CN103983754B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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。该装置主要包括试件舱、试验杆、发射杆、发射套管、空气压缩系统和试验测试系统构成，其中试件舱内设置岩石试件。确定试验杆压力和扭矩的方法包括：气罐压力驱动发射杆发射，碰撞试验杆，试验杆钻头尖端与旋转的岩石试件圆平面碰撞，采集试验杆的二次冲击加载波ε_i2、压缩波ε_r2和扭转波γ，通过对采集的数据加以分析计算可得到试验杆的压力和扭矩。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。

Description

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

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：

调节发射杆端面与试验杆端面之间的距离，使发射杆发射时正好碰触试验杆，稳定气罐在某一工作气压下，打开阀门使发射杆发射，通过线速仪和微秒计数器记录发射杆的位移和时间，从而获得该工作压力下发射杆的线速度值；依同样方法改变气罐工作压力，得到不同压力下发射杆的发射速度v’ ₁ 、v’ ₂ 、v’ ₃ …… v’ _n 。

根据发射杆和试验杆之间的动量守恒关系，求出试验杆对应不同工作气压下的线速度v ₁ 、v ₂ 、v ₃ …… v _n 。

当试验杆连接的钻头尖端与岩石试件圆平面之间预留一定的间隙δ下，发射杆与试验杆发生对称碰撞时，则在试验杆中产生入射波，该入射波在试验杆中传播，传播至钻头尖端时产生反射波，此时预留间隙应由式1确定：

δ=l ₀  v ₁ /c ₀                                        式1

式中，c ₀ 为绝对光速，单位m/s；v ₁ 为试验杆的线速度，单位m/s；l ₀ 为试验杆的长度，单位m。

因此通过式1能求得试验杆在不同压力下发射速度v ₁ 、v ₂ 、v ₃ …… v _n 所对应的钻头尖端和岩石试件圆平面之间的预留间隙δ ₁ 、δ ₂ 、δ ₃ ……δ _n 。

（2）采集试件舱在某一稳定转速下，试验杆以v ₁ 、v ₂ 、v ₃ …… v _n 线速度运动时钻头尖端与岩石试件接触碰撞时试验杆产生的二次冲击加载波ε _i2 、压缩波ε _r2 和扭转波γ：

选当发射杆在某一个线速度v ₁ 下和试件舱在某一稳定转速下转动，发射杆与试验杆要进行碰撞时，首先调整发射杆端与试验杆端之间对应的距离为5~10cm，用塞尺调节钻头尖端和岩石试件圆平面之间对应的预留间隙δ，之后开启阀门，使发射杆发射，碰撞试验杆，继而钻头尖端与岩石试件圆平面碰撞，这时记录示波器获得的对应的二次冲击加载波ε _i2-1 、压缩波ε _r2-1 和扭转波γ ₁ ，完成一次试验；

依上述同样做法，能获得试验杆分别在其他线速度v ₂ 、v ₃ …… v _n 下和试件舱稳定的转速下，得到试验杆的对应的二次冲击加载波ε _i2-2 、ε _i2-3 ……ε _i2-n 压缩波ε _r2-2 、ε _r2-3 ……ε _r2-n 和扭转波γ ₂ 、γ ₃ ……γ _n ；

（3）依步骤（2）做法，在试验杆在某一线速度下运动时，改变试件舱的稳定转速分别为ω ₂ 、ω ₃ ……ω _n 下试验，能获得试件舱转速分别在ω ₂ 、ω ₃ ……ω _n 下和试验杆稳定的线速度下，试验杆的对应的二次冲击加载波ε _i2 、压缩波ε _r2 和扭转波γ。

3）对试验数据进行分析，得到试验杆的压力和扭矩：

根据记录的二次冲击加载波ε _i2 、压缩波ε _r2 和扭转波γ，可以得到岩石钻进过程中试验杆的压力和扭矩，其中：

钻进过程中试验杆的压力通过式2求得：

                          式2

式中：

E ₀ 为试验杆的弹性模量，单位N/mm²；

A ₀ 为试验杆的横截面积，单位mm²；

ε _i2 为二次冲击加载波、ε _r2 为压缩波，由步骤2）测量得到，为无量纲参数。

钻进过程中试验杆的扭矩通过式3求得：

                             式3

式中：

ρ ₀ 为试验杆的密度，单位kg/m³；

G ₀ 为试验杆的剪切模量，单位N/mm²；

r ₀ 为试验杆的半径，单位mm；

I为单位长度杆对扭转轴的转动惯量，单位为kg·m；

γ为扭转波，由步骤2）测量得到，为无量纲参数。

本发明的优点在于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，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。

附图说明

图1为当发射杆与试验杆碰撞时试验杆产生的波系图。

图中：1为一次冲击加载波ε _i1 ，2为反射波ε _r1 ，3为二次冲击加载波ε _i2 、4为压缩波ε _r2 ，5为扭转波γ。

图2为本发明的试验装置结构连接图。

图中：6为试件舱，7为转速仪，8为试验杆，9为动态应变仪，10为示波器，11为发射杆，12为线速测试仪，13为微秒计数器，14为发射套管，15为阀门，16为空气压力管，17为气罐，18为空气压缩机。

图3为图2试件舱6的结构示意图。

图中：6-1为舱罩，6-2为弹簧座，6-3为螺钉，6-4为弹簧，6-5为支撑板，6-6为钢箍，6-7为岩石试件，6-8为舱盖。

具体实施方式

下面结合附图和对本发明具体实施方式做进一步详细说明：

1.试验采用仪器的规格

本试验装置试件舱6由舱罩、弹簧座、螺钉、弹簧、支撑板、钢箍、岩石试件和舱盖组成，舱罩外径尺寸为150mm，壁厚为20mm，钢箍外径为110mm，壁厚为5mm，弹簧座上设置3个弹簧，弹簧直径为50mm，岩石试件采用圆柱形试件，试件厚度为100mm，试件直径为100mm，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。

发射杆直径为40mm，长度为500m，试验杆直径为40mm，长度为500mm，均采用镍铬钢材料制成，弹性模量E ₀ 为2.06×10⁵MPa，剪切模量G ₀ 为7.938×10⁴MPa，密度ρ ₀ 为7.1×10³kg/m³。发射套管的外径为50mm，长度为500mm，采用普通钢材制成。

试验杆1/2部位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。

采用BZ2203动态应变仪，灵敏度120mV/10με（BV=4V），动态应变仪连接示波器，示波器采用WJ312A数字示波器，采样率2 GS/s，并具有500 kpts/Ch存储器。

气罐采用卧式压缩空气罐，型号C-5/1.0，设计压力1.32MPa，容积0.37m³。

2.试验过程

以上述结构的装置进行钻杆的模拟试验过程如下：

将转速仪、应变仪、示波器、线速仪和微妙计数器等连接好，并处于触发状态，进入试验状态。

（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圆平面间隙δ值，以气罐压力为1.0MPa，试件舱转速3000r/min条件下的试验为例，试验过程为：

调节气罐压力，使之稳定在1.0MPa，调节试件舱转速稳定在3000r/min，调节发射杆伸出发射套管的长度为30mm露头，并调节和试验杆之间的距离为50mm，确认测试仪器工作正常后，打开阀门使发射杆发射，通过线速仪和微秒计数器记录发射杆的位移为200mm，时间为0.10微妙，获得该工作压力下发射杆的线速度为2000m/s，再根据动量守恒原理求得试验杆速度为2000m/s。

根据公式δ=l ₀  v ₁ /c ₀ ，式中l ₀ 为500mm，c ₀ 为3.0×10⁸m/s，v ₁ 为2000m/s，则求得钻头尖端和岩石试件之间的预留间隙δ为0.0033mm，该预留间隙δ实际尺寸试验时用塞尺确定。

（2）用塞尺调节钻头尖端与岩石试件圆平面间隙为0.0033mm，开启电机调节试件舱的转速稳定在3000r/min，调节转速仪、动态应变仪、示波器处于触发状态后，开启阀门，使发射杆碰撞试验杆，继而钻头尖端与岩石试件圆平面碰撞，这时记录示波器获得的对应的二次冲击加载波ε _i2 为0.20、压缩波ε _r2 为0.12、扭转波γ为0.74，完成本次试验。

3.数据处理

根据下式求得试验杆在线速度为2000m/s运动下，试件舱在转速为3000r/min转动下时，试验杆与岩石试件圆平面碰撞时试验杆的压力为：

式中，E ₀ 为2.06×10⁵MPa，A ₀ 为1256mm²，ε _i2 为0.20，ε _r2 为0.12。

根据下式求得试验杆在线速度为2000m/s运动下，试件舱在转速为3000r/min转动下时，试验杆与岩石试件圆平面碰撞时试验杆的扭矩为：

式中，G ₀ 为7.938×10⁴MPa，ρ ₀ 为7.1×10³kg/m³，r ₀ 为20mm，I为17.84kg·m，γ为0.74。

同样依照上述步骤，改变试验杆的不同运动线速度，或者改变试件舱的不同转速，则可得到试验杆在不同的线速度下运动，试件舱在不同的转速下，试验杆的压力和扭矩。

Claims (1)

1.一种以钻进岩石模拟的试验装置确定试验杆压力和扭矩的方法，所述的钻进岩石模拟的试验装置包括水平试验平台，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，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，其中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，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：

调节发射杆端面与试验杆端面之间的距离，使发射杆发射时正好碰触试验杆，稳定气罐在某一工作气压下，打开阀门使发射杆发射，通过线速仪和微秒计数器记录发射杆的位移和时间，从而获得该工作压力下发射杆的线速度值；依同样方法改变气罐工作压力，得到不同压力下发射杆的发射速度v’ ₁ 、v’ ₂ 、v’ ₃ …… v’ _n ；

根据发射杆和试验杆之间的动量守恒关系，求出试验杆对应不同工作气压下的线速度v ₁ 、v ₂ 、v ₃ …… v _n ；

当试验杆连接的钻头尖端与岩石试件圆平面之间预留一定的间隙δ下，发射杆与试验杆发生对称碰撞时，则在试验杆中产生入射波，该入射波在试验杆中传播，传播至钻头尖端时产生反射波，此时预留间隙应由式1确定：

δ=l ₀  v ₁ /c ₀                                          式1

式中，c ₀ 为绝对光速，单位m/s；v ₁ 为试验杆的线速度，单位m/s；l ₀ 为试验杆的长度，单位m；

因此通过式1能求得试验杆在不同压力下发射速度v ₁ 、v ₂ 、v ₃ …… v _n 所对应的钻头尖端和岩石试件圆平面之间的预留间隙δ ₁ 、δ ₂ 、δ ₃ ……δ _n ；

（2）采集试件舱在某一稳定转速下，试验杆以v ₁ 、v ₂ 、v ₃ …… v _n 线速度运动时钻头尖端与岩石试件圆平面接触碰撞时试验杆产生的二次冲击加载波ε _i2 、压缩波ε _r2 和扭转波γ：

当发射杆在某一个线速度v ₁ 下和试件舱在某一稳定转速下转动，发射杆与试验杆要进行碰撞时，首先调整发射杆端与试验杆端之间对应的距离为5~10cm，用塞尺调节钻头尖端和岩石试件圆平面之间对应的预留间隙δ，之后开启阀门，使发射杆发射，碰撞试验杆，继而钻头尖端与岩石试件圆平面碰撞，这时记录示波器获得的对应的二次冲击加载波ε _i2-1 、压缩波ε _r2-1 和扭转波γ ₁ ，完成一次试验；

依上述同样做法，能获得试验杆分别在其他线速度v ₂ 、v ₃ …… v _n 下和试件舱稳定的转速下，得到试验杆的对应的二次冲击加载波ε _i2-2 、ε _i2-3 ……ε _i2-n 压缩波ε _r2-2 、ε _r2-3 ……ε _r2-n 和扭转波γ ₂ 、γ ₃ ……γ _n ；

（3）依步骤（2）做法，在试验杆在某一线速度下运动时，改变试件舱的稳定转速分别为ω ₂ 、ω ₃ ……ω _n 下试验，能获得试件舱转速分别在ω ₂ 、ω ₃ ……ω _n 下和试验杆稳定的线速度下，试验杆的对应的二次冲击加载波ε _i2 、压缩波ε _r2 和扭转波γ；

3）对试验数据进行分析，得到试验杆的压力和扭矩：

根据记录的二次冲击加载波ε _i2 、压缩波ε _r2 和扭转波γ，可以得到岩石钻进过程中试验杆的压力和扭矩，其中：

钻进过程中试验杆的压力通过式2求得：

                

 式2

式中：

E ₀ 为试验杆的弹性模量，单位N/mm²；

A ₀ 为试验杆的横截面积，单位mm²；

ε _i2 为二次冲击加载波、ε _r2 为压缩波，由步骤2）测量得到，为无量纲参数；

钻进过程中试验杆的扭矩通过式3求得：

                                式3

式中：

ρ ₀ 为试验杆的密度，单位kg/m³；

G ₀ 为试验杆的剪切模量，单位N/mm²；

r ₀ 为试验杆的半径，单位mm；

I为单位长度杆对扭转轴的转动惯量，单位为kg·m；

γ为扭转波，由步骤2）测量得到，为无量纲参数。