[发明专利]一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置及方法

权利要求书

1.一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，其特征在于：它包括主体装置、压头结构、围压系统、声发射系统、温度控制系统和孔隙物料注入系统；所述主体装置包括高压釜基座（1）和高压釜盖板（2），高压釜盖板（2）固设于高压釜基座（1）顶部，高压釜基座（1）与高压釜盖板（2）之间形成有实验腔，高压釜盖板（2）上开设有连通实验腔的导向孔，实验腔内设置有围压套（3），围压套（3）内设置有岩样（4），实验腔内设置有温度传感器（5）和压力传感器（6），温度传感器（5）和压力传感器（6）分别与位于主体装置外部的温度计（7）和压力表（8）连接；所述压头结构包括压头（9）和定位液压泵（10），压头（9）滑动安装于导向孔内，压头（9）的底部且位于其两侧均铰接有密封板（11），密封板（11）表面设置有磁铁，密封板（11）经磁铁吸附于压头（9）底部，压头（9）内开设有液压腔，液压腔内由上往下顺次设置有活塞（12）、电机（13）、钻杆（14）和钻头（15），压头（9）上安装有力传感器和位移传感器，所述定位液压泵（10）的出液口与液压腔连通；所述围压系统由顺次连接的液压油罐（16）和围压泵（17）组成，围压泵（17）的出口端与实验腔连通；所述声发射系统由声发射采集探头（18）和三维声发射采集计算机（19）组成，声发射采集探头（18）设置于围压套（3）内，声发射采集探头（18）与三维声发射采集计算机（19）电连接；所述的温度控制系统包括换热系统控制器（20）、设置于实验腔内且套于围压套（3）外部的冷凝换热圈（21）、套于高压釜基座（1）外部的电磁加热圈（22），所述换热系统控制器（20）与冷凝换热圈（21）和电磁加热圈（22）电连接；所述的孔隙物料注入系统包括物料泵（23）、液罐（24）和气罐（25），所述液罐（24）和气罐（25）均与物料泵（23）的入口端连接，物料泵（23）的出口端经管线（26）从实验腔底部向上伸入实验腔内且与岩样（4）下端面接触。

2.根据权利要求1所述的一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，其特征在于：所述的钻头（15）为单牙轮钻头、三牙轮钻头或PDC钻头中任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，其特征在于：所述的密封板（11）为半圆形状。

4.根据权利要求1所述的一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，其特征在于：所述的高压釜基座（1）和高压釜盖板（2）的外部均涂敷有隔热层。

5.根据权利要求1所述的一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，其特征在于：所述的高压釜基座（1）内设置有环形槽，所述的冷凝换热圈（21）设置于环形槽内。

6.根据权利要求1~5中任意一项所述的实验装置测试岩石三轴强度参数的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、打开高压釜盖板（2），围压套（3）内装入岩样（4），围压套（3）放置于实验腔内；将压头结构安装于导向孔内，同时保证两个密封板（11）经磁铁吸合于压头（9）底端面上，此时两个密封板（11）处于水平状态，关闭高压釜盖板（2）使实验腔密封；

S2、将物料泵（23）与液罐（24）和气罐（25）连接，并将物料泵（23）与管线（26）连接，随后将管线（26）的端口与岩样（4）的底表面接触，连接压力传感器（6）和温度传感器（5），连接好三维声发射采集计算机（19）和声发射采集探头（18），准备开始加温度和压力；

S3、开启换热系统控制器（20）控制冷凝换热圈（21）或电磁加热圈（22）启动，从而对整个高压釜基座（1）整体进行降温或升温，以到达设定温度，实现了模拟地层真实温度；打开围压泵（17），围压泵（17）将液压油罐（16）中的液压油泵入实验腔内，液压油给围压套（3）施加压力，围压套（3）收缩以给岩样（4）施加压力，实现了模拟地层真实的应力状态；开启物料泵（23），物料泵（23）将液罐（24）中的水经管线（26）泵入岩样（4）中，同时将气罐（25）中的甲烷气体经管线（26）泵入岩样（4）中，从而使整个岩样达到设定的孔隙压力，实现了模拟地层真实孔隙压力状态；

S4、调整压头的高度，将两个密封板（11）所形成的平面轻压到岩样（4）顶表面，准备开始轴压加载测试岩石力学参数；

S5、对压头缓慢施加恒定向下作用力，力传感器和位移传感器分别实时记录压头（9）所受应力和位移量，当岩样（4）破裂损伤无法承受应力时，停止给压头施加向下力，根据收集到的应力和位移量绘制岩样在三轴力学条件下的应力与应变曲线；

S6、当岩样（4）刚好破裂后，上提压头到合适位置，打开定位液压泵（10），定位液压泵（10）向液体腔内泵入液体，活塞向下移动从而推动钻头（15）向下顶开两个密封板（11），此时两个密封板（11）绕着铰接点做向下旋转运动，当钻头（15）伸出压头（9）一段距离后锁死定位液压泵（10）即固定活塞的位置，从而准备开始破岩实验；

S7、打开电机（13），电机（13）带动钻杆（14）做旋转运动，相应的钻杆（14）上的钻头（15）做旋转运动，此时对压头施加轴向压力，钻头（15）钻削岩样（4）以进行破岩，当岩样（4）完全破碎或达到实验测试采集数据要求时，停止破岩，在破岩期间通过力传感器和位移传感器分别实时记录钻头所受钻压和位移量，根据受力绘制钻压与时间的关系曲线，根据位移量绘制钻头进尺与时间的关系曲线；通过温度传感器（5）实时记录岩样周围温度；通过压力传感器（6）实时记录岩样（4）围压压力；通过声发射采集探头（18）监测在岩样产生裂缝时声发射信号，并将声发射信号给三维声发射采集计算机（19），分析计算形成不同时刻岩样声发射点三维分布情况；绘制在不同围压和温度条件下，钻头承受载荷与钻头位移量的关系曲线；

S8、实验结束后，关闭声发射采集系统停止采集信号，关闭围压泵（17），释放围压套（3）对岩样的作用力，使用物料泵（23）抽净设备内的水和甲烷，关闭换热系统控制器（20），保证安全后打开高压釜盖板（2），取出岩样碎屑。