CN109724860B - 泥岩岩芯存取装置及其存取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩石力学实验领域，具体公开一种泥岩岩芯存取装置及其存取方法，该装置包括内包层、整体支架、保形浇注层和加压弹簧组件，金属整体支架内设有保形浇注层，保形浇注层内设有内包层，整体支架上部与内包层之间设有加压弹簧组件；该方法包括：内包层包裹泥岩岩芯样品，整体支架与泥岩岩芯样品定位，整体支架、加压弹簧组件、保形浇注层的安装，在保形浇注层内浇注固化材料，对泥岩岩芯样品进行保形，控制加压弹簧组件，模拟泥岩岩芯样品三向受压状态，即模拟泥岩岩芯样品的存储状态，泥岩岩芯样品取样，从而完成泥岩岩芯的存取。本发明能够保证泥岩岩芯样品历经长时间搁置和长距离运输后，依旧保持泥岩岩芯样品刚出孔时的物理力学性能。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学实验领域，具体涉及一种能较长时间保持泥岩样品原位形状、初始应力状态以及湿度的泥岩岩芯存取装置及其存取方法。
背景技术
泥岩是一种弱固结的黏土经过后生作用形成的岩石，因其黏土成分较高，质地松软，固结程度较页岩弱，重结晶不明显，使得钻孔中取出的泥岩样品具有低强度、易变形，易吸水的特点。这些特点导致泥岩在长途运输过程中形状及含水率等关键物理、力学性质易发生较大变化，难以在室内进行还原度较高的试验研究。
目前国内尚没有完善的存取泥岩岩芯的相关技术手段，往往力学试验的工作者只能在现场沉重的岩芯箱或岩芯槽中选取相对完整的样品，粗略包装后运送回实验室。对于强度和硬度都较高的花岗岩和砂岩尚可如此，对于极易变形甚至开裂的泥岩，运送过程中样品的损坏是难以避免的。另一方面，由于泥岩含有大量的易吸水的黏土矿物成分，质地较软，粗略包装下长久放置会使得泥岩自身形状及物理力学性质都发生较大的改变，大大增加了泥岩各项物理力学参数测定的不确定性。
发明内容
本发明解决的技术问题：为了解决原位泥岩岩芯样品难以开展室内力学试验的问题，本发明提供一种泥岩岩芯存取装置及其存取方法，能够保证泥岩岩芯样品历经长时间搁置和长距离运输后，依旧保持泥岩岩芯样品刚出孔时的物理力学性能。
本发明采用的技术方案：一种泥岩岩芯存取装置，该装置包括内包层、整体支架、保形浇注层和加压弹簧组件，金属整体支架内设有保形浇注层，保形浇注层内设有内包层，整体支架上部与内包层之间设有加压弹簧组件。
所述的内包层为PVC软套管，PVC软套管内包裹有泥岩岩芯样品。
所述的整体支架包括金属底板、金属顶板和支撑螺杆，支撑螺杆底部设有金属底板，支撑螺杆顶部设有金属顶板，金属顶板中心开孔。
所述的支撑螺杆底部通过底板螺栓与金属底板连接，支撑螺杆顶部通过顶板上螺栓、顶板下螺栓与金属顶板连接。
所述的保形浇注层包括PVC硬质套管和多块PVC隔板，多块PVC隔板位于PVC硬质套管内，且沿PVC硬质套管环向均匀布置；PVC硬质套管位于金属底板上。
所述的PVC硬质套管与PVC隔板、PVC软套管之间形成空腔，该空腔内浇注固化材料。
所述的加压弹簧组件包括压力弹簧中心螺杆、压力杆螺栓、弹簧垫块、加压弹簧和弹簧垫片，压力弹簧中心螺杆位于整体支架的金属顶板的中心孔内，压力弹簧中心螺杆底部设有弹簧垫块，弹簧垫块下部设有加压弹簧，加压弹簧下部设有弹簧垫片，弹簧垫片位于泥岩岩芯样品顶部，且加压弹簧、弹簧垫片均位于内包层的PVC软套管内。
一种泥岩岩芯存取方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、内包层包裹泥岩岩芯样品；
步骤2、整体支架与泥岩岩芯样品定位；
步骤3、整体支架、加压弹簧组件、保形浇注层的安装；
步骤4、在保形浇注层内浇注固化材料，对泥岩岩芯样品进行保形；
步骤5、控制加压弹簧组件，模拟泥岩岩芯样品三向受压状态，即模拟泥岩岩芯样品的存储状态；
步骤6、泥岩岩芯样品取样，从而完成泥岩岩芯的存取。
所述的步骤1的具体步骤如下：对泥岩岩芯样品进行表面清洁和打磨，将泥岩岩芯样品嵌套入内包层的PVC软套管中，挤出泥岩岩芯样品上的气泡，去掉泥岩岩芯样品一端部分岩芯，并将泥岩岩芯样品的该端蜡封。
所述的步骤2的具体步骤如下：将包裹好内包层的泥岩岩芯样品蜡封端朝下、竖直放置在金属底板中心凹槽处，整体支架的支撑螺杆分别竖直旋进金属底板相应的螺纹孔内。
所述的步骤3的具体步骤如下：将保形浇注层的PVC硬质外管套在内包层的PVC软套管外，且PVC硬质外管底部在与金属底板之间连接，加压弹簧组件的压力弹簧中心螺杆、弹簧垫块、加压弹簧依次连接在一起，将压力弹簧中心螺杆顶端旋入整体支架的金属顶板中心孔内，在整体支架的支撑螺杆上部外旋入整体支架的顶板下螺栓，在支撑螺杆上部旋入金属顶板相应的螺纹孔内，并用整体支架的顶板上螺栓将支撑螺杆与金属顶板连接。
所述的步骤4的具体步骤如下：用固化材料灌入泥岩岩芯样品上表面，趁固化材料还未完全凝固时向下旋紧压力弹簧中心螺杆，使弹簧垫片触碰到泥岩岩芯样品上表面的固化材料层，在保形浇注层的PVC外管和内包层的PVC软套管之间放置隔板，向PVC硬质套管与PVC隔板、PVC软套管之间形成空腔内浇注固化材料。
所述的步骤5的具体步骤如下：在浇注材料固化过程中，检查泥岩岩芯样品处于竖直的状态且内包层的PVC软套管与浇注固化材料完全接触，待浇注固化材料固化后旋紧压力弹簧中心螺杆，使加压弹簧给泥岩岩芯样品加压，从而模拟泥岩岩芯样品三向受压状态，即模拟泥岩岩芯样品的存储状态。
所述的步骤6的具体步骤如下：泥岩岩芯样品取样时，拆除压力杆螺栓，从而旋起压力弹簧中心螺杆，拆除顶板上螺栓和顶板下螺栓，从而拆除金属顶板，然后抽出PVC隔板，取出固化材料，剥离PVC软套管的石蜡，从PVC软套管中抽出泥岩岩芯样品，即完成泥岩岩芯样品取样，从而完成泥岩岩芯的存取。
所述的固化材料选用石蜡或者树脂。
本发明的有益效果：本发明的装置可以将新提取出的泥岩岩芯样品快速有效地保存起来，并使其在相当长时间之后含水率、密度、各力学参数等性质依旧保持稳定；且取用方便，可重复利用。本发明的装置具备传统PVC蜡封保存岩样法的优势，对泥岩岩芯样品起到最大程度的保水作用。本发明的装置具的金属顶板、金属底板和支撑螺杆整体结构保证了岩样的完整性和稳定性，整体支架起整体支撑以及固定其他构件的作用；内包层是与泥岩岩芯样品直接接触的包装层，主要起密闭保湿的作用；保形浇注层是浇注固化材料的模具，浇注固化填充材料(如树脂、石蜡等)用于样品保形，保形浇注层固化使得泥岩易变形的问题得到极大的缓解，有效减小了长时间外力和自重作用下导致的样品塑性蠕变变形；加压弹簧用于对样品端部进行压力封口，配合整体结构高度模拟泥岩在长期地应力环境中的受力状态；压力弹簧和保形浇注层固化环箍共同作用下，使泥岩处于三向受压状态，一方面进一步保证了泥岩完整性和抗变形能力，另一方面一定程度还原了岩芯在地层中所处的应力状态；隔板的存在使得浇注层拆卸方便，整体装置可以重复利用。
附图说明
图1为本发明所提供的一种泥岩岩芯存取装置的结构示意图；
图2为本发明所提供的一种泥岩岩芯存取装置的部分结构示意图；
图3为本发明所提供的一种泥岩岩芯存取装置的剖面示意图；
图4为本发明所提供的一种泥岩岩芯存取方法的流程示意图。
图1中，1-1为泥岩岩芯样品，1-2为PVC软套管(图示隐藏了右三分之一环段)；
2-1为金属底板，2-2为底板螺栓，2-3为金属顶板，2-4为顶板上螺栓，2-5为顶板下螺栓，2-6为竖直支撑螺杆；
3-1为PVC硬质套管(图示隐藏了右三分之一环段)，3-2为PVC隔板；
4-1为压力弹簧中心螺杆，4-2为压力杆螺栓，4-3为弹簧垫块，4-4为加压弹簧，4-5为弹簧垫片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、2、3所示，本发明所提供的一种泥岩岩芯存取装置，该装置包括内包层、整体支架、保形浇注层和加压弹簧组件，金属整体支架内设有保形浇注层，保形浇注层内设有内包层，整体支架上部与内包层之间设有加压弹簧组件。
内包层为PVC软套管1-2，PVC软套管1-2内包裹有泥岩岩芯样品1-1，PVC软套管1-2一端石蜡封口，PVC软套管1-2另一端少量灌入石蜡，使泥岩岩芯样品1-1两端达到水平且平整。
整体支架是由上下两块形状完全一致的金属底板2-1、金属顶板2-3经三根竖直的支撑螺杆2-6连接而成，上层金属顶板2-3中心开口用以安装加压弹簧。即整体支架包括金属底板2-1、金属顶板2-3、三根支撑螺杆2-6、三块底板螺栓2-2、三块顶板上螺栓2-4和三个顶板下螺栓2-5，三根支撑螺杆2-6底部通过三个底板螺栓2-2分别与三块金属底板2-1固定连接，三根支撑螺杆2-6顶部通过三个顶板上螺栓2-4和三个顶板下螺栓2-5分别与金属顶板2-3固定连接。上层金属顶板2-3中心开孔内旋入加压弹簧组件的压力弹簧中心螺杆4-1，底层金属底板2-1中心放置包裹有泥岩岩芯样品1-1的PVC软管1-2，PVC软套管1-2外套有一较的PVC硬质套管3-1，PVC硬质套管3-1内浇注固化材料。
保形浇注层包括PVC硬质套管3-1和三块PVC隔板3-2，三块PVC隔板3-2位于PVC硬质套管3-1内，且三块PVC隔板3-2沿PVC硬质套管3-1环向均匀布置。PVC硬质套管3-1与PVC隔板3-2、PVC软套管1-2之间形成空腔，在该空腔内浇注固化材料，以包裹住位于其内部中心的PVC软套管1-2和泥岩岩芯样品1-1。PVC硬质套管3-1底部嵌在金属底板2-1的环形凹槽内、且两者通过螺栓固定连接。
加压弹簧组件包括压力弹簧中心螺杆4-1、压力杆螺栓4-2、弹簧垫块4-3、加压弹簧4-4和弹簧垫片4-5，压力弹簧中心螺杆4-1垂直旋入整体支架的上层金属顶板2-3的中心孔内，弹簧垫块4-3上部焊接压力弹簧中心螺杆4-1，弹簧垫块4-3下部设有加压弹簧4-4，加压弹簧4-4下部设有与PVC软套管1-2内径相一致的圆形弹簧垫片4-5，弹簧垫片4-5放置在泥岩岩芯样品1-1顶部，且加压弹簧4-4、弹簧垫片4-5均位于内包层的PVC软套管1-2内。通过调节压力弹簧中心螺杆4-1控制加压弹簧4-4施加的轴向力大小。
使用时先用PVC软管1-2包裹新鲜泥岩岩芯样品1-1并对底层蜡封，然后放置在金属底板2-1中心，安装顶层金属顶板2-3后将压力弹簧中心螺杆4-1逐渐旋下来直至圆形弹簧垫片4-5接触到泥岩岩芯样品1-1上表面。然后在保形浇注层PVC硬质套管3-1内浇注固化材料，待材料固化后将压力弹簧中心螺杆4-1旋紧使泥岩岩芯样品1-1达到指定轴压状态。
如图3所示，采用本发明所提供的一种泥岩岩芯存取装置对新钻取的泥岩岩芯存取的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、内包层包裹泥岩岩芯样品1-1，具体步骤如下：
刚出钻的泥岩岩芯样品1-1需要经过表面清洁和打磨，之后嵌套入内包层的PVC软套管1-2中，过程中不得出现对泥岩岩芯样品1-1的损坏剥离，并挤出泥岩岩芯样品1-1侧壁上的气泡，去掉泥岩岩芯样品1-1一端部分岩芯，并将泥岩岩芯样品1-1的该端用石蜡进行蜡封，使得该蜡封端成为光滑的圆柱端面。
该步骤是对泥岩岩芯样品1-1进行的第一道包装，主要作用就是对泥岩岩芯样品1-1的保湿以及初步定形。
步骤2、整体支架与泥岩岩芯样品1-1定位，具体步骤如下：
确保整体支架的金属底板2-1表面平整清洁，将上述步骤1中包裹好内包层的泥岩岩芯样品1-1蜡封端朝下，将泥岩岩芯样品1-1竖直放置在金属底板2-1中心凹槽处，整体支架的三根支撑螺杆2-6分别竖直旋进金属底板2-1相应的螺纹孔内。
该步骤是对泥岩岩芯样品1-1在整体支架中进行定位。
步骤3、整体支架、加压弹簧组件、保形浇注层的安装，具体步骤如下：
将保形浇注层的PVC硬质套管3-1套在内包层的PVC软套管1-2外，且PVC硬质套管3-1底部在与金属底板2-1之间通过螺栓固定连接。加压弹簧组件的压力弹簧中心螺杆4-1、弹簧垫块4-3、加压弹簧4-4依次连接在一起。然后将加压弹簧组件的压力弹簧中心螺杆4-1顶端旋入整体支架的金属顶板2-3中心的螺纹孔内，然后在整体支架的三根支撑螺杆2-6上部外旋入整体支架的顶板下螺栓2-5，旋入圈数保持一致保证整体支架的三个顶板下螺栓2-5等高。然后将整体支架的三根支撑螺杆2-6上部旋入金属顶板2-3相应的螺纹孔内，并用整体支架的三个顶板上螺栓2-4将三根支撑螺杆2-6与金属顶板2-3固定连接。
该步骤要注意通过调节顶板下螺栓2-5的旋转圈数控制金属顶板2-3保持绝对水平。
步骤4、在保形浇注层内浇注固化材料，对泥岩岩芯样品1-1进行保形，具体步骤如下：
新钻取的泥岩岩芯样品1-1上下表面不会是绝对的平整，因此需要用固化材料灌入泥岩岩芯样品1-1上表面。趁固化材料还未完全凝固时向下旋紧加压弹簧组件的压力弹簧中心螺杆4-1，使加压弹簧组件的弹簧垫片4-5触碰到泥岩岩芯样品1-1上表面的固化材料层，保证加压弹簧组件的加压弹簧4-4对泥岩岩芯样品1-1施加非偏心轴压。然后在保形浇注层的PVC硬质套管3-1和内包层的PVC软套管1-2之间均匀放置三块隔板3-2，PVC硬质套管3-1与PVC隔板3-2、PVC软套管1-2之间形成空腔，向该空腔内浇注固化材料。
固化材料可以选用石蜡或者树脂等材料。
步骤5、控制加压弹簧组件，模拟泥岩岩芯样品1-1三向受压状态，即模拟泥岩岩芯样品1-1的存储状态，具体步骤如下：
在浇注材料固化过程中，检查泥岩岩芯样品1-1处于竖直的状态且内包层的PVC软套管1-2与浇注固化材料完全接触，待浇注固化材料固化后旋紧加压弹簧组件的压力弹簧中心螺杆4-1，使加压弹簧组件的加压弹簧4-4给泥岩岩芯样品1-1加压，，从而模拟泥岩岩芯样品1-1三向受压状态，从而使得泥岩岩芯样品1-1历经长时间搁置和长距离运输后，依旧能够保持泥岩岩芯样品1-1刚出孔时的物理力学性能，即模拟泥岩岩芯样品1-1的存储状态。
步骤6、泥岩岩芯样品1-1取样，从而完成泥岩岩芯样品1-1的存取，具体步骤如下：
泥岩岩芯样品1-1取样时，首先拆除压力杆螺栓4-2，从而旋起压力弹簧中心螺杆4-1，拆除三块顶板上螺栓2-4和三个顶板下螺栓2-5，从而拆除金属顶板2-3，然后抽出三块PVC隔板3-2后，可轻松取出固化材料，剥离PVC软套管1-2的石蜡，从PVC软套管1-2中抽出泥岩岩芯样品1-1，即完成泥岩岩芯样品1-1取样，从而完成泥岩岩芯样品1-1的存取。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
Claims (12)
1.一种泥岩岩芯存取装置，其特征在于：该装置包括内包层、整体支架、保形浇注层和加压弹簧组件，金属整体支架内设有保形浇注层，保形浇注层内设有内包层，整体支架上部与内包层之间设有加压弹簧组件；所述的整体支架包括金属底板（2-1）、金属顶板（2-3）和支撑螺杆（2-6），支撑螺杆（2-6）底部设有金属底板（2-1），支撑螺杆（2-6）顶部设有金属顶板（2-3），金属顶板（2-3）中心开孔；所述的保形浇注层包括PVC硬质套管（3-1）和多块PVC隔板（3-2），多块PVC隔板（3-2）位于PVC硬质套管（3-1）内，且沿PVC硬质套管（3-1）环向均匀布置；PVC硬质套管（3-1）位于金属底板（2-1）上；所述的加压弹簧组件包括压力弹簧中心螺杆（4-1）、压力杆螺栓（4-2）、弹簧垫块（4-3）、加压弹簧（4-4）和弹簧垫片（4-5），压力弹簧中心螺杆（4-1）位于整体支架的金属顶板（2-3）的中心孔内，压力弹簧中心螺杆（4-1）底部设有弹簧垫块（4-3），弹簧垫块（4-3）下部设有加压弹簧（4-4），加压弹簧（4-4）下部设有弹簧垫片（4-5），弹簧垫片（4-5）位于泥岩岩芯样品（1-1）顶部，且加压弹簧（4-4）、弹簧垫片（4-5）均位于内包层的PVC软套管（1-2）内。
2.根据权利要求1所述一种泥岩岩芯存取装置，其特征在于：所述的内包层为PVC软套管（1-2），PVC软套管（1-2）内包裹有泥岩岩芯样品（1-1）。
3.根据权利要求2所述一种泥岩岩芯存取装置，其特征在于：所述的支撑螺杆（2-6）底部通过底板螺栓（2-2）与金属底板（2-1）连接，支撑螺杆（2-6）顶部通过顶板上螺栓（2-4）、顶板下螺栓（2-5）与金属顶板（2-3）连接。
4.根据权利要求3所述一种泥岩岩芯存取装置，其特征在于：所述的PVC硬质套管（3-1）与PVC隔板（3-2）、PVC软套管（1-2）之间形成空腔，该空腔内浇注固化材料。
5.一种采用上述权利要求4所述的装置的泥岩岩芯存取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、内包层包裹泥岩岩芯样品（1-1）；
步骤2、整体支架与泥岩岩芯样品（1-1）定位；
步骤3、整体支架、加压弹簧组件、保形浇注层的安装；
步骤4、在保形浇注层内浇注固化材料，对泥岩岩芯样品（1-1）进行保形；
步骤5、控制加压弹簧组件，模拟泥岩岩芯样品（1-1）三向受压状态，即模拟泥岩岩芯样品（1-1）的存储状态；
步骤6、泥岩岩芯样品（1-1）取样，从而完成泥岩岩芯样品（1-1）的存取。
6.根据权利要求5所述的一种泥岩岩芯存取方法，其特征在于：所述的步骤1的具体步骤如下：对泥岩岩芯样品（1-1）进行表面清洁和打磨，将泥岩岩芯样品（1-1）嵌套入内包层的PVC软套管（1-2）中，挤出泥岩岩芯样品（1-1）上的气泡，去掉泥岩岩芯样品（1-1）一端部分岩芯，并将泥岩岩芯样品（1-1）的该端蜡封。
7.根据权利要求6所述的一种泥岩岩芯存取方法，其特征在于：所述的步骤2的具体步骤如下：将包裹好内包层的泥岩岩芯样品（1-1）蜡封端朝下、竖直放置在金属底板（2-1）中心凹槽处，整体支架的支撑螺杆（2-6）分别竖直旋进金属底板（2-1）相应的螺纹孔内。
8.根据权利要求7所述的一种泥岩岩芯存取方法，其特征在于：所述的步骤3的具体步骤如下：将保形浇注层的PVC硬质套管（3-1）套在内包层的PVC软套管（1-2）外，且PVC硬质套管（3-1）底部在与金属底板（2-1）之间连接，加压弹簧组件的压力弹簧中心螺杆（4-1）、弹簧垫块（4-3）、加压弹簧（4-4）依次连接在一起，将压力弹簧中心螺杆（4-1）顶端旋入整体支架的金属顶板（2-3）中心孔内，在整体支架的支撑螺杆（2-6）上部外旋入整体支架的顶板下螺栓（2-5），在支撑螺杆（2-6）上部旋入金属顶板（2-3）相应的螺纹孔内，并用整体支架的顶板上螺栓（2-4）将支撑螺杆（2-6）与金属顶板（2-3）连接。
9.根据权利要求8所述的一种泥岩岩芯存取方法，其特征在于：所述的步骤4的具体步骤如下：用固化材料灌入泥岩岩芯样品（1-1）上表面，趁固化材料还未完全凝固时向下旋紧压力弹簧中心螺杆（4-1），使弹簧垫片（4-5）触碰到泥岩岩芯样品（1-1）上表面的固化材料层，在保形浇注层的PVC硬质套管（3-1）和内包层的PVC软套管（1-2）之间放置PVC隔板（3-2），向PVC硬质套管（3-1）与PVC隔板（3-2）、PVC软套管（1-2）之间形成空腔内浇注固化材料。
10.根据权利要求9所述的一种泥岩岩芯存取方法，其特征在于：所述的步骤5的具体步骤如下：在浇注材料固化过程中，检查泥岩岩芯样品（1-1）处于竖直的状态且内包层的PVC软套管（1-2）与浇注固化材料完全接触，待浇注固化材料固化后旋紧压力弹簧中心螺杆（4-1），使加压弹簧（4-4）给泥岩岩芯样品（1-1）加压，从而模拟泥岩岩芯样品（1-1）三向受压状态，即模拟泥岩岩芯样品（1-1）的存储状态。
11.根据权利要求10所述的一种泥岩岩芯存取方法，其特征在于：所述的步骤6的具体步骤如下：泥岩岩芯样品（1-1）取样时，拆除压力杆螺栓（4-2），从而旋起压力弹簧中心螺杆（4-1），拆除顶板上螺栓（2-4）和顶板下螺栓（2-5），从而拆除金属顶板（2-3），然后抽出PVC隔板（3-2），取出固化材料，剥离PVC软套管（1-2）的石蜡，从PVC软套管（1-2）中抽出泥岩岩芯样品（1-1），即完成泥岩岩芯样品（1-1）取样，从而完成泥岩岩芯样品（1-1）的存取。
12.根据权利要求11所述的一种泥岩岩芯存取方法，其特征在于：所述的固化材料选用石蜡或者树脂。
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