[发明专利]水平条件下冲击载荷破岩特征模拟实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水平条件下冲击载荷破岩特征模拟实验装置及方法，属于石油钻井工具设计技术领域。

背景技术

冲击钻井技术是当前用于提高深井钻头破岩效率，提高钻速的有效方法。冲击钻井技术是在传统旋转钻井技术的基础上，在钻头上施加一个周期性的冲击载荷，钻头在动静载荷耦合作用下破岩，破岩效率有一个明显的提高。同时，已有研究表明，在岩石破裂过程中，始终伴随着声发射的过程，岩石破碎时释放出的声发射能量与破岩加载模式、破碎体积具有相关性。目前冲击载荷下破岩的实验装置还有以下问题：(1)受冲击振动发生装置长度的影响，目前地面垂直实验装置难以实现全尺寸装置性能的评价；对于不同类型的井下冲击振动装备，通过地面实难开展性能对比分析。(2)现有的实验装置难以模拟淹没状态有射流在钻头内流动情况时的钻头破岩过程。(3)目前从声发射角度来研究井底全覆盖旋冲钻头破岩效果的报道较少。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种水平条件下冲击载荷破岩特征模拟实验装置及方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种水平条件下冲击载荷破岩特征模拟实验装置，包括底座，在底座上固定有动力钻具，在动力钻具的一端设置有钻头，在动力钻具的另一端设置有高压泵，在动力钻具的内部设置有连通钻头和高压泵的流体通道，在动力钻具上连接有用于提供水平方向静载荷的钻压加载装置和用于提供周期性变化载荷的冲击振动发生器；所述动力钻具在设置有钻头的一端插入水箱中，在水箱的内部设置有用于固定岩样且能够对岩样施加三维轴向载荷的岩样加载装置。

优选的，在岩样加载装置所固定的岩样上安装有声发射探头。

优选的，在底座上间隔布设有钻具夹持装置，所述动力钻具由钻具夹持装置夹持固定。

优选的，所述钻具夹持装置能够沿底座的伸展方向水平移动。

优选的，在水箱的侧部与动力钻具连接处设置有密封装置。

一种水平条件下冲击载荷破岩特征模拟实验方法，采用上述实验装置，包括以下步骤：

a 将实验装置组装好，在水箱内部由岩样加载装置固定夹持岩样；

b 由高压泵输送的流体经动力钻具流经钻头，同时水箱内注入流体，从而能够模拟出钻头在有流体存在时，同时岩样在流体淹没状态时的条件；

c 由钻压加载装置产生一个水平方向的，不随时间发生变化的恒定水平钻压，通过动力钻具传递给钻头；与此同时，由冲击振动发生器，产生一个水平方向的，具有一定周期和一定幅值的冲击载荷，也通过动力钻具传递到钻头；钻头受到静载荷和冲击载荷的同时作用，在动静载荷耦合作用下钻头侵入并破碎岩样；

d 通过调节钻压加载装置和冲击振动发生器，能够模拟出不同的钻压，不同冲击载荷周期和幅值参数情况下的钻头破岩过程，研究各个参数与破岩效率之间的规律关系；

e 岩样加载装置对岩石加载x-y-z三个方向的载荷，模拟不同应力状态下冲击破岩过程，对比测试破岩效率。

优选的，上述方法还包括以下步骤：

f 通过安装在岩样上面的声发射探头收集岩样在破碎过程中产生的声信号，将不同的声信号和不同的岩石破碎特征联系起来，建立通过声信号特征分析岩石的破碎状态的方法。

本发明的有益技术效果是：

本发明能模拟水平条件冲击作用下钻头破碎岩石的过程，该装置可实现全尺寸钻头和钻具水平段钻进过程的模拟，实时动态观测不同钻进方式、井下装置、钻头和不同地应力条件下水平段钻头破岩效率，为钻进参数选取、井下提速装备评价、钻进工具性能测试等提供依据。同时，在破岩过程中，采集岩石破碎过程中的声发射信号(如能量、计数等)，对比分析钻头破岩效率、岩石破碎状态与声发射信号之间的关系。

本发明通过钻压加载装置产生稳定的静载荷，同时通过冲击振动发生器产生水平方向的周期性变化冲击载荷，在钻头已有钻压的基础上再加上冲击载荷，可实现在水平条件下，钻头在冲击载荷作用下破岩过程的模拟。同时通过声发射探头获取岩石破碎过程中产生的声音信号，分析不同岩石在破碎过程中，破碎情况和应力状态变化对应的声信号，然后以岩石破裂时声发射情况来分析、判断不同加载模式下的岩石破碎效果。