[發明專利]一種能夠測試巖石三軸強度參數的多功能鉆頭破巖實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201710702954.0
• 申請日: 2017-08-16
• 公開（公告）號: CN107505207B
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發明（設計）人: 劉清友;歐成華;朱海燕;陶雷;李斌
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12
• 代理公司: 51218 成都金英專利代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 袁英

1.一種能夠測試巖石三軸強度參數的多功能鉆頭破巖實驗裝置，其特征在于：它包括主體裝置、壓頭結構、圍壓系統、聲發射系統、溫度控制系統和孔隙物料注入系統；所述主體裝置包括高壓釜基座（1）和高壓釜蓋板（2），高壓釜蓋板（2）固設于高壓釜基座（1）頂部，高壓釜基座（1）與高壓釜蓋板（2）之間形成有實驗腔，高壓釜蓋板（2）上開設有連通實驗腔的導向孔，實驗腔內設置有圍壓套（3），圍壓套（3）內設置有巖樣（4），實驗腔內設置有溫度傳感器（5）和壓力傳感器（6），溫度傳感器（5）和壓力傳感器（6）分別與位于主體裝置外部的溫度計（7）和壓力表（8）連接；所述壓頭結構包括壓頭（9）和定位液壓泵（10），壓頭（9）滑動安裝于導向孔內，壓頭（9）的底部且位于其兩側均鉸接有密封板（11），密封板（11）表面設置有磁鐵，密封板（11）經磁鐵吸附于壓頭（9）底部，壓頭（9）內開設有液壓腔，液壓腔內由上往下順次設置有活塞（12）、電機（13）、鉆桿（14）和鉆頭（15），壓頭（9）上安裝有力傳感器和位移傳感器，所述定位液壓泵（10）的出液口與液壓腔連通；所述圍壓系統由順次連接的液壓油罐（16）和圍壓泵（17）組成，圍壓泵（17）的出口端與實驗腔連通；所述聲發射系統由聲發射采集探頭（18）和三維聲發射采集計算機（19）組成，聲發射采集探頭（18）設置于圍壓套（3）內，聲發射采集探頭（18）與三維聲發射采集計算機（19）電連接；所述的溫度控制系統包括換熱系統控制器（20）、設置于實驗腔內且套于圍壓套（3）外部的冷凝換熱圈（21）、套于高壓釜基座（1）外部的電磁加熱圈（22），所述換熱系統控制器（20）與冷凝換熱圈（21）和電磁加熱圈（22）電連接；所述的孔隙物料注入系統包括物料泵（23）、液罐（24）和氣罐（25），所述液罐（24）和氣罐（25）均與物料泵（23）的入口端連接，物料泵（23）的出口端經管線（26）從實驗腔底部向上伸入實驗腔內且與巖樣（4）下端面接觸。

2.根據權利要求1所述的一種能夠測試巖石三軸強度參數的多功能鉆頭破巖實驗裝置，其特征在于：所述的鉆頭（15）為單牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭或PDC鉆頭中任意一種。

3.根據權利要求1所述的一種能夠測試巖石三軸強度參數的多功能鉆頭破巖實驗裝置，其特征在于：所述的密封板（11）為半圓形狀。

4.根據權利要求1所述的一種能夠測試巖石三軸強度參數的多功能鉆頭破巖實驗裝置，其特征在于：所述的高壓釜基座（1）和高壓釜蓋板（2）的外部均涂敷有隔熱層。

5.根據權利要求1所述的一種能夠測試巖石三軸強度參數的多功能鉆頭破巖實驗裝置，其特征在于：所述的高壓釜基座（1）內設置有環形槽，所述的冷凝換熱圈（21）設置于環形槽內。

6.根據權利要求1~5中任意一項所述的實驗裝置測試巖石三軸強度參數的方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、打開高壓釜蓋板（2），圍壓套（3）內裝入巖樣（4），圍壓套（3）放置于實驗腔內；將壓頭結構安裝于導向孔內，同時保證兩個密封板（11）經磁鐵吸合于壓頭（9）底端面上，此時兩個密封板（11）處于水平狀態，關閉高壓釜蓋板（2）使實驗腔密封；

S2、將物料泵（23）與液罐（24）和氣罐（25）連接，并將物料泵（23）與管線（26）連接，隨后將管線（26）的端口與巖樣（4）的底表面接觸，連接壓力傳感器（6）和溫度傳感器（5），連接好三維聲發射采集計算機（19）和聲發射采集探頭（18），準備開始加溫度和壓力；

S3、開啟換熱系統控制器（20）控制冷凝換熱圈（21）或電磁加熱圈（22）啟動，從而對整個高壓釜基座（1）整體進行降溫或升溫，以到達設定溫度，實現了模擬地層真實溫度；打開圍壓泵（17），圍壓泵（17）將液壓油罐（16）中的液壓油泵入實驗腔內，液壓油給圍壓套（3）施加壓力，圍壓套（3）收縮以給巖樣（4）施加壓力，實現了模擬地層真實的應力狀態；開啟物料泵（23），物料泵（23）將液罐（24）中的水經管線（26）泵入巖樣（4）中，同時將氣罐（25）中的甲烷氣體經管線（26）泵入巖樣（4）中，從而使整個巖樣達到設定的孔隙壓力，實現了模擬地層真實孔隙壓力狀態；

S4、調整壓頭的高度，將兩個密封板（11）所形成的平面輕壓到巖樣（4）頂表面，準備開始軸壓加載測試巖石力學參數；

S5、對壓頭緩慢施加恒定向下作用力，力傳感器和位移傳感器分別實時記錄壓頭（9）所受應力和位移量，當巖樣（4）破裂損傷無法承受應力時，停止給壓頭施加向下力，根據收集到的應力和位移量繪制巖樣在三軸力學條件下的應力與應變曲線；

S6、當巖樣（4）剛好破裂后，上提壓頭到合適位置，打開定位液壓泵（10），定位液壓泵（10）向液體腔內泵入液體，活塞向下移動從而推動鉆頭（15）向下頂開兩個密封板（11），此時兩個密封板（11）繞著鉸接點做向下旋轉運動，當鉆頭（15）伸出壓頭（9）一段距離后鎖死定位液壓泵（10）即固定活塞的位置，從而準備開始破巖實驗；

S7、打開電機（13），電機（13）帶動鉆桿（14）做旋轉運動，相應的鉆桿（14）上的鉆頭（15）做旋轉運動，此時對壓頭施加軸向壓力，鉆頭（15）鉆削巖樣（4）以進行破巖，當巖樣（4）完全破碎或達到實驗測試采集數據要求時，停止破巖，在破巖期間通過力傳感器和位移傳感器分別實時記錄鉆頭所受鉆壓和位移量，根據受力繪制鉆壓與時間的關系曲線，根據位移量繪制鉆頭進尺與時間的關系曲線；通過溫度傳感器（5）實時記錄巖樣周圍溫度；通過壓力傳感器（6）實時記錄巖樣（4）圍壓壓力；通過聲發射采集探頭（18）監測在巖樣產生裂縫時聲發射信號，并將聲發射信號給三維聲發射采集計算機（19），分析計算形成不同時刻巖樣聲發射點三維分布情況；繪制在不同圍壓和溫度條件下，鉆頭承受載荷與鉆頭位移量的關系曲線；

S8、實驗結束后，關閉聲發射采集系統停止采集信號，關閉圍壓泵（17），釋放圍壓套（3）對巖樣的作用力，使用物料泵（23）抽凈設備內的水和甲烷，關閉換熱系統控制器（20），保證安全后打開高壓釜蓋板（2），取出巖樣碎屑。