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一种微型超 声波振动回转钻进实验装置及实验方法

阅读：163发布：2021-06-06

专利汇可以提供一种微型超声波振动回转钻进实验装置及实验方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种微型超声波振动回转钻进实验装置及实验方法。该装置由回转钻进系统、超声波振动系统和控制系统组成。回转钻进系统为钻头破碎岩石提供动力，超声波振动系统包括：导电滑环和超声波换能器；控制系统调节钻进参数。电机和振动器外壳固定在上、下连接板上，从动杆依次与水龙头、超声波换能器、钻杆、钻头连接。气缸安装在支撑架两侧，气缸与下连接板固定连接，通过对下连接板施加钻压，实现提升或下放钻具。本发明能够模拟在不同频率超声波振动及不同钻进参数下全面破碎和取心钻进的全过程，亦可实验不同钻进参数和不同结构尺寸钻具对钻进的效率的影响，并可评价钻头的性能和质量。，下面是一种微型超声波振动回转钻进实验装置及实验方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种微型超声波振动回转钻进实验台，其特征在于：由回转给进机构、超声波振动机构、岩样夹持机构以及控制机构构成；
所述回转给进机构主要由底座(1)、固定在底座(1)上方的支承架(2)、与支承架(2)卡接的上连接板(3)和下连接板(4)、安装在支承架(2)两侧两个气缸(5)、分别与上连接板(3)和下连接板(4)固定的电机(6)和外壳(18)、固定在电机(6)上的主动轮(7)、通过传动带(9)与主动轮(7)传动相连的从动轮(8)、与从动轮(8)固定的从动杆(11)、钻杆(15)以及钻头(16)组成；所述从动杆(11)上端与水龙头(10)相连，下端穿过固定在外壳(18)上的轴承(12)与超声波振动机构中的超声波换能器(13)相连；超声波换能器(13)下端穿过推力轴承(14)与钻杆(15)相连；钻杆(15)与钻头(16)为螺纹连接；所述两个气缸(5)下端与下连接板(4)固定，为钻机提供钻压，并控制钻杆(15)提升和下降；
所述超声波振动机构还包括导电滑环(20)和超声波换能器(13)；所述导电滑环(20)通过绝缘套安装在外壳(18)上，将电流传递给超声波换能器(13)；
所述岩样夹持机构由防喷板(17)、水槽(19)、岩样夹持器(21)、岩样(22)以及固定支架(23)组成；所述水槽(19)和岩样夹持器(21)均固定在底座(1)上，通过转动岩样夹持器(21)的手轮能够将岩样(22)固定在水槽(19)内，防喷板(17)放置在水槽(19)上；
所述控制机构由超声波发生器(24)、变频器(25)、调压阀(26)、流量控制器(27)以及控制柜(28)组成；所述超声波发生器(24)与超声波换能器(13)连接，用于提供不同频率的超声波；变频器(25)与电机(6)相连，用于调节转速；调压阀(26)与气压缸(5)相连；流量控制器(27)与水泵(19)相连，用于调节水量；控制柜(28)分别与超声波发生器(24)、变频器(25)、调压阀(26)以及流量控制器(27)相连。
2.根据权利要求1所述的一种微型超声波振动回转钻进实验台，其特征在于：所述支承架(2)两侧设有两个凹槽，上连接板(3)和下连接板(4)分别通过凹槽与支承架(2)卡接。
3.根据权利要求1所述的一种微型超声波振动回转钻进实验台，其特征在于：所述两个气缸(5)通过固定支架(23)安装在支承架(2)两侧。
4.根据权利要求1所述的一种微型超声波振动回转钻进实验台，其特征在于：所述超声波换能器(13)为一种杆状包括了复合压电陶瓷和变幅杆，内壁绝缘中空，能够供钻井液通过的超声波换能器。
5.根据权利要求1所述的一种微型超声波振动回转钻进实验台，其特征在于：所述钻机外壳(18)为可拆卸的半敞开式，由四部分外壳通过螺栓和螺钉组合固定。
6.根据权利要求1所述的一种微型超声波振动回转钻机实验台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
ⅰ、根据需要准备岩样(22)；
ⅱ、通过岩样夹持器(21)将岩样固定在底座上(1)；
ⅲ、通过螺母将固定支架(23)、气缸(5)、外壳(18)、超声波换能器(13)、钻杆(15)以及钻头(16)与支承架(2)固定，保证适当的钻进行程；
ⅳ、通过控制柜(28)的泵量调节阀，选择合适的钻井液泵量，并安装防喷板(17)，开始钻井液循环；
ⅴ、通过控制柜(28)的电机转速控制器，选择适当的钻进转速；
ⅵ、通过控制柜(28)的钻机升降开关使气缸(5)对下连接板(4)施加压力，使钻杆(15)下降，钻头(16)顶住岩样(22)通过调压阀控制按钮，设定合适钻压；
ⅶ、通过控制柜(28)的超声波发生器频率调节开关，给超声波换能器设定振动频率；
ⅷ、开始钻进实验，记录实验参数；
ⅸ、钻进完成后，通过控制柜(28)关闭超声波发生器(24)，将钻机升降开关处于上升位置，气缸(5)自动带动钻杆(15)上升，将泵量调为零，停止钻井液循环，实验结束。

说明书全文

一种微型超 声波振动回转钻进实验装置及实验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种振动回转碎岩的微型钻机实验台，特别涉及一种微型超声波振动回转钻进实验装置及实验方法，应用于地质勘探、隧道掘进以及工程钻机施工等领域。

背景技术

[0002] 微钻试验台适用于实验室内从事各种微钻试验，包括岩样可钻性分析试验、钻具时效及寿命试验。可根据试验结果优化钻具，对岩样进行可钻性分级，提高钻探效率，具有重大的理论和实际意义。近年来，随着工业的发展，对原油以及矿产的需求越来越大。为了提高钻进效益，对钻探技术及钻探设备的要求也越来越高，微钻试验台对环境的要求不高，使用范围较广，有利于对钻探装备的研究。微钻试验台可模拟真实钻进情况，具有岩样移载运动、动力头回转运动以及给进或提升运动等，能够实现钻进过程中各项钻进参数(钻压、钻速、扭矩、转速及进尺)的监测、采集及处理。

[0003] 超声波振动碎岩，是在周期性的高频振动力作用下，先使岩石表面或局部产生疲劳破坏，从而使岩石整体产生破坏。在2001年，美国国家航空航天局成功研制超声波钻探采样器，但是钻进深度过浅。目前，国内外对于超声波振动碎岩装备的研究取得了一些进展，东北石油大学公开了一种采用磁制伸缩装置作为超声波换能器应用在石油天然气领域，吉林大学也公开了一种利用压电陶瓷产生超声波振动碎岩的实验装置和实验方法。

[0004] 目前，暂未见到关于超声波振动回转微钻实验平台的报道。基于此，如能将超声波共振碎岩技术与微钻试验台结合，模拟在高频振动力和回转切削力作用下的破碎岩石的效果，评价不同结构、性能的超声波换能器和钻头对钻进的影响必将具有十分重要的意义，且可以在较小的成本下进行超声波振动钻具的设计验证，有利于推动对超声波共振碎岩设备的研究发展。

发明内容

[0005] 本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种微型超声波振动回转钻进实验台，还提供了该微型超声波振动回转钻进实验台的实验方法，解决超声波振动回转微钻实验平台匮乏的问题，研究在不同钻进参数下，不同振动频率、结构及尺寸的超声波换能器对钻进效率的影响，模拟真实钻进情况，为大型超声波钻探设备的研制提供实验数据的支持，并评价钻具的性能。

[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0007] 一种微型超声波振动回转钻进实验台，由回转给进机构、超声波振动机构、岩样夹持机构以及控制机构构成。

[0008] 所述的回转给进机构是由底座、支承架、上连接板、下连接板、气压缸、电机、主动轮、从动轮、传动带、从动杆、轴承、推力轴承、钻杆、钻头、外壳以及固定支架组成；支承架固定在底座上，支承架通过固定支架和气压缸连接，电机和外壳与上连接板、下连接板固定连接，支承架两侧设有凹槽，上连接板、下连接板与支承架通过卡槽连接，两个气缸安装在支承架两侧，下端与下连接板固定连接，为钻机提供钻压，并控制钻杆提升和下降，带动整个钻进系统沿着支承架的凹槽上下移动；主动轮固定在电机上，从动轮通过固定件与从动杆连接，电机通过主动轮、传动带、从动轮将扭矩传递给从动杆，轴承固定在外壳上，从动杆上端与水龙头连接，下端穿过轴承与超声波换能器连接，超声波换能器下端穿过推力轴承与钻杆通过螺纹连接，钻杆与钻头通过螺纹连接；外壳由四部分外壳通过螺栓和螺钉组合固定。

[0009] 所述的超声波振动机构是由超声波换能器和导电滑环组成；通过绝缘套将导电滑环安装在外壳上，导电滑环将电流传递给超声波换能器，超声波换能器中间设为中空，使钻井液通过，超声波换能器下端通过螺纹与钻杆连接，钻杆下端通过螺纹与钻头连接。

[0010] 所述的岩样夹持机构包括防喷板、水槽、岩样夹持器、岩样、固定支架；岩样夹持器固定在底座上，通过转动岩样夹持器的手轮可将岩样固定在水槽内，水槽固定在底座上，防喷板放置在水槽上，防止钻井液喷溅。

[0011] 所述的控制机构包括超声波发生器、变频器、调压阀、流量控制器和控制柜；超声波发生器与超声波换能器连接；变频器与电机连接，可以实现调节转速；调压阀与气压缸连接，控制钻压的大小，提升与下降钻头；流量控制器与水泵连接，可调节水量的大小；控制柜与超声波发生器、变频器、调压阀、流量控制器连接，控制系统通过控制柜控制超声波微型振动钻机实验装置，可实现不同超声波振动频率、转速和钻压、流量参数下的钻进。

[0012] 所述的超声波换能器为一种杆状，包括了复合压电陶瓷和变幅杆，内壁绝缘中空，可钻井液通过的超声波换能器。

[0013] 所述的超声波换能器位置下移，减少能量损失，提高了能量利用率。

[0014] 所述的钻机外壳为可拆卸的半敞开式，由四部分外壳通过螺栓和螺钉组合固定，防止工作时装置温度过高及方便试验不同性能、结构、规格的超声波换能器。

[0015] 上述微型超声波振动回转钻机实验台的实验方法，包括以下步骤：

[0016] ⅰ、根据需要准备岩样22；

[0017] ⅱ、通过岩样夹持器21将岩样固定在底座上1；

[0018] ⅲ、通过用螺母将固定支架23、气缸5、外壳18、超声波换能器13、钻杆15、钻头16固定在支承架2的适当位置，保证适当的钻进行程；

[0019] ⅳ、通过控制柜28的泵量调节阀，选择合适的钻井液泵量，并安装放喷板17，开始钻井液循环；

[0020] ⅴ、通过控制柜28的电机转速控制器，选择适当的钻进转速；

[0021] ⅵ、通过控制柜28的钻机升降开关使，气缸5对下连接板4施加压力，使钻杆15下降，钻头16顶住岩样22通过调压阀控制按钮，设定合适钻压；

[0022] ⅶ、通过控制柜28的超声波发生器频率调节开关，给超声波换能器加上适当的振动频率。

[0023] ⅷ、开始钻进实验，记录实验参数；

[0024] ⅸ、钻进完成后，通过控制柜28关闭超声波发生器24，将钻机升降开关处于上升位置，气缸5自动带动钻杆15上升，将泵量调为零，停止钻井液循环，实验结束。

[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明能够模拟在不同频率超声波振动及在不同钻进参数下全面破碎和取心钻进的全过程，并搭建了一种超声波振动回转钻机方便拆卸，亦可实验不同钻进参数和不同结构尺寸钻具对钻进的效率的影响，并可评价钻头的性能和质量。附图说明

[0026] 图1是本发明微钻实验平台主视结构示意图；

[0027] 图2是本发明微钻实验平台的左视结构图。

[0028] 图中：1.底座 2.支承架 3.上连接板 4.下连接板 5.气压缸 6.电机 7.主动轮 8.从动轮 9.传动带 10.水龙头 11.从动杆 12.轴承 13.超声波换能器 14.推力轴承 15.钻杆 16.钻头 17.防喷板 18.外壳 19.水槽 20.导电滑环 21.岩样夹持器 22.岩样23.固定支架 24.超声波发生器 25.变频器 26.调压阀 27.流量控制器 28.控制柜。

具体实施方式

[0029] 如图1、图2所示，本发明微型超声波振动回转钻进实验台，由回转给进机构、超声波振动机构、岩样夹持机构以及控制机构构成。

[0030] 所述回转给进机构是由底座1、支承架2、上连接板3、下连接板4、气压缸5、电机6、主动轮7、从动轮8、传动带9、从动杆11、轴承12、推力轴承14、钻杆15、钻头16、外壳18以及固定支架23组成；支承架2固定在底座1上，支承架2通过固定支架23和气压缸5连接，电机6和外壳18与上连接板3、下连接板4固定连接，支承架2两侧设有凹槽，上连接板3、下连接板4与支承架2通过卡槽连接，两个气缸5安装在支承架2两侧，下端与下连接板4固定连接，为钻机提供钻压，并控制钻杆15提升和下降，带动整个钻进系统沿着支承架2的凹槽上下移动；主动轮7固定在电机6上，从动轮8通过固定件与从动杆11连接，电机6通过主动轮7、传动带9、从动轮8将扭矩传递给从动杆11，轴承12固定在外壳18上，从动杆11上端与水龙头10连接，下端穿过轴承12与超声波换能器13连接，超声波换能器13下端穿过推力轴承14与钻杆15通过螺纹连接，钻杆15与钻头16通过螺纹连接；外壳18由四部分外壳通过螺栓和螺钉组合固定。

[0031] 所述超声波振动机构是由超声波换能器13和导电滑环20组成；通过绝缘套将导电滑环20安装在外壳18上，导电滑环20将电流传递给超声波换能器13，超声波换能器13中间设为中空，使钻井液通过，超声波换能器13下端通过螺纹与钻杆15连接，钻杆15下端通过螺纹与钻头16连接。

[0032] 所述岩样夹持机构由防喷板17、水槽19、岩样夹持器21、岩样22以及固定支架23组成；岩样夹持器21固定在底座1上，通过转动岩样夹持器21的手轮可将岩样22固定在水槽19内，水槽19固定在底座1上，防喷板17放置在水槽19上，防止钻井液喷溅。

[0033] 所述的控制机构由超声波发生器24、变频器25、调压阀26、流量控制器27和控制柜28组成；超声波发生器24与超声波换能器13连接，提供不同频率的超声波；变频器25与电机
6连接，可以实现调节转速；调压阀26与气压缸5连接，控制钻压的大小，流量控制器27与水泵19连接，可调节水量的大小；控制柜28与超声波发生器24、变频器25、调压阀26、流量控制器27连接，控制系统通过控制柜28控制超声波微型振动钻机实验装置，可实现不同超声波振动频率、转速和钻压、流量参数下的钻进。

[0034] 所述的超声波换能器13为一种杆状包括了复合压电陶瓷和变幅杆，内壁绝缘中空，可供钻井液通过的超声波换能器。

[0035] 所述的超声波换能器13位置下移，提高了能量利用率。

[0036] 所述的外壳18为可拆卸的半敞开式，由四部分外壳通过螺栓和螺钉组合固定。防止工作装置温度过高，方便试验不同尺寸，振动频率，以及各种结构的超声波换能器。

[0037] 上述可拆卸式微型超声波振动回转钻机实验台的实验方法，包括以下步骤：

[0038] ⅰ、根据需要准备岩样22；

[0039] ⅱ、通过岩样夹持器21将岩样固定在底座上1；

[0040] ⅲ、通过用螺母将固定支架23、气缸5、外壳18、超声波换能器13、钻杆15、钻头16固定在支承架2的适当位置，保证适当的钻进行程；

[0041] ⅳ、通过控制柜28的泵量调节阀，选择合适的钻井液泵量，并安装防喷板17，开始钻井液循环；

[0042] ⅴ、通过控制柜28的电机转速控制器，选择适当的钻进转速；

[0043] ⅵ、通过控制柜28的钻机升降开关使，气缸5对下连接板4施加压力，使钻杆15下降，钻头16顶住岩样22通过调压阀控制按钮，设定合适钻压；

[0044] ⅶ、通过控制柜28的超声波发生器频率调节开关，给超声波换能器加上适当的振动频率。

[0045] ⅷ、开始钻进实验，记录实验参数；

[0046] ⅸ、钻进完成后，通过控制柜28关闭超声波发生器24，将钻机升降开关处于上升位置，气缸5自动带动钻杆15上升，将泵量调为零，停止钻井液循环，实验结束。

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