多功能石油鉆頭單齒切削試驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多功能石油鉆頭單齒切削試驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石油、天然氣是重要的能源，日常經(jīng)濟(jì)生活，工業(yè)生產(chǎn)，航天軍工都需要其作為能源和原料。經(jīng)過石油分離出的汽油、瀝青等化工產(chǎn)品廣泛應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｉ钪?。在石油、天然氣開采過程中，鉆頭是核心開采裝備之一，巖石是鉆頭直接作用的對象，鉆頭上的齒是直接作用于巖石的部件。在鉆頭鉆井過程中，齒承受高溫、高沖擊力、高磨損的特殊工況，齒磨損嚴(yán)重、斷裂失效嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆井效率低、能耗大，因此，提供一種多功能鉆頭單齒切削實(shí)驗(yàn)裝置及方法，準(zhǔn)確探究動態(tài)載荷作用下鉆頭單齒的破巖機(jī)理，為科學(xué)設(shè)計(jì)高效鉆頭、優(yōu)化切削齒參數(shù)和提高破巖效率提供重要理論依據(jù)，為保證石油和天然氣的正常生產(chǎn)和我國能源供應(yīng)具有重要意義。
[0003]目前用于研究鉆頭單齒切削的裝置都是用機(jī)床改裝，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動分離，但是實(shí)際工況是鉆頭同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動。所以上述試驗(yàn)裝置均不能完全模擬實(shí)際工況，不能獲得最真實(shí)的齒的磨損特性、齒的受力情況、巖石磨損區(qū)溫度變化。
[0004]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中存在以下問題:石油鉆頭單齒切削試驗(yàn)裝置及方法不能完全模擬實(shí)際工況，不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種多功能石油鉆頭單齒切削試驗(yàn)裝置，以解決石油鉆頭單齒切削試驗(yàn)裝置及方法不能完全模擬實(shí)際工況、不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動的問題。
[0006]為此，本發(fā)明提出一種多功能石油鉆頭單齒切削試驗(yàn)裝置，所述多功能石油鉆頭單齒切削試驗(yàn)裝置包括:基架、加載系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；
[0007]所述基架包括:底座和固定在底座上的巖石夾具；
[0008]所述加載系統(tǒng)設(shè)置在所述基架上；
[0009]所述旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括:伺服電機(jī)、固定在伺服電機(jī)伸出軸上的轉(zhuǎn)動軸、設(shè)置在轉(zhuǎn)動軸下方的單齒夾具、固定在所述單齒夾具上的鉆頭單齒；
[0010]所述旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)連接所述加載系統(tǒng)，所述加載系統(tǒng)對所述鉆頭單齒施加負(fù)載；
[0011]所述狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測試驗(yàn)過程和/或收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0012]進(jìn)一步的，所述加載系統(tǒng)包括:設(shè)置在所述基架上的伺服電動缸、設(shè)置在伺服電動缸下的B固定平板，固定在所述伺服電動缸的伸出活塞下的移動平板、設(shè)置在移動平板下部的壓力傳感器、以及固定在壓力傳感器下的加載架，所述旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)連接在所述加載架上。
[0013]進(jìn)一步的，所述狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括進(jìn)給位移測量系統(tǒng)，所述進(jìn)給位移測量系統(tǒng)包括設(shè)置在伺服電動缸上的可編程控制器。
[0014]進(jìn)一步的，所述狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還包括:巖石磨損區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，所述巖石磨損區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括安裝在底座上的熱成像儀。
[0015]進(jìn)一步的，所述狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還包括:切削巖石監(jiān)測系統(tǒng)，所述切削巖石監(jiān)測系統(tǒng)包括固定在底座上的高速攝像機(jī)。
[0016]進(jìn)一步的，所述尚速攝像機(jī)為分辨率最尚為1600萬像素、支持全幅4000幀/秒的超尚速攝影、并且小畫幅時(shí)最尚達(dá)20萬幀/秒的尚速攝像機(jī)。
[0017]進(jìn)一步的，所述狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還包括:巖石磨損區(qū)應(yīng)力測量系統(tǒng)，所述巖石磨損區(qū)應(yīng)力測試系統(tǒng)包括固定在單齒夾具上的無線壓力傳感器。
[0018]進(jìn)一步的，所述熱成像儀為能檢測I米范圍區(qū)域的溫度場變化的熱成像儀，熱成像儀的熱靈敏度為0.5°C，精度為測量值的±2%。
[0019]本發(fā)明還提出一種多功能石油鉆頭單齒切削試驗(yàn)方法，所述試驗(yàn)方法包括以下步驟:
[0020]步驟A:將鉆頭單齒固定在單齒夾具中，用角度調(diào)節(jié)臺調(diào)整角度，調(diào)整好后用螺栓固定，將巖石試樣挖出相應(yīng)的孔，放入巖石夾具中，將側(cè)板與巖石夾具連接，巖石試樣兩端用螺釘固定；
[0021]步驟B:然后，啟動高速攝像機(jī)，調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)的位置使得巖石試樣切削區(qū)呈現(xiàn)在高速攝像機(jī)視野內(nèi)；啟動熱成像儀，并調(diào)節(jié)熱成像儀能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控切削區(qū)附近熱場變化；
[0022]步驟C:然后，啟動伺服電機(jī)，使鉆頭單齒開始繞轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)，通過可編程控制器控制伺服電動缸的動作，伺服電動缸通過加載架對鉆頭單齒施加載荷并使其實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，使鉆頭單齒沿著巖石試樣上的孔切削巖石并不斷進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)鉆頭單齒對巖石試樣的切削；
[0023]步驟D:在完成切削過程后，伺服電動缸自動停止動作，手動停止伺服電機(jī)的動作，升起伺服電動缸，停止實(shí)驗(yàn)，保存實(shí)時(shí)測量的數(shù)據(jù)。
[0024]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)單齒旋轉(zhuǎn)的同時(shí)對其進(jìn)行加載，模擬了實(shí)際石油鉆頭鉆井時(shí)的工況，通過PLC控制伺服電動缸和控制器控制伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)給速度和不同轉(zhuǎn)速的單齒切削巖石實(shí)驗(yàn)，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)切削過程的多個(gè)參量，通過壓力傳感器記錄正壓力，利用無線壓力傳感器記錄切削力，利用高速攝像機(jī)動態(tài)記錄單齒切削巖石情況，利用熱成像儀監(jiān)測切削過程中巖石切削區(qū)熱場變化，通過單齒切削實(shí)驗(yàn)獲得鉆頭單齒的磨損特性，該試驗(yàn)裝置為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化石油鉆頭、提高鉆頭壽命與切削效率、探究鉆頭切削巖石機(jī)理提供重要的依據(jù)。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的多功能石油鉆頭單齒切削試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的多功能石油鉆頭單齒切削試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3為圖1中A-A向視圖；
[0028]圖4為單齒夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]附圖標(biāo)號說明:
[0030]I一壓力傳感器，2一加載架，3一伺服電機(jī)，4一軸承端蓋，5一轉(zhuǎn)動軸，6—單齒夾具，7—底座，8—巖石夾具，9一巖石試樣，10一A固定平板，11一支撐立柱，12一移動平板，13—伺服電動缸，14一熱成像儀，15一尚速攝像機(jī)，16一電機(jī)支撐臺，17一B固定平板，18一側(cè)板，19一無線壓力傳感器，20—鉆頭單齒，21—角度調(diào)節(jié)臺
【具體實(shí)施方式】
[0031]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【附圖說明】本發(fā)明。
[0032]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明的多功能石油鉆頭單齒切削試驗(yàn)裝置包括:基架、加載系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；
[0033]所述基架包括:底座7和固定在底座上的巖石夾具8 ;如圖1所示，為了充分利用空間，提供鉆頭單齒20實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動所需的空間，基架還可以包括:對稱設(shè)置在底座上的四個(gè)支撐立柱11、固定在底座上的電機(jī)支撐臺16、設(shè)置在支撐臺上的A固定平板10 ；
[0034]所述加載系統(tǒng)設(shè)置在所述基架上；加載系統(tǒng)對所述鉆頭單齒20施加負(fù)載，實(shí)現(xiàn)鉆頭單齒20的進(jìn)給運(yùn)動；
[0035]所述旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括:伺服電機(jī)3、固定在伺服電機(jī)伸出軸上的轉(zhuǎn)動軸5、設(shè)置在轉(zhuǎn)動軸下方的單齒夾具6、固定在所述單齒夾具上的鉆頭單齒20 ;旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)使得鉆頭單齒20實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；
[0036]所述旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)連接所述加載系統(tǒng)，所述加載系統(tǒng)對所述鉆頭單齒20施加負(fù)載；
[0037]所述狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測試驗(yàn)過程和/或收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0038]本發(fā)明通過將旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)連接所述加載系統(tǒng)，在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)使得鉆頭單齒20實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動后，通過加載系統(tǒng)帶動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的進(jìn)給運(yùn)動，因而鉆頭單齒20旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的同時(shí)，也受到了加載系統(tǒng)的負(fù)載，最終鉆頭同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動，能完全模擬實(shí)際工況。
[0039]進(jìn)一步的，所述加載系統(tǒng)包括:設(shè)置在所述基架上的伺服電動缸13、設(shè)置在伺服電動缸下的B固定平板17，固定在所述伺服電動缸的伸出活塞下的移動平板12、設(shè)置在移動平板下部的壓力傳感器1、以及固定在壓力傳感器下的加載架2，所述旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)連接在所述加載架2上，轉(zhuǎn)軸5通過軸承和軸承端蓋