一种往复式钻井工具冲击功转换效率的测试方法与流程
1.本发明涉及钻井技术领域，尤其涉及一种往复式钻井工具冲击功转换效率的测试方法。
背景技术：
2.在石油行业通常采用如空气锤之类的往复式钻井工具进行钻井，其钻进方式为通过动力驱动活塞在封闭狭小的套筒内循环冲击钻头实现破岩。具体来说就是，活塞的运动方式包括上下往复运动(即往复的上冲程运动和下冲程运动)，并在上冲程运动的同时伴随着自旋转运动。当活塞下冲程运动至最低点时，活塞冲击钻头产生冲击力实现破岩；当活塞上冲程运动时，活塞自身会产生自旋转运动，同时钻头会相应转动一定角度，以便于下一次破岩钻进。其中，冲击功实际上是活塞冲击钻头时的瞬间作用力，而冲击功的转换效率又是量化评价钻井效果的重要指标之一，因此为了能够较好的量化评价钻井效果，就需要获取准确的冲击功数据。
3.目前对于冲击功的获取方法大致有以下几种，分别为：
4.一是在已知条件的基础上根据经验估算，但该方法并不能得到准确的冲击功数据。
5.二是利用已知公式进行推导估算，但推导估算的方法一般都在理论状态下进行的，其并非实际运动过程中的真实值，导致得到的冲击功数据与实际相比具有一定的误差。
6.三是将荷重传感器安装在往复式钻井工具的运动活塞上直接测量所需要的冲击力，但往复式钻井工具的内部空间狭小，荷重传感器无法直接加装在被测活塞上进行直接有效测试。此外，由于往复式钻井工具的动能较大，工作中的振动幅度相对较大，若直接将荷重传感器安装在活塞上也会因为振动大而导致荷重传感器容易受损，这给测量方法带来一定难度，因而该方法同样不能有效测试冲击功。
7.四是若采用气动往复式钻井工具，则可通过压力传感器测量往复式钻井工具空腔内空气压缩的压力，然后将压力换算成所需要的冲功即可。该方法在测试时需要在往复式钻井工具的套筒上开设小孔安装压力传感器，以使压力传感器与产生压力的空气压缩空间相接触。但开设小孔会破坏往复式钻井工具的密封性，影响往复式钻井工具的正常使用，并不实用。
8.总体来说，上述方法要么不实用，要么不能准确地测出冲击功的数据，进而也就不能准确地获取到冲击功的转换效率。为此，有必要研发新技术以解决上述技术问题。
技术实现要素：
9.本发明的目的在于提供一种往复式钻井工具冲击功转换效率的测试方法，该方法能够以更为简单的方式准确地测试出往复式钻井工具冲击功的转换效率，从而为量化评价钻井工具的传递效率提供重要支撑。
10.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
11.一种往复式钻井工具冲击功转换效率的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
12.步骤一：在钻井工具的下部固定用以测试钻头转动角度的无接触式测量仪；
13.步骤二：控制钻井工具的活塞开始上下往复运动冲击钻头进行钻进，钻进平稳后利用无接触式测量仪获取活塞的上冲程时间、下冲程时间和钻头的转动角度；
14.步骤三：基于活塞的下冲程时间计算活塞的冲击功,基于活塞的上冲程时间和钻头的转动角度计算钻头的角速度；
15.步骤四：基于活塞的上冲程时间和钻头的角速度计算钻头转动时的角加速度，基于角加速度计算钻头的实际扭矩，再基于钻头的角速度和钻头的实际扭矩计算钻头的实际功率；
16.步骤五：基于钻头的实际功率和活塞的上冲程时间计算钻头的功，再基于钻头的功和活塞的冲击功计算得出钻井工具的冲击功转换效率。
17.所述的冲击功转换效率基于同种地质构造条件下进行测试得出。
18.步骤一中，所述无接触式测量仪为通过工装固定的光电编码器。
19.所述光电编码器固定后与钻头之间的轴向间隙为0.75mm-1.45mm，同心度公差小于0.25mm。
20.所述光电编码器的精度为0.3
°
。
21.步骤三中，活塞的冲击功的计算方法为：
[0022][0023]
式(1)中，w为活塞的冲击功，m为活塞的质量，v为活塞的末速度，s为活塞的位移,t2为活塞的下冲程时间。
[0024]
步骤三中，钻头的角速度的计算方法为：
[0025][0026]
式(2)中，ω
角速度
为钻头的角速度，w为钻头的转动角度,t1为活塞的上冲程时间。
[0027]
步骤四中，钻头转动时的角加速度的计算方法为：
[0028][0029]
式(3)中，α
角加速度
为钻头转动时的角加速度；
[0030]
钻头的实际扭矩的计算方法为：
[0031]
m＝j
·
α
角加速度
ꢀꢀ
(4)
[0032]
式(4)中，m为钻头的实际扭矩，j为钻头的转动惯量；
[0033]
钻头的实际功率的计算方法为：
[0034]
pn＝m
·
ω
角速度
＝j
·
α
角加速度
·
ω
角速度
ꢀꢀ
(5)
[0035]
式(5)中，pn为钻头的实际功率。
[0036]
步骤五中，钻头的功的计算方法为：
[0037]e扭
＝pn·
t1
ꢀꢀ
(6)
[0038]
式(6)中，e
扭
为钻头的功。
[0039]
步骤五中，冲击功转换效率的计算方法为：
[0040][0041]
式(7)中，η为冲击功转换效率。
[0042]
采用本发明的优点在于：
[0043]
本发明通过在钻井工具下部设置一光电编码器，就能够利用钻头的角度变化准确地测试出活塞在封闭狭小的套筒内的冲击功以及钻头实际钻进时的功，进而能够准确地得出往复式钻井工具冲击功的转换效率，具有不破坏钻井工具及测试方法简单的优点，为量化评价钻井工具本身效率提供了重要支撑。
附图说明
[0044]
图1为本发明的安装结构示意图。
[0045]
图2为光电编码器测量的转动角度及时间变化示意图。
[0046]
图中标记为：1、钻井工具，2、套筒，3、活塞，4、钻头，5、光电编码器，6、工装。
具体实施方式
[0047]
实施例1
[0048]
本发明提供了一种往复式钻井工具冲击功转换效率的测试方法，该测试方法所涉及往复式钻井工具1包括以空气压缩驱动的钻井工具1(如空气锤)和以液压驱动为动力的钻井工具1。通常的，钻井工具1包括套筒2、设置在套筒2内可往复上下运动的活塞3及位于活塞3下方的钻头4。另外，该测试方法所述的冲击功转换效率基于同种地质构造条件下进行测试得出，其具体包括以下步骤：
[0049]
步骤一：如图1所示，在地面上通过支撑架固定钻井工具1，在钻井工具1的下部固定用以测试钻头4转动角度的无接触式测量仪。其中，由于钻井工具1种类较多，有些钻井工具1的钻头4外设有可随钻头4转动的外筒，而有些钻头4外则无可转动的外筒。因此，基于有可转动外筒的钻井工具1，可通过工装6将无接触式测量仪固定在外筒一侧。而基于无可转动外筒的钻井工具1，可在钻头4上固定间接参照结构件，例如，可通过支柱向上固定套环等作为间接参照结构件，进而将无接触式测量仪固定在套环一侧，通过测量套环的转动角度达到测量钻头4转动角度的目的。
[0050]
需要说明的是，本步骤优选采用光电编码器5作为无接触式测量仪，光电编码器5的精度为0.3
°
。安装时应保持光电编码器5安装面与被测目标面平行，并减少动态和加速度对传感器的影响。安装后光电编码器5与钻头4之间的轴向间隙为0.75mm-1.45mm，同心度公差小于0.25mm。
[0051]
步骤二：控制钻井工具1的活塞3开始上下往复运动冲击钻头4进行钻进，大约试占进10-15分钟即可钻进平稳，然后利用光电编码器5获取活塞3的上冲程时间、下冲程时间和钻头4的转动角度，光电编码器5获取的活塞3的上冲程时间、下冲程时间和钻头4的转动角度如图2所示，需要说明的是，由于活塞3只有上冲程运动时才会有自旋转运动，同时钻头4会产生相应转动，而活塞3下冲程运动时钻头4不转动，其角度变换为0，因此可据此区分得出上冲程时间和下冲程时间。
[0052]
步骤三：基于活塞的下冲程时间计算活塞的冲击功,基于活塞的上冲程时间和钻
头的转动角度计算钻头的角速度。
[0053]
具体的，活塞的冲击功的计算方法为：
[0054][0055]
式(1)中，w为活塞的冲击功，m为活塞的质量，v为活塞的末速度，s为活塞的位移,t2为活塞的下冲程时间。
[0056]
钻头的角速度的计算方法为：
[0057][0058]
式(2)中，ω
角速度
为钻头的角速度，w为钻头的转动角度,t1为活塞的上冲程时间。
[0059]
步骤四：基于活塞3的上冲程时间和钻头4的角速度计算钻头4转动时的角加速度，基于角加速度计算钻头4的实际扭矩，再基于钻头4的角速度和钻头4的实际扭矩计算钻头4的实际功率。
[0060]
具体的，钻头转动时的角加速度的计算方法为：
[0061][0062]
式(3)中，
α角加速度
为钻头转动时的角加速度。
[0063]
钻头的实际扭矩的计算方法为：
[0064]
m＝j
·
α
角加速度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0065]
式(4)中，m为钻头的实际扭矩，j为钻头的转动惯量。
[0066]
钻头的实际功率的计算方法为：
[0067]
pn＝m
·
ω
角速度
＝j
·
α
角加速度
·
ω
角速度
ꢀꢀ
(5)
[0068]
式(5)中，pn为钻头的实际功率。
[0069]
步骤五：基于钻头4的实际功率和活塞3的上冲程时间计算钻头4的功，再基于钻头4的功和活塞3的冲击功计算得出钻井工具1的冲击功转换效率。
[0070]
具体的，钻头的功的计算方法为：
[0071]e扭
＝pn·
t1
ꢀꢀ
(6)
[0072]
式(6)中，e
扭
为钻头4的功。
[0073]
冲击功转换效率的计算方法为：
[0074][0075]
式(7)中，η为冲击功转换效率。
[0076]
得到钻井工具1的冲击功转换效率后，就可以采用该结果对钻井效果进行量化评价，从而有利于提高后期钻井效率。
[0077]
需要说明的是，本发明关于冲击功转换效率的测试仅限于地面测试而不包括井下测试，由于本发明仅在钻井工具1的下部设置一光电编码器5即可更为准确的测试出活塞3在封闭狭小套筒2内的冲击功及冲击功转换效率，因此还具有测试结构简单、测试工序少、计算过程简洁、测试效果高等优点。
[0078]
实施例2
[0079]
本发明目前已进行了实际试验并获得了相关参数，现本实施例根据实际试验情况对本发明所述的测试方法进行了验证，如下：
[0080]
实际试验采用了空气锤作为钻井工具1，并配备型号为阿特拉斯的空压机976提供压缩空气，空压机的额定功率为317kw，空气排量为25m3/min。空气锤动能参数设计,空压机的排气量为2.5m3/s，钻头直径为215.9mm，钻头质量为110kg，活塞质量为179kg，活塞设计行程为1.40m，经测试钻头的转动角度为10时，光电编码器所记录的冲程所需时间为0.25s,所记录的上冲程时间为0.3s。
[0081]
基于上述参数，得出的活塞冲击功为：
[0082][0083][0084]
即活塞冲击功为11327.34j。
[0085]
进一步的，钻头的角速度ω
角速度
为3.33rad/s。
[0086]
钻头转动时的角加速度
α角加速度
为11.11rad/s2。
[0087]
取钻头的转动惯量j为0.58，则钻头的实际扭矩m为6.4n.m。
[0088]
钻头的实际功率pn为21.2kw。
[0089]
钻头的功e
扭
为6.36kj。
[0090]
最终冲击功转换效率为：
[0091]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
