井底交变流场发生工具结构优化室内实验装置及实验方法

摘要

本发明涉及一种井底交变流场发生工具结构优化室内实验装置及实验方法，试验架顶部中心固定有提升装置，提升装置的下端悬吊有顶驱装置，顶驱装置的下端连接有钻杆，钻杆的下端旋接有脉冲发生工具和PDC钻头，PDC钻头的下方设有透明回流槽，透明回流槽的排水口通过排水管及排水阀与振动筛相连，振动筛固定在泥浆罐的上方；泥浆泵的入口管道插入泥浆罐的下部，泥浆泵的出口连接有高压管汇，高压管汇的出口与顶驱装置的进水口相连。PDC钻头的下方设有岩样，岩样固定在透明回流槽中。先进行钻井模式实验，后进行井底流场特性测试模式实验，评价脉冲发生工具的性能。本发明通过实验获得不同参数下脉冲射流辅助破岩效果，利于结构优选，提高钻进速度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油行业的实验装置，特别涉及一种井底交变流场发生工具结构优化室内实验装置；本发明还涉及一种井底交变流场发生工具结构优化室内实验方法，属于石油钻井实验设备技术领域。

背景技术

脉冲射流钻井技术能够有效利用井底水力能量，提高井底流体的清岩和辅助破岩效率，从而提高机械钻速。在深井、超深井等复杂地层，其降本增效的作用更加突出，意义更加重大。

脉冲射流发生工具是该技术的核心。公开号为CN105370213B的中国发明专利公开了一种井下脉冲射流钻头装置，该工具通过叶轮将钻井液的水力能量转化为动阀盘转动的机械能。进而通过动阀盘上水孔与静阀盘上水孔重合或错开，将连续的钻井液流调制为非连续的脉冲射流作用于井底。由于直接将脉冲射流发生部分的结构直接设计在钻头中，脉冲射流直接通过水眼作用于井底，该工具可大大的减少脉冲能量沿程损失，强化井底脉冲强度，辅助破岩效果更好，可更好的提高钻速，缩短建井周期，大大的降低建井成本。

目前尚未对该类脉冲射流发生器不同结构的适用情况及效果做出准确的评价，现场工作时浪费了大量的时间选择工具结构，并且容易出现结构选择不合理，影响钻井效率的问题。

发明内容

本发明的首要目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种井底交变流场发生工具结构优化室内实验装置，能够模拟现场工作条件，通过钻进实验获得不同冲击参数下脉冲射流辅助破岩效果，进而进行结构参数的优选，找到适合现场作业的最优方案，提高钻进速度。

为解决以上技术问题，本发明的一种井底交变流场发生工具结构优化室内实验装置，包括试验架，所述试验架的顶部中心固定有提升装置，所述提升装置的下端悬吊有顶驱装置，所述顶驱装置的下端连接有钻杆，所述钻杆的下端旋接有脉冲发生工具，所述脉冲发生工具的下端旋接有PDC钻头，所述PDC钻头的下方设有透明回流槽，所述透明回流槽的排水口通过排水管及排水阀与振动筛相连，所述振动筛固定在泥浆罐的上方；泥浆泵的入口管道插入所述泥浆罐的下部，所述泥浆泵的出口连接有高压管汇，所述高压管汇的出口与所述顶驱装置的进水口相连。

相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：1、提升装置承受整个钻具的重量，且可以使钻具上下移动，使钻具在钻进状态或测试状态进行切换。钻进状态时，PDC钻头抵靠在岩样上钻进；井底流场特性测试时，PDC钻头贴近透明回流槽的底部。在室内多方位真实模拟钻具在井下的工作状态。2、实验时，先打开泥浆泵，再启动顶驱装置，泥浆罐中的钻井液被泥浆泵抽出，通过高压管汇进入顶驱装置的进水口，为交变流场发生工具的结构优选实验提供钻井液，钻井液沿钻杆的中心孔道进入脉冲发生工具，脉冲发生工具产生脉冲射流从PDC钻头的水眼喷出，顶驱装置驱动钻杆、脉冲发生工具及PDC钻头转动，模拟井下的钻进过程。回液系统负责回收循环实验完后的钻井液，落入透明回流槽的钻井液通过排水管及排水阀进入振动筛筛分，清洁的钻井液流回泥浆罐中，如此实现钻井液的循环。3、通过透明回流槽可以直接观察PDC钻头及脉冲射流的状态。在实验室便于拆卸脉冲发生工具，改变其内部结构或参数，从而通过钻进实验获得不同冲击参数下脉冲射流辅助破岩效果，进而确定脉冲发生工具的最佳结构及最佳参数，从而提高钻进速度。

作为本发明的改进，所述PDC钻头的下方设有岩样，所述岩样的侧壁通过夹持装置固定在所述透明回流槽中。可以直接模拟PDC钻头在井底钻进时的工作状态并进行评价。

作为本发明的进一步改进，所述顶驱装置的两侧对称连接有顶驱支撑臂，所述顶驱支撑臂的外端头套装在所述试验架的立柱上且可上下滑动；所述钻杆的上下两端分别设有扶正抱箍，所述扶正抱箍分别通过钻杆支撑臂固定在所述试验架的立柱上。顶驱支撑臂可以阻止顶驱装置转动，提升装置作提升或下降动作时，顶驱支撑臂的外端头在试验架立柱上下浮动，使顶驱装置及钻具可以改变高度。扶正抱箍套装在钻杆的上下两端，使钻杆保持在竖直状态，但是不妨碍钻杆的转动。

作为本发明的进一步改进，所述泥浆泵的入口管道上安装有上水阀；所述高压管汇上连接有分流管，所述分流管上安装有分流阀，所述分流管的出口与所述泥浆罐相连；所述分流管与所述顶驱装置的进水口之间设有流量计。上水阀可以控制泥浆泵的入口流量，打开分流阀，泥浆泵出口的高压钻井液通过分流管及分流阀回到泥浆罐，以便降低泥浆泵的启动负荷，逐渐关闭分流阀，观察流量计的读数及高压管汇上压力表的读数逐渐升高至设定值；通过调节分流阀的开度，可以很方便地调节钻压和排量。

作为本发明的进一步改进，所述提升装置与所述顶驱装置之间设有拉力计，所述顶驱装置的顶部与所述试验架的顶部之间安装有位移传感器，所述透明回流槽的底部中心固定有高速摄像机，所述透明回流槽的底部支架通过重力传感器支撑在地面上，所述拉力计、位移传感器、重力传感器及高速摄像机的信号线接入数据采集终端。拉力计可以测试钻具受到的冲击力，通过冲击力测试获得射流冲击强度、冲击频率等参数。通过高速摄像机可以拍摄透明回流槽预铺设的沙子在射流冲击下的形态，评价井底流场特性。

作为本发明的进一步改进，所述脉冲发生工具包括筒体，所述筒体的上端设有筒体进水口，所述筒体的下端设有筒体出水口，筒体的内腔中段设有与筒体共轴线的上轴，所述上轴的中部通过轴承支撑在轴承座中，所述轴承座的外周通过轴承座凸缘支撑在所述筒体的上台阶上，所述轴承座凸缘上均匀分布有多个透水孔，所述上轴的下端旋接在叶轮的中心孔上部，所述叶轮的中心孔下部旋接有下轴，所述下轴的下端固定在动阀盘的中心孔中，所述动阀盘覆盖在静阀盘上，所述静阀盘的下端面外周支撑在所述筒体的下台阶上，所述动阀盘及静阀盘上分别设有过流孔。高压钻井液穿过轴承座凸缘上的透水孔，高速流向叶轮，使叶轮绕上轴产生旋转，同时通过下轴驱动动阀盘在静阀盘上方产生旋转，动阀盘过流孔与静阀盘过流孔交变贯通或错开，将连续钻井液流调制为非连续的脉冲射流，从而在井底产生交变流场。更换脉冲发生工具中的叶轮、动阀盘或静阀盘，对不同叶片个数、不同内径或不同叶片螺距的叶轮进行试验，对不同开孔形状或开孔个数的动阀盘或静阀盘进行试验，对钻进效果进行评价，对脉冲发生工具结构参数的进行优选，从而找到适合现场工作的最优方案。

作为本发明的进一步改进，所述轴承座的底部封闭，所述轴承座的内腔安装有下轴承副，所述轴承座的上端设有上轴承副，所述上轴承副的上方设有上压板，所述上压板的上方设有锁紧螺母，所述锁紧螺母旋接在所述上轴上，所述下轴承副为向心球轴承，所述上轴承副为推力轴承。向心球轴承使上轴灵活旋转的同时，可以保证上轴与筒体共轴线且不会产生大的晃动；推力轴承可以将上轴悬吊的重量传递到轴承座上，且减少转动阻力；上压板和锁紧螺母起到轴向定位的作用。

作为本发明的进一步改进，所述筒体进水口的筒壁外侧安装有进水压力传感器，所述筒体出水口的筒壁外侧安装有出水压力传感器，所述叶轮上安装有磁铁块，所述筒体的外壁安装有可感应磁铁块的计数器，所述进水压力传感器、出水压力传感器及计数器的信号线接入数据采集终端。进水压力传感器及出水压力传感器可以测定钻井液在脉冲发生工具进出口的压力值，及经过脉冲发生工具产生的压降。脉冲强度通过出水压力传感器测得的钻井液压力与回流槽底部的重力传感器测得脉冲射流冲击力共同实现。通过计数器通过感应磁铁块，测得叶轮在一定时间内的转数，获得叶轮的转速。

本发明的另一个目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种井底交变流场发生工具结构优化室内实验方法，能够模拟现场工作条件，通过钻进实验获得不同冲击参数下脉冲射流辅助破岩效果，进而进行结构参数的优选，找到适合现场作业的最优方案，提高钻进速度。

为解决以上技术问题，本发明的一种井底交变流场发生工具结构优化室内实验方法，依次包括以下步骤：S1、将脉冲发生工具固定在试验架上；S2、连接泥浆泵及其循环管汇；S3、进行钻井模式实验，评价脉冲发生工具的性能；S4、进行井底流场特性测试模式实验，继续评价脉冲发生工具的性能；S5、实验结束后，先关闭数据采集终端，然后再关闭泥浆泵。

作为本发明的改进，步骤S1包括如下子步骤：

S1.1、将提升装置固定在试验架的顶部中心，在提升装置下方悬吊拉力计，在拉力计的下端悬吊顶驱装置，在顶驱装置的两侧对称安装顶驱支撑臂，所述顶驱支撑臂的外端头套装在所述试验架的立柱上且可上下滑动；

S1.2、在脉冲发生工具的下端旋接PDC钻头，并且将脉冲发生工具旋接在钻杆下方；

S1.3、将钻杆连接在顶驱装置的下端，在钻杆的上下两端分别安装扶正抱箍，所述扶正抱箍分别通过钻杆支撑臂固定在所述试验架的立柱上；

S1.4、在PDC钻头的下方安装透明回流槽，透明回流槽的底部支架通过重力传感器支撑在地面上。

作为本发明的进一步改进，步骤S2包括如下子步骤：

S2.1、在泥浆罐的上方安装振动筛；

S2.2、将透明回流槽的排水口通过排水管及排水阀与振动筛相连，

S2.3、安装泥浆泵，在泥浆泵的入口安装上水阀，上水阀的入口管道插入泥浆罐的下部，在泥浆泵出口连接高压管汇，高压管汇中安装有流量计，且高压管汇出口与顶驱装置的进水口相连；

S2.4、在流量计的上游连接分流管，在分流管上安装分流阀，将分流管的出口与泥浆罐相连。

作为本发明的进一步改进，步骤S3包括如下子步骤：

S3.1、在PDC钻头的下方放置岩样，岩样的侧壁通过夹持装置固定在透明回流槽中；

S3.2、在顶驱装置的顶部与试验架的顶部之间安装位移传感器，位移传感器的信号线接入数据采集终端；

S3.3、先打开泥浆泵，再打开顶驱装置，模拟现场状况，使PDC钻头在岩样上钻进；

S3.4、调整钻压和排量，通过位移传感器记录钻进位移随时间的变化情况；

S3.5、更换脉冲发生工具中的叶轮、动阀盘或静阀盘，对不同叶片个数、不同内径或不同叶片螺距的叶轮进行试验，对不同开孔形状或开孔个数的动阀盘或静阀盘进行试验，对钻进效果进行评价，对脉冲发生工具结构参数的进行优选。

作为本发明的进一步改进，步骤S4包括如下子步骤：

S4.1、卸掉岩样，在透明回流槽底部铺上一层砂层，模拟现场井底岩屑；

S4.2、在脉冲发生工具的进水端安装进水压力传感器，在脉冲发生工具的出水端安装出水压力传感器，在脉冲发生工具的外壁安装可感应磁铁块的计数器，磁铁块安装于脉冲发生工具的叶轮上；在透明回流槽的底部中心固定高速摄像机，压力传感器传感器、计数器和高速摄像机的信号线均接入数据采集终端；

S4.3、降低顶驱装置和钻杆的高度，使PDC钻头的底部接触到砂层的上表面；

S4.4、打开泥浆泵，模拟脉冲射流对井底岩屑床的扰动作用；

S4.5、调整钻压和排量，监测脉冲发生工具入口及出口的压力变化，以及透明回流槽的整体重力，用高速摄像机记录透明回流槽底部的砂层形态；

S4.6、更换脉冲发生工具中的叶轮、动阀盘或静阀盘，对不同叶片个数、不同内径或不同叶片螺距的叶轮进行试验，对不同开孔形状或开孔个数的动阀盘或静阀盘进行试验，对测试效果进行评价，对脉冲发生工具结构参数的进行优选。

相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：本发明能够全尺寸真实的模拟现场脉冲发生工具的使用情况，钻进模式反映现场钻进效果，直观观察PDC钻头在岩样上的钻进情况。井底流场特性测试模式可以对叶轮的转速，钻井液脉动特性和井底的流场等进行评价，获得各种特性参数。脉冲强度通过出水压力传感器测得的钻井液压力与回流槽底部的重力传感器测得脉冲射流冲击力共同实现。

交变流场工具使用的最终目标是提速，本发明通过钻进实验可获得不同脉冲发生工具的结构特性，不同钻井液参数，不同钻进参数的提速效果，直观明晰。本发明通过在透明回流槽底部安装高速摄像机可直接看到脉冲射流作用下的流场形态，对指导钻头设计，优化脉冲参数具有有重要的意义。本发明需要优化的结构和其他结构之间均采用相同连接，也就是说在进行调换待优化件时，其他部件可重复使用，而不需调整调换，调整方便，易于实现，成本较低。

附图说明

图1为本发明中井底交变流场发生工具结构优化室内实验装置的结构图。

图2为本发明中脉冲发生工具的剖视图。

图3为脉冲发生工具中叶轮实施例一的结构示意图。

图4为脉冲发生工具中动阀盘实施例一的俯视图。

图5为脉冲发生工具中动阀盘实施例二的俯视图。

图中：1.泥浆泵，2.高压管汇，3.分流阀，4.流量计，5.试验架，6.排水阀，7.振动筛，8.泥浆罐，9.上水阀，10.数据采集终端，11.提升装置，12.拉力计，13.顶驱装置，14.顶驱支撑臂，15.钻杆支撑臂，16.钻杆，17a.进水压力传感器，17b.出水压力传感器；18.计数器，19.脉冲发生工具，19a.筒体，19b.叶轮，19b1.叶片，19c.动阀盘，19c1.动阀盘过流孔，19d.锁紧螺母，19e.上压板，19f.上轴承副，19g.轴承座，19h.下轴承副，19j.上轴，19k.下轴，19m.静阀盘；19m1.静阀盘过流孔，20.PDC钻头，21.岩样，22.位移传感器，23.重力传感器，24.透明回流槽，25.高速摄像机。

具体实施方式

如图1所示，本发明的井底交变流场发生工具结构优化室内实验装置，包括试验架5，试验架5的顶部中心固定有提升装置11，提升装置11的下端悬吊有顶驱装置13，顶驱装置13的下端连接有钻杆16，钻杆16的下端旋接有脉冲发生工具19，脉冲发生工具19的下端旋接有PDC钻头20，PDC钻头20的下方设有透明回流槽24，透明回流槽24的排水口通过排水管及排水阀6与振动筛7相连，振动筛7固定在泥浆罐8的上方；泥浆泵1的入口管道插入泥浆罐8的下部，泥浆泵1的出口连接有高压管汇2，高压管汇2的出口与顶驱装置13的进水口相连。

提升装置11承受整个钻具的重量，且可以使钻具上下移动，使钻具在钻进状态或测试状态进行切换。钻进状态时，PDC钻头20抵靠在岩样21上钻进；井底流场特性测试时，PDC钻头20贴近透明回流槽24的底部。在室内多方位真实模拟钻具在井下的工作状态。

实验时，先打开泥浆泵1，再启动顶驱装置13，泥浆罐8中的钻井液被泥浆泵1抽出，通过高压管汇2进入顶驱装置13的进水口，为交变流场发生工具的结构优选实验提供钻井液，钻井液沿钻杆16的中心孔道进入脉冲发生工具19，脉冲发生工具19产生脉冲射流从PDC钻头20的水眼喷出，顶驱装置13驱动钻杆16、脉冲发生工具19及PDC钻头20转动，模拟井下的钻进过程。回液系统负责回收循环实验完后的钻井液，落入透明回流槽24的钻井液通过排水管及排水阀6进入振动筛7筛分，清洁的钻井液流回泥浆罐8中，如此实现钻井液的循环。

通过透明回流槽24可以直接观察PDC钻头20及脉冲射流的状态。在实验室便于拆卸脉冲发生工具19，改变其内部结构或参数，从而通过钻进实验获得不同冲击参数下脉冲射流辅助破岩效果，进而确定脉冲发生工具19的最佳结构及最佳参数，从而提高钻进速度。

PDC钻头20的下方设有岩样21，岩样21的侧壁通过夹持装置固定在透明回流槽24中。可以直接模拟PDC钻头20在井底钻进时的工作状态并进行评价。

顶驱装置13的两侧对称连接有顶驱支撑臂14，顶驱支撑臂14的外端头套装在试验架5的立柱上且可上下滑动；钻杆16的上下两端分别设有扶正抱箍，扶正抱箍分别通过钻杆支撑臂15固定在试验架5的立柱上。顶驱支撑臂14可以阻止顶驱装置13转动，提升装置11作提升或下降动作时，顶驱支撑臂14的外端头在试验架立柱上下浮动，使顶驱装置13及钻具可以改变高度。扶正抱箍套装在钻杆16的上下两端，使钻杆16保持在竖直状态，但是不妨碍钻杆16的转动。

泥浆泵1的入口管道上安装有上水阀9；高压管汇2上连接有分流管，分流管上安装有分流阀3，分流管的出口与泥浆罐8相连；分流管与顶驱装置13的进水口之间设有流量计4。上水阀9可以控制泥浆泵1的入口流量，打开分流阀3，泥浆泵1出口的高压钻井液通过分流管及分流阀3回到泥浆罐8，以便降低泥浆泵1的启动负荷，逐渐关闭分流阀3，观察流量计4的读数及高压管汇2上压力表的读数逐渐升高至设定值；通过调节分流阀3的开度，可以很方便地调节钻压和排量。

提升装置11与顶驱装置13之间设有拉力计12，顶驱装置13的顶部与试验架5的顶部之间安装有位移传感器22，透明回流槽24的底部中心固定有高速摄像机25，透明回流槽24的底部支架通过重力传感器23支撑在地面上，拉力计12、位移传感器22、重力传感器23及高速摄像机25的信号线接入数据采集终端10。拉力计12可以测试钻具受到的冲击力，通过冲击力测试获得射流冲击强度、冲击频率等参数。通过高速摄像机25可以拍摄透明回流槽24预铺设的沙子在射流冲击下的形态，评价井底流场特性。

如图2所示，脉冲发生工具19包括筒体19a，筒体19a的上端设有筒体进水口，筒体19a的下端设有筒体出水口，筒体19a的内腔中段设有与筒体共轴线的上轴19j，上轴19j的中部通过轴承支撑在轴承座19g中，轴承座19g的外周通过轴承座凸缘支撑在筒体19a的上台阶上，轴承座凸缘上均匀分布有多个透水孔，上轴19j的下端旋接在叶轮19b的中心孔上部，叶轮19b外周设有多个叶片19b1，叶轮19b的中心孔下部旋接有下轴19k，下轴19k的下端固定在动阀盘19c的中心孔中，动阀盘19c覆盖在静阀盘19m上，静阀盘19m的下端面外周支撑在筒体19a的下台阶上，动阀盘19c及静阀盘19m上分别设有过流孔。

高压钻井液穿过轴承座凸缘上的透水孔，高速流向叶轮19b，使叶轮19b绕上轴19j产生旋转，同时通过下轴19k驱动动阀盘19c在静阀盘19m上方产生旋转，动阀盘过流孔19c1与静阀盘过流孔19m1交变贯通或错开，将连续钻井液流调制为非连续的脉冲射流，从而在井底产生交变流场。更换脉冲发生工具19中的叶轮19b、动阀盘19c或静阀盘19m，对不同叶片个数、不同内径或不同叶片螺距的叶轮19b进行试验，对不同开孔形状或开孔个数的动阀盘19c或静阀盘19m进行试验，对钻进效果进行评价，对脉冲发生工具19结构参数的进行优选，从而找到适合现场工作的最优方案。

轴承座19g的底部封闭，轴承座19g的内腔安装有下轴承副19h，轴承座19g的上端设有上轴承副19f，上轴承副19f的上方设有上压板19e，上压板19e的上方设有锁紧螺母19d，锁紧螺母19d旋接在上轴19j上，下轴承副19h为向心球轴承，上轴承副19f为推力轴承。向心球轴承使上轴19j灵活旋转的同时，可以保证上轴19j与筒体19a共轴线且不会产生大的晃动；推力轴承可以将上轴19j悬吊的重量传递到轴承座19g上，且减少转动阻力；上压板19e和锁紧螺母19d起到轴向定位的作用。

筒体进水口的筒壁外侧安装有进水压力传感器17a，筒体出水口的筒壁外侧安装有出水压力传感器17b，进水压力传感器17a、出水压力传感器17b的信号线接入数据采集终端10。进水压力传感器17a及出水压力传感器17b可以测定钻井液在脉冲发生工具19进出口的压力值，及经过脉冲发生工具19产生的压降。脉冲强度通过出水压力传感器17b测得的钻井液压力与回流槽底部的重力传感器23测得脉冲射流冲击力共同实现。

叶轮19b上安装有磁铁块，筒体19a的外壁安装有可感应磁铁块的计数器18，计数器18的信号线接入数据采集终端10。通过计数器18通过感应磁铁块，测得叶轮19b在一定时间内的转数，获得叶轮19b的转速。

如图2、图3所示，叶轮19b上下段均加工有内螺纹，以与上轴19j和下轴19k旋接。通过调换叶片19b1的个数N，叶轮19b的内径NJ和叶轮19b的螺距LJ，可以分析不同叶轮结构产生的不同转速，不同的钻井液脉动特性，以及不同的钻进效果。由于叶轮19b与其他部件的配合只有外径，长度和上下螺纹，保证这四个参数不变，只需调整叶轮19b这一个部件即可进行其结构参数的优化。

图4为动阀盘19c的实施例一，动阀盘19c上的动阀盘过流孔19c1为圆形，在同一个圆周上均匀分布有三个、四个或五个，静阀盘19m上的静阀盘过流孔19m1也可以为圆形，或者为扇形及其它形状，可以对称分布有三个、四个或五个，在实验中可以逐个替换，进行测试。

图5为动阀盘19c的实施例二，动阀盘19c上的动阀盘过流孔19c1为扇形，在同一个圆周上均匀分布有三个。虚线为静阀盘19m上的静阀盘过流孔19m1，为圆形，在同一个圆周上均匀分布有四个。

通过改变动阀盘过流孔19c1和/或静阀盘过流孔19m1的形状改变、个数改变、孔径改变以及其它尺寸改变，可以实现对脉冲发生工具19结构的优化，方便且可操作性强。

本发明的井底交变流场发生工具结构优化室内实验方法，依次包括以下步骤：

S1、将脉冲发生工具19固定在试验架5上；

S2、连接泥浆泵1及其循环管汇；

S3、进行钻井模式实验，评价脉冲发生工具19的性能；

S4、进行井底流场特性测试模式实验，继续评价脉冲发生工具19的性能；

S5、实验结束后，先关闭数据采集终端10，然后再关闭泥浆泵1。

步骤S1包括如下子步骤：

S1.1、将提升装置11固定在试验架5的顶部中心，在提升装置11下方悬吊拉力计12，在拉力计12的下端悬吊顶驱装置13，在顶驱装置13的两侧对称安装顶驱支撑臂14，顶驱支撑臂14的外端头套装在试验架5的立柱上且可上下滑动；

S1.2、在脉冲发生工具19的下端旋接PDC钻头20，并且将脉冲发生工具19旋接在钻杆16下方；

S1.3、将钻杆16连接在顶驱装置13的下端，在钻杆16的上下两端分别安装扶正抱箍，扶正抱箍分别通过钻杆支撑臂15固定在试验架5的立柱上；

S1.4、在PDC钻头20的下方安装透明回流槽24，透明回流槽24的底部支架通过重力传感器23支撑在地面上。

步骤S2包括如下子步骤：

S2.1、在泥浆罐8的上方安装振动筛7；

S2.2、将透明回流槽24的排水口通过排水管及排水阀6与振动筛7相连，

S2.3、安装泥浆泵1，在泥浆泵1的入口安装上水阀9，上水阀9的入口管道插入泥浆罐8的下部，在泥浆泵1出口连接高压管汇2，高压管汇2中安装有流量计4，且高压管汇2出口与顶驱装置13的进水口相连；

S2.4、在流量计4的上游连接分流管，在分流管上安装分流阀3，将分流管的出口与泥浆罐8相连。

步骤S3包括如下子步骤：

S3.1、在PDC钻头20的下方放置岩样21，岩样21的侧壁通过夹持装置固定在透明回流槽24中；

S3.2、在顶驱装置13的顶部与试验架5的顶部之间安装位移传感器22，位移传感器22的信号线接入数据采集终端10；

S3.3、先打开泥浆泵1，再打开顶驱装置13，模拟现场状况，使PDC钻头20在岩样21上钻进；

S3.4、调整钻压和排量，通过位移传感器22记录钻进位移随时间的变化情况；

S3.5、更换脉冲发生工具19中的叶轮19b、动阀盘19c或静阀盘19m，对不同叶片个数、不同内径或不同叶片螺距的叶轮19b进行试验，对不同开孔形状或开孔个数的动阀盘19c或静阀盘19m进行试验，对钻进效果进行评价，对脉冲发生工具19结构参数的进行优选。

步骤S4包括如下子步骤：

S4.1、卸掉岩样21，在透明回流槽24底部铺上一层砂层，模拟现场井底岩屑；

S4.2、在脉冲发生工具19的进水端安装进水压力传感器17a，在脉冲发生工具19的出水端安装出水压力传感器17b，在脉冲发生工具19的外壁安装可感应磁铁块的计数器18，磁铁块安装于脉冲发生工具19的叶轮19b上；在透明回流槽24的底部中心固定高速摄像机25，压力传感器传感器、计数器18和高速摄像机25的信号线均接入数据采集终端10；

S4.3、降低顶驱装置13和钻杆16的高度，使PDC钻头20的底部接触到砂层的上表面；

S4.4、打开泥浆泵1，模拟脉冲射流对井底岩屑床的扰动作用；

S4.5、调整钻压和排量，监测脉冲发生工具19入口及出口的压力变化，以及透明回流槽24的整体重力，用高速摄像机25记录透明回流槽24底部的砂层形态；

S4.6、更换脉冲发生工具19中的叶轮19b、动阀盘19c或静阀盘19m，对不同叶片个数、不同内径或不同叶片螺距的叶轮19b进行试验，对不同开孔形状或开孔个数的动阀盘19c或静阀盘19m进行试验，对测试效果进行评价，对脉冲发生工具19结构参数的进行优选。

本发明能够全尺寸真实的模拟现场脉冲发生工具19的使用情况，钻进模式反映现场钻进效果，直观观察PDC钻头20在岩样21上的钻进情况。井底流场特性测试模式可以对叶轮19b的转速，钻井液脉动特性和井底的流场等进行评价，获得各种特性参数。

本发明通过在透明回流槽24底部安装高速摄像机25可直接看到脉冲射流作用下的流场形态，对指导钻头设计，优化脉冲参数具有有重要的意义。本发明需要优化的结构和其他结构之间均采用相同连接，也就是说在进行调换待优化件时，其他部件可重复使用，而不需调整调换，调整方便，易于实现，成本较低。

以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。