CN111766170A - 一种耦合激光破岩的试验方法及试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耦合激光破岩的试验方法及试验装置，它能方便的进行机械钻头耦合激光、气流的试验研究，探究不同的转速、钻压、钻头参数、激光参数、气流参数对于岩石破碎功率的影响。技术方案是：启动上钻柱中的光束整形装置发出矩形激光光斑，通过调节支架调节矩形激光光斑通过光路通道作用在待切削岩石上；电机经过减速箱带动钻柱旋转，试验台架通过液压作用下移，使钻头旋转压入切削岩石；启动空压机产生高压气流，通过气路通道作用在切削岩石上，吹散切削岩石产生的碎屑以及粉尘，防止二次切削以及保护光束整形装置。本试验方法原理简单、实用，能方便获取影响岩石破碎功率的各种参数的试验数据。本实验装置结构简单，用于进行破岩试验。

Description

一种耦合激光破岩的试验方法及试验装置

技术领域

本发明涉及一种耦合激光破岩的试验方法及试验装置，具体涉及的是利用激光的高热效应破坏岩石结构，辅助机械破岩的一种实验方法和试验装置。

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-机械破岩试验，提出一种耦合激光破岩的试验方法和试验装置，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。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：一种耦合激光破岩的试验方法，其包括如下步骤：

1)启动上钻柱中的光束整形装置发出矩形激光光斑，经过上钻柱中的调节支架调节矩形激光光斑的角度和方向，通过光路通道垂直照射在固定在实验台架底部的待切削岩石上，产生高热作用；

2)启动实验台架上的电机，通过减速箱带动上钻柱和下钻柱做旋转运动，将扭矩传递到钻头上，同时实验台架通过液压作用下移，钻头以旋转压入方式切削岩石；

3)启动空压机产生高压气流，气流从通气套的进气口进入，经过气路通道，吹散切削岩石产生的碎屑和粉尘。

在步骤1)中，光束整形装置的的功率可调，可产生不同功率的激光作用于岩石，便于试验参数的设定，取得可形成对照的试验数据。

在步骤2)中，钻柱旋转的扭矩可通过减速箱调节，钻压可通过试验台架的液压装置调节，钻头可更换为不同型号参数的钻头。

在步骤3)中，空压机可产生不同强度的气体。

一种耦合激光的试验装置，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、六角螺钉、花键连接、光路通道、气路通道和钻头组成。所述上钻柱为台阶状，上部直径大，下部直径小，其内部中空，有两层台阶，在上部侧面开有一小扇形通孔，用于安装调节支架，可使调节支架环向拨动一定角度来调节光束整形装置发出矩形光斑的角度；所述下钻柱为中空圆柱状，底部中心为V形截面，顶部均匀开有4个方形通孔，其内径小于上钻柱下部外径，中间缝隙为气路通道的一部分；所述上钻柱内上部设有光束整形装置和套筒；所述光束整形装置为圆柱状，外表面均匀分布有4个棱状凸台；所述套筒为空心圆柱状，内表面有4个均匀的棱状凹槽，外表面有1个非通孔方形凹槽；所述光束整形装置嵌入套筒中，棱状凸台与凹槽匹配；所述调节支架为L角方形金属；所述套筒外表面6凹槽嵌入调节支架中，套筒底部与上钻柱内部的台阶相接触。

所述光束整形装置、套筒、调节支架形成一个整体，通过拨动调节支架来带动光束整形装置的环向运动，用以调节光束整形装置发出的矩形激光光斑顺利通过上钻柱和钻头形成的光路通道。

所述上钻柱与下钻柱采用焊接方式连接。

所述上钻柱上部采用花键连接另外的钻柱，再用螺钉锁紧，保证连接强度。

所述下钻柱与钻头之间采用传统的丝扣方式连接。

所述钻头内部中空，用以通过矩形激光光斑和空气。

所述心筒为薄壁空心圆柱，侧面有圆形通孔；所述通气套为大小两个空心圆柱形成的相贯体，侧面焊接有固定平板支架，小空心圆柱与固定平板支架呈90°夹角，固定平板支架与实验台架连接固定，小空心圆柱为进气口，通气套上下均有6个螺纹孔，使用六角螺钉来与上盖板和下盖板连接固定；所述上盖板与下盖板外径相同，其内径的尺寸均小于上钻柱和下钻柱的外径；所述上下两个滚珠轴承的内圈分别固定在上钻柱的台阶和下钻柱的微小凸台上，采用过盈配合；所述心筒顶在上下滚珠轴承的外圈上；所述通气套内壁与上下两个滚珠轴承接触，其侧面的固定平板支架固定在实验台架上；所述通气套上下分别由上盖板和下盖板封闭，并采用六角螺钉连接通气套与上下盖板，保证通气套、心筒与钻柱的分离，同时又确定了通气套、心筒在实验台架上位置的固定。

所述通气套的进气口与心筒侧面圆孔相对，保证气流的顺利通行。

所述通气套的进气口、心筒圆孔、下钻柱顶部方形通孔、下钻柱与上钻柱之间的缝隙、钻头内部通道形成钻柱的气路通道，气流从通气套进气口进入，流经心筒的侧面圆孔、下钻柱顶部的方形通孔，进入上钻柱与下钻柱因为内外径差形成的缝隙，再在下钻柱底部中心的V行截面通道汇聚成强气流，流出钻头。

所述上钻柱的内部通道、钻头内部通道形成钻柱的光路通道，矩形激光光斑由光束整形装置发出，由调节支架调节角度，通过光路通道，垂直照射在实验台架上的岩石上。

所述气路通道与光路通道分离，有效防止气流的回旋。

所述气路通道在下钻柱中心底部为V型截面通道，便于气流的汇聚，可有效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。

本发明具有如下的有益效果：

1.本发明的试验方法原理简单、实用，可实现不同参数的排列组合进行岩石的切削试验。

2.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。

3.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。

4.上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。

5.套筒、调节支架以及光束整形装置形成一个整体，左右拨动调节支架可以调节矩形激光光斑的方向，以便矩形激光光斑顺利通过上钻柱和钻头内的光路通道。

6.通过滚珠轴承的作用，心筒、上盖板、下盖板、通气套通过通气套背部的固定平板固定在实验台架上，使气体的进气口位置保持不变，与钻柱的旋转运动互不干涉。

附图说明

图1为本发明耦合激光破岩的实验装置的结构示意图

图2为上钻柱与下钻柱的连接示意图(半剖)。

图3为套筒、光束整形装置、调节支架的结构及安装示意图(半剖)。

图4为通气套的正视图(半剖视图)。

图5位通气套的俯视图。

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，11.六角螺钉，12.下钻柱，13.光路通道，14.气路通道，15.钻头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

本发明提供的一种耦合激光破岩的试验方法，包括如下步骤：

1)启动上钻柱5中的光束整形装置3发出矩形激光光斑，经过上钻柱5中的调节支架4调节矩形激光光斑的角度和方向，通过光路通道13垂直照射在固定在实验台架底部的待切削岩石上，产生高热作用；

2)启动实验台架上的电机，通过减速箱带动上钻柱5和下钻柱

12做旋转运动，将扭矩传递到钻头15上，同时实验台架通过液压作用下移，钻头15以旋转压入方式切削岩石；

3)启动空压机产生高压气流，气流从通气套9的进气口进入，经过气路通道14，吹散切削岩石产生的碎屑和粉尘。

本发明的耦合激光破岩的试验装置的结构如图1、图2、图3、图4、图5所示，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、六角螺钉11、花键连接1、光路通道13、气路通道14和钻头15组成。所述上钻柱5内设有光束整形装置3、套筒2、调节支架4，光束整形装置3嵌入安装于套筒2中，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调节矩形激光光斑的方向，以便矩形激光光斑顺利通过光路通道13，作用在带切削岩石上；所述上钻柱上部采用花键连接1与实验台架动力系统的接头相连接，并用螺钉锁紧，相较于传统丝扣连接，可有效提高强度；所述下钻柱顶部开有四个方形通孔，通气套9右侧有圆形进气口，与心筒8的圆形通孔相对；所述心筒8的侧壁分别与上下两个滚珠轴承7的外圈接触并固定位置；所述滚珠轴承7分别安装在上钻柱的台阶和下钻柱的凸台上，采用过盈配合；所述通气套9背面固定平板支架固定在实验台架上，上下分别有上盖板6和下盖板10将其覆盖包裹，并通过六角螺钉11连接固定；所述上盖板6和下盖板10的内径均略小于上钻柱5和下钻柱12的外径。

所述上钻柱5与下钻柱12采用焊接方式连接；所述下钻柱12与钻头15采用丝扣连接。

所述上钻柱5的内部空间以及钻头15的内部空间形成光路通道13，矩形激光光斑从光束整形装置3中发出，经由光路通道13垂直照射在带切削岩石上。

所述通气套9侧面的进气口与心筒8的侧面圆形位置相对应，无颗粒杂质的高压空气从空压机中产生，从通气套9侧面的进气口进入，经心筒8的侧面圆孔、下钻柱12的方形通孔、上钻柱5与下钻柱12由内外径差形成的缝隙，在下钻柱12底部中心的V形截面汇聚成强气流，从钻头15的内部空间流出，形成气路通道14，汇聚后的气流可防止钻头15在进行机械切削岩石时产生的碎屑和粉尘进入钻柱的内部空间，损坏光束整形装置3。

所述通气套9固定在实验台架上，心筒8、上盖板6、下盖板10与通气套9保持同步静止状态，可保证通气套9的进气口不受钻柱旋转运动的影响，便于气体的顺利进入。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种耦合激光破岩的试验方法，其特征在于：其试验方法包括以下步骤：

1)启动上钻柱(5)中的光束整形装置(3)发出矩形激光光斑，经过上钻柱(5)中的调节支架(4)调节矩形激光光斑的角度和方向，通过光路通道(13)垂直照射在固定在实验台架底部的待切削岩石上，产生高热作用；

2)启动实验台架上的电机，通过减速箱带动上钻柱(5)和下钻柱(12)做旋转运动，将扭矩传递到钻头(15)上，同时实验台架通过液压作用下移，使钻头(15)以旋转压入方式切削岩石；

3)启动空压机产生高压气流，气流从通气套(9)的进气口进入，经过气路通道(14)，吹散切削岩石产生的碎屑和粉尘。

2.一种用于权利要求1所述的耦合激光破岩的实验装置，其部件具体有：花键连接(1)、套筒(2)、光束整形装置(3)、调节支架(4)、上钻柱(5)、上盖板(6)、滚珠轴承(7)、心筒(8)、通气套(9)、下盖板(10)、六角螺钉(11)、下钻柱(12)、光路通道(13)、气路通道(14)、钻头(15)；其特征在于：其结构包括如下特征：

1)上钻柱(5)上部与实验台架的动力机构采用花键连接(1)；下钻柱(12)与钻头(15)采用锥形丝扣连接；上钻柱(5)内设有光束整形装置(3)、套筒(2)和调节支架(4)，环向拨动调节支架(4)调节矩形激光光斑的角度；通气套(9)固定在试验台架上，右侧有圆形进气口，与心筒(8)侧面圆孔位置相对应；上钻柱(5)和钻头(15)的内部空间构成光路通道(13)；通气套(9)、心筒(8)、下钻柱(12)侧壁方孔、下钻柱(12)与上钻柱(5)之间的缝隙、钻头(15)的内部空间构成气路通道(14)；

2)上钻柱(5)为阶梯型中空圆柱体，上端侧壁开有1个扇形通孔；下钻柱(12)为中空圆柱，外壁有微小凸台，其内径大于上钻柱(5)下部外径，其间的缝隙为气路通道(14)的一部分；上钻柱(5)与下钻柱(12)采用焊接方式连接；下钻柱(12)顶部侧壁开有4个方形通孔，其底部中心为V形截面；

3)光束整形装置(3)为圆柱状，外表面均匀分布有4个棱状凸台；套筒(2)为空心圆柱状，内表面有4个均匀的棱状凹槽，外表面有1个非通孔方形凹槽；安装时光束整形装置(3)嵌入套筒(2)中，凸台与凹槽匹配；调节支架(4)为L角方形金属，长端长度与套筒(2)外表面凹槽相匹配，并嵌入套筒(2)外表面凹槽中，短端长度大于上钻柱(5)上部壁厚，安装于上钻柱(5)侧壁的扇形通孔中；套筒(2)底部与上钻柱(5)内部的台阶相接触；装置工作时，通过环向拨动调节支架(4)来改变光束整形装置(3)发出的矩形激光光斑的角度；

4)滚珠轴承(7)分别安装于上钻柱(5)的台阶和下钻柱(12)的凸台上，采用过盈配合；心筒(8)位于上下两个滚珠轴承(7)之间，侧壁顶在滚珠轴承(7)的外圈上；通气套(9)套在心筒(8)外，内壁与滚珠轴承(7)的外圈接触，上下分别由上盖板(6)和下盖板(10)覆盖，并通过六角螺钉(11)连接，背面焊接固定在试验台架上；在装置工作时，通气套(9)、心筒(8)、上盖板(6)、下盖板(10)跟随试验台架做上下运动。

3.根据权利要求3所述的耦合激光破岩的实验装置，其特征在于：光路通道(13)与气路通道(14)在装置中位置分离。

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