手動巖石可鉆性測試儀的研制

趙希春，邵東亮，黃少華，宿連軍

(山東中石大石儀科技有限公司 山東 東營 257061)

手動巖石可鉆性測試儀的研制

趙希春，邵東亮，黃少華，宿連軍

(山東中石大石儀科技有限公司 山東 東營 257061)

手動巖石可鉆性測試儀可以在室內條件下對各種巖石的硬度等級進行評定，可有效減少作業費用及作業風險；同時可以較好地模擬實際作業工況，通過實驗得到的數據可以較好地指導現場作業施工。手動巖石可鉆性測試儀運用DPS技術實現鉆進過程的自動控制，主要由巖樣夾持系統、微鉆頭、旋轉裝置、鉆壓模擬系統、數據采集及控制系統等組成。

鉆井；手動測試儀；巖石可鉆性；夾持系統；微鉆頭；旋轉裝置

0 引 言

鉆井作業過程中，需根據巖石的硬度等級，選擇合適的鉆頭鉆進，提高鉆進速度。需要在實驗室，利用探井巖樣或相似巖樣能夠方便、快速的進行鉆進模擬，對可鉆性級值進行測試。前期開發的自動巖石可鉆性測試儀主要用于科研，購置費用較高，設備操作要求高，每次試驗時間長，不能滿足每一位學生動手操作。針對以上問題研制了手動巖石可鉆性測試儀，購置費用低，操作方便，節省時間。

1 測試的技術要求

根據現行行業標準SY/T 5462—2000《巖石可鉆性測定和分級方法》，巖石可鉆性測試的要求是[1]：

1)旋轉加載裝置確保鉆壓為：

牙輪鉆頭： 動載： 890±20 N 靜載： 890±10 N；

PDC鉆頭: 動載： 500±20 N 靜載： 500±10 N；

2)轉速： 55±1 r/min

3)位移： 精度0.01 mm

4)計時儀表： 精度0.01 s

5)鉆頭規格： 牙輪： 31.75 mm PDC鉆頭： 32 mm

2 測試儀系統組成及工作原理

2.1 系統組成

手動巖石可鉆性測試儀主要由巖樣夾持系統、微鉆頭、旋轉裝置、鉆壓模擬系統、數據采集及控制系統等組成。手動巖石可鉆性測試儀整套系統構成如圖1所示。

巖樣夾持系統主要用于固定測試巖樣；

但作為一輛大型豪華轎車，XJ應該如何演繹捷豹品牌一直以來在運動方面的造詣，同時展現英國人對于豪華轎車的獨到見解呢？在上世紀60年代，完成這樣的挑戰絕非是易事。

微鉆頭主要包括牙輪鉆頭和PDC鉆頭兩類；

旋轉裝置主要由伺服電機、減速機構組成；

圖1 系統構成圖

鉆壓模擬系統主要包括液壓系統、手搖泵、砝碼；

數據采集及控制系統主要包括DSP、電機驅動器、高精度位移傳感器、壓力傳感器、位移數顯表[2,3]。

2.2 工作原理

根據需要鉆壓計算所需標準砝碼，將選定的砝碼加在砝碼固定桿上，用手搖泵向液壓缸內加液并使砝碼處于懸浮狀態，此時液壓缸內壓力恒定，加在巖樣上的力恒定，即鉆壓恒定；開啟電機，由電機控制系統控制電機達到設定轉速，鉆頭開始切削巖樣，進行鉆進作業，利用高精度位移傳感器測試出即時鉆進深度，鉆進時間由DSP內部時鐘直接控制并存儲。測試結束后對記錄的相關參數進行處理，給出實驗巖石的可鉆性級值，可鉆性類別和可鉆性級別。

Kd=log2t

式中，Kd為可鉆性級值；t為鉆井時間平均值，s。

3 手動巖石可鉆性測試儀的控制

手動巖石可鉆性測試儀控制系統由伺服控制系統、DSP(數字信號處理器)、驅動器、計時器等組成，控制系統組成如圖2所示。

圖2 手動巖石可鉆性測試儀控制系統組成

DSP選用Motorola公司的16位的DSP56F805FV80E，該芯片內核采用雙哈佛結構，具有獨立的程序和數據存儲空間，在80MHz時鐘頻率下可達到40兆條指令/s(IMPS)的指令執行速度，可在單指令周期內完成16位*16位的并行乘—加運算，使得DSP56F803特別適合于那些要求有較強的數據處理能力、同時又要有較多控制功能的應用中。

DSP56F805FV80E在控制系統中，產生一定數量的一定頻率的脈沖，通過電機驅動器控制伺服電機按指定方向、指定速度、指定的鉆深運行[5]。

測試分PDC和牙輪模式兩種：

PDC模式，鉆深達1 mm時開始計時，再鉆深3 mm，記錄鉆進時間t，并停鉆；

牙輪模式，鉆深達0.2 mm時開始計時，再鉆深2.4 mm，記錄鉆進時間t，并停鉆；

4 數據計算及處理

4.1 數據計算

根據巖石可鉆性級值的計算公式：Kd=log2t求得可鉆性級值后，查巖石可鉆性分級標準對照表[6]，見表1，進行定級。

表1 巖石可鉆性分級標準對照表

4.2 數據處理

鉆進時間t取三位有效數字，較均質巖石，取三次鉆進時間的算術平均值；離散系數大于15%的非均質巖石，取三次鉆進時間的幾何平均值。將計算數值記錄在表2。

表2 巖石可鉆性數據記錄表

5 結束語

手動巖石可鉆性測試儀采用機械砝碼提供有效地鉆壓，鉆壓、鉆深、鉆時實時顯示；

利用DSP技術，實現了完全脫離計算機及軟件的獨立控制，測試數據準確；

實驗表明，設備購置費用低、操作方便、節省時間，可廣泛應用于高校、油田；

設備在中國石油大學(華東)、勝利油田鉆井所、克拉瑪依職業學院、蘭州城市學院等地使用，受到了用戶的一致好評。

[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,2000:22-23.

[2] 銀占華,趙希春.天然氣擴散系數測試裝置的研制[J].石油儀器,2014,28(3):20-21.

[3] 趙希春.便攜式便攜式快速解吸儀的研制[J]. 石油儀器,2012,26(3):30-31.

[4] 何俊海,趙希春.全自動巖石可鉆性測試儀的研制[J].石油礦場機械,2011,40(8) :36-37.

[5] 何俊海,劉宗恩，趙希春.凝膠性能測試試驗裝置[J].油氣田地面工.2010,29(5):108-109.

[6] 陳軍海. SY/T 5462-2016,巖石可鉆性測定與分級[S].北京：石油工業出版社，2016：4-5.

Development of the Manual Rock Drillability Test Device

ZHAO Xichun, SHAO Dongliang, HUANG Shaohua, SU Lianjun

(ShandongZhongshidashiyiScienceandTechnologyCo.Ltd.,Dongying,Shandong257061,China)

The manual rock drillability test device can be used to assess hardness level of various rocks under room conditions, which can effectively reduce the operation cost and risk. And it can simulate the actual operating condition much better. The data from experiments can be used to guide the field operations. The manual rock drillability test device can realize the automatic control of drilling process through DPS technology, and the device mainly consists of rock sample holding system, micro drill, rotating device, drilling pressure simulation system, data acquisition and control system, etc.

well drilling; manual test device; rock drillability; sample holding system; micro drill; rotating device

趙希春，男，1976年生，工程師，2002年畢業于石油大學(華東)機電一體化專業，現從事石油儀器的研發工作。E-mail：18654601727@163.com

TE271

A

2096-0077(2017)04-0057-02

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.014

2016-11-25 編輯：高紅霞)