华中科技大学 硕士学位论文 模拟取芯钻进工艺实验平台的设计与研究 姓名：杨新洲 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：冯清秀 20090523 I 华中科技大学硕士学位论文 摘 华中科技大学硕士学位论文 摘 要要 在地质钻井和石油钻井工作中， 利用专门的取芯工具从井壁或井底取出一定数量的 岩芯，通过对岩芯的分析与研究，了解地下岩层性质及其变化规律，以指导钻井作业。 所以，取芯工作在油气田的勘探和开发、地质钻井工程中起着十分重要的作用。 设想在针对某些岩芯结构的取芯工作前进行一定的实验， 对取芯钻进过程中的一些 参数进行优化研究，制定出合理的取芯钻进参数，将有利于整个取芯工作的展开。鉴于 这种设想，本课题结合井下取芯钻进的过程，通过简单而真实的效仿，研发出一种便于 实验观摩、具有良好开放性的、基于 PC 的模拟取芯钻进工艺实验平台。 本论文先从实验平台的总体研究方案展开，分机械本体和控制系统两个方面来阐 述，分析了其总体硬件构成，并选用了合适的软件开发平台。然后，介绍了实验平台的 机械系统及其工作原理，设计了钻头的结构并详细分析了其钻削机理，随后对两套独立 的液压驱动系统进行了详细的设计计算， 并根据传感器的选用原则和实验平台要求测定 的参数选用合适的传感器、 根据传感器的信号输出方式和其它因素来选择相匹配的数据 采集卡。最后，对实验平台的软件系统进行了研究及设计，主要利用最小二乘法曲线拟 合原理，通过相应的编程处理得到实验平台所要求的性能。 关键词：关键词：取芯钻进 液压系统 传感器 数据采集 曲线拟合 II 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 Abstract During the work of geological and oil drilling, using special coring tools to extract a certain amount of rock-core from the wallside or the bottom of the well, through the analysis and research of the rock-core, we can find out the nature of the underground rock layer and its change rules, to instruct the well drilling work. Therefore, the work of core drilling plays an important role in oil-gas field exploration and exploitation and geological drilling project. Assumed that carrying on some experiments before core drilling in certain core structure, conducting optimization to some parameters in the process of core drilling in order to formulate reasonable parameters for core drilling. After that, it would be propitious to the work of core drilling. In view of this assumption, the project links with the process of underground work done by the core lifter, through a simple and real imitation, we develope a kind of PC-based experimental platform, which is easy to observe and with good open, to optimize the parameters for simulation of core drilling. Firstly, the paper starts from the overall research program of the experimental platform, then analyzes the entire hardware constitution of the platform and selects the appropriate software development platform. Secondly, it starts from the mechanical system of the experimental platform, then designs the structure of drill bit and detailedly analyzes its drilling mechanism, subsequently, elaborates two independent sets of hydraulically-driven systems design and some correlative calculation in detail. Thirdly, it chooses some sensors used by the platform one by one, then selects the matching data acquisition card according to the sensors signal output way and other factors. Finally, it conducts certain research and design on the software system of the experimental platform, mainly uses the principles of the method of least squares for curve fitting, through some corresponding program processing to realize the performance which the experimental platform required, thus demonstrates the intuitive of the experimental platform. Key Words: Core Drilling Hydraulic System Sensor Data Acquisition Curve Fitting 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 1 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论绪论 1.1 前言前言 世界经济的快速发展使得石油和天然气的开采事业得到了飞速进步， 同时也给地质 取芯事业的发展带来了前所未有的广阔前景。在油气田的勘探和开发过程中，为了了解 地下岩层性质及其变化规律，特别是油气层的性质，只凭泥浆录井资料是不够的，还需 要取得反映井下岩层最客观、最实际的岩芯资料。所谓岩芯，就是采用专门的取芯工具 取出的地下岩石，它是油气田的勘探和开发过程中取得完整资料、提供原始地层标本的 唯一途径，也是观察地层岩性、物性和含油性的可靠资料。通过对岩芯的分析与研究才 能制定出合理的开发方案，从而准确计算出油气田储量和制定增产措施1。取芯，就是 在地质钻井和石油钻井工作中，利用取芯工具从井壁或井底取出一定数量的岩芯。通过 岩芯的岩性、物性、电性、矿物成分及化石等资料对地层进行对比分析；通过对岩芯的 机械力学性能测定，了解其强度、可钻性、研磨性等，以指导钻井作业2。所以，取芯 工作在油气田的勘探和开发，以及地质钻井工程中起着十分重要的作用。 钻探是地质勘探的重要工作方法，是取得地下岩矿层资料的最主要手段。许多地质 勘探项目中，钻探工作占用了大量的人力、物力和财力，它的效率直接影响勘探的成本 和地质报告的质量。在钻探施工中，取芯钻机是关键设备，其功用是：向地层钻进不同 深度的钻孔，将钻孔中切磨或破碎形成的岩芯或岩屑取出供分析研究，以便查明矿床的 储量和品位，为开发和利用矿床提供依据3。然而，现今的取芯钻机还存在很多问题， 具体体现在：取芯钻机运行时的参数较多，控制较复杂，如果各项参数不进行一定的优 化，会造成钻机的效率低下、能耗高、磨损过快。同时，在钻进过程中，钻头对钻进效 率的影响非常大，要选择与地层相适应的钻头，必须保证钻头具有较高的钻进时效和较 长的使用寿命。如果钻头时效低，将直接影响钻进效率；如果钻头使用寿命短则会因频 繁地更换钻头要经常起下钻， 从而降低钻进效率。 因此， 必须根据岩石的物理力学性质， 及时调整并优化钻进运行的各种参数，同时考虑实际的施工情况，选择好钻头4。 2 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 1.2 课题的来源、研究目的和意义课题的来源、研究目的和意义 1.2.1 课题的来源课题的来源 本课题来源于华中科技大学机械学院工艺装备及自动化系与某大型国企的横向协 作项目“模拟取芯钻进工艺实验平台的设计与研究” 。 1.2.2 研究目的和意义研究目的和意义 设想在取芯工作前进行一定的实验，确定针对某些岩芯结构的取芯钻进参数，建立 基本的实验数据信息，制定出合理的取芯钻进参数，以优化整个取芯钻进的过程，将会 大大地提高取芯收获率。本课题主要针对目前国内石油开采领域、地质钻井行业中取芯 仪器钻进运行时的参数优化而立项的，要求设计并制造模拟取芯钻进工艺实验平台，其 具体目的和意义如下： (1) 所设计的实验平台能进行取芯钻进实验，同时能方便地测定钻头钻取岩芯时所 需要的参数，测定的各参数经软件系统处理后可显示所要求的参数之间的曲线关系； (2) 通过曲线关系可以了解到，什么条件下钻头钻取岩芯的效率是最高的； (3) 保存实验所得数据和结论，以备系统设计时参考； (4) 利用此装置来测定钻头性能的好坏，对金刚石钻头进行筛选。 1.3 取芯技术的发展及现状取芯技术的发展及现状 1.3.1 取芯方式及特点取芯方式及特点 近年来，随着人类对石油、天然气资源需求量的增加，油气资源的勘探开发变得越 来越重要。在石油和天然气的勘探与开发过程中，常将岩芯样品提取到地面上来分析， 通过实验得到岩芯样品的化学成分、 孔隙度、 渗透率等来确定油、 气层的位置及其储量。 用于岩芯分析的岩芯样品可由以下 3 种方式获取5,6：钻井取芯；爆炸撞击式井壁 取芯；旋转式井壁取芯。 钻井取芯是指在钻井过程中，利用取芯钻进技术获取岩芯。取芯器利用芯管来获取