CN108266147B - 保压岩芯转移装置及方法 - Google Patents
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Abstract
保压岩芯转移装置及方法，包括转移舱，转移舱为两端开口的中空腔体，转移舱的前端及后端分别通过密封垫圈与转接管相连，转移舱内设置有岩芯室和支撑架，支撑架的一端与岩芯室外壁固定连接，其另一端通过滑轮与转移舱内壁相连，以使得岩芯室能够在转移舱内滑动，该转接管内设置有翻板阀及与其相连的驱动机构，转移舱后端的转接管通过快速连接器与密封阀相连，密封阀的另一端连接有转接头，密封阀在驱动机构作用下运动从而实现转移舱的密封；转移舱还与压力平衡控制单元相连，压力平衡控制单元包括安全阀、截止阀、蓄能器以及压力表，压力表与转移舱相连，蓄能器通过截止阀与转移舱相连，截止阀的又一端与安全阀相连；适用于进行各类保压取芯作业。
Description
技术领域
本发明属于岩体原位力学研究领域，涉及一种保压岩芯转移装置及方法。
背景技术
持续、安全、绿色的能源供应是我国经济高速发展的基本保障。随着浅部资源的逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，深部资源的开采成为新常态，因此，围绕提升深部资源获取能力而开展的基础理论研究已成为世界采矿强国的重要标志。
现有技术中，对于深部煤岩特征的研究方法是利用取芯技术进行深部取样，而后再进行室内试验分析研究。然而，由于采样需要经过井内采集和地面转运两个主要过程，历经时间较长，而深部岩体的物理、化学稳定性都大大依赖于温度和压力状态，若取样器和转运设备不具备保压功能，样品的理化性质将在取样及地面转运过程中发生许多不可逆的变化。实际操作中，即使能够熟练取样的操作人员利用很薄的取样管进行操作，贯入的取样器依然会对原位的样品产生一些扰动；同样在岩芯转运的过程中，外部因素对转运设备的影响也会使岩芯的原位性大打折扣，因此原状样品实际上是不存在的，获得的只是形状低扰动的样品。因此，亟需一种保压岩芯转移装置及方法，能够在岩芯转运的过程中最大程度地保证岩芯的原位性，实现岩芯的带压转移，进而为深部基础理论的研究提供物质基础。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服在深部钻探取芯过程中现有的岩芯转运设备不能有效保证岩芯原位性的不足，提供一种保压岩芯转移装置及方法，该技术方案能够使得岩芯在取样后的转运过程中一直处于带压状态，最大程度地保持岩芯的原位性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：保压岩芯转移装置，包括转移舱，转移舱为两端开口的中空腔体，转移舱的前端及后端分别通过密封垫圈与转接管相连，转移舱内设置有岩芯室和支撑架，支撑架的一端与岩芯室外壁固定连接，其另一端通过滑轮与转移舱内壁相连，以使得岩芯室能够在转移舱内滑动，转移舱前端的转接管内设置有翻板阀及与其相连的驱动机构，转移舱后端的转接管通过快速连接器与密封阀相连，密封阀的另一端连接有转接头，密封阀在驱动机构作用下运动从而实现转移舱的密封；转移舱还与压力平衡控制单元相连，压力平衡控制单元包括安全阀、截止阀、蓄能器以及压力表，压力表与转移舱相连，蓄能器通过截止阀与转移舱相连，截止阀的又一端与安全阀相连，蓄能器用于对转移舱进行压力补偿。
优选的，还包括后推拉杆，后推拉杆的一端与负压吸盘的顶端相连，通过将负压吸盘底端吸附在岩芯室内的岩芯上，在后推拉杆的作用下能够将岩芯从转移舱中拉出。
优选的，还包括前推拉杆及保真舱，保真舱的一端设置有与前推拉杆相适配的开孔，另一端通过快速连接器与转移舱前端的转接管相连；保真舱的另一端内侧设置有翻板阀，保真舱内还设置有驱动机构，驱动机构与翻板阀相连，前推拉杆通过开孔与保真舱内的岩芯推挡器相连，以便将岩芯由保真舱推向转移舱。
具体的，岩芯室与转移舱皆为中空圆柱体，且二者内壁皆为光滑面，在支撑架的作用下岩芯室能够在转移舱内自由轴向滑动；支撑架的个数为多个，在同一断面上，多个支撑架呈环状均匀分布。
进一步的，所述截止阀为三通截止阀，蓄能器内充入高纯度惰性气体，其下端与三通截止阀的一端相连，三通截止阀的另外两端分别与安全阀及转移舱相连，安全阀的另一端连接有气体收集装置。
进一步的，还包括与转接头相适配的转接头密封套；密封阀为密封球阀，其内部设置有直径稍大于岩芯的圆柱形孔槽，通过控制密封球阀的转动能够控制转移舱的启闭。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：基于上述装置的转移方法，包括以下步骤：A.将装有岩芯的保真舱通过快速连接器与转移舱前端的转接管相连；B.关闭密封球阀，在驱动机构作用下打开转移舱前端的转接管内的翻板阀，通过压力平衡控制单元向转移舱内补压，直至转移舱内压力与保真舱内压力相同；C.打开保真舱内的翻板阀，调节岩芯室移动到转移舱内靠近保真舱的一端，使两个带压舱体相连通，通过前推拉杆将岩芯在全程带压的环境下推入岩芯室；D.岩芯完全进入岩芯室后，卸下前推拉杆，调节岩芯室到最初的位置，关闭转移舱内的翻板阀，进行岩芯后续保存或转移操作；卸下保真舱。
具体的，步骤A前还包括深部取芯工作结束后，在保真舱内的翻板阀关闭的情况下，岩芯密闭存放于岩芯推挡器与翻板阀之间。
优选的，还包括岩芯取出步骤，具体为，打开转移舱后端的密封球阀，将与后推拉杆连接的负压吸盘吸附在岩芯上，将岩芯从岩芯室中拉取出来。
优选的，步骤D中还包括随时根据压力表利用压力平衡控制单元调节转移舱内压力。
本发明的有益效果是：装置结构简单，易于操作，便于将各个小部件带入深井并就地组装，组装方式简单可靠，密封效果好，使得岩芯在从深部岩体取样到保存、转运以及进行各种实验过程中始终处于带压状态，保证深部岩芯的原位性和保真性，充分实现对深部岩芯的保压，从而保证岩芯后处理测得的数据最接近原位状态，为分析岩芯应力储存环境、裂隙分布、声发射形态等提供了依据，且为深部资源开采实践提供理论指导；由于在转移舱后部集成的密封球阀，在实现密封转移舱的同时，也可以与后部试验装置无缝衔接，在保证岩芯原位性的同时简化了试验过程。本发明适用于进行各类保压取芯作业。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中的转移舱保存和转移保真岩芯的示意图；
图3是本发明中将保真岩芯拉出的过程示意图；
图4是本发明中的支撑架细节放大图；
图5是本发明中的转移舱Ⅰ断面剖面图。
其中，1为前推拉杆，2为岩芯推挡器，3为保真舱，4为翻板阀，5为驱动机构，6为快速连接器，7为转接管，8为密封圈，9为支撑架，10为岩芯室，11为转移舱，12为安全阀，13为截止阀，14为蓄能器，15为压力表，16为密封球阀，17为转接头密封套，18为压力平衡控制单元，19为负压吸盘，20为滑轮，21为后推拉杆，22为岩芯。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的保压岩芯转移装置可以实现与具备保真舱的保真单元连接，从而实现从保真舱中将岩芯取出到转移舱中，保真单元可以使用外部其他设备如保真钻机的，也可以使用本装置中自己设计的。本装置中设计的与转移舱11有最好密封效果的保真单元包括保真舱3，保真舱3的一端设置有与前推拉杆1相适配的开孔，另一端连接有快速连接器6，通过快速连接器6与转移舱11前端的转接管7相连；保真舱3的另一端内侧设置有翻板阀，保真舱3内还设置有驱动机构，驱动机构与翻板阀相连，前推拉杆1通过开孔与保真舱3内的岩芯推挡器2以螺纹方式固定连接，以实现将岩芯22由保真舱3推向岩芯室10。保真舱3可以选用原位保真取芯系统中的设备本体，其设备本体即为保真舱，原位保真取芯系统在钻探的过程中可以最大程度保持岩芯的原位性，从原位保真取芯系统中取得的岩芯为低扰动的样品。
如图2所示的是单一作用的保压岩芯转移装置，可以实现保存和转移岩芯。包括转移舱11，转移舱11为两端开口的中空腔体，舱体采用合金材料如合金钢制作，使用寿命长，不易变形。转移舱11的前端及后端分别通过密封垫圈8与转接管7相连，密封垫圈8采用高分子耐压复合材料如塑胶，以承受舱内压力。如图4所示，转移舱11内设置有用于存放待转移岩芯的岩芯室10和支撑岩芯室的支撑架9，支撑架9的一端与岩芯室10外壁固定连接如焊接，其另一端通过滑轮20与转移舱11内壁相连，以使得岩芯室10能够在转移舱11内自由轴向滑动滑动。转移舱11前端的转接管7通过快速连接器6与保真舱连接，从而将保真舱中的岩芯导入到转移舱中，转移舱11前端的转接管7内设置有翻板阀4及与翻板阀4相连的驱动机构5如弹簧，通过驱动机构5以实现翻板阀4的翻转，进而实现转移舱11的密封。转移舱11后端的转接管7通过快速连接器6与密封阀相连，密封阀优选为密封球阀16，其内部开一个直径稍大于保真岩芯的圆柱形孔槽，密封球阀16的另一端连接有转接头，密封球阀16在驱动机构作用下旋转运动从而实现转移舱11的启闭。为了最大程度上保存岩芯的原位特征，对转移舱内进行保压，转移舱11还与压力平衡控制单元18相连，压力平衡控制单元18包括安全阀12、截止阀13、蓄能器14以及压力表15，蓄能器14中填充的压力介质为高纯度惰性气体，如氖气等，用于对转移舱11进行压力补偿；补压时，蓄能器上端皮囊内要充入压力介质，下端通过带有三通截止阀的液压管路与转移舱11相通，三通截止阀的又一端与安全阀12相连，安全阀另一端与收集排出气体的气囊相连。压力表15可以直接与转移舱11相连，也可以压力表15通过另一截止阀与转移舱11相连，以实现实时检测舱内压力变化。设置安全阀的目的是为了实现补偿或者运输过程舱内压力超过预期值时能自动排放舱内气体实现舱内压力至规定值，不安装安全阀即不能实现压力超预期值后的卸压过程，以保护整个压力平衡控制单元。
岩芯室10与转移舱11优选为中空圆柱体，岩芯室10与转移舱11横截面为同心圆，岩芯室10直径略大于岩芯直径，岩芯室10采用有机玻璃管等高分子材料，轻便且寿命长。如图5所示，为了提高支撑稳定性和固定力，支撑架9的个数为多个，优选为六个支撑架，每三个一组，分别设置在岩芯室10的前半部分和后半部分，在同一断面上，三个支撑架9呈120°夹角环状均匀分布，支撑架采用刚性材料以便提高支撑力。岩芯室10和转移舱11内壁皆为光滑面，岩芯室10内壁光滑完整以降低与岩芯样品间的摩擦力，减少样品扰动，转移舱11内壁为光滑面，以便于滑轮滑动。
在转移舱运输的过程中，为了避免转接头的意外变形，需要在外露的转接头外沿套上转接头密封套17。
如图3是将岩芯从转移舱中取出的过程，通过设置后推拉杆21及负压吸盘19实现，后推拉杆21的一端与负压吸盘19的顶端相连，通过将负压吸盘19底端吸附在岩芯室内的岩芯上，在后推拉杆21的作用下能够将岩芯从转移舱11中拉出。
使用该装置时，首先将装有保真岩芯的保真舱、密封球阀同时与转移舱建立端对端的连接，然后将保真舱内的岩芯推入转移舱内岩芯室上，最后关闭转移舱内翻板阀与密封球阀，封闭转移舱。在进行上述操作的过程中借助压力平衡控制系统始终保持转移舱内压力与保真舱内相同。
在使用后可将各部分拆卸下来，具体而言是通过将快速连接器拆卸下来，实现将整个装置拆卸成多个小单元，便于存放。且在下次使用时能够快速组装，增强便利性。
该装置的工作方法及工作原理如下：深部取芯工作结束后，在保真舱3内的翻板阀4关闭的情况下，岩芯密闭存放于保真舱3内。进行岩芯带压转移时，将装有保真岩芯的保真舱3通过快速连接器6与转移舱前端的转接管7相连，从而实现保真舱与转移舱11相连，与此同时通过转接管及快速连接器将密封球阀与转移舱后端相连；关闭密封球阀，在驱动机构5作用下打开转移舱前端的转接管内的翻板阀，通过压力平衡控制单元18向转移舱11内补压，直至转移舱11内压力与保真舱3内压力相同。打开保真舱内的翻板阀4，调节岩芯室10移动到转移舱11内靠近保真舱3的一端，使两个带压腔体相连通，通过前推拉杆1将保真岩芯22在全程带压的环境下推入岩芯室10；岩芯完全进入岩芯室10后，卸下前推拉杆1，调节岩芯室10到最初的位置，关闭转移舱内的翻板阀；卸下保真舱，可以利用保真舱继续取芯。
转移舱11在压力平衡控制系统18作用下，实时监测并调节舱内压力，可在常规运输方式下运送至保真实验室进行相关岩芯测试工作，开展深部基础理论研究。在后续研究测试工作开始的过程中，通过带有负压吸盘19的外部拉杆1将岩芯由转移舱11内拉出。
Claims (8)
1.保压岩芯转移装置，其特征在于，包括转移舱(11)，转移舱(11)为两端开口的中空腔体，转移舱(11)的前端及后端分别通过密封垫圈(8)与转接管(7)相连，转移舱(11)内设置有岩芯室(10)和支撑架(9)，支撑架(9)的一端与岩芯室(10)外壁固定连接，其另一端通过滑轮(20)与转移舱(11)内壁相连，以使得岩芯室(10)能够在转移舱(11)内滑动，转移舱(11)前端的转接管(7)内设置有翻板阀(4)及与其相连的驱动机构(5)，转移舱(11)后端的转接管(7)通过快速连接器(6)与密封阀相连，密封阀的另一端连接有转接头，密封阀在驱动机构作用下运动从而实现转移舱(11)的密封；转移舱(11)还与压力平衡控制单元(18)相连，压力平衡控制单元(18)包括截止阀、安全阀(12)、蓄能器(14)以及压力表(15)，压力表(15)与转移舱(11)相连，蓄能器(14)通过截止阀与转移舱(11)相连，截止阀的又一端与安全阀(12)相连，蓄能器(14)用于对转移舱(11)进行压力补偿；
还包括后推拉杆(21)，后推拉杆(21)的一端与负压吸盘(19)的顶端相连，通过将负压吸盘(19)底端吸附在岩芯室内的岩芯上，在后推拉杆(21)的作用下能够将岩芯从转移舱(11)中拉出；
还包括前推拉杆(1)及保真舱(3)，保真舱(3)的一端设置有与前推拉杆(1)相适配的开孔，另一端通过快速连接器(6)与转移舱(11)前端的转接管(7)相连；保真舱(3)的另一端内侧设置有翻板阀，保真舱(3)内还设置有驱动机构，驱动机构与翻板阀相连，前推拉杆(1)通过开孔与保真舱(3)内的岩芯推挡器(2)相连，以便将岩芯由保真舱(3)推向转移舱(11)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，岩芯室(10)与转移舱(11)皆为中空圆柱体，且二者内壁皆为光滑面，在支撑架(9)的作用下岩芯室(10)能够在转移舱(11)内自由轴向滑动。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述截止阀为三通截止阀(13)，蓄能器(14)内充入高纯度惰性气体，其下端与三通截止阀(13)的一端相连，三通截止阀(13)的另外两端分别与安全阀及转移舱(11)相连，安全阀(12)的另一端连接有气体收集装置。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括与转接头相适配的转接头密封套(17)；密封阀为密封球阀(16)，其内部设置有直径稍大于岩芯的圆柱形孔槽，通过控制密封球阀(16)的转动能够控制转移舱(11)的启闭。
5.基于如权利要求4所述的保压岩芯转移装置的转移方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.将装有岩芯的保真舱通过快速连接器与转移舱前端的转接管相连；
B.关闭密封球阀，在驱动机构作用下打开转移舱前端的转接管内的翻板阀，通过压力平衡控制单元向转移舱内补压，直至转移舱内压力与保真舱内压力相同；
C.打开保真舱内的翻板阀，调节岩芯室移动到转移舱内靠近保真舱的一端，使两个带压舱体相连通，通过前推拉杆将岩芯在全程带压的环境下推入岩芯室；
D.岩芯完全进入岩芯室后，卸下前推拉杆，调节岩芯室到最初的位置，关闭转移舱内的翻板阀，进行岩芯后续保存或转移操作；卸下保真舱。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤A前还包括深部取芯工作结束后，在保真舱内的翻板阀关闭的情况下，岩芯密闭存放于岩芯推挡器与翻板阀之间。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括岩芯取出步骤，具体为，打开转移舱后端的密封球阀，将与后推拉杆连接的负压吸盘吸附在岩芯上，将岩芯从岩芯室中拉取出来。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤D中还包括随时根据压力表利用压力平衡控制单元调节转移舱内压力。
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