一种PDC单齿切削破岩实验装置以及破岩机理分析方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种PDC单齿切削破岩实验装置以及破岩机理分析方法，所述实验装置包括切削破岩装置本体、PDC齿切削深度调节机构、切削速度调节机构、切削力测量机构，其中，切削速度调节机构能够调节岩石样品的切削速度；切削破岩装置本体用于固定安装切削深度调节机构；切削深度调节机构能够夹持PDC齿并精准调控其倾角和切削深度；切削力测量机构能够监测岩石样品上切削力。所述方法包括步骤：设置切削深度、切削速度和后倾角等参数；监测切削力，记录岩石动态破碎过程；筛分收集岩屑，确定不同组岩屑的质量分数，根据岩屑分布规律初步判定岩石塑

【技术实现步骤摘要】
一种PDC单齿切削破岩实验装置以及破岩机理分析方法


[0001]本专利技术涉及钻井设备
，具体地，涉及一种PDC单齿切削破岩实验装置以及破岩机理分析方法。

技术介绍

[0002]PDC钻头自1973年专利技术以来，由于破岩效率高、使用寿命长、稳定性好等一系列优势在油气钻井行业得到了广泛应用。2004年，PDC钻头应用量首次超过牙轮钻头，其总进尺目前已占到全球油气行业的90％以上。探究PDC钻头与岩石的相互作用，明确不同参数下岩石破碎机理，可以为PDC钻头结构设计和钻井参数优选提供理论依据。但是由于井下工况复杂、PDC钻头运动方式多样以及齿间相互干扰作用强等原因，导致直接探究PDC钻头破岩机理存在一定困难。而PDC齿作为钻头的基本单元，受影响因素相对较少，破岩过程也相对简单。因此，大量学者开展了PDC单齿切削破岩实验研究，用以探究关键参数对PDC齿破岩的影响规律，为高效破岩钻头结构设计提供理论指导。
[0003]大量研究表明，PDC齿切削破岩特性主要受到切削齿后倾角和切削深度的影响。随着切削深度的增加，岩石破坏模式逐渐由塑形破碎转化为脆性破碎，产生的岩屑由粉末状变为块状，对应的破岩比能开始迅速下降。同时，当切削深度增大时，PDC齿逐渐由研磨性磨损变为冲击性磨损，导致PDC钻头失效形式和破岩机理存在显著差异。而后倾角的改变则主要影响PDC齿的攻击性和耐磨性。现场应用表明小倾角适合软地层的钻进，而随着钻井深度的增加和地层硬度的增强，PDC齿后倾角也应同步增大。依据地层条件在钻头不同位置处选择合适的后倾角对于兼顾钻头破岩性能和使用寿命至关重要。
[0004]单齿破岩实验过程中，切削力是反映岩石破碎特性最直观的参数，其均值表明岩石破碎的难易程度，结合岩石破碎体积可计算单齿破岩比能，评价岩石破碎效率。而切削力的波动则反映了PDC齿与岩石之间的相互作用。因此，准确监测切削力大小对实验结果分析至关重要。与此同时，切削力只能从一定程度上反映不同实验条件下岩石宏观破碎特性，需要结合其他实验手段和参数才能进一步揭示PDC齿破岩机理。
[0005]基于此，本专利技术提出了一种PDC单齿切削破岩实验装置，该装置在实验过程中可以精准调控切削深度、PDC齿后倾角和切削速度等参数，并准确监测切削力等参数变化规律。同时基于该装置提出了一套标准实验流程，用于分析不同参数下单齿切削破岩特性并揭示对应的岩石破碎机理。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本专利技术的目的之一在于提供一种可以精准调控切削深度、PDC齿后倾角和切削速度等参数，并准确监测切削力等参数变化规律的PDC单齿切削破岩实验装置。又如，本专利技术的另一目的在于提供一种用于分析不同参数下单齿切削破岩特性并揭示对应的岩石破碎机理的PDC单齿切削破岩机理分析方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的一方面提供了一种PDC单齿切削破岩实验装置，所述实验装置包括切削破岩装置本体、PDC齿切削深度调节机构、切削速度调节机构和切削力测量机构，其中，
[0008]所述切削速度调节机构包括壳体、控制电机、滑轨、底座和岩石夹持机构，其中，
[0009]所述壳体水平设置在平面上，所述滑轨沿壳体的长度方向设置在壳体上端面上；
[0010]所述底座能够在所述滑轨上移动，所述岩石夹持机构能够夹持岩石样品并固定设置在所述底座上；
[0011]所述控制电机设置在所述壳体上，所述控制电机能够带动底座以及岩石夹持机构以预定速度沿滑轨轴向移动以控制岩石样品的切削速度；
[0012]所述切削破岩装置本体水平设置且位于壳体之上，切削破岩装置本体用于固定安装PDC齿切削深度调节机构；
[0013]所述PDC齿切削深度调节机构能够夹持PDC切削齿并调控其倾角和切削深度；
[0014]所述切削力测量机构设置在所述底座上并位于岩石样品的远离PDC切削齿的一侧，所述切削力测量机构能够监测加载在岩石样品上切削力的大小。
[0015]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述实验装置还可包括支撑板，所述支撑板分别固定设置在壳体的左右两侧且彼此相对设置，所述切削破岩装置本体水平设置在支撑板的顶部。
[0016]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述PDC齿切削深度调控机构包括千分尺、金属压片、弹簧、连接螺栓和PDC齿夹持机构，其中，
[0017]所述切削破岩装置本体上还设置有安装槽，所述金属压片水平设置且位于安装槽上方，金属压片上开设有螺孔；
[0018]所述PDC齿夹持机构竖直设置在所述安装槽中；
[0019]所述连接螺栓设置在所述螺孔中且PDC齿夹持机构上端固定连接；
[0020]所述千分尺竖直设置且其下端与所述连接螺栓上端固定连接；
[0021]所述弹簧的一端与金属压片连接，另一端与切削破岩装置本体连接。在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述PDC齿夹持机构可包括PDC齿夹持单元、紧固螺栓、自锁垫块、固定螺栓和金属压头，其中，
[0022]所述PDC齿夹持单元左侧上设置有上斜面和下斜面，所述自锁垫块上设置有与所述上斜面配合的斜面，所述紧固螺栓穿过所述安装槽侧壁将所述自锁垫块与切削破岩装置本体固定，所述固定螺栓将金属压头固定在所述PDC齿夹持单元上，所述金属压头用于将PDC切削齿固定在PDC齿夹持单元上。
[0023]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述千分尺可包括调节旋钮、千分尺本体和伸缩结构，其中，
[0024]所述千分尺本体固定设置在切削破岩装置本体上，所述伸缩结构上端穿过切削破岩装置本体与千分尺本体相连，下端和连接螺栓上端固定连接；
[0025]所述调节旋钮设置在千分尺本体上以调节伸缩结构的伸缩长度。
[0026]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述PDC切削齿的倾角可为0～75
°
、切削速度可为1.6～230mm/s，切削深度调控精度可达到0.001mm。
[0027]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述实验装置还可包括PDC齿后倾角度
调节机构，所述PDC齿后倾角度调节机构设置在所述切削破岩装置本体上，所述PDC齿切削深度调节机构设置在所述PDC齿后倾角度调节机构上，所述PDC齿后倾角度调节机构能够实现0～15
°
后倾角度调节。
[0028]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述PDC齿后倾角度调节机构可包括旋转手柄、旋转丝杠、锁紧螺母和调节件，其中，所述切削破岩装置本体上设置有第一开孔和固定轴，所述调节件上设置有第二开孔和调节孔，所述旋转丝杠竖直设置在所述第一开孔中，所述锁紧螺母套设在所述旋转丝杠上且位于切削破岩装置本体之下，所述旋转手柄套设在所述旋转丝杆上且位于切削破岩装置本体之上，所述旋转丝杠的下端设置有调节头，所述调节头能够在所述调节孔中移动使调节件相对固定轴转动。
[0029]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述切削力测力机构可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PDC单齿切削破岩实验装置，其特征在于，所述实验装置包括切削破岩装置本体、PDC齿切削深度调节机构、切削速度调节机构和切削力测量机构，其中，所述切削速度调节机构包括壳体、控制电机、滑轨、底座和岩石夹持机构，其中，所述壳体水平设置在平面上，所述滑轨沿壳体的长度方向设置在壳体上端面上；所述底座能够在所述滑轨上移动，所述岩石夹持机构能够夹持岩石样品并固定设置在所述底座上；所述控制电机设置在所述壳体上，所述控制电机能够带动底座以及岩石夹持机构以预定速度沿滑轨轴向移动以控制岩石样品的切削速度；所述切削破岩装置本体水平设置且位于壳体之上，切削破岩装置本体用于固定安装PDC齿切削深度调节机构；所述PDC齿切削深度调节机构能够夹持PDC切削齿并调控其倾角和切削深度；所述切削力测量机构设置在所述底座上并位于岩石样品的远离PDC切削齿的一侧，所述切削力测量机构能够监测加载在岩石样品上切削力的大小。2.根据权利要求1所述的PDC单齿切削破岩实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括支撑板，所述支撑板分别固定设置在壳体的左右两侧且彼此相对设置，所述切削破岩装置本体水平设置在支撑板的顶部。3.根据权利要求1所述的PDC单齿切削破岩实验装置，其特征在于，所述PDC齿切削深度调控机构包括千分尺、金属压片、弹簧、连接螺栓和PDC齿夹持机构，其中，所述切削破岩装置本体上还设置有安装槽，所述金属压片水平设置且位于安装槽上方，金属压片上开设有螺孔；所述PDC齿夹持机构竖直设置在所述安装槽中；所述连接螺栓设置在所述螺孔中且PDC齿夹持机构上端固定连接；所述千分尺竖直设置且其下端与所述连接螺栓上端固定连接；所述弹簧的一端与金属压片连接，另一端与切削破岩装置本体连接。4.根据权利要求3所述的PDC单齿切削破岩实验装置，其特征在于，所述PDC齿夹持机构包括PDC齿夹持单元、紧固螺栓、自锁垫块、固定螺栓和金属压头，其中，所述PDC齿夹持单元左侧上设置有上斜面和下斜面，所述自锁垫块上设置有与所述上斜面配合的斜面，所述紧固螺栓穿过所述安装槽侧壁将所述自锁垫块与切削破岩装置本体固定，所述固定螺栓将金属压头固定在所述PDC齿夹持单元上，所述金属压头用于将PDC切削齿固定在PDC齿夹持单元上。5.根据权利要求3所述的PDC单齿切削破岩实验装置，其特征在于，所述千分尺包括调节旋钮、千分尺本体和伸缩结构，其中，所述千分尺本体固定设置在切削破岩装置本体上，所述伸缩结构上端穿过切削破岩装置本体与千分尺本体相连，下端和连接螺栓上端固定连接；所述调节旋钮设置在千分尺本体上以调...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘彬，姚建林，董仕明，李雷，姚坤鹏，余晟，周刚，冯明，何超，简利，赵福金，张庆，
申请(专利权)人：中国石油集团川庆钻探工程有限公司，
类型：发明
国别省市：