CN110108543A - 一种耦合激光破岩实验装置的钻柱 - Google Patents

Abstract

本发明装置涉及一种耦合激光破岩实验装置的钻柱，主要由花键连接、上钻柱、下钻柱、套筒、光束整形装置、调节支架、上盖板、滚珠轴承、心筒、通气套、下盖板、螺纹孔、光路通道、气路通道和钻头组成。激光通过光束整形装置调节激光的光束汇聚成矩形光斑，同时通过调节支架调节光束的方向能顺利通过钻头中的光束通道。气路装置以钻柱侧面为进气口，同时在钻柱底部中心的V型截面通道汇聚。气路在钻柱底部的汇聚鼓吹效果，可以防止岩石碎屑和粉尘进入其中，起到保护上部光束整形装置的作用。钻柱上部的连接为花键连接，并用螺钉固定，相较于传统的丝扣连接，可提高钻柱的强度，使振动更小，有利于激光装置的减震以及试验中测试数据的精确性。

Description

一种耦合激光破岩实验装置的钻柱

技术领域

本发明涉及一种耦合激光破岩实验装置的钻柱，具体涉及的是利用激光的高热效应破坏岩层结构，辅助机械破岩的一种实验装置的钻柱结构。

背景技术

深部地层钻井和地面岩石钻孔技术，主要是通过硬质材料破碎软质材料来实现的，这种破岩技术通常被称为常规机械钻井技术。岩石破碎技术主要是通过破岩工具的旋转、冲击、剪切等运动方式展开。这些破岩方法在破碎地层岩石并获得一定机械钻速的过程中，会发生工具的自身磨损，造成大量的工具消耗。在深部地层中，尤其是遇到高研磨、高可钻性地层的时候，常规钻进工具的磨损消耗会变得非常严重。

激光破岩是近年来兴起的一项新技术，激光直接破岩的基本原理是，利用高能激光束使岩石基质材料局部快速加热，由固态瞬间相变到热熔和汽化状态，并形成气液固多相混合物，然后利用辅助工具带走。利用激光破岩的特定效应发展激光辅助机械破岩是目前激光钻井技术的发展方向。现阶段激光辅助机械钻头破岩技术尚未成熟，因此需要继续开展实验来研究激光破岩的最优条件。在这一技术基础上，钻柱需要满足激光光束形状的调节和方向的调节、强度需求、保护镜组以及清理灰尘碎屑等一系列要求。为此，提出了一种耦合激光破岩实验装置的钻柱，它主要涉及光路和气路的耦合，用于开展实验装置的破岩实验，获取更多实验数据。

发明内容

本发明的目的是为了配合激光-机械破岩实验，提出一种耦合激光破岩实验装置的钻柱，可实现光路的调节，有效的保护钻柱中的光束整形装置，提高钻柱的稳定性。能够开展不同参数以及气路光路相耦合的激光破岩实验，具有较强的实用价值。

本发明采用的技术方案是：

本发明一种耦合激光实验装置的钻柱，它主要由上钻柱、下钻柱、套筒、光束整形装置、调节支架、上盖板、滚珠轴承、心筒、通气套、下盖板、螺纹孔、花键连接、光路通道、气路通道和钻头组成。钻柱内设有光束整形装置和套筒，光束整形装置放置于套筒中固定在一起，套筒测壁开有凹槽，调节支架嵌入套筒侧壁的凹槽中，套筒、光束整形装置、调节支架形成一个整体。环向拨动调节支架调节光束；钻柱中部开有两个方形孔，通气套右侧有圆形进气口，与心筒以及钻柱的进气口相对。心筒上下分别有一对滚珠轴承固定位置。通气套上下分别由上盖板和下盖板固定，并用螺钉连接。

钻柱上部为花键连接，并用螺钉固定，可提高实验装置钻柱的连接强度。

气路装置由通气套、心筒、滚珠轴承、上盖板、下盖板与螺纹孔组成，实现钻柱侧面通气，气路与光路分开，有效防止气流回旋。

光束调节装置由套筒、调节支架以及光束整形装置组成。左右拨动调节支架可以调节矩形光斑的方向，以便激光束顺利通过钻柱和钻头内的矩形通路。

气路通道在钻柱中心底部为V型截面通道，便于气流的汇聚，加大气流对粉尘的鼓吹效果。

在进行破岩实验时，由机械钻头的钻进以及激光束的热效应共同完成破岩实验；由风压机鼓进的空气由钻柱内的气路通道在钻柱底部中心的V型截面汇聚，可有效的防止由于钻进过程产生的粉尘以及碎屑进入钻柱内部的光路通道，进而损坏钻柱内部的光束整形装置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.联合激光-机械钻头破岩，所需的钻头钻压更低以降低机械钻头的磨损，提高钻头的寿命，激光的高热效应可以使钻头拥有更高的钻进速度，提高钻进的效率。

2.通过钻柱内部设计的光路通道和气路通道，实现光路和气路的分离。气路通道尾部的V型通道，可使气流的喷射方向向下，有效的防止了粉尘和碎屑对光束整形装置的损坏。

3.钻柱上部的连接方式为花键连接，并用螺钉固定，相较于传统的丝扣连接，可提高钻柱的强度，使振动更小，有利于激光装置的减震以及试验中测试数据的精确性。

4.光束调节装置由套筒、调节支架以及光束整形装置组成。左右拨动调节支架可以调节矩形光斑的方向，以便激光束顺利通过钻柱和钻头内的矩形通路。

附图说明

图1为本发明一种耦合激光破岩实验装置的钻柱的结构示意图

图2为图1(A-A)的剖视图。

图3为上钻柱的俯视图。

图4为钻柱的连接示意图。

图中：1.花键连接，2.套筒，3.光束整形装置，4.调节支架，5.上钻柱，6.上盖板，7.滚珠轴承，8.心筒，9.通气套，10.下盖板，11.螺纹孔，12.下钻柱，13.光路通道，14.气路通道和15.钻头。

具体实施方式

下面结合附图和本实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种耦合激光破岩实验装置的钻柱，它主要由上钻柱5、下钻柱12、套筒2、光束整形装置3、调节支架4、上盖板6、滚珠轴承7、心筒8、通气套9、下盖板10、螺纹孔11、花键连接1、光路通道13、气路通道14和钻头15组成。上钻柱5内设有光束整形装置3和套筒2，光束整形装置3放置于套筒2中固定在一起，套筒2测壁开有凹槽，调节支架4嵌入套筒2侧壁的凹槽中，套筒2、光束整形装置3、调节支架4形成一个整体。环向拨动调节支架4调节光束；钻柱中部开有四个方形孔，通气套9右侧有圆形进气口，与心筒8以及钻柱的进气口相对。心筒8上下分别有一对滚珠轴承7固定位置。通气套9上下分别由上盖板6和下盖板10固定，并分别用螺钉连接。

上钻柱5上部为花键连接1，并用螺钉固定，可提高实验装置钻柱的连接强度。

气路装置由通气套9、心筒8、滚珠轴承7、上盖板6、下盖板10与螺纹孔11组成，实现钻柱侧面通气，气路通道14与光路通道13分开，有效防止气流回旋。

光束调节装置由套筒2、调节支架4以及光束整形装置3组成。左右拨动调节支架4可以调节矩形光斑的方向，以便激光束顺利通过钻柱和钻头内的矩形通路。

气路通道14在钻柱中心底部为V型截面通道，便于气流的汇聚，加大气流对粉尘的鼓吹效果。

在进行破岩实验时，由机械钻头的钻进以及激光束的热效应共同完成破岩实验；由风压机鼓进的空气由钻柱内的气路通道14在钻柱底部中心的V型截面汇聚，可有效的防止由于钻进过程产生的粉尘以及碎屑进入钻柱内部的光路通道，进而损坏钻柱内部的光束整形装置。

Claims (6)

1.一种耦合激光破岩实验装置的钻柱，其特征在于：所述上钻柱(5)内设有光束整形装置(3)和套筒(2)，光束整形装置(3)放置于套筒(2)中固定在一起，套筒(2)测壁开有凹槽，调节支架(4)嵌入套筒(2)侧壁的凹槽中，套筒(2)、光束整形装置(3)、调节支架(4)形成一个整体,环向拨动调节支架调节光束；通气套(9)右侧有圆形进气口，与心筒(8)以及上钻柱(5)的进气口相对；心筒(8)上下分别有一对滚动轴承(7)固定位置；通气套(9)上下分别由上盖板(6)和下盖板(10)固定，并分别用螺钉相互连接。

2.根据权利要求1所述的一种耦合激光破岩实验装置的钻柱，其特征在于:所述上钻柱(5)上部为花键连接(1)，用螺钉固定，相较于传统的丝扣连接，可提高钻柱的强度，使振动更小，有利于激光装置的减震以及试验中测试数据的精确性。

3.根据权利要求1所述的一种耦合激光破岩实验装置的钻柱，其特征在于：气路装置由通气套(9)、心筒(8)、滚珠轴承(7)、上盖板(6)、下盖板(10)与螺纹孔(11)组成。

4.根据权利要求1所述的一种耦合激光破岩实验装置的钻柱，其特征在于:光束调节装置由套筒(2)、调节支架(4)以及光束整形装置(3)组成；左右拨动调节支架(4)可以调节矩形光斑的方向，以便激光束顺利通过钻柱和钻头内的矩形通路。

5.根据权利要求1所述的一种耦合激光破岩实验装置的钻柱，其特征在于:气路通道在钻柱中心底部为V型截面通道，便于气流的汇聚，加大气流对粉尘的鼓吹效果。

6.根据权利要求1所述的一种耦合激光破岩实验装置的钻柱，其特征在于:钻柱整体由上钻柱(5)和下钻柱(12)组成，并用焊接焊死。