CN214201040U - 一种用于岩石硬度动态检测的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于岩石硬度动态检测的实验装置，属于岩石硬度测量技术领域。该装置由支撑部分和岩石碰撞部分组成，支撑部分包括钢尺支撑座、横梁上支撑座、下支撑座、底座、岩石支撑盘、横梁、传感器置放台；岩石碰撞部分主要包括电磁铁、质量块、质量块上板、质量块下板、钻头、加速度传感器、位移传感器。本实用新型采用双支撑座，通过改变钢尺的伸出量可实现结构刚度的变化，同时针对不同性质的质量块可以***的固有频率也不同，通过传感器数据传输辅助计算，实现岩石硬度的动态检测。

Description

一种用于岩石硬度动态检测的实验装置

技术领域

本实用新型涉及岩石硬度测量技术领域，特别是指一种用于岩石硬度动态检测的实验装置。

背景技术

伴随着对陆地深层、海洋深水油气资源的开发，钻遇地层的岩石硬度逐渐增加，造成了常规旋转钻井破岩效率的大幅降低，因此，考虑将常规旋转钻井与轴向冲击钻井相叠加，形成旋转冲击钻井技术，这项技术旨在充分发挥两种钻井方式各自的优势，并通过它们的协同作用来提升钻井效率。相对于叠加不可控的轴向冲击，进一步考虑通过对被钻岩石硬度的动态识别来控制安装于钻头上部的轴向激振器来提供高频低幅大冲击力的轴向冲击，提升其对深部地层坚硬岩石的破碎能力，而这就对岩石硬度的动态识别提出了明确的要求。

目前通常的岩石硬度测试都是在静态或者准静态条件下进行的，其测试结果与不同冲击载荷条件下的岩石动态硬度差距较大，如果以静态岩石硬度为标准对近钻头轴向激振器进行参数控制，无法最大程度的激发出钻头的轴向冲击力。此外，目前使用的井下测试技术都无法实现对岩石动态刚度的实时测试，因此，有必要进行相关测试技术和测试装置的研发。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提出一种用于岩石硬度动态检测的实验装置，以脱离传统的岩石硬度的静态检测方式，提高在实际破岩过程中，对岩石动态硬度的测试精度。

该装置包括支撑部分和岩石碰撞部分，支撑部分包括钢尺支撑座、横梁上支撑座、下支撑座、底座、岩石支撑盘、横梁及传感器置放台；岩石碰撞部分主要包括电磁铁、质量块、质量块上板、质量块下板、钻头、加速度传感器及位移传感器，钢尺支撑座与下支撑座通过螺栓与底座连接，底座上放置岩石支撑盘，底座设置导轨供螺栓通过，导轨在底座为贯通状态，电磁铁顶端通过螺纹连接到横梁前端开的螺纹孔中，横梁安装在横梁上支撑座上，横梁上支撑座下部连接下支撑座，电磁铁下端伸缩部分伸进质量块上板的圆口内，质量块上板、质量块、质量块下板之间通过螺栓、螺母、垫片连接，钻头通过螺纹连接固定于质量块下板的圆孔内，传感器置放台放置于钢尺支撑座内，传感器置放台上安装加速度传感器和位移传感器。

钢尺支撑座为完整一体的支撑座，横梁上支撑座和下支撑座为分开的两个支撑座，横梁上支撑座和下支撑座由螺栓连接，横梁上支撑座和下支撑座间可以增添质量块来提高横梁高度，便于调节碰撞结构部分的上下间距。

横梁上支撑座的顶部开矩形槽供横梁放置和支撑，矩形槽上方设置矩形方板作为压盖结构，稳固顶部支撑。

钢尺支撑座上部开两个厚度为1mm的矩形贯通槽，将两钢尺竖直方向位移限制，两钢尺右端***质量块上板和质量块下板的槽内，当电磁铁带动质量块部分移动时，钢尺会产生屈曲并复原的反复运动。

安装放置于底座的岩石支撑盘由四个六角螺栓M16x55固定，岩石支撑盘可进行水平面上的绕轴转动，内部有对称的网状缺陷槽，通过四个直角挡板***来固定方形岩石，挡板位置可调，故岩石大小可变，岩石仅可为矩形状且无法超出支撑底盘内规定的大小即网状缺陷槽的最大范围。

电磁铁下端伸缩部分通过4x30销与质量块上板的圆口连接。

钻头采用定制钻头，跟随电磁铁、质量块按一定频率作上下往复运动并碰撞岩石。

加速度传感器为两个，其中一个将由电磁铁产生的质量块的运动加速度信号转化为电信号，并通过数据线传输至电脑端记录，另一加速度传感器和位移传感器用于反映钢尺的运动状况，记录其加速度和位移供岩石硬度的动态分析与计算，传感器通过内部压电敏感元件的压电效应得到相应的电压与电荷量，进而转化为加速度的测量值。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

本实用新型是一种岩石动态检测装置，具有动态硬度检测连续性，能做到对不同种岩石及不同工况下求解硬度所需的数据的瞬时采集，采用双钢尺的结构提高装置实验数据的准确性，底盘的加高加宽有利于装置稳定性提高，此外，支撑结构具有可叠加的增高功能，针对型号各异电磁铁的不同形状尺寸和吸力有普适性。

附图说明

图1为本实用新型实验装置的三维结构示意图；

图2为本实用新型实验装置的三维结构示意图和剖视图，其中，(a)为三维结构结构示意图，(b)为剖视图；

图3为本实用新型的底座三维结构示意图；

图4为本实用新型的钢尺支撑座、横梁上支撑座和下支撑座三维结构示意图，其中，(a)为钢尺支撑座，(b)为横梁上支撑座，(c)为下支撑座；

图5为本实用新型的质量块上板和质量块下板三维结构示意图；

图6为本实用新型的岩石支撑盘三维结构示意图；

图7为本实用新型的电磁铁三维结构示意图，其中，(a)为三维示意图，(b)为主视图。

其中：1-钢尺支撑座，2-横梁上支撑座，3-下支撑座，4-底座，5-岩石支撑盘，6-横梁，7-传感器置放台，8-电磁铁，9-质量块，10-质量块上板，11-质量块下板，12-钻头，13-加速度传感器，14-位移传感器。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种用于岩石硬度动态检测的实验装置。

如图1、图2所示，该装置包括支撑部分和岩石碰撞部分，支撑部分包括钢尺支撑座1、横梁上支撑座2、下支撑座3、底座4、岩石支撑盘5、横梁6及传感器置放台7；岩石碰撞部分主要包括电磁铁8、质量块9、质量块上板10、质量块下板11、钻头12、加速度传感器13及位移传感器14，钢尺支撑座1与下支撑座3分别通过螺栓与底座4连接，底座4上放置岩石支撑盘5，底座4设置导轨供螺栓通过，导轨在底座为贯通状态，电磁铁8顶端通过螺纹连接到横梁6前端开的螺纹孔中，横梁6安装在横梁上支撑座2上，横梁上支撑座2下部连接下支撑座3；电磁铁8下端伸缩部分伸进质量块上板10的圆口内，质量块上板10、质量块9、质量块下板11之间通过螺栓、螺母、垫片连接，钻头12通过螺纹连接固定于质量块下板11的圆孔内，传感器置放台7放置于钢尺支撑座1内，传感器置放台7上安装加速度传感器13和位移传感器14。

钢尺支撑座1由四个M10x40螺栓固连在底座4上的导轨中，可以移动，横梁上支撑座2与下支撑座3之间有四个M5x35螺栓连接，同样，下支撑座与底座为螺栓连接于导轨，可以移动调节支撑座之间水平距离；横梁6横置于上支撑座2上，由方形压板固定；钢尺采用传统钢作为材料，厚度较薄，能有明显弯曲效果，并分别***在质量块上板10和质量块下板11中；电磁铁8作为驱动装置提供动力，插在质量块上板10中由销连接；钻头采用碳钢或高速钢制成，与岩石产生反复碰撞，钻头顶端攻螺纹起连接作用，固定在质量块下板11上；岩石主要作为实验对象，放置在岩石支撑盘5上，岩石支撑盘5的网状槽可以放直角挡板作为固定结构固定岩石；其余加速度传感器13、位移传感器14均按图所示放置于相应位置。

图3为本实用新型中用于安置所有实验结构的底座的三维结构示意图，其材料为强度适中的不锈钢，如马氏体不锈钢等，底座需要有足够的强度及重量，起到承载作用，其底部设计了四个增高结构主要考虑到需要增强底座的强度，其上开有四个导轨槽和四个螺纹孔，支撑座调节距离时，岩石支撑盘只能作绕中心轴旋转运动，无法进行水平面的平动。

图4为本实用新型中支撑座的三维结构示意图，三种支撑座材料均采用与底盘一致的不锈钢材料，具有高硬度高强度以及耐磨性的特点，钢尺支撑板中上下两细槽供支撑钢尺，中宽槽为传感器置放台的位置；横梁上支撑座所开槽为横梁放置的位置，两支撑台均于相应位置打螺纹孔连接。

图5为本实用新型中质量块上下两侧挡板的三维结构示意图，质量块上板与下板均为铝合金材料但不为同一结构：质量块上板传动电磁铁带来的机械振动，加速度传感器位于上板上随之一起机械振动；质量块下板传动给钻头往复运动使其碰撞岩石。钢尺可自由伸缩在上下板底面的方槽内。

图6为本实用新型中岩石支撑装置的三维结构示意图，本岩石固定装置仅可固定加工后为长方体或类长方体状的岩石，并且要求岩石在高度上达到钻头下降极限完成碰撞，对称网状槽满足不同长宽的长方体岩石，对于同一岩石又可放置于不同位置，钻头也可击打岩石表面不同位置。直角挡板采用钢制或角铝。

图7为本实用新型中电磁铁驱动装置三维结构示意图，电磁铁型号采用T2551圆管电磁铁，顶部螺纹起连接固定作用，悬挂电磁铁，电磁体行程大约5～10mm，其吸力可带动质量块上下板、质量块和钻头进行上下运动，使用前需要预先进行调试，避免钻头过度碰撞岩石。电磁铁能量有外部接线电源提供，示意图并未将电源绘制出。

本实用新型原理是：如图1所示，支撑结构支撑的岩石碰撞部分由电磁铁带动作上下往复运动，进而击打碰撞固定于岩石支撑盘的各类方形岩石实验体，通过改变钢尺伸入伸出长度将会改变结构的刚度条件，改变质量块的质量或质量块材质将会改变***的固有频率。运动过程中质量块和钢尺的运动加速度与位移量会被传感器收集记录，我们可以得到碰撞条件下的加速度-时间图像，利用得到的加速度和位移条件反向推算出岩石硬度，实现岩石硬度动态测量的效果。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于岩石硬度动态检测的实验装置，其特征在于：包括支撑部分和岩石碰撞部分，支撑部分包括钢尺支撑座(1)、横梁上支撑座(2)、下支撑座(3)、底座(4)、岩石支撑盘(5)、横梁(6)及传感器置放台(7)；岩石碰撞部分包括电磁铁(8)、质量块(9)、质量块上板(10)、质量块下板(11)、钻头(12)、加速度传感器(13)及位移传感器(14)，钢尺支撑座(1)与下支撑座(3)分别通过螺栓与底座(4)连接，底座(4)上放置岩石支撑盘(5)，底座(4)设置导轨供螺栓通过，导轨在底座(4)为贯通状态，电磁铁(8)顶端通过螺纹连接到横梁(6)前端开的螺纹孔中，横梁(6)安装在横梁上支撑座(2)上，横梁上支撑座(2)下部连接下支撑座(3)，电磁铁(8)下端伸缩部分伸进质量块上板(10)的圆口内，质量块上板(10)、质量块(9)、质量块下板(11)之间通过螺栓、螺母、垫片连接，钻头(12)通过螺纹连接固定于质量块下板(11)的圆孔内，传感器置放台(7)放置于钢尺支撑座(1)内，传感器置放台(7)上安装加速度传感器(13)和位移传感器(14)。

2.根据权利要求1所述的用于岩石硬度动态检测的实验装置，其特征在于：所述钢尺支撑座(1)为完整一体的支撑座，横梁上支撑座(2)和下支撑座(3)为分开的两个支撑座，横梁上支撑座(2)和下支撑座(3)通过螺栓连接，横梁上支撑座(2)和下支撑座(3)之间增添质量块(9)来提高横梁(6)高度，便于调节碰撞结构部分的上下间距。

3.根据权利要求1所述的用于岩石硬度动态检测的实验装置，其特征在于：所述横梁上支撑座(2)的顶部开矩形槽供横梁(6)放置和支撑，矩形槽上方设置矩形方板作为压盖结构，稳固顶部支撑。

4.根据权利要求1所述的用于岩石硬度动态检测的实验装置，其特征在于：所述钢尺支撑座(1)上部开两个厚度为1mm的矩形贯通槽，将两钢尺竖直方向位移限制，两钢尺右端***质量块上板(10)和质量块下板(11)的槽内，当电磁铁(8)带动质量块(9)部分移动时，钢尺会产生屈曲并复原的反复运动。

5.根据权利要求1所述的用于岩石硬度动态检测的实验装置，其特征在于：所述岩石支撑盘(5)由四个六角螺栓固定，岩石支撑盘(5)能够进行水平面上的绕轴转动，岩石支撑盘(5)内部有对称的网状缺陷槽，通过四个直角挡板***来固定方形岩石，挡板位置可调。

6.根据权利要求1所述的用于岩石硬度动态检测的实验装置，其特征在于：所述电磁铁(8)下端伸缩部分通过销与质量块上板(10)的圆口连接。

7.根据权利要求1所述的用于岩石硬度动态检测的实验装置，其特征在于：所述钻头(12)采用定制钻头，跟随电磁铁(8)、质量块(9)作上下往复运动并碰撞岩石。

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