CN111982657A - 一种激光辅助机械破岩试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种激光辅助机械破岩试验装置主要由动力***、激光输出与传输***、液压控制***、排屑***、扶正***和测试***组成。动力***由变频电机、减速箱和连接盘组成；激光输出与传输***由激光头、激光位置调节器和光束整形器组成；液压控制***由液压缸、滑轨架和滚轮支撑板组成；排屑***由空气压缩机、过滤器和进气机构组成；扶正***由倒Y型支撑架和柱形扶正器组成；测试***由压力传感器、扭矩传感器和位移传感器组成。本发明一种激光辅助机械破岩试验装置，能进行激光辅助机械钻进破岩试验，展开激光‑机械联合破岩试验中激光功率，钻头转速等试验参数研究，对推动激光‑机械联合破岩技术的发展具有重要意义。

Description

一种激光辅助机械破岩试验装置

技术领域

本发明涉及一种激光辅助机械破岩试验装置，属于破岩装置技术及油气资源钻探开采等领域。

背景技术

地下储藏的油气资源十分丰富，是支撑人类社会进步和发展的重要能量来源。经过长时间的开采，部分地区的浅层地层中的油气资源已经得到了充分的开采。然而，在深层、超深层和复杂难钻地层的高硬度岩石下蕴藏着丰富的油气资源，随着石油天然气钻井深度的不断加深，传统机械钻井方式在高硬度的岩石钻探方面面临着钻井效率低、钻井周期长以及成本高等问题。

随着国家对油气资源需求量的不断增长，钻井任务越来越重，传统的钻井技术面临着巨大的挑战。研究人员基于激光的高速度、高效率、高安全、低成本和低污染等特性，提出了将激光技术应用于机械联合破岩的新型钻井概念。其原理是通过高能激光直接作用在岩石上，使岩石局部产生热爆裂和损伤，大大降低岩石强度，改善岩石可钻性，为后续的机械钻井降低了难度，极大的提高了钻井效率。

近年来，激光技术的研究以及将激光和钻井工程相结合的新型钻井方式已成为各国研究的热点。然而，我国对于激光-机械联合破岩的技术方案以及联合破岩结构耦合的高效匹配等问题尚在探索阶段。因此本发明设计了一种激光辅助机械破岩试验装置，为工作人员研究激光破岩建模和激光破岩技术提供了试验基础。

发明内容

本发明的目的：为应对传统机械钻井在难钻地层中，钻井效率低、钻探成本高、周期长等问题，提供一种激光辅助机械破岩试验装置，用以推动激光-机械联合破岩结构耦合的高效匹配等问题的研究，达到在难钻地层中高效破岩的效果。

本发明的技术方案：

本发明一种激光辅助机械破岩试验装置，主要由动力***、激光输出与传输***、液压控制***、排屑***、扶正***和测试***组成。

所述动力***由变频电机、中间板、减速箱和连接盘组成，变频电机和减速箱分别通过四个螺栓固定在中间板上，下两端面，减速箱通过耳板螺栓连接在滚轮支撑板上，连接盘通过螺纹连接在钻杆顶部，进一步的，连接盘内部通过花键与减速箱输出轴连接。

所述激光输出与传输***，主要由激光聚变箱、激光头、激光位置调节器和光束整形器组成，激光聚变箱通过光缆与激光头连接，激光头与激光位置调节器螺钉连接，激光位置调节器通过螺栓连接与中间板固定位置，光束整形器顶部通过螺栓连接固定在钻杆内。

所述动力***运行，变频电机带动减速箱内的齿轮转动，通过齿轮给连接盘和钻杆传输扭矩带动钻头旋转，实现了激光-机械联合破岩过程中传统钻头切屑岩石的功能；进一步，激光头在激光位置调节器的校正下对中，将激光射入钻杆内，经过光束整形器聚焦后照射在岩石表面，实现了激光-机械联合破岩过程中激光破坏岩石的功能。

所述液压控制***主要控制箱、滑轨架、滚轮、滚轮支撑板和液压缸组成，液压缸底部与滑轨架螺栓连接，液压缸上端通过液压螺纹连接在滚轮支撑板上，并在滚轮支撑板安装四个滚轮，滚轮通过轮键紧贴在滑轨架外壁，滑轨架整体呈L型，短边贴地。

进一步的，所述滑轨架主要起稳固整个构件以及作为滚轮支撑板上升下降的轨道的作用。控制箱通过电线连接在偏置液压缸上，将油压转化成机械能带动滚轮支撑板的上下移动，进一步，液压控制***能调节滚轮支撑板的移动速度，实现了激光-机械联合破岩过程中钻头的进给功能。

所述排屑***主要由空气压缩机、过滤器和进气机构组成，所述进气机构由进气环、钻杆、钻头、方形密封框、吸屑管和吸尘设备组成；过滤器通过气管法兰连接在空气压缩机与进气环中间，进气环上下两端面通过一对深沟球轴承连接在钻杆上。进一步，钻头通过螺纹连接固定在钻杆底部，方形密封框上端面和右侧开设圆孔，上端面圆孔大小比钻头直径略大，右侧圆孔螺栓连接吸屑管，吸屑管的另一端与吸尘设备通过法兰连接在一起，实现激光-机械联合破岩过程中岩屑的排出功能。

所述扶正***主要由倒Y型支撑架、柱形扶正器、矩形连接板、立柱支撑架和套筒组成，倒Y型支撑架顶部焊接在矩形连接板上，柱形扶正器通过矩形连接板内圆槽固定，柱形扶正器与立柱支撑架通过立柱支撑架后端两个套筒连接，立柱支撑架顶端焊接在中间板上，确保了激光-机械联合破岩过程中的稳定性及精密性。

所述测试***主要由计算机、压力传感器、扭矩传感器和位移传感器组成，压力传感器内嵌在方形密封框底部，扭矩传感器通过轴承连接在钻杆表面，位移传感器与中间板下端面通过螺栓固定，进一步的，计算机通过电线与压力传感器、扭矩传感器和位移传感器相连，在试验过程中将数据传输到计算机中。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

1：本发明一种激光辅助机械破岩试验装置，其所述排屑***由进气机构进气，待钻岩石处设有方形密封框，能够有效密闭钻进破岩过程中实时排出的岩屑，保证激光通道的整洁，避免粉尘污染对激光输出与传输***的损坏；进一步的，方形密封框外设有吸尘设备，可将岩屑有效回收，为工作人员研究激光破岩技术提供了良好的试验环境。

2：本发明一种激光辅助机械破岩试验装置中的激光输出与传输***和动力***在液压控制***的作用下即能同时工作，又能独立工作，避免了钻进过程中一方发生问题而无法继续进行钻进试验的情况，进一步的，激光输出与传输***中光束整形器螺栓连接在钻杆内部与进气环隔离，避免了激光与气体过早接触，提高了光路传输过程安全可靠性和精密程度。

3：本发明一种激光辅助机械破岩试验装置，全面耦合了动力***、激光输出与传输***、液压控制***、排屑***、扶正***和测试***，能够实现激光辅助机械协同破岩，为探究与发展激光-机械联合破岩技术提供了一个较为完备的、***的、创新性的试验装置。

附图说明

图1为本发明一种激光辅助机械破岩试验装置的模块示意图；

图2为本发明一种激光辅助机械破岩试验装置总图；

图3为本发明一种激光辅助机械破岩试验装置的动力***及激光输出与传输***侧视图；

图4为本发明一种激光辅助机械破岩试验装置的图3中A-A处放大图；

图5为本发明一种激光辅助机械破岩试验装置的滑轨架的正视与后视图；

图6为本发明一种激光辅助机械破岩试验装置的排屑***图；

图7为本发明一种激光辅助机械破岩试验装置的扶正***三维图；

图8为本发明一种激光辅助机械破岩试验装置的测试***图；

图中所示：1.配电箱；2.控制箱；3.激光聚变箱；4.计算机；5.空气压缩机；6.进气机构；7.变频电机；8.中间板；9.减速箱；10.连接盘；11.光束整形器；12.激光头；13.激光位置调节器；14.滑轨架；15.滚轮；16.滚轮支撑板；17.液压缸；18.过滤器；19.进气环；20.钻杆；21.钻头；22.方形密封框；23.圆孔；24.吸屑管；25.吸尘设备；26.倒Y型支撑架；27.柱形扶正器；28.矩形连接板；29.立柱支撑架；30.套筒；31.压力传感器；32.扭矩传感器；33.位移传感器。

具体实施方式：

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明一种激光辅助机械破岩试验装置，主要由动力***、激光输出与传输***、液压控制***、排屑***、扶正***和测试***组成。

如图2、图3、图4、图5所示，所述动力***由变频电机7、中间板8、减速箱9和连接盘10组成，变频电机7和减速箱9分别通过四个螺栓固定在中间板8上，下两端面，减速箱9通过耳板螺栓连接在滚轮支撑板16上，连接盘10通过螺纹连接在钻杆20顶部，进一步的，连接盘10内部通过花键与减速箱9输出轴连接。

所述激光输出与传输***，主要由激光聚变箱3、激光头12、激光位置调节器13和光束整形器11组成，激光聚变箱3通过光缆与激光头12连接，激光头12与激光位置调节器13螺钉连接，激光位置调节器13通过螺栓连接与中间板8固定位置，光束整形器11顶部通过螺栓连接固定在钻杆20内。

所述动力***运行，变频电机7带动减速箱9内的齿轮转动，通过齿轮给连接盘10和钻杆20传输扭矩带动钻头21旋转，实现了激光-机械联合破岩过程中传统钻头切屑岩石的功能；进一步，激光头12在激光位置调节器13的校正下对中，将激光射入钻杆20内，经过光束整形器11聚焦后照射在岩石表面，实现了激光-机械联合破岩过程中激光破坏岩石的功能。

如图2、图3、图5所示，所述液压控制***主要由控制箱2、滑轨架14、滚轮15、滚轮支撑板16和液压缸17组成，液压缸17底部与滑轨架14螺栓连接，液压缸17上端通过液压螺纹连接在滚轮支撑板16上，并在滚轮支撑板16安装四个滚轮15，滚轮15通过轮键紧贴在滑轨架14外壁，滑轨架14整体呈L型，短边贴地。

进一步的，所述滑轨架14主要起稳固整个构件以及作为滚轮支撑板16上升下降的轨道的作用。控制箱2通过电线连接在偏置液压缸17上，将油压转化成机械能带动滚轮支撑板16的上下移动，进一步，液压控制***能调节滚轮支撑板16的移动速度，实现了激光-机械联合破岩过程中钻头的进给功能。

如图2、图4、图6所示，所述排屑***主要由空气压缩机5、过滤器18和进气机构6组成，所述进气机构6由进气环19、钻杆20、钻头21、方形密封框22、吸屑管24和吸尘设备25组成；过滤器18通过气管法兰连接在空气压缩机5与进气环19中间，进气环19上下两端面通过一对深沟球轴承连接在钻杆20上。进一步，钻头21通过螺纹连接固定在钻杆20底部，方形密封框22上端面和右侧开设圆孔23，上端面圆孔23大小比钻头21直径略大，右侧圆孔23螺栓连接吸屑管24，吸屑管24的另一端与吸尘设备25通过法兰连接在一起，实现激光-机械联合破岩过程中岩屑的排出功能。

如图2、图7所示，所述扶正***主要由倒Y型支撑架26、柱形扶正器27、矩形连接板28、立柱支撑架29和套筒30组成，倒Y型支撑架26顶部焊接在矩形连接板28上，柱形扶正器27通过矩形连接板28内圆槽固定，柱形扶正器27与立柱支撑架29通过立柱支撑架29后端两个套筒30连接，立柱支撑架29顶端焊接在中间板8上，确保了激光-机械联合破岩过程中的稳定性及精密性。

如图2、图8所示，所述测试***主要由计算机4、压力传感器31、扭矩传感器32和位移传感器33组成，压力传感器31内嵌在方形密封框22底部，扭矩传感器32通过轴承连接在钻杆20表面，位移传感器33与中间板8下端面通过螺栓固定，进一步的，计算机4通过电线与压力传感器31、扭矩传感器32和位移传感器33相连，在试验过程中将数据传输到计算机中。

工作原理：打开配电箱1，启动排屑***中的空气压缩5，过滤器18通过气管法兰连接在空气压缩机5与进气环19中间，方形密封框22右侧的圆孔23通过吸屑管24连接吸尘设备25、继而启动液压控制***，液压缸17在控制箱2的作用下，将油压转化成机械能带动滚轮支撑板16的上下移动，同时开启动力***，变频电机7运转将转速和扭矩传输到减速箱9内的齿轮后，通过连接盘10带动钻杆20和钻头21旋转，在扶正***的控制下使钻头21精确的切屑岩石表面，启动激光输出与传输***，激光在激光位置调节器13校对下，通过激光头12射入钻杆20内部的光束整形器11整形聚焦后照射在岩石表面，破碎岩石，实现激光-机械联合破岩的效果，切屑岩石过程中，岩屑伴随着气体通过方形密封框22右侧的圆孔23吸入吸尘设备24内，计算机4记录压力传感器31、扭矩传感器32和位移传感器33的数据，待试验过程结束时，将钻头21提出方形密封框22，关闭电源即可。

Claims (4)

1.一种激光辅助机械破岩试验装置，其特征在于：主要由动力***、激光输出与传输***、液压控制***、排屑***、扶正***和测试***组成；所述动力***由变频电机(7)、中间板(8)、减速箱(9)和连接盘(10)组成，变频电机(7)和减速箱(9)分别通过四个螺栓固定在中间板(8)上，下两端面，减速箱(9)通过耳板螺栓连接在滚轮支撑板(16)上，连接盘(10)通过螺纹连接在钻杆(20)顶部，进一步的，连接盘(10)内部通过花键与减速箱(9)输出轴连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光辅助机械破岩试验装置，其特征在于：所述激光输出与传输***由激光聚变箱(3)、激光头(12)、激光位置调节器(13)和光束整形器(11)组成，激光聚变箱(3)通过光缆与激光头(12)连接，激光头(12)与激光位置调节器(13)螺钉连接，激光位置调节器(13)通过螺栓连接与中间板(8)固定位置，光束整形器(11)顶部通过螺栓连接固定在钻杆(20)内。

3.根据权利要求1所述的一种激光辅助机械破岩试验装置，其特征在于：所述液压控制***由控制箱(2)、滑轨架(14)、滚轮(15)、滚轮支撑板(16)和液压缸(17)组成，液压缸(17)底部与滑轨架(14)螺栓连接，液压缸(17)上端通过液压螺纹连接在滚轮支撑板(16)上，并在滚轮支撑板(16)安装四个滚轮(15)，滚轮(15)紧贴在滑轨架(14)外壁，滑轨架(14)整体呈L型，短边贴地。

4.根据权利要求1所述的一种激光辅助机械破岩试验装置，其特征在于：所述排屑***由空气压缩机(5)、过滤器(18)和进气机构(6)组成，所述进气机构(6)由进气环(19)、钻杆(20)、钻头(21)、方形密封框(22)、吸屑管(24)和吸尘设备(25)组成；过滤器(18)通过气管法兰连接在空气压缩机(5)与进气环(19)中间，进气环(19)上下两端面通过一对深沟球轴承连接在钻杆(20)上；进一步，钻头(21)通过螺纹连接固定在钻杆(20)底部，方形密封框(22)上端面和右侧开设圆孔(23)，上端面圆孔(23)大小比钻头(21)直径略大，右侧圆孔(23)螺栓连接吸屑管(24)，吸屑管(24)的另一端与吸尘设备(25)通过法兰连接在一起。

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