巖石研磨性測定試驗裝置設計與研制

2013-04-12 00:00:00郭淑玲

中國新技術新產品 2013年1期

摘要：巖石的研磨性是巖石機械物理性能參數之一，研究巖石的研磨性對于合理選用鉆頭、延長其工作壽命、降低成本以及改進破巖工具的設計等工作十分有益。因此，研制一套石油鉆井工程技術領域測定巖石研磨性的試驗裝置，是從源頭上解決鉆頭選材，提高其破巖效率等問題的必要手段。本文在詳細敘述巖石研磨性測定試驗裝置的功能與整體結構設計方案的基礎上，簡要介紹了樣機研制的過程、主要技術參數精度檢測試驗結果、技術性能及其創新點。

關鍵詞：巖石研磨性；測定；試驗裝置

中圖分類號： TN912.202 文獻標識碼：A

1 試驗裝置的功能與整體結構設計方案

1.1 功能設計

該試驗裝置的研制在國內外屬首次進行，研制的技術難度較大，為此在對國內外相關試驗裝置進行調研、與相關專家進行深入研討的基礎上，確定研制的巖石研磨性測定試驗裝置將具備如下主要試驗功能：

①進行巖石研磨性測定實驗；

②進行金屬材料的摩擦磨損實驗。

1.2 整體結構方案設計

1.2.1 設計目標

在充分進行國內外相關研究調研的基礎上，經多方面技術與可行性論證，確定研制巖石研磨性測定試驗裝置，應是一套在室內設定的標準試驗條件下，使用微型模擬鉆頭對巖石進行全自動鉆進研磨實驗，利用計算機控制程序全程控制實驗技術參數并測量、記錄相關實驗數據，以此來測定巖石研磨性能的專用試驗裝置。

1.2.2 主機結構方案

巖石研磨性試驗裝置由機械系統和控制系統組成，其中機械系統由主軸頭、立柱、工作臺、升降臺和模擬鉆頭組成；控制系統由控制柜、冷卻系統和應用軟件組成，如圖1所示。

（1）主軸頭：由變頻調速電機通過減速箱給到上主軸，實現上主軸無級調速旋轉。同時由步進電機通過滾珠絲杠給彈簧加載荷，實現上主軸壓力自動加載功能。

（2）立柱裝配是安裝上主軸與升降臺之間起一個平臺的作用。

（3）升降臺：由燕尾槽與立柱固定，通過升降絲杠調節工作臺與上主軸的距離。在下主軸下方裝有壓力傳感器、力矩傳感器用于測量加載的正壓力和摩擦力矩。

（4）工作臺：是由上下兩個工作臺組成，上工作臺左右運動，下工作臺前后運動。

（5）在立柱上裝有兩個限位傳感器，上主軸下降不能超出行程范圍起保護作用。另一位移傳感器用于測量上主軸鉆孔深度。

（6）控制柜對電源、冷卻系統和上主軸進行控制。

（7）冷卻系統由冷卻箱、冷卻管和噴嘴組成，對冷卻水流量進行控制。

（8）與控制柜相連的計算機及控制軟件對載荷、轉速、測試時間進行控制。

1.2.3 模擬微鉆頭研制

在實際鉆井過程中鉆頭與巖石的摩擦包括兩部分，一是破巖時鉆頭與巖石的摩擦，二是產生的巖屑對鉆頭的摩擦。目前，國內外對巖石研磨性的測定沒有統一的方法，所用研磨工具有銅棒、空心鋼桿、金屬環、金屬釬頭等，這些實驗方法都存在一個共性問題，就是研磨工具與巖石只是表面接觸磨擦，沒有鉆進深度。由于研磨工具沒有破巖鉆進，也就沒有巖屑產生，實驗中忽略了巖屑對鉆頭的磨損，與石油鉆井工程的實際工況不符。有些研究單位所用研磨工具為PDC模擬鉆頭，在研磨實驗時PDC模擬鉆頭能夠破巖鉆進，與石油鉆井工程的實際工況相符，但是，由于PDC是一種在高溫、高壓條件下人工合成的超硬材料，具有較強的耐磨性、抗壓強度和抗沖擊韌性，同時，又由于巖心的長度有限（巖石庫的巖心一般不超過150mm），這就限制了研磨實驗的鉆進時間，在較短的鉆進時間內很難測量出PDC的磨損重量，該方法也沒有得到推廣應用。所以，設計的模擬鉆頭必須具備兩點：一是在一定的壓力和轉速下模擬鉆頭對鉆遇的巖心有一定的破巖效果，二是模擬鉆頭有被明顯的磨損效果，這樣才能有利于實驗數據的分析研究。在通過大量資料調研和室內實驗的基礎上，研制了淬火鋼螺旋模擬鉆頭作為研磨實驗鉆頭，其硬度為HRC 45-50。

2 樣機研制

2.1 研制過程簡述

2.2 主要技術參數精度檢測試驗結果

2.3 試驗裝置達到的技術性能與技術創新

2.3.1 試驗裝置達到的技術性能

（1）采用無級變頻調速器實現上主軸旋轉無級調速（轉速范圍0-300rpm，精度為1%）。

（2）采用上主軸自動加載方式，用伺服電機和PID環節調節。通過載荷傳感器，實現鉆壓載荷0—5KN無級可變，加載精度±1%。

2.3.2 試驗裝置創新點

（1）該試驗裝置集巖石研磨性測定實驗與金屬材料摩擦磨損實驗于一體；

（2）該試驗裝置集計算機智能控制與精密測試技術全程測量、采集、記錄于一體，實現了巖石研磨性測定實驗的全過程自動化。

結語

（1）在國內外首次研制出一套適用于石油鉆井工程技術領域巖石研磨性測定試驗裝置，技術創新性高；