一種扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置及實驗方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的是一種扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置及實驗方法，其中扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置的主機架通過兩立柱設(shè)置在橫梁與底座之間構(gòu)成，升降臺設(shè)置在兩立柱間，升降臺與立柱滑動連接，十字滑臺設(shè)置在升降臺上，十字滑臺上安裝四爪卡盤，巖樣固定在四爪卡盤上，位移傳感器設(shè)置在升降臺與橫梁之間，液壓油缸活塞桿上端連接載荷傳感器并頂在十字滑臺底部，液壓油缸連接液壓泵；主電機通過同步帶分別連接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀和鉆桿，側(cè)電機通過三角帶連接設(shè)置在鉆桿上的超越離合器；位移傳感器、載荷傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀分別連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接計算機，計算機內(nèi)安裝有控制系統(tǒng)。本發(fā)明可研究扭轉(zhuǎn)沖擊條件下的巖石破碎效果，分析實際鉆進(jìn)過程中的粘滑效應(yīng)，及扭轉(zhuǎn)沖擊載荷下的巖石破碎力學(xué)特性及破碎規(guī)律。
【專利說明】 一種扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置及實驗方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及主要應(yīng)用在巖石力學(xué)工程、石油工程及采礦工程等領(lǐng)域用微鉆頭對巖石進(jìn)行扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)破碎并測定相關(guān)參數(shù)的實驗裝置，具體涉及一種扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置及實驗方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在石油行業(yè)中，PDC鉆頭是超深井硬地層主要的破巖工具。但在鉆進(jìn)過程中，會產(chǎn)生粘滑振動，即當(dāng)鉆柱提供給鉆頭的扭矩小于工作面上巖石的剪切極限時，鉆頭停止隨鉆柱轉(zhuǎn)動，處于粘滯狀態(tài)；鉆柱中積蓄的扭矩大于鉆頭下巖石剪切極限時，鉆柱中扭轉(zhuǎn)彈性能將瞬間釋放，使鉆頭繞軸向做不規(guī)則的變速運動，此時鉆頭處于滑脫狀態(tài)。這種粘滑振動增大鉆頭磨損，加速鉆頭失效，加快下部鉆具疲勞失效，降低鉆進(jìn)效率。
[0003]在本發(fā)明做出之前，種種破巖試驗主要是圍繞在單一壓入或沖擊載荷下的巖石破裂特征及其相應(yīng)的最優(yōu)加載參數(shù)上展開的。但是靜壓切削不能完全模擬地層下的實際鉆進(jìn)過程，沒有考慮到鉆進(jìn)過程中的扭轉(zhuǎn)沖擊載荷，無法清楚認(rèn)識粘滑效應(yīng)。這不僅造成實驗滯后，也極大地限制了現(xiàn)場工程進(jìn)度和提高施工成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置及實驗方法，這種扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置用于解決目前鉆頭試驗設(shè)備不能清楚認(rèn)識粘滑效應(yīng)的問題。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:這種扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置包括主機架、主電機、側(cè)電機、鉆桿、液壓油缸、十字滑臺、四爪卡盤、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機、控制柜，主機架通過兩立柱設(shè)置在橫梁與底座之間構(gòu)成，升降臺設(shè)置在兩立柱間，升降臺的兩端設(shè)置有滑套，滑套分別套在相應(yīng)的立柱上，升降臺與立柱滑動連接，十字滑臺設(shè)置在升降臺上，十字滑臺上安裝四爪卡盤，巖樣固定在四爪卡盤上，位移傳感器設(shè)置在升降臺與橫梁之間，液壓油缸固定在底座上，液壓油缸活塞桿上端連接載荷傳感器并頂在十字滑臺底部，液壓油缸連接液壓泵；主電機通過同步帶分別連接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀和鉆桿，鉆桿連接鉆頭，鉆頭與巖樣相對應(yīng)設(shè)置，側(cè)電機通過三角帶連接設(shè)置在鉆桿上的超越離合器；位移傳感器、載荷傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀分別連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接計算機，計算機內(nèi)安裝有控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過控制柜分別控制液壓泵、主電機、側(cè)電機、十字滑臺電機。
[0006]上述方案中液壓泵設(shè)置在泵站內(nèi)。
[0007]上述方案中鉆桿設(shè)置有扶正套，扶正套裝有水循環(huán)接頭，自來水通過水循環(huán)接頭進(jìn)入鉆桿，水從鉆頭的水眼噴射出來。
[0008]上述方案扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置的實驗方法:
(I)根據(jù)實驗需要準(zhǔn)備合適尺寸的巖樣。
[0009](2)將十字滑臺降低到最低位置，把巖樣固定在十字滑臺上的四爪卡盤上。
[0010](3)開啟液壓泵，通過控制系統(tǒng)或控制柜按鈕控制十字滑臺左右前后移動或上升下降，調(diào)整合適的鉆孔位置。
[0011](4)開啟控制系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)自檢。
[0012](5)通過控制系統(tǒng)界面設(shè)定實驗參數(shù)，設(shè)定鉆壓和輸出電壓。
[0013](6)通過控制系統(tǒng)開始實驗，并采集數(shù)據(jù)。
[0014](7)鉆進(jìn)完成后，控制系統(tǒng)會自動卸壓并降下十字滑臺，將數(shù)據(jù)存盤，實驗結(jié)束。
[0015]本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明模擬了實際鉆井中的扭轉(zhuǎn)沖擊狀況,設(shè)有主電機和側(cè)電機,其中主電機通過同步帶帶動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀、鉆桿、鉆頭旋轉(zhuǎn)；側(cè)電機通過三角帶同步驅(qū)動超越離合器，產(chǎn)生差速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而對鉆桿轉(zhuǎn)速產(chǎn)生沖擊，實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)沖擊式鉆井功能。因此，本發(fā)明可研究扭轉(zhuǎn)沖擊條件下的巖石破碎效果，分析實際鉆進(jìn)過程中的粘滑效應(yīng)，及扭轉(zhuǎn)沖擊載荷下的巖石破碎力學(xué)特性及破碎規(guī)律。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中:1主電機 2側(cè)電機 3油缸4底座 5泵站 6四爪卡盤 7十字滑臺 8控制柜 9轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀10扶正套11橫梁 12鉆桿 13立柱 14位移傳感器 15數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 16載荷傳感器17超越離合器 18三角帶19巖樣20計算機。

【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0019]如圖1所示，這種扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置包括主機架、主電機1、側(cè)電機2、鉆桿12、扶正套10、液壓油缸3、十字滑臺7、四爪卡盤6、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15、計算機20、控制柜8，主機架通過兩立柱13設(shè)置在橫梁11與底座4之間構(gòu)成，升降臺設(shè)置在兩立柱13間，升降臺的兩端設(shè)置有滑套，滑套分別套在相應(yīng)的立柱13上，升降臺與立柱13滑動連接，十字滑臺7設(shè)置在升降臺上，十字滑臺7上安裝四爪卡盤6，巖樣19固定在四爪卡盤6上，十字滑臺7連接電機，位移傳感器14設(shè)置在升降臺與橫梁11之間，油缸3固定在底座4上，油缸活塞桿上端連接載荷傳感器16并頂在十字滑臺7底部，油缸3連接液壓泵；十字滑臺7通過電機驅(qū)動，可實現(xiàn)前后左右四個方向上的位置調(diào)整。主電機I通過同步帶分別連接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀9和鉆桿12，鉆桿12連接鉆頭，鉆頭與巖樣19相對應(yīng)設(shè)置，鉆桿12還設(shè)置有扶正套10，扶正套10裝有水循環(huán)接頭，自來水通過水循環(huán)接頭進(jìn)入鉆桿12。
[0020]側(cè)電機2通過三角帶18連接設(shè)置在鉆桿12上的超越離合器17。主電機I通過橫梁11固定，主電機I通過同步帶帶動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀9和鉆桿12、鉆頭旋轉(zhuǎn)；側(cè)電機2通過立柱13固定，側(cè)電機2通過三角帶18驅(qū)動超越離合器17對鉆桿12轉(zhuǎn)速產(chǎn)生沖擊。
[0021]位移傳感器14、載荷傳感器16、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀9分別連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15連接計算機20，計算機20內(nèi)安裝有控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過控制柜8分別控制液壓泵、主電機1、側(cè)電機2、十字滑臺電機。液壓泵設(shè)置在泵站5內(nèi)，泵站5為油缸3提供液壓油，驅(qū)動油缸3上升下降。
[0022]計算機20通控制柜8與主電機1、側(cè)電機2、十字滑臺電機分別連接并控制相應(yīng)電機的運轉(zhuǎn)參數(shù)，采集的所有數(shù)據(jù)存儲于計算機20?？刂乒?內(nèi)設(shè)有控制器。
[0023]本發(fā)明可以采用人工給定參數(shù)控制，也可以計算機自動控制。
[0024]這種扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置在實驗過程中，四爪卡盤6可以夾持不規(guī)則形狀的實驗巖樣，根據(jù)實驗?zāi)康目梢愿鼡Q實驗巖樣，安裝巖樣完畢后，通過油缸3可以調(diào)整實驗巖樣與模擬鉆頭的距離；啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15，設(shè)定好合適的鉆壓和轉(zhuǎn)速；實驗過程中通過泵站5和油缸3的加載機構(gòu)實現(xiàn)對模擬鉆頭的軸向加載功能，扶正套10下側(cè)部安裝有自來水管線，在鉆削過程中起到冷卻鉆頭、攜帶巖屑的作用；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15通過多個傳感器實時錄取軸向載荷、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、時間、鉆進(jìn)深度等參數(shù)，在計算機20中生成相關(guān)參數(shù)的關(guān)系曲線。
[0025]上述方案扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置的實驗方法:
(I)根據(jù)實驗需要準(zhǔn)備合適尺寸的巖樣。
[0026](2)將十字滑臺7降低到最低位置，把巖樣19固定在十字滑臺7上的四爪卡盤6上。
[0027](3)開啟液壓泵，通過控制系統(tǒng)或控制柜8按鈕控制十字滑臺7左右前后移動或上升下降，調(diào)整合適的鉆孔位置。
[0028](4)開啟控制系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)自檢。
[0029](5)通過控制系統(tǒng)界面設(shè)定實驗參數(shù)，設(shè)定鉆壓和輸出電壓。
[0030](6)通過控制系統(tǒng)開始實驗，并采集數(shù)據(jù)。
[0031](7)鉆進(jìn)完成后，控制系統(tǒng)會自動卸壓并降下十字滑臺，將數(shù)據(jù)存盤，實驗結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1.一種扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置，其特征在于:這種扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置包括主機架、主電機(I)、側(cè)電機(2)、鉆桿(12)、液壓油缸(3)、十字滑臺(7)、四爪卡盤(6)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15 )、計算機(20 )、控制柜(8 )，主機架通過兩立柱(13 )設(shè)置在橫梁(11)與底座(4 )之間構(gòu)成，升降臺設(shè)置在兩立柱(13)間，升降臺的兩端設(shè)置有滑套，滑套分別套在相應(yīng)的立柱(13)上，升降臺與立柱(13)滑動連接，十字滑臺(7)設(shè)置在升降臺上，十字滑臺(7)上安裝四爪卡盤(6)，巖樣(19)固定在四爪卡盤(6)上，位移傳感器(14)設(shè)置在升降臺與橫梁(11)之間，液壓油缸(3)固定在底座(4)上，液壓油缸活塞桿上端連接載荷傳感器(16)并頂在十字滑臺(7)底部，液壓油缸(3)連接液壓泵；主電機(I)通過同步帶分別連接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀(9)和鉆桿(12)，鉆桿(12)連接鉆頭，鉆頭與巖樣(19)相對應(yīng)設(shè)置，側(cè)電機(2)通過三角帶(18)連接設(shè)置在鉆桿(12)上的超越離合器(17);位移傳感器(14)、載荷傳感器(16)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀(9)分別連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)連接計算機(20)，計算機(20)內(nèi)安裝有控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過控制柜(8)分別控制液壓泵、主電機(I)、側(cè)電機(2)、十字滑臺電機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置，其特征在于:所述的液壓泵設(shè)置在泵站(5)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置，其特征在于:所述的鉆桿(12)設(shè)置有扶正套(10)，扶正套(10)裝有水循環(huán)接頭，自來水通過水循環(huán)接頭進(jìn)入鉆桿(12)，水從鉆頭的水眼噴射出來。
4.一種權(quán)利要求3所述的扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置的實驗方法，其特征在于:扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗裝置的實驗方法: 一、根據(jù)實驗需要準(zhǔn)備合適尺寸的巖樣(19)； 二、將十字滑臺(7)降低到最低位置，把巖樣(19)固定在十字滑臺(7)上的四爪卡盤(6)上； 三、開啟液壓泵，通過控制系統(tǒng)或控制柜(8)按鈕控制十字滑臺(7)左右前后移動或上升下降，調(diào)整合適的鉆孔位置； 四、開啟控制系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)自檢； 五、通過控制系統(tǒng)界面設(shè)定實驗參數(shù)，設(shè)定鉆壓和輸出電壓； 六、通過控制系統(tǒng)開始實驗，并采集數(shù)據(jù)； 七、鉆進(jìn)完成后，控制系統(tǒng)會自動卸壓并降下十字滑臺，將數(shù)據(jù)存盤，實驗結(jié)束。
【文檔編號】G01N3/40GK104198311SQ201410496768
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】李瑋, 李卓倫, 李思琪, 李井輝, 楊斌, 李亞楠 申請人:東北石油大學(xué)