CN112983252B

CN112983252B - 一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台

Info

Publication number: CN112983252B
Application number: CN202110221406.2A
Authority: CN
Inventors: 谭松成; 方小红; 雷统平; 段隆臣; 潘秉锁; 欧阳志强
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2021-02-27
Filing date: 2021-02-27
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2041-02-27
Also published as: CN112983252A

Abstract

本发明公开一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，包括钻塔总成、动力头总成、液压操作系统和岩样夹具；钻塔总成中，底架固定在室内地面上，钻塔固定在底架上，给进油缸设置在钻塔左右两侧的框架之中，岩样移动装置设置在底架上；动力头总成中，动力头通过给进油缸安装座与钻塔中的两给进油缸均连接，水龙头、润滑系统均设置在动力头上；液压操作系统中，液压泵站通过线缆与控制柜连接并通过液压软管与给进油缸相连，操作台通过线缆与控制柜和动力头均连接；岩样夹具通过螺栓固定在岩样移动装置的上滑架之上。本发明具有稳定性高、可试验钻头直径大的优点，同时，基于操作台可使实验平台的操作更为简便可行，试验过程更为智能化。

Description

一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台

技术领域

本发明涉及钻探模拟机械技术领域，尤其涉及一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台。

背景技术

随着国民经济大力发展，社会对矿产资源的需求不断增加，而开采地下资源每年所要消耗的资金以及材料成本越来越大，所以钻探技术的提高以及钻进工艺的选择越来越重要。钻孔施工过程中钻头的质量，直接影响钻井施工进度。因此，研制钻进效率高、成本低廉、使用寿命长的新型钻头显得尤为重要。

目前主要有用于地质岩心钻探的金刚石钻头、煤田钻探的复合片钻头还有用于石油钻井的牙轮钻头等等。金刚石钻头以及其他钻头的结构设计、胎体配方以及制造方法通常是根据钻探现场的使用数据，比如使用时效、使用寿命、磨损情况等来决定的。因此，在工程现场，技术人员一般会通过实际钻进结果对钻头性能进行测试分析。由于不同地域地层存在很大情况差异以及人为因素的影响其测试结果差异很大，导致这种试验的结果通常是不全面的。

已有的微钻实验台主要存在下述问题：(1)现有微钻实验台多是以台钻为原型进行设计；(2)只能对尺寸较小(直径≤60mm)的金刚石钻头或PDC钻头进行试验；(3)检测功能单一，自动化程度低。

基于以上情况，研制微钻实验台，使之用于指导学生开展针对地质、有色、煤炭、石油等部门关于钻探(井)工艺技术和钻探(井)工具研制与测试的教学和科研工作是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，具有稳定性高、可试验钻头直径大的优点，同时，基于操作台可使实验平台的操作更为简便可行，试验过程更为智能化。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，包括钻塔总成、动力头总成、液压操作系统和岩样夹具；

所述钻塔总成包括底架、钻塔、给进油缸、岩样移动装置，底架采用工字钢焊接而成，底架固定在室内地面上，钻塔为框架式桁架结构且其左右两侧均为四边棱柱形框架，钻塔固定在底架上，给进油缸设置在钻塔左右两侧的框架之中，岩样移动装置设置在底架上，岩样移动装置分为上滑架和下滑架两部分，下滑架通过沿底架横向设置的滑轨与底架相连，上滑架通过沿底架纵向布置的滑轨与下滑架相连，从而实现带动岩样沿底架横向或纵向移动的功能；

所述动力头总成包括动力头、水龙头、润滑系统、给进油缸安装座，动力头通过给进油缸安装座与钻塔中的两给进油缸均连接，水龙头、润滑系统与动力头连接，动力头的输出轴上设有钻杆和钻头；

所述液压操作系统包括液压泵站、控制柜、操作台以及液压软管，液压泵站通过线缆与控制柜连接并通过液压软管与给进油缸相连，操作台通过线缆与控制柜和动力头均连接；

所述岩样夹具通过螺栓固定在岩样移动装置的上滑架之上。

进一步的，所述岩样移动装置的上滑架上设有挡水罩，挡水罩底部设有排水管，挡水罩用于遮挡岩样，防止试验过程中钻井液飞溅。

进一步的，还包括泥浆循环系统，泥浆循环系统包括泥浆池、泥浆泵以及第一软管、第二软管，泥浆池分为沉淀池和循环池，循环池、泥浆泵与水龙头通过第一软管依次连接，挡水罩底部所设排水管与沉淀池通过第二软管连接，泥浆泵通过线缆与操作台连接。

进一步的，所述泥浆泵的流量为0-150L/min。

进一步的，所述泥浆泵的流体输出端设有泵量及泵压监测组件，泵量及泵压监测组件通过线缆与操作台连接，第一软管连接在泥浆泵的泵量及泵压监测组件上。

进一步的，所述泥浆池内设有隔板且隔板的高度小于泥浆池的高度，从而将泥浆池分隔为沉淀池和循环池。

进一步的，所述泥浆池的总体积为0.5-3m³。

进一步的，所述动力头采用交流变频直驱方式，其电机的额定功率为11KW、转速为0-3000rpm、最大扭矩为400N·m。

进一步的，所述给进油缸的额定提升能力为20kN、额定加压能力为57kN、给进行程为600mm。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用电动顶驱动力头施加回转运动，并通过双侧给进油缸加压，具有稳定性高、可试验钻头直径大的优点，通过匹配钻头的直径与回转速度，可以实现模拟地质勘探和石油钻井用金刚石钻头钻进试验的需求；

2、本发明采用液压系统实现给进运动，使给进和回转运动相对独立，在进行钻进参数检测时，检测结果的干扰因素更少，使试验结果更为可靠；

3、本发明包括一个钻进参数检测结果的显示与钻进过程控制的操作台，可使实验平台的操作更为简便可行，试验过程更为智能化。

附图说明

附图1为本发明顶驱式微钻实验平台的结构示意图；

附图2为本发明钻塔总成的结构示意图；

附图3为本发明动力头总成的结构示意图；

附图4为本发明泥浆循环系统的结构示意图。

标注说明：1、钻塔总成，2、动力头总成，3、控制柜，4、泥浆泵，5、泥浆池，6、液压泵站，7、操作台，8、底架，9、钻塔，10、给进油缸，11、挡水罩，12、上滑架，13、下滑架，14、动力头，15、水龙头，16、润滑系统，17、给进油缸安装座，18、输出轴，19、泵量及泵压监测组件，20、钻头，21、第一软管，22、第二软管，23、沉淀池，24、循环池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

请参阅图1所示，一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，室内钻进模拟主要是在室内开展钻头破岩过程的模拟工作，该微钻实验平台包括钻塔总成1、动力头总成2、液压操作系统和岩样夹具。

请参阅图2所示，所述钻塔总成1包括底架8、钻塔9、给进油缸10、岩样移动装置。

钻塔总成1中，底架8为焊接件，采用工字钢配合其他材料焊接而成，底架8采用水泥等材料固定在室内地面上，也就是实验室的地面上。

钻塔总成1中，钻塔9为框架式桁架结构且其左右两侧均为四边棱柱形框架，在不同高度上均进行了强化加固，钻塔9固定在底架8上。

钻塔总成1中，给进油缸10设置在钻塔9左右两侧的框架之中。具体的，所述给进油缸10的额定提升能力为20kN、额定加压能力为57kN、给进行程为600mm，更为具体的，所述给进油缸10的油缸直径为110mm，活塞杆的直径为90mm。

钻塔总成1中，岩样移动装置设置在底架8上，岩样移动装置分为上滑架12和下滑架13两部分，下滑架13通过沿底架8横向设置的滑轨与底架8相连，上滑架12通过沿底架8纵向布置的滑轨与下滑架13相连，从而实现带动岩样沿底架8横向或纵向移动的功能。

请参阅图1-4所示，所述动力头总成2包括动力头14、水龙头15、润滑系统16、给进油缸安装座17。

动力头总成2中，动力头14通过给进油缸安装座17与钻塔9中的两给进油缸10均连接，动力头14的输出轴18上设有钻杆和钻头20，钻杆的长度根据岩样大小确定(图中未示出)，通过两给进油缸10实现了钻进过程中钻头20的给进加压功能，同时通过动力头14自身实现了钻进过程中钻头20的回转功能。具体的，所述动力头14采用交流变频直驱方式，其电机的额定功率为11KW、转速为0-3000rpm、最大扭矩为400N·m，更为具体的，所述动力头14的输出转速分为高速档和低速档，高速档的转速为0-1400rpm，低速档的转速为0-800rpm。

动力头总成2中，水龙头15、润滑系统16与动力头14连接，水龙头15用于控制动力头14中液体的进出，润滑系统16为动力头14提供润滑。

请参阅图1所示，所述液压操作系统包括液压泵站6、控制柜3、操作台7以及液压软管。

液压操作系统中，液压泵站6通过线缆与控制柜3连接并通过液压软管与给进油缸10相连，操作台7通过线缆与控制柜3和动力头14均连接。

液压操作系统中，所述操控台7中内置了各种操作软件，并具有数据读取、存储和显示功能，可以通过控制手柄、按键或触摸屏的方式，控制液压泵站6的开关和压力大小，从而控制微钻实验平台的钻进压力，以及控制动力头14的回转速度，从而控制微钻实验平台的回转速度。此外，所述操控台7中内置了各种监控软件，可以实时显示微钻实验平台的钻压、转速、扭矩、机械钻速和液体压力。

请参阅图2所示，所述岩样夹具通过螺栓固定在岩样移动装置的上滑架12之上，通过岩样移动装置带动岩样沿底架8横向或纵向移动，从而调整钻头20破岩的点位。岩样夹具根据需要夹持的岩样而设计。需要指出的是，岩样夹具在开展钻头破岩过程的模拟工作中为常用夹具，故此处未对其结构详细描述。

上述技术方案中，本发明采用电动顶驱动力头14施加回转运动，并通过双侧给进油缸10加压，具有稳定性高、可试验钻头20直径大的优点，可以满足直径为0-156mm全面(或取心)钻头的钻进实试验，通过匹配钻头20的直径与回转速度，可以实现模拟地质勘探和石油钻井用金刚石钻头钻进试验的需求；本发明采用液压系统实现给进运动，使给进和回转运动相对独立，在进行钻进参数检测时，检测结果的干扰因素更少，使试验结果更为可靠。

此外，本发明包括一个钻进参数检测结果的显示与钻进过程控制的操作台7，可使实验平台的操作更为简便可行，试验过程更为智能化。

实施例2：

请参阅图2所示，在实施例1的基础上，所述岩样移动装置的上滑架12上设有挡水罩11，挡水罩11底部设有用于排出泥浆的排水管，挡水罩11用于遮挡岩样，防止试验过程中钻井液(泥浆)飞溅。

请参阅图1、4所示，还包括泥浆循环系统，泥浆循环系统包括泥浆池5、泥浆泵4以及第一软管21、第二软管22，泥浆池5分为沉淀池23和循环池24，循环池24、泥浆泵4与水龙头15通过第一软管21依次连接，挡水罩11底部所设排水管与沉淀池23通过第二软管22连接，泥浆泵4通过线缆与操作台7连接，使操作台7可以控制泥浆泵4。

具体的，所述泥浆泵4的流量为0-150L/min，本实施例所选泥浆泵4的型号为BW-150/1.5，使其满足直径为0-156mm全面(或取心)钻进钻头的泵量需求。作为优选的，所述泥浆泵4的流体输出端设有泵量及泵压监测组件19，泵量及泵压监测组件19通过线缆与操作台7连接，将其所监测的数据传输至操作台7，第一软管21连接在泥浆泵4的泵量及泵压监测组件19上。

所述泥浆池5内设有隔板且隔板的高度小于泥浆池5的高度，从而将泥浆池5分隔为沉淀池23和循环池24。具体的，所述泥浆池5的总体积为0.5-3m³，更为具体的，所述泥浆池5的总体积为1-1.5m³。

上述技术方案中，泥浆从循环池24经第一软管21依次流经泥浆泵4、泵量及泵压监测组件19、水龙头15、输出轴18、钻杆、钻头20，然后从钻头20与岩样间的环空返出，并经第二软管22流入沉淀池23。进入沉淀池23的泥浆中含有岩屑，经沉淀后岩屑会沉淀在沉淀池23的底部，而不含岩屑的泥浆则从沉淀池23与循环池24之间的隔板上方进入循环池24。通过泥浆循环系统，实现了泥浆的重复利用。

当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，其特征在于：包括钻塔总成、动力头总成、液压操作系统和岩样夹具；

所述岩样夹具通过螺栓固定在岩样移动装置的上滑架之上。

2.根据权利要求1所述的一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，其特征在于：所述岩样移动装置的上滑架上设有挡水罩，挡水罩底部设有排水管，挡水罩用于遮挡岩样，防止试验过程中钻井液飞溅。

3.根据权利要求2所述的一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，其特征在于：还包括泥浆循环系统，泥浆循环系统包括泥浆池、泥浆泵以及第一软管、第二软管，泥浆池分为沉淀池和循环池，循环池、泥浆泵与水龙头通过第一软管依次连接，挡水罩底部所设排水管与沉淀池通过第二软管连接，泥浆泵通过线缆与操作台连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，其特征在于：所述泥浆泵的流量为0-150L/min。

5.根据权利要求3或4所述的一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，其特征在于：所述泥浆泵的流体输出端设有泵量及泵压监测组件，泵量及泵压监测组件通过线缆与操作台连接，第一软管连接在泥浆泵的泵量及泵压监测组件上。

6.根据权利要求3所述的一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，其特征在于：所述泥浆池内设有隔板且隔板的高度小于泥浆池的高度，从而将泥浆池分隔为沉淀池和循环池。

7.根据权利要求3或6所述的一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，其特征在于：所述泥浆池的总体积为0.5-3m³。

8.根据权利要求1所述的一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，其特征在于：所述动力头采用交流变频直驱方式，其电机的额定功率为11KW、转速为0-3000rpm、最大扭矩为400N·m。

9.根据权利要求1所述的一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，其特征在于：所述给进油缸的额定提升能力为20kN、额定加压能力为57kN、给进行程为600mm。