一种模拟激光钻井破岩的实验方法及实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于研宄激光破碎岩石机理的实验方法和实验装置，具体地说是一种模拟激光钻井破岩的实验方法及实验装置。
【背景技术】
[0002]随着科技高速发展，激光钻井因其高效环保，越来越受到人们的重视。然而人们对于激光钻井破岩理论研宄所需实验装置并不完备，实验方法也十分粗糙，难以保证实验的准确性。其常用的激光破岩实验装置有以下不足:模拟不够真实，激光光斑调整精度不高，污染环境。因此，研宄出一种真实模拟井下岩石所受围压、精度高的实验方法成为激光钻井破岩理论研宄亟待解决的问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种激光破碎岩石实验模拟真实、激光光斑调整精度高并且无环境污染的模拟激光钻井破岩的实验方法及实验装置。
[0004]实现本发明目的所采用的技术方案为，一种模拟激光钻井破岩的实验方法，包括如下步骤:
[0005]I)将岩样放入透明的带进气口和出气口的密封盒中，限制岩样在X轴方向和Y轴方向的位移，使用高度传感器测量并且标定岩样的表面高度；
[0006](2)确定岩样的破碎点，破碎点之间间隔为30?50毫米，调整并标定各个破碎点的位置，避免破碎点在岩样裂缝上；
[0007](3)沿X轴方向和Y轴方向向岩样施加压力使岩样受压产生双轴应力以模拟地层岩石的应力，然后将密封盒密封；
[0008](4)从密封盒的进气口向密封盒中通入循环气体，同时从密封盒的出气口向外抽气，循环气体充满密封盒以模拟激光钻井中的气体循环氛围，激光切割头依次照射岩样的各破碎点对岩样进行破碎，收集岩样破碎过程中抽出的气体作为实验气体；所述循环气体为氮气、氦气或空气。
[0009]步骤4中激光切割头在各个破碎点破岩的时间为I?20秒，各个破碎点破碎的时间间隔为I?20秒。
[0010]步骤4中激光切割头选用正离焦方式对岩样破碎点进行破碎。
[0011]本发明还对应提供了一种模拟激光钻井破岩的实验装置，包括控制台、操作台、方向调整组件、固定在方向调整组件上的激光切割头、液压系统、密封单元和与密封盒连通的气体收集单元，激光切割头、方向调整组件、液压系统、密封单元和气体收集单元均安装在操作台上并且均由控制台控制运行，液压系统和气体收集单元均位于激光切割头的下方；方向调整组件包括实验台主架，X轴方向调整组件，Y轴方向调整组件和Z轴方向调整组件，所述实验台主架包括水平安装的实验台横梁，以及竖直固定在实验台横梁两端的实验台支柱A和实验台支柱B，激光切割头固定在Z轴方向调整组件上，Z轴方向调整组件固定在X轴方向调整组件上，X轴方向调整组件安装于实验台主架上，实验台主架安装在Y轴方向调整组件上；
[0012]所述X轴方向调整组件包括齿轮齿条机构A、步进电机A、X轴方向导轨副A和X轴方向安装底座，齿条A与X轴方向导轨副A固定于实验台横梁的同一竖直侧面上，X轴方向安装底座呈板状，固定于X轴方向导轨副A的滑块并且紧靠于滑块的侧面，步进电机A固定在X轴方向安装底座上，其输出轴与齿轮A连接；所述Y轴方向调整组件包括Y轴方向导轨副A、Y轴方向导轨副B、齿轮齿条机构B、步进电机B，步进电机B固定于Y轴方向导轨副A的滑块上，通过齿轮齿条机构B驱动Y轴方向导轨副A和Y轴方向导轨副B，实验台支柱A和实验台支柱B分别安装在Y轴方向导轨副A和Y轴方向导轨副B上；所述Z轴方向调整组件包括滚珠丝杠副和驱动滚珠丝杠副转动的步进电机C，滚珠丝杠副固定于X轴方向安装底座上，激光切割头固定在滚珠丝杠副的螺母上；
[0013]所述液压系统包括液压油箱、液压泵、电磁阀、液压缸A、由液压缸A活塞杆推动的推板A、液压缸B和由液压缸B活塞杆推动的推板B，液压油箱、液压泵和电磁阀通过油管依次顺序连通，电磁阀的出油口分别与液压缸A和液压缸B的进油口连通，推板A和推板B所在平面分别与液压缸A和液压缸B的活塞杆垂直，推板A和推板B所在平面成90°夹角，分别沿X轴方向和Y轴方向对岩样施加压力；
[0014]所述密封单元包括固定在操作台上的密封盒、位于密封盒顶部的透明上罩以及岩样底座，岩样通过岩样底座固定在密封盒中，上罩位于密封盒与激光切割头之间，推板A和推板B均位于密封盒内；
[0015]所述气体收集单元包括安装在操作台上的气体收集实验箱，安装在气体收集实验箱中的真空泵、两位三通电磁换向阀、气体单向阀和集气瓶，以及安装在气体收集实验箱外的气罐；两位三通电磁换向阀的入口连通气罐，出口 A连通密封盒的进气口，出口 B接气体单向阀后连通密封盒的出气口，密封盒的出气口同时与真空泵的进气口连通，真空泵的出气口气管连通集气瓶。
[0016]实验台支柱与Y轴方向导轨副之间设有实验台支柱安装底座，实验台支柱与Y轴方向导轨副通过实验台支柱安装底座连接；x轴方向安装底座上安装有固定盒，X轴方向安装底座位于X轴方向导轨副A的滑块与固定盒之间，步进电机A、Z轴方向调整组件和激光切割头均位于固定盒中，步进电机A的输出轴穿过X轴方向安装底座和固定盒的盒壁与齿轮A连接，固定盒的底面上开设有用于激光穿过的通孔；所述激光切割头为HIGHYAG系列中BMO-FSC激光切割头，激光切割头中设有电容式高度感应传感器和红光发射器。
[0017]X轴方向调整组件和Y轴方向调整组件中分别设有拖链A和拖链B，拖链A位于实验台横梁的顶面上，拖链B位于操作台上并且靠近Y轴方向导轨副B。
[0018]液压油箱与电磁阀之间设有滤油器、油压表、溢流阀和冷却器，液压油箱、滤油器、液压泵和电磁阀通过油管依次顺序连通，用于为电磁阀供油，所述电磁阀为三位四通电磁换向阀，三位四通电磁换向阀入口 P接液压泵出口，回油口 T接冷却器再与油箱连通，其中一个出口 A 口接液压缸A和液压缸B的进油口，另一个出口 B 口接液压缸A和液压缸B的出油口 ；液压泵的出口接油压表和溢流阀后与液压油箱连通。
[0019]所述液压缸A和液压缸B的活塞杆与推板A和推板B分别通过连接轴A和连接轴B连接，连接轴A和连接轴B均穿过密封盒并且一端伸入密封盒中，密封盒与连接轴A和连接轴B之间分别设有密封环A和密封环B ;岩样底座、推板A和推板B的表面均覆盖有一层橡胶板。
[0020]气体收集单元中的集气瓶设有4个，分别为集气瓶A、集气瓶B、集气瓶C和集气瓶D，真空泵与集气瓶之间连通有4个两位三通电磁换向阀，分别为两位三通电磁换向阀A、两位三通电磁换向阀B、两位三通电磁换向阀C和两位三通电磁换向阀D ;两位三通电磁换向阀A的入口与真空泵的出气口连通，出口 A连接两位三通电磁换向阀B入口，出口 B连接有用于向外界排气的单向阀；两位三通电磁换向阀B的出口 A连接两位三通电磁换向阀C的入口，出口 B连接两位三通电磁换向阀D入口 ；两位三通电磁换向阀C的出口 A和出口 B分别与集气瓶A和集气瓶B连通，两位三通电磁换向阀D的出口 A和出口 B分别与集气瓶C和集气瓶D连通；气体收集实验箱的控制面板上设有用于指示各集气瓶集气状态的集气指示灯A、集气指示灯B、集气指示灯C和集气指示灯D。
[0021]所述气体收集单元中设有气压表A、气体溢流减压阀、气压表B、气体流量计和A、气体流量计B和分水滤气器，气罐、气压表A、气体溢流减压阀、气压表B、两位三通电磁换向阀、气体流量计A、密封盒、分水滤气器和真空泵通过气管依次顺序连通，真空泵的出气口接气体流量计B后与两位三通电磁换向阀A的入口连通，真空泵的出气口同时连接用于保护回路安全的气体溢流阀。
[0022]本发明提供的模拟激光钻井破岩的实验方法及实验装置具有如下优点:
[0023](I)实验模拟更真实，采用双轴压力挤压岩样，模拟地层应力，