一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台及其试验方法

本发明涉及土工程勘察，具体涉及一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台及其试验方法。

背景技术：

1、在当前工程应用中，采用水平定向钻技术对隧道进行地质勘察时，在正常钻进过程中，为了保证钻进效率和勘察的精准度，通常采用三牙轮钻头全断面破碎钻进并结合定点取芯进行钻进施工，施工中无法获取全孔岩心，因此在钻进时无法获得岩石强度大小。因此，需要有一种可以根据钻进参数来反反演岩石强度的试验装置和试验方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台及其试验方法，可以用于测量三牙轮钻头正常钻进破碎岩体时的钻进压力、钻进速度、钻头的转速和扭矩，并建立钻进参数与岩石单轴抗压强度之间的定量关系。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台，包括液压系统、旋转动力系统、参数测量系统和试验架；液压系统和旋转动力系统均安装于试验架上，液压系统包括液压装置和岩石箱，液压装置用于驱动岩石箱移动，旋转动力系统包括泥浆泵、螺杆马达和钻头，泥浆泵通过输送系统连接螺杆马达，泥浆泵用于驱动螺杆马达带动钻头旋转，输送系统用于输送钻井液；参数测量系统包括位移测量装置、钻压测量装置、水压测量装置、流量测量装置和转速扭矩测量装置，位移测量装置用于测量岩石箱的位移量，钻压测量装置用于测量液压装置的输出压力，水压测量装置和流量测量装置分别用于测量输送系统中钻井液的压强和流量，转速扭矩测量装置用于测量钻头的转速和扭矩。

3、作为一种优选，位移测量装置为拉线式位移传感器，钻压测量装置为压力传感器，水压测量装置为液压表，流量测量装置为电磁流量计，转速扭矩测量装置为动态扭矩传感器。

4、作为一种优选，一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台还包括数据采集器和电脑，电脑连接数据采集器，数据采集器分别通过数据线连接位移测量装置、钻压测量装置、水压测量装置、流量测量装置和转速扭矩测量装置。

5、作为一种优选，液压系统还包括导轨，导轨水平设置，导轨固定于试验架上，岩石箱滑动连接导轨，螺杆马达安装于试验架上。

6、作为一种优选，岩石箱呈顶端和前端均开口的长方体状，液压装置连接岩石箱的后端，钻头从岩石箱的前端钻进；岩石箱由4块15mm厚的钢板焊接而成，岩石箱的两侧分别设有多排用于固定岩石的螺钉。

7、作为一种优选，泥浆泵为三缸往复式泥浆泵，钻头为三牙轮钻头，螺杆马达的工作参数与泥浆泵的工作参数相匹配。

8、作为一种优选，一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台还包括中空短节，螺杆马达通过中空短节连接钻头，动态扭矩传感器安装于中空短节与螺杆马达之间。

9、作为一种优选，动态扭矩传感器包括输入轴和输出轴，输入轴连接螺杆马达，输出轴通过中空短节连接钻头，输入轴和输出轴均为中空旋转轴，输入轴的内部连通输出轴的内部。

10、作为一种优选，液压装置包括油缸和油泵，油泵通过输油管连接油缸，油缸安装于试验架上，压力传感器安装于油缸与岩石箱之间，压力传感器通过法兰连接液压装置，压力传感器通过螺栓和螺母固定连接法兰。

11、上述一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台的试验方法，包括如下步骤：

12、s1，试验系统检测：启动液压装置，液压装置推动岩石箱往前移动，同时检测参数测量系统、数据采集器和电脑是否正常，然后将液压系统和参数测量系统全部关闭；

13、s2，安装岩石：将岩石切割成300mm×300mm×600mm的长方体状，放入岩石箱内，在岩石箱内的两侧分别放入两块钢板，并采用螺钉固定住钢板和岩石，岩石的300×300mm的面对准钻头；

14、s3，打开旋转动力系统：打开泥浆泵，调节泥浆泵的档位，检查水压测量装置、流量测量装置和转速扭矩测量装置是否正常显示；

15、s4，调整液压推进速度：打开液压系统，通过调节液压系统，使推进速度调整到预定值，并将岩石箱匀速往前推动，过程中检查位移测量装置和钻压测量装置是否正常；

16、s5，初始数据记录：在电脑中查看数据采集器采集的数据，记录岩石与钻头开始接触时的位移数据；

17、s6，控制钻孔深度：保持岩石匀速前进，在钻头破碎岩石过程中，数据采集器持续采集位移数据，通过位移数据判断钻孔深度，当钻孔深度达到预定值时，关闭液压系统和泥浆泵；

18、s7，消除钻进压力因摩擦所产生的误差：调节液压系统，使岩石后退至初始位置，再次调节，使液压系统的油缸按照试验时的速度推进至钻孔底部与钻头接触位置，记录往前推进过程中的钻进压力数据，此时的钻进压力数据为液压油缸推动岩石箱与岩石时所产生的的摩擦力大小；

19、s8，更换岩石：将当前的岩石取出，换一块不同强度的岩石；

20、s9，重复步骤s2～s8；

21、s10，导出并处理采集到的数据；

22、s11，分别测量已做过试验的岩石的单轴抗压强度，并建立钻进参数与岩石单轴抗压强度之间的定量关系。

23、总的说来，本发明具有如下优点：

24、(1)本发明的系统钻进压力最大可达5吨，旋转动力采用bw250泥浆泵和螺杆泥浆马达，扭矩最大可达1177n.m，可带动钻头直径可达149mm。

25、(2)本发明试验台的钻压动力、旋转动力系统与施工现场的定向钻机工作原理大致相同，使得试验得出的结果与施工现场得出参数基本一致。

26、(3)本发明中参数测量系统可实时采集试验过程中的钻头转速、扭矩、钻进速度、钻进压力、系统水流量和水压力等参数，解决了现场无法直接采集孔底钻头转速和扭矩的问题，能够为分析钻进参数与岩石强度之间定量关系提供更真实有效的数据。

技术特征：

1.一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台，其特征在于：包括液压系统、旋转动力系统、参数测量系统和试验架；

2.按照权利要求1所述的一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台，其特征在于：位移测量装置为拉线式位移传感器，钻压测量装置为压力传感器，水压测量装置为液压表，流量测量装置为电磁流量计，转速扭矩测量装置为动态扭矩传感器。

3.按照权利要求1所述的一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台，其特征在于：还包括数据采集器和电脑，电脑连接数据采集器，数据采集器分别通过数据线连接位移测量装置、钻压测量装置、水压测量装置、流量测量装置和转速扭矩测量装置。

4.按照权利要求1所述的一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台，其特征在于：液压系统还包括导轨，导轨水平设置，导轨固定于试验架上，岩石箱滑动连接导轨，螺杆马达安装于试验架上。

5.按照权利要求1所述的一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台，其特征在于：岩石箱呈顶端和前端均开口的长方体状，液压装置连接岩石箱的后端，钻头从岩石箱的前端钻进；岩石箱由4块15mm厚的钢板焊接而成，岩石箱的两侧分别设有多排用于固定岩石的螺钉。

6.按照权利要求1所述的一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台，其特征在于：泥浆泵为三缸往复式泥浆泵，钻头为三牙轮钻头，螺杆马达的工作参数与泥浆泵的工作参数相匹配。

7.按照权利要求2所述的一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台，其特征在于：还包括中空短节，螺杆马达通过中空短节连接钻头，动态扭矩传感器安装于中空短节与螺杆马达之间。

8.按照权利要求7所述的一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台，其特征在于：动态扭矩传感器包括输入轴和输出轴，输入轴连接螺杆马达，输出轴通过中空短节连接钻头，输入轴和输出轴均为中空旋转轴，输入轴的内部连通输出轴的内部。

9.按照权利要求1所述的一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台，其特征在于：液压装置包括油缸和油泵，油泵通过输油管连接油缸，油缸安装于试验架上，压力传感器安装于油缸与岩石箱之间，压力传感器通过法兰连接液压装置，压力传感器通过螺栓和螺母固定连接法兰。

10.一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台的试验方法，采用权利要求1～9任一项所述的一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台，其特征在于：包括如下步骤：

技术总结
一种定向钻进参数反演岩石强度模型试验台及其试验方法，该试验台包括液压系统、旋转动力系统、参数测量系统和试验架；液压系统和旋转动力系统均安装于试验架上，液压系统包括液压装置和岩石箱，液压装置用于驱动岩石箱移动，旋转动力系统包括泥浆泵、螺杆马达和钻头，泥浆泵通过输送系统连接螺杆马达，输送系统用于输送钻井液；参数测量系统包括位移测量装置、钻压测量装置、水压测量装置、流量测量装置和转速扭矩测量装置，该试验方法采用上述试验台，可根据实测数据建立牙轮钻头破岩时的钻进压力、钻进速度、钻头的转速和扭矩四个参数与岩石单轴抗压强度之间的定量关系，为山体隧道TBM掘进施工提供可靠的参考依据，属于土工程勘察技术领域。

技术研发人员：赵强,马保松,黄胜
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7