CN104712249A - 一种模拟激光钻井破岩的实验方法及实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟激光钻井破岩的实验方法，使用双轴应力模拟地层应力，通过方向调整组件控制激光束照射位置高度，改变激光束照射在岩样表面光斑大小，使用循环气体模拟激光钻井中的气体循环氛围，通过气体收集部件，收集试验后循环气体，用以分析激光破碎岩石物理化学反应；本发明还对应提供了模拟激光钻井破岩的实验装置，包括控制台、操作台、方向调整组件、固定在方向调整组件上的激光切割头、液压系统、密封单元和与密封盒连通的气体收集单元；本发明提供的实验方法可模拟地层中激光钻井破岩，通过循环气体分析激光破碎岩石物理化学反应，实验装置安全环保，激光光斑调整更简洁智能，可同时获得多个循环气体实验样品。

Description

一种模拟激光钻井破岩的实验方法及实验装置

技术领域

本发明涉及一种用于研究激光破碎岩石机理的实验方法和实验装置，具体地说是一种模拟激光钻井破岩的实验方法及实验装置。

背景技术

随着科技高速发展，激光钻井因其高效环保，越来越受到人们的重视。然而人们对于激光钻井破岩理论研究所需实验装置并不完备，实验方法也十分粗糙，难以保证实验的准确性。其常用的激光破岩实验装置有以下不足：模拟不够真实，激光光斑调整精度不高，污染环境。因此，研究出一种真实模拟井下岩石所受围压、精度高的实验方法成为激光钻井破岩理论研究亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种激光破碎岩石实验模拟真实、激光光斑调整精度高并且无环境污染的模拟激光钻井破岩的实验方法及实验装置。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种模拟激光钻井破岩的实验方法，包括如下步骤：

1)将岩样放入透明的带进气口和出气口的密封盒中，限制岩样在X轴方向和Y轴方向的位移，使用高度传感器测量并且标定岩样的表面高度；

(2)确定岩样的破碎点，破碎点之间间隔为30～50毫米，调整并标定各个破碎点的位置，避免破碎点在岩样裂缝上；

(3)沿X轴方向和Y轴方向向岩样施加压力使岩样受压产生双轴应力以模拟地层岩石的应力，然后将密封盒密封；

(4)从密封盒的进气口向密封盒中通入循环气体，同时从密封盒的出气口向外抽气，循环气体充满密封盒以模拟激光钻井中的气体循环氛围，激光切割头依次照射岩样的各破碎点对岩样进行破碎，收集岩样破碎过程中抽出的气体作为实验气体；所述循环气体为氮气、氦气或空气。

步骤4中激光切割头在各个破碎点破岩的时间为1～20秒，各个破碎点破碎的时间间隔为1～20秒。

步骤4中激光切割头选用正离焦方式对岩样破碎点进行破碎。

本发明还对应提供了一种模拟激光钻井破岩的实验装置，包括控制台、操作台、方向调整组件、固定在方向调整组件上的激光切割头、液压系统、密封单元和与密封盒连通的气体收集单元，激光切割头、方向调整组件、液压系统、密封单元和气体收集单元均安装在操作台上并且均由控制台控制运行，液压系统和气体收集单元均位于激光切割头的下方；方向调整组件包括实验台主架，X轴方向调整组件，Y轴方向调整组件和Z轴方向调整组件，所述实验台主架包括水平安装的实验台横梁，以及竖直固定在实验台横梁两端的实验台支柱A和实验台支柱B，激光切割头固定在Z轴方向调整组件上，Z轴方向调整组件固定在X轴方向调整组件上，X轴方向调整组件安装于实验台主架上，实验台主架安装在Y轴方向调整组件上；

所述X轴方向调整组件包括齿轮齿条机构A、步进电机A、X轴方向导轨副A和X轴方向安装底座，齿条A与X轴方向导轨副A固定于实验台横梁的同一竖直侧面上，X轴方向安装底座呈板状，固定于X轴方向导轨副A的滑块并且紧靠于滑块的侧面，步进电机A固定在X轴方向安装底座上，其输出轴与齿轮A连接；所述Y轴方向调整组件包括Y轴方向导轨副A、Y轴方向导轨副B、齿轮齿条机构B、步进电机B，步进电机B固定于Y轴方向导轨副A的滑块上，通过齿轮齿条机构B驱动Y轴方向导轨副A和Y轴方向导轨副B，实验台支柱A和实验台支柱B分别安装在Y轴方向导轨副A和Y轴方向导轨副B上；所述Z轴方向调整组件包括滚珠丝杠副和驱动滚珠丝杠副转动的步进电机C，滚珠丝杠副固定于X轴方向安装底座上，激光切割头固定在滚珠丝杠副的螺母上；

所述液压系统包括液压油箱、液压泵、电磁阀、液压缸A、由液压缸A活塞杆推动的推板A、液压缸B和由液压缸B活塞杆推动的推板B，液压油箱、液压泵和电磁阀通过油管依次顺序连通，电磁阀的出油口分别与液压缸A和液压缸B的进油口连通，推板A和推板B所在平面分别与液压缸A和液压缸B的活塞杆垂直，推板A和推板B所在平面成90°夹角，分别沿X轴方向和Y轴方向对岩样施加压力；

所述密封单元包括固定在操作台上的密封盒、位于密封盒顶部的透明上罩以及岩样底座，岩样通过岩样底座固定在密封盒中，上罩位于密封盒与激光切割头之间，推板A和推板B均位于密封盒内；

所述气体收集单元包括安装在操作台上的气体收集实验箱，安装在气体收集实验箱中的真空泵、两位三通电磁换向阀、气体单向阀和集气瓶，以及安装在气体收集实验箱外的气罐；两位三通电磁换向阀的入口连通气罐，出口A连通密封盒的进气口，出口B接气体单向阀后连通密封盒的出气口，密封盒的出气口同时与真空泵的进气口连通，真空泵的出气口气管连通集气瓶。

实验台支柱与Y轴方向导轨副之间设有实验台支柱安装底座，实验台支柱与Y轴方向导轨副通过实验台支柱安装底座连接；X轴方向安装底座上安装有固定盒，X轴方向安装底座位于X轴方向导轨副A的滑块与固定盒之间，步进电机A、Z轴方向调整组件和激光切割头均位于固定盒中，步进电机A的输出轴穿过X轴方向安装底座和固定盒的盒壁与齿轮A连接，固定盒的底面上开设有用于激光穿过的通孔；所述激光切割头为HIGHYAG系列中BIMO-FSC激光切割头，激光切割头中设有电容式高度感应传感器和红光发射器。

X轴方向调整组件和Y轴方向调整组件中分别设有拖链A和拖链B，拖链A位于实验台横梁的顶面上，拖链B位于操作台上并且靠近Y轴方向导轨副B。

液压油箱与电磁阀之间设有滤油器、油压表、溢流阀和冷却器，液压油箱、滤油器、液压泵和电磁阀通过油管依次顺序连通，用于为电磁阀供油，所述电磁阀为三位四通电磁换向阀，三位四通电磁换向阀入口P接液压泵出口，回油口T接冷却器再与油箱连通，其中一个出口A口接液压缸A和液压缸B的进油口，另一个出口B口接液压缸A和液压缸B的出油口；液压泵的出口接油压表和溢流阀后与液压油箱连通。

所述液压缸A和液压缸B的活塞杆与推板A和推板B分别通过连接轴A和连接轴B连接，连接轴A和连接轴B均穿过密封盒并且一端伸入密封盒中，密封盒与连接轴A和连接轴B之间分别设有密封环A和密封环B；岩样底座、推板A和推板B的表面均覆盖有一层橡胶板。

气体收集单元中的集气瓶设有4个，分别为集气瓶A、集气瓶B、集气瓶C和集气瓶D，真空泵与集气瓶之间连通有4个两位三通电磁换向阀，分别为两位三通电磁换向阀A、两位三通电磁换向阀B、两位三通电磁换向阀C和两位三通电磁换向阀D；两位三通电磁换向阀A的入口与真空泵的出气口连通，出口A连接两位三通电磁换向阀B入口，出口B连接有用于向外界排气的单向阀；两位三通电磁换向阀B的出口A连接两位三通电磁换向阀C的入口，出口B连接两位三通电磁换向阀D入口；两位三通电磁换向阀C的出口A和出口B分别与集气瓶A和集气瓶B连通，两位三通电磁换向阀D的出口A和出口B分别与集气瓶C和集气瓶D连通；气体收集实验箱的控制面板上设有用于指示各集气瓶集气状态的集气指示灯A、集气指示灯B、集气指示灯C和集气指示灯D。

所述气体收集单元中设有气压表A、气体溢流减压阀、气压表B、气体流量计和A、气体流量计B和分水滤气器，气罐、气压表A、气体溢流减压阀、气压表B、两位三通电磁换向阀、气体流量计A、密封盒、分水滤气器和真空泵通过气管依次顺序连通，真空泵的出气口接气体流量计B后与两位三通电磁换向阀A的入口连通，真空泵的出气口同时连接用于保护回路安全的气体溢流阀。

本发明提供的模拟激光钻井破岩的实验方法及实验装置具有如下优点：

(1)实验模拟更真实，采用双轴压力挤压岩样，模拟地层应力，通入循环气体模拟激光钻井中的气体循环氛围，实验更加真实；收集的实验后的循环气体可用于气体分析，进一步准确分析岩样与激光的相互作用，分析激光破碎岩石物理化学反应；

(2)实验激光光斑调整更简洁智能，BIMO-FSC激光切割头在X轴方向和Y轴方向的位移均通过齿轮齿条机构、步进电机和导轨副实现，滚珠丝杠副和步进电机实现Z轴方向移动，控制台控制X轴方向调整组件，Y轴方向调整组件和Z轴方向调整组件的运行，BIMO-FSC激光切割头能够按照轨迹路线自由移动，激光光斑大小可调，使得实验更加简便智能；

(3)安全环保，激光破岩在密封盒中进行，可有效避免高温岩屑飞溅对于实验人员的伤害，实验更加安全，气体收集单元能及时控制实验产生的有害气体排放，装置更加环保；

(4)实验结果更准确，使用多个集气瓶分别收集岩样不同位置破碎点破碎后产生的气体，可获得多个循环气体实验样品，消除错误或减小误差对实验结果的影响。

附图说明

图1为本发明激光破碎岩石实验装置的整体结构正面立体图。

图2为本发明激光破碎岩石实验装置的整体结构背面立体图。

图3为本发明激光破碎岩石实验装置的部分零件左视图。

图4为本发明激光破碎岩石实验装置的部分零件右视图。

图5为本发明激光破碎岩石实验装置的液压系统回路图。

图6为本发明激光破碎岩石实验装置的气压系统回路图。

图7为本发明激光破碎岩石实验装置实验流程图。

其中，1-操作台，2-控制台，3-实验台支柱外壳A，4-拖链B，5-Y轴方向导轨副A，6-液压缸A，7-液压缸底座A，8-连接轴A，9-密封环A，10-推板A，11-岩样，12-岩样底座，13-密封盒，14-上罩，15-固定盒，16-BIMO-FSC激光切割头，17-拖链A，18-液压缸底座B，19-齿条A，20-X轴方向导轨副，21-方向调整组件，22-气体收集实验箱，23-气体收集组件，24-实验台支柱外壳B，25-推板B，26-密封环B，27-连接轴B，28-液压缸B，29-集气瓶A，30-集气瓶B，31-集气瓶C，32-集气瓶D，33-集气指示灯D，34-集气指示灯C，35-集气指示灯B，36-集气指示灯A，37-分水滤气器，38-实验台横梁，39-电线，40-Y轴方向导轨副B，41-Y轴方向导轨副A滑块，42-实验台支柱安装底座A，43-实验台支柱A，44-步进电机安装座A，45-联轴器A，46-激光束，47-步进电机A，48-滚珠丝杆副，49-联轴器C，50-步进电机安装座C，51-步进电机C，52-X轴方向安装底座，53-X轴方向导轨副A滑块，54-齿轮A，55-齿条B，56-实验台支柱B，57-Y轴方向导轨副B滑块，58-联轴器B，59-齿轮B，60-步进电机B，61-实验台支柱安装底座B，62-步进电机安装座B，63-电磁阀，64-液压泵，65-滤油器，66-液压油箱，67-溢流阀，68-油压表，69-冷却器，70-两位三通电磁换向阀B，71-两位三通电磁换向阀C，72-真空泵，73-两位三通电磁换向阀D，74-单向阀，75-两位三通电磁换向阀A，76-气体溢流阀，77-气体流量计B，78-两位三通电磁换向阀，79-气体单向阀，80-气体流量计A，81-气压表B，82-气体溢流减压阀，83-气压表A，84-气罐。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明。

实施例1：模拟激光氮气钻井，包括如下步骤：

(1)将岩样放入透明的密封盒中，限制岩样在X轴方向和Y轴方向的位移，使用高度传感器测量并且标定岩样的表面高度；

(2)确定岩样的破碎点，破碎点之间间隔为35毫米，调整并标定各个破碎点的位置，避免破碎点在岩样裂缝上；

(3)沿X轴方向和Y轴方向向岩样施加压力使岩样受压产生双轴应力模拟地层岩石的应力，随后将密封盒密封；

(4)从密封盒的进气口向密封盒中通入氮气，同时从密封盒的出气口向外抽气，氮气充满密封盒以模拟激光钻井中的氮气循环氛围，激光切割头选用正离焦方式依次照射岩样各破碎点对岩样进行破碎，各个破碎点破岩的时间为5秒，收集岩样破碎过程中抽出的气体作为实验气体，相邻两个破碎点破碎的时间间隔为5秒。

实施例2：模拟激光空气钻井，包括如下步骤：

(1)将岩样放入透明的密封盒中，限制岩样在X轴方向和Y轴方向的位移，使用高度传感器测量并且标定岩样的表面高度；

(2)确定岩样的破碎点，破碎点之间间隔为35毫米，调整并标定各个破碎点的位置，避免破碎点在岩样裂缝上；

(3)沿X轴方向和Y轴方向向岩样施加压力使岩样受压产生双轴应力模拟地层岩石的应力，随后将密封盒密封；

(4)从密封盒的进气口向密封盒中通入新鲜空气，同时从密封盒的出气口向外抽气，新鲜空气充满密封盒以模拟激光钻井中的空气循环氛围，激光切割头选用正离焦方式依次照射岩样各破碎点对岩样进行破碎，各个破碎点破岩的时间为10秒，收集岩样破碎过程中抽出的气体作为实验气体，相邻两个破碎点破碎的时间间隔为15秒。

实施例3：模拟激光氦气钻井，包括如下步骤：

(1)将岩样放入透明的密封盒中，限制岩样在X轴方向和Y轴方向的位移，使用高度传感器测量并且标定岩样的表面高度；

(2)确定岩样的破碎点，破碎点之间间隔为35毫米，调整并标定各个破碎点的位置，避免破碎点在岩样裂缝上；

(3)沿X轴方向和Y轴方向向岩样施加压力使岩样受压产生双轴应力模拟地层岩石的应力，随后将密封盒密封；

(4)从密封盒的进气口向密封盒中通入氦气，同时从密封盒的出气口向外抽气，氦气充满密封盒以模拟激光钻井中的氦气循环氛围，激光切割头选用正离焦方式依次照射岩样各破碎点对岩样进行破碎，各个破碎点破岩的时间为15秒，收集岩样破碎过程中抽出的气体作为实验气体，相邻两个破碎点破碎的时间间隔为20秒。

本发明还对应提供了一种模拟激光钻井破岩的实验装置，其结构如图1、图2、图3和图4所示，包括操作台1、控制台2、方向调整组件21、固定在方向调整组件上的激光切割头16、液压系统、密封单元和与密封盒连通的气体收集单元23，激光切割头16、方向调整组件、液压系统、密封单元和气体收集单元均安装在操作台1上并且均由控制台2控制运行，液压系统和气体收集单元均位于激光切割头的下方；方向调整组件包括实验台主架，X轴方向调整组件，Y轴方向调整组件和Z轴方向调整组件，所述实验台主架包括水平安装的实验台横梁38，以及竖直固定在实验台横梁38两端的实验台支柱A43和实验台支柱B56，激光切割头固定在Z轴方向调整组件上，Z轴方向调整组件固定在X轴方向调整组件上，X轴方向调整组件安装于实验台主架上，实验台主架安装在Y轴方向调整组件上；

所述X轴方向调整组件包括齿轮齿条机构A19、步进电机A47、X轴方向导轨副A20、拖链A17、X轴方向安装底座52和固定在X轴方向安装底座上的固定盒15，拖链A17位于实验台横梁38的顶面上用于牵引和保护内置电线39，齿条A与X轴方向导轨副A固定于实验台横梁的同一竖直侧面上，X轴方向安装底座52呈板状，固定于X轴方向导轨副A20的滑块53并且紧靠于滑块53的侧面，X轴方向安装底座位于X轴方向导轨副A的滑块53与固定盒15之间，步进电机A通过步进电机安装座A44固定在固定盒中，其输出轴穿过X轴方向安装底座和固定盒的盒壁并且通过联轴器A45与齿轮A54连接；所述Y轴方向调整组件包括Y轴方向导轨副A5、Y轴方向导轨副B40、齿轮齿条机构B55、步进电机B60和拖链B4，拖链B4安装在操作台上并且靠近Y轴方向导轨副B步进电机B60通过步进电机安装座B62固定于Y轴方向导轨副A的滑块A41上，其输出轴通过联轴器B58与齿轮齿条机构B55的齿轮B59连接，通过齿轮齿条机构B驱动Y轴方向导轨副A和Y轴方向导轨副B，实验台支柱A和实验台支柱B分别安装在Y轴方向导轨副A5和Y轴方向导轨副B40上，实验台支柱与Y轴方向导轨副之间设有实验台支柱安装底座，分别为实验台支柱安装底座A42和实验台支柱安装底座B61，实验台支柱A与Y轴方向导轨副A的滑块A41通过实验台支柱安装底座A连接，实验台支柱B与Y轴方向导轨副B的滑块B57通过实验台支柱安装底座B连接，实验台支柱A和实验台支柱B上分别套设有实验台支柱外壳A3和实验台支柱外壳B24；Z轴方向调整组件和激光切割头16均位于固定盒15中，所述Z轴方向调整组件包括滚珠丝杠副48和驱动滚珠丝杠副48转动的步进电机C51，步进电机C51通过步进电机安装座C50安装在固定盒中，其输出轴通过联轴器C49与滚珠丝杠副48的一端连接，滚珠丝杠副固定于X轴方向安装底座上，激光切割头固定在滚珠丝杠副的螺母上，固定盒的底面上开设有用于激光束46穿过的通孔；所述激光切割头为HIGHYAG系列中BIMO-FSC激光切割头，激光切割头中设有电容式高度感应传感器和红光发射器；

所述液压系统包括液压油箱66、液压泵64、滤油器65、溢流阀67、油压表68、冷却器69、电磁阀63、液压缸A6、液压缸底座A7、推板A10、连接轴A8、液压缸B28、液压缸底座B18、推板B25和连接轴B27，液压缸A通过液压缸底座A固定在操作台上，液压缸B通过液压缸底座B固定在操作台上，液压缸A和液压缸B的活塞杆与推板A和推板B分别通过连接轴A和连接轴B连接，液压回路如图5所示，液压油箱、滤油器、液压泵和电磁阀通过油管依次顺序连通，用于为电磁阀63供油，电磁阀63为三位四通电磁换向阀，三位四通电磁换向阀入口P接液压泵出口，回油口T接冷却器再与油箱连通，其中一个出口A口接液压缸A和液压缸B的进油口，另一个出口B口接液压缸A和液压缸B的出油口；液压泵的出口接油压表和溢流阀后与液压油箱连通，推板A和推板B所在平面分别与液压缸A和液压缸B的活塞杆垂直，推板A和推板B所在平面成90°夹角，分别沿X轴方向和Y轴方向对岩样施加压力；

所述密封单元包括固定在操作台上的密封盒13、位于密封盒顶部的透明上罩14以及岩样底座12，岩样底座、推板A和推板B的表面均覆盖有一层用于保护岩样和保证岩样受力均匀的橡胶板，岩样11通过岩样底座固定在密封盒中，上罩位于密封盒与激光切割头之间，连接轴A和连接轴B均穿过密封盒并且一端伸入密封盒中，推板A和推板B均位于密封盒内，密封盒与连接轴A和连接轴B之间分别设有密封环A9和密封环B26。

所述气体收集单元包括安装在操作台上的气体收集实验箱22，安装在气体收集实验箱22中的两位三通电磁换向阀78、两位三通电磁换向阀A75、两位三通电磁换向阀B70、两位三通电磁换向阀C71、两位三通电磁换向阀D73、集气瓶A29、集气瓶B30、集气瓶C31、集气瓶D32和单向阀74，以及安装在气体收集实验箱外的分水滤气器37、气压表A83、气体溢流减压阀82、气压表B81、气体流量计A80、气体单向阀79和气罐84；气体收集回路如图6所示，气罐、气压表A、气体溢流减压阀、气压表B、两位三通电磁换向阀78、气体流量计A、密封盒、分水滤气器和真空泵通过气管依次顺序连通，两位三通电磁换向阀78的入口连通气罐84，出口A连通密封盒的进气口，出口B接气体单向阀79后连通密封盒的出气口，密封盒的出气口同时与真空泵的进气口连通，真空泵的出气口接气体流量计B后与两位三通电磁换向阀A的入口连通，两位三通电磁换向阀A的入口与真空泵的出气口连通，出口A连接两位三通电磁换向阀B入口，出口B连接有用于向外界排气的单向阀；两位三通电磁换向阀B的出口A连接两位三通电磁换向阀C的入口，出口B连接两位三通电磁换向阀D入口；两位三通电磁换向阀C的出口A和出口B分别与集气瓶A和集气瓶B连通，两位三通电磁换向阀D的出口A和出口B分别与集气瓶C和集气瓶D连通，真空泵的出气口同时连接用于保护回路安全的气体溢流减压阀82，气体收集实验箱22的控制面板上设有用于指示各集气瓶集气状态的集气指示灯A36、集气指示灯B35、集气指示灯C34和集气指示灯D33。

如图7所示，本发明提供的实验装置的具体操作步骤如下：

(1)将岩样放置在岩样底座上，开启控制台；

(2)打开激光切割头的红光发射器，放置一块定位铁片在岩样表面，调整红光位置至定位铁片上方，测量岩样表面水平高度，标定岩样表面高度，测量结束移开定位铁片；

(3)在控制台中设置预定轨迹，包括每个破碎点的位置，每个破碎点激光光斑大小，循环气体开启时间，激光照射时间，每两个破碎点时间间隔，是否需要收集实验后气体，每个破碎点实验后气体通向的集气瓶；

(4)红光模拟设定轨迹，如运动轨迹不理想，再次修改预定轨迹；

(5)安装密封罩，打开激光切割头和液压泵；

(6)打开气罐，调整输入气压；

(7)两位三通电磁换向阀78出口A导通，循环气体进入到密封盒中，打开真空泵，让循环气体充满密封盒，两位三通电磁换向阀78出口B导通，循环气体不进入到密封盒中；

(8)三位四通电磁换向阀换位到A方向，液压缸A和液压缸B动作，推板A和推板B将岩样夹紧施压；

通过Z轴方向移动，激光照射到岩样表面的光斑大小随之改变；激光按设置轨迹破碎岩样，在激光照射岩样之前，必须抽出密封盒中原有气体同时开启循环气体，以保证循环气体充满密封盒，模拟激光钻井的气体循环氛围，各破碎点破碎时收集实验气体，两位三通电磁换向阀A出口A导通；

当设置该点破碎实验后气体进入集气瓶A时，集气指示灯A亮，两位三通电磁换向阀B出口A导通，两位三通电磁换向阀C出口A导通，实验后气体进入集气瓶A，该点破碎结束后，集气指示灯A灭；

当设置该点破碎实验后气体进入集气瓶B时，集气指示灯B亮，两位三通电磁换向阀B出口A导通，两位三通电磁换向阀C出口B导通，实验后气体进入集气瓶B，该点破碎结束后，集气指示灯B灭；

当设置该点破碎实验后气体进入集气瓶C时，集气指示灯C亮，两位三通电磁换向阀B出口B导通，两位三通电磁换向阀D出口A导通，实验后气体进入集气瓶C，该点破碎结束后，集气指示灯C灭；

当设置该点破碎实验后气体进入集气瓶D时，集气指示灯D亮，两位三通电磁换向阀B出口B导通，两位三通电磁换向阀D出口B导通，实验后气体进入集气瓶D，该点破碎结束后，集气指示灯D灭；

通过集气指示灯的指示，提醒实验人员及时更换集气瓶；

如果不收集实验气体，两位三通电磁换向阀A出口B导通，实验气体从单向阀口进入外部，实验气体经过进一步处理后排放；

(9)实验结束后，先关闭气罐，再关闭激光切割头和液压泵；

(10)最后关闭操作台。

Claims (10)

1.一种模拟激光钻井破岩的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将岩样放入透明的带进气口和出气口的密封盒中，限制岩样在X轴方向和Y轴方向的位移，使用高度传感器测量并且标定岩样的表面高度；

(2)确定岩样的破碎点，破碎点之间间隔为30～50毫米，调整并标定各个破碎点的位置，避免破碎点在岩样裂缝上；

(3)沿X轴方向和Y轴方向向岩样施加压力使岩样受压产生双轴应力以模拟地层岩石的应力，然后将密封盒密封；

(4)从密封盒的进气口向密封盒中通入循环气体，同时从密封盒的出气口向外抽气，循环气体充满密封盒以模拟激光钻井中的气体循环氛围，激光切割头依次照射岩样的各破碎点对岩样进行破碎，收集岩样破碎过程中抽出的气体作为实验气体；所述循环气体为氮气、氦气或空气。

2.根据权利要求1所述的模拟激光钻井破岩的实验方法，其特征在于：步骤4中激光切割头在各个破碎点破岩的时间为1～20秒，各个破碎点破碎的时间间隔为1～20秒。

3.根据权利要求1所述的模拟激光钻井破岩的实验方法，其特征在于：步骤4中激光切割头选用正离焦方式对岩样破碎点进行破碎。

4.一种用于权利要求1所述模拟激光钻井破岩实验方法的装置，其特征在于：包括控制台、操作台、方向调整组件、固定在方向调整组件上的激光切割头、液压系统、密封单元和与密封盒连通的气体收集单元，激光切割头、方向调整组件、液压系统、密封单元和气体收集单元均安装在操作台上并且均由控制台控制运行，液压系统和气体收集单元均位于激光切割头的下方；方向调整组件包括实验台主架，X轴方向调整组件，Y轴方向调整组件和Z轴方向调整组件，所述实验台主架包括水平安装的实验台横梁，以及竖直固定在实验台横梁两端的实验台支柱A和实验台支柱B，激光切割头固定在Z轴方向调整组件上，Z轴方向调整组件固定在X轴方向调整组件上，X轴方向调整组件安装于实验台主架上，实验台主架安装在Y轴方向调整组件上；

所述X轴方向调整组件包括齿轮齿条机构A、步进电机A、X轴方向导轨副A和X轴方向安装底座，齿条A与X轴方向导轨副A固定于实验台横梁的同一竖直侧面上，X轴方向安装底座呈板状，固定于X轴方向导轨副A的滑块上并且紧靠于滑块的侧面，步进电机A固定在X轴方向安装底座上，其输出轴与齿轮A连接；所述Y轴方向调整组件包括Y轴方向导轨副A、Y轴方向导轨副B、齿轮齿条机构B、步进电机B，步进电机B固定于Y轴方向导轨副A的滑块上，通过齿轮齿条机构B驱动Y轴方向导轨副A和Y轴方向导轨副B，实验台支柱A和实验台支柱B分别安装在Y轴方向导轨副A和Y轴方向导轨副B上；所述Z轴方向调整组件包括滚珠丝杠副和驱动滚珠丝杠副转动的步进电机C，滚珠丝杠副固定于X轴方向安装底座上，激光切割头固定在滚珠丝杠副的螺母上；

所述液压系统包括液压油箱、液压泵、电磁阀、液压缸A、由液压缸A活塞杆推动的推板A、液压缸B和由液压缸B活塞杆推动的推板B，液压油箱、液压泵和电磁阀通过油管依次顺序连通，电磁阀的出油口分别与液压缸A和液压缸B的进油口连通，推板A和推板B所在平面分别与液压缸A和液压缸B的活塞杆垂直，推板A和推板B所在平面成90°夹角，分别沿X轴方向和Y轴方向对岩样施加压力；

所述密封单元包括固定在操作台上的密封盒、位于密封盒顶部的透明上罩以及岩样底座，岩样通过岩样底座固定在密封盒中，上罩位于密封盒与激光切割头之间，推板A和推板B均位于密封盒内；

所述气体收集单元包括安装在操作台上的气体收集实验箱，安装在气体收集实验箱中的真空泵、两位三通电磁换向阀、气体单向阀和集气瓶，以及安装在气体收集实验箱外的气罐；两位三通电磁换向阀的入口连通气罐，出口A连通密封盒的进气口，出口B接气体单向阀后连通密封盒的出气口，密封盒的出气口同时与真空泵的进气口连通，真空泵的出气口气管连通集气瓶。

5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于：实验台支柱与Y轴方向导轨副之间设有实验台支柱安装底座，实验台支柱与Y轴方向导轨副通过实验台支柱安装底座连接；X轴方向安装底座上安装有固定盒，X轴方向安装底座位于X轴方向导轨副A的滑块与固定盒之间，步进电机A、Z轴方向调整组件和激光切割头均位于固定盒中，步进电机A的输出轴穿过X轴方向安装底座和固定盒的盒壁与齿轮A连接，固定盒的底面上开设有用于激光穿过的通孔；所述激光切割头为HIGHYAG系列中BIMO-FSC激光切割头，激光切割头中设有电容式高度感应传感器和红光发射器。

6.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于：X轴方向调整组件和Y轴方向调整组件中分别设有拖链A和拖链B，拖链A位于实验台横梁的顶面上，拖链B位于操作台上并且靠近Y轴方向导轨副B。

7.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于：液压油箱与电磁阀之间设有滤油器、油压表、溢流阀和冷却器，液压油箱、滤油器、液压泵和电磁阀通过油管依次顺序连通，用于为电磁阀供油，所述电磁阀为三位四通电磁换向阀，三位四通电磁换向阀入口P接液压泵出口，回油口T接冷却器再与油箱连通，其中一个出口A口接液压缸A和液压缸B的进油口，另一个出口B口接液压缸A和液压缸B的出油口；液压泵的出口接油压表和溢流阀后与液压油箱连通。

8.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于：所述液压缸A和液压缸B的活塞杆与推板A和推板B分别通过连接轴A和连接轴B连接，连接轴A和连接轴B均穿过密封盒并且一端伸入密封盒中，密封盒与连接轴A和连接轴B之间分别设有密封环A和密封环B；岩样底座、推板A和推板B的表面均覆盖有一层橡胶板。

9.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于：气体收集单元中的集气瓶设有4个，分别为集气瓶A、集气瓶B、集气瓶C和集气瓶D，真空泵与集气瓶之间连通有4个两位三通电磁换向阀，分别为两位三通电磁换向阀A、两位三通电磁换向阀B、两位三通电磁换向阀C和两位三通电磁换向阀D；两位三通电磁换向阀A的入口与真空泵的出气口连通，出口A连接两位三通电磁换向阀B入口，出口B连接有用于向外界排气的单向阀；两位三通电磁换向阀B的出口A连接两位三通电磁换向阀C的入口，出口B连接两位三通电磁换向阀D入口；两位三通电磁换向阀C的出口A和出口B分别与集气瓶A和集气瓶B连通，两位三通电磁换向阀D的出口A和出口B分别与集气瓶C和集气瓶D连通；气体收集实验箱的控制面板上设有用于指示各集气瓶集气状态的集气指示灯A、集气指示灯B、集气指示灯C和集气指示灯D。

10.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于：所述气体收集单元中设有气压表A、气体溢流减压阀、气压表B、气体流量计和A、气体流量计B和分水滤气器，气罐、气压表A、气体溢流减压阀、气压表B、两位三通电磁换向阀、气体流量计A、密封盒、分水滤气器和真空泵通过气管依次顺序连通，真空泵的出气口接气体流量计B后与两位三通电磁换向阀A的入口连通，真空泵的出气口同时连接用于保护回路安全的气体溢流阀。