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一種用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置制造方法
【專利摘要】一種用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置，該裝置至少包括實驗裝置外殼、鉆桿、巖心管、鉆頭、巖石樣品、壓力表、閥門、電纜、回轉立軸、軸承部件、電力驅動裝置、供電電源、示波器、流量計和流量傳感器，鉆桿、巖心管、鉆頭、巖石樣品安裝在實驗裝置外殼內，巖石樣品固定在回轉立軸上部；回轉立軸與實驗裝置外殼密封連接；電力驅動裝置通過軸承部件與回轉立軸連接；鉆頭水口部位安裝有電阻傳感器，電阻傳感器、供電電源、示波器通過電纜連接形成回路；壓力表、閥門安裝在實驗裝置外殼側壁外的管路上。本發明的有益效果：判斷鉆頭在水口處是否存在氣蝕現象及研究氣蝕現象發生規律，將有利作用應用于破碎孔底巖石，提高碎巖效果及鉆井速度。
【專利說明】一種用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及鉆井沖洗液氣蝕效應檢測領域，具體涉及一種用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置，研究氣蝕效應同沖洗液水力參數間的變化規律，將其有利條件應用于破碎巖石。
【背景技術】
[0002]沖洗液在鉆桿、鉆頭和環狀空間中流動時，過水斷面經常發生變化，尤其是經過鉆頭水口時，過水斷面的變化更為明顯。從水力學可知，當沖洗液流量一定時，斷面的變化必將引起流速的變化。流速變化的過程越快則瞬時升降的壓強就越大，在這種情況下將產生水擊。當沖洗液流經過水斷面最小的部位時，液體壓力最大，壓強最小，往往出現真空。當這種真空度增大到一定程度后，液體中溶解的空氣首先要分離成氣泡，并從液體中游離出來。隨著壓強繼續降低，真空度增大，甚至液體本身也會氣化，形成氣穴現象，通常稱之為氣蝕效應。
[0003]氣蝕效應產生的條件是局部位置的高速和低壓。過水斷面最小的位置往往是最典型的液流高速部位，而液流高速部位則必然形成低壓強區。在低壓區產生的氣泡隨著所處位置壓強的增大，其體積逐漸減小以致破滅，形成沖擊波，可對過流部位產生沖擊破壞損蝕，強度較高的氣蝕還可能使該部件產生噪聲和振動，嚴重影響工具的使用效果。理論分析和實驗研究表明，在鉆井沖洗液流中，特別是在鉆頭水口部位確實存在氣蝕效應，其對鉆頭的磨損和對鉆探技術經濟指標的影響值得深入研究。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是，針對現有鉆井沖洗液流存在氣蝕效應造成鉆頭磨損的問題，提供一種用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置，研究氣蝕效應對鉆頭磨損和鉆探技術經濟技術指標的影響。
[0005]本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是:
[0006]一種用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置，該裝置至少包括實驗裝置外殼、鉆桿、巖心管、鉆頭、巖石樣品、壓力表、閥門、電纜、回轉立軸、軸承部件、電力驅動裝置、供電電源和示波器，所述鉆桿、巖心管、鉆頭、巖石樣品安裝在實驗裝置外殼內，鉆桿上端與實驗裝置外殼之間密封連接，鉆桿下端與巖心管的上端固接，巖心管的下端與鉆頭固接，巖石樣品設置于鉆頭的下方、且巖石樣品固定在回轉立軸上部；所述回轉立軸安裝在實驗裝置外殼的底部、且回轉立軸與實驗裝置外殼之間密封連接；電力驅動裝置通過軸承部件與回轉立軸的底部連接、用于驅動回轉立軸轉動；所述鉆頭水口部位的兩側安裝有電阻傳感器，電阻傳感器、供電電源、示波器通過電纜連接形成回路(電纜穿過實驗裝置外殼、一端與電阻傳感器連接、另一端與供電電源和示波器相連)；所述壓力表、閥門安裝在實驗裝置外殼側壁外的管路上，壓力表用于測量實驗裝置的孔內液柱壓力，閥門用于調節孔內液柱壓力的大小。
[0007]按上述方案，所述實驗裝置還包括用于調節實驗過程中沖洗液的泵量和流速的流量計和流量傳感器，流量傳感器安裝在壓力表、閥門所在的管路上，流量計與流量傳感器連接。
[0008]按上述方案，所述軸承部件為止推軸承。
[0009]按上述方案，所述鉆桿上端與實驗裝置外殼之間通過鉆桿密封圈密封連接。
[0010]按上述方案，所述回轉立軸與實驗裝置外殼之間由密封圈密封連接。
[0011]本發明實驗裝置檢測沖洗液是否發生氣蝕效應的原理是，采用工業水作為沖洗介質，首先檢測工業水的正常電阻率；然后檢測以工業水作為沖洗介質，在巖石樣品回轉條件下，檢測沖洗液電阻率的變化情況；沖洗液電阻率的變化即代表測試部位發生氣蝕效應，其氣蝕效應強度與電阻率變化程度密切相關。鉆頭水口部位的沖洗液電阻率在發生氣蝕效應后，沖洗液發生相變，液流開始飽含氣泡，液流連續性被破壞，密度降低，引起沖洗液的電阻率變化。
[0012]氣蝕效應檢測實驗開始前，將巖石樣品固定在回轉立軸之上，回轉立軸和實驗裝置外殼之間由密封圈密封；巖心管與鉆桿相連接，在鉆桿上端采用鉆桿密封圈保持鉆桿和實驗裝置外殼間的密封狀態；氣蝕效應檢測實驗過程中，鉆頭和巖心管不發生轉動，通過鉆桿和巖心管往實驗裝置內注入沖洗液，電力驅動裝置驅動回轉立軸轉動，巖石樣品因為固定在回轉立軸之上而跟隨回轉立軸一塊回轉，從而與鉆頭產生相對運動；巖石樣品與鉆頭之間產生相對運動以后，將導致沖洗液從巖心管經過鉆頭水口，流向鉆頭外壁與鉆孔間的環狀間隙時產生液流速度變化和壓強變化。如果沖洗液在鉆頭水口部位受液流速度和壓強變化產生氣蝕效應，則沖洗液中將產生氣泡，使沖洗液的密度降低，鉆頭水口部位兩側的電阻傳感器間的電阻也將發生變化。
[0013]止推軸承用于保證電力驅動裝置驅動回轉立軸轉動時轉動部分和非轉動部分分開，整個實驗裝置的回轉運動由電力驅動裝置和供電電源驅動。采用閥門對實驗裝置內的孔內液柱壓力進行調節，并通過壓力表對孔內液柱壓力進行準確測量，從而模擬實際鉆井條件下的液柱壓力。通過流量計和流量傳感器調整沖洗液的流量和液柱壓力，獲得鉆頭水口部位產生氣蝕效應的發生條件，及其隨沖洗液水力參數的變化規律，從而對氣蝕現象的利弊進行研究。
[0014]本發明具有以下有益效果:本發明所涉及的檢測裝置通過檢測實驗過程中鉆頭水口部位沖洗液的電阻率變化情況(沖洗液水力參數條件以及沖洗液水力參數對氣蝕效應產生強度的影響規律)，判斷鉆頭在水口處是否存在氣蝕現象及研究氣蝕現象的發生規律；可用于鉆探過程中沖洗液的氣蝕效應檢測，研究其利弊后將其有利作用應用于破碎孔底巖石，提高鉆頭破碎巖石效果，提高鉆井速度，應用性極強，適用價值高，可帶來非常可觀的經濟效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發明用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置結構示意圖示意圖；
[0016]圖2是本發明電阻傳感器在鉆頭工作底唇面上的布置示意圖；
[0017]圖3是本發明沖洗液無氣蝕效應時的示波器正常信號顯示圖；
[0018]圖4是本發明沖洗液量為30L/min時氣蝕現象的示波器信號顯示圖；
[0019]圖5是本發明沖洗液量為50L/min時氣蝕現象的示波器信號顯示圖；[0020]圖6是本發明沖洗液量為60L/min時氣蝕現象的示波器信號顯示圖；
[0021]圖中:1-鉆桿密封圈,2-巖心管,3-鉆頭,4-巖石樣品，5-壓力表,6-閥門，7-電纜，8-實驗裝置外殼，9-回轉立軸，10-止推軸承，11-電力驅動裝置，12-供電電源，13-示波器，14-流量計，15-鉆桿，16-電阻傳感器，17-流量傳感器。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
[0023]參照圖1?圖2所示，本發明所述的用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置，該裝置至少包括實驗裝置外殼8、鉆桿15、巖心管2、鉆頭3、巖石樣品4、壓力表5、閥門6、電纜7、回轉立軸9、止推軸承10、電力驅動裝置11、供電電源12和示波器13，所述鉆桿15、巖心管
2、鉆頭3、巖石樣品4安裝在實驗裝置外殼8內，鉆桿15上端與實驗裝置外殼8之間通過鉆桿密封圈I密封連接，鉆桿15下端與巖心管2的上端固接，巖心管2的下端與鉆頭3固接，巖石樣品4設置于鉆頭3的下方、且巖石樣品4固定在回轉立軸9上部；所述回轉立軸9安裝在實驗裝置外殼8的底部、且回轉立軸9與實驗裝置外殼8之間由密封圈(圖1中未示出)密封連接；電力驅動裝置11通過止推軸承10與回轉立軸9的底部連接、用于驅動回轉立軸9轉動(巖石樣品4跟隨回轉立軸9 一起回轉)；所述鉆頭3水口部位的兩側安裝有電阻傳感器16，電阻傳感器16、供電電源12、示波器13通過電纜7連接形成回路(電纜7穿過實驗裝置外殼8、一端與電阻傳感器16連接、另一端與供電電源12和示波器13相連);所述壓力表5、閥門6安裝在實驗裝置外殼8側壁外的管路上，壓力表5用于測量實驗裝置的孔內液柱壓力，閥門6用于調節孔內液柱壓力的大小。
[0024]所述實驗裝置還包括用于調節實驗過程中沖洗液的泵量和流速的流量計14和流量傳感器17，流量傳感器17安裝在壓力表5、閥門6所在的管路上，流量計14與流量傳感器17連接。
[0025]氣蝕效應檢測實驗開始前，將巖石樣品4固定在回轉立軸9之上，回轉立軸9和實驗裝置外殼8之間由密封圈密封；巖心管2與鉆桿15相連接，在鉆桿15上端采用鉆桿15密封圈I保持鉆桿15和實驗裝置外殼8間的密封狀態；氣蝕效應檢測實驗過程中，鉆頭3和巖心管2不發生轉動，通過鉆桿15和巖心管2往實驗裝置內注入沖洗液(工業水)，電力驅動裝置11驅動回轉立軸9轉動，巖石樣品4因為固定在回轉立軸9之上而跟隨回轉立軸9一塊回轉，從而與鉆頭3產生相對運動；巖石樣品4與鉆頭3之間產生相對運動以后，將導致沖洗液從巖心管2經過鉆頭3水口，流向鉆頭3外壁與鉆孔間的環狀間隙時產生液流速度變化和壓強變化。如果沖洗液在鉆頭3水口部位受液流速度和壓強變化產生氣蝕效應，則沖洗液中將產生氣泡，使沖洗液的密度降低，鉆頭3水口部位兩側的電阻傳感器16間的電阻也將發生變化。
[0026]止推軸承10用于保證電力驅動裝置11驅動回轉立軸9轉動時轉動部分和非轉動部分分開，整個實驗裝置的回轉運動由電力驅動裝置11和供電電源12驅動。采用閥門6對實驗裝置內的孔內液柱壓力進行調節，并通過壓力表5對孔內液柱壓力進行準確測量，從而模擬實際鉆井條件下的液柱壓力。通過流量計14和流量傳感器17調整沖洗液的流量和液柱壓力(調節實驗過程中沖洗液的泵量和流速)，獲得鉆頭3水口部位產生氣蝕效應的發生條件，及其隨沖洗液水力參數的變化規律，從而對氣蝕現象的利弊進行研究。[0027]當實驗裝置外殼8內填充滿具有一定液柱壓力的沖洗液后，電纜7與安裝在鉆頭3水口部位兩側的電阻傳感器16、供電電源12、示波器13依次連接并形成一電路，這一電路因沖洗液的存在而接通。在靜態條件下(沖洗液流量Q=0L/min時)，電阻傳感器16之間的電阻R=0，沖洗液密度P為1000kg/m3，對應在示波器13上存在一組標準的校對信號，此時為無氣蝕現象存在時的示波器正常信號(如圖3所示)。
[0028]因為沖洗液電阻傳感器16之間的電阻與沖洗液中的氣泡含量和沖洗液密度密切相關，因此可以通過示波器13上的信號變化，判斷沖洗液流的密度是否發生改變，進而判斷沖洗液流是否因為發生氣蝕效應產生氣泡而發生相變。例如，實驗表明，當沖洗液流量Q=30L/min時，鉆頭3水口部位的沖洗液電阻率在發生氣蝕效應，沖洗液流開始發生相變，液流開始出現氣泡，液流連續性被破壞，沖洗液密度P降到730kg/m3(如圖4所示);當沖洗液流量Q=50L/min時，沖洗液密度P降低到500kg/m3 (如圖5所示);當沖洗液流量Q=60L/min時，沖洗液密度P降低到230kg/m3，氣蝕現象連續產生，示波器13屏幕上的讀數激烈振蕩，并以波的脈沖形式展現出來(如圖6所示)。
[0029]通過上述方式調整沖洗液的流量和液柱壓力，即可獲得鉆頭3水口部位產生氣蝕效應的發生條件，及其隨沖洗液水力參數的變化規律。對氣蝕現象的利弊進行研究，如將其有利一面應用到破碎孔底巖石的條件上，則可提聞鉆頭破碎巖石的效果，從而提聞鉆井效率。
[0030]以上內容是結合【具體實施方式】對本發明所做的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，上述結構都應當包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置，其特征在于:該裝置至少包括實驗裝置外殼、鉆桿、巖心管、鉆頭、巖石樣品、壓力表、閥門、電纜、回轉立軸、軸承部件、電力驅動裝置、供電電源和示波器，所述鉆桿、巖心管、鉆頭、巖石樣品安裝在實驗裝置外殼內，鉆桿上端與實驗裝置外殼之間密封連接，鉆桿下端與巖心管的上端固接，巖心管的下端與鉆頭固接，巖石樣品設置于鉆頭的下方、且巖石樣品固定在回轉立軸上部；所述回轉立軸安裝在實驗裝置外殼的底部、且回轉立軸與實驗裝置外殼之間密封連接；電力驅動裝置通過軸承部件與回轉立軸的底部連接、用于驅動回轉立軸轉動；所述鉆頭水口部位的兩側安裝有電阻傳感器，電阻傳感器、供電電源、示波器通過電纜連接形成回路；所述壓力表、閥門安裝在實驗裝置外殼側壁外的管路上，壓力表用于測量實驗裝置的孔內液柱壓力，閥門用于調節孔內液柱壓力的大小。
2.根據權利要求1所述的用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置，其特征在于:所述實驗裝置還包括用于調節實驗過程中沖洗液的泵量和流速的流量計和流量傳感器，流量傳感器安裝在壓力表、閥門所在的管路上，流量計與流量傳感器連接。
3.根據權利要求1所述的用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置，其特征在于:所述軸承部件為止推軸承。
4.根據權利要求1所述的用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置，其特征在于:所述鉆桿上端與實驗裝置外殼之間通過鉆桿密封圈密封連接。
5.根據權利要求1所述的用于沖洗液氣蝕效應檢測的實驗裝置，其特征在于:所述回轉立軸與實驗裝置外殼之間由密封圈密封連接。
【文檔編號】G01N27/08GK103760198SQ201410037457
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月26日 優先權日:2014年1月26日
【發明者】段隆臣, 契霍特金V·F, 龐豐, 譚松成, 湯鳳林 申請人:中國地質大學（武漢）