[发明专利]考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法

权利要求书

1.考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法，其特征在于，由一层板(1)、钻压检测装置、二层板(2)、平面推力球轴承(27)、三层板(3)、夹持装置、扭矩检测装置、位移检测装置、数据采集系统、钻柱(14)和钻头(10)组成；所述一层板(1)是通过螺栓槽(37)和螺栓槽(38)用螺栓将其固定在摇臂钻床的工作台上；所述钻压检测装置是在所述一层板(1)和所述二层板(2)之间安装一个或三个悬臂梁压力传感器(29)，用于测量钻压；所述二层板(2)与所述三层板(3)之间通过所述平面推力球轴承(27)连接；所述夹持装置是在所述三层板(3)上通过螺栓安装角钢(4)和角钢(26)，其中角钢(4)的侧壁开圆孔，并在圆孔内焊接一个螺母(6)，螺母(6)内预先放置一个六角螺栓(5)，通过所述六角螺栓(5)旋转推动所述角钢(4)和角钢(26)之间的一个活动板(7)，从而夹紧页岩(9)；所述扭矩检测装置是在一层板(1)上通过螺栓连接角钢(32)，垫片(33)通过螺栓与所述角钢(32)连接，在所述垫片(33)上安装有一个悬臂梁压力传感器(30)，垫片(34)通过螺栓连接在所述悬臂梁压力传感器(30)上，角钢(8)通过螺栓连接在三层板(3)上；位移检测装置由角钢(25)通过螺栓槽(36)用螺栓将其连接在摇臂钻床的工作台上，条形钢板(19)使用螺栓连接在角钢(25)上，在条形钢板(19)上螺栓连接角钢(18)，在角钢(18)上焊接连接板(17)，在连接板(17)上安装位移传感器(15)，位移传感器(15)的拉杆(16)螺栓连接塑料圆环(11)，塑料圆环(11)的内环面通过高强度胶水与滚动轴承(12)的外圈环面粘接，滚动轴承(12)的内圈环面通过高强度胶水与“T”形钢管(13)的外表面粘接，“T”形钢管(13)的内表面与钻柱(14)的外表面通过螺钉(33)固定在一起。 

2.根据权利要求1所述的钻压检测装置，其特征在于：所述悬臂梁压力传 感器(29)的一端固定在所述一层板(1)上，另一端固定在所述二层板(2)的中心处。 

3.根据权利要求1所述的二层板和所述的三层板，其特征在于：所述二层板(2)和所述三层板(3)均呈正方形，且相对应面的中心处均采用铣刀铣出一个深度为5mm的圆槽，所述平面推力球轴承(7)的轴圈和轴套分别放置于二层板(2)与三层板(3)的环形槽内。 

4.根据权利要求1所述的夹持装置，其特征在于：所述夹持装置固定于所述三层板(3)的中心位置，所述夹持装置的角钢(4)和角钢(26)的间距为110mm，所述活动板(7)为100mm×100mm×10mm的矩形板。 

5.根据权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于：采用数据传输线连接所述悬臂梁压力传感器(29)、所述悬臂梁压力传感器(30)、所述位移传感器(15)、位移数据转换模块(20)、压力变送器(23)、压力变送器(24)、数据采集卡(22)和电脑终端(21)，用于记录实验过程中测量到的钻压、扭矩和位移数据。 

6.根据权利要求1所述的钻柱，其特征在于：所述钻柱(14)为一外径为20mm和内径为18mm的钢管，其上端固定于摇臂钻床的夹持器中，下端内圆攻丝螺纹连接所述钻头(10)。 

7.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述钻头(10)为聚晶金刚石复合片微钻头或三牙轮微钻头。 

8.一种使用权利要求1所述的考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置的方法，其特征在于包含以下步骤： 

1)将该页岩破碎实验装置通过螺栓固定在摇臂钻床的工作台上； 

2)将所述钻头(10)安装在所述钻柱(14)攻丝的一端上，将所述位移检 测装置的“T”形钢管(13)固定在所述钻柱(14)上的合适位置，采用摇臂钻床的夹持器将所述钻柱的上端固定在摇臂钻床上，同时应确保所述钻柱(14)和所述钻头(10)位于所述夹持装置的中心位置； 

3)连接所述悬臂梁压力传感器(29)、悬臂梁压力传感器(30)、位移传感器(15)、转换模块(20)、压力变送器(23)、压力变送器(24)和电脑终端(21)，并进行调试与校准，标定所述悬臂梁压力传感器(29)、悬臂梁压力传感器(30)和位移传感器(15)； 

4)用高精度电子称称出加工好的页岩(9)(规格长×宽×高为100mm×100mm×100mm)的初始重量，并将所述页岩(9)和所述活动板(7)放置于所述夹持装置中，拧紧螺钉以固定所述页岩(9)； 

5)设定摇臂钻床的主轴转速和进给量，启动摇臂钻床； 

6)观察当所述钻头(10)开始接触并破碎所述页岩(9)时，所述数据采集系统立即启动，开始记录钻压、扭矩、位移三种数据，同时秒表开始计时。 

7)计时一定时间后，立即停止摇臂钻床主轴进给，提出所述钻头(10)并停止主轴转动，同时所述数据采集系统终止数据采集并将其保存。 

8)将所述页岩(9)从所述夹持装置中取下，用高精度电子称称出所述页岩9在破碎实验后的重量，并记录； 

9)重复实验步骤4至步骤8，直至实验结束。