何俊海，趙希春，朱金堂，黃少華，宿連軍

（中國石油大學(xué)機(jī)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(xué)機(jī)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(chǔ)工作。國內(nèi)目前的室內(nèi)測試儀器比較簡陋，自動化程度不高。介紹了使用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理及控制的全自動巖石可鉆性測試儀和設(shè)計要點，包括結(jié)構(gòu)組成、鉆壓系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，并給出了有關(guān)計算及數(shù)據(jù)。該儀器技術(shù)先進(jìn)，實現(xiàn)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(shè)計；數(shù)據(jù)采集處理；自動控制

巖石的可鉆性是指在一定的技術(shù)條件下鉆進(jìn)巖石的難易程度，也可理解為在一定鉆頭規(guī)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(chǔ)工作［2］。目前，國內(nèi)室內(nèi)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(jìn)深度不能連續(xù)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(tǒng)和測量系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，研制了用計算機(jī)采集數(shù)據(jù)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(tǒng)一，原石油部在石油大學(xué)尹宏錦教授等研究人員多年研究結(jié)果的基礎(chǔ)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2000年國家石油化學(xué)局修訂了此標(biāo)準(zhǔn)，這就是現(xiàn)在執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY／T5462—2000《巖石可鉆性測定和分級方法》。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，提出了巖石可鉆性測試要求［4］。

1） 旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dá)0.2mm時開始計時，再鉆深2.4mm記錄鉆進(jìn)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(shè)計要點

2.1 總體結(jié)構(gòu)

全自動巖石可鉆性測試儀由巖石夾持系統(tǒng)、微型鉆頭、鉆壓系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、鉆深測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)以及機(jī)柜等組成。從人性化和操作方便考慮，將巖樣及其夾持系統(tǒng)設(shè)計在機(jī)柜臺面上，機(jī)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(jìn)系統(tǒng)設(shè)計在機(jī)柜臺面下，采用由下往上鉆進(jìn)巖樣的工作模式；動力傳動系統(tǒng)及其管路流程系統(tǒng)全部設(shè)計在機(jī)柜里，使儀器外觀只看見一個機(jī)柜，簡潔美觀，又能防護(hù)轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，保證安全操作。儀器組成及總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 全自動巖石可鉆性測試儀結(jié)構(gòu)

2.2 鉆壓系統(tǒng)

2.2.1 流程

鉆壓系統(tǒng)采用清潔的氣壓系統(tǒng)，其流程是：氣體從氣源（氮氣瓶）經(jīng)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(chǎn)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(diào)控，可以得到穩(wěn)定而又精確的鉆壓。對應(yīng)PDC和牙輪鉆頭不同鉆壓，分別設(shè)置2路精密減壓器，通過電磁閥自動控制選擇其相應(yīng)鉆壓。

2.2.2 精密減壓器調(diào)壓值（氣壓）計算

設(shè)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(diào)壓值（氣壓）為

式中，p為精密減壓器調(diào)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(shù)據(jù)代入式（2）計算得牙輪鉆頭試驗時，精密減壓器調(diào)壓值為0.86MPa，PDC鉆頭試驗時，精密減壓器調(diào)壓值為0.55MPa。

2.3 動力傳動系統(tǒng)

2.3.1 結(jié)構(gòu)

采用直流伺服電機(jī)通過同步齒形帶減速系統(tǒng)帶動鉆桿及其鉆頭旋轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)通過PWE控制電機(jī)轉(zhuǎn)速并用數(shù)顯表顯示，同步齒形帶保證電機(jī)主動輪和鉆桿從動輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)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(jìn)時上下運(yùn)動。

2.3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率計算

鉆桿轉(zhuǎn)速為n2＝55r／min，設(shè)計轉(zhuǎn)動比為3，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為n1＝55×3＝165r／min。

電動機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)所需的功率主要有2部分，即

式中，PZ為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)所需功率，W；P1為旋轉(zhuǎn)鉆頭破碎巖石所需功率，W；P2為旋轉(zhuǎn)鉆桿所需功率，W。

正常鉆進(jìn)時，旋轉(zhuǎn)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(zhì)、鉆柱直徑、鉆壓、轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)，可以使用試驗結(jié)果修正經(jīng)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(zhuǎn)速，r／min；Φ為經(jīng)驗系數(shù)，取Φ＝0.6。

把數(shù)據(jù)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(zhuǎn)系統(tǒng)所需功率最大值，W；η為電動機(jī)到鉆桿系統(tǒng)的傳動效率，η＝90%；K1為裝配工況系數(shù)，取決于儀器旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝配質(zhì)量，K1＝1.2；K2為安全系數(shù)，K2＝1.5。

把數(shù)據(jù)帶入式（6）計算得電動機(jī)的功率為PD＝183.1W。

即帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)的功率最少為183W，可按此選擇合適的電動機(jī)。

旋轉(zhuǎn)鉆桿所需功率P2與鉆桿系統(tǒng)的長度、直徑、轉(zhuǎn)速等有關(guān)，對于可鉆性測定儀，這些數(shù)據(jù)較小，P2相對于P1很小，這里取P2＝0.5 P1。

將P1、P2數(shù)值帶入式（3），計算得旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)所需功率為PZ＝36.62W。

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

帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)的功率按式（6）計算得

3 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

全自動巖石可鉆性測試儀主要依靠計算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)實現(xiàn)全自動測試。其工作原理是：壓力傳感器測量系統(tǒng)鉆壓，位移傳感器測出即時鉆進(jìn)深度，測量信號經(jīng)采集轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)由計算機(jī)顯示。鉆速由PWE控制直流伺服電機(jī)實現(xiàn)，鉆壓通過計算機(jī)控制電磁閥實現(xiàn)。計算機(jī)時鐘計量即時鉆進(jìn)深度所對應(yīng)的時間，達(dá)到要求的鉆進(jìn)深度后，計算機(jī)自動停止試驗。測試結(jié)束后數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對記錄的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行處理，根據(jù)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(shù)據(jù)報表。數(shù)據(jù)采集控制原理如圖2。

數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)軟件采用VB編程，下拉式菜單，由4部分組成。

1） 系統(tǒng)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(shù)初始化 用來輸入試樣參數(shù)并存儲，以備試驗報表使用。

3） 試驗測試 執(zhí)行鉆進(jìn)測試和控制，并完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的顯示和打印，并通過對試驗原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后生成試驗報表。其軟件運(yùn)行界面如圖3。

圖2 數(shù)據(jù)采集控制原理

圖3 數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行界面

4 應(yīng)用實例

全自動巖石可鉆性測試儀主要用于室內(nèi)測試巖石的可鉆性。

4.1 PDC鉆頭巖樣測試數(shù)據(jù)

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(qū)：東營；巖樣描述：花崗巖；試驗日期：2009－09－10。測試數(shù)據(jù)如表1。

表1 PDC鉆頭巖石可鉆性測試數(shù)據(jù)

4.2 牙輪鉆頭巖樣測試數(shù)據(jù)

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

表2 牙輪鉆頭巖石可鉆性測試數(shù)據(jù)

表1～2數(shù)據(jù)表明，儀器工作時，鉆壓穩(wěn)定在要求鉆壓值，其誤差在±10N以內(nèi)，遠(yuǎn)小于要求的±20N，時間精度0.01s、測深精度0.001mm，達(dá)到和超過標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

全自動巖石可鉆性測試儀著重對鉆壓及動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，提高了儀器動力傳動及鉆壓的穩(wěn)定性。通過計算機(jī)和現(xiàn)行的精密測量控制技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，實現(xiàn)了對巖石可鉆性的全自動精確測試。應(yīng)用表明，儀器測試精度高，操作方便快捷，運(yùn)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(jī)構(gòu)及石油高校推廣應(yīng)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(shù)［M］.東營：中國石油大學(xué)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(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械.2007，36（5）：1－4.

［3］ 于洪金.大慶鉆井技術(shù)新進(jìn)展下［M］.北京：石油工業(yè)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(xué)院礦機(jī)教研室.石油鉆采機(jī)械［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1980.

Development of Automatic Rock Drillability Measuring Instrument

HE Jun－h(huán)ai，ZHAO Xi－chun，ZHU Jin－tang，HUANG Shao－h(huán)ua，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(yè)于蘭州石油學(xué)校石油礦場機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)從事儀器設(shè)備技術(shù)研究開發(fā)及推廣工作，E－mail：hejunhai＠upc.edu.cn。