全自動巖石可鉆性測試儀的研制

何俊海，趙希春，朱金堂，黃少華，宿連軍

（中國石油大學機電總廠，山東東營257061） ①

全自動巖石可鉆性測試儀的研制

何俊海，趙希春，朱金堂，黃少華，宿連軍

（中國石油大學機電總廠，山東東營257061）①

測定巖石的可鉆性是鉆井工程中的一項基礎工作。國內目前的室內測試儀器比較簡陋，自動化程度不高。介紹了使用計算機進行數據采集處理及控制的全自動巖石可鉆性測試儀和設計要點，包括結構組成、鉆壓系統、動力傳動系統、數據采集控制系統，并給出了有關計算及數據。該儀器技術先進，實現了對巖石可鉆性的全自動精確測試，具有推廣價值。

巖石可鉆性；測試；設計；數據采集處理；自動控制

巖石的可鉆性是指在一定的技術條件下鉆進巖石的難易程度，也可理解為在一定鉆頭規格、類型及鉆井工藝條件下巖石抵抗鉆頭破碎的能力［1］。測試巖石的可鉆性是鉆井工程中的一項基礎工作［2］。目前，國內室內試驗測試儀器比較簡陋，自動化程度不高［3］，其缺點是人為加載很難保證鉆壓恒定，載荷和鉆進深度不能連續記錄和自動控制，人工記錄給試驗人員造成了極大的麻煩且降低了試驗效率和試驗測試精度。筆者對儀器鉆壓動力系統和測量系統進行了優化設計，研制了用計算機采集數據及控制的全自動巖石可鉆性測試儀。

1 巖石可鉆性測試要求

較早前，巖石可鉆性的測定和分級方法并不統一，原石油部在石油大學尹宏錦教授等研究人員多年研究結果的基礎上，于1987年確定了我國巖石可鉆性測定及分類方法，并于1991年頒布了行業標準，2000年國家石油化學局修訂了此標準，這就是現在執行的行業標準SY／T5462—2000《巖石可鉆性測定和分級方法》。根據這一標準，提出了巖石可鉆性測試要求［4］。

1） 旋轉加載裝置確保鉆壓為

牙輪鉆頭：動載890N±20N；靜載890N± 10N。

PDC鉆頭：動載500N±20N；靜載500N±10 N。

2） 轉速55r／min±1r／min。

3） 測深儀器精度0.01mm。

4） 計時儀表精度0.01s。

5） 專用微型牙輪和PDC鉆頭，鉆頭直徑分別為31.75、32.00mm。

6） 測試方法可簡述為鉆深達0.2mm時開始計時，再鉆深2.4mm記錄鉆進時間并停鉆。

7） 巖石可鉆性級值的計算公式為

式中，Kd為可鉆性級值；t為鉆井時間平均值，s。

2 設計要點

2.1 總體結構

全自動巖石可鉆性測試儀由巖石夾持系統、微型鉆頭、鉆壓系統、動力傳動系統、鉆深測量系統、數據采集控制系統以及機柜等組成。從人性化和操作方便考慮，將巖樣及其夾持系統設計在機柜臺面上，機柜臺面作為操作臺，臺面材料為不銹鋼板；從安全和緊湊性考慮，將鉆進系統設計在機柜臺面下，采用由下往上鉆進巖樣的工作模式；動力傳動系統及其管路流程系統全部設計在機柜里，使儀器外觀只看見一個機柜，簡潔美觀，又能防護轉動系統，保證安全操作。儀器組成及總體結構如圖1。

圖1 全自動巖石可鉆性測試儀結構

2.2 鉆壓系統

2.2.1 流程

鉆壓系統采用清潔的氣壓系統，其流程是：氣體從氣源（氮氣瓶）經過二級減壓后供給緩沖容器，由緩沖容器供給汽缸，帶壓氣體作用于汽缸活塞上產生鉆壓，再由活塞桿傳遞到鉆桿鉆頭。通過對精密減壓器精確調控，可以得到穩定而又精確的鉆壓。對應PDC和牙輪鉆頭不同鉆壓，分別設置2路精密減壓器，通過電磁閥自動控制選擇其相應鉆壓。

2.2.2 精密減壓器調壓值（氣壓）計算

設計汽缸活塞直徑為D＝40mm，鉆柱（包括鉆桿、連接器、活塞等）自重載荷為W＝147N，摩擦力f＝49N。則精密減壓器調壓值（氣壓）為

式中，p為精密減壓器調壓值，MPa；F為鉆頭需加載載荷，N；W為鉆柱自重載荷，N；fh為活塞密封圈摩擦力，N；S為活塞面積，mm2；D為活塞直徑，mm。

把數據代入式（2）計算得牙輪鉆頭試驗時，精密減壓器調壓值為0.86MPa，PDC鉆頭試驗時，精密減壓器調壓值為0.55MPa。

2.3 動力傳動系統

2.3.1 結構

采用直流伺服電機通過同步齒形帶減速系統帶動鉆桿及其鉆頭旋轉。伺服電機通過PWE控制電機轉速并用數顯表顯示，同步齒形帶保證電機主動輪和鉆桿從動輪轉速轉動比恒定。鉆桿上部安裝微型鉆頭，下部通過推力軸承連接器連接汽缸活塞。鉆桿從動輪與鉆桿通過花鍵連接，以便鉆桿鉆進時上下運動。

2.3.2 電機轉速與功率計算

鉆桿轉速為n2＝55r／min，設計轉動比為3，則電機轉速為n1＝55×3＝165r／min。

電動機帶動旋轉系統所需的功率主要有2部分，即

式中，PZ為旋轉系統所需功率，W；P1為旋轉鉆頭破碎巖石所需功率，W；P2為旋轉鉆桿所需功率，W。

正常鉆進時，旋轉鉆頭破碎巖石所需功率P1的大小與鉆頭類型及直徑、巖石性質、鉆柱直徑、鉆壓、轉速等因素有關，可以使用試驗結果修正經驗公式［5］。

1） 對于牙輪鉆頭

2） 對于PDC鉆頭

式中，PY為牙輪鉆頭破碎巖石所需功率，W；FY為牙輪鉆鉆壓，kN；DY為牙輪鉆頭直徑，cm；PP為PDC鉆頭破碎巖石所需功率，W；f為摩擦因素，取K＝0.45；FP為PDC鉆鉆壓，kN；DP為PDC鉆頭直徑，cm；n2為鉆桿轉速，r／min；Φ為經驗系數，取Φ＝0.6。

把數據代入式（4）～（5）計算得PY＝24.41W，PP＝15.07W。

P1取PY與PP二者中較大者，即P1＝PY＝24.41W。

式中，PZmax為旋轉系統所需功率最大值，W；η為電動機到鉆桿系統的傳動效率，η＝90%；K1為裝配工況系數，取決于儀器旋轉系統裝配質量，K1＝1.2；K2為安全系數，K2＝1.5。

把數據帶入式（6）計算得電動機的功率為PD＝183.1W。

即帶動鉆桿旋轉的電動機的功率最少為183W，可按此選擇合適的電動機。

旋轉鉆桿所需功率P2與鉆桿系統的長度、直徑、轉速等有關，對于可鉆性測定儀，這些數據較小，P2相對于P1很小，這里取P2＝0.5 P1。

將P1、P2數值帶入式（3），計算得旋轉系統所需功率為PZ＝36.62W。

另外，鉆頭鉆進巖石時，鉆桿經常處在扭轉振動載荷之下，其瞬時扭轉振動載荷有時高達正常工作扭矩的2.5倍［5］，因此旋轉系統所需功率最大值為：PZmax＝2.5PZ＝91.55W

帶動鉆桿旋轉的電動機的功率按式（6）計算得

3 數據采集控制系統

全自動巖石可鉆性測試儀主要依靠計算機數據采集控制系統實現全自動測試。其工作原理是：壓力傳感器測量系統鉆壓，位移傳感器測出即時鉆進深度，測量信號經采集轉化后數據由計算機顯示。鉆速由PWE控制直流伺服電機實現，鉆壓通過計算機控制電磁閥實現。計算機時鐘計量即時鉆進深度所對應的時間，達到要求的鉆進深度后，計算機自動停止試驗。測試結束后數據處理系統對記錄的相關參數進行處理，根據式（1）計算出試驗巖石的可鉆性級值，可鉆性類別和可鉆性級別，并打印試驗數據報表。數據采集控制原理如圖2。

數據采集處理控制系統軟件采用VB編程，下拉式菜單，由4部分組成。

1） 系統傳輸控制檢測 主要用來檢測流程及管線和閥門等是否有泄漏，以及各傳感器是否工作正常。

2） 參數初始化 用來輸入試樣參數并存儲，以備試驗報表使用。

3） 試驗測試 執行鉆進測試和控制，并完成數據采集并記錄時間、鉆深。

4） 試驗報表顯示及打印 用來完成試驗原始數據的顯示和打印，并通過對試驗原始數據進行處理后生成試驗報表。其軟件運行界面如圖3。

圖2 數據采集控制原理

圖3 數據采集處理控制系統軟件運行界面

4 應用實例

全自動巖石可鉆性測試儀主要用于室內測試巖石的可鉆性。

4.1 PDC鉆頭巖樣測試數據

巖樣來源：勝利油田鉆井院；巖樣編號：孤－8；井號：311；取樣井段：617m；地區：東營；巖樣描述：花崗巖；試驗日期：2009－09－10。測試數據如表1。

表1 PDC鉆頭巖石可鉆性測試數據

4.2 牙輪鉆頭巖樣測試數據

巖樣來源：勝利油田鉆井院，巖樣編號：現6－17，井號：203，取樣井段：607，地區：東營，巖樣描述：砂巖，試驗日期：2009－9－10。測試數據如表2。

表2 牙輪鉆頭巖石可鉆性測試數據

表1～2數據表明，儀器工作時，鉆壓穩定在要求鉆壓值，其誤差在±10N以內，遠小于要求的±20N，時間精度0.01s、測深精度0.001mm，達到和超過標準要求。

5 結語

全自動巖石可鉆性測試儀著重對鉆壓及動力旋轉系統進行了優化設計，提高了儀器動力傳動及鉆壓的穩定性。通過計算機和現行的精密測量控制技術的結合應用，實現了對巖石可鉆性的全自動精確測試。應用表明，儀器測試精度高，操作方便快捷，運行安全可靠。全自動巖石可鉆性測試儀在石油鉆井工程及地層巖礦研究方面具有一定的實用價值，已在油田研究機構及石油高校推廣應用20多臺，受到用戶好評。

［1］ 陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術［M］.東營：中國石油大學出版社，2000.

［2］ 曹慶年，雷 娟，程國建.基于APFIS的混合軟計算方法在巖石可鉆性中的應用［J］.石油礦場機械.2007，36（5）：1－4.

［3］ 于洪金.大慶鉆井技術新進展下［M］.北京：石油工業出版社，2005.

［4］ SY／T5462—2000，巖石可鉆性測定和分級方法［S］.

［5］ 華東石油學院礦機教研室.石油鉆采機械［M］.北京：石油工業出版社，1980.

Development of Automatic Rock Drillability Measuring Instrument

HE Jun－hai，ZHAO Xi－chun，ZHU Jin－tang，HUANG Shao－hua，SU Lian－jun
（Mechanical and Electrical Equipment Factory，China University of Petroleum，Dongying257061，China）

Measuring rock drillability is essential in drill engineering，but the measuring instruments at home are simple and crud and no automation at present.An automatic rock drillability measuring instrument in which the date acquisition and processing and control are performed by computer has been developed.The essentials of the designsfortheinstrumentaredescribedand the related calculations are given.It is realized that the drillability can be automatically and accurately tested.The instrument technology is advanced.It is of practical and popularized value.

rock drillability；measurement；design；date acquisition and processing；automatic control.

1001－3482（2011）08－0035－04

TE927.303

A

2011－01－25

何俊海（1965－），男，甘肅會寧人，工程師，1981年畢業于蘭州石油學校石油礦場機械專業，現從事儀器設備技術研究開發及推廣工作，E－mail：hejunhai＠upc.edu.cn。