CN111458184A - 一种分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构及实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构及实验平台，包括用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，压力实验舱的舱体外筒包括第一试验件、第二试验件和中间连接件，中间连接件将第一试验件和第二试验件衔接在一起，中间连接件设有侧孔，中间连接件内壁设有电加热结构；第一试验件和/或第二试验件筒壁设有环形的真空夹层。本发明采用中间连接件衔接试验件共同组成舱体，将液体注入孔设计在中间连接件上，从而可避免在试验件上钻孔，防止对试验件造成损害，因而可还原试验件的压力环境，使得测试结果更加可靠；本发明采用双层壁结构和内加热方式，可验证该双层结构压力试验舱的保压保温性能，以便于从结构上对取芯钻机进行改进。

Description

一种分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构及实验平台

技术领域

本发明涉及取芯装置试验***技术领域，尤其涉及一种分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构及实验平台。

背景技术

地球浅部矿产资源已逐渐枯竭，向地球深部进军是近期和未来我国科技创新的重要方向。不同深部赋存岩层原位岩石力学行为规律是深地钻探、深部资源开发利用、地球应用科学的先导性科学与理论基础。

深部岩石的物理力学以及化学生物等特性与其所处原位环境条件密切相关，取芯过程的原位环境损失将导致岩芯的理化性质和力学性质失真且不可逆转，其攻关的核心与关键是如何获取深部环境条件下的原位岩芯，并在原位保真状态下进行实时加载测试与分析。

目前的，原位保真取芯装置，利用钻具钻取岩芯后将岩芯存储在储芯管中，通过与储芯管相连的保压、保温及保湿装置来实现对岩芯原位环境的模拟。在进行岩芯钻取前，需要验证其保压能力，因而保压舱的耐压能力测试平台应运而生。

保压舱的耐压能力测试平台通常包括保压实验舱、液压***等，通过液压***向保压实验舱内注入高压液体来验证保压实验舱的保压性能。现有的保压实验舱通过在筒壁上钻孔来实现与液压管路连接，钻机钻孔会损害保压实验舱，进而使实验结果不可靠。

发明内容

本发明旨在提供一种分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构及实验平台，可避免损害试验件，能使测试结果更加可靠。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构，包括用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，所述压力实验舱的舱体外筒包括第一试验件、第二试验件和中间连接件，第二试验件位于第一试验件下方，中间连接件将第一试验件和第二试验件衔接在一起，所述中间连接件设有侧孔，中间连接件内壁设有电加热结构；所述第一试验件和/或第二试验件筒壁设有环形的真空夹层。

进一步的，所述压力实验舱还包括中心杆、岩心筒和下端密封装置，所述下端密封装置设于第二试验件上用于密封压力实验舱下端，岩心筒装于舱体外筒内；

中心杆下端伸进岩心筒内，中心杆下端有外台阶，岩心筒上端有与所述外台阶适配的内台阶，当向上提升中心杆至所述外台阶与内台阶相抵时，中心杆可带动岩心筒同步向上移动；

当中心杆提升至行程终点时，岩心筒上端外壁与第一试验件内壁间密封配合。

其中，所述下端密封装置为密封端盖，密封端盖与第二试验件下端口螺纹连接。

进一步的，所述下端密封装置为翻板阀，翻板阀包括阀座、阀瓣和弹性件，阀座安装在第二试验件内壁，阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接，阀座顶部有与阀瓣匹配的阀口密封面；

当岩心筒位于阀座中时，阀瓣开启90°且位于岩心筒与第二试验件之间；当通过中心杆将岩心筒向上提升至一定高度时，阀瓣在弹性件及重力作用下回到阀座顶面与阀口密封面密封接触。

进一步的，所述第一试验件内壁有用于轴向限制岩心筒的第一限位台阶，当岩心筒上端面抵在第一限位台阶上时，中心杆提升至行程终点。

优选地，所述电加热结构包括石墨烯膜或螺旋热盘管。

进一步的，所述中间连接件筒壁有环形的真空夹层。

一种分体式双层壁保真取芯器压力加载实验平台，除了包括上述压力实验舱外它还包括压力供给***，所述压力供给***通过管路与中间连接件上的侧孔相连。

进一步的，压力供给***包括液体箱和变频超高压柱塞泵，液体箱的出口通过管路与变频超高压柱塞泵的入口相连，所述变频超高压柱塞泵的出口通过管路与高压管的一端相连，高压管的另一端与中间连接件的侧孔相连。

进一步的，分体式双层壁保真取芯器压力加载实验平台还包括直线驱动机构，所述直线驱动机构的输出部件与所述中心杆相连以带动中心杆轴向直线移动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1，本发明采用中间连接件衔接试验件共同组成舱体，将液体注入孔设计在中间连接件上，从而可避免在试验件上钻孔，防止对试验件造成损害，因而可还原试验件的压力环境，使得测试结果更加可靠；

2，本发明采用双层壁结构和内加热方式，可验证该双层结构压力试验舱的耐压、保温性能，以便于从结构和材料上对取芯钻机进行改进。

附图说明

图1是中心杆未提升时压力实验舱的结构示意图；

图2是中心杆提升至行程终点时保压实验舱的结构示意图；

图3是实施方式一中中间连接件的剖面图；

图4是分体式双层壁保真取芯器压力加载实验平台的结构示意图；

图5是快速插接结构的结构示意图；

图6是实施方式二中中间连接件的剖面图；

图7是实施方式三中下端密封装置打开时的结构示意图；

图8是实施方式三中下端密封装置关闭时的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

实施方式一

如图1、2所示，本发明公开的分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构，包括用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，压力实验舱包括舱体外筒、中心杆2、岩心筒3和下端密封装置5。

压力实验舱的舱体外筒包括第一试验件11、第二试验件12和中间连接件13，第二试验件12位于第一试验件11下方，中间连接件13将第一试验件11和第二试验件12衔接在一起形成一个分体式舱体结构。

如图3所示，中间连接件13筒壁上设有两个侧孔，一个侧孔作为液体注入孔14，用于外接液压源。另一个侧孔作为水密接头安装孔18，为方便连接固定，可将侧孔设计为螺纹孔。

中间连接件13两端设有连接螺纹，以便于与试验件连接。连接螺纹可为外螺纹或内螺纹，具体情况根据试验件而定。本发明采用中间连接件衔接试验件共同组成舱体，将液体注入孔14设计在中间连接件上，从而可避免在试验件上钻孔，防止对试验件造成损害，因而可还原试验件的压力环境，使得测试结果更加可靠。

中间连接件13内壁设有电加热结构和温度传感器，以便于对压力实验舱内的介质进行快速加热和实施反馈舱内温度，以提高实验效率。本实施方式中电加热结构包括螺旋热盘管17。螺旋热盘管17嵌装在中间连接件13内壁的环形凹槽19中。

第一试验件和/或第二试验件筒壁设有环形的真空夹层，以提高压力实验舱的保温效果，同时可验证该真空壁结构的保温能力和耐压性能，以便于从结构上和材料上对取芯钻机进行改进。

下端密封装置5设于第二试验件上用于密封压力实验舱下端，本实施方式中下端密封装置5为密封端盖，其与第二试验件12下端口螺纹连接以封堵舱体外筒的下端。

岩心筒3装于舱体外筒内，中心杆2下端伸进岩心筒3内，中心杆2下端有外台阶23，岩心筒3上端有与外台阶适配的内台阶32，当向上提升中心杆2至外台阶23与内台阶32相抵时，中心杆2可带动岩心筒3同步向上移动。同时由于外台阶23与内台阶32的相抵持，可实现中心杆2外壁与岩心筒3内壁间在该抵持部位形成密封。

舱体外筒内壁有用于轴向限制岩心筒3的第一限位台阶16，当岩心筒上端面21抵在第一限位台阶16上时，中心杆2提升至行程终点。当中心杆2提升至行程终点时，岩心筒3上端外壁与第一试验件11内壁间密封配合。本实施方式在岩心筒3上端外壁安装两道密封圈22实现与第一试验件11筒壁的密封。此时，又由于中心杆2外壁与岩心筒3内壁间在外台阶23与内台阶32的抵持部位形成密封，从而完成舱体外筒上端的密封。舱体外筒下端又由下端密封装置5封闭，从而在舱体外筒内形成一个用于存放岩心的密封空间。

如图4所示，本发明公开的分体式双层壁保真取芯器压力加载实验平台，包括压力实验舱、压力供给***6和直线驱动机构8，直线驱动机构8的输出部件与压力实验舱的中心杆2相连以带动中心杆2轴向直线移动。

本实施方式中压力供给***6包括液体箱61和变频超高压柱塞泵64，液体箱61的出口通过第一管路与变频超高压柱塞泵64的入口相连，变频超高压柱塞泵64的出口通过第二管路610与高压管612的一端相连，高压管612的另一端与中间连接件13上的液体注入孔14螺纹连接。

变频超高压柱塞泵64的进、出口分别安装有第一阀门62、第二阀门66。变频超高压柱塞泵64的进口安装有液体过滤器63，第二管路610上也安装有液体过滤器63，用于过滤液体中的杂质，避免杂质进入舱体内。第二管路610上分出两条排放管，两条排放管分别通过三通与第二管路610侧连接，其中一条排放管上安装有第三阀门68，另一条排放管上安装有第四阀门69。第三阀门68与第四阀门69为常闭阀门。

当然的，变频超高压柱塞泵64配有回油管路，回油管路上安装有第六阀门65。本发明中第一阀门62为手动球阀，第二阀门66、第三阀门68和第六阀门65均为气动截止阀，第四阀门69为手动阀门。

第二管路610上安装有安全阀611，当压力过大时，安全阀611自动打开进行泄压，利于保证实验安全。变频超高压柱塞泵64的出口以及压力供给***6的出口处均安装有压力传感器613，用于测量***中的压力。

直线驱动机构8可选择液压缸或气缸等常用的直线驱动装置。

以直线驱动机构8为液压缸为例，压力供给***6还负责给液压缸提供动力源。液压缸为双作用液压缸，在变频超高压柱塞泵64的上游接一支管与液压缸的其中一个油孔连接，变频超高压柱塞泵64的下游接一支管与液压缸的另一个油孔连接，第二管路610上安装有第五阀门67，第五阀门67位于液压缸供液支管的下游。通过变频超高压柱塞泵64推拉来控制液压缸的动作，进而实现中心杆2的提升与复位。

如图4所示，为验证在不同拉力情况下保压实验舱的密封性能，在直线驱动机构8的输出部件与中心杆2件设有拉力测试装置10。拉力测试装置10可选拉力计，其两端设有连接螺纹。

为实现直线驱动机构8和中心杆2的快速连接，在另一个实施方式中可采用快速插接结构来实现直线驱动机构8与中心杆2的快速连接。

如图4、5所示，快速插接结构包括插头部24、与插头部24适配的插孔部71以及至少两个弹簧卡扣9，插头部24与插孔部71可通过弹簧卡扣9实现轴向卡接固定。

以插头部24与中心杆2相连，插孔部71与拉杆7相连为例，这里的相连是指两个单独的部件连接在一起或一体制造。

拉杆7一端与拉力测试装置10螺纹连接，拉杆7另一端为插孔部71。本实施方式中弹簧卡扣9安装在插头部24上；弹簧卡扣9包括卡块91和径向设置的弹簧92。插头部24外侧壁有供卡块91避让的凹槽25，弹簧92一端与凹槽25槽壁固接，弹簧92另一端与卡块91固接；在弹簧92作用下，卡块91一部分位于凹槽25中，卡块91另一部分外凸于插头部24外侧壁。

卡块91外侧为斜面93，以实现当插头部24与插孔部71插接时，插孔部71作用在斜面93轴向力可以产生一径向分力，进而推动卡块91径向移动至完全没入凹槽25内；插孔部71上设有插孔76，插孔76的孔壁74同轴设有环形槽75，环形槽75的横截面形状与卡块91外露于插头部24的外凸部分相适配。

环形槽75的横截面形状可为三角形，环形槽75的第一槽壁73与卡块91上的斜面93相适配，环形槽75的第二槽壁74与卡块91上的斜面93相适配。

为方便***，插头部24的外侧壁为外锥面26，插孔部71上插孔76的孔壁74为与外锥面26匹配的内锥面。插头部24与中心杆2的连接处形成用于抵持插头部端面72的限位台阶27。

如图5所示，当需要将拉杆7与中心杆2连接在一起时，将拉杆7与中心杆2对接，插孔部71作用在斜面93轴向力产生一径向分力，推动卡块91逐步径向移动至完全没入凹槽25内，当环形槽75移动至与卡块91正对时，卡块91失去插孔部71的作用外力在弹簧92的作用下径向移动至一部分卡入环形槽75内；此时，插头部端面72也正好抵持在限位台阶27上，插接到位。

由于卡块91一部分位于插头部24的凹槽25中，一部分位于插孔部71的环形槽75中，从而可防止拉杆7与中心杆2在轴向相对移动，实现拉杆7与中心杆2的轴向快速卡接固定。弹簧卡扣9的数量根据需要设置，可设置2个、3个或者更多。为保证力的均衡，弹簧卡扣9在圆周方向等间隔布置。

当然的，在另一实施方式中，插头部24也可与拉杆7相连，插孔部71则与中心杆2相连。

使用时，关闭第五阀门67，使变频超高压柱塞泵64给液压缸供液体介质，通过液压缸将中心杆2提升至行程终点，使岩心筒3内壁与中心杆2间密封，岩心筒3外壁与第一试验件11间密封配合，从而使保压实验舱内形成一个密闭的环境；然后，关闭液压缸的两个油孔处的阀门，使中心杆2保持在上行程终点；

然后，再打开第五阀门67，液体箱61的中油或水经变频超高压柱塞泵64泵至高压管612，经加压中间件13上的液体注入孔14进入舱体外筒与岩心筒3之间的环空，从而逐步填满整个密闭环境内，实现原位压力环境的模拟；同时中间连接件13上的电加热结构进内加热，使舱内温度升高至预设温度，模拟原位温度环境。

保压指定时间后，***进行安全泄压和降温，保压指定时间根据实验需要进行设置。这个过程中可监测第一试验件11和第二试验件12的变形情况以及舱体的保温性能，对保压实验舱筒壁强度设计和保温性能进行验证，以便从结构上、材料上对保真取芯钻机进行改进。并可进一步对保压舱压力失效原因进行检测及分析，为保压舱耐压能力提升提供实验支撑。本发明采用变频超高压柱塞泵64可对保压实验舱进行0-140MPa的连续压力测试。

实施方式二

本实施方式中电加热结构包括石墨烯膜。具体如图6所示，为便于安装石墨烯膜21，采用在铝筒20上电镀石墨烯膜21的方式来制作该电加热结构。中间连接件13内壁上设有用于安装铝筒20的环形凹槽19，将电镀有石墨烯膜21的铝筒20嵌装在中间连接件13内壁的环形凹槽19中。环形凹槽19深度为根据铝筒20厚度设置，例如环形凹槽19的深度与铝筒20的壁厚均设为3mm。

应当注意，铝筒20的安装位置应避开液体注入孔14或者在铝筒20对应液体注入孔14位置处开通孔，以供介质通过。

实施方式三

本实施方式与实施方式一或实施方式二的区别在于：如图7、8所示，本实施方式中下端密封装置5采用翻板阀5，包括阀座51、阀瓣52和弹性件53，阀座51安装在第二试验件12内壁，阀瓣52一端与阀座51上端外侧壁活动连接，阀座51顶部有与阀瓣52匹配的阀口密封面。弹性件53为弹片或者扭力弹簧。

如图7所示，初始状态下，岩心筒3位于舱体外筒下端并位于阀座51中。当岩心筒3位于阀座51中时，阀瓣52开启90°且位于岩心筒3与舱体外筒之间；如图8所示，当通过中心杆2将岩心筒3向上提升至一定高度时，阀瓣52在弹性件53及重力作用下回到阀座51顶面与阀口密封面密封接触，实现阀门的关闭。

为增加翻板阀5的密封比压，保压实验舱还包括触发机构4，触发机构4包括触发内筒41、触发块42和触发弹簧43，触发内筒41侧壁上设有通孔，触发块42放置于通孔中，岩芯筒3底部外侧壁有与触发块42适配的凸起部31；舱体外筒内壁有与触发块42适配的避让口15，触发块42位于阀瓣52上方，避让口15位于触发块42上方。 避让口15底部有一引导斜面，该引导斜面便于触发块42从下往上滑入避让口15内，同时也便于触发块42从上往下滑出避让口15。

触发弹簧43套在触发内筒41外，触发内筒41外壁设有台肩44，触发弹簧43压缩在台肩44与舱体外筒内壁台阶面之间，触发弹簧43位于触发块42上方；

当岩芯筒3位于阀座51中时，触发内筒41位于岩芯筒3与舱体外筒之间，触发内筒41下端与阀座51止口配合，触发块42外凸于触发内筒41的内侧壁；

当将岩芯筒3向上提升至第一高度时，岩芯筒3的凸起部31抵持住触发块42，从而可带动触发内筒41同步向上移动；

当将岩芯筒3继续向上提升至第二高度时，触发块42被凸起部31推至避让口15中，从而使触发块42避开凸起部31；

当将岩芯筒3继续向上提升至岩芯筒3底部越过避让口15时，触发块42失去岩芯筒3的作用力，触发内筒41在重力和触发弹簧43作用下带动触发块42回落压在关闭的阀瓣52上。

本实施方式可对翻板阀的动作可靠性进行测试，以便从结构上对翻板阀进行改进。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构，包括用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，其特征在于：压力实验舱的舱体外筒包括第一试验件、第二试验件和中间连接件，第二试验件位于第一试验件下方，中间连接件将第一试验件和第二试验件衔接在一起，中间连接件设有侧孔，中间连接件内壁设有电加热结构；第一试验件和/或第二试验件筒壁设有环形的真空夹层。

2.根据权利要求1的分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构，其特征在于：压力实验舱还包括中心杆、岩心筒和下端密封装置，所述下端密封装置设于第二试验件上用于密封压力实验舱下端，岩心筒装于舱体外筒内；

中心杆下端伸进岩心筒内，中心杆下端有外台阶，岩心筒上端有与所述外台阶适配的内台阶，当向上提升中心杆至所述外台阶与内台阶相抵时，中心杆可带动岩心筒同步向上移动；

当中心杆提升至行程终点时，岩心筒上端外壁与第一试验件内壁间密封配合。

3.根据权利要求2所述的分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构，其特征在于：所述下端密封装置为密封端盖，密封端盖与第二试验件下端口螺纹连接。

4.根据权利要求2所述的分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构，其特征在于：所述下端密封装置为翻板阀，翻板阀包括阀座、阀瓣和弹性件，阀座安装在第二试验件内壁，阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接，阀座顶部有与阀瓣匹配的阀口密封面；

当岩心筒位于阀座中时，阀瓣开启90°且位于岩心筒与第二试验件之间；当通过中心杆将岩心筒向上提升至一定高度时，阀瓣在弹性件及重力作用下回到阀座顶面与阀口密封面密封接触。

5.根据权利要求2、3或4所述的分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构，其特征在于：所述第一试验件内壁有用于轴向限制岩心筒的第一限位台阶，当岩心筒上端面抵在第一限位台阶上时，中心杆提升至行程终点。

6.根据权利要求1所述的分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构，其特征在于：所述电加热结构包括石墨烯膜或螺旋热盘管。

7.根据权利要求1所述的分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构，其特征在于：所述中间连接件筒壁有环形的真空夹层。

8.包括权利要求1-7中任一项所述的分体式双层壁保真取芯器压力加载实验结构的实验平台，其特征在于：它还包括压力供给***，所述压力供给***通过管路与中间连接件上的侧孔相连。

9.根据权利要求8所述的实验平台，其特征在于：压力供给***包括液体箱和变频超高压柱塞泵，液体箱的出口通过管路与变频超高压柱塞泵的入口相连，所述变频超高压柱塞泵的出口通过管路与高压管的一端相连，高压管的另一端与中间连接件的侧孔相连。

10.根据权利要求8或9所述的实验平台，其特征在于：它还包括直线驱动机构，所述直线驱动机构的输出部件与所述中心杆相连以带动中心杆轴向直线移动。

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