箱内底部设有多个椭圆 形孔，还包括岩石固定杆，所述岩石固定杆一端具有椭圆形头，所述椭圆形 头插入所述岩石箱内底部设置的所述椭圆形孔旋转后与所述椭圆形孔卡接； 另一端为一与其螺纹连接的连接头，在所述连接头上开有通孔，在正对的两 根所述岩石固定杆连接头上的通孔中插入一根压杆。

优选地，旋转加载装置包括液压马达、扭矩传感器、减速器、液压缸活 塞安装座、轴承安装座、轴承、主轴、两个液压缸，所述液压马达安装在所 述减速器的输入端，所述扭矩传感器安装在所述减速器和所述液压马达之间， 所述减速器的输出端下部连接所述主轴，所述轴承通过轴承安装座设置在所 述主轴上，所述轴承安装座设置在所述液压缸活塞安装座上，两个所述液压 缸的缸体设置在所述支撑台架的下方，所述主轴连接涡轮钻具，伸出所述减 速器输出端上方的所述主轴浮动设置。

优选地，所述旋转加载装置还包括液压控制系统，所述液压控制系统包 括

液压源(液压油箱及相应的动力源控制系统)；

液压控制回路（指液压控制阀件、管路、操纵机构等）：用以控制液压缸 进给方向的液压缸换向阀，所述液压缸换向阀为三位四通换向阀，进油阀口 与所述液压源连通；

用以控制液压马达旋转方向及旋转速度的液压马达换向阀，所述液压马 达换向阀为三位四通换向阀，进油阀口与所述液压源连通；

用以控制液压缸进给力的溢流减压阀，包括输入端、输出端和泄油口， 所述输入端与所述液压缸换向阀的一个输出端连通，所述泄油口与所述液压 油箱连通；

用以防止液压缸突然掉下以及保持液压系统平稳的液压平衡阀，包括两 个输入口和两个输出口，其中一个输入口和所述液压换向阀的另一个输出端 连通，另一个输入口和所述溢流减压阀的输出端连通，两个输出端分别和所 述液压马达连通。

优选地，所述泥浆循环系统还包括

莲蓬头，设置在所述泥浆池内，用以在泥浆池内汲取泥浆或清水的过程 中过滤杂质；

吸水管，两端分别与泥浆泵的输入端和莲蓬头连接；

水龙头，导通涡轮钻具和泥浆泵，向涡轮钻具内注入泥浆或清水；

压水管，两端分别与泥浆泵的输出端和水龙头连接；

压力变送器，设置在压水管上，用以显示压力变化并将水压信息转换为 电信号；

流量计，设置在吸水管上，用以监控泥浆泵的流量信息；

回水管，所述回水管上设置有安全阀，所述回水管连通压水管和泥浆池， 所述安全阀防止压水管堵塞时发生事故，当所述压水管内压力超过安全阀开 启压力时，安全阀自动打开，泥浆或清水在压力作用下涌出安全阀的溢流孔， 通过回水管流回水池。

泄压管，所述泄压管上设置有回水阀，所述泄压管连通压水管和回水管， 所述回水阀用作停止泥浆泵时排出泵口具有压力的泥浆或清水用；或用来检 查开启泥浆泵后是否吸上冲洗液。

溢流管，所述溢流管上设置有溢流阀，所述溢流管连通所述压水管和泥 浆池，所述溢流阀用以调节泥浆泵的流量。

优选地，所述支撑台架包括工字钢、多个横加强筋、多个斜加强筋、支 撑架底板、基座和多个固定支架，多个所述横加强筋水平间隔焊接在所述工 字钢的凹槽内，所述斜加强筋以横加强筋为对称线倾斜焊接在所述横加强筋 两侧，多个所述固定支架间隔设置在在所述工字钢的后部，所述支撑板底板 焊接在所述工字钢底部，在所述支撑底板上开有半圆孔，两个所述液压缸设 置在所述支撑架底板上，所述基座设置在所述支撑架底板的下部。

优选地，所述基座具有一中空腔，所述中空腔由方钢焊接而成，在所述 基座的侧面焊接有加强筋。

本发明提供的涡轮钻探工艺实验装置采用立式结构，不但可以作为涡轮 钻具性能测试、涡轮钻井技术测试平台，还可以作为螺杆钻具、叶片钻具、 振动工具等以水力驱动为动力源的孔下钻具的测试平台；实际测量时，采用 泥浆泵直接泵入泥浆作为动力源，比现有的电力测功机、磁粉制动器式的测 量设备具有扭矩足、更加贴近真实工况的优势。

附图说明

图1为本发明涡轮钻探工艺实验装置的结构示意图；

图2为本发明涡轮钻探工艺实验装置的岩石箱的结构示意图；

图3为本发明涡轮钻探工艺实验装置的旋转加载装置的结构示意图；

图4为本发明涡轮钻探工艺实验装置的液压控制系统的原理示意图；

图5为本发明涡轮钻探工艺实验装置的泥浆循环系统的结构示意图；

图6为本发明涡轮钻探工艺实验装置的支撑台架的结构示意图；

图7为本发明涡轮钻探工艺实验装置的岩石固定杆的结构示意图；

图8为本发明涡轮钻探工艺实验装置的岩石箱内底部结构示意图；

图9为图3的圆内局部放大结构示意图。

图中，1-岩石箱，2-泥浆池，3-泥浆泵，4-涡轮钻具，5-椭圆形孔，6-岩 石固定杆，7-压杆，8-连接头，9-液压马达，10-扭矩传感器，11-减速器，12- 液压缸活塞安装座，13-轴承安装座，14-轴承，15-主轴，16-液压缸，17-液 压源，18-液压油箱，19-液压马达换向阀，20-溢流减压阀，21-液压平衡阀， 22-液压缸换向阀，23-莲蓬头，24-吸水管，25-水龙头，26-压水管，27-压力 变送器，28-流量计，29-回水管，30-泄压管，31-溢流管，32-溢流阀，33-工 字钢，34-横加强筋，35-斜加强筋，36-支撑架底板，37-基座，38-固定支架， 39-扶正机构，40-垫板，41-安全阀，42-回水阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

请参考图1，图1为本发明涡轮钻探工艺实验装置的结构示意图。

涡轮钻探工艺实验装置，包括支撑台架、旋转加载装置、涡轮钻具4和 泥浆循环系统，所述泥浆循环系统包括岩石箱1、泥浆池2和泥浆泵3，所述 岩石箱1设置在所述涡轮钻具4的下方，在所述涡轮钻具4上设置有扶正机 构39，所述泥浆泵3的输入管道与所述泥浆池2连通，所述岩石箱1下侧具 有出水口，所述出水口与所述泥浆池2连通，所述泥浆泵3的输出管道与所 述涡轮钻具4连通，所述旋转加载装置的动力输出端与所述涡轮钻具4连接。

请参考图2、图7和图8，图2为本发明涡轮钻探工艺实验装置的岩石箱 的结构示意图，图7为本发明涡轮钻探工艺实验装置的岩石固定杆的结构示 意图，图8为本发明涡轮钻探工艺实验装置的岩石箱内底部结构示意图。

所述岩石箱1内为立方体形，在所述岩石箱1内底部设有多个椭圆形孔 5，还包括岩石固定杆6，所述岩石固定杆6一端具有椭圆形头，所述椭圆形 头插入所述岩石箱1内底部设置的所述椭圆形孔5旋转后与所述椭圆形孔5 卡接；另一端为一与其螺纹连接的连接头8，在所述连接头8上开有通孔， 在正对的两根所述岩石固定杆6连接头8上的通孔中插入一根压杆7。使用 时，将岩石放入岩石箱1内，岩石由于不规则性，其放置在岩石箱1内后会 露出部分椭圆形孔5，在岩石箱1内底部的椭圆形孔5内插入岩石固定杆6 并旋转卡接，此根岩石固定杆6固定好后，旋转连接头8使其下移，下移到 一定程度后插入压杆7，在压杆7另一端再通过连接头8上的通孔接上一根 岩石固定杆6，旋转岩石固定杆6使其长度变短，缩短至压杆7能够压紧岩 石后将岩石固定杆6下端的椭圆形头插入到椭圆形孔5内旋转后卡在椭圆形 孔5内，岩石箱内底部也可加工一块垫板40来放置石头，连接头8具有一螺 纹套，即与岩石固定杆6螺纹连接的部分，在螺纹套顶端有一具有锥孔的活 动头，该活动头可在螺纹套顶部自由旋转。

请参考图3和图9，图3为本发明涡轮钻探工艺实验装置的旋转加载装 置的结构示意图，图9为图3的圆内局部放大结构示意图。

旋转加载装置包括液压马达9、扭矩传感器10、减速器11、液压缸活塞 安装座12、轴承安装座13、轴承14、主轴15、两个液压缸16，所述液压马 达9安装在所述减速器11的输入端，所述扭矩传感器10安装在所述减速器 11和所述液压马达9之间，所述减速器11的输出端下部连接所述主轴15， 所述轴承14通过轴承安装座13设置在所述主轴15上，所述轴承安装座13 设置在所述液压缸活塞安装座12上，两个所述液压缸16的缸体设置在所述 支撑台架的下方，所述主轴15连接涡轮钻具4，伸出所述减速器11输出端 上方的所述主轴15浮动设置。扭矩传感器10用于测量主轴15上的反扭矩， 即是涡轮钻具4或者其他钻具上的钻头与岩石相互作用时的破岩力矩。液压 马达9通过减速器11后速度降低、扭矩变大，减速器11的输出端下部连接 有输出主轴15，主轴15上部带有螺纹，以连接接头，再接涡轮钻具4或者 其他孔底钻具，减速器11输出端的上部浮动，在液压马达9不输出主动力矩 的情况下可自由旋转。涡轮钻具4或者其他的孔底钻具在做钻进实验时，控 制液压马达9的阀处在中位，液压马达9不输出扭矩，主轴15浮动，可测量 钻具反扭矩的方法测量破岩扭矩，而在钻进实验结束，扭断岩心，以及实验 开始带动钻具旋转时，液压马达9均需要输出扭矩，作为主动动力源带动钻 具旋转。

请参考图4，图4为本发明涡轮钻探工艺实验装置的液压控制系统的原 理示意图。

所述旋转加载装置还包括液压控制系统，液压控制系统的作用是驱动液 压马达9和液压缸16，具体要求如下，液压系统工作压力为12.5MPa，实际 工作压力在10MPa以内；液压马达9的方向可以控制，回转速度可连续控制； 液压缸16的方向可控制，进给力可精确控制，提升过程的力和速度可连续控 制。

所述液压控制系统包括

液压源17，液压源17采用标准液压站，液压站上带有安全阀和溢流阀 32各一个，分别保证系统安全和调节系统压力，液压动力源可稳定输出恒压 力和恒流量，为保证系统安全，在液压站上设置蓄能器，以保证紧急情况下 的动力源，并避免压力和流量波动；

液压油箱18；

用以控制液压缸16进给方向的液压缸换向阀22，所述液压缸换向阀22 为三位四通换向阀，进油阀口与所述液压源17连通，液压缸换向阀22采用 钢球定位操作，通过调节阀口大小控制起升时液压缸16速度；

用以控制液压马达9旋转方向及旋转速度的液压马达换向阀19，所述液 压马达换向阀19为三位四通换向阀，进油阀口与所述液压源17连通，液压 马达换向阀19采用钢球定位操作，通过调节阀口大小控制旋转时的速度；

用以控制液压缸16进给力的溢流减压阀20，包括输入端、输出端和泄 油口，所述输入端与所述液压缸换向阀22的一个输出端连通，所述泄油口与 所述液压油箱18连通；

用以防止液压缸16突然掉下以及保持液压系统平稳的液压平衡阀21， 包括两个输入口和两个输出口，其中一个输入口和所述液压换向阀的另一个 输出端连通，另一个输入口和所述溢流减压阀20的输出端连通，两个输出端 分别和所述液压马达9连通。

液压缸换向阀22、液压马达换向阀19、溢流减压阀20以及液压平衡阀 21均安装在操作台里，露出手柄以便操作。

请参考图5，图5为本发明涡轮钻探工艺实验装置的泥浆循环系统的结 构示意图。

所述泥浆循环系统还包括

莲蓬头23，设置在所述泥浆池2内，用以在泥浆池2内汲取泥浆或清水 的过程中过滤杂质；

吸水管24，两端分别与泥浆泵3的输入端和莲蓬头23连接；

水龙头25，导通涡轮钻具4和泥浆泵3，向涡轮钻具4内注入泥浆或清 水；

压水管26，两端分别与泥浆泵3的输出端和水龙头25连接；

压力变送器27，设置在压水管26上，用以显示压力变化并将水压信息 转换为电信号；

流量计28，设置在吸水管24上，用以监控泥浆泵3的流量信息；

回水管29，所述回水管29上设置有安全阀41，所述回水管29连通压水 管26和泥浆池2，所述安全阀41防止压水管26堵塞时发生事故，当所述压 水管26内压力超过安全阀开启压力时，安全阀41自动打开，泥浆或清水在 压力作用下涌出安全阀41的溢流孔，通过回水管29流回泥浆池2。

泄压管30，所述泄压管30上设置有回水阀42，所述泄压管30连通压水 管26和回水管29，所述回水阀42用作停止泥浆泵3时排出泵口具有压力的 泥浆或清水用；或用来检查开启泥浆泵3后是否吸上冲洗液。

溢流管31，所述溢流管31上设置有溢流阀32，所述溢流管31连通所 述压水管26和泥浆池2，所述溢流阀32用以调节泥浆泵3的流量。

泥浆循环系统的主要功能：泥浆泵3从泥浆池2中吸取泥浆（清水），通 过泵产生高压泥浆（清水），输出高压泥浆（清水）驱动涡轮钻具4或其他实 验的孔底动力钻具的转子旋转，从而带动钻头旋转，驱动钻头在岩石箱1中 的岩石进行钻进，泥浆通过涡轮钻具4后流入岩石箱1中，再通过岩石箱1 流回泥浆池2，整个过程泥浆基本没有漏失。

请参考图6，图6为本发明涡轮钻探工艺实验装置的支撑台架的结构示 意图。

所述支撑台架包括工字钢33、多个横加强筋34、多个斜加强筋35、支 撑架底板36、基座37和多个固定支架38，多个所述横加强筋34水平间隔焊 接在所述工字钢33的凹槽内，所述斜加强筋35以横加强筋34为对称线倾斜 焊接在所述横加强筋34两侧，多个所述固定支架38间隔设置在在所述工字 钢33的后部，所述支撑板底板焊接在所述工字钢33底部，在所述支撑底板 上开有半圆孔，两个所述液压缸16设置在所述支撑架底板36上，所述基座 37设置在所述支撑架底板36的下部。

所述基座37具有一中空腔，所述中空腔由方钢焊接而成，在所述基座 37的侧面焊接有加强筋。

横加强筋34和斜加强筋35用于加强工字钢33强度，同时，横加强筋 34还兼顾爬梯功能，以便在检修上部结构时使用；固定支架38以便使得支 撑台架固定在墙体上，抗扭矩、起拔力、拉压力、倾覆力矩等，以增加其刚 度和稳定性；支撑底板上开有半圆孔，用于钻具通过，同时，支撑架底板36 上面还有两组螺栓孔，方便底部两个液压缸16的安装；支撑架底板36下部 是一个中空的基座37，由方钢焊接而成，侧面焊接有加强筋，底部基座37 通过大直径高强度的螺栓固定在钢结构平台上。支撑台架结构简单，便于维 修、使用和安装，同时也是旋转加载装置运动的轨道，也是实验台大部分重 量的承受部件。

涡轮钻探技术实验装置的工作原理：

通过高压泥浆泵3输出具有一定压力和流量的泥浆（清水）驱动涡轮钻 具4作旋转运动，输出扭矩和转速；通过旋转加载装置作用在涡轮钻具4外 筒上，模拟孔底加压工况，涡轮钻具4下部旋转中的钻头产生破岩扭矩，钻 头在实验装置下部的岩石中不断进尺，模拟孔下的动力钻具取心过程，测试 系统实时采集各项参数，并通过人机交互调节主控参数，所有参数都实时显 示、存储，以便开展线下分析。

通过开展不同直径、不同级数、不同结构的涡轮钻具4，在不同的水力 参数（压力、流量），不同的钻探工艺（取心钻头、钻压等参数），不同的地 层条件（不同岩石）等条件下的实验工作，根据实验目标，开展涡轮钻具4 特性测试研究和涡轮钻井工艺技术研究。同时，也可以作为其他水力驱动的 孔下动力钻具和其他钻井工具的测试实验平台。

涡轮钻探技术实验台为立式结构，泥浆循环系统利用高压泥浆泵3从泥 浆池2里吸取泥浆，输出一定流量和压力的高压泥浆，通过泥浆管线，驱动 涡轮钻具4旋转，并使涡轮钻具4通过的泥浆净化并回到泥浆池2。实验台 架则主要是完成涡轮钻具4的支撑、扶正、夹持、提升等基本操作，利用支 撑台架上的动力头给涡轮钻具4底部的钻头施加连续可调的钻压，并在涡轮 钻具4启动过程中提供一定的旋转扭矩带动起顺利旋转。

本实验装置的各监制部件（如压力变送器27、流量计28、水龙头25以 及安全阀、回水阀等阀门）与外部数据采集系统连接则可实时测量钻压、压 力、流量、钻速、进尺、扭矩、转速等量，可对泥浆泵3流量和钻压进行连 续调节和控制，将监测结果实时显示在显示器上，具备安全报警和紧急动作 的功能，并能够实时保存数据，便于离线分析与综合。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发 明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说 明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有 的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易 见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。