一种钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统

1.本发明涉及煤矿竖井钻井法施工技术研究领域，特别涉及一种钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统。


背景技术：

2.钻井法施工在矿产资源开发过程中已积累了丰富的经验，但针对白垩系和侏罗系砂岩等软岩中存在的大量互织的弱胶结砂岩实施的全断面钻井法凿井，尚存在许多问题。白垩系和侏罗系砂岩构造层次多变，矿物成分颗粒大多呈弱胶结状态，强度较低，孔隙率较大，遇水作用易泥化，工程力学性质呈现复杂多样性，如极易出现的泥包钻头现象及如何解决“一扩到底”问题，这些问题的出现与破岩排渣整个过程密切相关，而影响破岩排渣的效率因数很多，如滚刀相对应不同力学性能的岩石的适宜性研究，滚刀数量、布局合理性和排渣口数量与位置大小的锲合度，泥浆性能参数的选择，破岩钻头钻进参数的优化等。
3.截止目前，尚很少可见室内钻井法凿井在破岩刀具类型适宜性及机械参数的滚刀破岩试验台和泥浆性能参数的匹配一体化的系统装置研究。因此，研究钻井法凿井在破岩刀具类型选择及机械参数如楔齿滚刀的排距、齿距、贯入度、钻压、钻头刀盘转速、刀具转速及刀间距优化布置、排渣口位置、数量以及泥浆性能参数优化等破岩排渣效率研究内容迫在眉睫，对指导破岩机理和各种砂岩特别是西部弱胶结砂岩和泥浆匹配研究具有重要工程实践意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统，利用该试验系统能够对不同岩性配置的泥浆性能参数、滚刀类型的选择及机械参数、钻压、刀盘转速、滚刀转速及滚刀的刀间距优化布置、排渣口位置的布置等影响因素对钻井法竖井滚刀破岩排渣效率的影响进行研究，解决钻井法凿井滚刀破岩排渣匹配问题，提升破岩排渣效率。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统，包括备用箱、破岩排渣装置、浆渣分离装置、计量装置、监测组件和控制装置，其中，所述备用箱容纳有泥浆，所述备用箱通过输浆管与所述破岩排渣装置连接，所述备用箱用于为所述破岩排渣装置提供试验所需泥浆；利用所述破岩排渣装置能够进行破岩排渣，所述破岩排渣装置通过外排渣管与所述浆渣分离装置连接，在试验过程中，所述破岩排渣装置产生的岩渣液体通过所述外排渣管输送至所述浆渣分离装置内；进入所述浆渣分离装置的所述岩渣液体能够在所述浆渣分离装置内进行岩渣和浆液的分离；利用所述计量装置能够对所述浆渣分离装置分离出来的岩渣进行烘干以及称重；所述监测组件与所述控制装置连接，所述监测组件能够对试验中的数据进行采集。
7.进一步地，在上述的钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统中，所
述备用箱为上方开口的箱体结构，所述备用箱的上端覆盖有箱盖，所述箱盖上设置有吸浆泵，所述输浆管的一端与所述吸浆泵连通，所述吸浆泵的下端穿过所述箱盖后延伸至所述备用箱内泥浆的液面以下；所述备用箱的底部设置有清洗出水口，所述清洗出水口上设置有第一闸阀；优选地，所述箱盖上还设置有搅拌机，所述搅拌机的搅拌轴穿过所述箱盖后延伸至所述备用箱内，所述搅拌轴上设置有搅拌扇叶，所述搅拌机通过所述搅拌轴驱动所述搅拌扇叶旋转，所述搅拌扇叶的旋转能够对所述备用箱内的泥浆进行搅拌；优选地，所述备用箱的一侧设置有液位管，所述液位管的下端与所述备用箱的底部连通，所述液位管的上端高出所述备用箱内泥浆的液面，所述液位管上设置有计量刻度线；优选地，所述备用箱为钢筋混凝土结构或钢结构，所述液位管的材质为有机玻璃；优选地，所述箱盖上还设置有加浆料口和检测取样口，所述加浆料口用于向所述备用箱内补充泥浆，所述检测取样口用于对所述备用箱内的泥浆进行取样；优选地，所述备用箱的箱底呈倒锥形，构成倒锥形的所述备用箱的箱底的坡度为8％～12％，所述备用箱的底部设置有滚轮；优选地，还包括检测仪，所述检测仪能够对由所述检测取样口取得的泥浆的性能进行检测。
8.进一步地，在上述的钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统中，所述破岩排渣装置包括架体，所述架体包括底座、立柱和顶板，所述立柱设置有四根，四根所述立柱的下端固定在所述底座上，所述顶板分别与四根所述立柱的上端连接，所述底座、四根所述立柱和所述顶板组成框架结构；优选地，所述立柱的下端的周围设置有多个加腋板，所述加腋板与所述立柱和所述底座均连接，所述底座与地基基础通过地脚螺栓固定连接。
9.进一步地，在上述的钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统中，所述破岩排渣装置还包括试验箱、第一液压缸、钻杆、钻头、刀盘、刀座和岩石试样；所述试验箱设置在所述架体内，所述试验箱为上方开口的桶状结构，所述岩石试样设置在所述试验箱内，所述输浆管的出口位于所述试验箱的上方，所述岩石试样设置在所述试验箱的底部；所述第一液压缸的输出端与所述钻杆的上端连接，所述钻杆的下端延伸至所述试验箱内，所述钻头安装在所述钻杆的下端，所述刀盘的上端与所述钻头的下端连接，所述刀座安装在所述刀盘的下表面上，所述刀座用于安装滚刀，所述第一液压缸通过所述钻杆驱动所述钻头上下移动及旋转，所述钻头位于所述岩石试样的上方，所述钻头带动所述滚刀上下移动及旋转能够对所述岩石试样进行破岩；优选地，所述刀盘的下表面沿所述刀盘的径向设置有凹槽，所述刀座通过所述凹槽与所述刀盘滑动连接，所述刀座设置有固定螺栓，所述固定螺栓能够将所述刀座在所述刀盘上的位置进行固定；优选地，所述凹槽共设置有六个，每两个所述凹槽为一组，每组所述凹槽沿所述刀盘的径向设置，相邻的两组所述凹槽之间的夹角为60
°
，每组所述凹槽上根据试验要求设置2～4个所述刀座，每个所述刀座上均安装有1个所述滚刀；优选地，所述滚刀为刮刀、镶齿楔形滚刀或球齿滚刀中的一种，所述刀座与所述滚刀匹配；优选地，所述破岩排渣装置还包括基座和升降机构，所述架体内的地基基础设置有基坑，所述升降机构设置在所述基坑内，所述基座设置在所述升降机构上，所述基座为圆柱型结构，所述试验箱设置在所述基座上，所述基座的直径大于所述试验箱的外径，所述升降机构能够对所述试验箱的高度进行调整。
10.进一步地，在上述的钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统中，所述破岩排渣装置还包括连接器、连接件、送气泵、送气管、内排渣总管和内排渣支管，所述送气泵和所述连接器均设置在所述顶板上，所述钻杆为中空的筒状结构，所述内排渣总管和
所述送气管均设置在所述钻杆内，所述第一液压缸通过所述连接器与钻杆连接，所述内排渣总管的上端通过所述连接器与所述外排渣管的一端连通，所述外排渣管的另一端与所述浆渣分离装置连通，所述钻杆通过所述连接件与所述钻头连接，所述连接件内设置有扩大头；所述刀盘上设置有吸渣口，所述内排渣支管的上端通过所述扩大头与所述内排渣总管的下端连通，所述内排渣支管的下端穿过所述钻头与所述刀盘上的所述吸渣口连通，所述送气管的上端与所述送气泵连接，所述内排渣支管上设置有送气口，所述送气管的下端通过所述送气口与所述内排渣支管连通；优选地，所述吸渣口设置有3个，所述刀盘的横截面为圆形，3个所述吸渣口分别位于所述刀盘的圆心、所述刀盘半径的1/2位置处、靠近所述刀盘的边缘位置处，所述内排渣支管设置有3根，每根所述内排渣支管与一个所述吸渣口连通，每根所述内排渣支管均连接有一根所述送气管；优选地，所述连接件包括圆台段和圆柱段，所述圆台段的上表面的直径小于下表面的直径，所述圆台段的上端通过连接法兰及法兰螺栓与所述钻杆固定连接，所述圆台段的下端与所述圆柱段的上端连接，所述圆柱段的下端与所述钻头固定连接。
11.进一步地，在上述的钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统中，所述试验箱包括上段、下段和底板，所述上段和所述下段均为圆筒结构，所述上段的内径和所述下段的内径一致，所述底板覆盖所述下段的下端，所述上段与所述下段之间为密封连接，所述下段与所述底板之间为密封连接，所述上段的材质为高强钢化玻璃，所述下段由钢筋混凝土制作而成，所述下段上设置有若干预留孔，紧贴所述下段的内壁设置有圆环形围压板，所述围压板的材质为钢板，所述围压板的高度与所述下段的高度一致，所述岩石试样为圆柱体结构，所述岩石试样的外径与所述围压板的内径相等，所述岩石试样的高度高于所述下段的高度，所述岩石试样设置在所述围压板内；所述下段的外周设置有环形的第二液压缸，所述第二液压缸具有若干输出端，每个所述第二液压缸的输出端通过一个所述下段上的所述预留孔与所述围压板抵接，所述第二液压缸通过所述围压板向所述岩石试样施加围压；所述监测组件包括压力传感器，所述压力传感器与所述控制装置连接；所述压力传感器设置在所述第二液压缸内，所述压力传感器能够采集所述第二液压缸对所述岩石试样施加压力的数据，所述控制装置能够根据所述压力传感器采集的压力数据对所述第二液压缸进行控制；优选地，所述预留孔在所述下段上由上至下均匀设置有3排，每排所述预留孔设置有12个，每排所述预留孔沿所述下段的周向均匀分布；优选地，所述下段的高度为1m～1.5m，所述上段由上至下设置的多节安装单元构成，每节所述安装单元均为圆环形，每节所述安装单元由3块高强钢化玻璃拼接而成，相邻两节所述安装单元之间通过弹性憎水性材料填充通过榫卯结构连接，每节所述安装单元内相邻的两块高强钢化玻璃之间通过弹性憎水性材料填充并通过榫卯结构连接；优选地，每节所述安装单元的高度为1m；优选地，所述下段的上端沿周向设置有锚固槽，所述锚固槽的深度为150mm，所述上段的下端位于所述锚固槽内。
12.进一步地，在上述的钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统中，所述浆渣分离装置包括浆渣过滤筒、第一料筒、第二料筒和振动棒电机，所述第一料筒和所述第二料筒分别位于所述浆渣过滤筒的两侧，所述浆渣过滤筒上端覆盖有盖板，所述盖板上设置有浆渣进口；所述浆渣过滤筒内由上至下依次设置有第一过滤网和第二过滤网，所述浆渣过滤筒的两侧壁分别设置有第一出料口和第二出料口，所述第一过滤网和所述第二过
滤网均倾斜设置，所述第一过滤网的一端与所述浆渣过滤筒的一侧壁连接，所述第一过滤网的另一端由所述第一出料口延伸至所述浆渣过滤筒外，所述第一过滤网的另一端位于所述第一料筒的上方，所述第一过滤网一端的高度大于另一端的高度，所述浆渣进口设置在所述第一过滤网的一端的上方，所述外排渣管的另一端与所述浆渣进口连接；所述第二过滤网的一端与所述浆渣过滤筒的另一侧壁连接，所述第二过滤网的另一端由所述第二出料口延伸至所述浆渣过滤筒外，所述第二过滤网的另一端位于所述第二料筒的上方，所述第二过滤网一端的高度大于另一端的高度；所述振动棒电机设置在所述盖板上，所述振动棒电机与所述第一过滤网和所述第二过滤网均连接，所述振动棒电机能够驱动所述第一过滤网和所述第二过滤网振动；优选地，所述盖板上设置有出气口；优选地，所述浆渣过滤筒的筒底为倒锥形，形成倒锥形的所述浆渣过滤筒的筒底的坡度为45
°
；优选地，所述第一过滤网与水平面之间的夹角为30
°
，所述第二过滤网与水平面之间的夹角为30
°
，所述第一过滤网的孔径为20mm～30mm，所述第二过滤网的孔径为4mm～6mm；优选地，还包括试验台，所述浆渣分离装置设置在所述试验台上。
13.进一步地，在上述的钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统中，所述浆渣分离装置还包括旋流器和第三料筒，所述浆渣过滤筒的筒底连通有排浆管的一端，所述排浆管的另一端与所述旋流器连通，所述排浆管上设置有第二闸阀和压力泵；所述旋流器上端连接有出浆管的一端，所述备用箱上设置有回浆口，所述出浆管的另一端与所述备用箱的所述回浆口连通；所述旋流器的下端设置有排渣口，所述排渣口连接有出渣管，所述第三料筒位于所述出渣管的下方，所述出渣管上设置有出口阀。
14.进一步地，在上述的钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统中，所述计量装置包括烘干箱和电子秤，所述烘干箱用于对所述浆渣分离装置分离出来的岩渣进行烘干；所述电子秤具有显示屏，所述电子秤上设置有物料托盘，利用所述电子秤能够对所述烘干箱烘干后的岩渣进行称重；所述计量装置设置在所述试验台上。
15.进一步地，在上述的钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统中，所述监测组件包括三向力传感器、转速传感器和位移传感器，所述三向力传感器、所述转速传感器和所述位移传感器均设置在所述刀座上，所述三向力传感器、所述转速传感器和所述位移传感器均与所述控制装置连接；所述三向力传感器用于采集所述第一液压缸所施加的压力数据，所述转速传感器用于采集所述钻头的转速数据，所述位移传感器用于采集所述钻头的竖向位移数据，所述控制装置根据所述三向力传感器、所述转速传感器和所述位移传感器采集的数据对所述第一液压缸进行控制。
16.分析可知，本发明公开一种钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统，本发明的实施例针对不同岩性配置的泥浆性能参数、破岩刀具类型选择及机械参数如楔齿滚刀的排距、齿距、贯入度、钻压、刀盘转速、刀具转速及刀间距优化布置、排渣口位置等参数对钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素进行研究，解决研究钻井法凿井滚刀破岩排渣匹配问题，着力提升破岩排渣效率。通过同等条件下岩渣泥浆分离残积物计量对比可开展不种滚刀模式下的多种吸渣口竖井钻头滚刀破岩效率影响因素为室内仿真研究试验。该试验系统最大程度的在室内模拟钻井法滚刀破岩排渣的真实场景，具有极强的试验仿真性或“微型工作场景”，由此取得分析、评价、研究破岩排渣效率的结论将因为贴近“原型”而无可替代。避免了只研究排渣或只研究破岩带来的弊端，建立了破岩排渣的有机联系。避免
了破岩或排渣单一研究工况带来的弊端，可以根据针对弱胶结的不同岩石试样进行试验，可以选择不同刀具及其参数进行试验，可以选择不同钻进参数进行试验，可以设定不同泥浆性能参数进行试验，可以选择不同排渣口、气压进行试验，可以对岩石试样设定不同围压进行试验，最大限度发挥和拓展了试验台多功能效益。补目前我国钻井法施工滚刀类型固定、排渣口固定，岩体转动钻头不转，只研究破岩，或只研究排渣，工况单一、参数指标单一的试验现状，力图改进室内试验与野外工作境况不符带来的不匹配模型差距。
附图说明
17.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
18.图1为本发明一实施例的结构示意图。
19.图2为本发明一实施例的备用箱的结构示意图。
20.图3为本发明一实施例的破岩排渣装置的结构示意图。
21.图4为本发明一实施例的浆渣分离装置和计量装置的结构示意图。
22.图5为本发明一实施例的试验箱的竖向截面的结构示意图。
23.图6为本发明一实施例的试验箱的立体结构示意图。
24.图7为本发明一实施例的滚刀在刀盘上分布的结构示意图。
25.附图标记说明：1备用箱；10箱盖；100加浆料口；101检测取样口；102回浆口；11输浆管；12吸浆泵；13清洗出水口；14第一闸阀；15搅拌机；150搅拌轴；151搅拌扇叶；16液位管；17滚轮；2架体；20外排渣管；21立柱；22顶板；23加腋板；24地脚螺栓；25底座；3试验箱；30上段；300安装单元；31下段；310预留孔；311锚固槽；32底板；33第一液压缸；34钻杆；35钻头；36连接法兰；37刀盘；38吸渣口；39送气管；40刀座；400凹槽；401固定螺栓；41滚刀；42岩石试样；43基座；44升降机构；45连接器；46连接件；460圆台段；461圆柱段；47送气泵；48内排渣支管；49扩大头；50第二液压缸；51基坑；52围压板；6浆渣过滤筒；60盖板；61浆渣进口；62第一出料口；63第二出料口；64出气口；65第一料筒；66第二料筒；67振动棒电机；68第一过滤网；69第二过滤网；70旋流器；71排渣口；72第三料筒；73排浆管；730第二闸阀；731压力泵；74出渣管；75出口阀；76出浆管；8试验台；81烘干箱；82电子秤；83物料托盘。
具体实施方式
26.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
27.在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有
线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
28.所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
29.如图1至图7所示，根据本发明的实施例，提供了一种钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素研究试验系统，如图1所示，包括备用箱1、破岩排渣装置、浆渣分离装置、计量装置、监测组件和控制装置，其中，备用箱1容纳有泥浆，备用箱1通过输浆管11与破岩排渣装置连接，备用箱1用于为破岩排渣装置提供试验所需泥浆；利用破岩排渣装置能够进行破岩排渣，破岩排渣装置通过外排渣管20与浆渣分离装置连接，在试验过程中，破岩排渣装置产生的岩渣液体通过外排渣管20输送至浆渣分离装置内；进入浆渣分离装置的岩渣液体能够在浆渣分离装置内进行岩渣和浆液分离；利用计量装置能够对浆渣分离装置分离出来的岩渣进行烘干以及称重；监测组件与控制装置连接，监测组件能够对试验中的数据进行采集。该试验系统在室内还原钻井法竖井滚刀破岩的野外实际工作环境，尤其是适用于对白垩系和侏罗系砂岩等软岩在不同围压工况下进行钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素的研究，白垩系和侏罗系砂岩等弱胶结轴心抗压强度不高，破岩所需动力设备要求比其他硬岩低，便于本发明的技术方案的实现，本发明的技术方案设计了从制作备用于排渣的泥浆开始到排渣计量统计结束的一整套闭合循环系统，杜绝“废弃”泥浆对环境的污染，从真正意义上建立完整的破岩排渣一整套试验研究系统，为解决提升弱胶结砂岩破岩排渣遇到的诸多棘手问题提供室内仿真研究，节约了成本，保护了环境，具有较强的工程实际意义。
30.进一步地，如图2所示，备用箱1为上方开口的箱体结构，备用箱1的上端覆盖有箱盖10，箱盖10具有足够支撑其上动力设备的能力，备用箱1的泥浆备容量必须满足一次试验需求，箱盖10上设置有吸浆泵12，输浆管11的一端与吸浆泵12连通，吸浆泵12的下端穿过箱盖10后延伸至备用箱1内的泥浆液面以下；备用箱1的底部设置有清洗出水口13，清洗出水口13上设置有第一闸阀14，在试验完成后，打开第一闸阀14并向备用箱1内注入清水，能够对备用箱1进行清洗，便于每次试验结束后的对备用箱1进行清洁；优选地，箱盖10上还设置有搅拌机15，搅拌机15的搅拌轴150穿过箱盖10后延伸至备用箱1内，搅拌轴150上设置有搅拌扇叶151，搅拌机15通过搅拌轴150驱动搅拌扇叶151旋转，搅拌扇叶151的旋转能够对备用箱1内的泥浆进行搅拌，搅拌机15不定时的对泥浆搅拌，迫使泥浆处于“鲜活”状态，保证试验的顺利进行；优选地，备用箱1的一侧设置有液位管16，液位管16的下端与备用箱1的底部连通，液位管16的上端高出备用箱1内泥浆的液面，液位管16上设置有计量刻度线，液位管16用于显示备用箱1内泥浆盛放量，便于试验者观察泥浆实时保有量，泥浆不足时，可以进行再制作并通过加浆料口100补充泥浆；优选地，备用箱1为钢筋混凝土结构或钢结构，液位管16的材质为有机玻璃，方便对备用箱1内泥浆的容量进行监测；优选地，箱盖10上还设置有加浆料口100和检测取样口101，加浆料口100用于向备用箱1内补充泥浆，检测取样口101用于对备用箱1内的泥浆进行取样；优选地，备用箱1的箱底呈倒锥形，构成倒锥形的备用箱1的箱底的坡度为8％～12％，如此设置能够使清洗排水通畅。备用箱1的底部四角设置有滚轮17，滚轮17为设置有固定按钮的多向滚轮，使备用箱1可以灵活移动并能够利用固定
按钮进行固定，滚轮17能够方便备用箱1的移动，使备用箱1能够与破岩排渣装置保持合适距离，便于备用箱1向破岩排渣装置输送符合试验要求的泥浆。
31.优选地，该试验系统还包括检测仪，检测仪能够对由检测取样口101取得的泥浆的性能进行检测，泥浆性能包括泥浆密度、失水量、泥皮、胶体率、含沙量、ph值、黏度、触变性、静切力等指标，对泥浆的性能进行检测的方法采用现行相关规范操作，对泥浆的性能进行检测所采用的检测仪为与泥浆性能对应的市售产品，如：泥浆密度用1002型泥浆比重计检测，失水量用1009型泥浆失水量测定仪检测，泥浆含砂量用1004型泥浆含砂量检测，泥浆黏度用1006型漏斗粘度仪检测，泥浆静切力用1007型泥浆切力仪检测，还有如泥皮、胶体率、ph值、触变性等指标，采用现有技术的方法测量。试验前，根据试验要求设计泥浆性能指标，并按照规范对泥浆进行检测。在试验过程中，通过检测取样口101对泥浆进行取样，并对泥浆的性能进行复检，当泥浆的性能不符合试验要求时，通过加浆料口100和回浆口102对泥浆性能指标进行修正。利用不同的泥浆性能参数进行试验对钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响进行研究。
32.进一步地，如图1和图3所示，破岩排渣装置包括架体2，架体2包括底座25、立柱21和顶板22，立柱21为圆柱形，立柱21设置有四根，四根立柱21的下端固定在底座25上，顶板22为钢结构，顶板22分别与四根立柱21的上端连接，底座25、四根立柱21和顶板22组成框架结构；优选地，立柱21的下端的周围设置有多个加腋板23，加腋板23与立柱21和底座25均通过焊接的方式连接，试验系统架设在地基基础上，底座25与地基基础通过地脚螺栓24固定连接。底座25、立柱21和顶板22组成的框架结构与混凝土的地基基础固定连接，将破岩排渣装置的荷载有效传递给地基基础，可以承载第一液压缸33和送气泵47并保证破岩排渣装置总体处于安全状态。
33.进一步地，破岩排渣装置还包括试验箱3、第一液压缸33、钻杆34、钻头35、刀盘37、刀座40和岩石试样42；试验箱3用于模拟井筒，试验箱3设置在架体2内，试验箱3为上方开口的桶状结构，岩石试样42设置在试验箱3内，输浆管11的出口位于试验箱3的上方，岩石试样42设置在试验箱3的底部，试验过程中，由输浆管11向试验箱3内输送泥浆，并使试验箱3内的泥浆的液面高于岩石试样42的上端；第一液压缸33的输出端与钻杆34的上端连接，钻杆34的下端延伸至试验箱3内，钻头35安装在钻杆34的下端，刀盘37的上端与钻头35的下端连接，刀座40安装在刀盘37的下表面上，刀座40用于安装滚刀41，第一液压缸33通过钻杆34驱动钻头35上下移动及旋转，实现滚刀41的竖向给进旋转运动，并带动滚刀41自转，钻头35位于岩石试样42的上方，钻头35带动滚刀41上下移动及旋转能够对岩石试样42进行破岩，岩石试样42呈圆形，直径大于刀盘37的直径，岩石试样42的高度根据试验方案确定，岩石试样42可以根据相似性试验按比例制作成弱胶结不同砂岩层的样本。优选地，刀盘37的下表面沿刀盘37的径向设置有凹槽400，刀座40通过凹槽400与刀盘37滑动连接，刀座40设置有固定螺栓401，固定螺栓401能够将刀座40在刀盘37上的位置进行固定；优选地，如图7所示，凹槽400共设置有六个，每两个凹槽400为一组，每组凹槽400沿刀盘37的径向设置，每组内的两个凹槽400的间距根据刀座40尺寸确定，凹槽400的槽深满足固定螺栓401需要，相邻的两组凹槽400之间的夹角为60
°
，每组凹槽400上根据试验要求设置2～4个刀座40，每个刀座40上均安装有1个滚刀41，通过凹槽400调整刀座40在刀盘37上的位置，进而调节滚刀41的位置，实现滚刀41刀间距的调整；优选地，滚刀41为刮刀、镶齿楔形滚刀或球齿滚刀中的一种，
刀座40与滚刀41匹配，在试验过程中通过选择不同类型和不同规格的滚刀41并在不同刀间距的情况下进行试验，研究滚刀41的设置对钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响；优选地，破岩排渣装置还包括基座43和升降机构44，架体2内的地基基础设置有基坑51，升降机构44设置在基坑51内，基坑51的直径大于试验箱3的直径，基座43设置在升降机构44上，基座43为圆柱型结构，试验箱3设置在基座43上，基座43的直径大于试验箱3的外径，升降机构44能够对试验箱3的高度进行调整。试验箱3为圆桶状，下设圆形的基座43，因试验箱3具有一定的高度、重量与体量，安装与拆卸有一定难度，为便于包括岩石试样42的试验箱3的放置与试验后期的清理工作，设置能够使承载试验箱3自由上下进入工作状态的升降机构44，使试验箱3的安装与拆卸更加容易。在破岩试验过程中，通过升降机构44调整岩石试样42的高度，能够减少钻头35向下给进的动作幅度。
34.进一步地，破岩排渣装置还包括连接器45、连接件46、送气泵47、送气管39、内排渣总管和内排渣支管48，送气泵47和连接器45均设置在顶板22上，钻杆34为中空的筒状结构，内排渣总管和送气管39均设置在钻杆34内，第一液压缸33通过连接器45与钻杆34连接，内排渣总管的上端通过连接器45与外排渣管20的一端连通，外排渣管20的另一端与浆渣分离装置连通，连接器45为动静转换装置，用于钻杆34内的内排渣总管与外排渣管20的连接，并能保证在钻杆34转动时，内排渣总管与外排渣管20的连接处不发生泄漏。钻杆34通过连接件46与钻头35连接，连接件46内设置有扩大头49；刀盘37上设置有吸渣口38，内排渣支管48的上端通过扩大头49与内排渣总管的下端连通，内排渣支管48的下端穿过钻头35与刀盘37上的吸渣口38连通，送气管39的上端与送气泵47连接，内排渣支管48上设置有送气口，送气管39的下端通过送气口与内排渣支管48连通；送气泵47提供高压空气通过送气管39输送给内排渣支管48完成排渣功能。优选地，吸渣口38设置有3个，刀盘37为圆盘形钢板，3个吸渣口38分别位于刀盘37的圆心a、刀盘37半径的1/2位置处b、靠近刀盘37的边缘位置处c，每个吸渣口38上均设置有滑动盖板，滑动盖板能够封闭吸渣口38，3个吸渣口38为试验提供不同位置吸渣口38以供研究合理的吸渣口38位置；内排渣支管48设置有3根，每根内排渣支管48与一个吸渣口38连通，每根内排渣支管48均连接有一根送气管39，使用时可以根据试验方案对吸渣口38进行单项选择a吸渣口38或b吸渣口38或c吸渣口38，双选ab吸渣口38，或ac吸渣口38，或bc吸渣口38，全选abc吸渣口38，如果某吸渣口38此次试验不采用，则与该内排渣支管48连接的送气管39上不送气，同时利用滑动盖板封闭该吸渣口38。优选地，连接件46包括圆台段460和圆柱段461，圆台段460的上表面的直径小于下表面的直径，圆台段460的上端通过连接法兰36及法兰螺栓与钻杆34固定连接，圆台段460的下端与圆柱段461的上端连接，圆柱段461的下端与钻头35固定连接。钻杆34为空心钢结构圆管，空心部分内设一大(内排渣总管)与二小(送气管39)的空心管，构造紧密。在试验过程中，选择不同排渣口71的位置、调节送气泵47产生不同的气压对钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响进行研究。
35.进一步地，如图5和图6所示，试验箱3包括上段30、下段31和底板32，上段30和下段31均为圆筒结构，上段30的内径和下段31的内径一致，底板32覆盖下段31的下端，上段30与下段31之间为密封连接，下段31与底板32之间为密封连接，上段30的材质为高强钢化玻璃，高强钢化玻璃为白色透明状，便于观察试验箱3内泥浆工作状态，下段31由钢筋混凝土制作而成，下段31上设置有若干预留孔310，紧贴下段31的内壁设置有圆环形围压板52，围压板52的材质为钢板，围压板52的高度与下段31的高度一致，岩石试样42为圆柱体结构，岩石试
样42的外径与围压板52的内径相等，岩石试样42的高度高于下段31的高度，岩石试样42设置在围压板52内，岩石试样42的外壁与围压板52紧密接触；下段31的外周设置有环形的第二液压缸50，第二液压缸50嵌于下段31的外壁上，第二液压缸50具有若干输出端，每个第二液压缸50的输出端通过下段31上的一个预留孔310与围压板52抵接，第二液压缸50通过围压板52向岩石试样42施加径向的围压；监测组件包括压力传感器，压力传感器与控制装置连接；压力传感器设置在第二液压缸50内，压力传感器能够采集第二液压缸50对岩石试样42施加压力的数据，控制装置能够根据压力传感器采集的压力数据对第二液压缸50进行控制。环形的第二液压缸50通过压力传感器控制围压，用以模拟井下某深度岩石实际真实受力状态。试验箱3具有足够的抗压承载能力和密封效果，试验箱3的上段30采用高强钢化玻璃能够保证透明，方便实时观察破岩排渣效果。试验过程中，通过选择不同岩石试样42以及通过第二液压缸50产生不同的围压对钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响进行研究。优选地，预留孔310在下段31上由上至下均匀设置有3排，每排预留孔310设置有12个，每排预留孔310沿下段31的周向均匀分布，如此设置能够使第二液压缸50对岩石试样42均匀施加围压，使岩石试样42受压更加均匀。优选地，下段31的高度为1m～1.5m，上段30由上至下设置的多节安装单元300构成，每节安装单元300均为圆环形，每节安装单元300由3块高强钢化玻璃拼接而成，相邻两节安装单元300之间通过弹性憎水性材料填充并通过榫卯结构连接，每节安装单元300内的相邻的两块高强钢化玻璃之间通过弹性憎水性材料填充并通过榫卯结构连接，如此设置能够便于拆卸和安装，且能够保证连接牢固可靠，不发生泄漏；优选地，每节安装单元300的高度为1m，相邻的两节安装单元300错开设置，避免上下形成通缝连接。优选地，下段31的上端沿周向设置有锚固槽311，锚固槽311的深度为150mm，上段30的下端位于锚固槽311内，上段30的下端与锚固槽311的侧壁之间填充有弹性憎水性材料，防止发生泄漏，并且能够在安装时避免刚性接触造成损伤。
36.进一步地，如图4所示，浆渣分离装置包括浆渣过滤筒6、第一料筒65、第二料筒66和振动棒电机67，第一料筒65和第二料筒66分别位于浆渣过滤筒6的两侧，浆渣过滤筒6上端覆盖有盖板60，盖板60上设置有浆渣进口61；浆渣过滤筒6内由上至下依次设置有第一过滤网68和第二过滤网69，浆渣过滤筒6的两侧壁分别设置有第一出料口62和第二出料口63，第一过滤网68和第二过滤网69均倾斜设置，第一过滤网68的一端与浆渣过滤筒6的一侧壁连接，第一过滤网68的另一端由设置在浆渣过滤筒6的另一侧壁上的第一出料口62延伸至浆渣过滤筒6外，第一过滤网68的另一端位于第一料筒65的上方，第一过滤网68一端的高度大于另一端的高度，盖板60上的浆渣进口61设置在第一过滤网68的一端的上方，外排渣管20的另一端与浆渣进口61连接，第一过滤网68用于对外排渣管20输送来的岩渣液体进行首次过滤，第一过滤网68过滤出来的粗岩渣颗粒由延伸至第一出料口62外侧的第一过滤网68掉落至第一料筒65内。第二过滤网69的一端与浆渣过滤筒6的另一侧壁连接，第二过滤网69的另一端由设置在浆渣过滤筒6的一侧壁上的第二出料口63延伸至浆渣过滤筒6外，第二过滤网69的另一端位于第二料筒66的上方，第二过滤网69一端的高度大于另一端的高度，第二过滤网69对第一过滤网68过滤后的岩渣液体进行二次过滤，第二过滤网69过滤出来的中粗岩渣颗粒由延伸至第二出料口63外侧的第二过滤网69掉落至第二料筒66内。振动棒电机67设置在盖板60上，振动棒电机67与第一过滤网68和第二过滤网69均连接，振动棒电机67能够驱动第一过滤网68和第二过滤网69振动，第一过滤网68和第二过滤网69的振动有利于
岩渣液体中岩渣和浆液的有效分离；优选地，盖板60上设置有网状的出气口64，出气口64用于岩渣液体的水气分流，岩渣液体中的气体上升，并通过出气口64排出，岩渣浆体因重力作用下泄。优选地，为利于快速排浆渣，浆渣过滤筒6的筒底为倒锥形，形成倒锥形的浆渣过滤筒6的筒底的坡度为45
°
，浆渣过滤筒6的筒底连通有排浆管73的一端，排浆管73的另一端与旋流器70连通，经过第一过滤网68和第二过滤网69过滤后的仅含极细砂粒的岩渣液体通过排浆管73输送至旋流器70；优选地，第一过滤网68与水平面之间的夹角为30
°
，第二过滤网69与水平面之间的夹角为30
°
，如此设置使第一过滤网68和第二过滤网69较为平缓，岩渣在第一过滤网68和第二过滤网69上滚落不至于太快。第一过滤网68的孔径为20mm～30mm，第二过滤网69的孔径为4mm～6mm，第一过滤网68和第二过滤网69的孔径设置根据破岩难易程度以及试验方案确定，在本发明的一实施例中，第一过滤网68的孔径为25mm，第二过滤网69的孔径为5mm。优选地，浆渣过滤筒6设置有箱门，便于管理。优选地，还包括试验台8，浆渣分离装置设置在试验台8上，做到整洁有序。
37.进一步地，如图4所示，浆渣分离装置还包括旋流器70和第三料筒72，排浆管73的另一端与旋流器70连通，排浆管73内的岩渣液体以切向方向进入旋流器70，排浆管73上设置有第二闸阀730和压力泵731，第二闸阀730控制排浆管73的通断，压力泵731为排浆管73提供足够的压力，使岩渣液体能够顺利进入旋流器70；旋流器70上端连接有出浆管76的一端，备用箱1的箱盖10上设置有回浆口102，出浆管76的另一端与备用箱1的回浆口102连通；旋流器70的下端设置有排渣口71，排渣口71连接有出渣管74，第三料筒72位于出渣管74的下方，第三料筒72用于收集旋流器70过滤出来的极细岩渣颗粒，出渣管74上设置有出口阀75。整个旋流器70置于工作台上，高度适宜，缩短了岩渣液体的输送高度，缓解了压力泵731的输送压力。
38.渣浆分离装置包括浆渣过滤筒6和旋流器70，渣浆分离装置对岩渣液体进行岩渣和浆液的分离。浆渣过滤筒6设置两层可以筛选不同粒径的第一过滤网68和第二过滤网69，第一过滤网68过滤粗颗粒的岩渣，第二过滤网69过滤中粗颗粒岩渣，第一过滤网68和第二过滤网69均呈30
°
倾斜设置且倾斜方向相反，第一过滤网68的一端和第二过滤网69的一端与浆渣过滤筒6的侧壁可靠连接，便于依靠岩渣自重并借助振动棒电机67的振动力从高处分别滚动到第一料筒65和第二料筒66。经第二过滤网69过滤后的岩渣液体通过浆渣过滤筒6倒锥形的筒底流入排浆管73，在压力泵731的作用下，岩渣液体通过排浆管73进入旋流器70。当含有细颗粒岩渣的岩渣液体在的压力下从排浆管73的另一端以切向进入旋流器70后，岩渣液体产生旋转运动，由于细颗粒岩渣和水的密度不同，密度低的泥浆上升由出浆管76排出，密度大的细颗粒岩渣由底部极细岩渣出口排出，并掉落至第三料筒72内。出浆管76内的泥浆通过备用箱1的回浆口102流回备用箱1，实现泥浆的闭合循环，杜绝“废弃”泥浆对环境的污染。
39.进一步地，如图4所示，计量装置包括烘干箱81和电子秤82，烘干箱81用于对浆渣分离装置分离出来并经过清洗的粗岩渣、中粗岩渣和极细岩渣进行烘干；电子秤82具有显示屏，电子秤82用于计量各组物料重量，通过显示屏进行读数，电子秤82上设置有物料托盘83，借助夹具将烘干的粗岩渣、中粗岩渣和极细岩渣分别置于物料托盘83上，利用电子秤82烘干箱81进行称重，试验者对读数进行记录。优选地，浆渣分离装置和计量装置均设置在试验台8上，与破岩排渣装置和备用箱1毗邻，烘干箱81、电子秤82及显示屏均放置在浆渣分离
装置的一侧，整个试验系统布局紧凑，联系紧密，使用方便，浑然一体。
40.进一步地，监测组件包括三向力传感器、转速传感器和位移传感器，三向力传感器、转速传感器和位移传感器均设置在刀座40上，三向力传感器、转速传感器和位移传感器均与控制装置连接；三向力传感器用于采集第一液压缸33所施加的压力数据，转速传感器用于采集钻头35的转速数据，位移传感器用于采集钻头35的竖向位移数据，控制装置根据三向力传感器、转速传感器和位移传感器采集的数据对第一液压缸33进行控制。
41.监测组件通过三向力传感器、转速传感器、位移传感器和压力传感器，可以监测破岩过程中的各向力时程、钻头35的转速、钻头35的竖向位移及钻杆34的扭矩实况，各向力时程指的是在特定的钻进参数下，滚刀41法向力、滚刀41切向力与滚刀41侧向力(纵坐标)随时间(横坐标)变化的图形，它反映的是一个有起伏的动态的关系曲线，控制装置通过监测组件所采集的压力数据、钻头35的转速数据、钻头35的位移数据和围压数据对第一液压缸33和第二液压缸50进行控制，并将监测组件所采集的数据进行存储。
42.该试验系统通过对不同类型和不同规格的滚刀41在不同刀间距、不同钻压、不同转速以及选择不同的岩石试样42、不同泥浆性能参数、不同排渣口71的位置、送气泵47产生的不同的气压、不同围压的情况下进行试验，并利用控制装置生产实验报表与实验曲线，利用实验报表与实验曲线对钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素进行研究。利用不同类型和不同规格的滚刀41进行试验，可以对滚刀41的齿距、排距、贯入度和刀具转速进行研究。齿距、排距是楔齿滚刀41属性，由试验研究方案确定，可以根据相关要求特约厂家定制。贯入度是试验前设定的钻进参数，再通过设定其他参数或由此获取的试验数据，可以评价破岩效率。齿距、排距、贯入度和刀具转速都是研究破岩机理的前提条件，是影响破岩效率的主要因数。滚刀41的刀座40随刀盘37转动，同时滚刀41围绕刀轴被迫自转，滚刀41自转动力取决于刀盘37的转速。刀盘37的转速取决于第一液压缸33的动力，由此可知，只要知道滚刀41半径和刀座40的位置，就可以由钻头35带动的刀盘37的转速推知滚刀41的刀具转速。
43.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
44.1、破岩排渣是钻井法施工密不可分的系统问题，“破的掉”与“排得出”相互影响，相辅相成。本发明的实施例针对不同岩性配置的泥浆性能参数、破岩刀具类型选择及机械参数如楔齿滚刀41的排距、齿距、贯入度、钻压、刀盘37(钻头35)转速、刀具转速及刀间距优化布置、排渣口71位置等参数对钻井法竖井滚刀破岩排渣效率影响因素进行研究，解决研究钻井法凿井滚刀41破岩排渣匹配问题，着力提升破岩排渣效率。
45.2、通过同等条件下岩渣泥浆分离残积物(第一过滤网68过滤出来的粗岩渣颗粒、第二过滤网69过滤出来的中粗岩渣颗粒和旋流器70过滤出来的极细岩渣颗粒)计量对比可开展不种滚刀41模式下的多种吸渣口38的竖井钻头滚刀破岩效率影响因素为室内仿真研究试验。该试验系统最大程度的在室内模拟钻井法滚刀41破岩排渣的真实场景，具有极强的试验仿真性或“微型工作场景”，由此取得分析、评价、研究破岩排渣效率的结论将因为贴近“原型”而无可替代。
46.3、避免了只研究排渣或只研究破岩带来的弊端，建立了破岩排渣的有机联系。避免了破岩或排渣单一研究工况带来的弊端，可以根据针对弱胶结的不同岩石试样42进行试验，可以选择不同刀具及其参数进行试验，可以选择不同钻进参数进行试验，可以设定不同泥浆性能参数进行试验，可以选择不同排渣口71、气压进行试验，可以对岩石试样42设定不
同围压进行试验，最大限度发挥和拓展了试验台8多功能效益。补目前我国钻井法施工滚刀41类型固定、排渣口71固定，岩体转动钻头35不转，只研究破岩，或只研究排渣，工况单一、参数指标单一试验现状，力图改进室内试验与野外工作境况不符带来的不匹配模型差距。
47.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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之内。