CN208432495U - 冲击载荷加载装置及模拟冲击载荷的试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种冲击载荷加载装置及模拟冲击载荷的试验系统，属于破岩试验装置领域。冲击载荷加载装置，包括凸轮机构和动力钻具。凸轮机构包括圆柱凸轮和能够驱动圆柱凸轮转动的驱动装置，驱动装置的动力输出轴与圆柱凸轮的转轴传动连接，圆柱凸轮开设有曲线凹槽。动力钻具包括钻具本体、凸轮从动件及弹性件，弹性件套设于钻具本体，凸轮从动件套设于钻具本体且凸轮从动件设置传导部，传导部和钻具本体能够限制弹性件运动，传导部能够与曲线凹槽配合，以使得传导部在圆柱凸轮转动时能够往复直线运动。当驱动装置的动力输出轴转动时，传导部在圆柱凸轮转动时能够往复直线运动，由此对钻具本体产生稳定的周期性冲击载荷。

Description

冲击载荷加载装置及模拟冲击载荷的试验系统

技术领域

本实用新型涉及破岩试验装置领域，具体而言，涉及一种冲击载荷加载装置及模拟冲击载荷的试验系统。

背景技术

目前，高效的破岩技术是油气井钻井技术领域的核心，也是钻井工程理论研究的重点内容。在石油行业，冲击破岩一直是岩石破碎的主要形式。冲击破岩是在传统的旋转破岩基础上，利用岩石在冲击作用下易于破碎的特点，在钻头上连接冲击装置，钻头在动静载荷联合作用下破岩，从而达到破岩的目的。随着油气勘探的不断深入，勘探难度日益增加，尤其在一些复杂地层，旋转钻井的钻进效果并不理想，机械钻速低下，钻井事故频发，钻井成本高。同时，已有研究表明，谐振冲击钻井，谐振激励能够大大提高岩石的振动幅度，促进岩石破碎，进而提高钻进速度。为了深入了解钻头破岩的内在机理，提高人为对钻头破岩速度的控制能力，亟需对此进行试验及理论研究。

谐振冲击钻井技术作为新兴的一种高效破岩技术，目前谐振冲击载荷下破岩的机理的研究多停留在理论阶段，缺乏试验验证，难以取得统一认识。试验装置的关键在于如何提供稳定的冲击载荷。而目前缺少一种适用于模拟谐振冲击钻井的冲击载荷的加载装置，且在冲击载荷的加载过程中保持稳定。

实用新型内容

本实用新型提供了一种冲击载荷加载装置，旨在改善冲击载荷的加载过程的稳定性。

本实用新型是这样实现的：

一种冲击载荷加载装置，包括凸轮机构和动力钻具。

所述凸轮机构包括圆柱凸轮和能够驱动所述圆柱凸轮转动的驱动装置，所述驱动装置的动力输出轴与所述圆柱凸轮的转轴传动连接，所述圆柱凸轮开设有曲线凹槽。

所述动力钻具包括钻具本体、凸轮从动件及弹性件，所述弹性件套设于所述钻具本体，所述凸轮从动件套设于所述钻具本体且所述凸轮从动件设置有传导部，所述传导部和所述钻具本体能够限制所述弹性件在预设区域，所述传导部能够与所述曲线凹槽配合，以使得所述传导部在所述圆柱凸轮转动时能够往复直线运动。

进一步地，在本实用新型提供的一种实施例中，所述钻具本体的一端设置有环形凸缘，所述弹性件一端与所述传导部抵接，所述弹性件的另一端与所述环形凸缘抵接。

进一步地，在本实用新型提供的一种实施例中，所述弹性件的一端与所述传导部抵接，所述弹性件的另一端与所述钻具本体固定连接。

本实用新型另提供一种模拟冲击载荷的试验系统，包括前述的冲击载荷加载装置、钻压加载装置及钻具支架。

其中，所述钻压加载装置与所述钻具本体的一端连接，所述钻压加载装置能够为所述钻具本体提供旋转力。

所述钻具支架被配置成用于限定所述钻具本体的径向运动，所述钻具本体能够相对所述钻具支架转动。

进一步地，在本实用新型提供的一种实施例中，所述模拟冲击载荷的试验系统还包括高压泵，所述高压泵与所述钻具本体连接，所述高压泵能够为所述钻具本体的内部的流体提供压力。

进一步地，在本实用新型提供的一种实施例中，所述钻具夹具与所述钻具支架可拆卸连接且所述钻具夹具至少为2个，所述高压泵设置于其中一个所述钻具夹具上，所述驱动装置设置于另一个所述钻具夹具上。

进一步地，在本实用新型提供的一种实施例中，所述模拟冲击载荷的试验系统还包括声发射传感器，所述声发射传感器安装在岩石上，所述声发射传感器配置成能够收集岩石破碎过程的声音信号。

进一步地，在本实用新型提供的一种实施例中，所述钻具支架包括第一侧板和第二侧板，所述第一侧板和所述第二侧板之间设置有钻具夹具，所述钻具夹具套设于所述钻具本体能够限制所述钻具本体的径向运动。

进一步地，在本实用新型提供的一种实施例中，所述模拟冲击载荷的试验系统还包括双层水箱，所述双层水箱设置有开口，所述钻具本体的一端安装于所述双层水箱内，且所述钻具本体与所述双层水箱的开口处密封连接。

进一步地，在本实用新型提供的一种实施例中，所述模拟冲击载荷的试验系统还包括岩石加载装置，所述岩石加载装置能够对岩石施加x、y、z三个方向的载荷。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过上述设计得到的冲击载荷加载装置，其包括凸轮机构和动力钻具。凸轮机构包括圆柱凸轮和能够驱动圆柱凸轮转动的驱动装置，驱动装置的动力输出轴与圆柱凸轮的转轴传动连接，圆柱凸轮开设有曲线凹槽。动力钻具包括钻具本体、凸轮从动件及弹性件。当驱动装置的动力输出轴转动时，圆柱凸轮随之转动，而传导部能够与曲线凹槽配合，以使得传导部在圆柱凸轮转动时能够往复直线运动，弹性件被限制在预设区域内，弹性件随着传导部的运动被压缩，将冲击载荷传递到钻具本体，由此钻具本体产生了稳定的周期性冲击载荷。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种冲击载荷加载装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的动力钻具的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种模拟冲击载荷的试验系统的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的钻具夹具的结构示意图；

图5是本实用新型实施例岩石加载装置的载荷加载方向的示意图。

图标：100-冲击载荷加载装置；10-凸轮机构；12-圆柱凸轮；121-曲线凹槽；123-转轴；14-驱动装置；141-动力输出轴；20-动力钻具；22-钻具本体；221-环形凸缘；223-钻头；24-凸轮从动件；241-传导部；26-弹性件；200-模拟冲击载荷的试验系统；30-钻具支架；31-第一侧板；311-凸轮支架；33-第二侧板；35-钻具夹具；351-通孔；353-T型块；355-螺纹孔；311-凸轮支架；40-钻压加载装置；50-底座；60-高压泵；70-岩石加载装置；80-双层水箱；82-内层水箱本体；84-外层水箱本体；86-密封结构。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中间”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1

本实用新型实施例提供了一种冲击载荷加载装置100，包括凸轮机构10和动力钻具20。

请参阅图1-2，凸轮机构10包括圆柱凸轮12和能够驱动圆柱凸轮12转动的驱动装置14，驱动装置14的动力输出轴141与圆柱凸轮12的转轴123传动连接，圆柱凸轮12开设有曲线凹槽121。

动力钻具20包括钻具本体22、凸轮从动件24及弹性件26，弹性件26套设于钻具本体22，凸轮从动件24套设于钻具本体22且凸轮从动件24设置传导部241，传导部241和钻具本体22能够限制弹性件26在预设区域，传导部241能够与曲线凹槽121配合，以使得传导部241在圆柱凸轮12转动时能够往复直线运动。

在本实施例中，该冲击载荷加载装置100通过凸轮机构10的圆柱凸轮12与凸轮从动件24的传导部241的传动作用，在圆柱凸轮12转动时，传导部241沿着曲线凹槽121运动，弹性件26传导部241沿上下方向作往复直线运动，弹性件26在预设区域内被压缩，需要说明的是，这里所说的预设区域是指传导部241与弹性件26远离传导部241的一端之间的区域。弹性件26被压缩后将冲击载荷传递给钻具本体22，由此，钻具本体22产生了稳定的周期性变化的冲击载荷，从而改善了冲击载荷加载过程中稳定性问题。此外，圆柱凸轮12可以实现多种复杂的运动规律，结构简单、紧凑，可以使得凸轮从动件24得到较大的行程。

进一步地，钻具本体22的一端设置有环形凸缘221，弹性件26一端与传导部241抵接，弹性件26的另一端与环形凸缘221抵接。这里需要说明的是，弹性件26仅仅是设置于传导部241和环形凸缘221之间，传导部241和环形凸缘221对弹性件26的两端起限制作用，传导部241圆柱凸轮12能够将弹性件26的限制在预设区域内，在预设区域内被压缩。可选地，弹性件26为弹簧。

进一步地，弹性件26的一端与传导部241的一端与传导部241抵接，弹性件26的另一端与钻具本体22固定连接。具体地，在本实施中，钻具本体22弹簧的一端与传导部241抵接，弹簧的另一端与钻具本体22焊接。

可选地，在本实施中，曲线凹槽121可以设置有多个，曲线凹槽121能够与传导部241配合产生不同形式的冲击载荷。可以理解，只要改变曲线凹槽121的设计就可以产生不同形式的冲击载荷，需要说明的是这里提到的不同形式的冲击载荷是指冲击载荷幅值、冲击载荷的大小变化规律以及周期，只要三者之一发生变化即冲击载荷的形式发生变化。

请参阅图3，本实用新型实施例还提供一种模拟冲击载荷的试验系统200，包括冲击载荷加载装置100、钻具支架30和钻压加载装置40。

其中，钻压加载装置40与所述钻具本体22的一端连接，钻压加载装置40能够为钻具本体22提供旋转力。

钻具支架30被配置成用于限制钻具本体22的径向运动，钻具本体22能够相对钻具支架30转动。

在本实施例中，钻压加载装置40为钻具本体22提供旋转动力，为破岩过程的模拟提供垂直方向的静载荷。凸轮机构10产生的冲击载荷通过凸轮从动件24传递到钻具本体22。最终静载荷和冲击载荷形成动静耦合的冲击载荷，静载荷和谐振激励共同作用均扩大了岩石的响应范围和载荷的作用区域，使得在动静载荷的联合作用下破岩。进一步地，钻具本体22还包括钻头223，钻头223与钻具本体22的一端可拆卸连接，也可以一体成型。可选地，在本实施例中，钻头223与钻具本体22螺纹连接。通过调节钻压加载装置40和凸轮机构10，能够模拟不同钻压、不同冲击载荷周期和幅值参数条件下的钻头223破岩过程，从而研究各个参数与破岩效率之间的规律关系。另外，模拟冲击载荷的试验系统200能够真实地模拟谐振冲击钻井载荷，使得整个试验与原型具有较好的一致性，最终得到的钻进过程中破岩的内在机理成果更可靠。

进一步地，模拟冲击载荷的试验系统200还包括高压泵60，高压泵60与钻具本体22连接，高压泵60能够为钻具本体22的内部的流体提供压力。

在破岩过程中由于钻头223旋转导致钻头223和岩石摩擦产生热量，为降低钻头223温度，减少对钻头223的损坏，通常对动力钻具20的内部注入流体以降低温度，其中流体可以是水，也可以是其他液体，而高压泵60能够将流体注入钻具本体22并能够为钻具本体22内部的流体提供压力。

进一步地，钻具支架30包括第一侧板31和第二侧板33，第一侧板31和第二侧板33之间设置有钻具夹具35，钻具夹具35套设于钻具本体22能够限制钻具本体22的径向运动。在本实施例中，钻具夹具35套设于钻具本体22，在破岩的过程中可以起到稳定钻具本体22的作用，能够防止钻具本体22不会在破岩的过程中沿其径向方向发生偏移。

进一步地，本实施例中，钻具夹具35与钻具支架30可拆卸连接且钻具夹具35至少为2个，高压泵60设置于其中一个钻具夹具35上，驱动装置14设置于另一个钻具夹具35上。请参阅图4，具体地，钻具夹具35成板状，钻具夹具35的中部设置有通孔351，其中，通孔351的内径略大于钻具本体22的外径以使得钻具本体22能够穿过通孔351。钻具夹具35的两端设置有T型块353，T型块353设置有螺纹孔355，则钻具夹具35的两端均形成上下两个凹形区域。第一侧板31和第二侧板33均对应开设空腔体，T型块353能够在第一侧板31和第二侧板33内滑动。另外，第一侧板31和第二侧板33均对应开设一列螺纹安装孔，当需要对钻具夹具35进行固定时，首先将钻具夹具35滑动至设定位置，再用螺钉插入螺纹安装孔并与T型块353的螺纹孔355连接。可以根据实际需要选择不同高度的螺纹安装孔进行安装，如根据钻具本体22的的长度进行高度适当调节。

进一步地，本实施例中，模拟冲击载荷的试验系统200还包括声发射传感器，所述声发射传感器安装在岩石上，声发射传感器被配置成能够收集岩石破碎过程的声音信号。声发射传感器收集岩石破碎过程中产生的声音信号，利用该声音信号可以分析不同岩石在破碎过程中，不同的破碎情况和应力状态变化，以分析、判断不同加载模式下的岩石破碎效果。

模拟冲击载荷的试验系统200驱动装置14驱动装置14动力输出轴141圆柱凸轮12转轴123驱动装置14圆柱凸轮12进一步地，模拟冲击载荷的试验系统200还包括岩石加载装置70，所述岩石加载装置70能够对岩石施加x、y、z三个方向的载荷。具体地，岩石加载装置70包括三轴压力室，请参阅图5，将岩石制作成长方体或者立方体，三轴压力室能够岩石的各个面提供载荷，其中在X轴方向和Y轴方向为岩石提供围压，在Z轴方向为岩石提供轴压。对岩石提供岩石加载装置70可以对岩石施加x、y、z三个方向的载荷，可以根据实际地质环境的地应力大小对三个方向的载荷大小进行调整，模拟不同地应力环境下的冲击破岩的效率。该模拟冲击载荷的试验系统200也可以对比不同应力状态下冲击破岩的效率。

进一步地，本实施例中，模拟冲击载荷的试验系统200还包括双层水箱80，所述双层水箱80设置有开口，所述钻具本体22的一端安装于双层水箱80内，且钻具本体22与双层水箱80的开口处密封连接。密封结构86具体地，请参阅图3，双层水箱80具有内层水箱本体82和外层水箱本体84，内层水箱本体82与外层水箱本体84之间形成储水空腔，内层水箱本体82和外层水箱本体84均具有一开口，在钻具本体22与双层水箱80的开口处设置有密封结构86以钻具本体22钻具本体22密封结构86防止流体外溢。可选地，密封结构86可以是橡胶层，橡胶层套设在钻具本体22外层。其中，岩石加载装置70设置在内层水箱本体82的内部。可选地，外层水箱本体84设置有循环出水口，破岩过程中从钻具本体22的内部流出的流体可以汇集到双层水箱80内，且可以经循环出水口排出。循环出水口可以连接外管将流体重新注入钻具本体22的内部，流体可以反复循环使用。另外，高压泵60输送的流体经钻具本体22流经钻头223，同时双层水箱80内注入流体，从而能够模拟出岩石在流体淹没状态时的条件下钻头223破岩情况，更加贴近实际深层钻进过程中深层岩层的真实地质环境。

可选地，模拟冲击载荷的试验系统200还包括底座50，底座50与钻具支架30连接，其中双层水箱80安装在底座50上。

综上所述，本实用新型提供的一种冲击载荷加载装置100，通过凸轮机构10的圆柱凸轮12与凸轮从动件24的传导部241的传动作用，在圆柱凸轮12转动时，传导部241沿着曲线凹槽121作往复直线运动，产生稳定的周期性变化的冲击载荷，从而改善了冲击载荷加载过程中稳定性问题。

本实用新型提供的一种模拟冲击载荷的试验系统200，钻压加载装置40能够对动力钻具20产生一个恒定钻压，动力钻具20将钻压传递给钻头223，为钻头223在破岩过程的模拟提供垂直方向的静载荷；而冲击载荷加载装置100能够提供具有周期性变化的冲击载荷，冲击载荷的周期和幅值可以通过凸轮机构10的具体结构来调节，如圆柱凸轮12的曲线凹槽121的具体形状，最终静载荷和冲击载荷形成动静耦合的冲击载荷。高压泵60能够为钻具本体22内部的流体提供压力，而只要保证双层水箱80内的流体能够保持岩石处于被淹没状态，能够更真实的模拟深层钻进破岩过程中岩层所处的地质环境，提高了试验结果可靠性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冲击载荷加载装置，其特征在于，包括

凸轮机构，所述凸轮机构包括圆柱凸轮和能够驱动所述圆柱凸轮转动的驱动装置，所述驱动装置的动力输出轴与所述圆柱凸轮的转轴传动连接，所述圆柱凸轮开设有曲线凹槽；以及

动力钻具，所述动力钻具包括钻具本体、凸轮从动件及弹性件，所述弹性件套设于所述钻具本体，所述凸轮从动件套设于所述钻具本体且所述凸轮从动件设置有传导部，所述传导部和所述钻具本体能够限制所述弹性件在预设区域，所述传导部能够与所述曲线凹槽配合，以使得所述传导部在所述圆柱凸轮转动时能够往复直线运动。

2.根据权利要求1所述的冲击载荷加载装置，其特征在于，所述钻具本体的一端设置有环形凸缘，所述弹性件一端与所述传导部抵接，所述弹性件的另一端与所述环形凸缘抵接。

3.根据权利要求1所述的冲击载荷加载装置，其特征在于，所述弹性件的一端与所述传导部抵接，所述弹性件的另一端与所述钻具本体固定连接。

4.一种模拟冲击载荷的试验系统，其特征在于，包括

权利要求1-3任一项所述的冲击载荷加载装置；

钻压加载装置，所述钻压加载装置与所述钻具本体的一端连接，所述钻压加载装置能够为所述钻具本体提供旋转力；以及

钻具支架，所述钻具支架被配置成用于限制所述钻具本体的径向运动，所述钻具本体能够相对所述钻具支架转动。

5.根据权利要求4所述的模拟冲击载荷的试验系统，其特征在于，所述模拟冲击载荷的试验系统还包括高压泵，所述高压泵与所述钻具本体连接，所述高压泵能够为所述钻具本体的内部的流体提供压力。

6.根据权利要求4所述的模拟冲击载荷的试验系统，其特征在于，还包括声发射传感器，所述声发射传感器安装在岩石上，所述声发射传感器配置成能够收集岩石破碎过程的声音信号。

7.根据权利要求5所述的模拟冲击载荷的试验系统，其特征在于，所述钻具支架包括第一侧板和第二侧板，所述第一侧板和所述第二侧板之间设置有钻具夹具，所述钻具夹具套设于所述钻具本体能够限制所述钻具本体的径向运动。

8.根据权利要求7所述的模拟冲击载荷的试验系统，其特征在于，所述钻具夹具与所述钻具支架可拆卸连接且所述钻具夹具至少为2个，所述高压泵设置于其中一个所述钻具夹具上，所述驱动装置设置于另一个所述钻具夹具上。

9.根据权利要求4所述的模拟冲击载荷的试验系统，其特征在于，所述模拟冲击载荷的试验系统还包括双层水箱，所述双层水箱设置有开口，所述钻具本体的一端安装于所述双层水箱内，且所述钻具本体与所述双层水箱的开口处密封连接。

10.根据权利要求4所述的模拟冲击载荷的试验系统，其特征在于，还包括岩石加载装置，所述岩石加载装置能够对岩石施加x、y、z三个方向的载荷。