CN104749052B - 一种高频振动冲击破岩实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种高频振动冲击破岩实验装置，它包括主机、泵站、控制台、数据采集系统，通过轴向高频振动的钻头和水平旋转的岩样相配合，模拟了岩石破碎所需的高频振动冲击激励；主机包括框架、液压缸，液压缸下部安装测力传感器，液压缸下部与回程质量相连，回程质量与激励器相连，激励器与钻头之间设置螺旋弹簧，螺旋弹簧下部与振动传感器相连，加速计安装于螺旋弹簧与振动传感器之间，线性差动变压器安装于螺旋弹簧上；钻头下方为转盘，岩样置于转盘上，转盘设置在升降座上，转盘上安装旋转传感器，测力传感器、振动传感器、加速计、线性差动变压器、旋转传感器均与数据采集系统连接。本发明突破了现有技术中利用钻头对静止的岩样进行破岩的现状，开辟了高频振动冲击破岩的新装置和新方法。

Description

一种高频振动冲击破岩实验装置

技术领域

本发明涉及石油天然气工程领域中用于产生高频振动冲击破碎岩石并可以测量岩石共振频率的钻井装置，具体涉及一种高频振动冲击破岩实验装置。

背景技术

随着钻井深度的增加，破岩难度的加大，钻头加水射流的旋转钻井等常规钻井技术已经不能满足于现代钻井作业的需求，新的钻井方法，如共振钻井技术，谐波振动激励钻井技术等，新的钻井设备，如扭力冲击器，轴向液动冲击器等设备已经成为当今研究发明的重点。这些新的技术、新的设备有一个共同的特点，均是利用高频振动冲击的原理实现岩石的高效破碎。

现有发明涉及到的均为应用于现场实际钻井作业的高频振动冲击设备，并没有可以模拟高频振动冲击破岩的室内实验装置以及测量岩石共振频率的钻井装置的发明研究。本发明的研究可以实现高频振动冲击破岩的室内模拟实验，对并实验数据进行采集处理，为其理论研究提供理论基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种高频振动冲击破岩实验装置，这种高频振动冲击破岩实验装置用于实现高频振动冲击破岩的室内模拟实验，为实现高频振动冲击破岩提供依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种高频振动冲击破岩实验装置包括主机、泵站、控制台、数据采集系统，泵站、控制台均与主机相连，通过轴向高频振动的钻头和水平旋转的岩样相配合，模拟了岩石破碎所需的高频振动冲击激励；主机包括框架、液压缸、回程质量、激励器、螺旋弹簧、钻头、升降座、转盘，液压缸安装在框架的顶端，液压缸下部安装测力传感器，液压缸下部与回程质量相连，回程质量与激励器相连，激励器与钻头之间设置螺旋弹簧，螺旋弹簧下部与振动传感器相连，加速计安装于螺旋弹簧与振动传感器之间，线性差动变压器安装于螺旋弹簧上；钻头下方为转盘，岩样置于转盘上，转盘设置在升降座上，转盘上安装旋转传感器，测力传感器、振动传感器、加速计、线性差动变压器、旋转传感器均与数据采集系统连接。

上述方案中回程质量为铁制质量块，用于控制及辅助系统振动。

上述方案中激励器为磁致伸缩装置，用于提供高频的外部激励。

上述方案中转盘为立式车床旋转平台，用于固定岩样，并对岩样施加旋转运动。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明由轴向高频振动的钻头和水平旋转的岩样相配合，模拟了岩石破碎所需的高频振动冲击激励，提供了可以实现室内模拟实验的实验装置及实验方法，使高频振动冲击破岩过程得以实现。同时，通过本发明测得的实验数据及实验曲线可为高频振动冲击破岩机理分析提供理论基础。

2、本发明突破了现有技术中利用钻头对静止的岩样进行破岩的现状，开辟了高频振动冲击破岩的新装置和新方法。

附图说明

图1是本发明流程示意图；

图2是本发明中主机的结构示意图。

图中：1 泵站 2 主机 3 控制台 4数据采集系统 5 框架 6 液压缸 7 测力传感器 8 回程质量 9 激励器 10 螺旋弹簧 11 线性差动变压器 12 加速计 13 振动传感器14 钻头 15 岩样 16 转盘 17旋转传感器 18 升降座。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种高频振动冲击破岩实验装置包括主机2、泵站1、控制台3、数据采集系统4，泵站1、控制台3均与主机2连接，泵站1为水泵，泵站1向主机2提供所需动力和循环钻井液；控制台3为计算机，用于输入、调控实验参数，控制调节主机2实验参数；数据采集系统4为计算机，数据采集系统4接收测力传感器7，线性差动变压器11，加速计12，振动传感器13和旋转传感器17传回的数据并加以处理。

如图2所示，主机2包括框架5、液压缸6、回程质量8、激励器9、螺旋弹簧10、钻头14、升降座18、转盘16，框架5为铁架，用于支撑、固定实验装置；液压缸6安装在框架5的顶端，液压缸6为推力液压缸，用于将液压能转变为机械能，对系统施加静压力，驱动系统向下运动；液压缸6下部安装测力传感器7，液压缸6下部与回程质量8相连，回程质量8与激励器9相连，激励器9与钻头14之间设置螺旋弹簧10，螺旋弹簧10下部与振动传感器13相连，加速计12安装于螺旋弹簧10与振动传感器13之间，线性差动变压器11安装于螺旋弹簧10上；钻头14下方为转盘16，岩样15置于转盘16上，转盘16设置在升降座18之上，转盘16上安装旋转传感器17，升降座18起到固定、支撑、升降的作用，升降座18与控制台3连接。测力传感器7、振动传感器13、加速计12、线性差动变压器11、旋转传感器17均与数据采集系统4连接。

回程质量8为铁制质量块，用于控制及辅助系统振动。激励器9为磁致伸缩装置，用于提供高频的外部激励。螺旋弹簧10有两个，用于向钻头传输冲击振动和高频激励。钻头14为通用刮刀、牙轮钻头、PDC等，用于破碎实验岩样。

转盘16为立式车床旋转平台，用于固定岩样15，并对岩样15施加旋转运动，转盘16与控制台3连接。

测力传感器7用于测量系统破岩时施加于钻头上的压力。加速计12用于测量高频振动冲击破岩系统的振动加速度。线性差动变压器11用于测量系统的振动位移、压力等参数。旋转传感器17用于测量转盘16对岩样15提供的转速。

液压缸6安装在框架5的顶端，对系统施加静压力，驱动系统向下运动，与其连接的测力传感器7测量其静压力的大小。回程质量8与测力传感器7连接，在液压缸6静压力作用下产生往复运动，激励与其连接的磁致伸缩装置9产生高频的轴向激励，并通过两根螺旋弹簧10将轴向高频振动冲击传递到钻头13，再配合转盘15的旋转运动带动岩样进行旋转，钻头13对旋转的岩样14产生轴向的高频振动冲击，共同完成高频振动冲击破岩。

磁致伸缩装置施加的冲击频率以及高频振动冲击过程中产生的冲击力，位移，加速度，转速等实验参数通过测力传感器7，线性差动变压器11，加速计12和旋转传感器16等部件测量并传递给数据采集系统4进行数理，为高频振动冲击破岩机理分析提供理论基础。

这种高频振动冲击破岩实验装置的实验方法为：

（1）对所钻地层取心，制备实验所需岩样15。

（2）将实验岩样固定于转盘16上。

（3）通过控制台3将岩样15调整到合适高度，设定实验参数，包括频率、钻压、转速、钻时、钻深等参数。

（4）开启泵站1，启动液压缸6，循环清水钻井液，开始高频振动冲击破岩。

（5）采集实验数据。

（6）钻进完成后，液压缸6自动停止运动，关闭液压缸6。

（7）关闭泵站1，停止清水钻井液循环，实验结束。

（8）数据采集系统生成实验数据表和实验曲线图。

（9）分析实验数据及曲线图，岩样机械钻速瞬时显著增加时所对应的频率即为所钻地层岩石的共振频率。

Claims (4)

1.一种高频振动冲击破岩实验装置，其特征在于：这种高频振动冲击破岩实验装置包括主机（2）、泵站（1）、控制台（3）、数据采集系统（4），泵站（1）、控制台（3）均与主机（2）相连，通过轴向高频振动的钻头（14）和水平旋转的岩样（15）相配合，模拟了岩石破碎所需的高频振动冲击激励；主机（2）包括框架（5）、液压缸（6）、回程质量（8）、激励器（9）、螺旋弹簧（10）、钻头（14）、升降座（18）、转盘（16），液压缸（6）安装在框架（5）的顶端，液压缸（6）下部安装测力传感器（7），液压缸（6）下部与回程质量（8）相连，回程质量（8）与激励器（9）相连，激励器（9）与钻头（14）之间设置螺旋弹簧（10），螺旋弹簧（10）下部与振动传感器（13）相连，加速计（12）安装于螺旋弹簧（10）与振动传感器（13）之间，线性差动变压器（11）安装于螺旋弹簧（10）上；钻头（14）下方为转盘（16），岩样（15）置于转盘（16）上，转盘（16）设置在升降座（18）上，转盘（16）上安装旋转传感器（17）；测力传感器（7）、振动传感器（13）、加速计（12）、线性差动变压器（11）、旋转传感器（17）均与数据采集系统（4）连接。

2.根据权利要求1所述的高频振动冲击破岩实验装置，其特征在于：所述的回程质量（8）为铁制质量块，用于控制及辅助系统振动。

3.根据权利要求1所述的高频振动冲击破岩实验装置，其特征在于：所述的激励器（9）为磁致伸缩装置，用于提供高频的外部激励。

4.根据权利要求1所述的高频振动冲击破岩实验装置，其特征在于：所述的转盘（16）为立式车床旋转平台，用于固定岩样（15），并对岩样施加旋转运动。