CN104575223A - 一种用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其包括模型模块、动力模块、实验边界模块和控制模块；模型模块用于设置和承托模型；动力模块用于为模型的砂体施加多期次多方向的变形动力，包括伸展、挤压和走滑；实验边界模块用于为模型提供各种所需的边界条件；控制模块用于按照预定的实验方案，控制各组挡板按照预定的方向和速度移动，同时进行或者先后叠加都能够实现。应用该物理模拟实验装置，大幅度提高了实验设备的利用率，降低了单次实验的成。其结构模块化，便于拆卸组装，操作简单，具有经济性和模型多样化的特点，弥补了现有技术中实验装置设计复杂，制造容易浪费的不足之处。
Description
技术领域
本发明地球物理勘探技术领域，具体涉及一种用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置。
背景技术
由横波特有的运动学和动力学特征决定，其对于产布有砾卵石层和第四纪天然气藏的复杂地层具有较高的分辨率和穿透力，常被应用于工程地震勘探中，能较好地反映勘探场地的地质―地球物理表征。常规使用的震源枪、可控震源、人力震源等各有利弊，如震源枪激发能量大，但不安全且使用环境受限制；可控震源工作安全，但成本高且不适用于建构筑物密集城区；人力震源使用便利，但激发能量小且能量输出不稳定等等。
在常规地震勘探中，地质构造是地壳中的岩石体因受到上部沉积、板块运动或地幔柱影响导致岩石体应力场改变发生变形，形成褶皱或断裂，断裂构造的演化对沉积具有控制作用，对先存地质体也具有改造作用，因此断裂对油气成藏的源岩和储层有重要控制作用。此外，断裂在不同时期活动，作用也具有差异性，在油气成藏时活动的断裂可作为油源断裂或气源断裂，对油气成藏是十分必要的，油气藏形成之后的部分不活动断裂也可作为遮挡断裂，是圈闭形成的因素之一，而在油气藏形成之后的活动断裂对油气藏多起到了破坏作用，对油气成藏是十分不利的，叠合盆地中断裂的形态特征和变形机制更为复杂，对油气成藏的控制也更为复杂。因此叠合盆地构造演化的研究能够有效的指导油气藏勘探。砂箱物理模拟实验与实际地层必须具有时间、材料和几何相似性，国内外学者多根据实际工区设计砂箱物理模拟实验装置，装置的功能与实际工区对应，比较单一，实验完成后的装置不能用于其他实验，可再利用价值低，造成了大量浪费。目前，国内外还没有单台砂箱物理模拟实验装置能够实现所有类型的叠合盆地构造模拟实验。
基于现实油气勘探的需要，针对多期不同性质变形场叠加演化的模拟越发显得迫切。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其目的在于基于多期不同性质变形场叠加演化的多角度转动式砂箱物理模拟，能够进行多期不同性质变形场叠加演化的叠合盆地构造变形物理模拟实验，实验结束后部件可拆卸重组继续进行下一个实验，是一项创新的技术。
依据本发明的第一方面，提供一种用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其包括模型模块、动力模块、实验边界模块和控制模块；模型模块用于设置和承托模型；动力模块用于为模型的砂体施加多期次多方向的变形动力，包括伸展、挤压和走滑；实验边界模块用于为模型提供各种所需的边界条件，模型的边界条件是影响实验结果的最重要因素之一；控制模块用于按照预定的实验方案，控制各组挡板按照预定的方向和速度移动，同时进行或者先后叠加都能够实现。
其中，模型模块包括实验台桌1、第一轨道1001和第二轨道1002，其中实验台桌1为正方形，边长1.6m*厚度0.02m，钢铁材质；以实验台桌1中心为圆心画一个正圆形，直径1.4m，沿此正圆形安放第一轨道1001和第二轨道1002，第一轨道1001和第二轨道1002为在实验台桌上开的弧形轨道，弧形直径1.4m；第一轨道1001和第二轨道1002的弧度都为90°，第一轨道1001和第二轨道1002的位置对称，分别位于实验台桌1正方形的两条对边方向。
其中，动力模块包括六组驱动器，分别为第一驱动器801、第二驱动器802、第三驱动器803、第四驱动器804、第五驱动器805和第六驱动器806；其中第一驱动器801由第一驱动器底座901、第一步进电机201、第一减速箱301、第一传动螺杆401、第一传动光杆501、第一连接部件601、第一移动挡板701组成；第一驱动器底座901为钢铁材质，长15cm*高15cm，宽15cm，第一驱动器底座中部开两个直径4cm的孔洞，两个孔洞沿第一驱动器底座901竖直中轴线对称，位于水平中轴线上，两个孔洞圆心距离7cm，孔洞方向水平并垂直于第一轨道1001，孔洞内壁抛光以减小摩擦阻力，第一驱动器底座901上部安装第一步进电机201，第一步进电机201能够根据输入的电脉冲信号稳定输出转速，而不受功率和力的影响。
进一步地，第一步进电机201与第一减速箱301互相垂直连接，第一减速箱301内部为齿轮传动，第一减速箱301连接第一传动螺杆401，第一传动螺杆401为钢铁材质的圆柱形螺纹杆，长度1.2m，直径4cm，螺距0.5cm，第一传动螺杆401水平指向实验台桌1外侧，并且第一传动螺杆401的方向与第一轨道1001垂直，利用第一减速箱301将第一步进电机201的输出转速降低并输出至第一传动螺杆401，第一连接部件601连接第一传动螺杆401和第一传动光杆501，第一连接部件601为钢铁材质，尺寸为长10cm*宽2cm*高15cm，有一个螺纹孔，直径4cm*螺距0.5cm，能够与第一传动螺杆401咬合。
更近一步地，第一传动光杆501为两根完全相同的钢铁材质的圆柱形杆，第一传动光杆501表面抛光以减小摩擦阻力，第一传动光杆501长度1.2m*直径4cm，第一传动光杆501方向平行于第一传动螺杆401，第一传动螺杆401穿过第一连接部件601的螺纹孔与第一连接部件601相连，同时第一连接部件601通过螺丝与第一传动光杆501的末端紧密固定连接，第一传动光杆501穿过第一驱动器底座901的孔洞，与第一移动挡板701通过螺丝紧密连接，第一移动挡板701厚度2cm*长30cm*高20cm，沿竖直方向放置，水平方向上与第一传动光杆501垂直。
又进一步地，当第一步进电机201转动时，通过第一减速箱301传动使第一传动螺杆401旋转，第一传动螺杆401逆时针旋转时第一连接部件601向实验台桌1内部方向水平运动。
优选地，第一传动螺杆401顺时针旋转时第一连接部件601向实验台桌1外部方向水平运动，第一连接部件601通过第一传动光杆501带动第一移动挡板701水平运动，即起到了为实验提供动力的作用。
更优选地，第二驱动器802、第三驱动器803、第四驱动器804、第五驱动器805和第六驱动器806的部件及组合方式与第一驱动器801完全一致，都分别由驱动器底座(分别对应902、903、904、905、906)、步进电机(分别对应202、203、204、205、206)、减速箱(分别对应302、303、304、305、306)、传动螺杆(分别对应402、403、404、405、406)，传动光杆(分别对应502、503、504、505、506)，连接部件(分别对应602、603、604、605、606)，移动挡板(分别对应702、703、704、705、706)组合而成；其中第一驱动器801与第二驱动器802通过活动螺栓固定于第一轨道1001，能够沿第一轨道1001滑动并且旋转；第三驱动器803与第四驱动器804通过活动螺栓固定于第二轨道1002，能够沿第二轨道1002滑动并且旋转；第五驱动器805与第六驱动器806分别安装于实验台桌1正方形没有轨道的两条边缘的正中间，使用螺栓固定于实验台桌1边部，第五驱动器805和第六驱动器806不可旋转，不可移动；整个动力模块的运行方式就是步进电机通过减速箱带动传动螺杆旋转，连接部件把传动螺杆的角速度转换为传动光杆和移动挡板的线速度。
进一步地，实验边界模块分为移动挡板、固定挡板、刚性底板、弹性底板、差异变形底板15和走滑底板16；第一移动挡板701、第二移动挡板702、第三移动挡板703、第四移动挡板704、第五移动挡板705和第六移动挡板706是完全相同的六块挡板，钢铁材质，厚度2cm*长30cm*高20cm，在每块挡板外侧底部有夹持底板材料的固定条；第一固定挡板1201和第二固定挡板1202不可移动，为钢铁材质，长1m*高0.2m*厚0.02m，竖直安放于实验台桌1之上；刚性底板13使用泡沫塑料制作，宽度30cm，长度和高度根据实验所需具体设定，使变形沿底板边界产生，用于模拟先存的盆地边界断层；弹性底板14使用天然橡胶制作，宽度30cm*厚度1mm，长度根据实验所需具体设定，作用为使变形均匀分布至整个实验模型；差异变形底板15使用醋酸酯薄膜和天然橡胶混合制作，醋酸酯薄膜和天然橡胶宽度为30cm，醋酸酯薄膜和天然橡胶厚度为1mm，醋酸酯薄膜与天然橡胶接缝处使用胶水粘合；走滑底板16使用钢铁材质，宽度30cm，长度和高度根据实验所需具体设定，走滑底板16底部开斜缝，将走滑底板16分为中心对称的两半，斜缝与移动挡板的夹角根据实验所需具体设定，利用底板开的斜缝将移动挡板的正向位移转化为实验模型内部的走滑位移。
依据本发明的第二方面，提供一种使用上述用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置的方法，其包括下列步骤：
第一步，实验空间设置：根据实际盆地尺寸，按照1：105比例缩小得出实验体的尺寸，根据实际盆地情况或实验所需，设置相应的挡板和底板，包括固定挡板、移动挡板、刚性底板、弹性底板、差异变形底板和走滑底板，其中，刚性底板以及差异变形底板的刚性部分形状需根据具体实验需要进行设计，走滑底板的底部斜拉角度θ1和断裂发生角度θ2需根据具体实验需要进行设定，将具体使用的底板两端与移动挡板连接；
第二步，实验砂体铺设：用粒径约为20-50目的干燥石英砂模拟脆性地层、硅胶材料模拟塑性地层，按照实际的盆地沉积地层厚度和形态将石英砂和硅胶铺设进实验空间；
第三步，实验进行：用计算机控制挡板运动，挤压或拉张实验体发生变形，变形期间可继续向实验体中添加地层模拟沉积，或者去除一部分地层模拟剥蚀；实验进行过程中每隔一定时间或一定推拉距离拍照记录；
第四步，实验结束后用药水浸渍实验砂体使之固结，切割实验体观察内部剖面，进行实验记录和总结，得出实验结果。
使用本发明的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置及其使用方法，不仅仅具有可模拟二维、三维以及走滑、挤压、拉张盆地构造变形的特点，还具有模块化便于拆装改造以实现多种实验的不同要求的特点。更近一步地，本发明提供了可自由设置的多期不同性质变形场叠加演化，能够适应多样化并且复杂的叠合盆地模拟实验。将多种类型的砂箱物理模拟实验所需的功能集合于本模拟装置上，形成模块化的实验模拟装置，根据具体实验所需，不需要重新设计实验模拟装置，仅更换相应的底板和挡板的位置和方向，即可进行不同类型和尺寸的实验，通过实验装置模块的更换，代替实验装置的重新设计和制造，有效降低了实验成本，有很高的社会和经济效益。应用叠合盆地砂箱物理模拟实验装置，大幅度提高了实验设备的利用率，降低了单次实验的成本。其结构模块化，便于拆卸组装，操作简单，具有经济性和模型多样化的特点，弥补了现有技术中实验装置设计复杂，制造容易浪费的不足之处。
附图说明
图1为依据本发明的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置的结构示意图；
图2是图1中的第一驱动器的示意图；
图3是固定挡板的示意图；
图4是刚性底板的示意图；
图5是弹性底板的示意图；
图6是差异变形底板的示意图；
图7是走滑底板的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。
本发明用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置基于的工作原理如下：将步进电机、传动装置和移动挡板连接成为动力装置，固定于实验台面上；动力装置的安装位置根据所模拟工区的地质参数和实验的实际需要来具体确定，最多可设置三组六个动力装置，一组正向推拉，两组垂向或纯走滑推拉，其中每一组的两个动力装置的推拉方向是共线的，安装一组正向推拉动力装置，可进行多期次单轴拉张或挤压实验，安装一组正向推拉动力装置和一或二组斜向推拉动力装置，可进行多期次正向和斜向拉张挤压叠合实验，通过动力装置沿实验台面轨道滑动和动力装置自身的旋转，实现斜向加力的角度变化；动力装置安装之后，将实验所需的砂、泥或硅胶铺放在实验台面上，挡板之间；动力装置连接计算机，用计算机控制挡板移动的方向、速度和实验进行时间，可进行二维或三维、多角度多期次的挤压和拉张的砂箱物理模拟实验，利用实验底板的更换，可在较小改动的情况下实现走滑以及斜拉的砂箱物理模拟实验，最大限度的节约了实验器材和资源。
参考图1所示，1—实验台桌，201—步进电机，301—减速箱，401—传动螺杆，501—传动光杆，601—连接部件，701—移动挡板，801—第一驱动器，802—第二驱动器，803—第三驱动器，804—第四驱动器，805—第五驱动器，806—第六驱动器，901—驱动器底座，1001—第一轨道，1002—第二轨道，11—计算机；
参考图2所示，201—步进电机，301—减速箱，401—传动螺杆，501—传动光杆，601—连接部件，701—移动挡板，801—第一驱动器；
参考图3所示，12—固定挡板；参考图4所示，13—刚性底板；参考图5所示，14—弹性底板；参考图6所示，15—差异变形底板；参考图7所示，16—走滑底板。
本发明用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其为模拟多期不同性质变形场叠加演化的多角度转动式砂箱物理模拟实验装置，其包括模型模块，动力模块、实验边界模块和控制模块；模型模块用于设置和承托模型；动力模块用于为模型的砂体施加多期次多方向的变形动力，包括伸展、挤压和走滑；实验边界模块用于为模型提供各种所需的边界条件，模型的边界条件是影响实验结果的最重要因素之一；控制模块用于按照预定的实验方案，控制各组挡板按照预定的方向和速度移动，同时进行或者先后叠加都能够实现。
模型模块包括实验台桌1、第一轨道1001和第二轨道1002，其中实验台桌1为正方形，边长1.6m，厚度0.02m，钢铁材质；以实验台桌1中心为圆心画一个正圆形，直径1.4m，沿此正圆形安放第一轨道1001和第二轨道1002，第一轨道1001和第二轨道1002为在实验台桌1上开的弧形轨道，弧形直径1.4m，第一轨道1001和第二轨道1002的弧度都为90°，第一轨道1001和第二轨道1002的位置对称，分别位于实验台桌1正方形的两条对边方向；
动力模块包括六组驱动器，分别为第一驱动器801、第二驱动器802、第三驱动器803、第四驱动器804、第五驱动器805和第六驱动器806。其中第一驱动器801由第一驱动器底座901、第一步进电机201、第一减速箱301、第一传动螺杆401、第一传动光杆501、第一连接部件601、第一移动挡板701组成；第一驱动器底座901为钢铁材质，长15cm，高15cm，宽15cm，第一驱动器底座901中部开两个直径4cm的孔洞，两个孔洞沿第一驱动器底座901竖直中轴线对称，位于水平中轴线上，两个孔洞圆心距离7cm，孔洞方向水平并垂直于第一轨道1001，孔洞内壁抛光以减小摩擦阻力，第一驱动器底座901上部安装第一步进电机201，第一步进电机201能够根据输入的电脉冲信号稳定输出转速，而不受功率和力的影响，第一步进电机201与第一减速箱301互相垂直连接，第一减速箱301内部为齿轮传动，第一减速箱301连接第一传动螺杆401，第一传动螺杆401为钢铁材质的圆柱形螺纹杆，长度1.2m，直径4cm，螺距0.5cm，第一传动螺杆401水平指向实验台桌1外侧，并且第一传动螺杆401的方向与第一轨道1001垂直，利用第一减速箱301将第一步进电机201的输出转速降低并输出至第一传动螺杆401，第一连接部件601连接第一传动螺杆401和第一传动光杆501，第一连接部件601为钢铁材质，尺寸为长10cm，宽2cm，高15cm，有一个螺纹孔，直径4cm，螺距0.5cm，能够与第一传动螺杆401咬合；第一传动光杆501为两根完全相同的钢铁材质的圆柱形杆，第一传动光杆501表面抛光以减小摩擦阻力，第一传动光杆501长度1.2m，直径4cm，第一传动光杆501方向平行于第一传动螺杆401，第一传动螺杆401穿过第一连接部件601的螺纹孔与第一连接部件601相连，同时第一连接部件601通过螺丝与第一传动光杆501的末端紧密固定连接，第一传动光杆501穿过第一驱动器底座901的孔洞，与第一移动挡板701通过螺丝紧密连接，第一移动挡板701厚度2cm，长30cm，高20cm，沿竖直方向放置，水平方向上与第一传动光杆501垂直；当第一步进电机201转动时，通过第一减速箱301传动使第一传动螺杆401旋转，第一传动螺杆401逆时针旋转时第一连接部件601向实验台桌1内部方向水平运动，反之，第一传动螺杆401顺时针旋转时第一连接部件601向实验台桌1外部方向水平运动，第一连接部件601通过第一传动光杆501带动第一移动挡板701水平运动，即起到了为实验提供动力的作用。同样地，第二驱动器802、第三驱动器803、第四驱动器804、第五驱动器805和第六驱动器806的部件及组合方式与第一驱动器801完全一致，都分别由驱动器底座(分别对应902、903、904、905、906)、步进电机(分别对应202、203、204、205、206)、减速箱(分别对应302、303、304、305、306)、传动螺杆(分别对应402、403、404、405、406)、传动光杆(分别对应502、503、504、505、506)、连接部件(分别对应602、603、604、605、606)、移动挡板(分别对应702、703、704、705、706)组合而成。其中第一驱动器801与第二驱动器802通过活动螺栓固定于第一轨道1001，能够沿第一轨道1001滑动并且旋转；第三驱动器803与第四驱动器804通过活动螺栓固定于第二轨道1002，能够沿第二轨道1002滑动并且旋转；第五驱动器805与第六驱动器806分别安装于实验台桌1正方形没有轨道的两条边缘的正中间，使用螺栓固定于实验台桌1边部，第五驱动器805和第六驱动器806不可旋转，不可移动。整个动力模块的运行方式就是步进电机(201、202、203、204、205、206)通过减速箱(301、302、303、304、305、306)带动传动螺杆(401、402、403、404、405、406)旋转，连接部件(601、602、603、604、605、606)把传动螺杆(401、402、403、404、405、406)的角速度转换为传动光杆(501、502、503、504、505、506)和移动挡板(701、702、703、704、705、706)的线速度。
实验边界模块总的来说分为移动挡板(701、702、703、704、705、706)、固定挡板(1201、1202)、刚性底板13、弹性底板14、差异变形底板15和走滑底板16；第一移动挡板701、第二移动挡板702、第三移动挡板703、第四移动挡板704、第五移动挡板705和第六移动挡板706是完全相同的六块挡板，钢铁材质，厚度2cm，长30cm，高20cm，移动挡板可移动，作用为驱动实验砂体变形，在每块挡板外侧底部有夹持底板材料的固定条；第一固定挡板1201和第二固定挡板1202不可移动，为钢铁材质，长1m，高0.2m，厚0.02m，竖直安放于实验台桌1之上，作用为保持实验模型在固定挡板方向上的不变形；刚性底板13使用泡沫塑料制作，宽度30cm，长度和高度根据实验所需具体设定，使变形沿底板边界产生，用于模拟先存的盆地边界断层；弹性底板14使用天然橡胶制作，宽度30cm，厚度1mm，长度根据实验所需具体设定，作用为使变形均匀分布至整个实验模型；差异变形底板15使用醋酸酯薄膜和天然橡胶混合制作，醋酸酯薄膜和天然橡胶宽度为30cm，醋酸酯薄膜和天然橡胶厚度为1mm，醋酸酯薄膜与天然橡胶接缝处使用胶水粘合，作用为使醋酸酯薄膜上部的部分模型不发生变形，变形集中于橡胶底板上部的部分模型中，由此产生差异分布的变形；走滑底板16使用钢铁材质，宽度30cm，长度和高度根据实验所需具体设定，走滑底板16底部开斜缝，将走滑底板16分为中心对称的两半，斜缝与移动挡板(701、702、703、704、705、706)的夹角根据实验所需具体设定，利用底板开的斜缝将移动挡板(701、702、703、704、705、706)的正向位移转化为实验模型内部的走滑位移。进行实验时，对应实验所需，仅从刚性底板13、弹性底板14、差异变形底板15、走滑底板16中挑选其中一个使用，不可同时使用多个底板。
控制模块主要为计算机11，通过计算机11和线缆连接步进电机(201、202、203、204、205、206)，输出一定频率电脉冲使步进电机运转，从而控制移动挡板(701、702、703、704、705、706)的移动。
依据另一实施例，用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置中，支撑主体为一个自重较大的实验台桌1，步进电机201与减速箱301连接，通过减速箱301内齿轮组降低输出转速，提高输出力矩，减速箱301齿轮与传动螺杆401的螺纹咬合，传动螺杆401与连接部件601和传动光杆501连接，将齿轮的角速度转换为传动光杆501的线速度，从而控制移动挡板701的前后移动，第一驱动器801由步进电机201、减速箱301、传动螺杆401、传动光杆501、连接部件601和移动挡板701按以上描述组成，同样地，第二驱动器802、第三驱动器803、第四驱动器804、第五驱动器805和第六驱动器806的部件和组合方式与第一驱动器801完全一致。计算机11控制六组驱动器(801、802、803、804、805、806)，为实验提供动力，移动挡板701的移动，使实验模拟的地质体在固定挡板12和/或底板(刚性底板13、弹性底板14、差异变形底板15、走滑底板16任选其一，不可同时使用)的限制空间内发生变形，对多期不同性质变形场叠加演化的叠合盆地构造进行模拟。
依据又一实施例，用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置包括实验台桌1、步进电机201、减速箱301、传动螺杆401、传动光杆501、连接部件601、移动挡板701、第一驱动器801、第二驱动器802、第三驱动器803、第四驱动器804、第五驱动器805、第六驱动器806、驱动器底座901、第一轨道1001、第二轨道1002、计算机11；附件包括：固定挡板12、刚性底板13、弹性底板14、差异变形底板15、走滑底板16。其中固定挡板12为玻璃材质，可从侧面观察实验进行及结束的状态，相当于观察到实验的一个剖面；刚性底板13使用不可变形的材质木头或泡沫塑料，预设形状，从底部限制实验变形过程，用于模拟先存构造，或断层产生后，不发生变形的断层下盘，包括平直断层、铲式断层和坡坪式断层等；弹性底板14使用弹性材质橡胶，用于模拟塑性基底上部的地层变形；差异变形底板15结合了刚性材质和塑性材质，在移动挡板(701、702)移动时，底板塑性部分和刚性部分的上部发生差异性变形，塑性部分的变形被均匀分布至底板上部所有空间，而刚性部分上部不发生强烈变形，差异变形底板用于模拟盆地演化中的非均匀变形；走滑底板16通过调节中部开口的预设角度，可将移动挡板(701、702)的正向移动转化为地层的走滑和斜拉，进行纯走滑实验和不同角度的斜拉实验。
在本实施例中，除计算机11外的所需实验部件都安装于实验台桌1之上；计算机11控制步进电机201输出可控的稳定角速度；减速箱301把步进电机201输出的角速度降低，传递到传动螺杆401上；传动螺杆401穿过连接部件601，螺纹与连接部件601上的螺纹咬合，传动光杆501与连接部件601固定连接，传动光杆501上装有限位装置，当移动挡板701前进一定距离时触发，自动切断步进电机201的电源，停止实验，防止实验时错误操作，移动挡板701前进过度损坏设备；连接部件601把传动螺杆401的角速度转换为线速度，利用传动光杆501控制移动挡板701的前后移动；以上文字描述的为第一驱动器801内部的部件组合和运行方式，同样地，第二驱动器802，第三驱动器803，第四驱动器804，第五驱动器805，第六驱动器806的内部部件及运行方式与第一驱动器801完全相同；根据模拟实验的具体需求，可以通过设定挡板和底板的位置，来实现多种不同类型的叠合盆地实验。
此外，利用本发明的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置的步骤如下：
第一步，实验空间设置：根据实际盆地尺寸，按照1：105比例缩小得出实验体的尺寸，根据实际盆地情况或实验所需，设置相应的挡板和底板，包括固定挡板、移动挡板、刚性底板、弹性底板、差异变形底板和走滑底板，其中，刚性底板以及差异变形底板的刚性部分形状需根据具体实验需要进行设计，走滑底板的底部斜拉角度θ1和断裂发生角度θ2需根据具体实验需要进行设定，将具体使用的底板两端与移动挡板连接；
第二步，实验砂体铺设：用干燥石英砂粒径约为190μm模拟脆性地层、硅胶SGM36模拟塑性地层，按照实际的盆地沉积地层厚度和形态将石英砂和硅胶铺设进实验空间；
第三步，实验进行：用计算机控制挡板运动，挤压或拉张实验体发生变形，变形期间可继续向实验体中添加地层模拟沉积，或者去除一部分地层模拟剥蚀；实验进行过程中每隔一定时间或一定推拉距离拍照记录；
第四步，实验结束后用药水浸渍实验砂体使之固结，切割实验体观察内部剖面，进行实验记录和总结，得出实验结果。
更近一步地，利用本发明的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置的步骤如下：首先根据物理模拟相似比通常为1：105计算模型所需尺寸，根据实验具体需要设置模型挡板和底板；挡板分为正向移动挡板701、斜向移动挡板702和侧向固定挡板12，其中侧向固定挡板12为钢化玻璃材质，可透过挡板进行实验过程和结果的观察描述，进行二维实验时，仅使用正向移动挡板701和侧向固定挡板12，模拟单个方向上的一期或多期挤压或拉张，进行三维实验时，可使用正向移动挡板701和侧向移动挡板702，模拟多个方向上的一期或多期挤压或拉张；底板的设置分为刚性底板13、弹性底板14、差异变形底板15、走滑底板16，刚性底板13为泡沫塑料材质，用于模拟在后期不变形或变形微弱的先存构造，以断层为主，为实验设置刚性边界；弹性底板14由橡胶制成，将两端挡板的位移均匀分散至整个实验体；差异变形底板根据实验具体需要设置，混合了刚性底板和弹性底板的作用，将变形位移在局部均匀分配，而其他区域不发生均匀变形；走滑底板为刚性材质，将正向移动挡板产生的正向位移部分或全部转化为走滑位移，通过改变走滑底板预设走滑夹角θ，来调整设置正向位移转化为走滑位移的比率，其中挡板在计算机控制下的移动速度可调，在0.010-10.000mm/min(毫米/分钟)；实验挡板和底板安放好之后，将实验材料填入实验装置，用硅胶模拟塑性地层，干燥石英砂模拟脆性地层，在变形前填入的材料模拟先存地层，各个地层之间利用不同颜色的燃料加以区别，实验过程中填入的材料模拟运动期的同生地层，另外还可模拟剥蚀现象；可用相机记录实验全过程，并在实验结束后用药水浸渍砂体使之固化，切割之后观察内部剖面，进行实验研究和总结。
本发明的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其实质是一种模拟多期不同性质变形场叠加演化的多角度转动式砂箱物理模拟实验装置，其中实验装置主体是进行叠合盆地多期不同性质变形场叠加演化的砂箱物理模拟必备的部件，包括实验台面、步进电机、传动装置、移动挡板和固定挡板，实验台的多种功能通过不同附件的组合设置实现，附件包括走滑模拟底板、垂向拉张-挤压模拟底板、斜向拉张-挤压模拟底板，每类底板都包括刚性边界和自由边界两种。实验台面是放置实验砂体的桌面，自重较大，稳定；步进电机可在程序控制之下输出稳定的角速度，这个角速度不受输出力大小的影响；传动装置由变速箱、螺杆和滑杆组成，变速箱和螺杆起到降低转速的作用，利用滑杆输出平行于桌面的推力或拉力；移动挡板与传动装置连接，推或拉引起砂体变形，从而模拟地层变形；固定挡板为玻璃材质，可为三维砂箱物理模拟实验提供刚性边界，当固定挡板距离较小20cm时，也可进行二维砂箱物理模拟实验。在实验台主体的基础上更换底板进行多种砂箱物理模拟实验。实验过程中可从顶面和侧面观察实验进行情况，实验结束后可用药水浸渍砂体使之固结，对砂体切片进行水平剖面和纵剖面的观察。本发明自动化程度高，可利用不同底板，在单个装置中实现多期不同性质变形场叠加演化功能的盆地砂箱物理模拟，为叠合盆地构造模拟的深入发展提供了条件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。
Claims (10)
1.一种用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其特征在于，其包括模型模块，动力模块、实验边界模块和控制模块；
模型模块用于设置和承托模型；
动力模块用于为模型的砂体施加多期次多方向的变形动力，包括伸展、挤压和走滑；
实验边界模块用于为模型提供各种所需的边界条件；
控制模块用于按照预定的实验方案，控制各组挡板按照预定的方向和速度移动，同时进行或者先后叠加都能够实现。
2.根据权利要求1所述的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其特征在于，模型模块包括实验台桌(1)、第一轨道(1001)和第二轨道(1002)，其中实验台桌(1)为正方形，边长1.6m*厚度0.02m，钢铁材质；以实验台桌(1)中心为圆心画一个正圆形，直径1.4m，沿此正圆形安放第一轨道(1001)和第二轨道(1002)，第一轨道(1001)和第二轨道(1002)为在实验台桌上开的弧形轨道，弧形直径1.4m；第一轨道(1001)和第二轨道(1002)的弧度都为90°，第一轨道(1001)和第二轨道(1002)的位置对称，分别位于实验台桌(1)正方形的两条对边方向。
3.根据权利要求1所述的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其特征在于，动力模块包括六组驱动器，分别为第一驱动器(801)、第二驱动器(802)、第三驱动器(803)、第四驱动器(804)、第五驱动器(805)和第六驱动器(806)；其中第一驱动器(801)由第一驱动器底座(901)、第一步进电机(201)、第一减速箱(301)、第一传动螺杆(401)、第一传动光杆(501)、第一连接部件(601)、第一移动挡板(701)组成；第一驱动器底座(901)为钢铁材质，长15cm*高15cm，宽15cm，第一驱动器底座中部开两个直径4cm的孔洞，两个孔洞沿第一驱动器底座(901)竖直中轴线对称，位于水平中轴线上，两个孔洞圆心距离7cm，孔洞方向水平并垂直于第一轨道(1001)，孔洞内壁抛光以减小摩擦阻力，第一驱动器底座(901)上部安装第一步进电机(201)，第一步进电机(201)能够根据输入的电脉冲信号稳定输出转速，而不受功率和力的影响。
4.根据权利要求3所述的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其特征在于，第一步进电机(201)与第一减速箱(301)互相垂直连接，第一减速箱(301)内部为齿轮传动，第一减速箱(301)连接第一传动螺杆(401)，第一传动螺杆(401)为钢铁材质的圆柱形螺纹杆，长度1.2m，直径4cm，螺距0.5cm，第一传动螺杆(401)水平指向实验台桌(1)外侧，并且第一传动螺杆(401)的方向与第一轨道(1001)垂直，利用第一减速箱(301)将第一步进电机(201)的输出转速降低并输出至第一传动螺杆(401)，第一连接部件(601)连接第一传动螺杆(401)和第一传动光杆(501)，第一连接部件(601)为钢铁材质，尺寸为长10cm*宽2cm*高15cm，有一个螺纹孔，直径4cm*螺距0.5cm，能够与第一传动螺杆(401)咬合。
5.根据权利要求3所述的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其特征在于，第一传动光杆(501)为两根完全相同的钢铁材质的圆柱形杆，第一传动光杆(501)表面抛光以减小摩擦阻力，第一传动光杆(501)长度1.2m*直径4cm，第一传动光杆(501)方向平行于第一传动螺杆(401)，第一传动螺杆(401)穿过第一连接部件(601)的螺纹孔与第一连接部件(601)相连，同时第一连接部件(601)通过螺丝与第一传动光杆(501)的末端紧密固定连接，第一传动光杆(501)穿过第一驱动器底座(901)的孔洞，与第一移动挡板(701)通过螺丝紧密连接，第一移动挡板(701)厚度2cm*长30cm*高20cm，沿竖直方向放置，水平方向上与第一传动光杆(501)垂直。
6.根据权利要求3所述的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其特征在于，当第一步进电机(201)转动时，通过第一减速箱(301)传动使第一传动螺杆(401)旋转，第一传动螺杆(401)逆时针旋转时第一连接部件(601)向实验台桌(1)内部方向水平运动。
7.根据权利要求3所述的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其特征在于，第一传动螺杆(401)顺时针旋转时第一连接部件(601)向实验台桌(1)外部方向水平运动，第一连接部件(601)通过第一传动光杆(501)带动第一移动挡板(701)水平运动，即起到了为实验提供动力的作用。
8.根据权利要求3所述的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其特征在于，第二驱动器(802)、第三驱动器(803)、第四驱动器(804)、第五驱动器(805)和第六驱动器(806)的部件及组合方式与第一驱动器(801)完全一致，都分别由驱动器底座(分别对应902、903、904、905、906)、步进电机(分别对应202、203、204、205、206)、减速箱(分别对应302、303、304、305、306)、传动螺杆(分别对应402、403、404、405、406)、传动光杆(分别对应502、503、504、505、506)、连接部件(分别对应602、603、604、605、606)、移动挡板(分别对应702、703、704、705、706)组合而成；其中第一驱动器(801)与第二驱动器(802)通过活动螺栓固定于第一轨道(1001)，能够沿第一轨道(1001)滑动并且旋转；第三驱动器(803)与第四驱动器(804)通过活动螺栓固定于第二轨道(1002)，能够沿第二轨道(1002)滑动并且旋转；第五驱动器(805)与第六驱动器(806)分别安装于实验台桌(1)正方形没有轨道的两条边缘的正中间，使用螺栓固定于实验台桌(1)边部，第五驱动器(805)和第六驱动器(806)不可旋转，不可移动；整个动力模块的运行方式就是步进电机(201、202、203、204、205、206)通过减速箱(301、302、303、304、305、306)带动传动螺杆(401、402、403、404、405、406)旋转，连接部件(601、602、603、604、605、606)把传动螺杆(401、402、403、404、405、406)的角速度转换为传动光杆(501、502、503、504、505、506)和移动挡板(701、702、703、704、705、706)的线速度。
9.根据权利要求1所述的用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置，其特征在于，实验边界模块分为移动挡板(701、702、703、704、705、706)、固定挡板(1201、1202)、刚性底板(13)、弹性底板(14)、差异变形底板(15)和走滑底板(16)；第一移动挡板(701)、第二移动挡板(702)、第三移动挡板(703)、第四移动挡板(704)、第五移动挡板(705)和第六移动挡板(706)是完全相同的六块挡板，钢铁材质，厚度2cm*长30cm*高20cm，在每块挡板外侧底部有夹持底板材料的固定条；第一固定挡板(1201)和第二固定挡板(1202)不可移动，为钢铁材质，长1m*高0.2m*厚0.02m，竖直安放于实验台桌(1)之上；刚性底板(13)使用泡沫塑料制作，宽度30cm，长度和高度根据实验所需具体设定，使变形沿底板边界产生，用于模拟先存的盆地边界断层；弹性底板(14)使用天然橡胶制作，宽度30cm*厚度1mm，长度根据实验所需具体设定，作用为使变形均匀分布至整个实验模型；差异变形底板(15)使用醋酸酯薄膜和天然橡胶混合制作，醋酸酯薄膜和天然橡胶宽度为30cm，醋酸酯薄膜和天然橡胶厚度为1mm，醋酸酯薄膜与天然橡胶接缝处使用胶水粘合；走滑底板(16)使用钢铁材质，宽度30cm，长度和高度根据实验所需具体设定，走滑底板(16)底部开斜缝，将走滑底板(16)分为中心对称的两半，斜缝与移动挡板(701、702、703、704、705、706)的夹角根据实验所需具体设定，利用底板开的斜缝将移动挡板(701、702、703、704、705、706)的正向位移转化为实验模型内部的走滑位移。
10.一种使用上述用于地震勘探的多角度转动式砂箱物理模拟装置的方法，其特征在于，其包括下列步骤：
第一步，实验空间设置：根据实际盆地尺寸，按照1：105比例缩小得出实验体的尺寸，根据实际盆地情况或实验所需，设置相应的挡板和底板，包括固定挡板、移动挡板、刚性底板、弹性底板、差异变形底板和走滑底板，其中，刚性底板以及差异变形底板的刚性部分形状需根据具体实验需要进行设计，走滑底板的底部斜拉角度θ1和断裂发生角度θ2需根据具体实验需要进行设定，将具体使用的底板两端与移动挡板连接；
第二步，实验砂体铺设：用干燥石英砂(粒径为20-50目)模拟脆性地层、硅胶材料(粘度1*104Pa*s)模拟塑性地层，按照实际的盆地沉积地层厚度和形态将石英砂和硅胶材料铺设进实验空间；
第三步，实验进行：用计算机控制挡板运动，挤压或拉张实验体发生变形，变形期间可继续向实验体中添加地层模拟沉积，或者去除一部分地层模拟剥蚀；实验进行过程中每隔一定时间或一定推拉距离拍照记录；
第四步，实验结束后用药水浸渍实验砂体使之固结，切割实验体观察内部剖面，进行实验记录和总结，得出实验结果。4 -->
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