[發(fā)明專利]一種模擬激光鉆井破巖的實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410853686.9
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104712249A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 文國軍;楊玲芝;王玉丹;吳川;張奧東;謝輝;黃雷;白江浩;路桂英;付先成
• 申請（專利權(quán)）人: 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）
• 主分類號: E21B7/00
• 分類號: E21B7/00;E21B47/00
• 代理公司: 武漢華旭知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 42214
• 代理人: 劉榮;周宗貴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于研究激光破碎巖石機(jī)理的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置，具體地說是一種模擬激光鉆井破巖的實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)

隨著科技高速發(fā)展，激光鉆井因其高效環(huán)保，越來越受到人們的重視。然而人們對于激光鉆井破巖理論研究所需實(shí)驗(yàn)裝置并不完備，實(shí)驗(yàn)方法也十分粗糙，難以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。其常用的激光破巖實(shí)驗(yàn)裝置有以下不足：模擬不夠真實(shí)，激光光斑調(diào)整精度不高，污染環(huán)境。因此，研究出一種真實(shí)模擬井下巖石所受圍壓、精度高的實(shí)驗(yàn)方法成為激光鉆井破巖理論研究亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，并提供一種激光破碎巖石實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)、激光光斑調(diào)整精度高并且無環(huán)境污染的模擬激光鉆井破巖的實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)裝置。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案為，一種模擬激光鉆井破巖的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：

1)將巖樣放入透明的帶進(jìn)氣口和出氣口的密封盒中，限制巖樣在X軸方向和Y軸方向的位移，使用高度傳感器測量并且標(biāo)定巖樣的表面高度；

(2)確定巖樣的破碎點(diǎn)，破碎點(diǎn)之間間隔為30～50毫米，調(diào)整并標(biāo)定各個(gè)破碎點(diǎn)的位置，避免破碎點(diǎn)在巖樣裂縫上；

(3)沿X軸方向和Y軸方向向巖樣施加壓力使巖樣受壓產(chǎn)生雙軸應(yīng)力以模擬地層巖石的應(yīng)力，然后將密封盒密封；

(4)從密封盒的進(jìn)氣口向密封盒中通入循環(huán)氣體，同時(shí)從密封盒的出氣口向外抽氣，循環(huán)氣體充滿密封盒以模擬激光鉆井中的氣體循環(huán)氛圍，激光切割頭依次照射巖樣的各破碎點(diǎn)對巖樣進(jìn)行破碎，收集巖樣破碎過程中抽出的氣體作為實(shí)驗(yàn)氣體；所述循環(huán)氣體為氮?dú)狻⒑饣蚩諝狻?!-- SIPO -->

步驟4中激光切割頭在各個(gè)破碎點(diǎn)破巖的時(shí)間為1～20秒，各個(gè)破碎點(diǎn)破碎的時(shí)間間隔為1～20秒。

步驟4中激光切割頭選用正離焦方式對巖樣破碎點(diǎn)進(jìn)行破碎。

本發(fā)明還對應(yīng)提供了一種模擬激光鉆井破巖的實(shí)驗(yàn)裝置，包括控制臺、操作臺、方向調(diào)整組件、固定在方向調(diào)整組件上的激光切割頭、液壓系統(tǒng)、密封單元和與密封盒連通的氣體收集單元，激光切割頭、方向調(diào)整組件、液壓系統(tǒng)、密封單元和氣體收集單元均安裝在操作臺上并且均由控制臺控制運(yùn)行，液壓系統(tǒng)和氣體收集單元均位于激光切割頭的下方；方向調(diào)整組件包括實(shí)驗(yàn)臺主架，X軸方向調(diào)整組件，Y軸方向調(diào)整組件和Z軸方向調(diào)整組件，所述實(shí)驗(yàn)臺主架包括水平安裝的實(shí)驗(yàn)臺橫梁，以及豎直固定在實(shí)驗(yàn)臺橫梁兩端的實(shí)驗(yàn)臺支柱A和實(shí)驗(yàn)臺支柱B，激光切割頭固定在Z軸方向調(diào)整組件上，Z軸方向調(diào)整組件固定在X軸方向調(diào)整組件上，X軸方向調(diào)整組件安裝于實(shí)驗(yàn)臺主架上，實(shí)驗(yàn)臺主架安裝在Y軸方向調(diào)整組件上；

所述X軸方向調(diào)整組件包括齒輪齒條機(jī)構(gòu)A、步進(jìn)電機(jī)A、X軸方向?qū)к壐盇和X軸方向安裝底座，齒條A與X軸方向?qū)к壐盇固定于實(shí)驗(yàn)臺橫梁的同一豎直側(cè)面上，X軸方向安裝底座呈板狀，固定于X軸方向?qū)к壐盇的滑塊并且緊靠于滑塊的側(cè)面，步進(jìn)電機(jī)A固定在X軸方向安裝底座上，其輸出軸與齒輪A連接；所述Y軸方向調(diào)整組件包括Y軸方向?qū)к壐盇、Y軸方向?qū)к壐盉、齒輪齒條機(jī)構(gòu)B、步進(jìn)電機(jī)B，步進(jìn)電機(jī)B固定于Y軸方向?qū)к壐盇的滑塊上，通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)B驅(qū)動(dòng)Y軸方向?qū)к壐盇和Y軸方向?qū)к壐盉，實(shí)驗(yàn)臺支柱A和實(shí)驗(yàn)臺支柱B分別安裝在Y軸方向?qū)к壐盇和Y軸方向?qū)к壐盉上；所述Z軸方向調(diào)整組件包括滾珠絲杠副和驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)C，滾珠絲杠副固定于X軸方向安裝底座上，激光切割頭固定在滾珠絲杠副的螺母上；

所述液壓系統(tǒng)包括液壓油箱、液壓泵、電磁閥、液壓缸A、由液壓缸A活塞桿推動(dòng)的推板A、液壓缸B和由液壓缸B活塞桿推動(dòng)的推板B，液壓油箱、液壓泵和電磁閥通過油管依次順序連通，電磁閥的出油口分別與液壓缸A和液壓缸B的進(jìn)油口連通，推板A和推板B所在平面分別與液壓缸A和液壓缸B的活塞桿垂直，推板A和推板B所在平面成90°夾角，分別沿X軸方向和Y軸方向?qū)r樣施加壓力；

所述密封單元包括固定在操作臺上的密封盒、位于密封盒頂部的透明上罩以及巖樣底座，巖樣通過巖樣底座固定在密封盒中，上罩位于密封盒與激光切割頭之間，推板A和推板B均位于密封盒內(nèi)；

所述氣體收集單元包括安裝在操作臺上的氣體收集實(shí)驗(yàn)箱，安裝在氣體收集實(shí)驗(yàn)箱中的真空泵、兩位三通電磁換向閥、氣體單向閥和集氣瓶，以及安裝在氣體收集實(shí)驗(yàn)箱外的氣罐；兩位三通電磁換向閥的入口連通氣罐，出口A連通密封盒的進(jìn)氣口，出口B接氣體單向閥后連通密封盒的出氣口，密封盒的出氣口同時(shí)與真空泵的進(jìn)氣口連通，真空泵的出氣口氣管連通集氣瓶。