鉆進(jìn)巖石模擬的試驗(yàn)裝置及確定試驗(yàn)桿壓力和扭矩的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鉆進(jìn)巖石模擬的試驗(yàn)裝置及確定試驗(yàn)桿壓力和扭矩的方法，屬于鉆進(jìn)巖石研究試驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】。該裝置主要包括試件艙、試驗(yàn)桿、發(fā)射桿、發(fā)射套管、空氣壓縮系統(tǒng)和試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成，其中試件艙內(nèi)設(shè)置巖石試件。確定試驗(yàn)桿壓力和扭矩的方法包括：氣罐壓力驅(qū)動(dòng)發(fā)射桿發(fā)射，碰撞試驗(yàn)桿，試驗(yàn)桿鉆頭尖端與旋轉(zhuǎn)的巖石試件圓平面碰撞，采集試驗(yàn)桿的二次沖擊加載波εi2、壓縮波εr2和扭轉(zhuǎn)波γ，通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)加以分析計(jì)算可得到試驗(yàn)桿的壓力和扭矩。該模擬試驗(yàn)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模擬真實(shí)性高、試驗(yàn)過(guò)程重復(fù)性好的特點(diǎn)，對(duì)巖石鉆進(jìn)工程和科研具有試驗(yàn)參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。
【專(zhuān)利說(shuō)明】鉆進(jìn)巖石模擬的試驗(yàn)裝置及確定試驗(yàn)桿壓力和扭矩的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鉆進(jìn)巖石模擬的試驗(yàn)裝置及確定試驗(yàn)桿壓力和扭矩的方法，屬于鉆進(jìn)巖石研究試驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆進(jìn)巖石是工程中經(jīng)常遇到的情況，如地質(zhì)鉆探、水井、地?zé)峋?、瓦斯排放井、含巖石的地下工程、樁基的旋挖鉆孔等工程的施工等，據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界巖心鉆探、石油天然氣鉆井和水文鉆井的年工作量超過(guò)億米，而礦山爆破鉆孔的年工作量高達(dá)數(shù)億米。巖石的鉆井不僅是理論研究的課題，而且也是生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用研究的重要課題，實(shí)際工程應(yīng)用中通常用巖石可鉆性作為評(píng)判鉆進(jìn)時(shí)巖石抵抗機(jī)械破碎能力的量化指標(biāo)，是目前工程鉆探中選擇鉆進(jìn)方法、鉆頭結(jié)構(gòu)類(lèi)型、鉆進(jìn)工藝參數(shù)，衡量鉆進(jìn)速度和實(shí)行定額管理的主要依據(jù)。但是該分類(lèi)較為粗略，巖石可鉆性不僅取決于巖石的特性，而且還取決于采用的鉆進(jìn)技術(shù)工藝條件，巖石的硬度、彈塑性和研磨性等直接影響巖石的力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)包括鉆進(jìn)切削研磨材料、鉆頭類(lèi)型、鉆探設(shè)備、鉆探?jīng)_洗介質(zhì)、鉆進(jìn)工藝的完善程度，以及鉆孔的深度、直徑、傾斜度等的鉆進(jìn)技術(shù)工藝條件也會(huì)對(duì)鉆進(jìn)性能產(chǎn)生影響。
[0003]目前對(duì)巖石鉆進(jìn)過(guò)程的研究主要為理論研究，針對(duì)鉆頭形式和巖石的物理性質(zhì)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得到理論上的解答，但是由于鉆進(jìn)巖石問(wèn)題的復(fù)雜性，在建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程中進(jìn)行了相當(dāng)大的簡(jiǎn)化，例如鉆頭的剛度、巖石的破裂等方面，而且為了建立模型，提出了種種假說(shuō)，例如承力區(qū)假說(shuō)等，和鉆進(jìn)過(guò)程的真實(shí)情況不符，造成理論和實(shí)際的差距，而且由于試驗(yàn)方法的落后，理論的真實(shí)性也沒(méi)有得到驗(yàn)證。
[0004]正是由于此問(wèn)題的復(fù)雜性與重要性，發(fā)明了鉆進(jìn)巖石模擬的試驗(yàn)裝置及確定試驗(yàn)桿壓力和扭矩的方法，該試驗(yàn)裝置具有能夠模擬巖石鉆進(jìn)過(guò)程，并記錄鉆進(jìn)過(guò)程中的壓力和扭矩，為工程確定鉆進(jìn)方法、鉆頭結(jié)構(gòu)類(lèi)型、鉆進(jìn)工藝參數(shù)等提供準(zhǔn)確可信的試驗(yàn)參數(shù)，供工程和科研參考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種鉆進(jìn)巖石模擬的試驗(yàn)裝置及確定試驗(yàn)桿壓力和扭矩的方法，該模擬試驗(yàn)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模擬真實(shí)性高、試驗(yàn)過(guò)程重復(fù)性好的特點(diǎn)，對(duì)巖石鉆進(jìn)工程和科研具有試驗(yàn)參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的，一種鉆進(jìn)巖石模擬的試驗(yàn)裝置，該模擬試驗(yàn)裝置包括水平試驗(yàn)平臺(tái)，其特征在于，在試驗(yàn)平臺(tái)的一端設(shè)置繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)且內(nèi)裝有包括巖石試件的試件艙，對(duì)中試件艙的外周設(shè)置轉(zhuǎn)速測(cè)試儀，在靠近試件艙內(nèi)的巖石試件(該巖石試件模擬實(shí)際工程中的巖石)圓平面外側(cè)，且位于對(duì)中巖石試件圓平面中心軸上設(shè)置一根前端固定有鉆頭的試驗(yàn)桿(該試驗(yàn)桿模擬實(shí)際工程中的鉆桿)，其試驗(yàn)桿的鉆頭尖端與巖石試件的外側(cè)圓平面間距為L(zhǎng)距離δ為微米級(jí)，在試驗(yàn)桿長(zhǎng)度的1/2處左右分別粘貼扭轉(zhuǎn)應(yīng)變花和壓縮應(yīng)變片，扭轉(zhuǎn)應(yīng)變花和壓縮應(yīng)變片連接動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接示波器；在試驗(yàn)桿的另一端，距該試驗(yàn)桿端為5~10cm處，且與試驗(yàn)桿同一水平軸軸線(xiàn)上，設(shè)置一根發(fā)射套管，于該發(fā)射套管內(nèi)配置一根滑動(dòng)配合的發(fā)射桿，該發(fā)射桿朝向試驗(yàn)桿端，伸出長(zhǎng)于發(fā)射套管為3cm露頭，對(duì)中發(fā)射桿露頭的外周設(shè)置線(xiàn)速儀，線(xiàn)速儀后接微秒計(jì)數(shù)器，發(fā)射套管的另一端連接壓力空氣管，并在其上設(shè)置閥門(mén)，壓力空氣管的另一端與氣罐相連，該氣罐與空壓機(jī)相連。
[0007]上述的試件艙包括橫置的杯式艙罩，在艙罩的杯底內(nèi)側(cè)平面上固定彈簧，彈簧另一端設(shè)置支撐板，巖石試件的圓平面貼靠在支撐板上，在艙罩內(nèi)周與巖石試件外周之間的環(huán)隙間設(shè)置環(huán)形的鋼箍，鋼箍?jī)?nèi)設(shè)置巖石試件，在巖石試件的外端面周邊設(shè)置艙蓋，艙蓋與艙罩以螺紋連接，艙罩內(nèi)的巖石試件的直徑為50mm、IOOmm或者150mm,每一種巖石試件厚度均為100mm。
[0008]上述的試驗(yàn)桿為鎳鉻鋼材料，其直徑為40mm，長(zhǎng)度為500mm。
[0009]上述的發(fā)射桿為鎳鉻鋼材料，其直徑為40mm，長(zhǎng)度為500mm。
[0010]上述的發(fā)射套管的外徑為50mm,長(zhǎng)度為500mm。
[0011]上述的試件艙轉(zhuǎn)速為200(T3000r/min。
[0012]上述的氣罐的工作壓力為0.6~1.0MPa。
[0013]采用上述結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)裝置進(jìn)行確定試驗(yàn)桿壓力和扭矩的方法，其特征在于包括以下過(guò)程: 1)啟動(dòng)裝置，調(diào)試儀器，進(jìn)入試驗(yàn)狀態(tài):
啟動(dòng)電機(jī)，使試件艙在某一工作轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)；啟動(dòng)壓縮機(jī)，使氣罐穩(wěn)定在某一工作壓力；調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速儀、應(yīng)變儀、示波器、線(xiàn)速儀和微秒計(jì)數(shù)器處于觸發(fā)狀態(tài)；
2)采集測(cè)試數(shù)據(jù):
(I)測(cè)試在不同工作氣壓下發(fā)射桿的發(fā)射線(xiàn)速度，及確定不同的線(xiàn)速度下所對(duì)應(yīng)的鉆頭尖％5與巖石試件間隙δ值:
調(diào)節(jié)發(fā)射桿端面與試驗(yàn)桿端面之間的距離，使發(fā)射桿發(fā)射時(shí)正好碰觸試驗(yàn)桿，穩(wěn)定氣罐在某一工作氣壓下，打開(kāi)閥門(mén)使發(fā)射桿發(fā)射，通過(guò)線(xiàn)速儀和微秒計(jì)數(shù)器記錄發(fā)射桿的位移和時(shí)間，從而獲得該工作壓力下發(fā)射桿的線(xiàn)速度值；依同樣方法改變氣罐工作壓力，得到不同壓力下發(fā)射桿的發(fā)射速度……V、
[0014]根據(jù)發(fā)射桿和試驗(yàn)桿之間的動(dòng)量守恒關(guān)系，求出試驗(yàn)桿對(duì)應(yīng)不同工作氣壓下的線(xiàn)速度 V1, V2, V3......Vn0
[0015]當(dāng)試驗(yàn)桿連接的鉆頭尖端與巖石試件圓平面之間預(yù)留一定的間隙δ下，發(fā)射桿與試驗(yàn)桿發(fā)生對(duì)稱(chēng)碰撞時(shí)，則在試驗(yàn)桿中產(chǎn)生入射波，該入射波在試驗(yàn)桿中傳播，傳播至鉆頭尖端時(shí)產(chǎn)生反射波，此時(shí)預(yù)留間隙應(yīng)由式I確定:
δ =10 v/c0式 I
式中，q為絕對(duì)光速,單位m/s 'Vj為試驗(yàn)桿的線(xiàn)速度,單位m/s -J0為試驗(yàn)桿的長(zhǎng)度,單位m。
[0016]因此通過(guò)式I能求得試驗(yàn)桿在不同壓力下發(fā)射速度V” V,, V3……Vn所對(duì)應(yīng)的鉆頭尖端和巖石試件圓平面之間的預(yù)留間隙δ” S3……δη。
[0017](2)采集試件艙在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，試驗(yàn)桿以V】、V2, V3……Vjl線(xiàn)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)鉆頭尖端與巖石試件接觸碰撞時(shí)試驗(yàn)桿產(chǎn)生的二次沖擊加載波壓縮波和扭轉(zhuǎn)波r:選當(dāng)發(fā)射桿在某一個(gè)線(xiàn)速度6下和試件艙在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)射桿與試驗(yàn)桿要進(jìn)行碰撞時(shí)，首先調(diào)整發(fā)射桿端與試驗(yàn)桿端之間對(duì)應(yīng)的距離為flOcm，用塞尺調(diào)節(jié)鉆頭尖端和巖石試件圓平面之間對(duì)應(yīng)的預(yù)留間隙5，之后開(kāi)啟閥門(mén)，使發(fā)射桿發(fā)射，碰撞試驗(yàn)桿，繼而鉆頭尖端與巖石試件圓平面碰撞，這時(shí)記錄示波器獲得的對(duì)應(yīng)的二次沖擊加載波f ,.H、壓縮波ε r2_t和扭轉(zhuǎn)波r7，完成一次試驗(yàn)；
依上述同樣做法，能獲得試驗(yàn)桿分別在其他線(xiàn)速度V3……K下和試件艙穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下，得到試驗(yàn)桿的對(duì)應(yīng)的二次沖擊加載波ε i2_2、ε j2_3……壓縮波ε r2_2、ε r2_3……
￡&和扭轉(zhuǎn)波g、y 3......G ;
(3)依步驟(2)做法，在試驗(yàn)桿在某一線(xiàn)速度下運(yùn)動(dòng)時(shí)，改變?cè)嚰摰姆€(wěn)定轉(zhuǎn)速分別為ω2、ω3……下試驗(yàn)，能獲得試件艙轉(zhuǎn)速分別在ω2、ω3……下和試驗(yàn)桿穩(wěn)定的線(xiàn)速度下，試驗(yàn)桿的對(duì)應(yīng)的二次沖擊加載波q=、壓縮波Ge和扭轉(zhuǎn)波r。
[0018]3)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到試驗(yàn)桿的壓力和扭矩:
根據(jù)記錄的二次沖擊加載波壓縮波和扭轉(zhuǎn)波r，可以得到巖石鉆進(jìn)過(guò)程中試驗(yàn)桿的壓力和扭矩，其中:
鉆進(jìn)過(guò)程中試驗(yàn)桿的壓力通過(guò)式2求得:
【權(quán)利要求】
1.一種鉆進(jìn)巖石模擬的試驗(yàn)裝置，該模擬試驗(yàn)裝置包括水平試驗(yàn)平臺(tái)，其特征在于，在試驗(yàn)平臺(tái)的一端設(shè)置繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)且內(nèi)裝有包括巖石試件的試件艙，對(duì)中試件艙的外周設(shè)置轉(zhuǎn)速測(cè)試儀，在靠近試件艙內(nèi)的巖石試件圓平面外側(cè)，且位于對(duì)中巖石試件圓平面中心軸上設(shè)置一根前端固定有鉆頭的試驗(yàn)桿，其試驗(yàn)桿的鉆頭尖端與巖石試件的外側(cè)圓平面間距為5，距離δ為微米級(jí)，在試驗(yàn)桿長(zhǎng)度的1/2處左右分別粘貼扭轉(zhuǎn)應(yīng)變花和壓縮應(yīng)變片，扭轉(zhuǎn)應(yīng)變花和壓縮應(yīng)變片連接動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接示波器；在試驗(yàn)桿的另一端，距該試驗(yàn)桿端為5~10cm處，且與試驗(yàn)桿同一水平軸軸線(xiàn)上，設(shè)置一根發(fā)射套管，于該發(fā)射套管內(nèi)配置一根滑動(dòng)配合的發(fā)射桿，該發(fā)射桿朝向試驗(yàn)桿端，伸出長(zhǎng)于發(fā)射套管為3cm露頭，對(duì)中發(fā)射桿露頭的外周設(shè)置線(xiàn)速儀，線(xiàn)速儀后接微秒計(jì)數(shù)器，發(fā)射套管的另一端連接壓力空氣管，并在其上設(shè)置閥門(mén)，壓力空氣管的另一端與氣罐相連，該氣罐與空壓機(jī)相連。
2.按權(quán)利要求1所述的鉆進(jìn)巖石模擬的試驗(yàn)裝置，其特征在于，試件艙包括橫置的杯式艙罩，在艙罩的杯底內(nèi)側(cè)平面上固定彈簧，彈簧另一端設(shè)置支撐板，巖石試件的圓平面貼靠在支撐板上，在艙罩內(nèi)周與巖石試件外周之間的環(huán)隙間設(shè)置環(huán)形的鋼箍，鋼箍?jī)?nèi)設(shè)置巖石試件，在巖石試件的外端面周邊設(shè)置艙蓋，艙蓋與艙罩以螺紋連接，艙罩內(nèi)的巖石試件的直徑為50mm、IOOmm或者150mm,每一種巖石試件厚度均為100mm。
3.按權(quán)利要求1所述的鉆進(jìn)巖石模擬的試驗(yàn)裝置，其特征在于，試驗(yàn)桿為鎳鉻鋼材料，其直徑為40mm，長(zhǎng)度為500mm ;發(fā)射桿為鎳鉻鋼材料，其直徑為40mm，長(zhǎng)度為500mm ;發(fā)射套管的外徑為50mm，長(zhǎng)度為500mm ;試件艙轉(zhuǎn)速為200(T3000r/min ;氣罐的工作壓力為.0.6~1.0MPa0
4.一種采用權(quán) 利要求1所述的試驗(yàn)裝置進(jìn)行確定試驗(yàn)桿壓力和扭矩的方法，其特征在于包括以下過(guò)程: 1)啟動(dòng)裝置，調(diào)試儀器，進(jìn)入試驗(yàn)狀態(tài): 啟動(dòng)電機(jī)，使試件艙在某一工作轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)；啟動(dòng)壓縮機(jī)，使氣罐穩(wěn)定在某一工作壓力；調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速儀、應(yīng)變儀、示波器、線(xiàn)速儀和微秒計(jì)數(shù)器處于觸發(fā)狀態(tài)； 2)采集測(cè)試數(shù)據(jù): (I)測(cè)試在不同工作氣壓下發(fā)射桿的發(fā)射線(xiàn)速度，及確定不同的線(xiàn)速度下所對(duì)應(yīng)的鉆頭尖％5與巖石試件間隙δ值: 調(diào)節(jié)發(fā)射桿端面與試驗(yàn)桿端面之間的距離，使發(fā)射桿發(fā)射時(shí)正好碰觸試驗(yàn)桿，穩(wěn)定氣罐在某一工作氣壓下，打開(kāi)閥門(mén)使發(fā)射桿發(fā)射，通過(guò)線(xiàn)速儀和微秒計(jì)數(shù)器記錄發(fā)射桿的位移和時(shí)間，從而獲得該工作壓力下發(fā)射桿的線(xiàn)速度值；依同樣方法改變氣罐工作壓力，得到不同壓力下發(fā)射桿的發(fā)射速度……; 根據(jù)發(fā)射桿和試驗(yàn)桿之間的動(dòng)量守恒關(guān)系，求出試驗(yàn)桿對(duì)應(yīng)不同工作氣壓下的線(xiàn)速度.6、6、6......Vn ； 當(dāng)試驗(yàn)桿連接的鉆頭尖端與巖石試件圓平面之間預(yù)留一定的間隙$下，發(fā)射桿與試驗(yàn)桿發(fā)生對(duì)稱(chēng)碰撞時(shí)，則在試驗(yàn)桿中產(chǎn)生入射波，該入射波在試驗(yàn)桿中傳播，傳播至鉆頭尖端時(shí)產(chǎn)生反射波,此時(shí)預(yù)留間隙應(yīng)由式I確定: S=10 v/c0式 I 式中，q為絕對(duì)光速,單位m/s 'Vj為試驗(yàn)桿的線(xiàn)速度,單位m/s -J0為試驗(yàn)桿的長(zhǎng)度,單位m ；因此通過(guò)式I能求得試驗(yàn)桿在不同壓力下發(fā)射速度6、K,……K所對(duì)應(yīng)的鉆頭尖端和巖石試件圓平面之間的預(yù)留間隙δ” S3……δη' (2) 采集試件艙在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，試驗(yàn)桿以K,……t線(xiàn)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)鉆頭尖端與巖石試件圓平面接觸碰撞時(shí)試驗(yàn)桿產(chǎn)生的二次沖擊加載波f&壓縮波f?和扭轉(zhuǎn)波V: 當(dāng)發(fā)射桿在某一個(gè)線(xiàn)速度^下和試件艙在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)射桿與試驗(yàn)桿要進(jìn)行碰撞時(shí)，首先調(diào)整發(fā)射桿端與試驗(yàn)桿端之間對(duì)應(yīng)的距離為5~10cm，用塞尺調(diào)節(jié)鉆頭尖端和巖石試件圓平面之間對(duì)應(yīng)的預(yù)留間隙5，之后開(kāi)啟閥門(mén)，使發(fā)射桿發(fā)射，碰撞試驗(yàn)桿，繼而鉆頭尖端與巖石試件圓平面碰撞，這時(shí)記錄示波器獲得的對(duì)應(yīng)的二次沖擊加載波己評(píng)壓縮波和扭轉(zhuǎn)波r7，完成一次試驗(yàn)； 依上述同樣做法，能獲得試驗(yàn)桿分別在其他線(xiàn)速度K,……K下和試件艙穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下，得到試驗(yàn)桿的對(duì)應(yīng)的二次沖擊加載波ε i2_2、ε j2_3……壓縮波ε r2_2、ε r2_3……￡&和扭轉(zhuǎn)波g、y 3......G ; (3)依步驟(2)做法，在試驗(yàn)桿在某一線(xiàn)速度下運(yùn)動(dòng)時(shí)，改變?cè)嚰摰姆€(wěn)定轉(zhuǎn)速分別為ω2、ω3……下試驗(yàn)，能獲得試件艙轉(zhuǎn)速分別在ω2、ω3……下和試驗(yàn)桿穩(wěn)定的線(xiàn)速度下，試驗(yàn)桿的對(duì)應(yīng)的二次沖擊加載波q=、壓縮波Ge和扭轉(zhuǎn)波r ; 3)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到試驗(yàn)桿的壓力和扭矩: 根據(jù)記錄的二次沖擊加載波壓縮波和扭轉(zhuǎn)波r，可以得到巖石鉆進(jìn)過(guò)程中試驗(yàn)桿的壓力和扭矩，其中: 鉆進(jìn)過(guò)程中試驗(yàn)桿的壓力通過(guò)式2求得: Fx =丑。為(? + fiVs)式 2 式中: E0為試驗(yàn)桿的彈性模量，單位N/mm2 ； A0為試驗(yàn)桿的橫截面積，單位mm2 ； ^ i2為二次沖擊加載波、己r2為壓縮波，由步驟2)測(cè)量得到，為無(wú)量綱參數(shù)； 鉆進(jìn)過(guò)程中試驗(yàn)桿的扭矩通過(guò)式3求得:
【文檔編號(hào)】G01N33/24GK103983754SQ201410221609
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】夏開(kāi)文, 陳榮, 譚卓英, 孫立強(qiáng), 于長(zhǎng)一, 李嘉 申請(qǐng)人:天津大學(xué)