CN112727390B - 一种机械破岩试验的岩屑收集装置及钻进评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机械破岩试验的岩屑收集装置及钻进评价方法，岩屑收集装置主要由破岩与排屑系统、岩屑收集系统、数据采集与处理系统组成，能够在破岩过程中实现钻头的动态钻进效率评价。其中，所述破岩与排屑系统通过排屑装置将密封框一内的岩屑吹起；同时岩屑收集系统利用吸尘电机把岩屑吸入岩屑收集盒内。进一步的，通过所述数据采集与处理系统将钻头的实时工作参数与钻进效率结合在一起，达到综合评价的目的。本发明密封性好，减少了环境污染，同时可以通过动态钻进效率评价方法评价不同工作参数下的钻进效率，从而为优选钻头类型、优化钻进参数提供了方法。

Description

一种机械破岩试验的岩屑收集装置及钻进评价方法
技术领域
本发明涉及油气探勘及钻井试验装置领域，尤其涉及一种机械破岩试验的岩屑收集装置及钻进评价方法。
背景技术
随着国民经济的进一步发展，对油气资源的需求不断增加，如今中、浅层的油气资源已经得到了较为充分的开发，因此勘探深层油气资源成为了一个必然的趋势。在不同岩层中，岩石破碎效率研究是钻探专业重要的基础理论研究方向之一，至今一直处于探索和试验阶段。
目前，国内的钻头试验设备环保能力差，在岩石破碎过程中，飞扬的岩屑未能正确的收集和采样处理，导致岩屑严重污染试验环境，影响操作人员的健康，同时国内的钻头试验设备功能不完善，钻头的工作参数和钻进效率没有有机的结合在一起，难以客观评价钻头钻进效率，尤其是动态评价方法尚不多见，建立完善的动态评价体系，可以实时评价不同岩样的破碎效率，为优选钻头、优化钻进参数提供方法。因此，如何改善试验环境以及深入了解岩石破碎效率,建立完善的钻进效率评价体系,是当前研究的热点。
发明内容
本发明针对以上问题提供一种机械破岩试验的岩屑收集装置及钻进评价方法，确保岩屑不外漏以及钻头的工作参数和钻进效率有机结合在一起，能够实现机械破岩试验过程中岩屑收集及钻进效率评价。
本发明的技术方案：一种机械破岩试验的岩屑收集装置及钻进评价方法，主要包括破岩与排屑系统、岩屑收集系统和数据采集与处理系统。
所述破岩与排屑系统由钻头、支撑座、液压油缸、底座和排屑装置组成。所述排屑装置与进气口连接，进气通道与钻头相通，气体被压缩后通过进气口进入，并从出气口喷出，将岩屑排出；所述支撑座中部有矩形凹槽，密封框一置于支撑座凹槽内；所述液压油缸和底座用螺栓连接以便拆装检修。
所述岩屑收集系统主要由密封框一、岩石紧固器、密封环、吸屑管、金属片、待测岩石、岩屑收集盒和吸尘电机组；所述岩石紧固器内部设有两个销孔，销连接在密封框一中间，与钻头保持间距，进一步地，与抽拉框底部通过销连接定位，为保证岩石的稳定性，所述岩石紧固器两侧增加4对螺栓，限制岩石发生位移，同时添加金属板，保证岩石受力均匀；所述吸屑管与左端密封框圆槽相连，所述吸屑管前端装有密封环，密封环与左端密封框螺栓连接，保证了装置的密封性能；所述吸尘电机螺栓连接在所述岩屑收集盒顶部、所述吸屑管和岩屑收集盒是一体化机构；所述吸尘电机工作时，使密封框一内部产生压差，在此压差和排屑装置的作用下，吸入含有岩屑的空气；所述岩屑收集盒位于吸屑管的尾部，盒内空间与吸屑管相通，所述岩屑收集盒前端面设置为斜坡结构，当岩屑收集时，斜坡可以防止岩屑集中堆积在直角处，当岩屑集满时，拉出岩屑收集盒进行采样处理。
所述密封框一由右端密封框、左端密封框、抽拉框、把手、滑轮、全盖铰链 a、全盖铰链b、螺纹柱a、螺纹柱b、铰链座a、铰链座b组成；所述密封框一呈柜型状，结构拆装使用简便，同时采有较好的透明性材料，便于操作人员观察岩石破碎过程；所述左端密封框和右端密封框顶部通过两个螺纹柱连接，所述抽拉框边缘两侧焊接一对滑轮，进一步地，所述抽拉框和左端密封框、右端密封框通过滑轮连接；所述左端密封框上部开设圆槽，用于连接吸屑管，圆槽大小和位置可根据岩屑收集系统整体比例进行更改；所述抽拉框前端安装把手便于使用，后端面与底端面采用大门铰链连接，所述左端密封框和右端密封框上端面安装全盖铰链a和全盖铰链b，与抽拉框上侧的铰链座a和铰链座b位置一致。
所述数据采集与处理系统主要由扭矩传感器、转速传感器、压力传感器和激光测距仪组成；所述扭矩传感器内嵌在钻头顶部，通过无线传播至所述数据采集与处理系统；所述转速传感器螺栓连接在固定杆上，利用电线连接至所述数据采集与处理系统，所述压力传感器安装在所述支撑座中部，通过电线传输到所述数据采集与处理系统，所述激光测距仪采用螺栓连接安放在底座边缘处便于调节位置，当所述破岩与排屑系统运转时，液压油缸带动岩屑收集系统上升，所述激光测距仪利用激光测距原理反馈给数据采集与处理系统实时数据；所述数据采集与处理系统读出传感器传输的数据并进行相关处理。
一种机械破岩试验的岩屑收集装置及钻进评价方法，所述动态钻进效率评价方法步骤为：
步骤1，所述钻头旋转过程中，液压油缸在油压推动下使待测岩石不断上升与钻头接触，产生钻压W，压力传感器得到钻压W传输到数据采集与处理系统中；钻头接触待测岩石在钻压的作用下切屑岩石；同时排屑装置向进气口进气，并从出气口喷出，将岩屑排出；进一步地，所述吸尘电机启动，使密封框一内部产生压差，吸收岩屑；所述扭矩传感器和转速传感器分别测出钻头的扭矩T及转速N，所述激光测距仪量出液压油缸在切屑开始后的上升距离，得到l；两者将数据通过电线传输到所述数据采集与处理系统中。
步骤2，计算出钻头压入和旋转作用对破岩效率影响的机械比能公式：
Figure GDA0003673179010000031
；
利用微元法取钻头切屑岩石过程中某一时刻的瞬时速度vp，公式进一步转化为动态机械比能公式：
Figure GDA0003673179010000032
；
其中
Figure GDA0003673179010000033
W为钻压，KN；N为转速，r/min；db为钻头直径，cm；T为扭矩，KN·m；l为切屑开始后液压油缸伸长量，cm；t为时间，min。
步骤3，所述数据采集与处理系统将获得的实时数据带入编程好的动态机械比能公式EM，钻头切屑单位体积岩石所消耗的机械能量反映了钻头的钻进效率。因此，机械比能越大表明钻进效率越低、钻头与地层的适应性越差、钻进参数越有待优化。从而为机械破岩提供了一种动态钻进效率评价方法。
本发明具有以下优点：
1.所述破岩与排屑系统通过上部的排屑装置将岩屑排出，进一步利用吸尘电机和排屑装置一起工作回收岩屑，岩屑收集处理性能强，同时所述岩屑收集盒边缘处采用斜坡结构，减少死角岩屑堆积。上述系统优化了操作人员的工作环境，避免了岩屑污染。
2.所述密封框一由右端密封框、左端密封框、抽拉框等组成。整体结构呈柜型状，拆装简单，便于岩石紧固器的夹持和岩石安装。密封框一框体采用透明性材料，易于观察整个钻屑过程并记录相关试验现象。进一步地，所述抽拉框前端面和内侧顶部别设有把手和滑轮，岩石紧固器安装在抽拉框内通过滑轮密封待测岩石，为试验过程中放置岩石提供方便。所述密封框一后端面安装密封毛毡，左侧圆槽和上侧与钻头接触部位套有密封环，通过这种柜式结构避免了岩屑收集过程中岩屑粉尘的泄漏。
3.本发明提供一种动态钻进效率评价方法能够实时测得钻头和岩样之间的机械比能关系，可以评价不同岩样的破碎效率,从而为优选钻头类型、优化钻进参数提供了方法。
4.本发明主要包括破岩与排屑系统、岩屑收集系统和数据采集与处理系统以及钻进评价方法，用于岩石破碎过程中的岩屑收集和处理、将钻头工作参数和钻进效率有机结合，达到了岩屑不污染试验环境和动态评价钻进效率的目的。
附图说明
图1为本发明一种机械破岩试验的岩屑收集装置结构示意图；
图2为本发明破岩与排屑系统示意图；
图3为本发明岩屑收集系统示意图；
图4为本发明密封框一三维图；
图5为本发明岩石紧固器三维图；
图6为本发明抽拉框的滑轮局部示意图；
图7为本发明数据采集与处理系统示意图；
图中：1.破岩与排屑系统；2.岩屑收集系统；3.数据采集与处理系统；4.排屑装置；5.进气口；6.钻头；7.出气口；8.支撑座；9.液压油缸；10.底座；11. 密封框一；12.岩石紧固器；13.密封环；14吸屑管；15.金属板；16.待测岩石； 17.岩屑收集盒；18.吸尘电机；19.扭矩传感器；20.转速传感器；21.激光测距仪；22.压力传感器；23.右端密封框；24.螺纹柱a；25.左端密封框；26.把手； 27.铰链座a；28.滑轮；29.全盖铰链a；30.螺纹柱b；31.铰链座b；32.抽拉框； 33.全盖铰链b；34.销孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1、图2所示，本发明一种机械破岩试验的岩屑收集装置，主要包括破岩与排屑系统1、岩屑收集系统2和数据采集与处理系统3；所述破岩与排屑系统1由钻头6、支撑座8、液压油缸9、底座10和排屑装置4组成；所述排屑装置4与进气口5连接，进气通道与钻头6相通，气体被压缩后通过进气口5进入，并从出气口7喷出，将岩屑排出；所述支撑座8中部有矩形凹槽，密封框一11 置于支撑座8凹槽内；所述液压油缸9和所述底座10用螺栓连接以便拆装检修。
如图3所示，所述岩屑收集系统2由密封框一11、岩石紧固器12、密封环 13、吸屑管14、金属板15、待测岩石16、岩屑收集盒17和吸尘电机18组成；所述岩石紧固器12内部设有两个销孔34，销连接在密封框一11中间，与钻头6 保持间距，进一步地，与抽拉框32底部通过销连接定位，所述岩石紧固器12 两侧增加4对螺栓，限制岩石发生位移，同时添加金属板15，保证岩石受力均匀；所述吸屑管14与左端密封框25圆槽相连，所述吸屑管14前端装有密封环 13，密封环13与左端密封框25螺栓连接，所述吸尘电机18螺栓连接在岩屑收集盒17顶部、所述吸屑管14和岩屑收集盒17是一体化机构，所述吸尘电机18 工作时，使密封框一11内产生压差，在此压差和排屑装置的作用下，吸入含岩屑的空气；所述岩屑收集盒17位于吸屑管14的尾部，盒内空间与吸屑管14相通，所述岩屑收集盒17前端面设置为斜坡结构，当岩屑收集时，斜面可以防止岩屑堆积在直角处，当岩屑集满时，拉出岩屑收集盒17进行采样处理。
如图4、图5、图6所示，所述密封框一11由右端密封框23、左端密封框 25、抽拉框32、把手26、滑轮28、全盖铰链a29、全盖铰链b33、螺纹柱a24、螺纹柱b30、铰链座a27、铰链座b31组成；所述密封框一11呈柜型状，结构拆装使用简便，同时采用较好透明性材料，重量轻；所述左端密封框25和右端密封框23顶部通过螺纹柱a24和螺纹柱b30连接，所述抽拉框32边缘两侧焊接一对滑轮28，所述抽拉框32和左端密封框25、右端密封框23通过滑轮28连接；所述左端密封框25侧面上部开设圆槽，用于连接吸屑管14，圆槽大小和位置可根据岩屑收集系统2整体比例进行更改；所述抽拉框32前端安装把手26便于使用，后端面与底端面采用大门铰链连接，所述左端密封框25和右端密封框23 上端面安装全盖铰链a29和全盖铰链b33，与抽拉框32上侧的铰链座a27和铰链座b31位置一致。
如图7所示，所述数据采集与处理系统3主要由扭矩传感器19、转速传感器20、激光测距仪21和压力传感器22组成；所述扭矩传感器19内嵌在钻头6 顶部，通过无线传播至所述数据采集与处理系统3；所述转速传感器20螺纹连接安装在固定杆上，利用电线连接至所述数据采集与处理系统3，所述压力传感器22安装在所述支撑座8中部，通过电线传输到所述数据采集与处理系统3，所述激光测距仪21采用螺栓连接安放在所述底座10边缘处便于调节位置，当所述破岩与排屑系统1运转时，所述液压油缸9带动所述岩屑收集系统2上升，所述激光测距仪21利用激光测距原理反馈给所述数据采集与处理系统3实时数据；所述数据采集与处理系统3读出传感器传输的数据并进行相关处理。
工作原理：将所述岩屑收集系统2中的左端密封框25和右端密封框23用螺纹柱连接，选取待测岩石16，将所述待测岩石16安装在所述岩石紧固器12中，确保不产生大幅度位移，为保证岩石受力均匀在两侧安装金属板15；再把抽拉框32通过滑轮28放入左端密封框25和右端密封框23之间，通过全盖铰链a29，全盖铰链b33锁死。
启动破岩与排屑系统1及数据采集与处理系统3；所述液压油缸9内部将油压转化成机械能，所述液压油缸9带动岩屑收集系统2上升，进行切屑，同时所述吸尘电机18工作，使所述密封框一11内产生压差，在此压差和排屑装置4 的作用下，吸入含岩屑的空气，存储在所述岩屑收集盒17内，避免污染环境；传感器将相应的工作参数测出并传输到所述数据采集与处理系统3中。
一种机械破岩试验的岩屑收集装置及钻进评价方法，所述动态钻进效率评价方法步骤为，
步骤1，所述钻头6旋转过程中，液压油缸9在油压推动下使待测岩石16 不断上升与钻头6接触，产生钻压W，压力传感器22得到钻压W传输到数据采集与处理系统3中；钻头6接触待测岩石16在钻压和扭矩的作用下切屑岩石；所述排屑装置4向进气口5进气，并从出气口7喷出，将岩屑排出；所述吸尘电机18启动，使密封框一11内部产生压差，吸收岩屑；所述扭矩传感器19和转速传感器20分别测出钻头6的扭矩T及转速N，所述激光测距仪21量出液压油缸9在切屑开始后的上升距离，得到l；两者将数据通过电线传输到所述数据采集与处理系统3中。
步骤2，计算出钻头6压入和旋转作用对破岩效率影响的机械比能公式：
Figure GDA0003673179010000061
；
利用微元法取钻头6切屑岩石过程中某一时刻的瞬时速度vp，公式进一步转化为动态机械比能公式：
Figure GDA0003673179010000071
；
其中
Figure GDA0003673179010000072
W为钻压，KN；N为转速，r/min；db为所述钻头6直径，cm；T 为扭矩，KN·m；l为切屑开始后液压油缸伸长量，cm；t为时间，min。
步骤3，所述数据采集与处理系统6将获得的实时数据带入编程好的动态机械比能公式EM，钻头切屑单位体积岩石所消耗的机械能量反映了钻头的钻进效率。因此，机械比能越大表明钻进效率越低、钻头与地层的适应性越差、钻进参数越有待优化。从而为机械破岩提供了一种动态钻进效率评价方法。

Claims (2)

1.一种机械破岩试验的钻进评价方法，该方法采用岩屑收集装置用于评价钻进破岩效率，岩屑收集装置由破岩与排屑系统(1)、岩屑收集系统(2)、数据采集与处理系统(3)组成，所述破岩与排屑系统(1)由钻头(6)、支撑座(8)、液压油缸(9)、底座(10)和排屑装置(4)组成；所述岩屑收集系统(2)由密封框一(11)、岩石紧固器(12)、密封环(13)、吸屑管(14)、金属板(15)、待测岩石(16)、岩屑收集盒(17)和吸尘电机(18)组成；所述数据采集与处理系统(3)由扭矩传感器(19)、转速传感器(20)、激光测距仪(21)和压力传感器(22)组成；其中，所述密封框一(11)由右端密封框(23)、左端密封框(25)、抽拉框(32)、把手(26)、滑轮(28)、全盖铰链a(29)、全盖铰链b(33)、螺纹柱a(24)、螺纹柱b(30)、铰链座a(27)、铰链座b(31)组成；所述密封框一(11)置于支撑座(8)凹槽内，所述岩石紧固器(12)销连接在密封框一(11)中间，与钻头(6)保持间距，所述吸屑管(14)与左端密封框(25)圆槽相连，所述吸屑管(14)前端装有密封环(13)，密封环(13)与左端密封框(25)螺栓连接；所述岩屑收集盒(17)位于吸屑管(14)的尾部，盒内空间与吸屑管(14)相通，所述岩屑收集盒(17)前端面设置为斜坡结构；
该方法步骤为：
步骤1，所述钻头(6)旋转过程中，所述液压油缸(9)在油压推动下使待测岩石(16)不断上升与所述钻头(6)接触，产生钻压W，压力传感器(22)得到钻压W传输到数据采集与处理系统(3)中；所述钻头(6)接触待测岩石(16)在钻压和扭矩的作用下切屑岩石；所述排屑装置(4)向进气口(5)进气，并从出气口(7)喷出，将岩屑排出；所述吸尘电机(18)启动，使密封框一(11)内部产生压差，吸收岩屑；所述扭矩传感器(19)和转速传感器(20)分别测出所述钻头(6)的扭矩T及转速N，所述激光测距仪(21)量出液压油缸(9)在切屑开始后的上升距离，得到l；两者将数据通过电线传输到所述数据采集与处理系统(3)中；
步骤2，计算出所述钻头(6)压入和旋转作用对破岩效率影响的机械比能公式：
Figure FDA0003673179000000011
；
利用微元法取所述钻头(6)切屑岩石过程中某一时刻的瞬时速度vp，公式进一步转化为动态机械比能公式：
Figure FDA0003673179000000012
；
其中
Figure FDA0003673179000000013
W为钻压，KN；N为转速，r/min；db为所述钻头(6)直径，cm；T为扭矩，KN·m；l为切屑开始后液压油缸伸长量，cm；t为时间，min；
步骤3，所述数据采集与处理系统(3)将获得的实时数据带入编程好的动态机械比能公式EM，钻头切屑单位体积岩石所消耗的机械能量反映了钻头的钻进效率；机械比能越大表明钻进效率越低、钻头与地层的适应性越差、钻进参数越有待优化。
2.根据权利要求1所述的一种机械破岩试验的钻进评价方法，其特征在于：所述抽拉框(32)边缘两侧焊接一对滑轮(28)；所述抽拉框(32)和左端密封框(25)、右端密封框(23)通过滑轮(28)连接；所述左端密封框(25)侧面上部开设圆槽，用于连接吸屑管(14)，圆槽大小和位置可根据岩屑收集系统(2)整体比例进行更改，所述抽拉框(32)前端面焊接把手(26)，后端面与底端面采用大门铰链连接，所述左端密封框(25)和右端密封框(23)上端面安装全盖铰链a(29)和全盖铰链b(33)，与抽拉框(32)上侧的铰链座a(27)和铰链座b(31)位置一致。
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