岩石研磨性测定试验装置设计与研制

摘要：岩石的研磨性是岩石机械物理性能参数之一，研究岩石的研磨性对于合理选用钻头、延长其工作寿命、降低成本以及改进破岩工具的设计等工作十分有益。因此，研制一套石油钻井工程技术领域测定岩石研磨性的试验装置，是从源头上解决钻头选材，提高其破岩效率等问题的必要手段。本文在详细叙述岩石研磨性测定试验装置的功能与整体结构设计方案的基础上，简要介绍了样机研制的过程、主要技术参数精度检测试验结果、技术性能及其创新点。

关键词：岩石研磨性；测定；试验装置

中图分类号：　TN912.202 文献标识码：A

1　试验装置的功能与整体结构设计方案

1.1　功能设计

该试验装置的研制在国内外属首次进行，研制的技术难度较大，为此在对国内外相关试验装置进行调研、与相关专家进行深入研讨的基础上，确定研制的岩石研磨性测定试验装置将具备如下主要试验功能：

①进行岩石研磨性测定实验；

②进行金属材料的摩擦磨损实验。

1.2　整体结构方案设计

1.2.1　设计目标

在充分进行国内外相关研究调研的基础上，经多方面技术与可行性论证，确定研制岩石研磨性测定试验装置，应是一套在室内设定的标准试验条件下，使用微型模拟钻头对岩石进行全自动钻进研磨实验，利用计算机控制程序全程控制实验技术参数并测量、记录相关实验数据，以此来测定岩石研磨性能的专用试验装置。

1.2.2　主机结构方案

岩石研磨性试验装置由机械系统和控制系统组成，其中机械系统由主轴头、立柱、工作台、升降台和模拟钻头组成；控制系统由控制柜、冷却系统和应用软件组成，如图1所示。

（1）主轴头：由变频调速电机通过减速箱给到上主轴，实现上主轴无级调速旋转。同时由步进电机通过滚珠丝杠给弹簧加载荷，实现上主轴压力自动加载功能。

（2）立柱装配是安装上主轴与升降台之间起一个平台的作用。

（3）升降台：由燕尾槽与立柱固定，通过升降丝杠调节工作台与上主轴的距离。在下主轴下方装有压力传感器、力矩传感器用于测量加载的正压力和摩擦力矩。

（4）工作台：是由上下两个工作台组成，上工作台左右运动，下工作台前后运动。

（5）在立柱上装有两个限位传感器，上主轴下降不能超出行程范围起保护作用。另一位移传感器用于测量上主轴钻孔深度。

（6）控制柜对电源、冷却系统和上主轴进行控制。

（7）冷却系统由冷却箱、冷却管和喷嘴组成，对冷却水流量进行控制。

（8）与控制柜相连的计算机及控制软件对载荷、转速、测试时间进行控制。

1.2.3　模拟微钻头研制

在实际钻井过程中钻头与岩石的摩擦包括两部分，一是破岩时钻头与岩石的摩擦，二是产生的岩屑对钻头的摩擦。目前，国内外对岩石研磨性的测定没有统一的方法，所用研磨工具有铜棒、空心钢杆、金属环、金属钎头等，这些实验方法都存在一个共性问题，就是研磨工具与岩石只是表面接触磨擦，没有钻进深度。由于研磨工具没有破岩钻进，也就没有岩屑产生，实验中忽略了岩屑对钻头的磨损，与石油钻井工程的实际工况不符。有些研究单位所用研磨工具为PDC模拟钻头，在研磨实验时PDC模拟钻头能够破岩钻进，与石油钻井工程的实际工况相符，但是，由于PDC是一种在高温、高压条件下人工合成的超硬材料，具有较强的耐磨性、抗压强度和抗冲击韧性，同时，又由于岩心的长度有限（岩石库的岩心一般不超过150mm），这就限制了研磨实验的钻进时间，在较短的钻进时间内很难测量出PDC的磨损重量，该方法也没有得到推广应用。所以，设计的模拟钻头必须具备两点：一是在一定的压力和转速下模拟钻头对钻遇的岩心有一定的破岩效果，二是模拟钻头有被明显的磨损效果，这样才能有利于实验数据的分析研究。在通过大量资料调研和室内实验的基础上，研制了淬火钢螺旋模拟钻头作为研磨实验钻头，其硬度为HRC　45-50。

2　样机研制

2.1　研制过程简述

2.2　主要技术参数精度检测试验结果

2.3　试验装置达到的技术性能与技术创新

2.3.1　试验装置达到的技术性能

（1）采用无级变频调速器实现上主轴旋转无级调速（转速范围0-300rpm，精度为1%）。

（2）采用上主轴自动加载方式，用伺服电机和PID环节调节。通过载荷传感器，实现钻压载荷0—5KN无级可变，　加载精度±1%。

2.3.2　试验装置创新点

（1）　该试验装置集岩石研磨性测定实验与金属材料摩擦磨损实验于一体；

（2）　该试验装置集计算机智能控制与精密测试技术全程测量、采集、记录于一体，实现了岩石研磨性测定实验的全过程自动化。

结语

（1）在国内外首次研制出一套适用于石油钻井工程技术领域岩石研磨性测定试验装置，技术创新性高；

（2）研制的岩石研磨性测定试验装置，除为今后岩石研磨性检测定提供技术基础外，还能为其他金属材料摩擦磨损试验研究提供物理条件，其技术效益显著。

参考文献

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[2]　邢纪国.岩石研磨性实验研究[J].西部钻探工程，2003，15（3）：25-26.

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