CN110749521A - 一种动静载联合破岩试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动静载联合破岩试验装置及试验方法，其中试验装置主要包括轴向加压油缸、固定平台、活塞杆、导柱、位移传感器、升降平台、扭矩传感器、夹紧油缸、底座、旋转冲击机构总成、驱动电机、石英压电传感器、钻杆、微钻头、岩样、导轨电机、十字导轨、钻压传感器、围压传感器、计算机、控制柜和液压站，轴向加压油缸带动升降平台上下滑动，驱动电机驱动旋转冲击机构总成对微钻头施加旋转运动或旋转冲击运动，加紧油缸对岩样施加围压，导轨电机调节岩样位置，钻压、围压、位移、扭矩、石英压电传感器均与计算机连接。本发明能够全面地模拟钻头在钻进过程中存在的多种破岩状态，为井下提速工具性能参数和现场钻井参数确定提供理论依据。

Description

一种动静载联合破岩试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及油气勘探、地质勘探、地热井开发技术领域，特别涉及一种静载联合破岩试验装置及试验方法。

背景技术

随着油气资源勘探进程的不断加快，深层、超深层的非常规油气资源勘探已经成为全球勘探开发的必然趋势。但是由于井深不断增加，钻遇岩石硬度越高、研磨性越强、破岩难度越大，采用常规钻井技术已经不能满足钻井提速需要，因此，如螺杆钻具、涡轮钻具、旋冲工具、孕镶金刚石钻头、混合钻头等新的钻井提速工具和钻头成为了当今研发的重点。

但是，这些新的提速工具和钻头在现场应用过程中，受区域地层影响较大、破岩效果不稳定、时好时坏，归根结底是因为在室内缺乏全面真实反映钻头在多种钻进载荷作用下破岩效果的试验装置和方法，造成各工具及钻头的破岩机理认识不深入，工具性能、钻头类型和现场钻进参数与地层岩性匹配性不好。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种动静载联合破岩试验装置及试验方法，其现场实际钻进情况相近，能够分析得出单一参数及多种参数组合对破岩效果的影响规律，从而指导钻井工具研发及现场钻井参数指定，提高钻井效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种动静载联合破岩试验装置，包括底座和设置于其的围压系统、静压系统、旋转冲击机构总成、微钻头、岩样台、围压传感器和位移传感器，还包括扭矩传感器和/或石英压电传感器；

所述围压系统能够对所述岩样台上的岩样施加围压，所述围压传感器能够监控围压值；

所述静压系统的升降平台能够对所述微钻头施加静压载荷，所述位移传感器能够监控所述升降平台的位移；

所述旋转冲击机构总成设置于所述升降平台，能够对所述微钻头产生回转运动和/或轴向冲击运动；所述扭矩传感器能够监控扭矩，所述石英压电传感器能够监控冲击力和冲击频率值。

优选的，还包括钻杆，所述钻杆安装于所述旋转冲击机构总成输出端的钻套，所述微钻头连接于所述钻杆；

所述扭矩传感器固定在所述钻套外侧，所述石英压电传感器固定在所述钻杆外侧。

优选的，还包括第一压帽，所述第一压帽连接于所述钻杆，所述升降平台通过所述第一压帽推动所述钻杆为所述微钻头施加静压载荷。

优选的，所述围压系统包括：夹紧油缸、油缸定位板和岩样夹紧板；

所述油缸定位板设置在所述岩样台四周，所述夹紧油缸固定在所述油缸定位板上并于所述岩样夹紧板相连；

所述围压传感器连接于所述夹紧油缸。

优选的，所述静压系统包括：轴向加压油缸、固定平台、活塞杆、导柱、导套和所述升降平台；

所述固定平台通过所述导柱与所述底座连接，所述轴向加压油缸设置于所述固定平台，所述轴向加压油缸伸出的所述活塞杆与所述升降平台相连，所述升降平台通过所述导套可以在所述导柱上滑动；

所述位移传感器设置于所述升降平台，所述钻压传感器连接于所述轴向加压油缸。

优选的，还包括十字导轨和的导轨电机；

所述十字导轨放置在所述底座上，所述十字导轨上的所述岩样台位置由所述导轨电机调节。

优选的，所述旋冲冲击机构总成包括：双头蜗杆、第一涡轮、曲柄连杆、活塞、气缸、第一锥齿轮、冲锤、第二压帽、钻套、第二涡轮、第二锥齿轮；

所述双头蜗杆能够分别与所述第一涡轮和所述第二涡轮啮合，或者只与所述第二涡轮啮合；

所述第一涡轮能够带动所述曲柄连杆做圆周运动，所述曲柄连杆能够带动所述活塞在所述气缸内上下往复运动，从而推动所述冲锤敲击所述钻套尾部；

所述第二涡轮能够带动所述第二锥齿轮旋转，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合能够带动其旋转，所述第一锥齿轮固定在所述气缸中部，所述气缸下端与所述钻套相连。

所述的一种动静载联合破岩试验方法，具体技术方案是：

(1)控制柜控制导轨电机将岩样台上的岩样调整至合适位置，并对岩样台进行固定；

(2)控制柜通过控制夹紧油缸调整对岩样产生的围压值，围压大小通过液压站进行控制并通过围压传感器进行实时监控；

(3)控制柜通过控制两个轴向加压油缸的活塞杆向下伸出，带动升降平台沿着导柱向下滑动，升降平台通过压帽推动钻杆和微钻头接触岩样表面，轴向静压力大小通过液压站进行调节并通过钻压传感器进行实时监控，轴向位移大小通过固定在升降平台外侧的位移传感器进行实时监控；

(4)控制柜控制驱动电机驱动旋转冲击机构总成中的双头蜗杆旋转，并通过控制离合器使双头蜗杆进给或后退。当双头蜗杆进给时，双头蜗杆同时与第一涡轮和第二涡轮啮合并驱动二者旋转，整个旋转冲击机构总成同时实现旋转+轴向冲击功能。当双头蜗杆后退时，由于第一涡轮比第二涡轮直径小，双头蜗杆只与第二涡轮啮合并驱动其旋转，而与第一涡轮分离，从而使曲柄连杆处于停止状态，旋转冲击机构总成只实现旋转功能。破岩过程中的旋转扭矩通过扭矩传感器进行实时监控，轴向冲击力通过石英压电传感器进行实时监测，相邻两个冲击力峰值之间的时间差即为单次冲击时间，经过换算得到冲击频率；

(5)整个破岩过程，钻压传感器、围压传感器、位移传感器、扭矩传感器、石英压电传感器监控得到的钻压、围压、位移、扭矩、冲击力、冲击频率值均实时传输至计算机数据采集软件中进行显示、记录。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的动静载联合破岩试验装置及试验方法，其有益效果是：

1、本发明通过轴向加压油缸对微钻头施加静压载荷、通过旋转冲击机构总成对微钻头产生回转运动及轴向冲击运动、通过夹紧油缸对岩样施加围压，真实模拟现场实际钻进过程中钻头切削齿破岩的多种方式，且上述三种控制机构之间相对独立，既能分析单个因素对破岩效果的影响规律，又能分析多种因素联合作用对破岩效果的影响规律；

2、本发明分别可以分析静压载荷切削刻划破岩、动载轴向冲击破岩以及静载钻压+动载冲击联合破岩，因此具备了较为全面地模拟钻头在钻进过程中可能存在的多种破岩状态的功能，突破了现有技术中只能模拟单一静压切削的破岩或者单一动载冲击破岩的现状，开辟了动静载荷既可独立又可联合破岩的新装置、新技术；

3、本发明通过高精度传感器对各个参数进行实时监控，将采集到的试验数据和曲线进行处理分析，形成相应的破岩评价方法，可以为井下提速工具性能参数和现场针对具体地层岩性所采取的具体钻井参数确定提供理论依据；

4、本发明可以根据需要调整微钻头切削齿的个数、倾角、排布方式等结构参数，且各部分零件更换方便、性能可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的动静载联合破岩试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的旋转冲击机构总成的内部结构示意图。

图中：1为轴向加压油缸；2为固定平台；3为活塞杆；4为导柱；5为导套；6为位移传感器；7为升降平台；8为扭矩传感器；9为第一压帽；10为夹紧油缸；11为油缸定位板；12为加强板；13为底座；14为保护罩；

15为旋转冲击机构总成，15-1为离合器，15-2为双头蜗杆，15-3为第一涡轮，15-4为第一轴承，15-5为曲柄连杆，15-6为活塞，15-7为气缸，15-8为第一锥齿轮，15-9为冲锤，15-10为第二轴承，15-11为第二压帽，15-12为钻套，15-13为第三轴承，15-14为第二涡轮，15-15为第二锥齿轮；

16为驱动电机；17为石英压电传感器；18为钻杆；19为微钻头；20为岩样；21为岩样夹紧板；22为导轨电机；23为岩样台；24为十字导轨；25为钻压传感器；26为围压传感器；27为计算机；28为控制柜；29为液压站。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的动静载联合破岩试验装置，包括底座13和设置于其的围压系统、静压系统、旋转冲击机构总成15、微钻头19、岩样台23、围压传感器26和位移传感器6，还包括扭矩传感器8和/或石英压电传感器17，其结构可以参照图1所示；

其中，围压系统能够对岩样台23上的岩样20施加围压，围压传感器26能够监控围压值；

静压系统的升降平台7能够对微钻头19施加静压载荷，位移传感器6能够监控升降平台7的位移；

旋转冲击机构总成15设置于升降平台7，能够对微钻头19产生回转运动和/或轴向冲击运动；扭矩传感器8能够监控扭矩，石英压电传感器17能够监控冲击力和冲击频率值。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的动静载联合破岩试验装置，其有益效果是：

1、本发明实施例通过静压系统对微钻头施加静压载荷、通过旋转冲击机构总成对微钻头产生回转运动及轴向冲击运动、通过围压系统对岩样施加围压，真实模拟现场实际钻进过程中钻头切削齿破岩的多种方式，且上述三种控制机构之间相对独立，既能分析单个因素对破岩效果的影响规律，又能分析多种因素联合作用对破岩效果的影响规律；

2、本发明实施例分别可以分析静压载荷切削刻划破岩、动载轴向冲击破岩以及静载钻压+动载冲击联合破岩，因此具备了较为全面地模拟钻头在钻进过程中可能存在的多种破岩状态的功能，突破了现有技术中只能模拟单一静压切削的破岩或者单一动载冲击破岩的现状，开辟了动静载荷既可独立又可联合破岩的新装置、新技术；

3、本发明实施例通过高精度传感器对各个参数进行实时监控，将采集到的试验数据和曲线进行处理分析，形成相应的破岩评价方法，可以为井下提速工具性能参数和现场针对具体地层岩性所采取的具体钻井参数确定提供理论依据；

4、本发明实施例可以根据需要调整微钻头切削齿的个数、倾角、排布方式等结构参数，且各部分零件更换方便、性能可靠。

本发明实施例提供的动静载联合破岩试验装置，还包括钻杆18，该钻杆18安装于旋转冲击机构总成15输出端的钻套15-12，微钻头19连接于钻杆18，其结构可以参照图1和图2所示，即通过钻杆18由钻套15-12向微钻头19传递旋转冲击作用；可以根据需要调整微钻头切削齿的个数、倾角、排布方式等结构参数，且各部分零件更换方便、性能可靠；

扭矩传感器8固定在钻套15-12外侧，石英压电传感器17固定在钻杆18外侧。

本发明实施例提供的动静载联合破岩试验装置，还包括第一压帽9，该第一压帽9连接于钻杆18，升降平台7通过第一压帽9推动钻杆18为微钻头19施加静压载荷，其结构可以参照图1所示。

作为优选，围压系统包括：夹紧油缸10、油缸定位板11和岩样夹紧板21，其结构可以参照图1所示；

其中，油缸定位板11设置在岩样台23四周，夹紧油缸10固定在油缸定位板11上并于岩样夹紧板21相连，通过夹紧油缸10对岩样20施加围压；

围压传感器26连接于夹紧油缸10；通过控制夹紧油缸10调整对岩样20产生的围压值，围压大小通过液压站29进行控制并通过围压传感器26进行实时监控。通过液压设备施加围压效果稳定，可靠性高。

具体的，静压系统包括：轴向加压油缸1、固定平台2、活塞杆3、导柱4、导套5和升降平台7，其结构可以参照图1所示；

其中，固定平台2通过导柱4与底座13连接，轴向加压油缸1设置于固定平台2，轴向加压油缸1伸出的活塞杆3与升降平台7相连，升降平台7通过导套5可以在导柱3上滑动；即通过轴向加压油缸1对微钻头19施加静压载荷，可与围压系统共用液压站29；

位移传感器6设置于升降平台7，钻压传感器25连接于轴向加压油缸1。

为了进一步优化上述的技术方案，本发明实施例提供的动静载联合破岩试验装置，还包括十字导轨24和的导轨电机22；

十字导轨24放置在底座13上，十字导轨24上的岩样台23位置由导轨电机22调节，其结构可以参照图1所述。在试验时可先控制导轨电机将岩样台23上的岩样20调整至合适位置，并对岩样台23进行固定，以便于将岩样20特定部分和微钻头19对齐配合，确保模拟效果。

作为优选，旋冲冲击机构总成15包括：双头蜗杆15-2、第一涡轮15-3、曲柄连杆15-5、活塞15-6、气缸15-7、第一锥齿轮15-8、冲锤15-9、第二压帽15-11、钻套15-12、第二涡轮15-14、第二锥齿轮15-15，其结构可以参照图2所示；

其中，双头蜗杆15-2能够分别与第一涡轮15-3和第二涡轮15-14啮合，或者只与第二涡轮15-14啮合，能够灵活快速切换；

第一涡轮15-3能够带动曲柄连杆15-5做圆周运动，曲柄连杆15-5能够带动活塞15-6在气缸15-7内上下往复运动，从而推动冲锤15-9敲击钻套15-12尾部，即实现轴向冲击功能；

第二涡轮15-14能够带动第二锥齿轮15-15旋转，第二锥齿轮15-15与第一锥齿轮15-8啮合能够带动其旋转，第一锥齿轮15-8固定在气缸15-7中部，气缸15-7下端与钻套15-12相连；则实现旋转功能。

下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：

如图1所示，一种动静载联合破岩试验装置，主要包括：轴向加压油缸1、固定平台2、活塞杆3、导柱4、导套5、位移传感器6、升降平台7、扭矩传感器8、第一压帽9、夹紧油缸10、油缸定位板11、加强板12、底座13、保护罩14、旋转冲击机构总成15、驱动电机16、石英压电传感器17、钻杆18、微钻头19、岩样20、岩样夹紧板21、导轨电机22、岩样台23、十字导轨24、钻压传感器25、围压传感器26、计算机27、控制柜28和液压站29；

所述的一种动静载联合破岩试验装置，固定平台2通过四根导柱4与底座13连接，固定平台2上放置有两个轴向加压油缸1，轴向加压油缸1伸出的活塞杆3与升降平台7相连，升降平台7通过导套5可以在导柱3上滑动，升降平台7侧面设置有位移传感器6，升降平台7上部放置有保护罩14套着的旋转冲击机构总成15，旋转冲击机构总成15由驱动电机16驱动工作，旋冲冲击机构总成15中的钻套15-12及钻杆18穿过升降平台7与第一压帽9连接，钻套15-12外侧固定有扭矩传感器8，第一压帽9下部的钻杆18外侧固定有石英压电传感器17，钻杆18底部与微钻头19相连，十字导轨24放置在底座13上，十字导轨24上的岩样台23位置由导轨电机22调节，岩样台23四周有油缸定位板11和加强板12，夹紧油缸10固定在油缸定位板11上并于岩样夹紧板21相连，岩样夹紧板中间放置有岩样20；

所述的一种动静载联合破岩试验装置，计算机27中的数据采集软件同时采集并显示与轴向加压油缸1连接的钻压传感器25、与夹紧油缸10连接的围压传感器26、升降平台7上的位移传感器6、与钻杆连接的扭矩传感器8和石英压电传感器17传回的数据信息，然后发送给控制柜28，并通过控制柜28一方面调节驱动电机16和导轨电机22工作状态，另一方面控制液压站29分别对轴向加压油缸1和夹紧油缸10进行调节；

如图2所示，旋转冲击机构总成15，主要包括：离合器15-1、双头蜗杆15-2、第一涡轮15-3、第一轴承15-4、曲柄连杆15-5、活塞15-6、气缸15-7、第一锥齿轮15-8、冲锤15-9、第二轴承15-10、第二压帽15-11、钻套15-12、第三轴承15-13、第二涡轮15-14和第二锥齿轮15-15；

该旋转冲击总成中，驱动电机16通过离合器15-1带动双头蜗杆15-2转动，双头蜗杆15-2分别与第一涡轮15-3和第二涡轮15-14啮合，一方面，第一涡轮15-3带动曲柄连杆15-5做圆周运动，曲柄连杆15-5外部配有第一轴承15-4，曲柄连杆15-5带动活塞15-6在气缸15-7内上下往复运动，推动冲锤15-9敲击钻套15-12尾部，另一方面，第二涡轮15-14带动第二锥齿轮15-15旋转，第二锥齿轮15-15配有第三轴承15-13并与第一锥齿轮15-8啮合，带动第一锥齿轮15-8旋转，第一锥齿轮15-8固定在气缸15-7中部，而气缸15-7下端与第二轴承15-10、钻套15-12、第二压帽15-11相连，因此第一锥齿轮15-8在旋转同时也带动气缸15-7、钻套15-12及钻杆18旋转。

本发明实施例提供的动静载联合破岩试验方法，采用如上述的动静载联合破岩试验装置，包括步骤：

S1、对岩样台23上的岩样20施加围压，并实时监控围压值；

S2、控制升降平台7向下推动微钻头19对岩样20施加静压载荷，并实时监控钻压和升降平台7的位移；

S3、对微钻头19产生回转运动和/或轴向冲击运动，并实时监控扭矩、冲击力和/或冲击频率值。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的动静载联合破岩试验方法，其有益效果是：

1、本发明实施例通过静压系统对微钻头施加静压载荷、通过旋转冲击机构总成对微钻头产生回转运动及轴向冲击运动、通过围压系统对岩样施加围压，真实模拟现场实际钻进过程中钻头切削齿破岩的多种方式，且上述三种控制机构之间相对独立，既能分析单个因素对破岩效果的影响规律，又能分析多种因素联合作用对破岩效果的影响规律；

2、本发明实施例分别可以分析静压载荷切削刻划破岩、动载轴向冲击破岩以及静载钻压+动载冲击联合破岩，因此具备了较为全面地模拟钻头在钻进过程中可能存在的多种破岩状态的功能，突破了现有技术中只能模拟单一静压切削的破岩或者单一动载冲击破岩的现状，开辟了动静载荷既可独立又可联合破岩的新装置、新技术；

3、本发明实施例通过高精度传感器对各个参数进行实时监控，将采集到的试验数据和曲线进行处理分析，形成相应的破岩评价方法，可以为井下提速工具性能参数和现场针对具体地层岩性所采取的具体钻井参数确定提供理论依据；

4、本发明实施例可以根据需要调整微钻头切削齿的个数、倾角、排布方式等结构参数，且各部分零件更换方便、性能可靠。

作为优选，步骤S2包括：控制轴向加压油缸1的活塞杆3向下伸出，带动升降平台7沿着导柱8向下滑动，升降平台7通过第一压帽9推动钻杆18和微钻头19接触岩样20表面；轴向静压力大小通过液压站29进行调节并通过钻压传感器25进行实时监控，轴向位移大小通过固定在升降平台7外侧的位移传感器6进行实时监控。

具体的，在步骤S3中：控制驱动电机16驱动旋转冲击机构总成15中的双头蜗杆15-2旋转，并通过控制离合器15-1使双头蜗杆15-2进给或后退；当双头蜗杆15-2进给时，其同时与第一涡轮15-3和第二涡轮15-4啮合并驱动二者旋转，分别对微钻头19产生轴向冲击运动和回转运动；当双头蜗杆15-2后退时，其只与第二涡轮15-4啮合并驱动其旋转，对微钻头19只产生回转运动。

下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：

实施例1：

如图1、图2所示，一种动静载联合破岩试验方法是基于本发明实施例所述的试验装置实现静压载荷切削刻划破岩，具体实施内容如下：

(1)控制柜28控制导轨电机将岩样台23上的岩样20调整至合适位置，并对岩样台23进行固定；

(2)控制柜28通过控制夹紧油缸10调整对岩样20产生的围压值，围压大小通过液压站29进行控制并通过围压传感器26进行实时监控；

(3)控制柜28通过控制两个轴向加压油缸1的活塞杆3向下伸出，带动升降平台7沿着导柱8向下滑动，升降平台7通过第一压帽9推动钻杆18和微钻头19产生一定轴向静压力并压入岩样20表面，轴向静压力大小通过液压站29进行调节并通过钻压传感器25进行实时监控，轴向位移大小通过固定在升降平台7外侧的位移传感器6进行实时监控；

(4)控制柜28控制驱动电机16驱动旋转冲击机构总成15中的双头蜗杆15-2旋转，并通过控制离合器15-1使双头蜗杆15-2后退，由于第一涡轮15-3比第二涡轮15-14直径小，因此双头蜗杆15-2只与第二涡轮15-14啮合并驱动其旋转，而与第一涡轮15-3分离，从而使曲柄连杆15-5处于停止状态，第二涡轮15-14带动第二锥齿轮15-15旋转，第二锥齿轮15-15带动固定在气缸15-7外侧的第一锥齿轮15-8旋转，第一锥齿轮15-8带动气缸15-7旋转，进而带动钻套15-12、钻杆18以及下部微钻头19一起旋转，微钻头19在岩样20表面产生旋转切削破岩，破岩过程中的扭矩通过扭矩传感器8进行实时监控；

(5)整个静压载荷切削刻划破岩过程，钻压传感器25、围压传感器26、位移传感器6、扭矩传感器8监控得到的钻压、围压、位移、扭矩值均实时传输至计算机27数据采集软件中进行显示、记录。

实施例2：

如图1、图2所示，一种动静载联合破岩试验方法是基于本发明实施例所述的试验装置实现动载轴向冲击破岩，具体实施内容如下：

(1)控制柜28控制导轨电机将岩样台23上的岩样20调整至合适位置，并对岩样台23进行固定；

(2)控制柜28通过控制夹紧油缸10调整对岩样20产生的围压值，围压大小通过液压站29进行控制并通过围压传感器26进行实时监控；

(3)控制柜28通过控制两个轴向加压油缸1的活塞杆3向下伸出，带动升降平台7沿着导柱8向下滑动，升降平台7通过第一压帽9推动钻杆18和微钻头19下行至微钻头19切削齿刚好与岩样20表面接触而后停止，微钻头19无额外静载轴向压力施加于岩样20表面，轴向位移大小通过固定在升降平台7外侧的位移传感器6进行实时监控；

(4)控制柜28控制驱动电机16驱动旋转冲击机构总成15中的双头蜗杆15-2旋转，并通过控制离合器15-1使双头蜗杆15-2进给，使双头蜗杆15-2同时与第一涡轮15-3和第二涡轮15-14啮合并驱动二者旋转，一方面，第一涡轮15-3带动曲柄连杆15-5做圆周运动，进而带动活塞15-6在气缸15-7内做上下往复运动，使气缸15-7内空气压缩膨胀，推动冲锤15-9敲击钻套15-12尾部产生动载冲击力，冲击力依次通过钻套15-12、钻杆18传递给微钻头19，使微钻头19切削齿在岩样20表面产生动载冲击侵入破岩，动载冲击力通过石英压电传感器17进行实时监测，相邻两个冲击力峰值之间的时间差即为单次冲击时间，经过换算得到冲击频率；另一方面，第二涡轮15-14带动第二锥齿轮15-15旋转，第二锥齿轮15-15带动固定在气缸15-7外侧的第一锥齿轮15-8旋转，第一锥齿轮15-8带动气缸15-7旋转，进而带动钻套15-12、钻杆18以及下部微钻头19一起旋转，破岩过程中的扭矩通过扭矩传感器8进行实时监控；

(5)整个动载轴向冲击破岩过程，围压传感器26、位移传感器6、扭矩传感器8、石英压电传感器17监控得到的围压、位移、扭矩、冲击力、冲击频率值均实时传输至计算机27数据采集软件中进行显示、记录。

实施例3：

如图1、图2所示，一种动静载联合破岩试验方法是基于本发明实施例所述的试验装置实现静载钻压+动载冲击联合破岩，具体实施内容如下：

(1)控制柜28控制导轨电机将岩样台23上的岩样20调整至合适位置，并对岩样台23进行固定。

(2)控制柜28通过控制夹紧油缸10调整对岩样20产生的围压值，围压大小通过液压站29进行控制并通过围压传感器26进行实时监控；

(3)控制柜28通过控制两个轴向加压油缸1的活塞杆3向下伸出，带动升降平台7沿着导柱8向下滑动，升降平台7通过第一压帽9推动钻杆18和微钻头19产生一定轴向静压力并压入岩样20表面，轴向静压力大小通过液压站29进行调节并通过钻压传感器25进行实时监控，轴向位移大小通过固定在升降平台7外侧的位移传感器6进行实时监控；

(4)控制柜28控制驱动电机16驱动旋转冲击机构总成15中的双头蜗杆15-2旋转，并通过控制离合器15-1使双头蜗杆15-2进给，使双头蜗杆15-2同时与第一涡轮15-3和第二涡轮15-14啮合并驱动二者旋转，一方面，第一涡轮15-3带动曲柄连杆15-5做圆周运动，进而带动活塞15-6在气缸15-7内做上下往复运动，使气缸15-7内空气压缩膨胀，推动冲锤15-9敲击钻套15-12尾部产生动载冲击力，冲击力依次通过钻套15-12、钻杆18传递给微钻头19，使微钻头19切削齿在岩样20表面产生动载冲击侵入破岩，动载冲击力通过石英压电传感器17进行实时监测，相邻两个冲击力峰值之间的时间差即为单次冲击时间，经过换算得到冲击频率；另一方面，第二涡轮15-14带动第二锥齿轮15-15旋转，第二锥齿轮15-15带动固定在气缸15-7外侧的第一锥齿轮15-8旋转，第一锥齿轮15-8带动气缸15-7旋转，进而带动钻套15-12、钻杆18以及下部微钻头19一起旋转，破岩过程中的扭矩通过扭矩传感器8进行实时监控；

(5)整个静载钻压+动载冲击联合破岩过程，钻压传感器25、围压传感器26、位移传感器6、扭矩传感器8、石英压电传感器17监控得到的钻压、围压、位移、扭矩、冲击力、冲击频率值均实时传输至计算机27数据采集软件中进行显示、记录。

综上所述，本发明实施例公开了一种动静载联合破岩试验装置及试验方法，其中试验装置主要包括轴向加压油缸、固定平台、活塞杆、导柱、位移传感器、升降平台、扭矩传感器、夹紧油缸、底座、旋转冲击机构总成、驱动电机、石英压电传感器、钻杆、微钻头、岩样、导轨电机、十字导轨、钻压传感器、围压传感器、计算机、控制柜和液压站，轴向加压油缸带动升降平台上下滑动，驱动电机驱动旋转冲击机构总成对微钻头施加旋转运动或旋转冲击运动，加紧油缸对岩样施加围压，导轨电机调节岩样位置，钻压、围压、位移、扭矩、石英压电传感器均与计算机连接。本发明实施例能够全面地模拟钻头在钻进过程中存在的多种破岩状态，为井下提速工具性能参数和现场钻井参数确定提供理论依据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种动静载联合破岩试验装置，其特征在于，包括底座(13)和设置于其的围压系统、静压系统、旋转冲击机构总成(15)、微钻头(19)、岩样台(23)、围压传感器(26)和位移传感器(6)，还包括扭矩传感器(8)和/或石英压电传感器(17)；

所述围压系统能够对所述岩样台(23)上的岩样(20)施加围压，所述围压传感器(26)能够监控围压值；

所述静压系统的升降平台(7)能够对所述微钻头(19)施加静压载荷，所述位移传感器(6)能够监控所述升降平台(7)的位移；

所述旋转冲击机构总成(15)设置于所述升降平台(7)，能够对所述微钻头(19)产生回转运动和/或轴向冲击运动；所述扭矩传感器(8)能够监控扭矩，所述石英压电传感器(17)能够监控冲击力和冲击频率值。

2.根据权利要求1所述的动静载联合破岩试验装置，其特征在于，还包括钻杆(18)，所述钻杆(18)安装于所述旋转冲击机构总成(15)输出端的钻套(15-12)，所述微钻头(19)连接于所述钻杆(18)；

所述扭矩传感器(8)固定在所述钻套(15-12)外侧，所述石英压电传感器(17)固定在所述钻杆(18)外侧。

3.根据权利要求2所述的动静载联合破岩试验装置，其特征在于，还包括第一压帽(9)，所述第一压帽(9)连接于所述钻杆(18)，所述升降平台(7)通过所述第一压帽(9)推动所述钻杆(18)为所述微钻头(19)施加静压载荷。

4.根据权利要求1所述的动静载联合破岩试验装置，其特征在于，所述围压系统包括：夹紧油缸(10)、油缸定位板(11)和岩样夹紧板(21)；

所述油缸定位板(11)设置在所述岩样台(23)四周，所述夹紧油缸(10)固定在所述油缸定位板(11)上并于所述岩样夹紧板(21)相连；

所述围压传感器(26)连接于所述夹紧油缸(10)。

5.根据权利要求1所述的动静载联合破岩试验装置，其特征在于，所述静压系统包括：轴向加压油缸(1)、固定平台(2)、活塞杆(3)、导柱(4)、导套(5)和所述升降平台(7)；

所述固定平台(2)通过所述导柱(4)与所述底座(13)连接，所述轴向加压油缸(1)设置于所述固定平台(2)，所述轴向加压油缸(1)伸出的所述活塞杆(3)与所述升降平台(7)相连，所述升降平台(7)通过所述导套(5)可以在所述导柱(3)上滑动；

所述位移传感器(6)设置于所述升降平台(7)，所述钻压传感器(25)连接于所述轴向加压油缸(1)。

6.根据权利要求1所述的动静载联合破岩试验装置，其特征在于，还包括十字导轨(24)和导轨电机(22)；

所述十字导轨(24)放置在所述底座(13)上，所述十字导轨(24)上的所述岩样台(23)位置由所述导轨电机(22)调节。

7.根据权利要求1所述的动静载联合破岩试验装置，其特征在于，所述旋冲冲击机构总成(15)包括：双头蜗杆(15-2)、第一涡轮(15-3)、曲柄连杆(15-5)、活塞(15-6)、气缸(15-7)、第一锥齿轮(15-8)、冲锤(15-9)、第二压帽(15-11)、钻套(15-12)、第二涡轮(15-14)、第二锥齿轮(15-15)；

所述双头蜗杆(15-2)能够分别与所述第一涡轮(15-3)和所述第二涡轮(15-14)啮合，或者只与所述第二涡轮(15-14)啮合；

所述第一涡轮(15-3)能够带动所述曲柄连杆(15-5)做圆周运动，所述曲柄连杆(15-5)能够带动所述活塞(15-6)在所述气缸(15-7)内上下往复运动，从而推动所述冲锤(15-9)敲击所述钻套(15-12)尾部；

所述第二涡轮(15-14)能够带动所述第二锥齿轮(15-15)旋转，所述第二锥齿轮(15-15)与所述第一锥齿轮(15-8)啮合能够带动其旋转，所述第一锥齿轮(15-8)固定在所述气缸(15-7)中部，所述气缸(15-7)下端与所述钻套(15-12)相连。

8.一种动静载联合破岩试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任意一项所述的动静载联合破岩试验装置，包括步骤：

S1、对所述岩样台(23)上的岩样(20)施加围压，并实时监控围压值；

S2、控制所述升降平台(7)向下推动所述微钻头(19)对所述岩样(20)施加静压载荷，并实时监控钻压和所述升降平台(7)的位移；

S3、对所述微钻头(19)产生回转运动和/或轴向冲击运动，并实时监控扭矩、冲击力和/或冲击频率值。

9.根据权利要求8所述的动静载联合破岩试验方法，其特征在于，所述步骤S2包括：控制轴向加压油缸(1)的活塞杆(3)向下伸出，带动所述升降平台(7)沿着导柱(8)向下滑动，所述升降平台(7)通过第一压帽(9)推动钻杆(18)和所述微钻头(19)接触所述岩样(20)表面；轴向静压力大小通过液压站(29)进行调节并通过钻压传感器(25)进行实时监控，轴向位移大小通过固定在所述升降平台(7)外侧的位移传感器(6)进行实时监控。

10.根据权利要求8所述的动静载联合破岩试验方法，其特征在于，在所述步骤S3中：控制驱动电机(16)驱动旋转冲击机构总成(15)中的双头蜗杆(15-2)旋转，并通过控制离合器(15-1)使所述双头蜗杆(15-2)进给或后退；当所述双头蜗杆(15-2)进给时，其同时与第一涡轮(15-3)和第二涡轮(15-4)啮合并驱动二者旋转，分别对所述微钻头(19)产生轴向冲击运动和回转运动；当所述双头蜗杆(15-2)后退时，其只与所述第二涡轮(15-4)啮合并驱动其旋转，对所述微钻头(19)只产生回转运动。

Images