CN111912954A - 一种激光-机械破岩试验装置 - Google Patents

Abstract

一种激光‑机械破岩试验装置，主要由旋转系统、液压控制系统、光路及气路系统、测试与数据处理系统、支撑系统组成；旋转系统主要由电机、减速器、钻杆、钻头组成，液压控制系统主要由液压缸、伸缩杆组成，光路及气路系统主要由激光头、激光头角度调节器、进气盘、光气混合筒组成，激光头角度调节器可对激光的发射角度进行调整，激光与气体混合于光气混合筒，最终作用于钻头底部，测试与数据处理系统主要由扭矩传感器、轮辐式压力传感器、位移传感器组成，支撑系统主要由底座、主立柱组成。本发明一种激光‑机械破岩试验装置能展开对激光‑机械破岩机理、高效协同参数匹配等试验的研究，对推动激光‑机械破岩技术的发展具有重要意义。

Description

一种激光-机械破岩试验装置

技术领域

本发明涉及油气钻探高效破岩技术领域，尤其涉及激光-机械破岩新技术领域。

背景技术

提升油气开发速度的关键是钻井提速，而钻井提速的关键在高效破岩技术和装备。目前，我国油气勘探开发的主战场逐步向深层、超深层、复杂难钻地层和非常规地层转移，钻井难度急剧增加，而现有的机械钻头在深层、超深层和复杂难钻地层中钻井时，破岩效率低、钻井速度慢、成本高，成为制约我国油气资源高效勘探开发的主要瓶颈之一。因此，迫切需要新的高效破岩钻井技术和装备，以大幅提高破岩效率，提升钻井速度，加快油气探勘开采步伐，降低钻井成本，增强我国在国际市场的竞争力。

目前，针对于在深层、超深层和复杂难钻地层中钻井效率低下的现状，国内外提出了许多新型破岩技术，例如：减震破岩、热力射流破岩、超声波破岩等技术，但都因为适用范围窄、效率低等问题导致这些技术并不能得到广泛的使用，而激光-机械破岩是一种全新的钻井概念，其原理是通过激光诱发岩石进行相变，使岩石产生微裂纹，大大降低岩石强度，提高岩石可钻性，从而为后续的机械旋转钻进提供有利的条件，激光-机械破岩技术可极大的提升机械破岩效率，适用范围广、效率高。

重视激光-机械破岩基础科学理论的研究，对促进我国钻探工程学科的发展具有十分重要的意义，如今的激光-机械破岩技术尚处于实验研究阶段，一个功能齐全、设计完善的试验装置对于此技术的研究的作用无疑是非常巨大的，因此为了对此技术进行深入理论与试验研究，本发明设计了一种激光-机械破岩试验装置。

发明内容

本发明的目的是设计出一种激光-机械破岩试验装置，展开对激光-机械破岩的破岩机理、破岩效率、高效协同参数匹配等试验的细致研究，对推动激光-机械破岩技术的发展具有重要意义。

本发明的技术方案是：

一种激光-机械破岩试验装置主要由旋转系统、液压控制系统、光路及气路系统、测试与数据处理系统、支撑系统组成：旋转系统主要由变频器1、电机2、减速器3、减速器输出轴4、动态扭矩传感器轴5、钻杆接头6、钻杆7、钻头8组成，其中，电机2可通过变频器1实现无级调速，电机2通过螺栓连接竖直固定在主横梁28上端，电机2输出轴连接减速器3，减速器3箱体通过螺栓连接固定在主横梁28下端，减速器输出轴4上端固定在主横梁28内，并和激光头12保持同心，进一步的，减速器输出轴4下端通过联轴器与动态扭矩传感器轴5相连接，动态扭矩传感器轴5下端嵌入到钻杆接头6内，钻杆接头6下端与钻杆7连接，钻杆7再与钻头8连接。

液压控制系统主要由液压缸9、伸缩杆10、液压缸连接头11组成，其中，液压缸9固定在上横梁27上，内部安装有可在液压缸9内伸缩的伸缩杆10，伸缩杆10下端与液压缸连接头11连接，伸缩杆10的上下移动可带动旋转系统进行钻进。

光路及气路系统主要由激光头12、激光头角度调节器13、进气盘14、激光导管15、光气混合筒16、光束整形镜组17组成，其中，激光头12安装在主横梁28上，激光头角度调节器13通过螺栓固定在主横梁28上，通过激光头角度调节器13可以控制激光头12的角度偏移，激光头12与减速器输出轴4同轴，减速器输出轴4设有通孔，进气盘14上端与扭矩传感器支撑壳19通过螺栓连接固定，进气盘14内部与钻杆接头6连接，进一步的，激光导管15与钻杆接头6同轴，下端与光气混合筒16连接，上端与动态扭矩传感器轴5连接，光束整形镜组17安装在光气混合筒16内。

测试与数据处理系统由扭矩传感器18、扭矩传感器支撑壳19、轮辐式压力传感器20、轮辐式压力传感器连接头21、位移传感器安装筒22、位移传感器23组成，其中，扭矩传感器18安装在减速器输出轴4外部，扭矩传感器支撑壳19安装在扭矩传感器18外部，其上方通过螺栓与减速器3端盖相连接，轮辐式压力传感器20上端与液压缸连接头11相连接，下端与轮辐式压力传感器连接头21相连接，进一步的，轮辐式压力传感器连接头21下端通过销钉与主横梁28相连接，位移传感器安装筒22通过螺钉固定在上横梁27上，位移传感器23可在其内部上下移动，位移传感器23下端通过销钉与主横梁28相连接。

支撑系统主要由底座24、主立柱25、辅助支撑架26、上横梁27、主横梁28组成，其中，底座24通过地脚螺栓与地面固连，钻头8正对底座24中心处的四爪岩心夹持卡盘，主立柱25共两根，分别焊接在底座24的左右两端，主立柱25顶端与上横梁27连接，主横梁28位于上横梁27下方，同时主横梁28两端与主立柱25连接，每根主立柱25两端通过螺栓连接固定有辅助支撑架26。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明中激光导管可避免进气盘中光气提前混合，防止掺有杂质的气体污染镜筒，光路及气路系统安全可靠、精密性高、试验数据精准。

2.如今的激光-机械破岩技术尚处于实验研究阶段，一个功能齐全、设计完善的试验装置对于此技术的研究具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明一种激光-机械破岩试验装置结构示意图。

图2是本发明一种激光-机械破岩试验装置激光头12安装位置的局部放大图。

图3是本发明一种激光-机械破岩试验装置进气盘14结构连接示意图。

图4是本发明一种激光-机械破岩试验装置光气混合筒16内部流道示意图。

图5是本发明一种激光-机械破岩试验装置俯视图。

图中：1变频器、2电机、3减速器、4减速器输出轴、5动态扭矩传感器轴、6钻杆接头、7钻杆、8钻头、9液压缸、10伸缩杆、11液压缸连接头、12激光头、13激光头角度调节器、14进气盘、15激光导管、16光气混合筒、17光束整形镜组、18扭矩传感器、19扭矩传感器支撑壳、20轮辐式压力传感器、21轮辐式压力传感器连接头、22位移传感器安装筒、23位移传感器、24底座、25主立柱、26辅助支撑架、27上横梁、28主横梁。

具体实施方式

下面结合附图和本实施例对本发明结构作进一步说明。

如图1所示，一种激光-机械破岩试验装置主要由旋转系统、液压控制系统、光路及气路系统、测试与数据处理系统、支撑系统组成：旋转系统主要由变频器1、电机2、减速器3、减速器输出轴4、动态扭矩传感器轴5、钻杆接头6、钻杆7、钻头8组成，其中，电机2可通过变频器1实现无级调速，电机2通过螺栓连接竖直固定在主横梁28上端，电机2输出轴连接减速器3，减速器3箱体通过螺栓连接固定在主横梁28下端，减速器输出轴4上端固定在主横梁28内，并和激光头12保持同心，进一步的，减速器输出轴4下端通过联轴器与动态扭矩传感器轴5相连接，动态扭矩传感器轴5下端嵌入到钻杆接头6内，钻杆接头6下端与钻杆7连接，钻杆7再与钻头8连接。

液压控制系统主要由液压缸9、伸缩杆10、液压缸连接头11组成，其中，液压缸9固定在上横梁27上，内部安装有可在液压缸9内伸缩的伸缩杆10，伸缩杆10下端与液压缸连接头11连接，伸缩杆10的上下移动可带动旋转系统进行钻进。

光路及气路系统主要由激光头12、激光头角度调节器13、进气盘14、激光导管15、光气混合筒16、光束整形镜组17组成，其中，激光头12安装在主横梁28上，激光头角度调节器13通过螺栓固定在主横梁28上，通过激光头角度调节器13可以控制激光头12的角度偏移，激光头12与减速器输出轴4同轴，减速器输出轴4设有通孔，进气盘14上端与扭矩传感器支撑壳19通过螺栓连接固定，进气盘14内部与钻杆接头6连接，进一步的，激光导管15与钻杆接头6同轴，下端与光气混合筒16连接，上端与动态扭矩传感器轴5连接，光束整形镜组17安装在光气混合筒16内。

测试与数据处理系统由扭矩传感器18、扭矩传感器支撑壳19、轮辐式压力传感器20、轮辐式压力传感器连接头21、位移传感器安装筒22、位移传感器23组成，其中，扭矩传感器18安装在减速器输出轴4外部，扭矩传感器支撑壳19安装在扭矩传感器18外部，其上方通过螺栓与减速器3端盖相连接，轮辐式压力传感器20上端与液压缸连接头11相连接，下端与轮辐式压力传感器连接头21相连接，进一步的，轮辐式压力传感器连接头21下端通过销钉与主横梁28相连接，位移传感器安装筒22通过螺钉固定在上横梁27上，位移传感器23可在其内部上下移动，位移传感器23下端通过销钉与主横梁28相连接。

支撑系统主要由底座24、主立柱25、辅助支撑架26、上横梁27、主横梁28组成，其中，底座24通过地脚螺栓与地面固连，钻头8正对底座24中心处的四爪岩心夹持卡盘，主立柱25共两根，分别焊接在底座24的左右两端，主立柱25顶端与上横梁27连接，主横梁28位于上横梁27下方，同时主横梁28两端与主立柱25连接，每根主立柱25两端通过螺栓连接固定有辅助支撑架26。

本发明一种激光-机械破岩试验装置，其工作原理为：

一种激光-机械破岩试验装置，其旋转系统主要负责实现对钻头转速的控制，电机可通过变频器实现无级调速，电机连接减速器，减速器输出轴接动态扭矩传感器轴、钻杆、钻头等部件，扭矩传感器可将扭矩等试验数据发送到电脑系统上。液压控制系统主要负责控制旋转系统的升降，其中液压缸固定在上横梁上，内部安装有可在液压缸内伸缩的伸缩杆，伸缩杆下端与液压缸连接头连接，伸缩杆的上下移动可带动旋转系统进行钻进。光路及气路系统中激光头角度调节器可对激光头发射出的激光角度进行调整，减速器输出轴对发射出的激光进行轨迹引导，激光穿过减速器输出轴内部通孔、动态扭矩传感器轴、激光导管后通过光束整形镜组的整形作用后再与气体混合于光气混合筒，最终作用于钻头底部。测试与数据处理系统主要负责对实验过程中的实验数据的收集与处理，扭矩传感器通过与减速器输出轴配合可对减速器输出轴扭矩进行测量，轮辐式压力传感器上端与液压缸连接头相连接可测量液压系统施加的钻压，位移传感器下端通过销钉与主横梁连接可实时测算出旋转系统的升降位移。支撑系统主要由底座、主立柱、辅助支撑架、上横梁、主横梁组成，主要负责对整个系统的支撑。

Claims (4)

1.一种激光-机械破岩试验装置主要由旋转系统、液压控制系统、光路及气路系统、测试与数据处理系统、支撑系统组成，其特征在于：所述旋转系统主要由变频器(1)、电机(2)、减速器(3)、减速器输出轴(4)、动态扭矩传感器轴(5)、钻杆接头(6)、钻杆(7)、钻头(8)组成，其中，电机(2)可通过变频器(1)实现无级调速，电机(2)通过螺栓连接竖直固定在主横梁(28)上端，电机(2)输出轴连接减速器(3)，减速器(3)箱体通过螺栓连接固定在主横梁(28)下端，减速器输出轴(4)上端固定在主横梁(28)内，并和激光头(12)保持同心，进一步的，减速器输出轴(4)下端通过联轴器与动态扭矩传感器轴(5)相连接，动态扭矩传感器轴(5)下端嵌入到钻杆接头(6)内，钻杆接头(6)下端与钻杆(7)连接，钻杆(7)再与钻头(8)连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光-机械破岩试验装置，其特征在于：所述的光路及气路系统主要由激光头(12)、激光头角度调节器(13)、进气盘(14)、激光导管(15)、光气混合筒(16)、光束整形镜组(17)组成，其中，激光头(12)安装在主横梁(28)上，激光头角度调节器(13)通过螺栓固定在主横梁(28)上，通过激光头角度调节器(13)可以控制激光头(12)的角度偏移，激光头(12)与减速器输出轴(4)同轴，减速器输出轴(4)设有通孔，进气盘(14)上端与扭矩传感器支撑壳(19)通过螺栓连接固定，进气盘(14)内部与钻杆接头(6)连接，进一步的，激光导管(15)与钻杆接头(6)同轴，激光导管(15)下端与光气混合筒(16)连接，上端与动态扭矩传感器轴(5)连接，光束整形镜组(17)安装在光气混合筒(16)内。

3.根据权利要求1所述的一种激光-机械破岩试验装置，其特征在于：所述的测试与数据处理系统由扭矩传感器(18)、扭矩传感器支撑壳(19)、轮辐式压力传感器(20)、轮辐式压力传感器连接头(21)、位移传感器安装筒(22)、位移传感器(23)组成，其中，扭矩传感器(18)安装在减速器输出轴(4)外部，扭矩传感器支撑壳(19)安装在扭矩传感器(18)外部，其上方通过螺栓与减速器(3)端盖相连接，轮辐式压力传感器(20)上端与液压缸连接头(11)相连接，下端与轮辐式压力传感器连接头(21)相连接，进一步的，轮辐式压力传感器连接头(21)下端通过销钉与主横梁(28)相连接，位移传感器安装筒(22)通过螺钉固定在上横梁(27)上，位移传感器(23)可在其内部上下移动，位移传感器(23)下端通过销钉与主横梁(28)相连接。

4.根据权利要求1所述的一种激光-机械破岩试验装置，其特征在于：所述的支撑系统主要由底座(24)、主立柱(25)、辅助支撑架(26)、上横梁(27)、主横梁(28)组成，其中，底座(24)通过地脚螺栓与地面固连，钻头(8)正对底座(24)中心处的四爪岩心夹持卡盘，主立柱(25)共两根，分别焊接在底座(24)的左右两端，主立柱(25)顶端与上横梁(27)连接，主横梁(28)位于上横梁(27)下方，同时主横梁(28)两端与主立柱(25)连接，每根主立柱(25)两端通过螺栓连接固定有辅助支撑架(26)。

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