一种真三轴高能冲击破岩实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种真三轴高能冲击破岩实验装置及方法，包括测试台架、中间容器、岩屑过滤器、背压器、钻井液池、钻井液泵、钻井液管、气泵、气管；所述测试台架主要包括旋转驱动机构、钻柱系统、轴冲气动震击器、扭冲发生机构、高压密封腔、岩样压力室、围压施加机构等；所述钻柱系统包括钻杆、多维力传感器、钻头等。旋转驱动机构通过带轮传动机构带动钻柱系统旋转，轴冲气动震击器和扭冲发生机构为钻柱系统提供冲击能量，岩样压力室对岩石施加三轴压力，钻头对岩样进行破岩作业。本装置能够模拟井底岩石所处的三轴压力环境，可研究钻柱系统在不同转速和钻压下，施加不同频率、不同强度的轴向冲击和扭转冲击时的破岩效果。击和扭转冲击时的破岩效果。击和扭转冲击时的破岩效果。

【技术实现步骤摘要】
一种真三轴高能冲击破岩实验装置及方法


[0001]本专利技术涉及井下破岩
，具体是一种真三轴高能冲击破岩实验装置及方法。

技术介绍

[0002]随着我国钻井逐渐向深层/超深层迈进，岩石硬度高、钻头可钻性差等问题愈加严重，此类岩石通常脆性大、抗静压强度高，但是抗冲击能力弱，以及钻井过程中需要抑制粘滑振动来减少对钻头寿命的影响，因此提出了井下轴扭复合冲击的概念。近年来，市面上出现了许多种类的轴扭复合冲击器并成功应用，虽然复合冲击器的冲击效果已经通过实验得到验证，但是冲击运动规律研究尤其是对大能量和高频率冲击影响的理论研究仍然不足。因此，研究轴向冲击和扭转冲击在能量较大时的频率配比能够对后续冲击器的研发具有很好的指导意义。加之当前室内轴扭复合冲击破岩实验环境无法对岩样提供三轴压力，即无法模拟井下的真实压力情况，降低了实验数据可信度。
[0003]针对上述工程问题和解决方案的部分缺陷，本专利技术结合轴扭复合冲击及岩样所受三轴压力的特点，提出并设计了一种真三轴高能冲击破岩实验装置及方法。

技术实现思路

[0004]针对上述背景，本专利技术提供一种真三轴高能冲击破岩实验装置及方法，可模拟井底岩石所处的三轴压力环境，实现旋转钻进过程中钻头对岩石造成轴向冲击和扭转冲击，以探究不同频率、不同强度的轴向冲击和扭转冲击对受不同围压和液柱压力的岩石的破岩效果，同时在此基础上还可模拟欠平衡钻井过程。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]一种真三轴高能冲击破岩实验装置，包括与钻井液管、气管固连的高压密封腔，高压密封腔与岩样压力腔体上端盖固连，岩样压力腔体上端盖与岩样压力室固连，高压密封腔、岩样压力腔体上端盖和岩样压力室固定在测试台架中，岩样压力室通过岩样压力腔体定位通孔与台架侧板固连，岩样压力室的开口与钻井液管固连，钻井液管依次串联测试台架、中间容器、岩屑过滤器、背压器、钻井液池、钻井液泵。
[0007]进一步地，台架侧板内壁安装有扭冲发生机构，对钻柱系统产生扭转冲击，台架侧板上方搭有台架顶板，台架顶板上方安装有带轮传动机构；
[0008]带轮传动机构包括主动带轮和从动带轮，主动带轮上方装有旋转驱动机构，旋转驱动机构带动主动带轮转动，带轮传动机构通过轴承盖板和轴承盖板螺柱与台架顶板固连，从动带轮开有花键槽并与钻柱系统通过花键连接；
[0009]钻柱系统上方装有轴冲气动震击器，轴冲气动震击器的轴向冲击应力波发生面与钻柱系统接触，钻柱系统通过高压密封腔的中空部分进入岩样压力室，岩样压力室中放置有岩样；
[0010]围压施加机构和岩样压力腔体下端盖与岩样压力室固连。
[0011]进一步地，钻柱系统主要包括上端钻杆、多维力传感器、接钻头钻杆、钻头，上端钻杆开有花键，与从动带轮进行花键旋转传动，接钻头钻杆开有三段阶梯轴，第一段开有外螺纹，第二段开有棘轮槽，第三段下半部分中空，开有钻杆水眼和内螺纹，上端钻杆、多维力传感器和接钻头钻杆和钻头依次通过螺纹进行固连。
[0012]进一步地，滑轨垂直固定在台架侧板内壁两侧，扭冲气动震击器安装在滑轨上，扭冲气动震击器的冲击杆对扭冲盘上的冲击块产生冲击，进而带动棘爪对棘轮槽产生冲击，进而钻柱系统受到扭转冲击。
[0013]进一步地，高压密封腔和岩样压力室处于严格密封的环境，高压密封腔中装有钻杆高压浮动密封组和限位密封圈，与接钻头钻杆外表面和高压密封腔体中空表面紧密贴合，岩样压力腔体上端盖中空部分装有岩样压力腔室密封环，与接钻头钻杆外表面和岩样压力腔体上端盖中空表面紧密贴合。
[0014]进一步地，围压施加机构可对岩样产生围压，通过液压孔外接的伺服泵，对围压活塞施加一定大小的液压，并使液压活塞推动岩样环向压块挤压岩样。
[0015]进一步地，岩样为长方体，且放置在岩样压力腔体中时四个侧面应与其四个内侧壁平行，岩样的上表面和下表面分别安有岩样轴向压块和轴向柱塞，以限制岩样竖直位移，钻头从岩样的上表面进行下钻处理；
[0016]轴向柱塞可安装空下堵头，用于下表面直接安装震动或应力传感器，或者安装流下堵头，用于建立岩石孔隙压力模型，模拟欠平衡钻进。
[0017]进一步地，高压密封腔端盖开有八个端盖通孔和高压密封腔体开有八个相互对应的高压密封腔通孔，端盖通孔和高压密封腔通孔的数量和直径一致，位置相互对应，高压密封腔螺栓穿过端盖通孔和高压密封腔通孔，与岩样压力腔体上端盖上的高压密封腔螺栓螺纹孔相互配合，将高压密封腔端盖、高压密封腔体与岩样压力腔体上端盖三者固连；
[0018]岩样压力腔体上端盖还开有十六个岩样压力腔体上端盖螺栓通孔，与岩样压力腔体上端盖螺栓螺纹孔相互对应，数量一致，岩样压力腔体上端盖螺栓将岩样压力腔体上端盖和岩样压力腔体进行固连；
[0019]岩样压力腔体开有围压活塞定位螺纹孔，岩样压力腔体定位螺栓通过围压活塞定位螺纹孔将围压施加机构和岩样压力腔体固连；
[0020]岩样压力腔体下端盖螺栓螺纹孔与岩样压力腔体下端盖的螺栓通孔相互对应、数量一致，岩样压力腔体下端盖螺栓将岩样压力腔体下端盖与岩样压力腔体固连。
[0021]进一步地，钻井液在测试台架中的流动从钻井液注入孔进入钻杆水眼，流经接钻头钻杆的下半中空部分进行钻头，从钻头的喷嘴流出经过环腔排液口进入岩样压力腔体，再从岩样压力腔体的钻井液排液孔流出；
[0022]气泵产生的气流从气泵接口进入，具体流动过程与钻井液一致。
[0023]本专利技术的有益效果是：
[0024]1.能模拟钻井过程中井底岩石所受的围压和液柱压力情况，使得破岩实验更加贴近真实钻井过程；
[0025]2.在钻柱系统下钻过程中能同时提供不同频率和强度的轴向冲击和扭转冲击，同时可以调节机械钻速和钻压；
[0026]3.可实时监控下钻过程中钻柱系统在三个方向的受力和扭矩情况；
[0027]4.本专利技术能够实现钻井液的完整循环，与实际钻井过程中钻井液的流动情况一致。
附图说明
[0028]图1为用于真三轴高能冲击破岩实验装置的结构示意图；
[0029]图2为测试台架的左视图；
[0030]图3为图2中A
‑
A部分的截面图；
[0031]图4为图3中Ⅰ部分的局部放大图；
[0032]图5为图2中B
‑
B部分的截面图；
[0033]图6为旋转驱动机构、带轮驱动机构和台架顶板装配后的结构半剖图；
[0034]图7为钻柱系统和轴冲气动震击器装配后的结构示意图；
[0035]图8为接钻头钻杆的结构示意图；
[0036]图9为扭冲盘和棘爪装配后的结构示意图；
[0037]图10为高压密封腔体的结构剖视图；
[0038]图11为钻杆高压浮动密封组的结构剖视图；
[0039]图12为岩样轴向压块的结构剖视图；
[0040]图13为岩样压力腔体上端盖的结构剖视图；
[0041]图14为围压活塞外壳的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种真三轴高能冲击破岩实验装置，其特征在于，包括与钻井液管(20)、气管(22)固连的高压密封腔(6)，所述高压密封腔(6)与岩样压力腔体上端盖(7)固连，所述岩样压力腔体上端盖(7)与岩样压力室(8)固连，所述高压密封腔(6)、所述岩样压力腔体上端盖(7)和所述岩样压力室(8)固定在测试台架(14)中，所述岩样压力室(8)通过岩样压力腔体定位通孔(1201)与台架侧板(12)固连，所述岩样压力室(8)的开口与所述钻井液管(20)固连，所述钻井液管(20)依次串联所述测试台架(14)、中间容器(15)、岩屑过滤器(16)、背压器(17)、钻井液池(18)、钻井液泵(19)。2.根据权利要求1中所述的一种真三轴高能冲击破岩实验装置，其特征在于，所述台架侧板(12)内壁安装有扭冲发生机构(5)，对钻柱系统(4)产生扭转冲击，所述台架侧板(12)上方搭有台架顶板(11)，所述台架顶板(11)上方安装有带轮传动机构(3)；所述带轮传动机构(3)包括主动带轮(301)和从动带轮(302)，所述主动带轮上方装有旋转驱动机构(1)，所述旋转驱动机构(1)带动所述主动带轮(301)转动，所述带轮传动机构(3)通过轴承盖板(303)和轴承盖板螺柱(306)与台架顶板(11)固连，所述从动带轮(302)开有花键槽并与钻柱系统(4)通过花键连接；所述钻柱系统上方装有轴冲气动震击器(2)，所述轴冲气动震击器(2)的轴向冲击应力波发生面与钻柱系统(4)接触，所述钻柱系统(4)通过所述高压密封腔(6)的中空部分进入所述岩样压力室(8)，所述岩样压力室(8)中放置有岩样(807)；围压施加机构(9)和岩样压力腔体下端盖(10)与所述岩样压力室(8)固连。3.根据权利要求2所述的一种真三轴高能冲击破岩实验装置，其特征在于，所述钻柱系统(4)主要包括上端钻杆(401)、多维力传感器(402)、接钻头钻杆(403)、钻头(405)，所述上端钻杆(401)开有花键，与从动带轮(302)进行花键旋转传动，所述接钻头钻杆(403)开有三段阶梯轴，第一段开有外螺纹，第二段开有棘轮槽(408)，第三段下半部分中空，开有钻杆水眼(409)和内螺纹，所述上端钻杆(401)、所述多维力传感器(402)和所述接钻头钻杆(403)和所述钻头(405)依次通过螺纹进行固连。4.根据权利要求2中所述的一种真三轴高能冲击破岩实验装置，其特征在于，滑轨(502)垂直固定在所述台架侧板(12)内壁两侧，扭冲气动震击器(501)安装在所述滑轨(502)上，所述扭冲气动震击器(501)的冲击杆对扭冲盘(503)上的冲击块(506)产生冲击，进而带动棘爪(504)对所述棘轮槽(408)产生冲击，进而所述钻柱系统(4)受到扭转冲击。5.根据权利要求1中所述的一种真三轴高能冲击破岩实验装置，其特征在于，所述高压密封腔(6)和所述岩样压力室(8)处于严格密封的环境，所述高压密封腔(6)中装有钻杆高压浮动密封组(605)和限位密封圈(611)，与所述接钻头钻杆(403)外表面和高压密封腔体(603)中空表面紧密贴合，岩样压力腔体上端盖(701)中空部分装有岩样压力腔室密封环(703)，与所述接钻头钻杆(403)外表面和所述岩样压力腔体上端盖(701)中空表面紧密贴合。6.根据权利要求2中所述的一种真三轴高能冲击破岩实验装置，其特征在于，所述围压施加机构(9)可对岩样(807)产生围压，通过液压孔(905)外接的伺服泵，对围压活塞(902)施加一定大小的液压，并使所述液压活塞(902)推动岩样环向压块(804)挤压所述岩样(807)。7.根据权利要求6所述的一种真三轴高能冲击破岩实验装置，其特征在于，所述岩样(807)为长方体，且放置在所述岩样压力腔体(801)中时四个侧面应与其四个内侧壁平行，
所述岩样(807)的上表面和下表面分别安有岩样轴向压块(805)和轴向柱塞(809)，以限制所述岩样(807)竖直位移，所述钻头(405)从所述岩样(807)的上表面进行下钻处理；所述轴向柱塞(809)可安装空下堵头，用于下表面直接安装震动或应力传感器，或者安装流下堵头，用于建立岩石孔隙压力模型，模拟欠平衡钻进。8.根据权利要求5中所述的一种真三...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟吉，邓开创，祝效华，胡海，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：