CN109520855A - 用于旋转岩石力学试验机的压力室 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石力学试验设备技术领域，具体涉及一种用于旋转岩石力学试验机的压力室。本发明的压力室包括高低温滑环和换热管，高低温滑环套装在压力室筒外面，换热管设置在压力室筒内，在进行试验时，能够通过高低温滑环向换热管循环提供高低温液以控制压力室内围压油的温度。通过将高低温滑环套装在压力室筒外面，换热管设置在压力室筒内。通过这样的设置，能够通过高低温滑环向换热管循环提供高低温液以控制压力室内围压油的温度，即通过循环的高低温液与压力室筒内的围压油进行热量交换，以调控围压油的温度，能够使试验样品能够在压力室内进行温度场试验。

Description

用于旋转岩石力学试验机的压力室

技术领域

本发明属于力学试验设备技术领域，具体提供一种用于旋转岩石力学试验机的压力室。

背景技术

深部能源开发(页岩气、地热、可燃冰等)是未来保障国家能源安全、优化能源结构和生态环境保护的必然选择，也是我国抢占未来能源科技革命高地的突破口。这类资源的高效开发必须解决重大基础性科学问题“地质体在压力温度作用下的破裂形成演化、气液运移规律和物性变化特征”，这也是认知地质体状态和地质过程的前沿科学问题。打开岩石力学试验的黑箱，使岩石试样内部像玻璃一样透明可观测，是科学家孜孜以求的理想。计算机X射线断层扫描(CT)技术为实现这一理想提供了可能。

近年来CT技术在岩土领域迅速推广应用并成为研究内部裂纹演化规律的有效手，然而已有的CT岩石力学试验机尚存在难于进行多场耦合试验等不足。页岩气、地热等的存储地质条件为高温高压，而可燃冰的存储地质条件为低温高压。

因此，本领域需要一种新的用于旋转岩石力学试验机的压力室来解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的CT岩石力学试验机难于进行多场耦合试验的问题，本发明提供了一种用于旋转岩石力学试验机的压力室，所述压力室包括底座、压力室筒、上端盖、压力活塞、下压头和上压头，所述压力室筒的底部与所述底座连接，所述压力室筒的顶部与所述上端盖连接，所述下压头设置在所述底座上，所述上压头设置在所述压力活塞的底部，所述压力室还包括高低温滑环和换热管，所述高低温滑环套装在所述压力室筒外面，所述换热管设置在所述压力室筒内，在进行试验时，能够通过高低温滑环向所述换热管循环提供高低温液以控制所述压力室内围压油的温度。

在上述压力室的优选技术方案中，所述高低温滑环包括相连的高低温定子和高低温转子，所述高低温定子与所述岩石力学试验机的框架连接，所述高低温转子与所述压力室筒连接。

在上述压力室的优选技术方案中，所述高低温定子上设置有第一进液口、第一回液口、进液槽和回液槽，所述高低温转子上设置有第二进液口和第二回液口，当所述高低温转子相对高低温定子转动时，所述进液槽始终与所述第一进液口和所述第二进液口连通，所述回液槽始终与所述第一回液口和所述第二回液口连通。

在上述压力室的优选技术方案中，所述压力室筒上设置有第三进液口和第三回液口，所述第二进液口通过所述第三进液口与所述换热管的一端连通，所述第二回液口通过所述第三回液口与所述换热管的另一端连通。

在上述压力室的优选技术方案中，所述高低温定子上还设置有第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈，所述第一密封圈设置在所述进液槽的下侧，所述第二密封圈设置在所述进液槽与所述回液槽之间，所述第三密封圈设置在所述回液槽的上侧。

在上述压力室的优选技术方案中，所述压力室还包括球头和球头座，所述球头的底部呈平面设置，所述球头的顶部呈球面设置，所述球头座的底部呈球弧面设置，所述球头座的球弧面与所述球头的球面相适配，所述球头座的顶部呈平面设置，在进行试验时，所述球头的底部能够与所述上压头连接，所述球头的顶部能够与所述球头座的底部连接，所述球头座的顶部能够与所述压力活塞的底部连接。

在上述压力室的优选技术方案中，所述球头与所述球头座通过弹簧连接。

在上述压力室的优选技术方案中，所述球头上设置有第一压裂孔和/或第一渗流孔。

在上述压力室的优选技术方案中，所述上压头上设置有第二压裂孔或第二渗流孔。

在上述压力室的优选技术方案中，所述压力室筒位于试验样品位置的壁厚小于所述压力室筒位于试验样品位置周围的壁厚。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的优选技术方案中，通过将高低温滑环套装在压力室筒外面，换热管设置在压力室筒内。通过这样的设置，能够通过高低温滑环向换热管循环提供高低温液以控制压力室内围压油的温度，即通过循环的高低温液与压力室筒内的围压油进行热量交换，以调控围压油的温度，能够使试验样品能够在压力室内进行温度场试验。

进一步地，高低温定子上还设置有第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈，第一密封圈设置在进液槽的下侧，第二密封圈设置在进液槽与回液槽之间，第三密封圈设置在回液槽的上侧。通过这样的设置，能够避免在进液槽与回液槽内流动的液体的流失以及液体之间相互影响，从而提高了高低温滑环的可靠性。

更进一步地，在压力室内还设置了球头和球头座，球头的底部呈平面设置，球头的顶部呈球面设置，球头座的底部呈球弧面设置，球头座的球弧面与球头的球面相适配，球头座的顶部呈平面设置，在进行试验时，将球头和球头座安装在上压头与压力活塞之间，使球头的底部与上压头连接，球头的顶部与球头座的底部连接，球头座的顶部与压力活塞的底部连接。通过这样的设置，在试验过程中，能够保证试验样品所受的轴向压力垂直于试验样品的端面，避免试验样品局部应力集中。

再进一步地，压力室筒位于试验样品位置的壁厚小于压力室筒位于试验样品位置周围的壁厚。通过这样的设置，能够减小射线的穿透阻力，从而提高CT扫描图像的质量。

附图说明

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1是岩石力学试验机的整体结构示意图；

图2是岩石力学试验机的承载旋转机构的结构示意图；

图3是岩石力学试验机的承载旋转机构的剖视图；

图4是岩石力学试验机的加载旋转机构的结构示意图；

图5是本发明的压力室的结构示意图；

图6是本发明的压力室的剖视图；

图7是本发明的高低温滑环的剖视图；

图8是本发明的球头的透视图；

图9是本发明的球头座的剖视图；

图10是本发明的适用于压裂试验的上压头的剖视图；

图11是本发明的适用于渗流试验的上压头的剖视图。

具体实施方式

首先，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，虽然附图中试验系统的各部件是按一定比例绘制的，但这种比例关系非一成不变，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

基于背景技术中指出的现有的CT岩石力学试验机难于进行多场耦合试验的问题。本发明提供了一种用于旋转岩石力学试验机的压力室，旨在使岩石力学试验机能够进行多场耦合试验。

具体而言，如图1所示，岩石力学试验机包括框架1、承载旋转机构2、压力室3和加载旋转机构4，承载旋转机构2和加载旋转机构4均设置在框架1上，压力室3连接在承载旋转机构2与加载旋转机构4之间，在进行试验时，承载旋转机构2、压力室3以及加载旋转机构4能够同步转动。框架1包括底板11、顶板12以及设置在底板11与顶板12之间的多个立柱13，承载旋转机构2设置在底板11上，加载旋转机构4设置在顶板12上。

如图1所示，在底板11上还设置了运输车51、导轨52和固定架53，固定架53固定在底板11上，导轨52设置在固定架53上，运输车51能够在导轨52上移动。

如图2所示，承载旋转机构2包括旋转平台21、第一旋转油缸22、推力调心滚子轴承23、第一驱动构件和第一传动构件，旋转平台21设置在第一旋转油缸22的顶部，第一旋转油缸22和第一驱动构件均设置在底板11上，推力调心滚子轴承23设置在第一旋转油缸22的底部，第一驱动构件通过第一传动构件与旋转平台21连接以驱动旋转平台21转动。

如图2所示，第一旋转油缸22包括第一缸体221以及设置在第一缸体221内的第一活塞222，第一缸体221固定在底板11上，第一活塞222的顶部伸出第一缸体221与旋转平台21连接，第一活塞222的底部伸出第一缸体221与推力调心滚子轴承23连接，推力调心滚子轴承23的轴承本体231通过轴承连接板232与第一缸体221的底部连接，轴承本体231的底部固定有轴承压板233以对轴承本体231起到支撑的作用。

在进行试验时，通过运输车51将装有试验样品的压力室3移动到旋转平台21的上方，启动第一旋转油缸22，使第一活塞222上升以将旋转平台21顶起，使旋转平台21与压力室3的底部接触，将旋转平台21与压力室3的底座31固定连接，并且将压力室3的顶部与加载旋转机构4连接，在第一驱动构件的驱动下，使旋转平台21、压力室3和加载旋转机构4同步转动。

如图2所示，第一驱动构件为伺服电机24，第一传动构件为减速器(图中未示出)、小带轮25、皮带26、大带轮27和大带轮底座28，伺服电机24的输出轴通过减速器与小带轮25连接，小带轮25通过皮带26与大带轮27连接，大带轮底座28固定在第一缸体221的顶部，大带轮27以转动地方式设置在大带轮底座28上并与旋转平台21连接。其中，伺服电机24通过电机支座29固定在底板11上，在大带轮27与大带轮底座28的连接处设置有轴承20，优选圆锥滚子轴承。

如图3所示，大带轮27上设置有多个导向套271，旋转平台21的底部设置有多个导向杆211，将导向杆211插入导向套271内，大带轮27转动时能够带动旋转平台21一起转动，而且，当旋转平台21被顶起时，导向杆211能够在导向套271内向上移动，但始终有一部分插入在导向套271内。

如图3所示，大带轮底座28的上表面设置有圆光栅读头71，大带轮27的下表面设置有圆光栅尺72，当大带轮27转动时，圆光栅读头71能够实时读取圆光栅尺72上的刻度，通过检测的数据能够计算出大带轮27的转角和转速，从而实现旋转平台21的高精度控制。

如图4所示，加载旋转机构4包括第二旋转油缸41、旋转滑环42和扭矩限制器43，第二旋转油缸41固定在顶板12上，旋转滑环42设置在第二旋转油缸41的顶部，第二旋转油缸41的底部通过扭矩限制器43与压力室3连接。第二旋转油缸41包括第二缸体411和设置在第二缸体411内的第二活塞412，旋转滑环42包括相连的定子421和转子422，在顶板12的中心部位设置有圆孔，缸体连接件44穿过圆孔并与顶板12固定连接，第二缸体411与缸体连接件44的顶部固定连接，定子421固定在第二缸体411的顶部，第二活塞412内部沿轴线设置有通孔，第二活塞412的顶部伸出第二缸体411并与转子422连接，第二活塞412的底部伸出第二缸体411并通过扭矩限制器43与压力室3连接。在进行试验时，压力室3内的传感器线路通过第二活塞412内部的通孔连接到转子422的接口上，并通过定子421将传感器信号引出传输到地面的控制台上，由于定子421固定在第二缸体411上，在试验过程中固定不动，从而解决了线路缠绕的问题。

此外，需要说明的是，在进行试验过程中，通过第二旋转油缸41向压力室3加载轴向力，设置在压力室3内的压力传感器能够实时检测第二旋转油缸41的轴向压力F2，并将压力传感器信号传输给压力控制器，压力控制器根据检测的压力传感器信号，输出控制信号给电液比例阀，电液比例阀根据控制信号来控制第一旋转油缸22的压力F1，始终保证第一旋转油缸22的压力F1大于第二旋转油缸41的压力F2，这一部分力F3由推力调心滚子轴承23承受，并且第一旋转油缸22的压力F1与第二旋转油缸41的压力F2的压力差为定值，即推力调心滚子轴承23承受的力F3为定值，通过这样的设置，能够有效的控制推力调心滚子轴承23所带来的摩擦力，将推力调心滚子轴承23所带来的摩擦力控制在最小。承载旋转机构2的支撑过程采用了混合支撑，即油膜+轴承支撑，既发挥了推力调心滚子轴承23的定位与调心作用，又降低了试验机在重载条件下的旋转摩擦阻力，从而提高了旋转平台21的平稳性，有利于旋转平台21的高精度旋转控制。

如图5所示，压力室3包括底座31、压力室筒32、上端盖33、压力活塞34以及设置在压力室筒32内的下压头35和上压头36，压力室筒32的底部与底座31连接，压力室筒32的顶部与上端盖33连接，下压头35设置在底座31上，上压头36设置在压力活塞34的底部。其中，压力室筒32与底座31是可拆卸连接，取装试验样品时，可以将压力室筒32与底座31分离，在试验过程中，将压力室筒32与底座31固定。下压头35与底座31可以固定连接或者设置为一体，上压头36与压力活塞34可以固定连接或者设置为一体。在进行试验时，将试验样品固定在下压头35和上压头36之间，启动第二旋转油缸41，第二活塞412下降并带动扭矩限制器43下移与压力室3的上端盖33接触，将上端盖33与扭矩限制器43固定连接，启动伺服电机24，驱动第一活塞222、旋转平台21、压力室3、扭矩限制器43、第二活塞412同步转动，第二活塞412继续下移与压力活塞34接触并向压力活塞34施加轴向力，压力活塞34将力传递给试验样品。

此外，如图5至7所示，为了给试验样品增加温度场，在压力室3的外侧套装了高低温滑环37，并在压力室筒32内设置了换热管38。在进行试验时，高低温泵(图中未示出)能够通过高低温滑环37向换热管38循环提供高低温液以控制压力室3内围压液的温度。

具体而言，高低温滑环37包括相连的高低温定子371和高低温转子372，高低温定子371和高低温转子372能够相对转动，在高低温定子371与高低温转子372的连接处设置有上轴承373和下轴承374，高低温定子371与框架1连接，在试验过程中固定不动，高低温转子372与压力室筒32连接，在试验过程中随着压力室筒32转动，高低温定子371上设置有第一进液口3711、第一回液口3712、进液槽3713和回液槽3714，第一进液口3711和第一回液口3712均沿高低温定子371的径向设置，进液槽3713和回液槽3714均沿高低温定子371的周向设置一周，第一进液口3711与进液槽3713连通，第一回液口3712与回液槽3714连通，第一进液口3711与高低温泵的出液口连接，第一回液口3712与高低温泵的进液口连接，高低温转子372上设置有第二进液口3721和第二回液口3722，第二进液口3721和第二回液口3722均沿高低温转子372的轴向设置，当高低温转子372相对高低温定子371转动时，第二进液口3721与进液槽3713始终连通，第二回液口3722与回液槽3714始终连通，在压力室筒32上设置有第三进液口322和第三回液口323，第二进液口3721与第三进液口322连通，第三进液口322与换热管38的一端连通，第二回液口3722与第三回液口323连通，第三回液口323与换热管38的另一端连通，至此形成一个完整循环通路。高温液从高低温泵的出液口泵出后分别通过第一进液口3711、进液槽3713、第二进液口3721和第三进液口322进入到换热管38内，高温液在换热管38内流动与压力室筒32内的围压液进行热量交换，围压液温度逐渐升高，而高温液的温度逐渐降低变成低温液，低温液从换热管38内流出后经过第三回液口323、第二回液口3722、回液槽3714和第一回液口3712进入高低温泵的进液口，至此完成高低温液的循环流动。

优选地，如图7所示，为了避免进液槽3713内的高温液与回液槽3714内的低温液相互影响以及液体的流失，在高低温定子371上还设置有第一密封圈3715、第二密封圈3716和第三密封圈3717，第一密封圈3715设置在进液槽3713的下侧，第二密封圈3716设置在进液槽3713与回液槽3714之间，第三密封圈3717设置在回液槽3714的上侧。

此外，岩石力学试验机还包括随动机构8，随动机构8设置在顶板12上，随动机构8设置为在进行试验时能够跟随承载旋转机构2、压力室3以及加载旋转机构4同步转动。随动机构8包括随动转台81、驱动电机82、小齿轮83和大齿轮84，驱动电机82固定在顶板12上，大齿轮84以转动地方式设置在顶板12上，驱动电机82的输出轴与小齿轮83连接，小齿轮83与大齿轮84连接，随动转台81固定在大齿轮84上。

优选地，如图1和图5所示，在随动转台81上设置有可以为压力室3提供围压液、渗沥液和压裂液等试验液体的加载泵91，在压力室筒32上设置有围压液进液口321a、渗流液进液口321b和压裂液进液口321c，将围压管路、渗流管路和压裂管路等通过设置在第二活塞412内的通孔分别与压力室筒32上的围压液进液口321a、渗流液进液口321b和压裂液进液口321c连接，在试验时，可以通过加载泵91向压力室3内加载试验液(如围压液、渗流液和压裂液等)以对试验样品进行多场耦合试验。

此外，在压力室筒32上还设置有通信口(图中未示出)，可以将设置在压力室3内的传感器(如径向引申计、轴向引申计和压力传感器等)采集的信号通过传感器线路穿过通信口连接到第二活塞412的通孔内，并与转子422的接口连接，再通过定子421将传感器信号引出传输到地面的控制台上。

优选地，如图6所示，为了减小射线的穿透阻力以提高CT成像的质量，压力室筒32位于试验样品位置324的壁厚小于压力室筒32位于试验样品位置324周围的壁厚。本领域技术人员可以根据压力室筒32的材料、试验压力及射线源穿透力等因素灵活地设置压力室筒32位于试验样品位置324的具体壁厚。

优选地，如图6所示，为了保证试验样品所受的轴向压力垂直于试验样品的端面，避免试验样品局部应力集中，在压力室3内还设置了球头39和球头座30，球头39的底部呈平面设置，球头39的顶部呈球面设置，球头座30的底部呈球弧面设置，球头座30的球弧面与球头39的球面相适配，球头座30的顶部呈平面设置，在进行试验时，将球头39和球头座30安装在上压头36与压力活塞34之间，使球头39的底部与上压头36连接，球头39的顶部与球头座30的底部连接，球头座30的顶部与压力活塞34的底部连接。其中，如图8和图9所示，球头39上设置有连接孔393，球座30上设置有连接孔301，球头39与球头座30可以通过弹簧等弹性件连接，通过这样的设置，能够在完成试验取出试验样品后保证球头39不会因为自身重力而脱落，以及在试验过程中球头39能够相对于球座30转动以避免试验样品局部应力集中。

优选地，如图8、图10和图11所示，球头上设置有第一压裂孔391，上压头36a上设置有第二压裂孔361，第一压裂孔391与第二压裂孔361连通，在需要进行压裂试验的样品上开设有圆孔，在进行压裂试验时，压裂液可以通过第一压裂孔391和第二压裂孔361进入试验样品的圆孔以对试验样品进行压裂试验。此外，在球头39上还可以设置第一渗流孔392，上压头36b上设置第二渗流孔362，在进行渗流试验是，渗流液可以通过第一渗流孔392和第二渗流孔362抵达试验样品的上端面以对试验样品进行渗流试验。考虑到压裂液和渗流液的注入方式不同，一个是从试验样品上的圆孔注入，一个是从试验样品的端面注入，为了达到更好的试验效果，第二压裂孔361和第二渗流孔362分别设置在两个上压头36上，在进行压裂试验时，使用设置有第二压裂孔361的上压头36a，在进行渗流试验时，使用设置有第二渗流孔362的上压头36b。然而，球头39上可以仅设置第一压裂孔391或第一渗流孔392，也可以将第一压裂孔391和第一渗流孔392设置在同一球头39上。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于旋转岩石力学试验机的压力室，所述压力室包括底座、压力室筒、上端盖、压力活塞、下压头和上压头，所述压力室筒的底部与所述底座连接，所述压力室筒的顶部与所述上端盖连接，所述下压头设置在所述底座上，所述上压头设置在所述压力活塞的底部，其特征在于，所述压力室还包括高低温滑环和换热管，所述高低温滑环套装在所述压力室筒外面，所述换热管设置在所述压力室筒内，在进行试验时，能够通过高低温滑环向所述换热管循环提供高低温液以控制所述压力室内围压油的温度。

2.根据权利要求1所述的压力室，其特征在于，所述高低温滑环包括相连的高低温定子和高低温转子，所述高低温定子与所述岩石力学试验机的框架连接，所述高低温转子与所述压力室筒连接。

3.根据权利要求2所述的压力室，其特征在于，所述高低温定子上设置有第一进液口、第一回液口、进液槽和回液槽，所述高低温转子上设置有第二进液口和第二回液口，当所述高低温转子相对高低温定子转动时，所述进液槽始终与所述第一进液口和所述第二进液口连通，所述回液槽始终与所述第一回液口和所述第二回液口连通。

4.根据权利要求3所述的压力室，其特征在于，所述压力室筒上设置有第三进液口和第三回液口，所述第二进液口通过所述第三进液口与所述换热管的一端连通，所述第二回液口通过所述第三回液口与所述换热管的另一端连通。

5.根据权利要求4所述的压力室，其特征在于，所述高低温定子上还设置有第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈，所述第一密封圈设置在所述进液槽的下侧，所述第二密封圈设置在所述进液槽与所述回液槽之间，所述第三密封圈设置在所述回液槽的上侧。

6.根据权利要求1所述的压力室，其特征在于，所述压力室还包括球头和球头座，所述球头的底部呈平面设置，所述球头的顶部呈球面设置，所述球头座的底部呈球弧面设置，所述球头座的球弧面与所述球头的球面相适配，所述球头座的顶部呈平面设置，在进行试验时，所述球头的底部能够与所述上压头连接，所述球头的顶部能够与所述球头座的底部连接，所述球头座的顶部能够与所述压力活塞的底部连接。

7.根据权利要求6所述的压力室，其特征在于，所述球头与所述球头座通过弹簧连接。

8.根据权利要求7所述的压力室，其特征在于，所述球头上设置有第一压裂孔和/或第一渗流孔。

9.根据权利要求8所述的压力室，其特征在于，所述上压头上设置有第二压裂孔或第二渗流孔。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的压力室，其特征在于，所述压力室筒位于试验样品位置的壁厚小于所述压力室筒位于试验样品位置周围的壁厚。