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一种扭转冲击破岩实验装置及实验方法
本发明涉及的是一种扭转冲击破岩实验装置及实验方法,其中扭转冲击破岩实验装置的主机架通过两立柱设置在横梁与底座之间构成,升降台设置在两立柱间,升降台与立柱滑动连接,十字滑台设置在升降台上,十字滑台上安装四爪卡盘,岩样固定在四爪卡盘上,位移传感器设置在升降台与横梁之间,液压油缸活塞杆上端连接载荷传感器并顶在十字滑台底部,液压油缸连接液压泵;主电机通过同步带分别连接转矩转速仪和钻杆,侧电机通过三角带连接设置在钻杆上的超越离合器;位移传感器、载荷传感器、转矩转速仪分别连接数据采集系统,数据采集系统连接计算机,计算机内安装有控制系统。本发明可研究扭转冲击条件下的岩石破碎效果,分析实际钻进过程中的粘滑效应,及扭转冲击载荷下的岩石破碎力学特性及破碎规律。
【专利说明】一种扭转冲击破岩实验装置及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及主要应用在岩石力学工程、石油工程及采矿工程等领域用微钻头对岩石进行扭转冲击钻进破碎并测定相关参数的实验装置,具体涉及一种扭转冲击破岩实验装置及实验方法。
【背景技术】
[0002]在石油行业中,PDC钻头是超深井硬地层主要的破岩工具。但在钻进过程中,会产生粘滑振动,即当钻柱提供给钻头的扭矩小于工作面上岩石的剪切极限时,钻头停止随钻柱转动,处于粘滞状态;钻柱中积蓄的扭矩大于钻头下岩石剪切极限时,钻柱中扭转弹性能将瞬间释放,使钻头绕轴向做不规则的变速运动,此时钻头处于滑脱状态。这种粘滑振动增大钻头磨损,加速钻头失效,加快下部钻具疲劳失效,降低钻进效率。
[0003]在本发明做出之前,种种破岩试验主要是围绕在单一压入或冲击载荷下的岩石破裂特征及其相应的最优加载参数上展开的。但是静压切削不能完全模拟地层下的实际钻进过程,没有考虑到钻进过程中的扭转冲击载荷,无法清楚认识粘滑效应。这不仅造成实验滞后,也极大地限制了现场工程进度和提高施工成本。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种扭转冲击破岩实验装置及实验方法,这种扭转冲击破岩实验装置用于解决目前钻头试验设备不能清楚认识粘滑效应的问题。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:这种扭转冲击破岩实验装置包括主机架、主电机、侧电机、钻杆、液压油缸、十字滑台、四爪卡盘、数据采集系统、计算机、控制柜,主机架通过两立柱设置在横梁与底座之间构成,升降台设置在两立柱间,升降台的两端设置有滑套,滑套分别套在相应的立柱上,升降台与立柱滑动连接,十字滑台设置在升降台上,十字滑台上安装四爪卡盘,岩样固定在四爪卡盘上,位移传感器设置在升降台与横梁之间,液压油缸固定在底座上,液压油缸活塞杆上端连接载荷传感器并顶在十字滑台底部,液压油缸连接液压泵;主电机通过同步带分别连接转矩转速仪和钻杆,钻杆连接钻头,钻头与岩样相对应设置,侧电机通过三角带连接设置在钻杆上的超越离合器;位移传感器、载荷传感器、转矩转速仪分别连接数据采集系统,数据采集系统连接计算机,计算机内安装有控制系统,控制系统通过控制柜分别控制液压泵、主电机、侧电机、十字滑台电机。
[0006]上述方案中液压泵设置在泵站内。
[0007]上述方案中钻杆设置有扶正套,扶正套装有水循环接头,自来水通过水循环接头进入钻杆,水从钻头的水眼喷射出来。
[0008]上述方案扭转冲击破岩实验装置的实验方法:
(I)根据实验需要准备合适尺寸的岩样。
[0009](2)将十字滑台降低到最低位置,把岩样固定在十字滑台上的四爪卡盘上。
[0010](3)开启液压泵,通过控制系统或控制柜按钮控制十字滑台左右前后移动或上升下降,调整合适的钻孔位置。
[0011](4)开启控制系统,进行系统自检。
[0012](5)通过控制系统界面设定实验参数,设定钻压和输出电压。
[0013](6)通过控制系统开始实验,并采集数据。
[0014](7)钻进完成后,控制系统会自动卸压并降下十字滑台,将数据存盘,实验结束。
[0015]本发明具有以下有益效果:
本发明模拟了实际钻井中的扭转冲击状况,设有主电机和侧电机,其中主电机通过同步带带动转矩转速仪、钻杆、钻头旋转;侧电机通过三角带同步驱动超越离合器,产生差速旋转,进而对钻杆转速产生冲击,实现扭转冲击式钻井功能。因此,本发明可研究扭转冲击条件下的岩石破碎效果,分析实际钻进过程中的粘滑效应,及扭转冲击载荷下的岩石破碎力学特性及破碎规律。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的结构示意图。
[0017]图中:1主电机2侧电机3油缸4底座5泵站6四爪卡盘7十字滑台8控制柜9转矩转速仪10扶正套11横梁12钻杆13立柱14位移传感器15数据采集系统16载荷传感器17超越离合器18三角带19岩样20计算机。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0019]如图1所示,这种扭转冲击破岩实验装置包括主机架、主电机1、侧电机2、钻杆12、扶正套10、液压油缸3、十字滑台7、四爪卡盘6、数据采集系统15、计算机20、控制柜8,主机架通过两立柱13设置在横梁11与底座4之间构成,升降台设置在两立柱13间,升降台的两端设置有滑套,滑套分别套在相应的立柱13上,升降台与立柱13滑动连接,十字滑台7设置在升降台上,十字滑台7上安装四爪卡盘6,岩样19固定在四爪卡盘6上,十字滑台7连接电机,位移传感器14设置在升降台与横梁11之间,油缸3固定在底座4上,油缸活塞杆上端连接载荷传感器16并顶在十字滑台7底部,油缸3连接液压泵;十字滑台7通过电机驱动,可实现前后左右四个方向上的位置调整。主电机I通过同步带分别连接转矩转速仪9和钻杆12,钻杆12连接钻头,钻头与岩样19相对应设置,钻杆12还设置有扶正套10,扶正套10装有水循环接头,自来水通过水循环接头进入钻杆12。
[0020]侧电机2通过三角带18连接设置在钻杆12上的超越离合器17。主电机I通过横梁11固定,主电机I通过同步带带动转矩转速仪9和钻杆12、钻头旋转;侧电机2通过立柱13固定,侧电机2通过三角带18驱动超越离合器17对钻杆12转速产生冲击。
[0021]位移传感器14、载荷传感器16、转矩转速仪9分别连接数据采集系统15,数据采集系统15连接计算机20,计算机20内安装有控制系统,控制系统通过控制柜8分别控制液压泵、主电机1、侧电机2、十字滑台电机。液压泵设置在泵站5内,泵站5为油缸3提供液压油,驱动油缸3上升下降。
[0022]计算机20通控制柜8与主电机1、侧电机2、十字滑台电机分别连接并控制相应电机的运转参数,采集的所有数据存储于计算机20。控制柜8内设有控制器。
[0023]本发明可以采用人工给定参数控制,也可以计算机自动控制。
[0024]这种扭转冲击破岩实验装置在实验过程中,四爪卡盘6可以夹持不规则形状的实验岩样,根据实验目的可以更换实验岩样,安装岩样完毕后,通过油缸3可以调整实验岩样与模拟钻头的距离;启动数据采集系统15,设定好合适的钻压和转速;实验过程中通过泵站5和油缸3的加载机构实现对模拟钻头的轴向加载功能,扶正套10下侧部安装有自来水管线,在钻削过程中起到冷却钻头、携带岩屑的作用;数据采集系统15通过多个传感器实时录取轴向载荷、转矩、转速、时间、钻进深度等参数,在计算机20中生成相关参数的关系曲线。
[0025]上述方案扭转冲击破岩实验装置的实验方法:
(I)根据实验需要准备合适尺寸的岩样。
[0026](2)将十字滑台7降低到最低位置,把岩样19固定在十字滑台7上的四爪卡盘6上。
[0027](3)开启液压泵,通过控制系统或控制柜8按钮控制十字滑台7左右前后移动或上升下降,调整合适的钻孔位置。
[0028](4)开启控制系统,进行系统自检。
[0029](5)通过控制系统界面设定实验参数,设定钻压和输出电压。
[0030](6)通过控制系统开始实验,并采集数据。
[0031](7)钻进完成后,控制系统会自动卸压并降下十字滑台,将数据存盘,实验结束。
【权利要求】
,其特征在于:这种扭转冲击破岩实验装置包括主机架、主电机(I)、侧电机(2)、钻杆(12)、液压油缸(3)、十字滑台(7)、四爪卡盘(6)、数据采集系统(15)、计算机(20)、控制柜(8),主机架通过两立柱(13)设置在横梁(11)与底座(4)之间构成,升降台设置在两立柱(13)间,升降台的两端设置有滑套,滑套分别套在相应的立柱(13)上,升降台与立柱(13)滑动连接,十字滑台(7)设置在升降台上,十字滑台(7)上安装四爪卡盘(6),岩样(19)固定在四爪卡盘(6)上,位移传感器(14)设置在升降台与横梁(11)之间,液压油缸(3)固定在底座(4)上,液压油缸活塞杆上端连接载荷传感器(16)并顶在十字滑台(7)底部,液压油缸(3)连接液压泵;主电机(I)通过同步带分别连接转矩转速仪(9)和钻杆(12),钻杆(12)连接钻头,钻头与岩样(19)相对应设置,侧电机(2)通过三角带(18)连接设置在钻杆(12)上的超越离合器(17);位移传感器(14)、载荷传感器(16)、转矩转速仪(9)分别连接数据采集系统(15),数据采集系统(15)连接计算机(20),计算机(20)内安装有控制系统,控制系统通过控制柜(8)分别控制液压泵、主电机(I)、侧电机(2)、十字滑台电机。
,其特征在于:所述的液压泵设置在泵站(5)内。
,其特征在于:所述的钻杆(12)设置有扶正套(10),扶正套(10)装有水循环接头,自来水通过水循环接头进入钻杆(12),水从钻头的水眼喷射出来。
,其特征在于:扭转冲击破岩实验装置的实验方法:一、根据实验需要准备合适尺寸的岩样(19);二、将十字滑台(7)降低到最低位置,把岩样(19)固定在十字滑台(7)上的四爪卡盘(6)上;三、开启液压泵,通过控制系统或控制柜(8)按钮控制十字滑台(7)左右前后移动或上升下降,调整合适的钻孔位置;四、开启控制系统,进行系统自检;五、通过控制系统界面设定实验参数,设定钻压和输出电压;六、通过控制系统开始实验,并采集数据;七、钻进完成后,控制系统会自动卸压并降下十字滑台,将数据存盘,实验结束。