专利名称：一种测试旋转控制头工作性能的试验装置及其试验方法
技术领域：
本发明涉及一种井用设备的测试技术，尤其是一种旋转控制头的测试技术。
背景技术：
旋转控制头是实施欠平衡钻井的核心装备，用于控制井口压力，实现近平衡或欠 平衡压力钻井，提高钻井速度及质量，最大限度地发现和保护油气藏。它在井眼环空与钻 柱之间，起封隔作用，并提供安全有效的压力控制，同时具有将井眼返出流体导离井口的作用。随着欠平衡钻井在石油钻井、煤层气钻井等多个领域的广泛应用，对旋转控制头 的性能要求也越来越高。其使用的可靠性关系到欠平衡钻井施工的成败和钻井施工人员的 安全，所以必须提高旋转控制头的出厂标准，更加严格地对旋转控制头进行试验测试，形成 系统化、标准化的试验流程及方法。中国专利公开号CN 200975942Y，
公开日2007年11月14日，名称为一种旋转控制 头的旋转试验装置的实用新型专利，提供了一种旋转控制头的旋转试验装置，该专利虽然 一定程度上提高了试验装置的试验效率，但是其仍然无法对旋转控制头进行系统化、标准 化的测试，仍然无法全面地评估旋转控制头的工作性能，从而满足对旋转控制头的高性能 要求。

发明内容
本发明的目的是提供一种能够进行多种测试试验、且能够全面地评估旋转控制头 工作性能的试验装置及其试验方法。本发明的技术方案是如下本发明的测试旋转控制头工作性能的试验装置，包括试验台架、设置于试验台架 顶部的电机、与电机连接的减速器、连接于减速器上的六方钻杆、与六方钻杆连接的旋转控 制头，其特征在于所述电机与减速器之间连接有扭矩传感器，所述旋转控制头通过设置于 基座上且可相对于基座移动的法兰与手动试压泵连接，所述旋转控制头上连接有冷却润滑 装置与温度传感器，所述温度传感器和扭矩传感器均与数据采集器连接，所述数据采集器 与数据显示装置连接。由于采用了上述结构，使得整个试验装置可以对旋转控制头进行全面的性能测 试，能够模拟井用旋转控制头的工况条件，对旋转控制头进行检验，本装置能够采集各种试 验的数据，包括测试壳体静压试验、额定静压试验、磨合及额定动压试验和胶芯拆装试验， 测试各试验的压降、轴承温升、动密封件温升和寿命等数据。其中，可以对旋转控制头的冷 却润滑系统进行检测，通过手动试压泵能够对旋转控制头的壳体静压、额定静压以及额定 动压进行检测，检测旋转控制头的密封，通过温度传感器与扭矩感应器，可以对旋转控制头 的各种工况下的温度以及摩擦力矩进行测试，从而全面地对旋转控制头进行评估。本装置 能测试旋转控制头的各种工作性能，可以对旋转控制头进行综合的测评，从而提高旋转控
4制头的出厂标准，保证欠平衡钻井施工的成功和钻井施工人员的安全。所述温度传感器为钼热电阻温度感应器。由于采用钼热电阻温度感应器，钼热电阻温度传感器的探头与旋转控制头通过连 接套固定，在靠近轴承和动密封件位置的孔内安装钼热电阻温度传感器的探头，使得温度 传感器能够敏锐地感应到旋转控制头内的温度变化，使测试的旋转控制头数据更加真实可本发明的测试旋转控制头工作性能的试验方法，它通过以下步骤来实现1)组装测试旋转控制头的各试验装置部件，记录初始数据；2)壳体静压试验，将旋转控制头固定安装于底座上，安装试压塞，控制手动试压泵 向旋转控制头加压至静水压强度试验值，稳压IOmin后，观察压降情况并记录压力值，泄压 后取出试压塞；3)额定静压试验，安装旋转总成，将六方钻杆穿过旋转控制头内的胶芯与旋转控 制头连接，对旋转控制头加压至额定工作压力值，稳压15min后观察压降情况并记录压力 值，泄压后再次加压至额定工作压力值，稳压20min后观察压降情况并记录压力值；4)旋转控制头磨合试验，启动电机带动旋转控制头转动至少4小时，每IOmin 记录扭矩值与温度传感器的温度值，对旋转控制头加压至1. 4MPa,分别在40r/min、50r/ min,60r/min转速下运行1小时，每IOmin记录扭矩值与温度传感器的温度值，再增压至 2. IMPa，分别在60r/min、90r/min转速下运行1小时，记录扭矩值与温度传感器的温度值， 检查轴承的运行情况，记录冷却润滑装置的温度值；5)检验冷却润滑装置，开启冷却润滑装置，加压且稳压旋转控制头在额定动密封 压力值，并在90r/min的转速下运行lOmin，每Imin记录扭矩值、冷却润滑装置的温度值和 温度传感器的温度值，关闭冷却润滑装置，每Imin记录一次数据，扭矩值、冷却润滑装置的 温度值和温度传感器的温度值稳定后，继续记录数据IOmin ；6)检验动密封的可靠性，启动冷却润滑装置，加压并稳压旋转控制头在额定动密 封压力值，在转速为60r/min开始到额定转速之前，每间隔30r/min的转速下，各运行至少 24小时；当达到额定转速时，需再持续运行至少24小时，正常情况则每1小时记录一次数 据，出现异常则立刻记录异常数据，停机检查；7)检验偏心情况下动密封的可靠性，调整六方钻杆与旋转控制头之间的偏心距至 10mm，重复进行步骤6)的操作；8)检测无冷却润滑状态下的性能，关闭冷却润滑装置，重复进行步骤6)和7)的操 作，记录扭矩值、冷却润滑装置的温度值和温度传感器的温度值；9)胶芯拆装试验，重复进行拆除和装配胶芯，每拆除和装配胶芯20次对旋转控制 头增压至额定工作压力值，稳压5min，观察压降情况并记录压力值；10)分解旋转控制头，对各个零部件的磨损和变形量进行检验，记录数据；11)对记录的数据进行整理并分析。通过以上的方法对旋转控制头进行壳体静压试验、额定静压试验、旋转控制头磨 合试验、检验冷却润滑系统、检验动密封的可靠性、检验偏心情况下的动密封的可靠性、检 测无冷却润滑状态下的性能、胶芯拆装试验、分解旋转控制头等试验，能够全面地涵盖了旋 转控制头的工作性能，能够客观地评定旋转控制头的质量，提高欠平衡钻井施工的安全性，同时可通过本发明所涉及的试验方法，对旋转控制头进行全面的评析，从而缩短旋转控制 头新产品开发的周期，降低产品开发成本。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是1、本发明所涉及的试验装置，能测试旋转控制头的各种工作性能，可以对旋转控 制头进行综合的测评，从而提高旋转控制头的出厂标准，保证欠平衡钻井施工的成功和钻 井施工人员的安全；2、本发明所涉及的试验装置，能够模拟欠平衡钻井施工中旋转控制头的工况，更 加真实地反映旋转控制头的各种工作性能参数；3、本发明所涉及的试验方法，全面地涵盖了旋转控制头的工作性能，能够通过本 方法对旋转控制头进行系统化、标准化的测试，能够客观地评定旋转控制头的质量，提高欠 平衡钻井施工的安全性；4、本发明所涉及的试验方法，能够有效缩短旋转控制头新产品开发的周期，降低 产品开发成本，适合在旋转控制头的生产、测试领域推广。


图1是本发明提供的测试旋转控制头的试验装置的结构示意图。其中，1-冷却润滑装置、2-试验台架、3-减速器、4-六方钻杆、5-扭矩传感器、 6-电机、7-旋转控制头、8-底座、9-温度传感器、10-数据显示装置、11-数据采集器、12-手 动试压泵。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的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，均可以以任何方式组合。本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的 替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子 而已。如图1所示，本发明的测试旋转控制头工作性能的试验装置，包括试验台架2、设 置于试验台架2顶部的电机6、与电机6连接的减速器3、连接于减速器3上的六方钻杆4、 与六方钻杆4连接的旋转控制头7，所述电机6与减速器3之间连接有扭矩传感器5，所述 试验台架2的下部设置有底座8，所述底座8与试验台架2在使用时连接好即可，所述旋转 控制头7通过设置于底座8上且可相对于底座8移动的法兰与手动试压泵12连接，所述底 座8上的法兰与旋转控制头7底部的法兰对应连接，且所述底座8上的法兰设置于底座8 的中心，且通过涡轮蜗杆机构可相对于底座8，在水平面的任意方向上移动，带动整个旋转 控制头7与六方钻杆4不对中，同样的原理，底座8上的法兰还可以通过其它相似的结构， 使旋转控制头7底部能够移动一定距离，以能够实现偏心情况下的动密封的可靠性的试验 为准。底座8中心的法兰连接装置，可实现旋转控制头7相对于六方钻杆4偏移一定的距 离，方便模拟由于井口偏心引起的旋转控制头7与六方钻杆4的不对中。所述旋转控制头 7上连接有冷却润滑装置1与温度传感器9，所述冷却润滑装置1通过油管分别与旋转控制 头7的进油口和出油口连接，便于冷却和润滑整个旋转控制头，所述温度传感器9为钼热电
6阻温度感应器，温度传感器9与旋转控制头7的连接，主要是通过在靠近轴承和动密封件位 置钻孔，安装温度传感器的探头，使得温度传感器9能够及时敏锐地感应到旋转控制头7内 的温度变化。所述温度传感器9和扭矩传感器5均与数据采集器11的数据采集端连接，所 述数据采集器11数据输出端与数据显示装置10连接。根据本发明的测试旋转控制头工作 性能的试验装置的原理，由于其用于对旋转控制头7的各种工作性能的测试，为了排除手 动试压泵12向旋转控制头7供压时对试验的影响，可以在其连接的管道上设置单向阀，在 旋转控制头7的旁通口安装压力表，从而方便在试验过程中对压力变化的读取。在冷却润 滑装置1设置进出口温度计或其类似物，对冷却润滑液的温度进行监测，方便于对冷却润 滑装置1内冷却润滑液的温度进行读取与记录，更加明确地了解到整个试验过程中，冷却 液的温度变化情况，更有利于对旋转控制头的工作性能的分析。所述数据采集器11包含了 数据采集卡、传感器电源及接口合为一体的结构，当然可以根据其原理，还可分解为钼热电 阻温度传感器和扭矩传感器与传感器电源及接口连接，然后传感器电源及接口再与具有单 纯数据采集卡功能的数据采集器连接，数据采集器再与数据显示装置10连接。所述的数据 显示装置10可以为自制的具有数据显示与记录的单片机，同时也可以采用电脑安装自行 编写的软件实现，只要能够实现数据的显示与记录即可。本发明的测试装置中的温度传感 器9与旋转控制头7连接，本发明的测试旋转控制头工作性能的试验方法如下1)组装测试旋转控制头7的各试验装置部件，标定各温度传感器和扭矩传感器， 记录初始数据。2)壳体静压试验，将旋转控制头7固定安装于底座8上，安装试压塞，控制手动试 压泵12向旋转控制头7加压至静水压强度试验值，稳压IOmin后，观察压降情况并记录压 力值，泄压后取出试压塞。通过步骤2)，为了做壳体静压试验，旋转控制头7固定安装于底座8上，具体地，旋 转控制头7底部的法兰与安装在底座8上的法兰对应连接，底座8上的法兰与手动试压泵 12连通，将试压塞安装于旋转控制头7的壳体内，并用卡箍限制其移动，对旋转控制头加压 进行壳体静压试验，通过该步骤可以对旋转控制头7的壳体的密封性进行评价，从而保证 旋转控制头具有良好的密封效果。3)额定静压试验，将旋转总成安装于旋转控制头7的壳体内，吊起台架2以及其 上连接的电机6、减速器3和六方钻杆(3)，依靠上述器械自身的重力，将六方钻杆4穿过旋 转控制头7内的胶芯与旋转控制头7连接，对旋转控制头7加压至额定工作压力值，稳压 15min后观察压降情况并记录压力值，泄压后再次加压至额定工作压力值，稳压20min后观 察压降情况并记录压力值。通过步骤3)对旋转控制头7的额定静压试验，合并了整机静密封压力试验和胶芯 静密封压力试验，从而对于整机的密封与胶芯的密封进行测试，通过步骤2)与3)可以对旋 转控制头7的静密封进行评价。4)旋转控制头7磨合试验，启动电机6带动旋转控制头7转动至少4小时，每 IOmin记录扭矩值与温度传感器9的温度值，对旋转控制头7加压至1. 4MPa,分别在40r/ min,50r/min,60r/min转速下运行1小时，每IOmin记录扭矩值与温度传感器9的温度值， 再增压至2. IMPa,分别在60r/min、90r/min转速下运行1小时，记录扭矩值与温度传感器9 的温度值，检查轴承的运行情况，记录冷却润滑装置1的温度值。
通过步骤4)对旋转控制头7的磨合试验，在不同液压，不同速度，不同时间的条件 下对旋转控制头7进行测试，记录各种数据，真实反映旋转控制头7内轴承的运行情况，检 验旋转控制头的装配工艺，保证旋转控制头7的安全运行。 5)检验冷却润滑装置1，开启冷却润滑装置1，加压且稳压旋转控制头7在额定动 密封压力值，并在90r/min的转速下运行lOmin，每Imin记录扭矩值、冷却润滑装置1的温 度值和温度传感器9的温度值，关闭冷却润滑装置1，每Imin记录一次数据，扭矩值、冷却润 滑装置1的温度值和温度传感器9的温度值稳定后，继续记录数据lOmin。通过步骤5)对冷却润滑装置1的检验，分别在关闭和开启冷却润滑装置1的情况 下，对旋转控制头7进行测试，通过数据进行对比分析，了解冷却润滑装置1对旋转控制头 7的影响。6)检验动密封的可靠性，启动冷却润滑装置，加压并稳压旋转控制头7在额定动 密封压力值，在转速为60r/min开始到额定转速之前，每间隔30r/min的转速运行，每种转 速下至少运行24小时；当达到额定转速时，需再持续运行至少24小时，正常情况则每1小 时记录一次数据，出现异常则立刻记录异常数据，停机检查；通过步骤6)对动密封的可靠性的检测，得到了在运行过程中旋转控制头7的各种 性能数据，从而可以通过分析数据对运行过程中的密封性进行评价和密封件的寿命判断， 提高欠平衡钻井施工过程中的安全性，保证钻井施工的连续性。7)检验偏心情况下的动密封的可靠性，调整六方钻杆4与旋转控制头7之间的偏 心距至10mm，重复进行步骤6)的操作；通过步骤7)对偏心情况下的动密封的可靠性的检测，模拟了在欠平衡钻井施工 过程中钻杆与旋转控制头7中心最大偏移的情况，在这种情况下对旋转控制头7的工作性 能进行测试，更加贴近旋转控制头7的实际使用工况，保证了欠平衡钻井施工过程中的安 全性。8)检测无冷却润滑状态下的性能，关闭冷却润滑装置1，重复进行步6)和7)的操 作，记录冷却润滑装置1的温度值、扭矩传感器的扭矩值和温度传感器9的温度值；通过步骤8)关闭冷却润滑装置1，能够检测到钻杆与旋转控制头7中心最大偏移 的情况的各种工作性能的数据，轻易地了解到冷却润滑装置1在中心偏移情况下对旋转控 制头7的影响与作用，能够了解到欠平衡钻井施工过程中钻杆与旋转控制头7中心偏移情 况下，无冷却润滑装置的工作性能。9)胶芯拆装试验，重复进行拆除和装配胶芯，每拆除和装配胶芯20次对旋转控制 头7增压至额定工作压力值，稳压5min，观察压降情况并记录压力值；通过步骤9)胶芯拆装的试验，模拟了实际操作中多次维修以及多次拆卸的情况 下，旋转控制头7的密封效果，了解到了多次拆卸情况下，旋转控制头7的工作性能，从而保 证了欠平衡钻井施工过程中的安全性。10)分解旋转控制头，对各个零部件的磨损和变形量进行检验，记录数据；检查各零部件的磨损和变形量的多少，从而客观地评价旋转控制头7在各种试验 过后的情况，可以对旋转控制头7的各零部件进行有效地数据分析。11)对记录的数据进行整理并分析。根据本发明的试验方法统计的各种数据，进行对比分析，各种工作情况下，各种条
8件，各种因素对旋转控制头7的影响进行分析，更有利于了解旋转控制头7在实际的操作中 存在的问题，更有利于对旋转控制头7进行改进。本发明涉及的试验装置与试验方法，能够对旋转控制头进行系统化、标准化的测 试，能对旋转控制头头进行综合的测评，缩短旋转控制头新产品开发的周期，从而提高旋转 控制头的出厂标准，降低产品开发成本，适合在旋转控制头的生产、测试领域推广。本发明并不局限于前述的具体实施方式
。本发明可以扩展到任何在本说明书中披 露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
权利要求
一种测试旋转控制头工作性能的试验装置，包括试验台架(2)、设置于试验台架(2)顶部的电机(6)、与电机(6)连接的减速器(3)、连接于减速器(3)上的六方钻杆(4)、与六方钻杆(4)连接的旋转控制头(7)，其特征在于所述电机(6)与减速器(3)之间连接有扭矩传感器(5)，所述旋转控制头(7)通过设置于基座(8)上且可相对于基座(8)移动的法兰与手动试压泵(12)连接，所述旋转控制头(7)上连接有冷却润滑装置(1)与温度传感器(9)，所述温度传感器(9)和扭矩传感器(5)均与数据采集器(11)连接，所述数据采集器(11)与数据显示装置(10)连接。
2.如权利要求1所述的测试旋转控制头的试验装置，其特征在于所述温度传感器(9) 为钼热电阻温度感应器。
3.一种采用权利要求1所述的测试旋转控制头工作性能的试验装置测试旋转控制头 工作性能的试验方法，其特征在于它通过以下步骤来实现1)组装测试旋转控制头(7)的各试验装置部件，记录初始数据；2)壳体静压试验，将旋转控制头(7)固定安装于底座(8)上，安装试压塞，控制手动试 压泵(12)向旋转控制头(7)加压至静水压强度试验值，稳压IOmin后，观察压降情况并记 录压力值，泄压后取出试压塞；3)额定静压试验，安装旋转总成，将六方钻杆(4)穿过旋转控制头(7)内的胶芯与旋转 控制头(7)连接，对旋转控制头(7)加压至额定工作压力值，稳压15min后观察压降情况并 记录压力值，泄压后再次加压至额定工作压力值，稳压20min后观察压降情况并记录压力 值；4)旋转控制头(7)磨合试验，启动电机(6)带动旋转控制头(7)转动至少4小时，每 IOmin记录扭矩值与温度传感器(9)的温度值，对旋转控制头(7)加压至1. 4MPa，分别在 40r/min、50r/min、60r/min转速下运行1小时，每IOmin记录扭矩值与温度传感器(9)的温 度值，再增压至2. IMPa，分别在60r/min、90r/min转速下运行1小时，记录扭矩值与温度传 感器(9)的温度值，检查轴承的运行情况，记录冷却润滑装置(1)的温度值；5)检验冷却润滑装置(1)，开启冷却润滑装置(1)，加压且稳压旋转控制头(7)在额定 动密封压力值，并在90r/min的转速下运行lOmin，每Imin记录扭矩值、冷却润滑装置(1) 的温度值和温度传感器(9)的温度值，关闭冷却润滑装置(1)，每Imin记录一次数据，扭矩 值、冷却润滑装置(1)的温度值和温度传感器(9)的温度值稳定后，继续记录数据IOmin ；6)检验动密封的可靠性，启动冷却润滑装置，加压并稳压旋转控制头(7)在额定动密 封压力值，在转速为60r/min开始到额定转速之前，每间隔30r/min的转速下，各运行至少 24小时；当达到额定转速时，需再持续运行至少24小时，正常情况则每1小时记录一次数 据，出现异常则立刻记录异常数据，停机检查；7)检验偏心情况下动密封的可靠性，调整六方钻杆⑷与旋转控制头(7)之间的偏心 距至10mm，重复进行步骤6)的操作；8)检测无冷却润滑状态下的性能，关闭冷却润滑装置，重复进行步骤6)和7)的操作， 记录扭矩值、冷却润滑装置(1)的温度值和温度传感器(9)的温度值；9)胶芯拆装试验，重复进行拆除和装配胶芯，每拆除和装配胶芯20次对旋转控制头 (7)增压至额定工作压力值，稳压5min，观察压降情况并记录压力值；10)分解旋转控制头，对各个零部件的磨损和变形量进行检验，记录数据；11)对记录的数据进行整理并分析。
全文摘要
本发明公开了一种测试旋转控制头工作性能的试验装置，还公开了采用该试验装置的试验方法，属于井用设备的测试技术领域。本发明的试验装置包括旋转控制头，还设置有扭矩传感器，旋转控制头上连接有手动试压泵，旋转控制头上连接有冷却润滑装置与温度传感器，温度传感器和扭矩传感器均与数据采集器连接后，与数据显示装置连接。本发明的试验方法如下1)组装；2)壳体静压试验；3)额定静压试验；4)磨合试验；5)检验冷却润滑系统；6)检验动密封可靠性；7)检验偏心情况下的动密封的可靠性；8)检测无冷却润滑状态下的性能；9)胶芯拆装试验；10)分解旋转控制头；11)数据处理。本发明适合在旋转控制头的生产、测试领域推广。
文档编号G01M99/00GK101915676SQ201010240650
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者刘清友, 夏焱, 王国荣, 申瑞臣, 袁光杰, 魏晓东 申请人:西南石油大学