[发明专利]一种超声波振动碎岩有效功的测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于地质工程中的超声波振动钻进技术领域，特别是涉及一种超声波振动碎岩有效功的测试装置及方法，主要应用于地质勘探、隧道掘进、工程施工等领域。

背景技术

如今，硬岩在钻探工程中所占的比例越来越大。相比于传统碎岩方式存在的钻头寿命短、钻进效率低、钻探成本高的问题，超声波振动方法能够对破碎岩石产生更高的破碎效率。其原理是，超声波通过变幅杆传递到钻头，对需要破碎的岩石施加一定频率的稳定高频振动，使岩石产生共振现象，而岩石本身内部存在的分布有微裂纹的薄弱区在高频振动的作用下，更有利于扩展延伸，对岩石形成损伤，并不断积累，降低其强度，最终造成疲劳破坏，能够以更高的效率破碎岩石。

但是，目前对于超声波振动碎岩技术理论研究还不够深入，碎岩机理尚未得到充分认识，又由于岩石成分及结构千变万化，理论上无法确定超声波振动破碎岩石的有效功，也尚未开发出能够进行相关实验的实验装置，影响了该技术的进一步研究和应用。因此，建立超声波振动碎岩有效功测试试验台，可以探究超声波振动碎岩过程中能量利用率，对进一步探究超声波振动碎岩机理、确定合理的超声波振动参数，以及超声波振动钻具研制具有非常大的推动作用。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有超声波振动碎岩实验技术中存在的无法量化破碎岩石能量，模拟条件缺乏、误差相对较大与污染问题，本发明提供了一种操作简便、安全可靠的超声波振动碎岩有效功的测试装置及方法，利用实验前后钻井液的温差进行计算，量化破碎岩石的能量，填补了相关数据空白。

为解决上述问题，本所发明采用如下的技术方案：

一种超声波振动碎岩有效功的测试装置，其特征在于：包括顶板、滑动轨道、支架、导向板、变幅杆、温度传感器、保温盖、底座、保温圆筒、保温材料层、定位板、定位卡槽、液压缸、超声波换能器、工作孔、测温孔、排水阀、超声波发生器及液压控制柜，所述支架的上端与顶板通过螺栓固定连接，支架的下端通过螺栓固定在底座上，支架的内侧面设置有滑动轨道；所述导向板的两端与滑动轨道滑动连接；所述液压缸固定在顶板底部，液压缸的输入端与液压控制柜连接，液压缸的工作端与导向板固定连接；所述超声波换能器两侧设置有卡槽，超声波换能器穿过导向板中部通过卡槽卡在导向板上，并采用螺栓固定；超声波换能器下部设置有变幅杆，超声波换能器与超声波发生器连接；所述保温圆筒通过定位卡槽安装在底座上，保温圆筒的内壁覆有保温材料层，保温圆筒内底部正中心焊接有定位板；所述保温盖盖设于保温圆筒上，保温盖与保温圆筒接触面吻合，保温盖的内壁覆有保温材料层，保温盖上开设有工作孔及测温孔，其中工作孔位于保温盖的中心位置，测温孔数量为两个，两个测温孔对称设置在工作孔两侧，测温孔直径与温度传感器的探测针直径吻合；所述温度传感器的探测针通过测温孔插入保温圆筒内部；所述排水阀安装在位于保温圆筒侧壁下部的排水孔上。

所述超声波振动碎岩有效功的测试装置还包括三角形钢板，三角形钢板固定设置在支架外侧面下部。

所述液压缸数量为两个，两个液压缸对称布置。

所述滑动轨道上具有T形凹槽。

所述变幅杆穿过工作孔延伸至保温圆筒内部，变幅杆与工作孔之间留有径向间隙。

一种超声波振动碎岩有效功的测试方法，其特征是：该测试方法采用所述的超声波振动碎岩有效功的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：

步骤一、将保温圆筒对准定位卡槽置于底座上；

步骤二、根据需要准备岩石样品，并将其放置在保温圆筒内的定位板上，关闭位于保温圆筒侧壁下部的排水孔上的排水阀；

步骤三、向保温圆筒内加入实验模拟所需要的钻井液，直至钻井液浸没岩石样品，停止加入钻井液，将保温盖盖在保温圆筒上；

步骤四、将温度传感器的探测针经测温孔插入保温圆筒内，待温度传感器的示数平稳后，获取保温圆筒内部温度的初始值T₁；

步骤五、通过液压控制柜控制液压缸推动导向板下移，使得变幅杆下降并穿过工作孔，同时启动超声波发生器，超声波发生器向超声波换能器发出信号，超声波换能器接收信号并转化成机械振动传递给变幅杆对岩石样品施加恒定压力，进行实验；

步骤六、施压结束后，通过温度传感器实时监测保温圆筒内部温度，获取保温圆筒内部温度的峰值T₂；

步骤七、实验完毕，通过液压控制柜控制液压缸带动导向板上升，变幅杆回归至初始位置，盖住保温圆筒的工作孔；