[发明专利]一种扭转冲击破岩实验装置及实验方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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。 

上述方案中液压泵设置在泵站内。

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。

上述方案扭转冲击破岩实验装置的实验方法：

（1）根据实验需要准备合适尺寸的岩样。

（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。

（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。

（4）开启控制系统，进行系统自检。

（5）通过控制系统界面设定实验参数，设定钻压和输出电压。

（6）通过控制系统开始实验，并采集数据。

（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。

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。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

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

下面结合附图对本发明作进一步的说明。