[发明专利]钻进岩石模拟的试验装置及确定试验杆压力和扭矩的方法

权利要求书

1.一种钻进岩石模拟的试验装置，该模拟试验装置包括水平试验平台，其特征在于，在试验平台的一端设置绕水平轴转动且内装有包括岩石试件的试件舱，对中试件舱的外周设置转速测试仪，在靠近试件舱内的岩石试件圆平面外侧，且位于对中岩石试件圆平面中心轴上设置一根前端固定有钻头的试验杆，其试验杆的钻头尖端与岩石试件的外侧圆平面间距为δ，距离δ为微米级，在试验杆长度的1/2处左右分别粘贴扭转应变花和压缩应变片，扭转应变花和压缩应变片连接动态应变仪，动态应变仪连接示波器；在试验杆的另一端，距该试验杆端为5~10cm处，且与试验杆同一水平轴轴线上，设置一根发射套管，于该发射套管内配置一根滑动配合的发射杆，该发射杆朝向试验杆端，伸出长于发射套管为3cm露头，对中发射杆露头的外周设置线速仪，线速仪后接微秒计数器，发射套管的另一端连接压力空气管，并在其上设置阀门，压力空气管的另一端与气罐相连，该气罐与空压机相连。

2.按权利要求1所述的钻进岩石模拟的试验装置，其特征在于，试件舱包括横置的杯式舱罩，在舱罩的杯底内侧平面上固定弹簧，弹簧另一端设置支撑板，岩石试件的圆平面贴靠在支撑板上，在舱罩内周与岩石试件外周之间的环隙间设置环形的钢箍，钢箍内设置岩石试件，在岩石试件的外端面周边设置舱盖，舱盖与舱罩以螺纹连接，舱罩内的岩石试件的直径为50mm、100mm或者150mm，每一种岩石试件厚度均为100mm。

3.按权利要求1所述的钻进岩石模拟的试验装置，其特征在于，试验杆为镍铬钢材料，其直径为40mm，长度为500mm；发射杆为镍铬钢材料，其直径为40mm，长度为500mm；发射套管的外径为50mm，长度为500mm；试件舱转速为2000~3000r/min；气罐的工作压力为0.6~1.0MPa。

4.一种采用权利要求1所述的试验装置进行确定试验杆压力和扭矩的方法，其特征在于包括以下过程：

1）启动装置，调试仪器，进入试验状态：

启动电机，使试件舱在某一工作转速下稳定转动；启动压缩机，使气罐稳定在某一工作压力；调节转速仪、应变仪、示波器、线速仪和微秒计数器处于触发状态；

2）采集测试数据：

（1）测试在不同工作气压下发射杆的发射线速度，及确定不同的线速度下所对应的钻头尖端与岩石试件间隙δ值：

调节发射杆端面与试验杆端面之间的距离，使发射杆发射时正好碰触试验杆，稳定气罐在某一工作气压下，打开阀门使发射杆发射，通过线速仪和微秒计数器记录发射杆的位移和时间，从而获得该工作压力下发射杆的线速度值；依同样方法改变气罐工作压力，得到不同压力下发射杆的发射速度v’₁、v’₂、v’₃…… v’_n；

根据发射杆和试验杆之间的动量守恒关系，求出试验杆对应不同工作气压下的线速度v₁、v₂、v₃…… v_n；

当试验杆连接的钻头尖端与岩石试件圆平面之间预留一定的间隙δ下，发射杆与试验杆发生对称碰撞时，则在试验杆中产生入射波，该入射波在试验杆中传播，传播至钻头尖端时产生反射波，此时预留间隙应由式1确定：

δ=l₀ v₁/c₀                                         式1

式中，c₀为绝对光速，单位m/s；v₁为试验杆的线速度，单位m/s；l₀为试验杆的长度，单位m；

因此通过式1能求得试验杆在不同压力下发射速度v₁、v₂、v₃…… v_n所对应的钻头尖端和岩石试件圆平面之间的预留间隙δ₁、δ₂、δ₃……δ_n；

（2）采集试件舱在某一稳定转速下，试验杆以v₁、v₂、v₃…… v_n线速度运动时钻头尖端与岩石试件圆平面接触碰撞时试验杆产生的二次冲击加载波ε_i2、压缩波ε_r2和扭转波γ：

当发射杆在某一个线速度v₁下和试件舱在某一稳定转速下转动，发射杆与试验杆要进行碰撞时，首先调整发射杆端与试验杆端之间对应的距离为5~10cm，用塞尺调节钻头尖端和岩石试件圆平面之间对应的预留间隙δ，之后开启阀门，使发射杆发射，碰撞试验杆，继而钻头尖端与岩石试件圆平面碰撞，这时记录示波器获得的对应的二次冲击加载波ε_i2-1、压缩波ε_r2-1和扭转波γ₁，完成一次试验；

依上述同样做法，能获得试验杆分别在其他线速度v₂、v₃…… v_n下和试件舱稳定的转速下，得到试验杆的对应的二次冲击加载波ε_i2-2、ε_i2-3……ε_i2-n压缩波ε_r2-2、ε_r2-3……ε_r2-n和扭转波γ₂、γ₃……γ_n；

（3）依步骤（2）做法，在试验杆在某一线速度下运动时，改变试件舱的稳定转速分别为ω₂、ω₃……ω_n下试验，能获得试件舱转速分别在ω₂、ω₃……ω_n下和试验杆稳定的线速度下，试验杆的对应的二次冲击加载波ε_i2、压缩波ε_r2和扭转波γ；

3）对试验数据进行分析，得到试验杆的压力和扭矩：

根据记录的二次冲击加载波ε_i2、压缩波ε_r2和扭转波γ，可以得到岩石钻进过程中试验杆的压力和扭矩，其中：

钻进过程中试验杆的压力通过式2求得：

                           式2

式中：

E₀为试验杆的弹性模量，单位N/mm²；

A₀为试验杆的横截面积，单位mm²；

ε_i2为二次冲击加载波、ε_r2为压缩波，由步骤2）测量得到，为无量纲参数；

钻进过程中试验杆的扭矩通过式3求得：

                                式3

式中：

ρ₀为试验杆的密度，单位kg/m³；

G₀为试验杆的剪切模量，单位N/mm²；

r₀为试验杆的半径，单位mm；

I为单位长度杆对扭转轴的转动惯量，单位为kg·m；

γ为扭转波，由步骤2）测量得到，为无量纲参数。