CN110082181A - 立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置及预射孔加工方法 - Google Patents

立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置及预射孔加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置及预射孔加工方法，装置包括基础平台、气钻、试样夹持器、气压控制装置和位置调节装置；气钻和试样夹持器均通过位置调节装置设置；位置调节装置由升降装置、纵向移位装置和试样移位装置组成：纵向移位装置呈可升降和俯仰角度可调节的结构；试样夹持器呈可水平横向移动地设置；气钻包括气动机呈可移动的竖直设置，气动机的输出端连接有输出端构成钻杆的转角传动装置，钻杆前端设有金刚石刀具夹持用轴套，钻杆轴线与气钻移动方向平行，且二者重合在同一竖直平面内。加工方法基于预射孔装置实施。本发明的有益效果是，装置结构简单、布局紧凑，便于倾斜射孔操作；加工方法工艺过程合理，操作方便，效率高。

Description

立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置及预射孔加工方法
技术领域
本发明属于非常规油气开采模拟技术，具体是一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置及预射孔方法。
背景技术
在非常规油气开采的压裂开采工程中，如页岩油气、煤层气等的开采，现场试验已经从单井的水力压裂、CO2相变致裂等发展到多井多段压裂。当在压裂开采现场采用多段压裂时，往往需要选取不同间距、不同方位等的射孔布置对试验段或工程段进行现场试验。此时，现场试验往往会形成多簇的压裂裂缝网络，不同射孔间距导致了不同的裂缝网络簇间距，同时，不同簇间距下的裂缝网络之间会形成缝间干扰，对压裂开采效果影响巨大，因此，制作用于实验尺度的压裂模拟试样，并在其内模拟的水平井内布置射孔以模拟多段压裂试验是十分必要的。
无论是工程中还是实验过程中，流体压裂时，学者们都认识到最大水平地应力对起裂行为有很大影响，但在现有的研究实验中，大都采用与垂直地应力成90°夹角的射孔进行研究起裂行为。实际上，水平井中心轴线与射孔中心轴线的倾斜角度(即垂直地应力与射孔中心轴线的夹角)和其相应的缝间干扰对压裂效果具有重要影响，然而其倾斜角度对起裂行为、裂纹形态和裂纹扩展的影响这方面鲜有研究，更缺少相关的实验数据和实验设备。学者大都只考虑了射孔与最大水平地应力夹角对起裂压力和裂纹的影响，忽略了射孔与垂直地应力的夹角的影响。有研究表明平均主应力与垂直应力的比值随深度的增加而减少，在-1000m处平均主应力与垂直应力几乎相等。然而随着资源的进一步开采，人类不得不向地底更深处寻求资源。笔者认为，随着开采深度的增加，垂直地应力与射孔的夹角对起裂压力和裂纹扩展的影响越来越大。所以，有必要针对射孔倾角及其对射孔起裂压力、裂纹形态和裂纹方向的影响开展一系列研究。
而在现有的实验研究中，鲜有涉及到倾斜射孔，其相关设备更是匮乏。有学者利用相似材料提前预制射孔，虽然可以实现在立方岩石钻孔内预制倾斜射孔，但是相似材料本身与实际岩石的物理力学性质仍有很大差距，并且在工况上也有很大不同。
发明内容
本发明的第一目的就是针对现有技术中多段压裂实验中采用模拟相似材料制作试样的不足，提供一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，以通过此装置在原岩试样钻孔中进行预射孔制作，以解决原岩试样制作困难问题。本发明的第二目的是提供一种基于预射孔制作装置而实施的原岩试样制作方法，以通过该方法获得原岩试样，为获得更加贴近现场的压裂试验结果创造条件。
为实现第一目的，本发明采用如下技术方案。
一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，包括基础平台、气钻、试样夹持器、气压控制装置和位置调节装置；所述气钻和试样夹持器均通过位置调节装置与所述基础平台连接；所述位置调节装置由升降装置、纵向移位装置和试样移位装置组成：纵向移位装置可升降地设在升降装置上，纵向移位装置通过第一角度调节器形成俯仰角度可调节的结构；所述试样夹持器设在试样移位装置上，试样移位装置呈可水平横向移动地设在所述基础平台上；所述气钻还通过所述气压控制装置连接有压力气源；气钻包括横截面小于试样中部通孔截面的杆状微型气动机，微型气动机可移动地设在纵向移位装置上，并通过第二角度调节器形成轴线呈竖直的状态，微型气动机的输出端连接有转角传动装置，转角传动装置的壳体与微型气动机的壳体相对固定，转角传动装置的动力输入端与微型气动机的输出轴连接，转角传动装置的输出端构成钻杆，钻杆前端设有金刚石刀具夹持用轴套，钻杆轴线与所述纵向移位装置轴线呈平行地重合在同一竖直平面内。
采用前述技术方案的本发明，钻杆呈设定角度的倾斜设置，纵向移位装置与钻杆倾斜方向一致，气动机轴线与原石样件中部通孔轴线平行，原岩试样可通过试样夹持器固定，并通过试样移位装置进行水平横向位置的调节，气钻可通过升降装置和纵向移位装置的协调配合实现升降和纵向位置调节，从而通过位置调节装置可以实现气钻与原岩试样位置的调节和校正，还可利用位置调节装置进行预射孔的钻进驱动。在气动机位置调节过程中，气动机轴线始终保持竖直状态并与原石样件中部通孔轴线平行，气动机的路径与钻杆轴线保持一致，以在钻进过程中，通过气动机位置调节方式实现进给时，能够保持钻进方向一致。其中，任一轴向位置的调节可采用手动或动力驱动，如丝杆螺母副传动结构的手动驱动和马达驱动等，采用马达驱动时配以现有技术中的工业控制技术可以实现半自动或自动控制。由于试样通常采用正六面立方体结构，因此，通过试样调换方向和试样夹持器的重新装夹可以改变预射孔相位；试件夹持装置也可通过转盘设置，通过转盘转动改变预射孔相位。利用本发明，首先通过试样夹持器将试样固定在基础平台上，然后，通过位置调节装置进行试样与气钻相对位置、钻孔位置调节；再利用气压控制装置和气钻预制倾斜于试样钻孔轴线的预射孔钻孔，预射孔钻孔通过位置调节装置实现进给。由于预射孔钻孔刀具采用金刚石刀具，因此，可方便、快捷的在原岩试样上形成预射孔。其中，金刚石刀具可包括钻头和磨削头，在用钻头进行预射孔钻孔后，还可采用磨削头进行修整。需要改变预射孔相位时，调换试样方向，通过试样夹持器重新装夹。从而，可以实现相位角为0度、90度、180度和270度，与六面体四个棱柱面垂直正向方位的预射孔加工，也可实现与六面体四个棱柱面倾斜的任一相位角度预射孔加工。而第一角度调节器和第二角度调节器均采用多档位的调节结构，以对应多个设定的预射孔倾斜角度。
优选的，所述第一角度调节器包括由所述升降装置驱动的升降滑块，升降滑块上设有第一角度调节板，第一角度调节器通过第一角度调节板实施角度调节，纵向移位装置通过第一角度调节板与升降滑块连接；所述升降装置设在所述基础平台上；所述升降装置、纵向移位装置和试样移位装置分别通过对应的丝杆螺母副传动结构实现位置调节；所述纵向移位装置上还设有对所述气钻进行钻进驱动和钻进深度控制的钻进加载单元。以通过对应的装置和相应的丝杆螺母进行三个轴向的位置调节，以及纵向移位装置的角度调节，三个轴向位置调节可采用手动调节，以简化结构，降低制造成本；并能够在位置调节完成后，通过钻进加载单元进行钻进行程控制，便于实现预射孔钻进自动化。角度调节可采用插销与销孔配合的方式，通过选用不同位置的插孔实现角度变换，以与射孔倾斜角度一致。
进一步优选的，所述升降装置和纵向移位装置上均设有刻度标尺；所述第一角度调节器和第二角度调节器均设有角度标尺。以通过刻度尺衡量调节效果和预期调节量，方便手动调节控制。
进一步优选的，所述钻进加载单元包括储能型驱动元件、锁止构件和限位装置，储能型驱动元件用于气钻钻进驱动，锁止构件用于驱动微型气动机锁止，限位装置用于气钻钻进行程控制。储能型驱动包括弹簧或储能气缸，采用储能气缸可利用气钻气源进行钻进驱动，在钻进前，气钻在锁止构件作用下处于锁止状态，当锁止构件解锁后，气钻在储能型驱动元件作用下自动进给，直到被限位装置阻挡，达到设计钻孔深度，从而利于进一步结构简化。其中，锁止构件可由滚花螺钉等锁止螺钉构成；限位装置由固定挡块或通过螺纹调节位置的活动挡块构成。储能气缸是指通过缸体内储备压缩气体推动活塞伸出的气缸；在气缸的活塞杆锁止状态下，向气缸内充气并达到一定压力后，压缩气体储备在缸内，待活塞杆解锁时，储存的压缩气体推动活塞杆伸出，随着气活塞杆的伸出，缸内储气空间逐渐增大，压力逐渐降低，直到活塞杆上活塞环两端压力相等或活塞杆被阻止时，活塞杆停止。
进一步优选的，所述微型气动机通过气动机套安装固定，气动机套设在第二角度调节器上，第二角度调节器包括钻进滑块，钻进滑块导轨副结构可移动地设在纵向滑块上，纵向滑块由纵向移位装置驱动移动，钻进滑块上设有第二角度调节板，第二角度调节器通过第二角度调节板实施角度调节，所述气动机套通过第二角度调节板与钻进滑块连接，气动机套内壁与微型气动机外壁之间设有橡胶垫，气动机套通过螺丝孔设有顶持固定微型气动机的螺丝。橡胶垫可有效吸收气钻的振动，确保预射孔具有光滑的表面质量，同时，方便微型气动机维护、保养和更换。第二角度调节装置可采用第一角度调节装置相同的结构，即插销与销孔配合的方式，通过选用不同位置的插孔实现角度变换，以使微型气动机保持与试样中部通孔轴线平行。
优选的，所述金刚石刀具由直径为1mm～5mm的金刚石材质的钻头和磨削头组成；磨削头呈圆条形砂轮结构，钻头和磨削头按择一的方式通过轴套和微型螺丝与钻杆连接；钻头用于预射孔钻孔，磨削头用于对已钻预射孔截面形状进行修整。以适应于不同孔径的预射孔，同时，可实现先钻孔，再修磨孔壁的工艺要求，确保预射孔孔径、形状误差和粗糙度要求。
优选的，所述转角传动装置包括两个轴线成设定夹角的锥齿轮，两个锥齿轮分别安装在输入轴和钻杆上并通过销轴固定，输入轴和钻杆分别通过对应的滚动轴承设在转角传动装置的壳体上，输入轴构成转角传动装置的输入端，输入轴与微型气动机的输出轴通过扭矩传递结构形成等转速的同步转动连接。以通过简单的结构形成设定角度转向的动力传动，降低制造成本。并在满足在试样钻孔孔壁上形成倾斜预射孔要求前提下，无需将气动机轴线与试样中部通孔轴线设置成交叉状，并降低中部通孔大小对射孔钻进深度的影响。其中，扭矩传递结构包括多棱柱孔配合结构，一字头和一字槽配合结构；十字头和十字槽配合结构；椭圆柱孔配合结构等。
优选的，所述气压控制装置包括与所述气钻连接的注气管，注气管的供气管路上依次设有滤水器、调压阀、过滤器和注油器，滤水器下端设有排水阀。以形成干燥、洁净并具有润滑油雾的压缩空气，确保钻机运行正常，并有效延长使用寿命。
为实现第二目的，本发明采用如下技术方案。
一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔加工方法，基于实现第一发明目的装置实施，包括如下步骤：
第一步，确定在立方体原石试样中部通孔内倾斜射孔的射孔直径和倾斜角度，并选取同等直径的金刚石刀具，并通过钻杆装夹固定；
第二步，按试样的中部通孔轴线竖直的方式将立方体原岩试样固定在试样夹持器上，并通过位置调节装置粗调试样的位置；
第三步，通过第一角度调节器将纵向移位装置调节成与倾斜射孔轴线平行；通过第二角度调节器将微型气动机轴线调整成竖直状态；通过升降装置和纵向移位装置调节气钻高度和水平位置，使微型气动机的中心轴线与试样上中部通孔的中心轴线重合，且金刚石刀具高于试样的上表面；
第四步，通过位置调节装置对金刚石刀具与立方体原岩试样上中部通孔的相对位置进行校正，使金刚石刀具的前端尖端与立方体原岩试样上的中部通孔孔壁接触；并在高度方向上，使该接触点刚好位于立方体原岩试样上平面内；
第五步，通过位置调节装置将气钻调整到拟钻预射孔设定高度，并作为预射孔钻进起始点；
第六步，启动气钻进行预射孔钻进，直至钻进深度后回退至预射孔钻进起始点并停钻；
第七步，重复执行第五步和第六步，完成立方体原岩试样上中部通孔中同一相位的不同高度预射孔；通过试样夹持器调换立方体原岩试样相位，重复执行第五步和第六步，依次进行立方体原岩试样的中部通孔中其余相位的预射孔司钻；或者，通过试样夹持器调换立方体原岩试样相位，重复执行第五步和第六步，依次进行立方体原岩试样的中部通孔中多个相位不同高度的预射孔司钻。
采用前述方案的本发明，基于实现第一发明目的装置实施，首先通过试样夹持器将试样固定在基础平台上，然后，通过位置调节装置进行试样与气钻相对位置、钻孔位置、钻孔倾斜角度调节；再利用气压控制装置和气钻进行倾斜于试样钻孔轴线的预射孔钻孔，预射孔钻孔进给可通过位置调节装置实施。由于预射孔钻孔刀具采用金刚石刀具，因此，可方便、快捷的在原岩试样上形成倾斜预射孔。其中，金刚石刀具最好包括钻头和磨削头，在用钻头进行预射孔钻孔后，还可采用磨削头进行修整。需要改变预射孔相位时，调换试样装夹方向通过试样夹持器重新装夹即可。
优选的，在第一步中所选取的金刚石刀具为钻头，并在第四步的对金刚石刀具与立方体原岩试样上中部通孔的相对位置进行校正的过程中，钻头的尖端构成金刚石刀具的前端；且在第六步的气钻回退至钻进起始点并停钻后，将钻头提升至立方体原岩试样上方，然后，重复执行第五步和第六步对该预射孔断面形状进行修整；并再次回退气钻后提升至立方体原岩试样上方，最后将磨削头更换为钻头，执行第七步进行下一个预射孔的司钻；或者，在第六步的气钻回退至钻进起始点并停钻后，执行第七步，在完成立方体原石试样上所有预射孔司钻后，再将钻头提升至立方体原岩试样上方，然后将钻头更换为磨削头；重复执行第五步到第七步，以完成立方体原石试样上所有预射孔修整。这样就可方便的完成同一原石试样多个相位的不同高度上多个预射孔的加工。
优选的，在第二步中的试样位置调节通过位置调节装置的试样移位装置调整。这样可以通过人工肉眼观察进行横向定义为X轴方向初步校正，在金刚石刀具伸入试样钻孔后，人工进行进一步校正，用于粗调的试样移位装置可以不设置刻度尺，利于简化结构，降低成本。
优选的，在第三步的气钻高度和水平位置调节过程中，分别通过位置调节装置的升降装置和纵向移位装置实施。以实现竖直方向定义为Z轴方向和纵向定义为Y轴方向的调节；为确保预射孔加工位置的准确性，可利用相应刻度标尺进行校正。
在第四步的对金刚石刀具与立方体原岩试样上中部通孔的相对位置进行校正的过程中，通过位置调节装置的升降装置、纵向移位装置和试样移位装置进行综合调节。以充分利用各调校结构实现综合校正。
本发明具有以下有益效果：射孔装置采用微型气动机和转角传动装置布置预射孔，能够在原岩钻孔内进行射孔，射孔时通过气压控制压力进行钻孔，避免了冲击破岩作用，减少了射孔过程对原岩的破坏作用，有效保护了岩石试样的完整性；采用移位装置控制射孔深度和位置，提高了对预射孔位置和孔深的精确控制。与现有技术相比，具有以下的优点与积极效果。
(1)零件制备简单，可以通过现有相关器材零部件组合和相应的精密零件装配获得。
(2)采用不同转向角度的转角传动装置(3)，并通过第一角度调节器和第二角度控制器，以及钻进加载单元控制钻进时的加载方向，可钻取与中部通孔中心轴线成设定夹角如30°、45°、以及60°等多个固定角度值的倾斜射孔；通过更换不同直径和长度的金刚石刀具和加载限位调节，可以实现在300mm×300mm×300mm的立方体原岩钻孔内不同直径如1mm～5mm之间、不同深度如0～5mm之间的预射孔加工。
(3)采用微型气动机提供旋转动力，能够满足小孔道内预制射孔的所需旋转动力，并且其排气口喷出的气体有利于冷却钻头或磨削头前端，可降低钻孔对钻磨削头的损害。
(4)采用储能气缸元件控制钻孔压力，钻进过程中作用力逐渐降低，钻进压力也随之降低，能保证钻孔过程中岩石试样的完整性。
(5)通过钻进加载单元控制预射孔司钻位移量，可保证射孔深度精度。
(6)通过替换不同的金刚石刀具布置不同孔径的射孔。
(7)通过转角传动装置，可通过重复不同参数下的射孔流程可实现不同射孔深度、不同射孔倾斜角度、不同射孔直径的倾斜射孔预制，并可根据需要进一步加工同截面高密度倾斜射孔和倾斜螺旋射孔。
(8)采用钻头和磨削头相结合的钻磨孔方法，能保证所钻射孔的每个截面一致性。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明装置中的试样夹持器结构示意轴测图。
图3为本发明装置中的转角传动装置示意图。
图4为本发明装置中气钻的部分结构示意图。
图5为本发明装置中第一和第二角度调节器的结构示意图。
以上附图还用于说明本发明方法。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，实施例是示例性的，仅用于揭示和解释本发明，以便充分理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。
实施例1，参见图1、图2、图3、图4，一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，包括基础平台1、气钻、试样夹持器8、气压控制装置7和位置调节装置；所述气钻和试样夹持器8均通过位置调节装置与所述基础平台1连接；所述位置调节装置由升降装置91、纵向移位装置92和试样移位装置93组成：纵向移位装置92可升降地设在升降装置91上，纵向移位装置92通过第一角度调节器形成俯仰角度可调节的结构；所述试样夹持器8设在试样移位装置93上，试样移位装置93呈可水平横向移动地设在所述基础平台1上；所述气钻还通过所述气压控制装置7连接有压力气源；气钻包括横截面小于试样中部通孔截面的杆状微型气动机2，微型气动机2可移动地设在纵向移位装置92上，并通过第二角度调节器形成轴线呈竖直的状态，微型气动机2的输出端连接有转角传动装置3，转角传动装置3的壳体与微型气动机2的壳体相对固定，转角传动装置3的动力输入端与微型气动机2的输出轴连接，转角传动装置3的输出端构成钻杆5，钻杆5前端设有金刚石刀具6夹持用轴套，钻杆5轴线与所述纵向移位装置92轴线呈平行地重合在同一竖直平面内。第一角度调节器和第二角度调节器均采用多档位的调节结构，以对应多个设定的预射孔倾斜角度；转角传动装置3配备有多套，每套对应一个倾斜角度α，以便根据不同预射孔倾角要求择一使用。
其中，所述第一角度调节器包括由所述升降装置91驱动的升降滑块，升降滑块上设有第一角度调节板，第一角度调节器通过第一角度调节板实施角度调节，纵向移位装置92通过第一角度调节板与升降滑块连接；所述升降装置91设在所述基础平台1上；所述升降装置91、纵向移位装置92和试样移位装置93分别通过对应的丝杆螺母副传动结构实现位置调节；所述纵向移位装置92上还设有对所述气钻进行钻进驱动和钻进深度控制的钻进加载单元。升降装置91和纵向移位装置92上均设有刻度标尺，升降装置91的刻度尺按由上向下数字逐渐增大的方式设置；所述第一角度调节器和第二角度调节器均设有角度标尺。其中，钻进加载单元包括储能型驱动元件、锁止构件和限位装置，储能型驱动元件用于气钻钻进驱动，锁止构件用于驱动微型气动机锁止，限位装置用于气钻钻进行程控制。
所述微型气动机2通过气动机套安装固定，气动机套设在第二角度调节器上，第二角度调节器包括钻进滑块，钻进滑块导轨副结构可移动地设在纵向滑块21上，纵向滑块21由纵向移位装置92驱动移动，钻进滑块上设有第二角度调节板，第二角度调节器通过第二角度调节板实施角度调节，所述气动机套通过第二角度调节板与钻进滑块连接，气动机套内壁与微型气动机2外壁之间设有橡胶垫，气动机套通过螺丝孔设有顶持固定微型气动机2的螺丝。金刚石刀具6由直径为1mm～5mm的金刚石材质的钻头和磨削头组成；磨削头呈圆条形砂轮结构，钻头和磨削头按择一的方式通过轴套和微型螺丝与钻杆5连接；钻头用于预射孔钻孔，磨削头对用于对已钻预射孔截面形状进行修整。转角传动装置3包括两个轴线成直角状的锥齿轮，两个锥齿轮分别安装在输入轴4和钻杆5上并通过销轴固定，输入轴4和钻杆5分别通过对应的滚动轴承设在转角传动装置的壳体上，输入轴4与微型气动机2的输出轴通过扭矩传递结构形成等转速的同步转动连接，输入轴4构成转角传动装置的输入端。其中，扭矩传递结构包括多棱柱孔配合结构，一字头和一字槽配合结构；十字头和十字槽配合结构；椭圆柱和椭圆孔配合结构等。气压控制装置7包括与所述气钻连接的注气管75，注气管75的供气管路上依次设有滤水器72、调压阀、过滤器73和注油器74，滤水器72下端设有排水阀71。试样夹持器8包括底板81，底板81上竖立有构成直角分布的两块定位板82，两块定位板82对面分别设有一可移动的压板83，压板83活络连接在压紧螺杆远端，压紧螺杆螺合在螺杆座84上，压紧螺杆近端设有手柄85；所述底板81固定连接在转盘24的转动构件上，转盘24固定连接在试样移位装置93的移动构件上。
其中，纵向滑块21上还设有构成储能型驱动元件的储能气缸22，储能气缸22的活塞杆连接在微型气动机2上，纵向滑块21上设有构成限位装置的限位螺钉23，以及用于构成锁止构件的滚花螺钉或锁止螺钉，其中储能气缸在司钻前充气储能，司钻到位后，反向充气回位或人工推动回位。微型气动机2直接采用市场上的微型气动机商品，其直径为20mm的微型气动机(4)提供旋转动力，微型气动机(4)空载转速为：0～10000(rpm)，启动扭矩为：0.3NM(n*m)，制动扭矩为：0.3NM(n*m)，减速比为：1∶1最大功率为：0.15-1.2(Kw)，最大功率时耗气量为：32L/s，最大功率时扭矩为：305.6NM(n*m)。
如图5所示，第一角度调节器上和第二角度调节器结构相同，包括基础构件12和角度调节板13，基础构件12和角度调节板13通过铰接轴14铰接，基础构件12和角度调节板13，还通过与插孔配合的插销15限制转动，以形成相对固定的相位关系；其中，基础构件12上设有一个或一对插销孔，角度调节板13上设有数个或数对插销孔，插销15通过插入二者的插销孔使二者的相位固定的位置关系；通过转动角度调节板13使转动角度调节板13上不同位置的插销孔与基础构件12的插销孔配对，从而实现相应角度调节器的角度调节功能。其中，一对插销孔是指以铰接中心为圆心，呈180度分布的两个插销孔构成一对。针对第一角度调节器而言，基础构件12和角度调节板13分别构成升降滑块和第一角度调节板；针对第二角度调节器而言，基础构件12和角度调节板13分别构成钻进滑块和第二角度调节板。
本实施例中，试样移位装置93也可设置刻度标尺；储能气缸22也可采用弹簧替代，采用弹簧时，司钻到位后，人工推拉回位；限位螺钉23也可以采用固定的限位块替代，与限位螺钉23相比不足之处在于司钻行程不可调节。
实施例2，结合图1、图2、图3、图4，一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔加工方法，基于实施例1的装置实施，包括如下步骤：
第一步，确定在立方体原石试样中部通孔内倾斜射孔的射孔直径和倾斜角度，并将与倾斜角度对应的转角传动装置3安装在气钻的微型气动机2上，取同等直径的金刚石刀具6中钻头，并将钻头通过装夹固定在钻杆5上；
第二步，按试样的中部通孔轴线竖直的方式，将预先制作好的中部形成有通孔的300mm×300mm×300mm立方体原岩试样11固定在试样夹持器8上，并通过位置调节装置粗调试样的位置，使立方体原岩试样11上中部通孔的中心轴线基本位于微型气动机2的轴心移动路径上；
第三步，将第一和第二角度调节器调整到对应倾斜角度的位置，使纵向移位装置92的倾斜角度与预射钻孔轴线的倾斜方向一致，并使微型气动机2的轴线呈竖直状态，通过升降装置91和纵向移位装置92调节气钻高度和纵向位置，并通过试样移位装置93调整立方体原岩试样11位置，并使微型气动机2的中心轴线与立方体原岩试样11上中部通孔的中心轴线基本重合，且金刚石刀具6的钻头高于试样的上表面；
第四步，通过位置调节装置中的升降装置91、纵向移位装置92和试样移位装置93进行综合调节，对金刚石刀具6与立方体原岩试样11上钻孔的相对位置进行校正，使金刚石刀具6的钻头前端尖端与立方体原岩试样11上的中部通孔孔壁接触，并记录此时纵向移位装置92的刻度值Y0；在高度方向上，金刚石刀具6轴线前端中心点刚好位于立方体原岩试样上平面内，并将升降装置91此时的高度数据记为Z0；
第五步，将立方体原岩试样11上平面至拟钻预射孔中心倾斜距离作为拟钻预射孔设定高度Zi，通过位置调节装置中的升降装置91将气钻调整到拟钻预射孔设定高度，此时，气钻位于Z0+Zi的位置，并作为预射孔钻进起始点；
第六步，启动气钻进行预射孔利用钻头进行钻进，直至钻进深度后回退至预射孔钻进起始点并停钻；
第七步，重复执行第五步和第六步，依次完成立方体原岩试样11上中部通孔中同一相位的不同高度预射孔；通过试样夹持器8调换立方体原岩试样11相位，重复执行第五步和第六步，依次进行立方体原岩试样的中部通孔中90°、180°和270°其余三个相位的不同高度预射孔司钻。
其中，还包括对预射孔断面形状进行修整的步骤；预射孔断面修整按以下步骤执行：S11在任一预射孔司钻完成后，将钻头提升至立方体原岩试样上方，并将钻头更换为磨削头；S12重复执行第五步和第六步对该预射孔断面形状进行修整；S13回退气钻后提升至立方体原岩试样11上方；S14将磨削头更换为钻头。
在调换立方体原岩试样11相位时，通过变换立方体原岩试样11相位进行重新装夹；或者，通过转动转盘24的转动构件到设定相位进行。
本实施例中，预射孔轴线与六面立方体体试样上下端面呈α的倾斜角度，且与预射孔轴线的竖直平面与六面立方体试样的任一侧面成平行或垂直；所述0°、90°、180°和270°相位是指以立方体原岩试样的中部通孔轴线上的一点为原点，以垂直于六面立方体原岩试样任一侧面的预射孔轴线上的点为起始点，该点的相位角为0°，分别垂直于其余三个侧面的预射孔轴线上点的相位角，按逆时针方向依次为90°、180°和270°。
当预射孔的相位不是0°、90°、180°和270°之中的一个相位角时，该类预射孔被定义为双斜预射孔。利用本方法进行双斜预射孔加工时，通过转盘24进行相应相位角度的调整。相应转盘24的固定盘上设有角度标尺，转盘24的转动构件上设有角度指针。
实施例3、一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔加工方法，本方法与实施例2的区别点是预射孔断面修整按以下步骤执行：S21在第七步的立方体原岩试样11上中部通孔中任一同一相位的不同高度预射孔完成后，将钻头提升至立方体原岩试样上方，并将钻头更换为磨削头；S22重复执行第五步和第六步对同一相位的不同高度预射孔断面形状依次进行修整；S23回退气钻后提升至立方体原岩试样11上方，以备下一组预射孔司钻，如下一个相位或下一个试件。
实施例4，一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔加工方法，本方法与实施例2的区别点是在第七步中，首先通过试样夹持器8调换立方体原岩试样11相位，再重复执行第五步和第六步，依次进行立方体原岩试样11的中部通孔中90°、180°和270°其余三个相位同一高度的预射孔司钻，然后，重复执行前述步骤，进行高度调整和/或相位调整，并完成不同高度和不同相位预射孔司钻。
其中，预射孔断面修整按以下步骤执行：S31在任一预射孔司钻完成后，将钻头提升至立方体原岩试样上方，并将钻头更换为磨削头；S32重复执行第五步和第六步对该预射孔断面形状进行修整；S13回退气钻后提升至立方体原岩试样11上方；S34将磨削头更换为钻头，以备下一个预射孔司钻。
实施例5，一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔加工方法，本方法与实施例4的区别点是预射孔断面修整按以下步骤执行：S41在全部预射孔司钻完成后，将钻头提升至立方体原岩试样上方，并将钻头更换为磨削头；S42重复执行第五步和第六步依次对不同相位不同高度的预射孔断面形状进行修整。为方便下一试件加工，还可执行S43回退气钻后提升至立方体原岩试样11上方。
本实施例中，预射孔断面修整还可按以下步骤执行：S51在同一高度不同相位预射孔司钻完成后，将钻头提升至立方体原岩试样上方，并将钻头更换为磨削头；S52重复执行第五步、第六步和调换立方体原岩试样11相位的步骤，对同一高度、不同相位的预射孔断面形状进行修整；S53回退气钻后提升至立方体原岩试样11上方；S34将磨削头更换为钻头，以备进行下一个同一高度、不同相位的预射孔司钻；或者，下一试件的预射孔司钻。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，其特征在于：包括基础平台(1)、气钻、试样夹持器(8)、气压控制装置(7)和位置调节装置；所述气钻和试样夹持器(8)均通过位置调节装置与所述基础平台(1)连接；所述位置调节装置由升降装置(91)、纵向移位装置(92)和试样移位装置(93)组成：纵向移位装置(92)可升降地设在升降装置(91)上，纵向移位装置(92)通过第一角度调节器形成俯仰角度可调节的结构；所述试样夹持器(8)设在试样移位装置(93)上，试样移位装置(93)呈可水平横向移动地设在所述基础平台(1)上；所述气钻还通过所述气压控制装置(7)连接有压力气源；气钻包括横截面小于试样中部通孔截面的杆状微型气动机(2)，微型气动机(2)可移动地设在纵向移位装置(92)上，并通过第二角度调节器形成轴线呈竖直的状态，微型气动机(2)的输出端连接有转角传动装置(3)，转角传动装置(3)的壳体与微型气动机(2)的壳体相对固定，转角传动装置(3)的动力输入端与微型气动机(2)的输出轴连接，转角传动装置(3)的输出端构成钻杆(5)，钻杆(5)前端设有金刚石刀具(6)夹持用轴套，钻杆(5)轴线与所述纵向移位装置(92)轴线呈平行地重合在同一竖直平面内。
2.根据权利要求1所述的立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，其特征在于：所述第一角度调节器包括由所述升降装置(91)驱动的升降滑块，升降滑块上设有第一角度调节板，第一角度调节器通过第一角度调节板实施角度调节，纵向移位装置(92)通过第一角度调节板与升降滑块连接；所述升降装置(91)设在所述基础平台(1)上；所述升降装置(91)、纵向移位装置(92)和试样移位装置(93)分别通过对应的丝杆螺母副传动结构实现位置调节；所述纵向移位装置(92)上还设有对所述气钻进行钻进驱动和钻进深度控制的钻进加载单元。
3.根据权利要求2所述的立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，其特征在于：所述升降装置(91)和纵向移位装置(92)上均设有刻度标尺；所述第一角度调节器和第二角度调节器均设有角度标尺。
4.根据权利要求2所述的立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，其特征在于：所述钻进加载单元包括储能型驱动元件、锁止构件和限位装置，储能型驱动元件用于气钻钻进驱动，锁止构件用于驱动微型气动机锁止，限位装置用于气钻钻进行程控制。
5.根据权利要求4所述的立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，其特征在于：所述微型气动机(2)通过气动机套安装固定，气动机套设在在第二角度调节器上，第二角度调节器包括钻进滑块，钻进滑块导轨副结构可移动地设在纵向滑块(21)上，纵向滑块(21)由纵向移位装置(92)驱动移动，钻进滑块上设有第二角度调节板，第二角度调节器通过第二角度调节板实施角度调节，所述气动机套通过第二角度调节板与钻进滑块连接，气动机套内壁与微型气动机(2)外壁之间设有橡胶垫，气动机套通过螺丝孔设有顶持固定微型气动机(2)的螺丝。
6.根据权利要求1所述的立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，其特征在于：所述金刚石刀具(6)由直径为1mm～5mm的金刚石材质的钻头和磨削头组成；磨削头呈圆条形砂轮结构，钻头和磨削头按择一的方式通过轴套和微型螺丝与钻杆(5)连接；钻头用于预射孔钻孔，磨削头对用于对已钻预射孔截面形状进行修整。
7.根据权利要求1所述的立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，其特征在于：所述转角传动装置(3)包括两个轴线成设定夹角的锥齿轮，两个锥齿轮分别安装在输入轴(4)和钻杆(5)上并通过销轴固定，输入轴(4)和钻杆(5)分别通过对应的滚动轴承设在转角传动装置的壳体上，输入轴(4)构成转角传动装置(3)的输入端，输入轴(4)与微型气动机(2)的输出轴通过扭矩传递结构形成等转速的同步转动连接。
8.根据权利要求1所述的立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，其特征在于：所述气压控制装置(7)包括与所述气钻连接的注气管(75)，注气管(75)的供气管路上依次设有滤水器(72)、调压阀、过滤器(73)和注油器(74)，滤水器(72)下端设有排水阀(71)。
9.一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔加工方法，其特征在于，基于权利要求1～8中任意一项所述装置实施，包括如下步骤：
第一步，确定在立方体原石试样中部通孔内倾斜射孔的射孔直径和倾斜角度，并选取同等直径的金刚石刀具(6)，并通过钻杆(5)装夹固定；
第二步，按试样的中部通孔轴线竖直的方式将立方体原岩试样固定在试样夹持器(8)上，并通过位置调节装置粗调试样的位置；
第三步，通过第一角度调节器将纵向移位装置(92)调节成与倾斜射孔轴线平行；通过第二角度调节器将微型气动机(2)轴线调整成竖直状态；通过和升降装置(91)和纵向移位装置(92)调节气钻高度和水平位置，使微型气动机(2)的中心轴线与试样上中部通孔的中心轴线重合，且金刚石刀具(6)高于试样的上表面；
第四步，通过位置调节装置对金刚石刀具(6)与立方体原岩试样上中部通孔的相对位置进行校正，使金刚石刀具(6)的前端尖端与立方体原岩试样上的中部通孔孔壁接触；并在高度方向上，使该接触点刚好位于立方体原岩试样上平面内；
第五步，通过位置调节装置将气钻调整到拟钻预射孔设定高度，并作为预射孔钻进起始点；
第六步，启动气钻进行预射孔钻进，直至钻进深度后回退至预射孔钻进起始点并停钻；
第七步，重复执行第五步和第六步，完成立方体原岩试样上中部通孔中同一相位的不同高度预射孔；通过试样夹持器(8)调换立方体原岩试样相位，重复执行第五步和第六步，依次进行立方体原岩试样的中部通孔中其余相位的预射孔司钻；或者，通过试样夹持器(8)调换立方体原岩试样相位，重复执行第五步和第六步，依次进行立方体原岩试样的中部通孔中多个相位不同高度的预射孔司钻。
10.根据权利要求9所述的立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔加工方法，其特征在于：在第一步中所选取的金刚石刀具(6)为钻头，并在第四步的对金刚石刀具(6)与立方体原岩试样上中部通孔的相对位置进行校正的过程中，钻头的尖端构成金刚石刀具(6)的前端；且在后续步骤中，在完成立方体原石试样上的预射孔司钻后，再将钻头提升至立方体原岩试样上方，将钻头更换为磨削头，并完成立方体原岩试样上预射孔修整。
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