CN102691519B - 多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，它主要包括反力框架、加载系统、升降旋转定位系统和注采及形态探测系统。液压加载系统的油缸嵌入在反力框架的底部和水平两侧，反力框架可对试验盐岩试件进行真三轴加载，可通过水平两侧透视窗口观测盐腔形态；升降旋转定位系统的立轴固定在反力框架上，注采及形态探测系统包括有保护液注口、出水管、进水管、水下测距仪、液位传感器和摄像头等，其安装在升降旋转定位系统的托架上，可通过反力框架的顶梁探测孔进行安装，可完成注采循环和盐腔形态探测。本发明可以实现盐岩造腔过程的可监测物理模拟；进行多夹层盐岩在多场耦合条件下的造腔过程溶腔形态变化规律研究。

Description

多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置

技术领域

本发明涉及一种多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置。可应用于我国多夹层盐穴的室内物理模拟与可视化形态控制实验，为盐穴造腔工程提供指导性参数。

背景技术

利用深部盐岩洞穴进行能源地下储备是国际上广泛认可的能源储备方式，也是我国能源战略储备的重点部署方向之一。由于国家能源储备和配套天然气长输管网的巨大需求，我国盐岩能源地下储库群大规模兴建已经开始，如：建设中的江苏金坛盐岩储气库，2020年将达到17.14亿方工作气量的规模，最终将形成由60余个单腔组成的密集地下气库群。同时，一个由50～60个单腔组成的大型地下石油储库群也将在江苏金坛盐矿兴建，原油储备可达300～600万吨。另外，湖北云应、江苏淮安和河南平顶山等盐矿区建设地下储气库已经开始前期研究。尽管相对于其它地下能源储备围岩体，盐岩能源地下储备库具有较好的安全性，但近三十年来，国外盐岩地下储库灾难性事故，如油气渗漏、溶腔失效和库区地表沉陷等仍时有发生，且事故突发性强、破坏力大，对安全及环境产生巨大灾难性影响。而我国在盐岩地下储库建设方面刚刚开始，缺乏经验，特别是与国外巨厚盐丘储库相比，我国盐岩地层具有埋深浅、成层分布、夹层较多，地质条件相对复杂等特点，薄夹层的存在增大了造腔形态控制的难度和风险，储库密集增加了单洞垮塌引发连锁性库群灾变的可能，埋深较浅加剧了地表沉陷。况且，这些能源地下储库又均紧邻人口稠密、经济较为发达地区，此类事故一旦发生，不但影响能源储备安全，而且危害人民的生命和财产安全。地下储气库溶腔的形状控制对于储气库长期的稳定性至关重要。在盐穴储气库建设过程中，溶腔形状控制参数主要包括油垫方式与位置、注采管柱位置、循环方式及注入排量等，良好的溶腔形状控制需要优化各项工艺参数。

显然，我国在这种层状盐岩体中的地下能源储库群的建设将面临更为复杂的科学问题和技术难题，亟需开展多夹层盐岩大型地下储气（油）库群的造腔控制方法和技术的研究，建立我国大型密集地下能源储库群提供科学理论和方法技术，为我国能源战略地下储备的建设与运行提供关键理论，以满足我国能源地下储备安全的需求。因此，多夹层盐穴储气库造腔可视化物理模拟试验装置的研发与我国国民经济可持续发展、国家能源储备安全密切相关，具有前瞻性、创新性以及良好的工程指导意义，是实现安全快速建设地下储气（油）库，平衡长输管网供气以及实现国家战略能源存储的重要技术储备。

目前国内外还没有相关的多夹层盐岩造腔过程可视化物理模拟试验装置，特别是考虑温度、地应力、注采水流速以及提升速度等多种耦合复杂因素条件下多夹层盐岩造腔过程的三维腔体可视化物理模拟试验装置。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，其能够研究多夹层盐岩造腔物理模拟过程和形态控制参数。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，它主要包括反力框架、加载系统、升降旋转定位系统和注采及形态探测系统；

所述反力框架内放置盐岩试件，该盐岩试件采用加载系统进行加载；反力框架的上侧面上设有探测孔；

所述升降旋转定位系统包括立轴，立轴上安装能够沿立轴上下滑动的系统托架，系统托架上安装垂直升降电机和旋转丝杠，旋转丝杠上端穿过一顶部旋转块，顶部旋转块安装在所述立轴上；垂直升降电机带动旋转丝杠旋转，带动系统托架上下移动；

所述注采及形态探测系统包括安装在所述系统托架上的支撑圆护管，支撑圆护管内穿过有保护液注口、出水管、进水管、水下测距仪线路、液位传感器线路和摄像头线路，并在支撑圆护管的下端安装有相应的水下测距仪、液位传感器和摄像头；所述支撑圆护管的上端设有旋转齿轮盘，旋转齿轮盘上设有支架，支架上设有分别带动旋转齿轮盘转动的电机、带动出水管升降的电机、带动进水管升降的电机、带动水下测距仪升降的电机。

所述反力框架包括底梁、顶梁、透视反力窗、和若干加载反力梁和三角连接件，所述透视反力窗、若干加载反力梁和三角连接件安装在底梁和顶梁之间，透视反力窗主要由钢化玻璃组成，所述底梁、顶梁、透视反力窗、和若干加载反力梁和三角连接件通过螺栓连接共同围成用于放置盐岩试件的空间。

所述加载系统为在水平方向的加载反力梁和底梁上均安装有加载油缸，所述加载油缸均嵌入到加载反力梁和底梁内，加载油缸活塞连接有分力器，通过分力器对盐岩试件进行加载。

底梁上的分力器上部安装接水槽，接水槽上部放置有模型垫块，所述盐岩试件旋转在模型垫块上。

所述立轴上固定有一固定卡，固定卡上安装有水平定位杆，所述系统托架上设有与该水平定位杆相对应的孔。

所述旋转丝杠与系统托架接触处安装有减摩环，旋转丝杠上端穿过一固定螺母，该固定螺母固定在顶部旋转块上。

所述支撑圆护管上部与系统托架连接处，以及支撑圆护管上部与开口处分别设有上密封环和下密封环，上下密封环内设有密封垫和密封圈。

所述旋转齿轮盘上部安装有三根垂直支架，并在顶部由垂直支架连接件连接，其上固定信号线盒。

所述进水管与出水管分别与外部进水管和出水管连接，其中外部进水管与恒流泵连接，通过进水管向溶腔注清水，溶腔内的液体压力驱使卤水从出水管流出；进水管与一上下移动套管连接，上下移动套管由带动出水管升降的电机带动一固定在旋转系统上的出水管螺旋杆转动而上下升降；出水管与带动出水管升降的电机连接上下升降。

所述水下测距仪通过带动水下测距仪升降的电机带动一固定在旋转系统上的水下测距仪螺旋杆转动而上下升降；水下测距仪还通过探头角度调整电机带动一穿过支撑圆护管的探头角度调整杆上下移动，探头角度调整杆与一L型机构一端铰接，水下测距仪固定于L型机构下端， L型机构能够绕拐角处上下转动，进行上下倾角微调，以使水下测距仪与被测面垂直。

本发明与国内外现有的物理模拟实验装置相比具有如下显著的技术优势：

（1）本发明实验装置可以实现盐岩造腔过程的可监测物理模拟；

（2）可进行多夹层盐岩在多场耦合条件下的造腔过程溶腔形态变化规律研究；

（3）可进行造腔工艺和施工参数对盐腔形态的影响试验分析；

（4）可进行多夹层盐岩在多场耦合条件的溶解速度、卤水浓度变化规律及溶腔最终形态等变化规律试验；

（5）本发明实验装置可为实际盐穴储气库设计和建造提供工艺控制参数及技术支持。

附图说明

图1是本发明的多夹层盐穴造腔模拟与形态控制实验装置的整体结构示意图。

图2是本发明的多夹层盐穴造腔模拟与形态控制实验装置的A-A剖面俯视图。

图3是本发明的多夹层盐穴造腔模拟与形态控制实验装置的B-B剖面侧视图。

图4是本发明顶部反力板的结构示意图。

图中1.底梁，2.三角连接件，3.加载反力梁，4. 透视反力窗，5.螺栓，6.顶梁，7.摄像头，8.液位传感器，9. 聚四氟密封垫，10.下密封环，11.密封圈，12.支撑圆护管，13.护管定位减摩环，14.旋转齿轮盘，15.支撑减摩环，16.旋转步进电机及齿轮，17. 上密封环，18.探头角度调整杆，19. 保护液注口，20. 探头角度调整电机，21.出水管螺旋杆，22.水管升降步进电机，23.信号线盒，24.注水出水管分隔器，25.垂直支架，26.垂直支架连接件，27.立轴，28.固定卡，29.水平定位杆，30.水下测距仪，31.减摩环，32.垂直旋转滑块，33.顶部旋转块，34.垂直升降电机，35.固定螺母，36.系统托架，37.旋转丝杠，38. 水下测距仪螺旋杆，39.水下测距仪升降电机，40.进水管升降电机，41.出水管，42.进水管，43.上下移动套管，44.液压油缸，45.分力器，46.接水槽，47.模型垫块，48. 盐岩试件，49.透视钢化玻璃，50.溶腔，51.顶板保护液，52.顶梁探测孔，53.螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

多夹层盐穴造腔模拟与形态控制实验装置主要包括反力框架、液压加载系统、升降旋转定位系统、注采及形态探测系统等组成。

图1中，底梁1，三角连接件2，加载反力梁3，透视反力窗4和顶梁6通过螺栓5连接组成反力框架，其中透视反力窗4中间为菱形窗口，并安装有钢化玻璃48，可通过钢化玻璃48观察盐岩溶腔的形状。

图2和图3中，反力框架采用三维加载油缸进行加载。水平两个方向加载反力梁3框架内嵌液压油缸44，液压油缸44活塞穿过加载反力梁3，前端连接有分力器45（作用是将液压油缸活塞出力均匀传递到盐岩试件48表面）。底梁1框架内嵌液压油缸44，液压油缸44活塞穿过底梁1，前端连接有分力器45，分力器的上部安装接水槽46（作用是收集实验过程渗漏水），接水槽46中央放置模型垫块47（作用是托起盐岩试件48，使其不被水浸），模型垫块47上部放置盐岩试件48。试验时，三个方向的液压油缸给盐岩试件48加压。

图4中，顶梁6上有纵横的钢肋，保证加载刚度和强度，并在盐岩试件中心对应位置上方的顶梁6上设有顶梁探测孔52，从顶梁探测孔52先对盐岩试件进行钻孔，然后将注采及形态探测系统通过此孔安装。

图1中，升降旋转定位系统由立轴27，固定卡28，水平定位杆29，减摩环31，垂直旋转滑块32，顶部旋转块33，垂直升降电机34，固定螺母35，系统托架36和旋转丝杠37组成。固定卡28通过螺栓固定在立轴27上。固定卡28上安装有水平定位杆29，立轴27顶部设有顶部旋转块33，顶部旋转块33只能旋转，其上安装固定螺母35。垂直旋转滑块32是可以上下升降、旋转的，为保证随意转动并对准探测孔，设计有水平定位杆29，当旋转到水平定位杆能穿过时，可保证对准探测孔。立轴27安装垂直旋转滑块32，垂直旋转滑块32设计由系统托架36，其上安装垂直升降电机34、减摩环31和旋转丝杠37，旋转丝杠37穿过固定螺母35。垂直升降电机34带动旋转丝杠37旋转，旋转丝杠37与系统托架36接触处安装减摩环31，当旋转丝杠37旋转时，固定螺母35不动，垂直旋转滑块32相对于顶部旋转块33可上下移动，从而带动系统托架36上下移动。系统托架36上有定位孔，当垂直旋转滑块32下降时，定位孔穿过水平定位杆29时，保证系统托架36上固定的注采及形态探测系统与顶梁6上的探测孔52同轴。

图1中，注采及形态探测系统由摄像头7，液位传感器8，聚四氟密封垫9，下密封环10，密封圈11，支撑圆护管12，护管定位减摩环13，旋转齿轮盘14，支撑减摩环15，旋转步进电机及齿轮16，上密封环17，探头角度调整杆18，保护液注口19，探头角度调整电机20，进水管螺旋杆21，出水外管升降步进电机22，信号线盒23，注水出水管分隔器24，垂直支架25，垂直支架连接件26，水下测距仪30，水下测距仪螺旋杆38，水下测距仪升降电机39，进水内管升降电机40，出水管41，进水管42，上下移动套管43等组成。

通过设定单次旋转角度进行控制，旋转步进电机及齿轮16带动旋转齿轮盘14旋转（14转动的目的是带动摄像头7和水下测距仪30旋转，通过录像和测距确定溶腔50的形状），旋转齿轮盘14上安装有支撑圆护管12、出水外管升降步进电机22、进水内管升降电机40、水下测距仪升降电机39和垂直支架25等。其中，注采及形态探测系统的支撑圆护管12上部和下部分别设有上密封环17和下密封环10，上下密封环内设有聚四氟密封垫9和密封圈11。

图1所示，旋转齿轮盘14上部安装有三根垂直支架25，并在顶部由垂直支架连接件26连接，其上固定信号线盒23。旋转齿轮盘14下部设有支撑减摩环15。支撑圆护管12上部设有护管定位减摩环13， 

图3所示，支撑圆护管12内部的保护液注口19（保护液的作用是保护溶腔50的顶部盐岩不被溶解）、出水管41，进水管42、水下测距仪30、液位传感器8、摄像头7等都通过上密封环17和下密封环10插入盐岩试件48中间的溶腔50。

图3所示，为升降旋转定位系统降下后，注采及形态探测系统坐落在顶梁6上，支撑圆护管12下部的下密封环10与顶梁6的下部钢板密切接触，并有密封圈密封。

图1所示，进水管42和出水管41为内外嵌套的长细不锈钢管，并通过注水出水管分隔器24隔离开，且进水和出水截面相同。进水管42和出水管41分别与外部进水管和出水管连接，其中外部进水管与恒流泵连接，通过进水管42向溶腔50注清水，溶腔50内的液体压力驱使卤水从出水管41流出。进水管42与上下移动套管43连接，上下移动套管43由水管升降步进电机22带动进水管螺旋杆21转动而上下升降。出水管41与出水外管升降步进电机40连接上下升降。

图1所示，水下测距仪30同样通过水下测距仪升降电机带动螺旋杆38转动而上下升降。另外，水下测距仪30还可以通过探头角度调整电机20带动穿过支撑圆护管的探头角度调整杆18上下移动，水下测距仪30固定于L型机构下端，探头角度调整杆18与L型机构一端铰接，L型机构可绕拐角处上下转动，进行上下倾角微调，以使水下测距仪与被测面垂直。

图1所示，摄像头7插入盐岩试件48中间的溶腔50，其测线通过细钢管引出，并与水下测距仪30的测线和所有步进电机的控制电缆一起放置在信号线盒23内，统一与对应的控制系统和采集系统连接。

图1所示，液位传感器8可实时监测溶腔50内顶板保护液51的位置，并可通过外部的保护液注采器由保护液注口19注入保护液。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，其特征是，它主要包括反力框架、加载系统、升降旋转定位系统和注采及形态探测系统；

所述反力框架内放置盐岩试件，该盐岩试件采用加载系统进行加载；反力框架的上侧面上设有探测孔；

所述升降旋转定位系统包括立轴，立轴上安装能够沿立轴上下滑动的系统托架，系统托架上安装垂直升降电机和旋转丝杠，旋转丝杠上端穿过一顶部旋转块，顶部旋转块安装在所述立轴上；垂直升降电机带动旋转丝杠旋转，带动系统托架上下移动；

所述注采及形态探测系统包括安装在所述系统托架上的支撑圆护管，支撑圆护管内穿过有保护液注口、出水管、进水管、水下测距仪线路、液位传感器线路和摄像头线路，并在支撑圆护管的下端安装有相应的水下测距仪、液位传感器和摄像头；所述支撑圆护管的上端设有旋转齿轮盘，旋转齿轮盘上设有支架，支架上设有分别带动旋转齿轮盘转动的电机、带动出水管升降的电机、带动进水管升降的电机、带动水下测距仪升降的电机。

2.如权利要求1所述的多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，其特征是，所述反力框架包括底梁、顶梁、透视反力窗、和若干加载反力梁和三角连接件，所述透视反力窗、若干加载反力梁和三角连接件安装在底梁和顶梁之间，透视反力窗主要由钢化玻璃组成，所述底梁、顶梁、透视反力窗、和若干加载反力梁和三角连接件通过螺栓连接共同围成用于放置盐岩试件的空间。

3.如权利要求2所述的多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，其特征是，所述加载系统为在水平方向的加载反力梁和底梁上均安装有加载油缸，所述加载油缸均嵌入到加载反力梁和底梁内，加载油缸活塞连接有分力器，通过分力器对盐岩试件进行加载。

4.如权利要求3所述的多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，其特征是，底梁上的分力器上部安装接水槽，接水槽上部放置有模型垫块，所述盐岩试件旋转在模型垫块上。

5.如权利要求1所述的多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，其特征是，所述立轴上固定有一固定卡，固定卡上安装有水平定位杆，所述系统托架上设有与该水平定位杆相对应的孔。

6.如权利要求1所述的多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，其特征是，所述旋转丝杠与系统托架接触处安装有减摩环，旋转丝杠上端穿过一固定螺母，该固定螺母固定在顶部旋转块上。

7.如权利要求1所述的多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，其特征是，所述支撑圆护管上部与系统托架连接处，以及支撑圆护管上部与开口处分别设有上密封环和下密封环，上下密封环内设有密封垫和密封圈。

8.如权利要求1所述的多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，其特征是，所述旋转齿轮盘上部安装有三根垂直支架，并在顶部由垂直支架连接件连接，其上固定信号线盒。

9.如权利要求1所述的多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，其特征是，所述进水管与出水管分别与外部进水管和出水管连接，其中外部进水管与恒流泵连接，通过进水管向溶腔注清水，溶腔内的液体压力驱使卤水从出水管流出；进水管与一上下移动套管连接，上下移动套管由带动出水管升降的电机带动一固定在旋转系统上的出水管螺旋杆转动而上下升降；出水管与带动出水管升降的电机连接上下升降。

10.如权利要求1所述的多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，其特征是，所述水下测距仪通过带动水下测距仪升降的电机带动一固定在旋转系统上的水下测距仪螺旋杆转动而上下升降；水下测距仪还通过探头角度调整电机带动一穿过支撑圆护管的探头角度调整杆上下移动，探头角度调整杆与一L型机构一端铰接，水下测距仪固定于L型机构下端， L型机构能够绕拐角处上下转动，进行上下倾角微调，以使水下测距仪与被测面垂直。