CN108106929B - 用于微米ct观测的岩心夹持器及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微米CT观测的岩心夹持器及其实验方法，所述用于微米CT观测的岩心夹持器包括碳纤维管(2)和底座(5)，底座(5)内含有流体注入通道(51)，碳纤维管(2)内设有岩心安装腔和碳纤维柱塞(3)，碳纤维管(2)为一端封闭另一端开放的管状结构，碳纤维柱塞(3)能够将岩心(1)固定于碳纤维管(2)的封闭端和碳纤维柱塞(3)之间，碳纤维管(2)的另一端与底座(5)的流体注入通道(51)的出口可拆卸密封连接。该用于微米CT观测的岩心夹持器缩小了岩心与微米CT射线源间距，提高了分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及实验设备领域，具体的是一种用于微米CT观测的岩心夹持器，还是一种微米CT观测岩心的实验方法。
背景技术
在岩心分析物理模拟实验中，CT已经发挥越来越重要的作用。其中对于致密砂岩而言，由于其主要储集系统为微纳米级孔隙，而微米CT分辨率可以达到0.7μm，同时微米CT可以有效实现致密砂岩储集空间的三维分布重构，因此使用微米CT表征致密砂岩微观孔隙特征具有很好效果。地下岩石均处于一定的温压系统，要想利用微米CT表征处于真实地质状态下的岩心特征，必须要将岩心置于能够承受一定温度和压力的岩心夹持器中，注入流体进行加温加压。但是岩心夹持器往往有一定厚度，而注入流体势必需要增加夹持器空间。夹持器越大，岩心与微米CT射线源之间间距越大，而致密砂岩孔隙均为微纳米级，需要尽可能缩小岩心与微米CT射线源间距以提高分辨率。目前国内外还没有一种有效应用于微米CT观测的致密砂岩高温高压(流体压力)岩心夹持器。
发明内容
为了解决现有的岩心夹持器不适合于微米CT观测的问题，本发明提供了一种用于微米CT观测的岩心夹持器及其实验方法，该用于微米CT观测的岩心夹持器缩小了岩心与微米CT射线源间距，提高了分辨率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于微米CT观测的岩心夹持器，包括碳纤维管和底座所述用于微米CT观测的岩心夹持器包括碳纤维管和底座，底座内含有流体注入通道，碳纤维管内设有岩心安装腔和碳纤维柱塞，碳纤维管为一端封闭另一端开放的管状结构，碳纤维柱塞能够将岩心固定于碳纤维管的封闭端和碳纤维柱塞之间，碳纤维管的另一端与底座的流体注入通道的出口可拆卸密封连接。
底座为板状结构，岩心能够与碳纤维管间隙配合，碳纤维柱塞与碳纤维管间隙配合，沿碳纤维管的轴线方向，碳纤维柱塞的两端能够分别与岩心和底座抵接。
底座为板状结构，碳纤维管的长度为120mm～160mm，碳纤维管的内径为5mm，碳纤维管的壁厚为5mm，岩心的长度为5mm～10mm。
底座为板状结构，碳纤维管的另一端设有外螺纹，所述流体注入通道的出口设有内螺纹，碳纤维管的另一端与底座的流体注入通道的出口螺纹连接。
底座为板状结构，流体注入通道的出口位于底座的中部，流体注入通道的入口位于底座的边缘，碳纤维柱塞内设有轴向贯通孔，碳纤维柱塞的周向表面设有多个条形外凹槽，该条形外凹槽沿碳纤维柱塞的轴线方向开设，且该多个条形外凹槽沿碳纤维柱塞的周向依次排列。
底座为弓形，流体注入通道的出口位于该弓形所在圆形的圆心，该弓形的弧所对应的圆心角为240°～330°。
流体注入通道含有轴向段和径向段，流体注入通道的轴向段沿该弓形的轴线方向设置，流体注入通道的径向段沿该弓形的直径方向设置，所述轴向段和径向段连通，流体注入通道的径向段与该弓形的底边平行。
底座上与碳纤维管相对应的表面为正面，所述轴向段贯通底座的正面与反面，所述轴向段含有依次连接的第一段和第二段，第一段的内径大于第二段的内径，碳纤维管的内径大于第二段的内径，第一段和第二段之间设有环形过渡面，第一段与底座的正面相对应，第二段与底座的反面相对应，第一段的一端为该流体注入通道的出口，第二段的一端固定有排气阀，排气阀位于底座的反面，环形过渡面的外侧边缘设有环形凹槽，环形过渡面上设有连通环形凹槽和第二段的径向凹槽，所述径向段与第一段连通，碳纤维柱塞的两端能够分别与岩心和环形过渡面抵接。
底座上与流体注入通道的出口相对应的表面为正面，底座的正面上设有三个盲孔，三个盲孔沿底座的周向均匀分布，三个盲孔中的两个到该弓形的底边的距离相等；盲孔在底座的正面上的投影为跑道形，该跑道形的长度方向沿该弓形的直径方向设置，沿该跑道形的长度方向，该跑道形由依次连接的第一半圆形面、矩形面和第二半圆形面组成，第一半圆形面相对于底座的正面倾斜设置，第一半圆形面和第二半圆形面互为镜像，矩形面平行于底座的正面。
所述用于微米CT观测的岩心夹持器还包括管接头，管接头的出口外设有外螺纹，管接头的出口与流体注入通道的入口螺纹密封连接，管接头的入口能够连接流体注入管线。
一种微米CT观测岩心的实验方法，所述微米CT观测岩心的实验方法采用了上述的用于微米CT观测的岩心夹持器，所述微米CT观测岩心的实验方法包括以下步骤：
步骤1、使碳纤维管的封闭端朝下碳纤维管的开放端朝上，依次将岩心和碳纤维柱塞装入碳纤维管，使碳纤维管的开放端与底座的流体注入通道的出口密封连接，再使底座连接流体注入管线；
步骤2、将碳纤维管转动至水平状态；
步骤3、将该岩心夹持器送入微米CT中进行扫描。
本发明的有益效果是：
1、相比微米CT采用的传统夹持器，不采用传统夹持器需要橡皮胶套包裹岩心，直接将岩心置于碳纤维管中，碳纤维管与岩心之间仅留微小缝隙，通过注入的流体对流体加压，大大降低了岩心夹持器壁厚，缩小了岩心与微米CT射线源间距，提高分辨率。
2、将碳纤维管和底座直接对接，有利于夹持器保压密封。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明所述用于微米CT观测的岩心夹持器的分解示意图。
图2是底座的主视图。
图3是图2中沿A-A方向的剖视图。
图4是盲孔部位的剖视图。
图5是盲孔部位的放大示意图。
图6是另一种底座的剖视结构示意图。
图7是图6中B方向示意图。
图8是图6中B方向示意图。
图9是另一种用于微米CT观测的岩心夹持器的分解示意图。
图10是另一种碳纤维柱塞的端面示意图。
1、岩心；2、碳纤维管；3、碳纤维柱塞；4、管接头；5、底座；6、密封圈；7、流体注入管线；8、排气阀；
31、轴向贯通孔；32、条形外凹槽；33、径向内凹槽；
51、流体注入通道；52、弧；53、底边；54、盲孔；55、第一半圆形面；56、矩形面；57、第二半圆形面；58、轴向段；59、径向段；510、第一段；511、第二段；512、环形过渡面；513、环形凹槽；514、径向凹槽；515、排气阀。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种用于微米CT观测的岩心夹持器，包括碳纤维管2和底座5，底座5内含有流体注入通道51，碳纤维管2内设有岩心安装腔和碳纤维柱塞3，碳纤维管2为一端封闭另一端开放的管状结构，碳纤维柱塞3能够将岩心1固定于碳纤维管2的封闭端和碳纤维柱塞3之间，碳纤维管2的另一端与底座5的流体注入通道51的出口可拆卸密封连接，如图1所示。
在本实施例中，碳纤维管2应该能够承受实验所需的高温高压环境，岩心1能够与碳纤维管2间隙配合，碳纤维柱塞3与碳纤维管2间隙配合，通过手工即可依次将岩心1和碳纤维柱塞3装入碳纤维管2内的岩心安装腔中，碳纤维管2和底座5安装在一起后，沿碳纤维管2的轴线方向，碳纤维柱塞3的两端将分别与岩心1和底座5抵接，即碳纤维柱塞3的作用是将岩心1定位。
优选，碳纤维管2的长度为120mm～160mm，碳纤维管2的内径为5mm，碳纤维管2的壁厚为5mm，岩心1的长度为5mm～10mm。碳纤维管2的另一端设有外螺纹，所述流体注入通道51的出口设有内螺纹，碳纤维管2的另一端与底座5的流体注入通道51的出口螺纹连接。为了提高密封效果，碳纤维管2的另一端还设有密封圈6(φ6×1.9)。碳纤维管2可以采用市售产品，碳纤维管2的材质为含有30％碳纤维成分的PEEK材料，即碳纤维管2中碳纤维的质量分数为30％，PEEK的质量分数为70％。碳纤维管2和碳纤维柱塞3的材质可以相同，制造方法为手工裁切与打磨。碳纤维管2的性能主要为耐压性能，厚度越大，耐压越厚，但是会降低分辨率。碳纤维管2承压50MPa以上，高于目前国内外碳纤维夹持器的30MPa。
在现有技术中，岩心夹持器的加温加压主要通过注入流体系统实现，注入流体系统一般包括外置高温高压管线、高温高压阀门等。这些外在装置的存在对于岩心夹持器扫描过程是一个很大问题。主要原因在于：夹持器中岩心和流体需要保持一定的压力就需要保留一定的管线和阀门在夹持器外部保证夹持器内部保温保压，但是岩心夹持器在CT设备中扫描需要进行360°旋转，这些外部装置的存在大大增加了岩心和CT设备source(发射源)之间的距离，而根据X射线成像原理，距离的增大会导致分辨率指数降低。因此如何设计一种嵌入夹持器内部或者底部的注入流体系统是岩心夹持器所面临的一个配套难题。
为了解决该难题，本发明对底座5进行了特别的设计。底座5为板状结构，底座5采用不锈钢制成，耐压70MPa，流体注入通道51完全设置于底座5内，流体注入通道51的出口位于底座5的中部，流体注入通道51的入口位于底座5的边缘，如图2和图3所示。该设计大大简化了注入结构，岩心的周向不再含有注入管线，降低了岩心和CT设备source(发射源)之间的距离，能够进一步提高分辨率。
在本实施例中，底座5为弓形，如图2所示，该弓形含有弧52和底边53，底边53的两端与弧52的两端对应连接。流体注入通道51的出口位于该弓形所在圆形的圆心，流体注入通道51的入口位于该弓形的弧52上，该弓形的弧52所对应的圆心角为240°～330°，如图2和图3所示。
在本实施例中，流体注入通道51含有轴向段58和径向段59，流体注入通道51的轴向段58沿该弓形的轴线方向设置，如轴向段58的中心线与该弓形所在圆形的中心线重合，流体注入通道51的径向段59沿该弓形的直径方向设置，如流体注入通道51的径向段59的中心线与沿该弓形所在圆形的一条直径重合，同时流体注入通道51的径向段59的中心线与该弓形的底边53平行，所述轴向段58和径向段59连通，如图3所示。
在本实施例中，底座5上与流体注入通道51的出口相对应的表面为正面，即底座5朝向图2纸面外侧的表面为正面，底座5朝向图3纸面左侧的表面为正面。底座5的正面上设有三个盲孔54，三个盲孔54沿底座5的周向均匀分布，三个盲孔54中的两个到该弓形的底边53的距离相等。三个盲孔54与CT底座上的三个突起相匹配，可以便于该岩心夹持器的夹持固定。
具体的，盲孔54在底座5的正面上的投影为跑道形(如图2所示)，该跑道形的长度方向沿该弓形的直径方向设置，沿该跑道形的长度方向，该跑道形由依次连接的第一半圆形面55、矩形面56和第二半圆形面57组成，第一半圆形面55相对于底座5的正面倾斜设置，第一半圆形面55和第二半圆形面57互为镜像，矩形面56平行于底座5的正面，如图4和图5所示。
当碳纤维管2内装入岩心1和碳纤维柱塞3并使碳纤维管2与底座5连接后，再向碳纤维管2内的岩心安装腔中注入高温高压液体时，该岩心安装腔中的空气无法排出，为了排出该岩心安装腔中的空气，本发明对碳纤维柱塞3和底座5进一步进行了设计。
在本实施例中，碳纤维柱塞3内设有轴向贯通孔31，碳纤维柱塞3的周向表面设有多个条形外凹槽32，该条形外凹槽32沿碳纤维柱塞3的轴线方向开设，且该多个条形外凹槽32沿碳纤维柱塞3的周向依次排列。该条形外凹槽32和轴向贯通孔31可以用于高温高压液体进入岩心1，该条形外凹槽32和轴向贯通孔31也可以用于将岩心1周围的气体排出。
或者，碳纤维柱塞3的结构可以如图10所示，碳纤维柱塞3内设有轴向贯通孔31，碳纤维柱塞3的两端的断面均设有多个径向内凹槽33，径向内凹槽33沿碳纤维柱塞3径向设置，径向内凹槽33的两端连通轴向贯通孔31的碳纤维柱塞3的外周面。或者，碳纤维柱塞3也可以同时含有轴向贯通孔31、多个条形外凹槽32和多个径向内凹槽33。
在本实施例中，底座5上与碳纤维管2相对应的表面为正面，即图1中底座5的上表面为正面，底座5的下表面为反面。所述轴向段58贯通底座5的正面与反面，所述轴向段58含有依次连接的第一段510和第二段511，第一段510的内径大于第二段511的内径，碳纤维管2的内径大于第二段511的内径，碳纤维柱塞3的外径大于第二段511的内径，第一段510和第二段511之间设有环形过渡面512，第一段510与底座5的正面相对应，即第一段510的一端与底座5的正面连接，第二段511与底座5的反面相对应，即第二段511的一端与底座5的反面连接，第一段510的一端为该流体注入通道51的出口，第二段511的一端固定有排气阀515，排气阀515位于底座5的反面，环形过渡面512的外侧边缘内设有环形凹槽513，环形过渡面512上设有连通环形凹槽513和第二段511的径向凹槽514，所述径向段59与第一段510连通，如图6和图7所示。当碳纤维管2内装入岩心1和碳纤维柱塞3并且碳纤维管2与底座5连接后，碳纤维柱塞3的两端能够分别与岩心1和环形过渡面512抵接。
这样，在向碳纤维管2内注入高温高压液体时，使碳纤维管2的封闭端朝下碳纤维管2的开放端朝上，排气阀515处于开启状态，液体流入碳纤维管2的岩心安装腔后将向下移动，推动气体向上移动，该气体将依次经过条形外凹槽32、环形凹槽513、径向凹槽514、第二段511后从排气阀515排出。该气体也可以依次经过轴向贯通孔31和第二段511后从排气阀515排出。
在本实施例中，所述用于微米CT观测的岩心夹持器还包括管接头4，管接头4的出口外设有外螺纹，流体注入通道51的入口设有1/8管螺纹，管接头4的出口与流体注入通道51的入口螺纹密封连接，管接头4的入口能够连接流体注入管线。
下面介绍一种微米CT观测岩心的实验方法，所述微米CT观测岩心的实验方法采用了上述的用于微米CT观测的岩心夹持器，所述微米CT观测岩心的实验方法包括以下步骤：
步骤1、使碳纤维管2的封闭端朝下碳纤维管2的开放端朝上，依次将岩心1和碳纤维柱塞3装入碳纤维管2内，使碳纤维管2的开放端与底座5的流体注入通道51的出口密封连接，再使底座5连接流体注入管线7；
步骤2、将碳纤维管2转动至水平状态，即碳纤维管2的中心线平行于水平面；
步骤3、将该岩心夹持器送入微米CT中进行扫描。
具体的，底座5的结构如图6和图7所示，所述微米CT观测岩心的实验方法包括以下步骤：
在步骤1中、根据需要制备合适尺寸的岩心1和碳纤维柱塞3，使碳纤维管2的封闭端朝下碳纤维管2的开放端朝上(即如图1中的碳纤维管2旋转180°)，将岩心1和碳纤维柱塞3装入碳纤维管2，如图1所示，使碳纤维管2和底座5内流体注入通道51的出口对应密封连接，再使底座5内流体注入通道51的入口通过管接头4与流体注入管线7密封连接；
使排气阀515处于开启状态，通过流体注入管线7向碳纤维管2内注入高温高压液体，直至有液体从排气阀515排出，关闭排气阀515；
然后，敲击或晃动碳纤维管2，再次开启排气阀515直至有液体从排气阀515排出，再次关闭排气阀515，该过程(敲击或晃动碳纤维管2，再次开启排气阀515直至有液体从排气阀515排出，再次关闭排气阀515)可以反复多次。
在步骤2中、将碳纤维管2转动至水平状态，通过泵体向碳纤维管2内注入流体，达到所需的实验压力和温度。
本发明中尺寸的单位均为mm。
实施例2
向碳纤维管2内的岩心安装腔中注入高温高压液体时，该岩心安装腔中的空气可能无法排出，为了便于排出该岩心安装腔中的空气，在本实施例中，碳纤维管2的封闭端设有排气阀8，通过该岩心安装腔中的空气能够通过排气阀8排出。
本实施例的其余技术特征均与实施例1相同，为了节约篇幅，本发明不再详细介绍。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
Claims (6)
1.一种用于微米CT观测的岩心夹持器，其特征在于，所述用于微米CT观测的岩心夹持器包括碳纤维管（2）和底座（5），底座（5）内含有流体注入通道（51），碳纤维管（2）内设有岩心安装腔和碳纤维柱塞（3），碳纤维管（2）为一端封闭另一端开放的管状结构，碳纤维柱塞（3）能够将岩心（1）固定于碳纤维管（2）的封闭端和碳纤维柱塞（3）之间，碳纤维管（2）的另一端与底座（5）的流体注入通道（51）的出口可拆卸密封连接；
底座（5）为板状结构，流体注入通道（51）的出口位于底座（5）的中部，流体注入通道（51）的入口位于底座（5）的边缘，碳纤维柱塞（3）内设有轴向贯通孔（31），碳纤维柱塞（3）的周向表面设有多个条形外凹槽（32），该条形外凹槽（32）沿碳纤维柱塞（3）的轴线方向开设，且该多个条形外凹槽（32）沿碳纤维柱塞（3）的周向依次排列；
底座（5）为弓形，流体注入通道（51）的出口位于该弓形所在圆形的圆心；
流体注入通道（51）含有轴向段（58）和径向段（59），流体注入通道（51）的轴向段（58）沿该弓形的轴线方向设置，流体注入通道（51）的径向段（59）沿该弓形的直径方向设置，所述轴向段（58）和径向段（59）连通，流体注入通道（51）的径向段（59）与该弓形的底边（53）平行；
底座（5）上与碳纤维管（2）相对应的表面为正面，所述轴向段（58）贯通底座（5）的正面与反面，所述轴向段（58）含有依次连接的第一段（510）和第二段（511），第一段（510）的内径大于第二段（511）的内径，碳纤维管（2）的内径大于第二段（511）的内径，第一段（510）和第二段（511）之间设有环形过渡面（512），第一段（510）与底座（5）的正面相对应，第二段（511）与底座（5）的反面相对应，第一段（510）的一端为该流体注入通道（51）的出口，第二段（511）的一端固定有排气阀（515），排气阀（515）位于底座（5）的反面，环形过渡面（512）的外侧边缘设有环形凹槽（513），环形过渡面（512）上设有连通环形凹槽（513）和第二段（511）的径向凹槽（514），所述径向段（59）与第一段（510）连通，碳纤维柱塞（3）的两端能够分别与岩心（1）和环形过渡面（512）抵接。
2.根据权利要求1所述的用于微米CT观测的岩心夹持器，其特征在于，底座（5）为板状结构，岩心（1）能够与碳纤维管（2）间隙配合，碳纤维柱塞（3）与碳纤维管（2）间隙配合，沿碳纤维管（2）的轴线方向，碳纤维柱塞（3）的两端能够分别与岩心（1）和底座（5）抵接。
3.根据权利要求1所述的用于微米CT观测的岩心夹持器，其特征在于，底座（5）为板状结构，碳纤维管（2）的长度为120mm～160mm，碳纤维管（2）的内径为5mm，碳纤维管（2）的壁厚为5mm，岩心（1）的长度为5mm～10mm。
4.根据权利要求1所述的用于微米CT观测的岩心夹持器，其特征在于，底座（5）为板状结构，碳纤维管（2）的另一端设有外螺纹，所述流体注入通道（51）的出口设有内螺纹，碳纤维管（2）的另一端与底座（5）的流体注入通道（51）的出口螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的用于微米CT观测的岩心夹持器，其特征在于，底座（5）的正面上设有三个盲孔（54），三个盲孔（54）沿底座（5）的周向均匀分布，三个盲孔（54）中的两个到该弓形的底边（53）的距离相等；盲孔（54）在底座（5）的正面上的投影为跑道形，该跑道形的长度方向沿该弓形的直径方向设置，沿该跑道形的长度方向，该跑道形由依次连接的第一半圆形面（55）、矩形面（56）和第二半圆形面（57）组成，第一半圆形面（55）相对于底座（5）的正面倾斜设置，第一半圆形面（55）和第二半圆形面（57）互为镜像，矩形面（56）平行于底座（5）的正面。
6.一种微米CT观测岩心的实验方法，其特征在于，所述微米CT观测岩心的实验方法采用了权利要求1至5中任意一项所述的用于微米CT观测的岩心夹持器，所述微米CT观测岩心的实验方法包括以下步骤：
步骤1、使碳纤维管（2）的封闭端朝下碳纤维管（2）的开放端朝上，依次将岩心（1）和碳纤维柱塞（3）装入碳纤维管（2），使碳纤维管（2）的开放端与底座（5）的流体注入通道（51）的出口密封连接，再使底座（5）连接流体注入管线；
步骤2、将碳纤维管（2）转动至水平状态；
步骤3、将该岩心夹持器送入微米CT中进行扫描。
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