CN110646307A - 岩石研磨性测定试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩石研磨性测定试验装置，用于石油勘探、矿井或隧道建设等领域，其包括底座，竖直设置在所述底座上的立柱；水平设置在所述立柱的上部的横梁，所述横梁上设置有转动机构；连接在所述横梁上的钻头，所述钻头通过伸缩加压组件连接在所述横梁的下方，并且所述钻头随所述转动机构转动；以及设置在所述底座上的转盘工作台，所述转盘工作台位于所述钻头的下方。本发明能够测量岩石的研磨性，并且能够真实反映岩石与钻头相互磨损的实际工况，并且适用于石油行业的各种软、硬岩石。

Description

岩石研磨性测定试验装置

技术领域

本发明涉及一种岩石研磨性测定试验装置，用于石油勘探、矿井或隧道建设等领域。

背景技术

旋转钻井过程中，钻头破碎岩石，同时岩石也不断磨损钻头。岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。对于不同研磨性的岩石需要配置相应的钻头，如果在处理研磨性较强的岩石时使用耐磨性较差的钻头容易对钻头造成磨损。由于岩石的研磨性而导致的钻头磨损不仅会增加钻头的消耗，而且会降低钻进速度和增加更换钻头所需的辅助时间。岩石的研磨性与合理钻头选型、正确设计钻头、优选钻进参数以及合理制定钻头消耗定额有着密切的关系，它直接影响钻井效率和钻井成本。

目前，国内外有关岩石研磨性测试的试验方法大多采用金属材料(以钢制材料为主)与岩石相摩擦的原理，测定岩石研磨性。采用上述原理测试岩石研磨性存在两项不足：第一，金属材料与岩石磨损机理和钻头材料与岩石的磨损机理不符；第二，金属材料磨损坚硬岩石时，不能吃入岩石，金属材料和岩石均没有磨损量不能评价岩石研磨性。因此，有必要设计一种能够符合岩石与钻头磨损原理、适用于软硬岩石的研磨性测定试验装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种岩石研磨性测定试验装置，能够测量岩石的研磨性，并且能够真实反映岩石与钻头相互磨损的实际工况，并且适用于石油行业的各种软、硬岩石。

发明提出了一种岩石研磨性测定试验装置，包括：

底座，

竖直设置在所述底座上的立柱；

水平设置在所述立柱的上部的横梁，所述横梁上设置有转动机构；

连接在所述横梁上的钻头，所述钻头通过伸缩加压组件连接在所述横梁的下方，并且所述钻头随所述转动机构转动；以及

设置在所述底座上的转盘工作台，所述转盘工作台位于所述钻头的下方。

本发明的进一步改进在于，所述岩石研磨性测定试验装置还包括：

控制柜，所述控制柜连接所述转盘工作台和所述转动机构，并控制所述转盘工作台和所述转动机构转动；所述控制柜连接有动力机构，并控制所述动力机构为所述伸缩加压组件提供动力。

本发明的进一步改进在于，所述伸缩加压组件包括：随所述转动机构转动的主轴，所述主轴下端连接所述钻头；以及设置在所述横梁上的加压气缸，所述加压气缸伸长时带动所述主轴向下移动，使所述钻头与所述转盘工作台接触并施加压力。

本发明的进一步改进在于，所述动力机构为空气压缩机，所述空气压缩机通过注气管路经过所述控制柜连接所述加压气缸。

本发明的进一步改进在于，所述转动机构包括设置在所述横梁上的电机，所述电机通过传送带连接所述主轴。

本发明的进一步改进在于，所述主轴的下端设置有销孔，所述钻头的上端设置有与所述销孔配合的销子；并且所述钻头的底部设置有磨损标准件。

本发明的进一步改进在于，所述转盘工作台包括转盘，所述转盘上设置有若干用于固定待测岩样的卡爪。

本发明的进一步改进在于，所述所述转盘上设置有防护罩。

本发明的进一步改进在于，所述岩石研磨性测定试验装置还包括冷却水喷淋装置。

本发明的进一步改进在于，所述转盘的底部设置有排屑孔，所述转盘上设置有连通所述排屑孔的排屑通道。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所述的一种岩石研磨性测定试验装置，能够测量岩石的研磨性，并且能够真实反映岩石与钻头相互磨损的实际工况，并且适用于石油行业的各种软、硬岩石。钻头和磨损标准件容易拆卸和更换，因而便于测量多种钻头材质和岩石的研磨性，有利于找到合适的钻头。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的岩石研磨性测定试验装置的结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施方案的岩石研磨性测定试验装置的结构示意图，显示了图1的侧视的状态；

图3是根据本发明的一个实施方案的钻头的结构示意图；

图4是根据本发明的一个实施方案的转盘工作台的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：1、底座，2、转盘工作台，3、横梁，4、伸缩加压组件，5、钻头，6、控制柜，11、立柱，12、冷却水喷淋装置，21、转盘，22、卡爪，23、防护罩，24、排屑孔，25、排屑通道，26、岩样，31、转动机构，32、电机，33、传送带，41、主轴，42、加压气缸，51、销孔，52、销子，53、磨损标准件，61、动力机构，62、注气管路。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的岩石研磨性测定试验装置。根据本发明的岩石研磨性测定试验装置，能够测量岩石的研磨性，并且能够真实反映岩石与钻头5相互磨损的实际工况，并且适用于石油行业的各种软、硬岩石。

如图1所示，本实施例所述的岩石研磨性测定试验装置，包括底座1。所述底座1上设置有立柱11，并且所述立柱11竖直设置。所述立柱11的上部设置有横梁3，所述横梁3处于水平方向。所述横梁3上设置有转动机构31。在本实施例中，所述横梁3上设置有钻头5，所述钻头5通过伸缩加压组件4连接所述横梁3，并且所述钻头5能够随所述伸缩加压组件4伸缩而在竖直方向上移动。所述钻头5还连接所述转动机构31，并且所述钻头5随所述转动机构31转动而转动。本实施例所述岩石研磨性测定试验装置还包括设置在所述底座1上的转盘工作台2。在试验时，待测岩石样本固定在所述转盘工作台2上，并随所述转盘工作台2转动而转动。在本实施例中，所述立柱11设置在底座1上的一侧，所述转盘工作台2设置在所述底座1上的另一侧。并且所述转盘工作台2设置在所述钻头5下方。所述钻头5随所述伸缩加压组件4伸长时，向下移动并接触所述转盘工作台2上的岩样26，并施加一定的压力。同时，转盘工作台2和钻头5转动来测试岩样的研磨性。

在使用根据本实施例所述的岩石研磨性测定试验装置时，将待测的岩样26固定在所述转盘工作台2上。通过伸缩加压组件4伸长使所述钻头5向下移动，最后所述钻头5接触所述岩样26并向岩样26施加一定的压力。启动所述转动机构31使所述钻头5转动，并且启动所述转盘工作台2使所述岩样26转动，岩样26的转动方向与钻头5的转动方向相反。通过钻头5在所述岩样26上转动一定时间后，检测岩样26和钻头5的磨损情况，从而判断岩石的研磨性，并确定应用于此岩石的最佳的钻头5。

在一个实施例中，所述岩石研磨性测定试验装置还包括控制柜6，所述控制柜6连接所述转盘工作台2和所述转动机构31，并控制所述转盘工作台2和所述转动机构31转动。所述控制柜6连接有动力机构61，所述动力机构61能够为所述伸缩加压组件4提供动力。同时，所述控制柜6能够控制所述动力机构61，从而控制伸缩加压组件4的伸缩和对岩样施加的压力的大小。在本实施例中，所述控制柜6上设置有钻头钻压控制旋钮及钻压数据显示屏，钻头转速控制旋钮及钻头转速显示屏，以及转盘转速控制旋钮及转盘转速显示屏。通过本实施例所述控制柜使试验更加容易控制。

在根据本实施例所述岩石研磨性测定试验装置中，通过所述控制柜6能够控制所述转盘工作台2和所述转动机构31转动，从而控制岩样26和钻头5的转动开关和转速。并且所述控制柜6同时也控制伸缩加压组件4，从而控制钻头5与所述岩样26接触，并控制钻头5和岩样26之间的压力。

在一个实施例中，所述伸缩加压组件4包括随所述转动机构31转动的主轴41，所述主轴41竖直向下设置在所述横梁3的下方。所述主轴41的上端连接所述转动机构31，并能够随所述转动机构31转动，其下端连接所述钻头5。本实施例所述伸缩加压组件4还包括加压气缸42，所述加压气缸42的数量至少为一个。所述加压气缸42设置在所述横梁3上，并且所述加压气缸42底部连接所述主轴41。所述加压气缸42伸长时带动所述主轴41向下移动，使所述钻头5与所述转盘工作台2接触并施加压力。在一个优选的实施例中，所述加压气缸42数量为两个，分别设置在所述横梁3两侧。

在根据本实施例所述岩石研磨性测定试验装置中，所述伸缩加压组件通过加压气缸42进行伸缩和加压。通过加压气缸42能够准确地控制钻头5施加在岩样26上的压力。当然，其他的伸缩装置，如弹簧、油缸或螺杆等等，也在本发明范围之内，加压气缸为优选的方案，其控制的压力更加准确。

在一个实施例中，所述动力机构61为空气压缩机，所述空气压缩机通过注气管路62经过所述控制柜6连接所述加压气缸42。所述空腔压缩机能够将高压空气注入气缸内，对钻头5施加轴向压力。所述空气压缩机注入空气的过程受所述控制柜6的控制，所述控制柜6通过控制注入空气的开关和速度来控制所述加压气缸42的伸缩量，从而控制所述钻头5施加在所述岩样26上的压力。

在一个实施例中，如图1和图2所示，所述转动机构31包括设置在所述横梁3上的电机32，所述电机32通过传送带33连接所述主轴41。在一个优选的实施例中，所述电机32设置在所述横梁3上与设置主轴41相反的一端。所述电机32竖直方向设置，所述电机32的转子竖直向上。所述电机32转子上设置有转动轮，所述传送带33套在所述转动轮上，并且所述主轴41的上端也设置有转动轮，所述传送带33的另一端套在所述主轴41的转动轮上。

在一个实施例中，如图3所示，所述主轴41的下端设置有销孔51，所述钻头5的上端设置有与所述销孔51配合的销子52。所述钻头5上的销子52插入并固定在所述销孔51中。所述钻头5的底部设置有磨损标准件53。所述磨损标准件53为钻井等过程中使用的钻进工具的钻头5的材质。在本实施例中，所述钻头5的底部优选地设置有两个安装孔，所述磨损标准件53的数量优选为两个，并且所述磨损标准件53的上部分别插入所述安装孔中。在本实施例中，所述磨损标准件53与所述安装孔之间通过螺栓或螺钉相连。通过螺栓或螺钉相连的方式连接更加稳固，同时便于拆装和更换磨损标准件53。

在使用根据本实施例所述的岩石研磨性测定试验装置时，通过销孔51和销钉可以方便地更换钻头5。在所述钻头5上通过螺栓设置若干磨损标准件53，便于拆装和更换磨损标准件53，方便测试不同的磨损材质以检测出最佳的钻井工具。

在一个实施例中，如图4所示，所述转盘工作台2包括转盘21，所述转盘21上设置有若干用于固定待测岩样26的卡爪22。卡爪22的数量优选为2～6个，在如图4所示的实施例中所述卡爪22的数量为四个，并且均匀设置在所述转盘21的周向上。所述卡爪22上设置有弹簧，岩样26放置在四个卡爪22之间，并通过弹簧的弹力加紧所述岩样26。

在一个实施例中，所述所述转盘21上设置有防护罩23。优选地，所述防护罩23为圆筒形。所述防护罩23设置在所述转盘21上，并连接在所述转盘21的边缘。所述防护罩23将所述钻头5和所述岩样26包围在其中，所述在钻头5和所述岩样26进行旋转研磨时，防护罩23能够防止碎石飞溅，从而提高了试验的安全性。

在一个实施例中，所述岩石研磨性测定试验装置还包括冷却水喷淋装置12。在一个优选的实施例中，所述冷却水喷淋装置12设置在立柱11上。所述冷却水喷淋装置12的喷嘴对准转盘工作台2，在岩石研磨性测定试验时为钻头5和磨损标准件53降温；同时还能够冲洗岩样26表面便于排屑。

在一个优选的实施例中，所述转盘21的底部设置有排屑孔24，所述转盘21上设置有连通所述排屑孔24的排屑通道25。在本实施例中，所述排屑通道25竖直设置在所述转盘21中部，在岩石研磨性测定试验时研磨的碎屑通过冷却水喷淋装置12冲洗，所述碎屑随着水流入排屑通道25内，并通过排屑孔24流出。

在使用根据本实施例所述岩石研磨性测定试验装置时，首先将岩样26放置转盘21上，通过卡爪22将岩样26卡紧。装置通电后，通过控制柜6下放主轴41，使钻头5与岩样26接触，并且利用加压气缸42对钻头5施加钻压。其中，钻压范围0-100kg。同时，利用转动机构31带动主轴41对钻头5施加转速，转速范围在0-350r/min。同时，利用转盘21对岩样26施加转速，转速范围0-30r/min。在钻压、转速的作用下，钻头5利用其上的磨损标准件53钻进岩样26，同时岩样26磨损标准件53。钻进过程中，冷却水喷淋装置12用冷水冲洗钻头5，一方面为钻头5上的磨损标准件53降温，另一方面清洗岩样26表面，并将产生的岩屑通过排屑管路，经排屑孔24排出。钻进一定时间后，测量标准件的高度、质量及岩样26磨削体积的参数，以此确定所测岩样26的研磨性。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种岩石研磨性测定试验装置，其特征在于，包括：

底座(1)，

竖直设置在所述底座(1)上的立柱(11)；

水平设置在所述立柱(11)的上部的横梁(3)，所述横梁(3)上设置有转动机构(31)；

连接在所述横梁(3)上的钻头(5)，所述钻头(5)通过伸缩加压组件(4)连接在所述横梁(3)的下方，并且所述钻头(5)随所述转动机构(31)转动；以及

设置在所述底座(1)上的转盘工作台(2)，所述转盘工作台(2)位于所述钻头(5)的下方。

2.根据权利要求1所述的岩石研磨性测定试验装置，其特征在于，所述岩石研磨性测定试验装置还包括：

控制柜(6)，所述控制柜(6)连接所述转盘工作台(2)和所述转动机构(31)，并控制所述转盘工作台(2)和所述转动机构(31)转动；所述控制柜(6)连接有动力机构(61)，并控制所述动力机构(61)为所述伸缩加压组件(4)提供动力。

3.根据权利要求2所述的岩石研磨性测定试验装置，其特征在于，所述伸缩加压组件(4)包括：随所述转动机构(31)转动的主轴(41)，所述主轴(41)下端连接所述钻头(5)；以及设置在所述横梁(3)上的加压气缸(42)，所述加压气缸(42)伸长时带动所述主轴(41)向下移动，使所述钻头(5)与所述转盘工作台(2)接触并施加压力。

4.根据权利要求3所述的岩石研磨性测定试验装置，其特征在于，所述动力机构(61)为空气压缩机，所述空气压缩机通过注气管路(62)经过所述控制柜(6)连接所述加压气缸(42)。

5.根据权利要求3或4所述的岩石研磨性测定试验装置，其特征在于，所述转动机构(31)包括设置在所述横梁(3)上的电机(32)，所述电机(32)通过传送带(33)连接所述主轴(41)。

6.根据权利要求5所述的岩石研磨性测定试验装置，其特征在于，所述主轴(41)的下端设置有销孔(51)，所述钻头(5)的上端设置有与所述销孔(51)配合的销子(52)；并且所述钻头(5)的底部设置有磨损标准件(53)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的岩石研磨性测定试验装置，其特征在于，所述转盘工作台(2)包括转盘(21)，所述转盘(21)上设置有若干用于固定待测岩样(26)的卡爪(22)。

8.根据权利要求7所述的岩石研磨性测定试验装置，其特征在于，所述所述转盘(21)上设置有防护罩(23)。

9.根据权利要求7或8所述的岩石研磨性测定试验装置，其特征在于，所述岩石研磨性测定试验装置还包括冷却水喷淋装置(12)。

10.根据权利要求9所述的岩石研磨性测定试验装置，其特征在于，所述转盘(21)的底部设置有排屑孔(24)，所述转盘(21)上设置有连通所述排屑孔(24)的排屑通道(25)。

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