[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种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，属于钻进岩石研究试验技术领域。

背景技术

钻进岩石是工程中经常遇到的情况，如地质钻探、水井、地热井、瓦斯排放井、含岩石的地下工程、桩基的旋挖钻孔等工程的施工等，据统计，世界岩心钻探、石油天然气钻井和水文钻井的年工作量超过亿米，而矿山爆破钻孔的年工作量高达数亿米。岩石的钻井不仅是理论研究的课题，而且也是生产实际应用研究的重要课题，实际工程应用中通常用岩石可钻性作为评判钻进时岩石抵抗机械破碎能力的量化指标，是目前工程钻探中选择钻进方法、钻头结构类型、钻进工艺参数，衡量钻进速度和实行定额管理的主要依据。但是该分类较为粗略，岩石可钻性不仅取决于岩石的特性，而且还取决于采用的钻进技术工艺条件，岩石的硬度、弹塑性和研磨性等直接影响岩石的力学性质，同时包括钻进切削研磨材料、钻头类型、钻探设备、钻探冲洗介质、钻进工艺的完善程度，以及钻孔的深度、直径、倾斜度等的钻进技术工艺条件也会对钻进性能产生影响。

目前对岩石钻进过程的研究主要为理论研究，针对钻头形式和岩石的物理性质建立数学模型，进而得到理论上的解答，但是由于钻进岩石问题的复杂性，在建立数学模型的过程中进行了相当大的简化，例如钻头的刚度、岩石的破裂等方面，而且为了建立模型，提出了种种假说，例如承力区假说等，和钻进过程的真实情况不符，造成理论和实际的差距，而且由于试验方法的落后，理论的真实性也没有得到验证。

正是由于此问题的复杂性与重要性，发明了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，该试验装置具有能够模拟岩石钻进过程，并记录钻进过程中的压力和扭矩，为工程确定钻进方法、钻头结构类型、钻进工艺参数等提供准确可信的试验参数，供工程和科研参考。

发明内容

本发明的目的在于提供一种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，该模拟试验装置具有结构简单、模拟真实性高、试验过程重复性好的特点，对岩石钻进工程和科研具有试验参考价值和指导意义。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，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（该岩石试件模拟实际工程中的岩石）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（该试验杆模拟实际工程中的钻杆），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。

上述的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。

上述的试验杆为镍铬钢材料，其直径为40mm，长度为500mm。

上述的发射杆为镍铬钢材料，其直径为40mm，长度为500mm。

上述的发射套管的外径为50mm，长度为500mm。

上述的试件舱转速为2000~3000r/min。

上述的气罐的工作压力为0.6~1.0MPa。

采用上述结构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：