本发明专利技术公开了一种冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置及方法，模拟装置包括有操作台、支架、电机和控制系统，其中支架和控制系统均装配在操作台上，电机设在支架的底座上，电机的输出轴连接有丝杠，丝杠的顶端枢接在支架顶端横板下方的端盖上，电机能够驱使丝杠转动，其方法为：步骤一、模拟装置组装；步骤二、使卡断器角度发生改变；步骤三、锁紧调节螺母；步骤四、使卡断器靠近冰芯或岩心；步骤五、传输给可编程逻辑控制器PLC；步骤六、卡断器继续匀速下降；步骤七、卡断力数据曲线在卡断力显示器上显示；步骤八、得出冰芯或岩心质量。有益效果：能够为极地冰层和冰下基岩层反循环连续取心钻具设计以及现场冰芯或岩心自动等长卡断提供依据。供依据。供依据。
【技术实现步骤摘要】
一种冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置及方法
[0001]本专利技术涉及一种偏心卡断过程模拟装置及方法，特别涉及一种冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置及方法。
技术介绍
[0002]目前，在极地冰层和冰下基岩层的机械取芯钻进过程中，钻得一定长度冰芯或岩心后提拉钻具至地表以收集冰芯或岩心等操作，增加了钻进辅助时间，减缓了钻进效率。双壁钻杆流体(压缩空气、低温钻井液)反循环连续取心钻进过程中，冰芯或岩心由偏心卡断装置卡断，然后随着反循环钻进流体从钻具内管中心通道循环至地表，省去提钻进行冰芯或岩心收集等操作，极大地提高了钻进效率。但是冰芯或岩心卡断过程中会产生一定的侧向位移，钻具内管的内径应满足冰芯或岩心产生侧向位移的空间需求，并且在冰芯或岩心卡断过程中需要受到足够的卡断力以产生侧向位移。冰芯或岩心卡断过程中不同钻进速度、卡断器角度、冰芯或岩心直径及冰芯或岩心长度对冰芯或岩心横向位移、冰芯或岩心卡断力及冰芯或岩心质量都可能具有较大影响，因此对其影响机制进行深入研究就显得尤为重要。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的是为了深入研究极地冰层和冰下基岩层反循环连续取心钻进的冰芯或岩心偏心卡断、优化改进冰芯或岩心偏心卡断方法以及不同卡断速度、卡断器角度、冰芯或岩心直径、冰芯或岩心长度对冰芯或岩心卡断时间、冰芯或岩心卡断过程中产生的横向位移、冰芯或岩心卡断力、冰芯或岩心质量影响规律等诸多因素，而提供的一种冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置及方法。
[0004]本专利技术提供的冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置包括有操作台、支架、电机和控制系统，其中支架和控制系统均装配在操作台上，电机设在支架的底座上，电机的输出轴连接有丝杠，丝杠的顶端枢接在支架顶端横板下方的端盖上，电机能够驱使丝杠按设定频率进行转动，支架上还设置有与丝杠相平行的滑杆，丝杠上螺接有上滑块，上滑块的另一端穿设在滑杆上，丝杠转动过程中能够带动上滑块沿滑杆进行上下滑动，上滑块的外端枢接有球头斜杆，球头斜杆的下端装配有卡断器，对应卡断器位置的操作台上设置有试件固定孔，试件固定孔内能够固定冰芯或岩心，卡断器上装配有传感器，传感器和电机均与控制系统相连接，传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，控制系统为电机提供电力并控制电机的工作。
[0005]电机为伺服电机。
[0006]球头斜杆上开设有滑槽，滑槽内卡接有梯形螺母，梯形螺母能够在滑槽内进行滑动，梯形螺母的外端螺接有L型连杆，L型连杆的头端通过调节螺杆与下滑块相螺接，调节螺杆穿设在L型连杆的头端，L型连杆的头端两侧的调节螺杆上分别螺接有调节螺母，通过两个调节螺母的移动从而改变L型连杆在调节螺杆上的位置，下滑块也穿设在滑杆上，下滑块
的上端与上滑块的下端之间通过连杆相连接，通过连杆的作用保证了下滑块和上滑块在滑杆上进行同步滑动。
[0007]球头斜杆下端的卡断器为长方体金属块，传感器通过侧立定位板被装配在球头斜杆与长方体金属块之间，球头斜杆和传感器同轴且轴线通过长方体金属块中心并垂直于长方体金属块面积最大的侧面。
[0008]试件固定孔下方操作台下装配有液压三爪卡盘，通过液压三爪卡盘对试件固定孔内插设的冰芯或岩心进行固定，液压三爪卡盘与控制系统相连接，液压三爪卡盘由控制系统提供动力并由控制系统控制工作。
[0009]控制系统内包括有液压三爪卡盘控制开关、电机调速控制器、可编程逻辑控制器PLC、卡断力显示器和卡断时间显示器，其中卡断力显示器和卡断时间显示器均与可编程逻辑控制器PLC相连接，液压三爪卡盘控制开关与液压三爪卡盘连接，通过液压三爪卡盘控制开关控制液压三爪卡盘的开闭，电机调速控制器与电机连接，通过电机调速控制器的旋钮控制电机转速，从而改变丝杠旋转速度，带动上滑块及下滑块沿滑杆竖直方向同步匀速下降，进而调节卡断器的移动速度，卡断力显示器还与传感器连接，通过卡断力显示器接收并显示传感器采集的卡断力数据，再传递给可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC能够通过编程根据输入的卡断力数据算得卡断时间，可编程逻辑控制器PLC再将信号输出给卡断时间显示器，使卡断时间显示于卡断时间显示器，控制系统内还装配有急停开关、电源控制开关和电源控制器。
[0010]上述的电机、传感器、液压三爪卡盘、液压三爪卡盘控制开关、电机调速控制器、可编程逻辑控制器PLC、卡断力显示器、卡断时间显示器、急停开关、电源控制开关和电源控制器均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
[0011]本专利技术提供的冰芯或岩心偏心卡断过程模拟方法，其方法包括的步骤如下：
[0012]步骤一、将模拟装置组装完毕后，按照设计的实验方案，选定冰芯或岩心小直径段的直径和长度，将其粗径部分通过液压三爪卡盘夹持，且保证冰芯或岩心粗径上端面与操作台的台面处于同一水平面；
[0013]步骤二、调节L型连杆头端两侧的调节螺母使其在调节螺杆上的位置发生改变，随着L型连杆的水平位移，梯形螺母在球头斜杆滑槽内滑动，球头斜杆的斜度发生改变，卡断器角度发生改变；
[0014]步骤三、卡断器与水平线的夹角达到实验要求后，锁紧L型连杆头端两侧的调节螺母并用螺栓锁紧梯形螺母；
[0015]步骤四、通过控制系统内的电机调速控制器控制电机转速，驱使丝杠匀速旋转，带动上滑块和下滑块沿滑杆竖直方向同步匀速下降，使卡断器按照实验方案设计的运动速度匀速靠近冰芯或岩心；
[0016]步骤五、卡断器按照设计的实验方案匀速下降到与冰芯或岩心边缘接触，传感器采集此刻冰芯或岩心的受力情况，在卡断力显示器上显示并传输给可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC读取并触发可编程逻辑控制器PLC中计时程序开始计时；
[0017]步骤六、卡断器继续匀速下降，强制冰芯或岩心产生侧向位移，随着卡断器位移的增加，冰芯或岩心底部边缘产生裂纹，裂纹逐渐扩展直至完全断裂；
[0018]步骤七、冰芯或岩心完全断裂的瞬时，传感器中的卡断力消失，可编程逻辑控制器
PLC中计时程序停止计时，计时数据即为冰芯或岩心卡断时间，随后卡断时间在卡断时间显示器上显示，且卡断器与冰芯或岩心边缘接触直至冰芯或岩心完全断裂的卡断力数据曲线在卡断力显示器上显示；
[0019]步骤八、冰芯或岩心偏心卡断结束后，对冰芯或岩心的完整度以及表面的破损情况进行观察，得出卡断过程中获取的冰芯或岩心质量。
[0020]本专利技术的工作原理如下所述：
[0021]本专利技术提供的冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置及方法使用液压三爪卡盘夹持已确定小直径段直径和长度待实验的冰芯或岩心的底端粗径部分，并保证粗径部分上端面与操作台的台面处于同一水平面，通过调节L型连杆头端两侧的调节螺母，改变L型连杆在调节螺杆上的位置，随着L型连杆的水平位移，梯形螺母在球头斜杆滑槽内滑动，球头斜杆的斜度发生改变，使卡断器与水平线的夹角改变直至达到实验方案要求，后锁紧L型连杆头端两侧调节螺母并用螺栓锁紧梯形螺母，通过电机调速控制器控制电机转速，驱使丝杠匀速旋转，带动上滑块和下滑块沿滑杆本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置，其特征在于：包括有操作台、支架、电机和控制系统，其中支架和控制系统均装配在操作台上，电机设在支架的底座上，电机的输出轴连接有丝杠，丝杠的顶端枢接在支架顶端横板下方的端盖上，电机能够驱使丝杠按设定频率进行转动，支架上还设置有与丝杠相平行的滑杆，丝杠上螺接有上滑块，上滑块的另一端穿设在滑杆上，丝杠转动过程中能够带动上滑块沿滑杆进行上下滑动，上滑块的外端枢接有球头斜杆，球头斜杆的下端装配有卡断器，对应卡断器位置的操作台上设置有试件固定孔，试件固定孔内能够固定冰芯或岩心，卡断器上装配有传感器，传感器和电机均与控制系统相连接，传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，控制系统为电机提供电力并控制电机的工作。2.根据权利要求1所述的一种冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置，其特征在于：所述的电机为伺服电机。3.根据权利要求1所述的一种冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置，其特征在于：所述的球头斜杆上开设有滑槽，滑槽内卡接有梯形螺母，梯形螺母能够在滑槽内进行滑动，梯形螺母的外端螺接有L型连杆，L型连杆的头端通过调节螺杆与下滑块相螺接，调节螺杆穿设在L型连杆的头端，L型连杆的头端两侧的调节螺杆上分别螺接有调节螺母，通过两个调节螺母的移动从而改变L型连杆在调节螺杆上的位置，下滑块也穿设在滑杆上，下滑块的上端与上滑块的下端之间通过连杆相连接，通过连杆的作用保证了下滑块和上滑块在滑杆上进行同步滑动。4.根据权利要求1所述的一种冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置，其特征在于：所述的球头斜杆下端的卡断器为长方体金属块，传感器通过侧立定位板被装配在球头斜杆与长方体金属块之间，球头斜杆和传感器同轴且轴线通过长方体金属块中心并垂直于长方体金属块面积最大的侧面。5.根据权利要求1所述的一种冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置，其特征在于：所述的试件固定孔下方操作台下装配有液压三爪卡盘，通过液压三爪卡盘对试件固定孔内插设的冰芯或岩心进行固定，液压三爪卡盘与控制系统相连接，液压三爪卡盘由控制系统提供动力并由控制系统控制工作。6.根据权利要求1或4或5所述的一种冰芯或岩心偏心卡断过程模拟装置，其特征在于：所述的控制系统内包括有液压三爪卡盘控制开关、电机调速控制器、可编程逻辑控制器PLC、卡断力显示器和卡断时间显示器，其中卡断力显示器和卡断时间显示器均与可编程逻辑控制器PLC相连接，液压...
【专利技术属性】
技术研发人员：王如生，崔志豪，吕欣雨，范晓鹏，宫达，洪嘉琳，张楠，王婷，杨阳，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。