[发明专利]一种真三轴高能冲击破岩实验装置及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及井下破岩技术领域，具体是一种真三轴高能冲击破岩实验装置及方法。

背景技术

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。

针对上述工程问题和解决方案的部分缺陷，本发明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。

发明内容

针对上述背景，本发明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。

本发明的技术方案是：

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。

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；

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；

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；

围压施加机构和岩样压力腔体下端盖与岩样压力室固连。

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。

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。