本发明专利技术涉及一种空气锤性能的评价装置及评价方法，该装置由实验架、钻进系统、岩心夹持器、起升系统、数据采集系统组成，该方法包括：通过建立可调节角度的空气锤实验架，并向空气锤提供气源、钻压、转速，进行不同角度的空气锤工作性能实验，通过无线应力波监测器、位移传感器、压力传感器、倾斜角度仪的运用，高速摄像机的拍摄，进行空气锤工作状态的精确监测，通过对比不同工作角度下的注入压力、钻压、转速与空气锤的冲击频率、钻速、冲击功等，对空气锤工作性能进行评价。本发明专利技术原理可靠，操作方便，不仅解决了空气锤性能受角度变化影响的问题，还可对其在各种工况条件下的工作性能进行评价，为空气锤面向定向钻井及水平钻井的理论研究及结构优化提供实验依据。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种针对石油钻井工程中使用的空气锤工作性能的评价装置及评价方法，用于分析空气锤工作机理，为其理论研究及结构优化提供实验依据。
技术介绍
当石油钻井工程中使用气体欠平衡钻井时，使用空气锤作为垂直钻井井下动力钻具是一个很好的解决办法，其具有低转速、小钻压、钻具寿命长、机械钻速高、防斜能力强的技术特点，能在钻进复杂、硬质、易斜、高陡地层中取得良好的经济效益。近年来，随着气体钻定向井、水平井技术的不断发展，空气锤的应用
越来越大。然而传统的空气锤基于垂直钻进设计，在垂直井段应用效果良好，而在定向井、水平井中的应用受到制约。其不能适应越来越复杂的应用要求，急需对结构进行优化。目前空气锤定向钻井技术发展方向主要有两种:一种是采用具有自回转功能的空气锤自身提供井下旋转扭矩的回转式空气锤定向钻井技术，另一种是采用空气螺杆马达提供井下旋转扭矩的空气螺杆马达驱动式空气锤定向钻井技术。这两个发展方向都有一些专利涌现。而这两种技术的着重点都在于怎么让空气锤进行旋转，从而能进行定向作业。其使用的空气锤用于输出冲击功的锤体本身，仍沿用了最初基于垂直钻进设计的结构。当空气锤处于倾斜状态甚至水平状态时，其活塞重力势能对活塞的冲击能基本没有影响。因此这种设计的空气锤锤体的工作性能将受到倾斜角度的影响。研究者普遍认识到了这种影响，而这方面的具体研究还较为缺乏。同时在定向井、水平井钻进中，还存在有井壁摩擦阻力过大，摩阻吸收钻压，加压困难，钻具受力更加复杂，磨损更加严重等各种问题。为了能适应日益增大的需求，空气锤还需要进行如下的一些基础研究:1)为了能进行空气锤水平钻进的优化设计，空气锤性能受工作角度的影响的研究还相对缺乏。2)空气锤运动机理的研究还不够完善，空气锤受气源压力、钻压、钻速等工作参数的改变，其破岩效果的改变不是很清楚。3)空气锤的破岩机理研究缺乏，针对于不同岩性的地层，其破碎效果不是很清楚。4)针对于同种岩性的地层，岩心围压的改变，对空气锤的破碎效果的影响不是很清楚。在空气锤的应用领域中，急需对空气锤进行理论和实验台架的研究。目前，国内外还鲜有较为完备的空气锤实验装置。一些研究单位使用了诸如数字模拟、室内模拟实验等方法进行了一些研究。中国石油勘探开发研究院曾对其研制的空气锤产品进行了地面台架试验，其主要评价指标是空气锤的耗风量和气压，而其破碎对象是木头，测试范围较窄，测试方法较为简易，且其台架也是基于垂直状态考虑，未进行倾斜状态的实验。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种空气锤性能的评价装置，该装置原理可靠，操作方便，通过钻进系统、岩心夹持器、起升系统、数据采集系统的共同作用，解决了空气锤的工作性能受工作角度变化的影响的评价问题。本专利技术的另一目的在于提供利用上述评价装置对空气锤的工作性能随角度变化的影响进行评价的方法，不仅可有效解决空气锤的工作性能受工作角度变化的影响的问题，同时还可以对空气锤进行变工况参数，变岩石围压的实验，从而对空气锤在各种工况条件下的工作性能进行评价，为空气锤面向定向钻井及水平钻井的理论研究及结构优化提供了必要的实验结果。为达到以上技术目的，本专利技术提供以下技术方案。本专利技术通过建立可调节角度的空气锤实验架，来进行不同角度的空气锤工作性能实验；通过向空气锤提供可调的气源压力、钻压、转速等工作参数进行空气锤的工作性能实验；通过使用人造均质岩心，从而排除岩心对实验结果的干扰；通过无线传输的应力波监测设备，高速摄像机的拍摄，以及位移传感器，压力传感器，扭矩传感器，倾斜角度仪的运用，进行空气锤工作状态的精确监测；通过对不同工作角度下的注入压力、钻压、转速与空气锤的冲击频率、钻速、冲击功大小，井底模式，岩屑进行对比，从而对空气锤工作性能进行评价。一种空气锤性能的评价装置，由实验架、钻进系统、岩心夹持器、起升系统、数据采集系统组成。所述实验架包括实验架架体、前轴以及后轴，所述实验架架体由两段槽钢背对背组合，形成一个工作台面，用于安装各个附属部件，且能形成滑轨，供活动部件滑动。所述钻进系统包括加钻压气缸、钻进滑车及转动机构，所述钻进滑车可以沿着实验架架体的滑轨滑动，加钻压气缸固定于实验架架体中间，其活塞端连接到钻进滑车上，通过调节气缸的进气口与出气口之间的压差，来推动滑车沿着滑轨上下移动，在移动到指定位置时，通过对气缸提供指定压力的气体来提供钻压。所述转动机构连接旋转接头，旋转接头又通过钻杆短接连接待测空气锤，转动机构能为空气锤钻井提供转速及扭矩，从压缩机输入的空气从旋转接头的注气口进入钻杆，为空气锤提供气源，待测空气锤连有空气锤锤头，在钻进系统的作用下，破碎岩石，进行实验。所述岩心夹持器通过下部的底座固定在实验架架体上，尾部带有加强脊，用于承受轴向的冲击。岩心夹持器中装有岩心，与待测空气锤锤头相对，岩心夹持器可以对所夹持的岩石施加围压，从而实现固定岩心跟随实验架改变角度、防止岩心在冲击下碎裂、施加围压改变实验条件的目的。所述起升系统包括举升架立柱、举升油缸、带有锁止机构的举升滑车和平动滑车，平动滑车也带有锁止机构。实验架的前轴铰接于举升滑车上，后轴铰接于平动滑车上。当举升油缸推动举升滑车升高时，实验架一端被抬起，另一端在牵引作用下沿着平动滑车的滑轨滑动，从而拖动实验架架体增大倾斜角度。需要减小角度时，先解除锁止机构，在人力和自重的共同作用下，降低实验架架体的倾斜角度，让整个实验架在O至90度之内变换角度，并可通过实验架头尾反装，使实验架在90度至180度之间任意变换角度。所述数据采集系统包括注入压力传感器、无线应力波监测器、倾斜角度仪、位移传感器和钻压压力传感器，所述注入压力传感器位于旋转接头上的注气口上，所述无线应力波监测器附着于钻杆短接上。所述倾斜角度仪、位移传感器均位于实验架架体上，所述钻压压力传感器位于加钻压气缸上，这三者分别用于测量空气锤的工作角度、空气锤的钻速和钻压。利用上述评价装置对空气锤的工作性能随角度变化的影响进行评价的方法，依次包括以下步骤:I)将待测空气锤与人造均质岩心置于实验架架体上，将实验架架体倾斜到一定角度；2)向待测空气锤输入一定压力的高压气体，并以一定转速旋转，使空气锤处于待钻进状态，实时记录其输入压力值及转速；3)移动空气锤，使其与测试岩心接触，并破碎岩心，向空气锤持续提供一定大小的钻压，实时记录其压力值；4)空气锤破碎岩石的过程中，同时用高速摄像机对准空气锤锤头进行拍摄；5)空气锤的工作角度通过倾斜角度仪测量，注入气体压力通过注入压力传感器监测，钻压通过钻压压力传感器测量，空气锤的转速通过对转动机构的电机频率进行换算得至IJ，空气锤的钻速通过位移传感器测量，空气锤的冲击功通过对无线应力波监测器监测到的应力波数据进行换算得到，通过对高速摄像机的记录进行分析，可计量一定冲次所消耗的时间，得出空气锤冲击频率；6)当位移传感器显示空气锤已经破碎岩石达到指定长度，停止实验，保存实验过程中的应力波数据，高速摄像机图像，及各项传感器的数据，并取下岩心，收集岩屑；7)重新调整实验架的倾斜角度，更换新的岩心，重复进行实验，将两次实验的工作角度、注入压力、钻压、转速与空气锤的冲击频率、钻速、冲击功大小进行对比，即能对空气锤在这两种角度下的工作性能进行对比。进一步通过多种角度本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种空气锤性能的评价装置，由实验架、钻进系统、岩心夹持器、起升系统、数据采集系统组成，其特征在于，所述实验架包括实验架架体（11）、前轴（3）以及后轴（24），所述实验架架体由两段槽钢背对背组合，形成滑轨；所述钻进系统包括加钻压气缸（13）、钻进滑车（4）及转动机构（7），所述加钻压气缸（13）固定于实验架架体（11）中间，其活塞端连接钻进滑车（4），所述钻进滑车（4）可以沿着实验架架体的滑轨滑动，所述转动机构（7）连接旋转接头（8），旋转接头又通过钻杆短接（9）连接待测空气锤（12）；所述岩心夹持器（15）通过其底座（23）固定在实验架架体（11）上，其尾部带有加强脊（16），岩心夹持器中装有岩心，与待测空气锤锤头（14）相对；所述起升系统包括举升架立柱（1）、举升油缸（5）、带有锁止机构的举升滑车（6）和平动滑车（17），所述实验架的前轴（3）铰接于举升滑车上，后轴（24）铰接于平动滑车上；所述数据采集系统包括注入压力传感器（2）、无线应力波监测器（10）、倾斜角度仪（20）、位移传感器（21）、钻压压力传感器（22），所述注入压力传感器（2）位于旋转接头（8）的注气口上，所述无线应力波监测器（10）附着于钻杆短接（9）上，所述倾斜角度仪（20）、位移传感器（21）均位于实验架架体（11）上，所述钻压压力传感器（22）位于加钻压气缸（13）上。...
【技术特征摘要】
1.一种空气锤性能的评价装置，由实验架、钻进系统、岩心夹持器、起升系统、数据采集系统组成，其特征在于，所述实验架包括实验架架体(11)、前轴(3)以及后轴(24)，所述实验架架体由两段槽钢背对背组合，形成滑轨；所述钻进系统包括加钻压气缸(13)、钻进滑车(4 )及转动机构(7 )，所述加钻压气缸(13 )固定于实验架架体(11)中间，其活塞端连接钻进滑车(4)，所述钻进滑车(4)可以沿着实验架架体的滑轨滑动，所述转动机构(7)连接旋转接头(8 )，旋转接头又通过钻杆短接(9 )连接待测空气锤(12 );所述岩心夹持器(15 )通过其底座(23)固定在实验架架体(11)上，其尾部带有加强脊(16)，岩心夹持器中装有岩心，与待测空气锤锤头(14)相对；所述起升系统包括举升架立柱(I)、举升油缸(5)、带有锁止机构的举升滑车(6 )和平动滑车(17 )，所述实验架的前轴(3 )铰接于举升滑车上，后轴(24)铰接于平动滑车上；所述数据采集系统包括注入压力传感器(2)、无线应力波监测器(10)、倾斜角度仪(20)、位移传感器(21)、钻压压力传感器(22)，所述注入压力传感器(2)位于旋转接头(8)的注气口上，所述无线应力波监测器(10)附着于钻杆短接(9)上，所述倾斜角度仪(20)、位移传感器(21)均位于实验架架体(11)上，所述钻压压力传感器(22)位于加钻压气缸(13)上。2.利用权利要求1所述的装置对空气锤的工作性能随角度变...
【专利技术属性】
技术研发人员：李永杰，赵之，孟英峰，陈一健，李皋，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：
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