[发明专利]一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的装置及方法

说明书

本发明公开了一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的装置及方法，包括破岩系统，三轴加载系统，数据采集与处理系统。所述破岩系统由霍普金森压杆装置、钻头、套筒组成，霍普金森压杆装置主要包括发射管、撞击杆、激光测速仪、入射杆、透射杆和吸收杆。所述三轴加载系统由轴压气缸、围压气缸、挡板、螺杆、连杆等装置组成。所述数据采集与处理系统由高速摄像机、应变传感器、与应变传感器相连的动态应变仪、与动态应变仪相连的数据采集器、以及与数据采集器相连的计算机构成。本发明使测试结果更加可靠和准确，通过高速摄像机能够捕捉到实验过程中岩样的变形和破坏过程，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及资源开采及钻井试验装置领域，具体涉及一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的装置及方法。

背景技术

随着浅部矿产资源不断枯竭，资源和能源开采逐渐转向深部发展，未来深部开采将成为常态化。然而，进入深部开采后，岩体所处环境变得十分复杂，深部原位岩体承受着高幅值三向应力以及强烈的工程扰动。另外，资源和能源开采涉及到一个很重要的环节是钻探作业，在不同岩层中，岩石破碎效率研究是钻探专业重要的基础理论研究方向之一，至今一直处于探索和试验阶段。

为了提高钻头的破岩效率,达到降低成本的目的,就必须针对不同的钻井地层设计和选用适合地层特性的钻头。目前国内外研究钻头破岩效率的主要方法有现场试验和室内试验,现场试验就是针对不同地层设计好的钻头在现场的应用,然后再修改设计和重新加工,这样开发一种特性钻头需要的周期长,成本高；室内试验方法操作复杂，自动化程度低。随着地热钻井深度的增加和地层岩石的复杂化,根据不同地层岩石特点设计和开发特性钻头的研究工作更加迫切,一种简单便捷的钻头牙齿破岩效率试验测试的重要性显得更加突出。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种冲击荷载作用下机械破岩试验钻头牙齿破岩效率的装置及评价方法。

本发明的技术方案：一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的试验方法，主要包括破岩系统，三轴加载系统，数据采集与处理系统。

所述破岩系统由霍普金森压杆装置、钻头、套筒组成，霍普金森压杆装置主要包括发射管、撞击杆、激光测速仪、入射杆、透射杆和吸收杆。钻头通过套筒连接在入射杆的右端。撞击杆受高压气体推动，从发射管中以一定速度(由激光测速仪测出)射出，撞击入射杆，从而推动钻头切削岩样。

所述三轴加载系统由轴压气缸、围压气缸、挡板、螺杆、连杆等装置组成。围压气缸和轴压气缸为空心圆筒，气缸两端通过挡板封堵，在挡板的中心设置有供入射杆或透射杆穿过的圆孔，挡板的四周还设置有小圆孔，螺杆通过穿过四周的小圆孔用螺栓将气缸和两侧的挡板连接为一整体结构。两个气缸的挡板之间还通过螺连接了两根连杆，以约束两个气缸的相对运动。

围压气缸右侧挡板的中心大圆孔下部和上部分别设有进油口和排气口，排气口外侧配有排气口密封塞用于在气缸内部空气排尽后对其进行密封，围压气缸和轴压气缸通过油管连接在相同的机油压力装置，保证轴压和围压的稳定。进油口用于将液压油泵入气缸对包裹在防渗透橡胶套中的岩样施加环向静态围压和轴压，静态围压和轴压压力大小通过安装在围压气缸右侧挡板上部的围压油表进行显示。

所述数据采集与处理系统由高速摄像机、应变传感器、与应变传感器相连的动态应变仪、与动态应变仪相连的数据采集器、以及与数据采集器相连的计算机构成。所述应变传感器粘贴在入射杆和透射杆的中部，测得的信号经电桥转换，经动态应变仪后传入数据采集器，最后输入计算机进行分析处理。

一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的试验方法，所述动态破岩效率评价方法的步骤为：

(1)选取直径与入射杆和透射杆直径相等的圆柱体岩样，将岩样插入围压气缸内部，并调整入射杆和透射杆，夹紧岩样。