CN113969757B - 一种用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构，其包括岩芯舱，岩芯舱的两端的外径大于中间部分的外径，岩芯舱底部设置有加载油缸，加载油缸的活塞端上设置有岩芯座，岩芯座位于岩芯舱的内部；岩芯舱顶部设置有中部端盖，中部端盖的顶部为小径端，底部为大径端；中部端盖的大径端与岩芯舱顶部连接，岩芯舱的顶部内设有岩样压块；小径端的顶部设置有呈多段结构的钻杆舱，在岩芯舱内通过温度环境控制***、孔压控制***、压力控制***，实时监测岩样原位温度、孔压、压力，并在岩芯舱中模拟高温高压深地原位环境，使得岩芯保持原“质”原“位”状态。

Description

一种用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构

技术领域

本发明涉及岩芯勘探设备技术领域，特别是涉及一种用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构。

背景技术

欧美国家资源普遍埋深小于2000m，而我国70％以上的资源埋深超过2000m且浅部资源逐渐枯竭，并以每年超过10m的速度向深部延伸。油气资源开采深度已经达到8418m，我国石油对外依存度高达67％(2017年)，已远超国际公认的能源安全警戒线(50％)。因此，向深部探索能源资源已是我国当前最紧迫的现实问题，也是我国重大战略科技问题，更是我国重大的能源安全问题。

向地球深部进军，需要从3个层次逐步开展研究(深地钻探、深地工程科学规律、深地资源开发利用)，其中最关键的是深部工程科学规律研究。当前研究探索都是用“普通岩芯”，而深地原位环境非常复杂。深钻获取的“普通岩芯”释放了压力、温度、孔隙水等成分，已严重失真，导致测得的相关岩层物理力学参数与地球深部赋存环境无关。因此，为了探索不同深度真实环境下岩石物理力学差异性规律和实现深部资源储量的准确评估，首次提出原“质”原“位”—“五保”的概念，即保压(保渗透压)、保质(保成分)、保湿(保湿度)、保温(保温度)、保光(保光通量)，拟自主研发全新“五保”取芯、“五保”测试一体化的分析测试***，通过五保取芯***、保真移位存储***、保真实时测试分析***等多个***共同工作，以达到研究深部真实赋存环境下原“质”原“位”岩芯物理力学性质、探索和发展深部原位岩石力学理论与测试技术的目的。

在整套深部原位取芯***应用于现场科学钻探前，需要事先在室内开展实验模拟以有效验证设备的可行性和和进行相关参数的校准。目前这方面技术国内外仍处于空白，故按需设计发明了深部取芯模拟测试及“五保”能力率定平台，而深部原位保真取芯高温高压模拟舱体结构是其中一项关键技术。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构，解决了现有技术无法做到在室内模拟深地高温高压环境，给深部原位保真取芯***提供模拟岩体样本，实现保真取芯器在模拟试验舱中钻取保真岩芯室内实验模拟，确保深部原位取芯***在应用于现场科学钻探前得到有效验证和校准，对探知深地环境、研究深部岩体力学行为造成不利的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供了一种用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构，其包括呈中空圆柱结构的岩芯舱，岩芯舱的两端的外径大于中间部分的外径，岩芯舱的中间部分的圆周外壁上沿其轴线方向上凸出设置有多个加强圆环；

岩芯舱底部设置有加载油缸，加载油缸的缸体端面与岩芯舱底部密封连接，加载油缸的活塞端上设置有岩芯座，岩芯座位于岩芯舱的内部；

岩芯舱顶部设置有中部端盖，中部端盖的顶部为小径端，底部为大径端；中部端盖的大径端的端面与岩芯舱的顶部端面密封连接，岩芯舱的顶部内设有岩样压块；

中部端盖的小径端的顶部密封设置有呈多段结构的钻杆舱，钻杆舱顶部的开口处设置有上端盖，上端盖设置有多个与岩芯舱连通的注液通道。

进一步地，岩芯舱两端的外壁上分别凸出设置有呈圆柱结构的第一连接部和第二连接部，第一连接部和第二连接部的外径大于岩芯舱中部外径；

第一连接部的上端面与岩芯舱的上端面之间设置有间距；第二连接部的下端面与岩芯舱的下端面平齐，第二连接部的下端面上设置有圆形安装槽；

加载油缸的缸体端面呈台阶结构，加载油缸的缸体圆周外壁上设置有多条第一密封圈安装环槽，加载油缸的缸体端面设置于圆形安装槽内，加载油缸的缸体圆周外壁上设置有直径与第二连接部外径相同的第一连接凸起；

加载油缸缸体端面与第二连接部的连接处的外壁上设置有卡箍装置，卡箍装置包括一对镜像设置的卡箍本体，两个卡箍本体的横截面均为半圆环结构，两个卡箍本体的圆周内壁上均设置有开口相对设置的环形凹槽，两个卡箍本体的直面处的侧壁连接后形成中空圆柱结构，第二连接部和第一连接凸起卡合在环形凹槽内。

进一步地，加载油缸缸体的台阶面上设置有第一限位槽，第二连接部的下端面上设置有与第一限位槽匹配的第二限位槽。

进一步地，岩样压块顶部圆周外壁上凸出设置有安装环，安装环的圆周外壁上设置有多条第二密封圈安装环槽；中部端盖大径端的下端面设置有圆形环槽，安装环设置于圆形环槽内，安装环的圆周外壁与圆形环槽的内壁接触；

安装环的下端面和中部端盖的大径端的下端面均与第一连接部的上端面接触；中部端盖大径端与第一连接部的连接处的圆周外壁上设置有卡箍装置，中部端盖的大径端和第一连接部均设置在环形凹槽内。

进一步地，第一连接部的上端面设置有第三限位槽，中部端盖的大径端的下端面设置有与第三限位槽匹配的第四限位槽。

进一步地，中部端盖的小径端与钻杆舱的底端密封连接。

进一步地，钻杆舱由下至上包括依次连接的第一段钻杆舱、第二段钻杆舱、第三段钻杆舱和第四段钻杆舱；第一段钻杆舱的底端与中部端盖的小径端连接，上端盖与第四段钻杆舱的顶部连接；

第二段钻杆舱的中部设置有管路进口，第四段钻杆舱的中部设置有管路出口，管路进口和管路出口通过第二段钻杆舱和第四段钻杆舱的内腔连通。

进一步地，中部端盖的中部外壁为呈由上至下外径依次增大的多台阶结构。

进一步地，岩芯座的下端设置有连接座，连接座的下端设置有向下开口的插槽，插槽用于与加载油缸的活塞端连接；插槽的底部设置有向下延伸的定位柱；插槽的侧面设置有若干用于固定的销钉孔；

岩芯座的上端设置有渗透口，渗透口的下端连接向下延伸的第一管道，第一管道的端部与水平的第二管道连接，第二管道与连接座侧面开设的出口连接；岩芯座的上表面设置有若干渗透水槽，若干渗透水槽均与渗透口连接；且若干渗透水槽在座体的上表面以渗透口为中心呈发散分布。

本发明的有益效果为：本方案中的模拟舱体结构用于保真取芯器中，具体的过程为：取芯器保真钻取模拟的深部原位岩芯，取芯器将原位岩芯送入岩芯舱内，通过温度环境控制***、孔压控制***、压力控制***，实时监测岩芯原位温度、孔压、压力，并在深部原位保真取芯高温高压模拟舱中模拟出地层原位环境，使得岩芯保持原“质”原“位”状态；驱动***运作下，被钻取的岩芯通过多段钻杆舱提起至地表，岩芯被保真移位至地表以开展率定测试。

岩芯舱设计成中间部分直径小，两端直径大，预留出壁厚增加的调整空间以提高舱体的刚度和强度，以达到在深部原位保真取芯高温高压模拟过程中平台弹性能的释放、取芯器工作变形的限制以及超高压容器对***安全系数的刚性要求。

中部端盖的顶部为小径端，底部为大径端，中部端盖的中部外壁为呈由上至下外径依次增大的多台阶结构，一方面用于实现保真取芯器与保真取芯模拟试验舱精准的对接，另一方案能够给动力提供一个缓冲地带，有效防止局部应力集中，从而配合保真取芯器在模拟试验舱设定条件下钻取岩芯。

整个岩芯座整体采用上部直径大、下部直径小的设计，在结构上实现了变径，结构紧凑。通过插槽与加载油缸的活塞端连接，连接座采用包覆结构与加载油缸的活塞端连接，确保传动的稳定。岩样填充在岩芯座的上端，通过底部加载油缸驱动岩芯座给予岩样压力，实现对岩芯舱能承受压力的检测；在连接座与加载油缸的活塞端上设置销钉孔，通过对中销***销钉孔内配合，以达到增大和底部油缸之间接触部位的摩擦阻力，使结构稳固，在保真取芯时达到防转的效果。岩芯座的上表面设计有环形分布的若干渗透水槽，使得在试验过程中岩芯下表面各处的孔隙水压力尽可能保持在同一水平。

钻杆舱由下至上包括依次连接的第一段钻杆舱、第二段钻杆舱、第三段钻杆舱和第四段钻杆舱；四段钻杆舱的分节设计是在保证整体结构强度足够的前提下，便于实现保真取芯后快速拆卸，在第四段钻杆舱中段设计有管路进口，在第二段钻杆舱中段设计有管路出口，两者经钻杆舱内部连通，水流经过管路，一方面可以控制上下压强差提供驱动保真取芯器钻取岩芯的动力，另一方面可以冲走钻取岩芯过程中产生的岩屑提高试验的安全性。

加载油缸缸体端面与第二连接部的连接处的外壁上设置有卡箍装置，中部端盖大径端与第一连接部的连接处的圆周外壁上设置有卡箍装置，卡箍装置包括一对镜像设置的卡箍本体，相当于实现对开式法兰连接，在保证完成连接后舱体整体结构稳固的前提下实现了试验后的快速拆卸及快速再组装，并在连接间隙作特殊倒角设计，可以尽量避免加压导致的接触部位直接变形。

附图说明

图1为一种用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构的结构示意图。

图2为岩芯舱的结构示意图。

图3为加载油缸的结构示意图。

图4为岩芯座的结构示意图。

图5为中部端盖的结构示意图。

图6为岩样压块的结构示意图。

图7为钻杆舱的结构示意图。

图8为卡箍装置的结构示意图。

其中，1、岩芯舱；101、加强圆环；102、第一连接部；103、第二连接部；104、圆形安装槽；105、第二限位槽；106、第三限位槽；2、加载油缸；201、第一密封圈安装环槽；202、第一连接凸起；203、第一限位槽；3、岩芯座；301、连接座；302、插槽；303、定位柱；304、销钉孔；305、渗透口；306、第一管道；307、第二管道；308、出口；309、渗透水槽；4、中部端盖；401、圆形环槽；402、第四限位槽；5、岩样压块；501、安装环；502、第二密封圈安装环槽；6、钻杆舱；601、第一段钻杆舱；602、第二段钻杆舱；603、第三段钻杆舱；604、第四段钻杆舱；605、管路进口；606、管路出口；7、上端盖；8、卡箍装置；801、卡箍本体；802、环形凹槽。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～8所示，本发明提供了一种用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构，其包括呈中空圆柱结构的岩芯舱1，岩芯舱1的两端的外径大于中间部分的外径，岩芯舱1的中间部分的圆周外壁上沿其轴线方向上凸出设置有多个加强圆环101。岩芯舱1设计成中间部分直径小，两端直径大，预留出壁厚增加的调整空间以提高舱体的刚度和强度，以达到在深部原位保真取芯高温高压模拟过程中平台弹性能的释放、取芯器工作变形的限制以及超高压容器对***安全系数的刚性要求。

岩芯舱1底部设置有加载油缸2，加载油缸2的缸体端面与岩芯舱1底部密封连接，加载油缸2的活塞端上设置有岩芯座3，岩芯座3位于岩芯舱1的内部。

作为岩芯座3的一种具体实施方式，岩芯座3的下端设置有连接座301，连接座301的下端设置有向下开口的插槽302，插槽302用于与加载油缸2的活塞端连接；插槽302的底部设置有向下延伸的定位柱303；插槽302的侧面设置有若干用于固定的销钉孔304；

岩芯座3的上端设置有渗透口305，渗透口305的下端连接向下延伸的第一管道306，第一管道306的端部与水平的第二管道307连接，第二管道307与连接座301侧面开设的出口308连接；岩芯座3的上表面设置有若干渗透水槽309，若干渗透水槽309均与渗透口305连接；且若干渗透水槽309在座体的上表面以渗透口305为中心呈发散分布。

整个岩芯座3整体采用上部直径大、下部直径小的设计，在结构上实现了变径，结构紧凑。通过插槽302与加载油缸2的活塞端连接，连接座301采用包覆结构与加载油缸2的活塞端连接，确保传动的稳定。岩样填充在岩芯座3的上端，通过底部加载油缸2驱动岩芯座3给予岩样压力，实现对岩芯舱1能承受压力的检测；在连接座301与加载油缸2的活塞端上设置销钉孔304，通过对中销***销钉孔304内配合，以达到增大和底部油缸之间接触部位的摩擦阻力，使结构稳固，在保真取芯时达到防转的效果。岩芯座3的上表面设计有环形分部的若干渗透水槽309，使得在试验过程中岩样下表面孔压和其他表面保持平衡。

岩芯舱1顶部设置有中部端盖4，中部端盖4的顶部为小径端，底部为大径端；中部端盖4的中部外壁为呈由上至下外径依次增大的多台阶结构，一方面用于实现保真取芯器与保真取芯模拟试验舱精准的对接，另一方案能够给动力提供一个缓冲地带，有效防止局部应力集中，从而配合保真取芯器在模拟试验舱设定条件下钻取岩芯。

中部端盖4的大径端的端面与岩芯舱1的顶部端面密封连接，岩芯舱1的顶部内设有岩样压块5；中部端盖4的小径端的顶部密封设置有呈多段结构的钻杆舱6，钻杆舱6顶部的开口处设置有上端盖7，上端盖7设置有多个与岩芯舱1连通的注液通道。

钻杆舱6由下至上包括依次连接的第一段钻杆舱601、第二段钻杆舱602、第三段钻杆舱603和第四段钻杆舱604；第一段钻杆舱601的底端与中部端盖4的小径端连接，上端盖7与第四段钻杆舱604的顶部连接；第二段钻杆舱602的中部设置有管路进口605，第四段钻杆舱604的中部设置有管路出口606，管路进口605和管路出口606通过第二段钻杆舱602和第四段钻杆舱604的内腔连通。

钻杆舱6由下至上包括依次连接的第一段钻杆舱601、第二段钻杆舱602、第三段钻杆舱603和第四段钻杆舱604；四段钻杆舱6的分节设计是在保证整体结构强度足够的前提下，便于实现保真取芯后快速拆卸，在第四段钻杆舱604中段设计有管路进口605，在第二段钻杆舱602中段设计有管路出口606，两者经钻杆舱6内部连通，水流经过管路，一方面可以控制上下压强差提供驱动保真取芯器钻取岩芯的动力，另一方面可以冲走钻取岩芯过程中产生的岩屑提高试验的安全性。

岩芯舱1两端的外壁上分别凸出设置有呈圆柱结构的第一连接部102和第二连接部103，第一连接部102和第二连接部103的外径大于岩芯舱1中部外径；第一连接部102的上端面与岩芯舱1的上端面之间设置有间距；第二连接部103的下端面与岩芯舱1的下端面平齐，第二连接部103的下端面上设置有圆形安装槽104。

加载油缸2的缸体端面呈台阶结构，加载油缸2的缸体圆周外壁上设置有多条第一密封圈安装环501槽201，加载油缸2的缸体端面设置于圆形安装槽104内，加载油缸2的缸体圆周外壁上设置有直径与第二连接部103外径相同的第一连接凸起202。

在第一密封圈安装环槽201设置有O型氟橡胶密封圈，实现加载油缸2的缸体端面与第二连接部103的密封连接。

加载油缸2缸体端面与第二连接部103的连接处的外壁上设置有卡箍装置8，卡箍装置8包括一对镜像设置的卡箍本体801，两个卡箍本体801的横截面均为半圆环结构，两个卡箍本体801的圆周内壁上均设置有开口相对设置的环形凹槽802，两个卡箍本体801的直面处的侧壁连接后形成中空圆柱结构，第二连接部103和第一连接凸起202卡合在环形凹槽802内。

岩样压块5顶部圆周外壁上凸出设置有安装环501，安装环501的圆周外壁上设置有多条第二密封圈安装环槽502；在第二密封圈安装环槽502内设置有O型氟橡胶密封圈，实现岩样压块5顶部与中部端盖4大径端的下端面的密封连接。

中部端盖4大径端的下端面设置有圆形环槽401，安装环501设置于圆形环槽401内，安装环501的圆周外壁与圆形环槽401的内壁接触；安装环501的下端面和中部端盖4的大径端的下端面均与第一连接部102的上端面接触；中部端盖4大径端与第一连接部102的连接处的圆周外壁上设置有卡箍装置8，中部端盖4的大径端和第一连接部102均设置在环形凹槽802内。

加载油缸2缸体端面与第二连接部103的连接处的外壁上设置有卡箍装置8，中部端盖4大径端与第一连接部102的连接处的圆周外壁上设置有卡箍装置8，卡箍装置8包括一对镜像设置的卡箍本体801，相当于实现对开式法兰连接，在保证完成连接后舱体整体结构稳固的前提下实现了试验后的快速拆卸及快速再组装，并在连接间隙作特殊倒角设计，可以尽量避免加压导致的接触部位直接变形。

加载油缸2缸体的台阶面上设置有第一限位槽203，第二连接部103的下端面上设置有与第一限位槽203匹配的第二限位槽105。在加载油缸2缸体的台阶面与第二连接部103的下端面转配连接时，将第一限位槽203和第二限位槽105的位置对齐，然后在第一限位槽203和第二限位槽105内设置限位块，限制加载油缸2缸体的台阶面与第二连接部103的下端面之间的转动自由度，避免两者在连接后发生转动。

第一连接部102的上端面设置有第三限位槽106，中部端盖4的大径端的下端面设置有与第三限位槽106匹配的第四限位槽402，第一连接部102的上端面与中部端盖4的大径端连接时，将第三限位槽106和第四限位槽402的位置对齐，然后在第三限位槽106和第四限位槽402内设置限位块，限制第一连接部102的上端面与中部端盖4的大径端之间的转动自由度，避免两者在连接后发生转动。

本方案中的模拟舱体结构用于保真取芯器中，具体的过程为：在岩芯舱1内通过温度环境控制***、孔压控制***、压力控制***，实时监测岩样原位温度、孔压、压力，并在岩芯舱1中模拟高温高压深地原位环境，使得岩芯保持原“质”原“位”状态；驱动***运作下，通过多段钻杆舱6在岩芯舱1中岩样中钻取岩芯并提起至地表，被钻取的岩芯被保真移位至地表以开展率定测试。

Claims (6)

1.一种用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构，其特征在于，包括呈中空圆柱结构的岩芯舱，所述岩芯舱的两端的外径大于中间部分的外径，岩芯舱的中间部分的圆周外壁上沿其轴线方向上凸出设置有多个加强圆环；

岩芯舱底部设置有加载油缸，所述加载油缸的缸体端面与岩芯舱底部密封连接，加载油缸的活塞端上设置有岩芯座，所述岩芯座位于岩芯舱的内部；

岩芯舱顶部设置有中部端盖，所述中部端盖的顶部为小径端，底部为大径端；中部端盖的大径端的端面与岩芯舱的顶部端面密封连接，岩芯舱的顶部内设有岩样压块；

中部端盖的小径端的顶部密封设置有呈多段结构的钻杆舱，钻杆舱顶部的开口处设置有上端盖，所述上端盖设置有多个与岩芯舱连通的注液通道；

所述岩芯舱两端的外壁上分别凸出设置有呈圆柱结构的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部和第二连接部的外径大于岩芯舱中部外径；

第一连接部的上端面与岩芯舱的上端面之间设置有间距；第二连接部的下端面与岩芯舱的下端面平齐，第二连接部的下端面上设置有圆形安装槽；

所述加载油缸的缸体端面呈台阶结构，加载油缸的缸体圆周外壁上设置有多条第一密封圈安装环槽，加载油缸的缸体端面设置于所述圆形安装槽内，加载油缸的缸体圆周外壁上设置有直径与第二连接部外径相同的第一连接凸起；

加载油缸缸体端面与第二连接部的连接处的外壁上设置有卡箍装置，所述卡箍装置包括一对镜像设置的卡箍本体，两个所述卡箍本体的横截面均为半圆环结构，两个卡箍本体的圆周内壁上均设置有开口相对设置的环形凹槽，两个卡箍本体的直面处的侧壁连接后形成中空圆柱结构，第二连接部和第一连接凸起卡合在所述环形凹槽内；

所述加载油缸缸体的台阶面上设置有第一限位槽，所述第二连接部的下端面上设置有与所述第一限位槽匹配的第二限位槽；

所述岩样压块顶部圆周外壁上凸出设置有安装环，所述安装环的圆周外壁上设置有多条第二密封圈安装环槽；所述中部端盖大径端的下端面设置有圆形环槽，所述安装环设置于所述圆形环槽内，安装环的圆周外壁与圆形环槽的内壁接触；

安装环的下端面和中部端盖的大径端的下端面均与所述第一连接部的上端面接触；中部端盖大径端与第一连接部的连接处的圆周外壁上设置有所述卡箍装置，中部端盖的大径端和第一连接部均设置在环形凹槽内。

2.根据权利要求1所述的用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构，其特征在于，所述第一连接部的上端面设置有第三限位槽，所述中部端盖的大径端的下端面设置有与所述第三限位槽匹配的第四限位槽。

3.根据权利要求1所述的用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构，其特征在于，所述中部端盖的小径端与所述钻杆舱的底端密封连接。

4.根据权利要求3所述的用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构，其特征在于，所述钻杆舱由下至上包括依次连接的第一段钻杆舱、第二段钻杆舱、第三段钻杆舱和第四段钻杆舱；所述第一段钻杆舱的底端与所述中部端盖的小径端连接，所述上端盖与所述第四段钻杆舱的顶部连接；

所述第二段钻杆舱的中部设置有管路进口，第四段钻杆舱的中部设置有管路出口，所述管路进口和所述管路出口通过第二段钻杆舱和第四段钻杆舱的内腔连通。

5.根据权利要求1所述的用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构，其特征在于，所述中部端盖的中部外壁为呈由上至下外径依次增大的多台阶结构。

6.根据权利要求1所述的用于保真取芯器运行的高温高压环境模拟舱体结构，其特征在于，所述岩芯座的下端设置有连接座，所述连接座的下端设置有向下开口的插槽，所述插槽用于与加载油缸的活塞端连接；插槽的底部设置有向下延伸的定位柱；插槽的侧面设置有若干用于固定的销钉孔；

所述岩芯座的上端设置有渗透口，所述渗透口的下端连接向下延伸的第一管道，所述第一管道的端部与水平的第二管道连接，所述第二管道与连接座侧面开设的出口连接；所述岩芯座的上表面设置有若干渗透水槽，若干所述渗透水槽均与渗透口连接；且若干渗透水槽在座体的上表面以渗透口为中心呈发散分布。

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