一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架的制作方法

1.本发明涉及油气钻井新技术、新方法领域，尤其涉及激光-机械联合破岩技术领域。


背景技术：

2.在油气资源的开采过程中，钻井是开发油气资源的必要步骤之一，钻井过程的成本占整个油气田开发成本的一半以上。如今，易于开采的陆上浅层、中层油气资源已基本开采完毕，开发深层、超深层油气资源已成为石油工业发展的必然趋势。而在开发深层、超深层油气资源的钻井过程中，因深层岩石具有硬度高、岩性致密、研磨性强的特点，当前广泛使用的旋转机械钻井法出现了打得慢、打不动、钻头磨损严重、起下钻频繁等问题，增加了油气的开采成本，阻碍了充分开发深层、超深层油气资源的步伐，当前的石油工业迫切需要一种能适用于深层致密岩石的高效破岩方法。针对这一问题，国内外学者已经提出了大量的钻井新技术，其中包括激光破岩技术。
3.当前在钻井领域完全使用激光钻井还为时尚早，国内外研究者的主要研究方向集中于激光-机械联合破岩技术上。激光-机械联合破岩技术即将激光引入机械钻头中，对钻进面岩石进行激光照射，削弱其强度后，再使用机械钻头对钻进面岩石进行破碎的技术。相较于旋转机械破岩技术，激光-机械联合破岩技术具有钻压低、钻速高、可钻坚硬岩石、能改善井壁环境的优点，具有十分广阔的应用前景。而在钻井技术领域，全尺寸试验起着联系实验室试验与现场实际应用的重要作用，是一项钻井新技术发展过程中必须经历的阶段。但当前，激光-机械联合破岩技术研究领域缺乏全尺寸试验台架，一定程度上阻碍了激光-机械联合破岩技术的发展。
4.为推动激光-机械联合破岩技术的发展，促使其早日应用于生产实践领域，设计出了一套全尺寸万瓦级激光辅助破岩试验台架。


技术实现要素：

5.为满足激光-机械联合破岩技术发展过程中对全尺寸试验的需求，推动该项技术的发展，促使其早日应用于工程实践领域，本发明提出了一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架。
6.本发明采取的技术方案是：一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架，主要由旋转系统、钻压加载系统、光路系统、气路系统、测试系统、岩样移运系统、岩样夹持系统和机架组成。
7.所述旋转系统由变频电机、小轮胎联轴器、单级齿轮减速器、大轮胎联轴器、凸缘联轴器和转盘组成，其中，变频电机、单级齿轮减速器和转盘通过螺栓固定在下机架上，变频电机输出轴与单级齿轮减速器输入轴间采用小轮胎联轴器连接，单级齿轮减速器输出轴与转矩转速传感器输入轴间采用大轮胎联轴器连接，转矩转速传感器输出轴与转盘输入轴间采用凸缘联轴器连接，轮胎联轴器降低了破岩过程中的冲击对单级齿轮减速器及变频电
机的影响，凸缘联轴器则保证了转速转矩测量的准确；转盘内设有一对啮合的锥齿轮，实现降低转速、增大扭矩的同时改变旋转运动的方向的功能；进一步的，转盘中大锥齿轮圈采用过盈连接方式固定在转盘输出轴上，降低了转盘高度且保证了连接的可靠性；转盘壳体采用铸钢铸造，能承受试验过程中复杂的载荷。
8.所述钻压加载系统由液压油缸、连接笼、加载平台、滑橇导轨、液压站和钻柱组成，其中，液压油缸固定在上机架顶部，连接笼通过销钉固定在液压油缸缸杆末端，加载平台通过螺栓与连接笼相连，并在试验过程中固定在滑橇上，沿滑橇导轨运动，保证试验过程中钻柱始终沿竖直方向运动，钻柱通过锥螺纹固定在加载平台下，液压站可以控制钻柱的升降速度、调节最大钻压大小；进一步的，连接笼上部设有供销钉穿过的连接孔，侧面设有便于光纤进入钻柱中的开口，底部设有供连接螺栓穿过的螺栓孔。
9.所述光路系统由激光发生柜、光纤、万瓦级激光头、直线电机、电机放置盘、整形镜组、整形镜组套、端面镜组、端面镜组套和激光-机械钻头组成；其中电机放置盘固定在钻柱内侧的凸缘上，直线电机通过螺钉固定在电机放置盘上，直线电机下接整形镜组套，整形镜组固定在整形镜组套内部，能将万瓦级激光头输出的圆形光斑整形为矩形光斑，端面镜组固定在端面镜组套内，端面镜组套固定在单向阀盘上，通过直线电机调节端面镜组与整形镜组之间的距离即可实现对出射光斑大小的调节，钻柱的末端固定有激光-机械钻头，经整形、调节后的激光束从其中的通光槽中射出；进一步的，电机放置盘上设有通气孔，整形镜组套外侧设有散热片，能避免试验开展过程中整形镜组过热。
10.所述气路系统由空压机、供气管和单向阀盘组成；其中单向阀盘通过螺钉固定在钻柱内部，单向阀盘中设有单向阀，能防止破岩试验过程中产生的岩屑进入钻柱内部。
11.所述测试系统包括转矩转速传感器、轮辐式压力传感器和直线位移传感器，其中，转矩转速传感器固定在下机架的平台上，轴两端分别通过大轮胎联轴器和凸缘联轴器与单级齿轮联轴器和转盘相连，轮辐式压力传感器位于钻柱和连接笼之间，直线位移传感器一端固定在上机架顶端上，另一端与加载平台的外延部分相连。
12.所述岩样移运系统包括导轨、吊运导车和岩样移运夹具，其中，吊运导车能沿导轨运动，通过起重链连接岩样移运夹具吊运试验岩样。
13.所述岩样夹持系统包括夹持螺杆和岩样承载盘，其中，岩样承载盘固定在转盘输出轴上。
14.所述机架包括上机架、下机架、操作平台和扶梯，其中，上机架与下机架之间通过螺栓连接。
15.本发明具有的优点是：
16.1.本全尺寸万瓦级激光辅助破岩试验台架既能开展全尺寸破岩试验，又能开展激光-机械联合破岩试验。
17.2.光路系统和气路系统耦合布置在固定钻杆内部，活动部件少，空间紧凑，保证了试验的可靠性；钻压加载系统通过连接笼结构，实现了将激光引入钻柱中的目的。
18.3.设计在钻柱内部的通过直线电机调节间距的整形镜组与端面镜组，同时实现了对激光光斑进行整形与调节的目的，避免了为调节光斑大小而对整形镜组进行拆换的操作，缩短了试验周期。
19.4.本试验台架的岩样移运系统加快了试验开展过程中试验岩样的更换速度，且节
省了岩样移运过程中试验人员的体力消耗；本试验台架的机架具有扶梯和操作平台，便于试验人员对本大型试验设备进行检修和调试。
附图说明
20.图1、图2为本发明一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架的总图；
21.图3为本发明一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架的侧视图；
22.图4为本发明一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架的正视图；
23.图5为本发明一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架图3中ⅰ处的局部放大图；
24.图6为本发明一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架图3中ⅱ处的局部放大图；
25.图7为本发明一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架图4中ⅲ处的局部放大图；
26.图8为本发明一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩实验台架中连接笼零件的示意图；
27.图9为本发明一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架图4中ⅳ处的局部放大图。
28.图中：1.变频电机；2.小轮胎联轴器；3.单级齿轮减速器；4.大轮胎联轴器；5.凸缘联轴器；6.转盘；601.转盘输出轴；602.大锥齿轮圈；603.转盘壳体；7.液压油缸；8.连接笼；801.连接孔；802.开口；803.螺栓孔；804.中心通孔；9.加载平台；10.滑橇导轨；11.液压站；12.钻柱；13.激光发生柜；14.光纤；15.万瓦级激光头；16.直线电机；17.电机放置盘；18.整形镜组；19.整形镜组套；20.端面镜组；21.端面镜组套；22.激光-机械钻头；23.空压机；24.供气管；25.单向阀盘；26.转矩转速传感器；27.轮辐式压力传感器；28.直线位移传感器；29.导轨；30.吊运导车；31.岩样移运夹具；32.夹持螺杆；33.岩样承载盘；34.上机架；35.下机架；36.操作平台；37.扶梯；38.气流路径。
具体实施方式
29.下面结合附图与本实施例对本发明作进一步说明。
30.本发明一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架，主要由旋转系统、钻压加载系统、光路系统、气路系统、测试系统、岩样移运系统、岩样夹持系统和机架组成。
31.如图3、图5、图6所示，所述旋转系统由变频电机1、小轮胎联轴器2、单级齿轮减速器3、大轮胎联轴器4、凸缘联轴器5和转盘6组成，其中，变频电机1、单级齿轮减速器3和转盘6通过螺栓固定在下机架35上，变频电机1输出轴与单级齿轮减速器3输入轴间采用小轮胎联轴器3连接，单级齿轮减速器3输出轴与转矩转速传感器26输入轴间采用大轮胎联轴器4连接，转矩转速传感器25输出轴与转盘5输入轴间采用凸缘联轴器4连接，轮胎联轴器降低了破岩过程中的冲击对单级齿轮减速器3及变频电机1的影响，凸缘联轴器5则保证了转速转矩测量的准确；转盘6内设有一对啮合的锥齿轮，实现降低转速、增大扭矩的同时改变旋转运动的方向的功能；进一步的，转盘6中大锥齿轮圈602采用过盈连接方式固定在转盘输出轴601上，降低了转盘6高度且保证了连接的可靠性；转盘壳体603采用铸钢铸造，能承受
试验过程中复杂的载荷。
32.如图1、图3、图4、图7、图8所示，所述钻压加载系统由液压油缸7、连接笼8、加载平台9、滑橇导轨10、液压站11和钻柱12组成，其中，液压油缸7固定在上机架34顶部，连接笼8通过销钉固定在液压油缸7缸杆末端，加载平台9通过螺栓与连接笼8相连，并在试验过程中固定在滑橇上，沿滑橇导轨10运动，保证试验过程中钻柱12始终沿竖直方向运动，钻柱12通过锥螺纹固定在加载平台9下，液压站11可以控制钻柱12的升降速度、调节最大钻压大小；进一步的，连接笼8上部设有供销钉穿过的连接孔801，侧面设有便于光纤14进入钻柱12中的开口802，底部设有供连接螺栓穿过的螺栓孔803及供光纤14进入钻柱12的中心通孔804。
33.如图1、图2、图4、图9所示，所述光路系统由激光发生柜13、光纤14、万瓦级激光头15、直线电机16、电机放置盘17、整形镜组18、整形镜组套19、端面镜组20、端面镜组套21和激光-机械钻头22组成，其中电机放置盘17固定在钻柱12内侧的凸缘上，直线电机16通过螺钉固定在电机放置盘17上，直线电机16下接整形镜组套19，整形镜组18固定在整形镜组套19内部，能将万瓦级激光头15输出的圆形光斑整形为矩形光斑，端面镜组20固定在端面镜组套21内，端面镜组套21固定在单向阀盘25上，通过直线电机16调节端面镜组20与整形镜组21之间的距离即可实现对出射光斑大小的调节，钻柱12的末端固定有激光-机械钻头22，经整形、调节后的激光束从其中的通光槽中射出；进一步的，电机放置盘17上设有通气孔，整形镜组套19外侧设有散热片，能避免试验开展过程中整形镜组18过热。
34.如图1、图9所示，所述气路系统由空压机23、供气管24和单向阀盘25组成，其中单向阀盘25通过螺钉固定在钻柱12内部，单向阀盘25中设有单向阀，能防止破岩试验过程中产生的岩屑进入钻柱12内部，试验过程中钻柱中的气流沿气流路径38所示方向流动。
35.如图4、图5、图7所示，所述测试系统包括转矩转速传感器26、轮辐式压力传感器27和直线位移传感器28，其中，转矩转速传感器26固定在下机架35的平台上，轴两端分别通过大轮胎联轴器4和凸缘联轴器5与单级齿轮减速器3和转盘6相连，轮辐式压力传感器27位于钻柱12和连接笼8之间，直线位移传感器28一端固定在上机架34顶端上，另一端与加载平台9的外延部分相连。
36.如图1所示，所述岩样移运系统包括导轨29、吊运导车30和岩样移运夹具31，其中，吊运导车30能沿导轨29运动，通过起重链连接岩样移运夹具31吊运试验岩样。
37.如图2所示，所述岩样夹持系统包括夹持螺杆32和岩样承载盘33，其中，岩样承载盘33固定在转盘输出轴601上。
38.如图1所示，所述机架包括上机架34、下机架35、操作平台36和扶梯37，其中，上机架34与下机架35之间通过螺栓连接。
39.本发明作为一种全尺寸万瓦级激光辅助机械破岩试验台架，其工作原理是：
40.试验开始前，吊运导车30沿导轨29运动，通过起重链带动夹持着岩样的岩样移运夹具31，将岩样搬运至岩样承载盘33上，岩样承载盘33上的夹持螺杆32夹紧岩样，作好试验准备。
41.试验开始时，开动变频电机1，依次驱动小轮胎联轴器2、单级齿轮减速器3、大轮胎联轴器4、凸缘联轴器5和转盘6带动岩样旋转，同时打开液压站11，控制钻柱12快速下放。
42.待激光-机械钻头22接近岩样时，通过液压站11控制钻柱12缓慢下放，打开空压机23和激光发生柜13，气流经供气管24进入钻柱12，沿气流路径38所示方向，穿过电机放置盘
17，流经单向阀盘25，从激光-机械钻头22的通气孔和通光槽中流出；激光经光纤14从连接笼8侧面开口进入钻柱12，并从万瓦级激光头15射出，经过整形镜组18和端面镜组20整形后，形成尺寸适合的矩形光斑经激光-机械钻头22的通光槽照射在岩样上。
43.开展全尺寸激光-机械联合破岩试验时，轮辐式压力传感器27、转矩转速传感器26与直线位移传感器28能实时对试验中的钻压、扭矩、转速和钻速进行测量。试验结束后，先关闭激光发生柜13和变频电机1，再关闭空压机23，通过液压站11控制钻柱12快速缩回，松开夹持螺杆32，吊运导车30带动夹持着试验后的岩样的岩样移运夹具31离开试验台架，完成本次试验。
44.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。