專利名稱：一種模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測試方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬鉆井工況的鉆柱材料多沖斷裂韌性測試方法及裝置。
背景技術(shù)：
鉆柱在鉆井過程中產(chǎn)生裂紋是難以避免的。通過對目前鉆井工況分析，造成井下鉆柱裂紋擴展的原因主要是鉆柱振動，其振動特點為單次沖擊載荷值不大，但多次累積能量對鉆柱失效的貢獻大。因此正確評價低載荷、多次沖擊載荷對鉆柱裂紋的作用機理，研究低載荷、多次沖擊斷裂韌性與鉆柱材料力學特性的相關(guān)性，需要建立一種測試鉆柱材料在鉆井液作用下的低載荷、多次沖擊斷裂韌性測試方法，設(shè)計一種測試鉆柱材料在鉆井液作用下的低載荷、多次沖擊斷裂韌性測試設(shè)備，對研究鉆柱斷裂失效機理有很大的意義。目前，動態(tài)斷裂韌性研究中的多沖斷裂實驗設(shè)備基本上是采用活塞式?jīng)_擊錘。進行沖擊實驗時，沖擊錘上下運動錘擊試件，以試件斷裂時所吸收的能量來衡量材料的斷裂性能。試件的斷裂能量由錘頭每次撞擊試樣后能量的變化累加得到。該多沖實驗設(shè)備的優(yōu)點在于實驗精度高，能夠較好地測試材料的多沖動態(tài)斷裂韌性。然而，在對于鉆柱相關(guān)材料的實驗過程中，現(xiàn)有多沖斷裂韌性測試方法存在以下問題(1)現(xiàn)有的實驗裝置無法模擬鉆井工況下的井下環(huán)境，使得實驗結(jié)果不能準確的反映井下特殊環(huán)境中尤其是鉆井液作用下材料的多沖斷裂韌性；(2)由于多沖斷裂測試時間長，活塞式?jīng)_擊錘在實驗過程中承受了極大的工作強度，容易造成損壞；(3)現(xiàn)有的實驗裝置系統(tǒng)較為復雜、設(shè)備購置成本高、后期維護保養(yǎng)要求高。因此，發(fā)明一種可以模擬鉆井工況、結(jié)構(gòu)簡單、維修保養(yǎng)容易的多沖斷裂韌性測試裝置，是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種模擬鉆井工況下的多沖斷裂韌性測試方法及裝置，以解決目前材料多沖斷裂韌性測試方法無法模擬鉆井工況、進行符合鉆柱振動特點的低載荷多沖測試的技術(shù)難題，并在達到上述目的的同時，簡化系統(tǒng)復雜性，降低設(shè)備成本。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種模擬鉆井工況的鉆柱材料多沖斷裂韌性測試方法，其特點是利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，使固定在旋轉(zhuǎn)體外緣的試件，以一定的周期打擊旋轉(zhuǎn)體外與旋轉(zhuǎn)體鄰近的砧板，以達到進行符合鉆柱振動特點的低載荷多沖斷裂韌性測試的目的。為使用上述方法，本發(fā)明提供一種模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測試裝置，主要包括底座、調(diào)速電機、傳動裝置、泥漿槽、砧板、旋轉(zhuǎn)主盤、試件座。調(diào)速電機固定在底座上； 旋轉(zhuǎn)主盤置于泥漿槽內(nèi)，動力通過傳動裝置驅(qū)動旋轉(zhuǎn)主盤轉(zhuǎn)動；試件座用銷軸固定在旋轉(zhuǎn)主盤上；泥漿槽固定在支架上，泥漿槽內(nèi)鄰近旋轉(zhuǎn)主盤的外緣面部位固定砧板。
當旋轉(zhuǎn)主盤轉(zhuǎn)動時，被固定在試件座上的試件突出于旋轉(zhuǎn)主盤外沿，即可打擊砧板，每轉(zhuǎn)動一圈，打擊砧板一次。試件打擊砧板后，試件座以銷軸為中心向旋轉(zhuǎn)主盤旋轉(zhuǎn)的反方向旋轉(zhuǎn)至橡膠塞位置，使試件不再突出于旋轉(zhuǎn)主盤外沿，從而使旋轉(zhuǎn)主盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動。試件座靠近旋轉(zhuǎn)主盤中心一側(cè)處安裝一橡膠塞，用以限定試件座以銷軸為中心的轉(zhuǎn)動幅度， 并利用其彈性和旋轉(zhuǎn)主盤做圓周運動產(chǎn)生的離心力，使試件座在經(jīng)過砧板后回到試件打擊砧板前的位置。與現(xiàn)有測試裝置相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)根據(jù)實驗目的，泥漿槽內(nèi)可注入不同鉆井液，用于模擬鉆井工況下的井下環(huán)境，從而使得測試結(jié)果更貼近鉆井工況下的真實情況；(2)利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)主盤的轉(zhuǎn)動速度，可以控制試件以某一頻率及沖擊載荷打擊砧板，從而達到控制沖擊能量的目的。通過能量的累積計算出試件斷裂的沖擊韌性，能夠準確地反映出材料動態(tài)斷裂的真實行為，進而保證了測試精度；(3)裝置結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，后期維護保養(yǎng)容易。


圖1為測試裝置示意圖之主視圖。圖2為測試裝置示意圖之俯視圖。圖3為試件座示意圖之主視圖。圖4為試件座示意圖之側(cè)視圖。圖5為試件示意圖。圖6為試件打擊砧板之前的示意圖。圖7為試件打擊砧板之后的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，使固定在旋轉(zhuǎn)體外緣的試件以一定的周期打擊旋轉(zhuǎn)體外與旋轉(zhuǎn)體相鄰的砧板，以達到符合鉆柱振動特點的低載荷多沖斷裂韌性測試實驗的目的。為使用上述方法，本發(fā)明提供的測試裝置主要包括底座10，調(diào)速電機7，傳動裝置A，泥漿槽3，砧板2，旋轉(zhuǎn)主盤4，試件座1。調(diào)速電機7固定在底座10上；傳動裝置A采用皮帶傳動，動力經(jīng)小皮帶輪6傳給大皮帶輪5，經(jīng)軸13帶動旋轉(zhuǎn)主盤4旋轉(zhuǎn)，大皮帶輪5 與軸13通過鍵14連接；軸13下部用一個深溝球軸承8安裝在支座15上，上部穿過泥漿槽 3中心的軸套12，頂部用插銷11固定；旋轉(zhuǎn)主盤4置于泥漿槽3內(nèi)，泥漿槽3通過4個螺柱和底座10兩側(cè)的支架9固定在一起。啟動測試裝置，調(diào)速電機7經(jīng)過一級皮帶輪傳動減速后帶動旋轉(zhuǎn)主盤4在水平平面上做圓周運動。試件座1 (為避免偏心，旋轉(zhuǎn)主盤4上左右各有一個試件座1且呈對稱分布，其中一個作為備用)通過銷軸20固定在旋轉(zhuǎn)主盤4上，銷軸20與旋轉(zhuǎn)主盤4采用 0. 020 0. 040mm間隙配合。由于固定在試件座1上的試件16突出于旋轉(zhuǎn)主盤4外沿，旋轉(zhuǎn)主盤4旋轉(zhuǎn)時，固定在試件座1 (如圖3和圖4所示)上的試件16將打擊砧板2 (如圖6 所示)。旋轉(zhuǎn)主盤4逆時針旋轉(zhuǎn)帶動試件16做圓周運動，每轉(zhuǎn)動一周打擊砧板2 —次，打擊后試件座1帶動試件16以銷軸20為圓心向后旋轉(zhuǎn)至橡膠塞19的位置，此時試件16不再突出于旋轉(zhuǎn)主盤4外沿(如圖7所示)。橡膠塞19具有緩沖作用避免了試件座1轉(zhuǎn)動幅度過大，同時利用橡膠塞19的彈性和旋轉(zhuǎn)主盤4做圓周運動產(chǎn)生的離心力，試件座1在經(jīng)過砧板2以后會回到打擊砧板2前的位置(如圖6所示)，當試件16旋轉(zhuǎn)到砧板2處開始下一次打擊砧板2，如此連續(xù)不斷地進行。因此，該裝置能夠進行持續(xù)的多沖斷裂韌性測試。為了模擬鉆柱在使用中常出現(xiàn)的裂紋破壞形式，對鉆柱縱向和橫向進行切割取樣，經(jīng)機械加工處理后，再線切割一個預制裂紋17和一個卡口 18，加工好的試件16如圖5 所示，加工卡口 18是便于把試件16用夾緊螺栓21夾緊固定在試件座1上。實驗時可以選擇是否向泥漿槽內(nèi)注入鉆井液，以模擬鉆井液環(huán)境中的多沖斷裂韌性測試，或模擬大氣環(huán)境中的多沖斷裂韌性測試。依據(jù)旋轉(zhuǎn)特性可知，試件及試件座隨主盤一起在作勻速圓周運動，根據(jù)勻速圓周運動理論，可知物體在圓周上運動某一時刻(或通過圓周上某一點)的線速度的方向就在圓周該點的切線方向上。因試件座的尺寸大小與主盤半徑相比遠小于主盤半徑的長度，因此可以把試件座的速度看作其所在圓周位置的切線速度，即ν = ωτ式中ν-切線速度m/s ；ω -主盤角速度rad/s ；r-主盤半徑m。由于試件座后橡膠塞吸收的能量遠遠小于沖擊能量，因此可以忽略不記。設(shè)E為試件沖擊一次吸收能量，試件斷裂時試件多次沖擊韌性為Q，有
1 9E = -mv
2式中E-試件沖擊一次吸收能量J ；ν-切線速度m/s ；m-試件座質(zhì)量kg ；由此可知試件沖擊一次吸收的能量
1 2E = —多次沖擊韌性Q為Q = NE式中N-試件斷裂時沖擊次數(shù)；沖擊次數(shù)N為N = Wt式中t_試件斷裂時間s ；W-主盤的轉(zhuǎn)速r/s。最終當試件斷裂時就可以得到試件的多沖動態(tài)斷裂韌性Q。以上公開的僅為本發(fā)明的一個具體實施例。
權(quán)利要求
1.一種模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測試方法，其特征在于利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，使固定在旋轉(zhuǎn)體外緣的試件，以一定的周期和頻率打擊旋轉(zhuǎn)體外與旋轉(zhuǎn)體外緣相鄰的砧板，以達到進行符合鉆柱振動特點的低載荷多沖斷裂韌性測試的目的。
2.一種為權(quán)利要求1所述的方法使用的模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測試裝置，其特征在于裝置主要包括底座(10)、調(diào)速電機(7)、傳動裝置(A)、泥漿槽(3)、砧板O)、旋轉(zhuǎn)主盤G)、試件座(1)，調(diào)速電機(7)固定在底座(10)上，旋轉(zhuǎn)主盤⑷置于泥漿槽(3)內(nèi)， 動力通過傳動裝置(A)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)主盤(4)轉(zhuǎn)動，試件座(1)固定在旋轉(zhuǎn)主盤(4)上，泥漿槽 (3)內(nèi)鄰近旋轉(zhuǎn)主盤的外緣面部位固定砧板0)，泥漿槽(3)固定在支架(9)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測試裝置，其特征在于試件座(1)采用銷軸00)固定在旋轉(zhuǎn)主盤(4)上，銷軸OO)與旋轉(zhuǎn)主盤(4)采用0.020 0. 040mm間隙配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測試裝置，其特征在于試件座(1)靠近旋轉(zhuǎn)主盤中心一側(cè)處安裝一橡膠塞(19)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測試裝置，其特征在于旋轉(zhuǎn)主盤(4)上對稱地固定兩個試件座(1)。
全文摘要
一種模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測試方法及裝置，其特點是利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，使固定在旋轉(zhuǎn)體外緣的試件，以一定的周期和頻率打擊鄰近旋轉(zhuǎn)體外緣面固定的砧板，達到進行符合鉆柱振動特點的低載荷多沖實驗的目的。該裝置在測試時可以選擇是否向泥漿槽內(nèi)注入鉆井液，從而可以模擬泥漿鉆井和空氣鉆井工況下的井下環(huán)境，真實地反映鉆柱材料在井下低載荷多沖作用下的斷裂情況。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，適用于對鉆柱材料多沖斷裂韌性的測試和研究。
文檔編號G01N3/34GK102305746SQ201110221579
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月4日
發(fā)明者周瑩, 孫永興, 張繼川, 施太和, 曾德智, 朱紅鈞, 朱達江, 李強, 林元華, 王其軍, 謝娟 申請人:西南石油大學