监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置及方法与流程

本发明属于试验设备，具体涉及监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置及方法。

背景技术：

1、随着开采技术的不断提高，超深钻探成为一项重要课题，在超深钻探中，数千上万米的钻柱是由钻杆、钻铤等钻具连接起来的，钻杆作为传力环节中最薄弱的环节，在矿井环境下钻进的过程中极易产生裂纹而发生失效，从而导致钻探的生产过程的中断。因此，对钻杆内部的健康状态进行监测，以早期干预的方式防止其内部产生裂纹或者对已经产生的微小裂纹进行监测以预判其扩展走势，对整个超深钻探领域的重要性不言而喻。

2、目前，对钻杆内部的健康状态的研究的研究对象还仅仅是停留在具有不同失效形式或者不同失效状态的试样上。试验时，将具有不同失效形式或者不同失效状态的试样带回实验室进行力学检测，以便于确定其在某个失效状态下的力学性能从而确定其荷载能力等性能，再结合计算机中构建的力学模型对试样的状态进行模拟，反演试样的裂纹变化过程和变化过程中的参数，从而形成钻杆的安全使用参数。还有的试验能实现对钻杆的裂纹发展监测，但是其是在常规试验环境中利用磁记忆无损监测进行，该方法可以通过材料中的磁性信息来评估材料的健康状况，但磁记忆检测对于材料的磁性要求较高，只有具有一定磁性的材料才能进行有效的检测。对于非磁性材料或者磁性较弱的材料，磁记忆检测的效果会受到限制。且磁记忆检测对于外界磁场的干扰比较敏感。外界磁场的干扰可能会掩盖或干扰材料本身的磁性信号，导致检测结果不准确。

3、不管是采用基于已经失效的试样的状态反演，还是采用磁记忆无损状态监测的方法获取钻杆的安全使用参数，经事实验证，这些参数的准确率均不高，从而使得钻杆的可靠性和钻探的生产安全得不到有力的保证，无形中增大了钻探生产的经济成本。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置及方法，提高了钻杆的可靠性，使得钻探的生产安全得到了有力的保证，无形中降低了钻探生产的经济成本。

2、本发明的技术方案是：

3、监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置，包括反应釜，所述反应釜的内部设置有加热组件，用于给所述反应釜内部提供高温的环境，还包括：

4、盐雾供给组件，用于将cl-，溶液和矿井水混合后转化为盐雾输送到所述反应釜内，所述盐雾供给组件的输出端和所述反应釜连通；

5、空气增压组件，用于根据所述反应釜内的实时压力调整输入到所述反应釜内的空气压力，使得所述反应釜内的实时压力达到预定压力，所述空气增压组件的输出端和所述反应釜连通。

6、优选的，所述盐雾供给组件包括：

7、第一储罐，用于储存cl-，溶液，所述第一储罐与第一高压平流泵的一端连通，所述第一高压平流泵用于定量输出cl-，溶液；

8、第二储罐，用于储存矿井水溶液，所述第二储罐与第二高压平流泵的一端连通，所述第二高压平流泵用于定量输出矿井水溶液；

9、合路器，入口分别与所述第一高压平流泵、所述第二高压平流泵连通，所述合路器的出口通过开关阀一与所述反应釜内部连通，用于实现cl-，溶液和矿井水溶液的混合；

10、第一空气压缩机，设置在所述合路器和所述开关阀一之间，用于将混合后的cl-，溶液和矿井水溶液转化成盐雾输送到所述反应釜内。

11、优选的，还包括第三储罐，用于储存cl-，溶液，所述第三储罐的出口设置有用于调整第三储罐出口压力的第一调压阀，所述第三储罐和第一增压泵的一端连通，所述第一增压泵的另一端与第一储罐连通，所述第一增压泵用于将增压后的cl-，溶液输送到所述第一储罐内，所述第一增压泵与第一储罐连通的管路二上还设置有用于控制管路通断的开关阀二。

12、优选的，还包括依次设置的第二调压阀和开关阀三，所述第二调压阀和开关阀三设置在所述合路器的出口与所述第一空气压缩机之间。

13、优选的，还包括第一压力表和第二增压泵，所述第二增压泵和第一压力表依次设置在所述第一空气压缩机和所述开关阀一之间，所述第二增压泵用于对盐雾增压，所述第一压力表用于测量盐雾压力。

14、优选的，所述空气增压组件包括：

15、第四储罐，用于储存空气，所述第四储罐与第二空气压缩机的一端连通，所述第二空气压缩机的另一端与所述反应釜连通，所述第四储罐与第二空气压缩机之间还设置有开关阀四和第二压力表，所述开关阀四上连接有驱动件，所述开关阀四在驱动件的作用下实现管路的开度的调整，所述第二压力表用于测量空气压力。

16、优选的，还包括装夹组件和加载组件，所述装夹组件用于将待测的钻杆装夹在所述反应釜内，所述加载组件用于给待测的钻杆上单独施加拉载荷、压载荷、扭矩、弯矩或者其任意几种的组合。

17、利用上述的监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置进行实验的方法，包括如下步骤：

18、将待测的钻杆装夹在所述反应釜内的装夹组件上；

19、开启加热组件给反应釜内部升温到预定温度后停止；

20、将第一调压阀设置压力为实验压力，开启第一增压泵为第三储罐中的cl-，溶液增压；

21、待第三储罐中的cl-，溶液压力达到实验压力后，控制开关阀二开启，使cl-，溶液进入到第一储罐；

22、开启第一高压平流泵、第二高压平流泵，分别为第一储罐、第二储罐中的cl-，溶液和矿井水溶液进行增压，为第二调压阀设置压力为实验压力；

23、待第一储罐、第二储罐中的cl-，溶液和矿井水溶液的压力达到实验压力，控制开关阀三开启；

24、开启第一空气压缩机、第二增压泵以及第一压力表，cl-，溶液和矿井水溶液经过第二增压泵进行二次增压确保cl-，溶液和矿井水溶液达到实验压力进入反应釜，第一空气压缩机将cl-，溶液和矿井水溶液转化为盐雾，第一压力表用于监测cl-，溶液和矿井水溶液输入压力；

25、开启第二空气压缩机、驱动件以及第二压力表，待第二空气压缩机将第四储罐中的空气增压到驱动件设定压力，驱动件控制开关阀四开启，高压气体进入反应釜，创造高压环境，第二压力表用于监测系统压力；

26、启动加载组件进行加载获取相应的实时监测信息。

27、与现有技术相比，本发明提供的监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置及方法，利用加热组件、盐雾供给组件和空气增压组件协同作用，能真实的还原矿井环境，使得钻杆在与矿井环境一致的条件下进行加载，从而将矿井环境参数与受力状态参数耦合作用的影响考虑进去，获得更加贴近真实状态的钻杆裂纹扩展失效过程中的监测实验数据，使得监测实验数据更可靠，利用该监测实验数据形成的钻杆的安全使用参数与实际使用状态的拟合度更高，该安全使用参数提高了钻杆的可靠性，使得钻探的生产安全得到了有力的保证，无形中降低了钻探生产的经济成本。

技术特征：

1.监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置，包括反应釜，所述反应釜的内部设置有加热组件，用于给所述反应釜内部提供高温的环境，其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置，其特征在于，所述盐雾供给组件包括：

3.根据权利要求2所述的监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置，其特征在于，还包括第三储罐(2)，用于储存cl-，溶液，所述第三储罐(2)的出口设置有用于调整第三储罐(2)出口压力的第一调压阀(12)，所述第三储罐(2)和第一增压泵(6)的一端连通，所述第一增压泵(6)的另一端与第一储罐(3)连通，所述第一增压泵(6)用于将增压后的cl-，溶液输送到所述第一储罐(3)内，所述第一增压泵(6)与第一储罐(3)连通的管路二上还设置有用于控制管路通断的开关阀二(14)。

4.根据权利要求3所述的监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置，其特征在于，还包括依次设置的第二调压阀(13)和开关阀三(15)，所述第二调压阀(13)和开关阀三(15)设置在所述合路器的出口与所述第一空气压缩机(11)之间。

5.根据权利要求4所述的监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置，其特征在于，还包括第一压力表(19)和第二增压泵(9)，所述第二增压泵(9)和第一压力表(19)依次设置在所述第一空气压缩机(11)和所述开关阀一(21)之间，所述第二增压泵(9)用于对盐雾增压，所述第一压力表(19)用于测量盐雾压力。

6.根据权利要求5所述的监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置，其特征在于，所述空气增压组件包括：

7.根据权利要求6所述的监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置，其特征在于，还包括装夹组件和加载组件，所述装夹组件用于将待测的钻杆装夹在所述反应釜内，所述加载组件用于给待测的钻杆上单独施加拉载荷、压载荷、扭矩、弯矩或者其任意几种的组合。

8.如权利要求7所述的监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置进行实验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明属于试验设备技术领域，涉及监测矿井环境下钻杆裂纹扩展的实验装置及方法，实验装置包括反应釜，反应釜的内部设有加热组件，用于给反应釜内部提供高温的环境，还包括盐雾供给组件，用于将cl<supgt;‑</supgt;，溶液和矿井水混合后转化为盐雾输送到反应釜内，盐雾供给组件的输出端和反应釜连通；空气增压组件，用于根据反应釜内的实时压力调整输入到反应釜内的空气压力，使得反应釜内的实时压力达到预定压力，空气增压组件的输出端和反应釜连通。本发明考虑了矿井环境参数与受力状态参数的耦合作用，能获得更加贴近真实状态的钻杆裂纹扩展失效过程中的监测实验数据，提高了钻杆可靠性，保证了钻探的生产安全，无形中降低了钻探生产的经济成本。

技术研发人员：彭腊梅,史姗,栗宗明,曹晨,丰德友
受保护的技术使用者：陕西太合智能钻探有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15