钻孔动力学模拟测试系统技术方案

一种钻孔动力学模拟测试系统，由钻进模拟与测试、数据采集与数据分析三部分构成，用于冲击、旋转、旋转-冲击钻进过程的模拟，并实施材料冲击、旋转及旋转-冲击作用下的动态特性测试。钻进模拟系统实现轴压、冲击速率、钻头转速、钻具扭矩、冲击能以及钻头与岩石摩擦系数、摩擦力、钻杆振动等参量的测量；材料动力学响应系统可在有压接触、无压接触、无压非接触下进行冲击、旋转、旋转-冲击荷载下的材料强度、动摩擦等动力学响应测试。 本发明专利技术可适于各种钻进系统以及各种阻抗材料在不同冲击和旋转速率下的钻进参数及材料动力学响应特性测试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种钻孔动力学模拟测试系统，一种用于钻进过程实验模拟与材料动态响应特性测试的技术，一方面，本技术可用于冲击、旋转及旋转-冲击钻进过程的动态模拟，并实现钻机工作参数、钻头与材料间摩擦特性等的测试；另一方面，可用于冲击、旋转及旋转-冲击下材料的动力学特征的测试及分析。用以研究不同钻进条件下的钻进效果与钻进工作参数之间的关系以及材料在冲击、旋转、旋转-冲击作用下的动力学响应特性。属钻井工程及岩土力学领域。
技术介绍
冲击、旋转及旋转-冲击式钻进是地质、岩土等勘察以及矿业生产等的主要钻进方式，在钻进过程中，钻头在一定轴压作用下，受冲击、旋转或冲击-旋转作用，使岩石破碎形成钻孔。钻头与孔底岩石相互作用时，钻头承受来自孔底岩石的荷载，使钻具产生摩擦、振动以及反射应力波，直接影响钻具的工作寿命和效率。对不同荷载下钻头-岩石界面摩擦、振动及应力波等特征进行研究，对研究钻进机具、岩石破坏机理、地层地质的实时评判等具有重要意义。此外，在地质及岩土工程勘察钻探中，一直以来采用专门的钻探以获取岩土、地层地质等有关信息，并通过室内实验和测试来获取岩土体的物理力学性质与结构特性。钻勘需要进行大量的取样、钻孔编录、原位测试和室内实验与检测，工作繁重，而且效率低，时间长且滞后，影响工作进程。迫切需要新的技术和方法，来解决钻进过程中信息的利用问题。众所周知，在钻进过程中，钻杆承载了许多有用的信息，这些信息直接与所钻地层岩石的物理力学性质有关。然而，这些信息没有被利用。因此，如果能充分利用钻进过程中的这些信息，则能为钻进过程中实时获取地层岩土体物理力学及结构特性提供新的方法。反过来，也可改进钻具的设计及工作参数的优化。在现有的材料动力学测试系统中，主要是单脉冲冲击荷载下的材料动力学特性测试，典型的技术是分离式霍普金森杆(SHPB)，但它不能测量旋转、旋转-冲击作用下材料的动力学特性。本专利技术建立一种钻孔动力学模拟测试系统，既可以模拟冲击、旋转及旋转-冲击钻进过程，可实现对轴压、扭矩、活塞冲击速率、冲击能及钻头和岩石试样间的摩擦等进行测量以及钻
进效果的分析；又可以在上述荷载作用下实现有轴压(有压接触)和无轴压(无压非接触)条件下材料动力学特性的测量和分析，可测量冲头瞬发脉冲速率、冲击压力、转速、冲击能以及冲击杆入/反射应力波，测试和分析受荷材料的动态强度及摩擦等特性。
技术实现思路
本专利技术的目的是建立一种钻孔动力学模拟的综合测试系统，可在一定静压作业下进行旋转钻进、冲进钻进以及旋转-冲击试验模拟，实现钻进过程参数及材料动力学与结构特响应特性的测试。同时，克服现有材料动力学测试系统中不能实施旋转及旋转-冲击脉冲加载以及给实验杆施加轴向静荷等局限性。本专利技术一种钻孔动力学模拟测试系统，该系统包括钻进模拟与测试系统、数据采集系统与数据分析系统。其中，钻进模拟与测试系统是一种模拟冲击、旋转及旋转-冲击钻进和在此类荷载下测量材料动力学响应的测试系统，可以测量钻进过程中轴压、冲击压力、转速、扭矩，计算冲击能、摩擦力及摩擦系数；同时对钻进过程中振动进行测量。此外，可在冲击、旋转、旋转-冲击荷载下测量材料的动力学特性。数据采集系统通过各类传感器技术，测量钻进模拟时的工作参数以及材料动力学测试时的荷载及应变等参量，并进行信号放大、转换、集成后输送给数据分析系统。数据分析系统通过示波器、计算机等终端和数据分析软件进行数据分析、存储和输出。所述钻进模拟测试系统，是钻进模拟与材料动态响应特性测试系统的综合试验系统，用于模拟钻进系统和给被测材料施加旋转与脉冲荷载，并将脉冲发生单元产生的应力脉冲通过实验杆传递给由旋转单元输出轴联动的载样仓试样，经实验杆与试样端面作用后应力波反射回实验杆。本系统由测试平台、加压机构、脉冲发生器、整形器、撞击杆系、载样仓及旋转机构组成。系统测试平台是一水平刚性支架，直接固定安装在水平地面上。加压机构、脉冲发生器、动量陷波器及钻杆(实验杆，含整形器)通过支架固定安装在系统平台上，实验杆为带肩圆杆。加压机构由滑块、水平导轨和加压推进油缸组成，水平、固定安装在支架上，活塞杆输出端可与滑块固联，在水平活塞作用下施加水平轴向压力，并沿导轨产生水平轴向位移。脉冲发生器由压力源、调压器、脉冲发射开关组成。整形单元由脉冲整形器、转换阀及动量陷波器组成。撞击杆系由撞击杆、实验杆及钻头组成。压力源为压缩空气，由空气压缩机生成；载样仓用以承载试样，根据试样形状与规格，仓腔可设计为圆柱形、棱柱形等不同形状和尺寸。旋转机构由旋转电机、转速调节器及输出轴组成，输出轴与载样仓固联。所述数据采集系统，由压力传感器、测速传感器、转速传感器、振动传感器、应变传感器、数据转换盒、数字式动态应变仪和数据集成箱构成，将接收到的所述感测数据信号进行转换和数字集成。所述数据分析系统，将所述转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析系统如计算机、示波器等进行存储、分析和输出，并对钻进过程参数与材料的结构及动力学特性进行分析、评判、存储和输出。所述旋转电机的工作电压为380V。所述数字式动态应变仪的工作电压为220V。所述红外光电测速传感器的工作电压为220V。所述数据集成箱的工作电压为DC12V。本专利技术的有益效果是，由于采用上述技术方案，一方面，可以模拟冲击、旋转及旋转-冲击钻进过程，可以测试钻进工作参数、钻头-岩石摩擦特性，同时实现对钻进材料动力学特性的同步测试，实时反馈钻进工作参数与岩石力学特性等之间的关系，可根据所钻地层材料特性，为钻具选择及合理钻进工作参数的确定提供依据。另一方面，可实现旋转与冲击荷载有效结合，在旋转-冲击耦合荷载下测试材料的动态抗压强度、入/反射应力波峰值、应变能等动态力学响应特征参数，测试材料动态响应特征与撞击杆冲击能的关系。附图说明图1是本专利技术的系统构造图。图2是图1压力传感器的连接图。图3是图1测速传感器的布置图。图4是图1旋转传感器的布置图。图5是图1载样仓的布置图。图6是图1加压机构安装图。图7是图1测试系统布置图。图中所示，12DC.12伏直流电源，DIB.数据集成箱，I.输入，O.输出，1.压缩空气源，2.调压器，3.脉冲发射器，4.红外光源，5.转换阀，6.动量限波器，7.导轨，8.拉压应变传感器，9.振动电阻应变传感器，10.接口，11.剪切应变传感器，12.实验杆，13.探针，14.载样仓，15.转速调速器，16.马达，17.转速传感器，18.调压器，19.压力传感器，20.红外光测速传感器接收器，21.压力传感器，22.接口，23.转换盒，24.数字式动态应变仪，25.数据集成箱，26.计算机，27.压力阀，28.压力表，29.连接头，30.信号线缆，31.激光束，32.整形器，33.红外输出信号线缆，34.钻头，35.转速传感器输出线缆，36.载样套仓，37.试样，38.滑块，39.活塞，40.活塞杆。本系统安装在实验室水平刚性试验平台上，用于模拟冲击、旋转、旋转-冲击钻进系统及其参数测试和材料在此类荷载下动力学响应特性测试。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。在图1的实施例中，系统主要由三个部分组成：(i)钻进模拟与测试系统；(ii)数据采集系统及(iii)数据分析系统。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻孔动力学模拟测试系统，其特征在于，该系统包括冲击、旋转以及旋转‑冲击钻进模拟与材料测试系统，数据采集系统和数据分析系统；所述钻进模拟与测试系统，由测试平台、加压机构、脉冲发生器、整形单元、撞击杆系、载样仓及旋转机构组成。系统测试平台是一水平刚性支架，直接固定安装在水平地面上。加压机构、脉冲发生器、动量陷波器及钻杆(实验杆，含整形器)通过支架固定安装在系统平台上。加压机构由滑块、水平导轨和加压推进油缸组成，水平固定安装在支架上，活塞杆输出端滑块固联，在水平活塞作用下对实验杆施加水平轴向压力，并沿导轨产生水平轴向位移。脉冲发生器由压力源、调压器、脉冲发射开关组成。整形单元由脉冲整形器、转换阀及动量陷波器组成。撞击杆系由撞击杆、实验杆及钻头组成。压力源为压缩空气，由空气压缩机生成；载样仓用以承载试样，根据试样形状与规格，仓腔可设计为圆柱形、棱柱形等不同形状和尺寸。旋转机构由旋转电机、转速调节器及输出轴组成，输出轴与载样仓固联。所述数据采集系统，由压力传感器、测速传感器、转速传感器、应变传感器(含振动传感器)、数据转换盒、数字式动态应变仪和数据集成箱构成，将接收到的所述感测数据信号进行转换和数字集成。所述数据分析系统，将所述转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析系统如计算机、示波器等进行分析、输出和存储，并对钻进过程参数与材料的结构及动力学特性进行分析、评判、存储和输出。...

【技术特征摘要】
1.一种钻孔动力学模拟测试系统，其特征在于，该系统包括冲击、旋转以及旋转-冲击钻进模拟与材料测试系统，数据采集系统和数据分析系统；所述钻进模拟与测试系统，由测试平台、加压机构、脉冲发生器、整形单元、撞击杆系、载样仓及旋转机构组成。系统测试平台是一水平刚性支架，直接固定安装在水平地面上。加压机构、脉冲发生器、动量陷波器及钻杆(实验杆，含整形器)通过支架固定安装在系统平台上。加压机构由滑块、水平导轨和加压推进油缸组成，水平固定安装在支架上，活塞杆输出端滑块固联，在水平活塞作用下对实验杆施加水平轴向压力，并沿导轨产生水平轴向位移。脉冲发生器由压力源、调压器、脉冲发射开关组成。整形单元由脉冲整形器、转换阀及动量陷波器组成。撞击杆系由撞击杆、实验杆及钻头组成。压力源为压缩空气，由空气压缩机生成；载样仓用以承载试样，根据试样形状与规格，仓腔可设计为圆柱形、棱柱形等不同形状和尺寸。旋转机构由旋转电机、转速调节器及输出轴组...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭乃根，
申请(专利权)人：谭乃根，
类型：发明
国别省市：北京;11