CN103674539B - 一种岩石模拟钻进与测试装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种岩石模拟钻进与测试装置，由模拟钻进系统与测试系统构成。所述模拟钻进系统的主体由C616-1型车床改进而成，安装有钻头的钻杆通过一旋转密封输水器装夹在三爪卡盘上，岩石试件由固定装置安装在溜板上，钻进过程中分别由车床主运动与进给运动系统控制钻头转速与进给速度，由手轮调节钻孔位置。所述测试系统由安装于两根钻杆之间的传感器组和控制柜组成，钻进过程中由传感器采集转速、推力、扭矩、位移信号，经信号电缆传输至控制柜中的工控机进行处理并输出。此外，本发明还涉及利用该装置进行岩石钻进与测试的方法。本发明结构简单，操作方便，参数调节范围广、准确度高，安全可靠，可广泛用于岩石钻进参数设计与优化实验。

Description

一种岩石模拟钻进与测试装置及使用方法

技术领域

本发明涉一种岩石模拟钻进与测试装置及使用方法，具体涉及一种在岩石模拟钻进过程中，对转速，扭矩，推力和轴向位移进行实时测量的测试装置，特别适用于实验室室内进行岩石模拟钻进实验，并对相关钻进参数进行测量与优化。

背景技术

我国煤炭生产中，煤与瓦斯突出事故的大量存在严重影响着煤矿安全生产。石门揭煤穿层作业后进行瓦斯抽采可以大幅度的减少煤与瓦斯突出事故的发生，钻孔抽采瓦斯是煤矿井下瓦斯抽采的关键措施。在煤矿井下，钻孔经常要穿过岩层或者煤层，这就对岩石钻进过程中相关参数的确定提出了要求。同时，在其它工程领域（如石油钻井，隧道开挖）内均存在这岩石钻进的问题。为了能高效、快速、安全的进行岩石钻进工作，必须对钻进过程中严重制约着钻进效果的相关钻进参数进行选择优化，如钻进过程中的转速、扭矩、推力和轴向位移。然而,由于井下条件复杂多变，使得在矿井下进行相关参数的测量难度较大。为此，有必要在实验室内进行模拟试验，以推广到实际操作中。为此，已经有研究者对岩石钻进过程中的参数测量方法做出了研究。如专利文献CN102140889A公告的《一种水平井随钻测井地质导向方法》，利用了实时数据绘制了测井曲线图，从而确定钻头在目的层中的实际位置；专利文献CN201367895Y公告的《多相位补偿随钻电阻率测井仪器》通过获得不同探测深度的地层电阻率测井曲线，可以进行含油饱和度、渗透率、钻井液浸入、油层厚度的计算；专利文献CN101029866B公告的《翼肋伸缩式随钻密度测井仪》则可以适应不同的井眼，保证仪器贴合井壁的情况下进行密度测量。但这些研究仍存在着以下缺点：

（1）大多数的公开文献都集中在石油工程领域，在矿业领域的研究较少。且它们大多运用于生产领域，对室内岩石钻进过程的模拟和参数测量的研究较少。

（2）以上公开专利均是对周围岩层进行测量，如密度、电阻率等，而没有在岩石钻进过程中对于钻井系统本身的钻进参数进行测量，如转速、扭矩、推力和轴向位移；

（3）以上专利均是被动的对相关参数进行测量，而不能对所测量参数进行控制，不具有可调可控的特点，且测量范围较小，不利于进行参数的优化试验。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点，针对煤矿井下穿岩层钻孔过程中钻进参数需要优化的实际情况，在普通机床（如C616-1车床）的基础上，设计发明了一套岩石模拟钻进与测试装置。该系统可以在室内进行岩石钻进的过程模拟，同时可以高效、准确的测量岩石钻进过程中的转速、扭矩、推力和轴向位移，为实验室内进行钻头优化，钻进过程的参数优化提供了真实可靠的测量手段。

本发明所述的一种岩石模拟钻进与测试装置，主要由岩石模拟钻进系统与测试系统两部分组成。

所述模拟钻进系统的主体是一改进的车床，在车床的主轴前端的三爪卡盘装夹高压旋转密封输水器，高压旋转密封输水器上安装钻杆和钻头，高压旋转密封输水器上的接口通过管路连接磨料自动供给装置；车床的进给机构前端连接一固定装置，用于固定安装岩石试件；钻进过程中分别由车床主运动与进给运动系统控制钻头转速与进给机构的进给速度；

所述测试系统由控制柜和安装于前端钻杆和后端钻杆之间的传感器组组成，钻进过程中由传感器采集转速、推力、扭矩、位移信号，经信号电缆传输至控制柜中的工控机进行处理并输出。

所述传感器包含转速、推力、扭矩、位移传感器各一个，同时对转速、推力、扭矩、位移信号进行实时采集。

所述控制柜包括信号采集卡、处理单元及带有测试单元的工控机，用以对采集信号的采集、处理与输出。

利用上述岩石模拟钻进与测试装置进行岩石钻进与测试的方法，其包括以下步骤：

第一步，将高压旋转密封输水器、高压密封钻杆、传感器和配套钻头，以及钻进的岩石试件依次安装在岩石模拟钻进系统上，并且打开测试系统；

第二步，通过车床的位置调节手柄调整固定装置的位置，使放置岩石的固定装置的移动速度适当；（进给速度为1-3米/分钟）；

第三步，主轴转速调节手柄调整主轴转速，使得高压密封钻杆获得需研究工况下的转速；（可提供有12级转速，45-1980转/每分钟）；

第四步，进行岩石模拟钻进工作，并收集传感器信号；

第五步，将数据传至测试系统的工控机，进行数据分析，并输出岩石模拟钻进过程中的转速，扭矩，推力和轴向位移参数。

本发明与现有技术相比，具有以下有点：

（1）钻进岩石的旋转运动与进给运动分别由车床的主传动系统与进给传动系统完成，即钻头在主传动系统的驱动下完成旋转运动，由进给传统系统驱动岩石固定装置作直线进给运动。

（2）该装置可充分利用车床主轴转速与进给速度在大变化范围内可调、可控的优点，可完成不同钻进参数下的室内模拟钻进实验。

（3）该装置可以高效的测量模拟岩石钻进过程，并准确测量钻进过程中的转速，扭矩，推力和轴向位移。

附图说明

图1是本发明的岩石模拟钻进系统示意图

图1中：1-位置调节手柄；2-转速调节手柄；3-三爪卡盘；4-高压旋转密封输水器；5-传感器组；61-前端钻杆；62-后端钻杆；7-钻头；8-固定装置；9-信号电缆；10-控制柜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明主要由岩石模拟钻进系统与测试系统两部分组成。

岩石模拟钻进系统的结构主体由一台C616-1车床改装而来。在原C616-1普通车床的基础上，主要对以下部件进行改进：

（1）充分利用车床的三爪卡盘3，用于固定后端钻杆62；

（2）去除原车床尾座体部分，在此位置增加与进给机构连接的固定装置8，用于模拟岩石钻进过程中固定岩石试件，岩石试件由固定装置安装在溜板上。

（3）在前端钻杆61和后端钻杆62之间的安装传感器组5，通过传感器接头螺纹连接，用于连接岩石模拟钻进系统和测试系统，并且采集相关数据。

（4）利用了位置调节手柄1，为原C616-1车床具有的装置，在测试过程中用于调节固定装置8的位置，以便于进行岩石模拟钻进工作。

（5）利用了转速调节手柄2，也是原C616-1车床具有的部件，在测试过程中用于调节钻杆的转速，以控制转速并进行测量工作。

另外，在上述结构中还安装了：

高压旋转密封输水器4，安装在三爪卡盘上3，在测试中用于连接钻杆和高压水泵（未标出），并且承担输送高压水，提供进行岩石钻进工作时水源的工作。

钻杆为煤矿井下常用的高压密封钻杆，用来提供岩石钻进过程中所需的扭矩，并输送介质。直径通常为50mm、63.5mm和73mm。

钻头7钻头为各类钻头，用于进行破岩工作。须与前述钻杆配套使用。

磨料水射流发生装置，通过管路连接高压旋转密封输水器4上的接口，可采用已知技术或发明专利【CN103100984A】公开的磨料自动供给装置。

测试系统主要由信号传感器组5和控制柜组成。信号采集卡、处理单元及带有测试单元的工控机均放置于控制柜10中：

信号传感器组5包括转速、扭矩、推力和轴向位移传感器各一个，直接安装在高压密封钻杆上，用以直接收集电信号等原始数据。

本发明可以进行在纯水射流，自动加料与磨料水射流三种作业情况下的岩石钻进过程模拟试验，并测试模拟钻进过程中的转速、推力、扭矩、位移参数。以纯水射流岩石钻进过程模拟试验为例，进行说明：

第一步，将高压旋转密封输水器4，前端钻杆61、后端钻杆62，传感器组5和配套钻头4，以及钻进的岩石依次安装在岩石模拟钻进系统上，并且打开测试系统；

第二步，调整位置调节手柄1，使放置岩石的固定装置8移动速度适当（进给速度为1-3米/分钟）；

第三步，调整主轴转速调节手柄2，使得钻杆获得需研究工况下的转速（可提供有12级转速，45-1980转/每分钟）；

第四步，打开磨料自动供给装置，进行岩石模拟钻进工作，并收集传感器信号；

第五步，将数据传至测试系统的单片机，进行数据分析，并输出岩石模拟钻进过程中的转速，扭矩，推力和轴向位移参数。

经实验室内的试验应用表明，本发明能够快速，准确的进行岩石模拟钻进过程中的参数测量。该装置操作方便，参数调节范围广，测试系统准确度高，安全可靠，可广泛用于岩石钻进参数设计与优化实验。

除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落入本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.利用岩石模拟钻进与测试装置进行岩石钻进与测试的方法，其特征在于，

包括以下步骤：

第一步，将高压旋转密封输水器、前端钻杆、后端钻杆、传感器组和配套钻头，以及钻进的岩石试件依次安装在岩石模拟钻进系统上，并且打开测试系统；

第二步，通过车床的位置调节手柄调整固定装置的位置，使放置岩石试件的固定装置的移动速度适当；

第三步，主轴转速调节手柄调整主轴转速，使得高压密封钻杆获得需研究工况下的转速；

第四步，进行岩石模拟钻进工作，并收集传感器信号；

第五步，将数据传至测试系统的工控机，进行数据分析，并输出岩石模拟钻进过程中的转速、扭矩、推力和轴向位移参数；

所述岩石模拟钻进与测试装置由模拟钻进系统与测试系统构成：

所述模拟钻进系统的主体是一改进的车床，在车床的主轴前端的三爪卡盘（3）上装夹高压旋转密封输水器（4），高压旋转密封输水器（4）与后端钻杆（61）连接，前端钻杆（62）前端安装钻头（7），高压旋转密封输水器（4）上的接口通过管路连接磨料自动供给装置；车床的进给机构前端连接一固定装置（8），用于固定岩石试件；钻进过程中分别由车床主运动与进给运动系统控制钻头转速与进给机构的进给速度；

所述测试系统由控制柜(10)和安装于前端钻杆(61)和后端钻杆（61）之间的传感器组（5）组成，钻进过程中由传感器组（5）采集转速、推力、扭矩、位移信号，经信号电缆(9)传输至控制柜中的工控机进行处理并输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述传感器组（5）包含转速、推力、扭矩、位移传感器各一个，同时对转速、推力、扭矩、位移信号进行实时采集。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述控制柜包括信号采集卡、处理单元及带有测试单元的工控机，用以对采集信号的采集、处理与输出。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述前端钻杆(61)和后端钻杆（61）均为高压密封钻杆。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述进给速度为1-3米/分钟，需研究工况下的转速有12级转速，45-1980转/每分钟。