[發明專利]一種研究鉆柱動力學特性的實驗設備

有效

• 申請號: 201410012152.3
• 申請日: 2014-01-10
• 公開（公告）號: CN103712790A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 李波;王錫霖;張東宵;王龍;左國勇;趙海侗;尹邵君
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00
• 代理公司: 武漢華旭知識產權事務所 42214
• 代理人: 江釗芳

1.一種研究鉆柱動力學特性的實驗設備，包括主機架、模擬井壁總成、回轉總成、圓盤總成、激振總成、稱重總成和檢測裝置；其特征在于：

所述的主機架由主框架、角鏈接件及連接螺栓螺母組成；

所述的模擬井壁總成包括有機玻璃管、固定夾具和夾具安裝板，有機玻璃管穿過固定夾具并固定在固定夾具中，固定夾具固定在夾具安裝板上，夾具安裝板通過螺栓螺母安裝在主框架上；

所述的回轉總成包括電機及驅動器、聯軸器、細鋼柱和頂部安裝板，回轉總成貫穿整個主機架，頂部安裝板通過T型螺栓螺母安裝在主框架的頂部，電機安裝在頂部安裝板上并通過聯軸器與細鋼柱連接，細鋼柱下端與圓盤總成的圓盤連接；

所述的圓盤總成包括圓盤和圓筒，圓筒安裝在浮動平臺上，圓盤的直徑小于圓筒的直徑，圓盤在圓筒內做回轉運動，圓筒和浮動平臺通過中部設的開孔與下部的激振器接觸，受到下部激振器的激振；

所述的激振總成包括激振器、力傳感器、信號發生器和信號放大器，信號發生器產生激振信號經由信號放大器輸入到激振器中，激振器按照輸入的信號類型對圓盤底部進行激振，以模擬鉆頭與鉆井底部的巖石的相互作用，其中力傳感器安裝在激振器的激振桿上，用于檢測激振器產生的激振力；

所述的稱重總成包括四個直線導軌、直線導軌連接件、浮動平臺、支撐板、稱重傳感器，四個直線導軌豎直均布在主框架上，浮動平臺通過直線導軌連接件安裝在直線導軌上,且能在直線導軌中上下運動，浮動平臺下方安裝有支撐板，支撐板的下端連接著稱重傳感器，用于實時監測施加在細鋼柱上的壓力大小；

所述的檢測裝置包括渦動軌跡和橫向振動檢測裝置、縱向振動檢測裝置；所述的渦動軌跡和橫向振動檢測裝置由兩個安裝在浮動平臺上激光位置傳感器組成，兩個激光位置傳感器分別實時監測兩個相互垂直方向到圓盤的距離，計算機采集數據之后通過軌跡計算算法，計算出圓盤的渦動軌跡；同時，所述的兩個激光位置傳感器還測量圓盤在橫向上的位置變化，因而也用于檢測圓盤的橫向振動；所述的縱向振動檢測裝置由一組電渦流傳感器和振動圓盤組成，振動圓盤安裝在模擬鉆柱的細鋼柱上，電渦流傳感器安裝在夾具安裝板上，當模擬鉆柱的細鋼柱產生縱向振動時，振動圓盤也產生縱向振動，電渦流傳感器就產生與縱向振動大小對應的檢測信號。

2.根據權利要求1所述的一種研究鉆柱動力學特性的實驗設備，其特征在于：所述的回轉總成中的細鋼柱穿在有機玻璃管中，實驗中受有機玻璃管的約束，用于模擬鉆柱與井壁的相互作用。

3.根據權利要求1所述的一種研究鉆柱動力學特性的實驗設備，其特征在于：所述的浮動平臺與支撐板連接，支撐板與稱重傳感器連接，通過調整頂部安裝板的位置給細鋼柱施加不同大小的壓力，壓力通過細鋼柱傳遞到下端浮動平臺上的圓盤上，并使得浮動平臺作向下的運動，最終使得下端的稱重傳感器檢測到所施加的壓力。

4.根據權利要求1所述的一種研究鉆柱動力學特性的實驗設備，其特征在于：所述的實驗設備中采用的有機玻璃管、細鋼柱的尺寸根據模擬井壁和鉆柱的幾何相似比設計的，實驗設備中的材料選擇由模擬鉆柱的材料密度相似比確定，動力設計參數由動力相似比確定，動力相似比包括時間相似比和力相似比，實驗設備中的轉速設計參數由轉速相似比確定，實驗設備模擬實驗所用的壓力參數由鉆壓相似比確定，計算公式如下：

C_F力相似比；CF=FtF---(5)]]>

C_t時間相似比；Ct=ttt---(6)]]>

C_l幾何相似比；Cl=ltl---(7)]]>

C_p密度相似比；Cp=ptp---(8)]]>

上式中F′，F-模擬實驗中力的大小，真實鉆井中力的大小；t′，t-模擬實驗中的時間，真實鉆井中的時間；l′，l-模擬實驗中幾何尺寸的大小，真實鉆井中幾何尺寸的大小；p′，p-模擬實驗中模擬鉆柱的材料密度，真實鉆井中鉆柱的材料密度；

由于鉆壓實際上代表鉆進過程中施加的軸向力，與力的物理意義相同；直徑、距離、位移等參量的本質都是長度；因而還能得到以下結論：

CF=F′F=P′P---(9)]]>

Cl=ltl=DtD=dtd=utu=sts---(10)]]>

式中:P′，P-模擬實驗中鉆壓與實際鉆壓；D′，D-模擬鉆柱的外徑與實際鉆井中鉆柱的外徑；d′，d-模擬鉆柱的內徑與實際鉆井中鉆柱的內徑；u′，u-模擬鉆柱位移大小與實際鉆井中鉆柱位移；s′，s-模擬實驗中的距離大小與實際鉆井的距離大小的比值。