(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210968601.6 (22)申请日 2022.08.12 (71)申请人 中国石油天然气集团有限公司 地址 100007 北京市东城区东 直门北大街9 号 申请人 中国石油集团川庆钻探 工程有限公 司 (72)发明人 刘彬　姚建林　董仕明　李雷　 姚坤鹏　余晟　周刚　冯明　何超　 简利　赵福金　张庆　 (74)专利代理 机构 成都中玺知识产权代理有限 公司 5123 3 专利代理师 邹腾修 (51)Int.Cl. G01N 3/58(2006.01)G01N 3/04(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种PDC单齿切削破岩实验装置以及破岩机 理分析方法 (57)摘要 本发明提供了一种PDC单齿切削破岩实验装 置以及破岩 机理分析方法， 所述实验装置包括切 削破岩装置本体、 PDC齿切削深度调节机构、 切削 速度调节机构、 切削力测量机构， 其中， 切削速度 调节机构能够调节岩石样品的切削速度； 切削破 岩装置本体用于固定安装切削深度调节机构； 切 削深度调节机构能够夹持PDC齿并精准调控其倾 角和切削深度； 切削力测量机构能够监测岩石样 品上切削力。 所述方法包括步骤： 设置切削深度、 切削速度和后倾角等参数； 监测切削力， 记录岩 石动态破碎过程； 筛分收集岩屑， 确定不同组岩 屑的质量分数， 根据岩屑分布 规律初步判定岩石 塑‑脆性破碎模式。 本发明具有能够精准调控切 削深度、 P DC齿后倾角和 切削速度等优点。 权利要求书2页 说明书10页 附图5页 CN 115326625 A 2022.11.11 CN 115326625 A 1.一种PDC单齿切削破岩实验装置， 其特征在于， 所述实验装置包括切削破岩装置本 体、 PDC齿切削深度调节机构、 切削速度调节机构和 切削力测量机构， 其中， 所述切削速度调节机构包括壳体、 控制电机、 滑轨、 底座和岩石夹持机构， 其中， 所述壳体水平设置在平面上， 所述滑轨沿壳体的长度方向设置在壳体上端面上； 所述底座 能够在所述滑轨上移动， 所述岩石夹持机构能够夹持岩石样品并固定设置在 所述底座上； 所述控制电机设置在所述壳体上， 所述控制电机能够带动底座以及岩石夹持机构以预 定速度沿滑轨轴向移动以控制岩石样品的切削速度； 所述切削破岩装置本体水平设置且位于壳体之上， 切削破岩装置本体用于固定安装 PDC齿切削深度调节机构； 所述PDC齿切削深度调节机构能够夹持P DC切削齿并调控其 倾角和切削深度； 所述切削力测量机构设置在所述底座上并位于岩石样品的远离PDC切削齿的一侧， 所 述切削力测量机构能够监测 加载在岩石样品上切削力的大小。 2.根据权利要求1所述的PDC单齿切削破岩实验装置， 其特征在于， 所述实验装置还包 括支撑板， 所述支撑板分别固定设置在壳体的左右两侧且彼此相对设置， 所述切削破岩装 置本体水平设置在支撑 板的顶部 。 3.根据权利 要求1所述的PDC单齿切削破岩实验装置， 其特征在于， 所述PDC齿切削深度 调控机构包括千分尺、 金属压片、 弹簧、 连接 螺栓和PDC齿夹持机构， 其中， 所述切削破岩装置本体上还设置有安装槽， 所述金属压片水平设置且位于安装槽上 方， 金属压片上开设有螺孔； 所述PDC齿夹持机构竖直设置在所述 安装槽中； 所述连接 螺栓设置在所述螺孔中且P DC齿夹持机构上端固定连接； 所述千分尺竖直设置且其下端与所述连接 螺栓上端固定连接； 所述弹簧的一端与金属压片连接， 另一端与切削破岩装置 本体连接 。 4.根据权利 要求3所述的PDC单齿切削破岩实验装置， 其特征在于， 所述PDC齿夹持机构 包括PDC齿夹持单 元、 紧固螺栓、 自锁垫块、 固定 螺栓和金属压 头， 其中， 所述PDC齿夹持单元左侧上设置有上斜面和下斜面， 所述自锁垫块上设置有与所述上 斜面配合的斜面， 所述紧固螺栓穿过所述安装槽侧壁将所述自锁垫块与切削破岩装置本体 固定， 所述固定螺栓将金属压头固定在所述PDC齿夹持单元上， 所述金属 压头用于将PDC切 削齿固定在P DC齿夹持单 元上。 5.根据权利要求3所述的PDC单齿切削破岩实验装置， 其特征在于， 所述千分尺包括调 节旋钮、 千分尺本体和伸缩结构， 其中， 所述千分尺本体 固定设置在切削破岩装置本体上， 所述伸缩结构上端穿过切削破岩装 置本体与千分尺本体相连， 下端和连接 螺栓上端固定连接； 所述调节旋钮设置在千分尺本体上以调节伸缩结构的伸缩长度。 6.根据权利 要求1所述的PDC单齿切削破岩实验装置， 其特征在于， 所述PDC切削齿的倾 角为0～75 °、 切削速度为1.6～ 230mm/s， 切削深度调控精度达 到0.001mm。 7.根据权利要求6所述的PDC单齿切削破岩实验装置， 其特征在于， 所述实验装置还包 括PDC齿后倾角度调节机构， 所述PDC齿后倾角度调节机构设置在所述切削破岩装置本体权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115326625 A 2上， 所述PD C齿切削深度调节机构设置在所述PD C齿后倾角度调节机构上， 所述PD C齿后倾角 度调节机构能够实现0～15 °后倾角度调节。 8.根据权利 要求7所述的PDC单齿切削破岩实验装置， 其特征在于， 所述PDC齿后倾角度 调节机构包括旋转手柄、 旋转丝杠、 锁紧螺母和调节件， 其中， 所述切削破岩装置本体上设置有第一开孔和固定轴， 所述调节件上设置有第二 开孔和调节孔， 所述旋转丝杠竖直设置在所述第一开孔中， 所述锁紧螺母套设在所述旋转 丝杠上且位于切削破岩装置本体之下， 所述旋转手柄套设在所述旋转丝杆上且位于切削破 岩装置本体之上， 所述旋转丝杠的下端设置有调节头， 所述调节头能够在所述调节孔中移 动使调节件相对固定轴转动。 9.根据权利要求1所述的PDC单齿切削破岩实验装置， 其特征在于， 所述切削力测力机 构包括金属板和设置在金属板上的多个测力传感器， 所述金属板与岩石夹持机构的侧面平 行设置。 10.一种P DC单齿切削破岩机理分析 方法， 其特 征在于， 所述方法包括 步骤： 实验开始前， 设置切削深度、 切削速度和后倾角； 实验过程中， 监测切削力波动规律， 同时， 使用高速摄像机实时记录岩石动态破碎过 程； 实验结束后， 使用不同目数的筛网筛分收集到的岩屑， 确定不同组岩屑的质量并计算 其质量分数， 根据岩屑分布规 律初步判定岩石塑 ‑脆性破碎模式。 11.根据权利要求10所述的PDC单齿切削破岩机理分析方法， 其特征在于， 所述方法还 包括： 确定切削槽表面不同位置处坐标值大小， 计算岩石破碎体积， 结合切削力均值确定岩 石破碎比能； 同时， 计算切削槽表面 粗糙度大小， 进一 步确定岩石塑 ‑脆性破碎模式。 12.根据权利要求10所述的PDC单齿切削破岩机理分析方法， 其特征在于， 所述方法还 包括： 岩石三维形貌分析结束后， 沿切削槽 中心位置处取芯， 观察岩芯表面微裂纹分布特征， 确定PDC齿破岩过程中岩石微观损伤特性； 同时， 沿切削槽不同位置处切割岩样并充分打磨， 制成铸体薄片观察切削槽底部微裂 纹分布规 律， 确定P DC齿破岩过程中岩石内部损伤特性。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115326625 A 3