CN110441157B - 一种用于激光钻进实验的岩石围压加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，包括围压加载体、轴向加载系统、径向围压系统、激光发射系统和数据信息采集系统，围压加载体包括围压加载仓、加载活塞和乳胶隔离膜，围压加载仓为上端开口的空心圆柱体，加载活塞中心设有用于供激光透过的通孔，轴向加载系统和径向围压系统可以分别实现岩石试样所受轴向应力和径向应力的加载与调节，激光发射系统用于进行钻进实验，数据信息采集系统用于采集数据以及观察情况，其优点在于，透过加载活塞的通孔进行激光钻进实验，采用轴向加载和径向围压的方式模拟岩石所受地应力，可以满足激光钻进实验对岩石试样的围压加载要求，并结合数据信息采集系统，达到对围压加载的实时控制。

Description

一种用于激光钻进实验的岩石围压加载装置
技术领域
本发明涉及岩石围压加载设备技术领域，尤其涉及一种用于激光钻进实验的岩石围压加载装置。
背景技术
常规岩石三轴围压加载装置多用于岩石力学特性的测定实验，其围压加载装置在三轴(X轴、Y轴、Z轴)方向上可以直接与待测岩样接触，从而将负载施加于待测岩样上。因此，常规岩石三轴围压加载装置的结构相对简单。
岩石的激光钻进实验，即在实验室中模拟激光地质钻进环境，利用高能激光束照射岩石，从而在岩样上钻孔的过程。在激光钻进岩样时，为了使岩样所处的地质环境与实际地层中岩石所处的环境基本相同，需要在实验室环境下对岩样进行三轴围压加载，从而模拟地层中岩石的受力状况。也就是说，激光钻进实验中的岩样既要实现三轴围压加载，也需要留出待钻孔表面以实现激光钻进。所以，常规三轴围压加载装置无法直接用于岩石的激光钻进实验中，必须对其结构重新设计。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，透过加载活塞的通孔进行激光钻进实验，采用轴向加载和径向围压的方式模拟岩石所受地应力，可以满足激光钻进实验对岩石试样的围压加载要求，并结合数据信息采集系统，达到对围压加载的实时控制。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，包括围压加载体、轴向加载系统、径向围压系统、激光发射系统和数据信息采集系统，所述围压加载体包括围压加载仓、加载活塞和乳胶隔离膜，围压加载仓为上端开口的空心圆柱体，其外底面固定在基座上，其内底面设有用于放置岩石试样的底座，加载活塞中心设有用于供激光透过的通孔，轴向加载系统向加载活塞施加轴向压力，使加载活塞向岩石试样施加轴向压力，实现岩石试样所受轴向应力的加载与调节，乳胶隔离膜用于包覆岩石试样，加载活塞与围压加载仓内壁之间通过第一环形密封圈进行密封，在围压加载仓内形成密闭空间，径向围压系统向围压加载仓内注入或导出高压液体，实现岩石试样所受径向应力的加载与调节，乳胶隔离膜与加载活塞外壁之间通过第二环形密封圈进行密封，隔绝岩石试样与径向围压系统注入的高压液体，激光发射系统用于向岩石试样照射激光，进行钻进实验，数据信息采集系统用于采集岩石试样所受轴向应力和径向应力的数据以及观察围压加载仓内高压液体注入的情况和岩石试样表面激光钻进的情况。
进一步的，所述围压加载仓侧壁上设有第一导液口和第二导液口，第二导液口位于第一导液口上方，第二导液口高于岩石试样上端面且低于第一环形密封圈下端面，第一导液口用于向围压加载仓内导入高压液体，第二导液口用于过载排液。
上述技术方案，所述轴向加载系统包括液压控制回路以及若干相同液压缸，液压缸均匀分布于加载活塞正上方，液压控制回路包括油箱、滤油器、液压泵、减压阀、溢流阀、第一压力表、冷却器和电磁换向阀，液压缸并联后与液压控制回路连通。
进一步的，所述液压缸的活塞杆上设有液压推板，液压推板上安装橡胶缓冲垫。
进一步的，所述加载活塞上端面设有定位孔，定位孔与橡胶缓冲垫形状、大小均相同，定位孔在加载活塞上的位置与液压缸在加载活塞上方的位置一一对应。
上述技术方案，所述径向围压系统包括电机、丝杠推杆、液压加载缸以及第二压力表、阀门和密封接头，电机的输出轴和液压加载缸的活塞杆均连接在丝杠推杆上，液压加载缸、第二压力表、阀门通过导管依次连接并通过密封接头与第一导液口连通。
上述技术方案，所述数据信息采集系统包括轴向压力传感器、轴向应变片和径向压力传感器、径向应变片以及第一摄像头和第二摄像头，轴向压力传感器安装在岩石试样顶部，轴向应变片安装在岩石试样底部，径向压力传感器和径向应变片均安装在岩石试样侧面，第一摄像头安装在的加载活塞上方，第二摄像头安装在围压加载仓外侧。
进一步的，所述径向压力传感器和径向应变片均为a组，a≥1，a为整数，a组径向压力传感器和径向应变片均沿岩石试样轴向分布，每组径向压力传感器和径向应变片中，径向压力传感器和径向应变片的数量均为b，b≥1，b为整数，b个径向压力传感器和径向应变片沿岩石试样同一水平高度交替均匀分布。
进一步的，所述围压加载仓采用钢化玻璃制作，使其具有足够强度，并利于围压加载仓外侧的第二摄像头记录围压加载仓内高压液体注入的情况。
进一步的，所述底座上端面为凹球型，从而适应岩石试样的形变，并为轴向应变片提供安装空间。
本发明的有益效果为：
其优点在于，透过加载活塞的通孔进行激光钻进实验，采用轴向加载和径向围压的方式模拟岩石所受地应力，可以满足激光钻进实验对岩石试样的围压加载要求，并结合数据信息采集系统，达到对围压加载的实时控制，使轴向加载应力与径向围压连续可调，从而实现对不同地层中岩石所受地应力进行模拟，实验结果更具科学性和指导性。
附图说明
附图1为本发明岩石围压加载装置的结构示意图；
附图2为本发明围压加载仓的结构示意图；
附图3为实验中岩石试样的状态图之一(箭头为所受应力方向)；
附图4为实验中岩石试样的状态图之二(箭头为所受应力方向)；
附图5为本发明轴向加载系统的结构示意图；
附图6为本发明轴向加载系统中液压缸的位置分布示意图；
附图7为本发明径向加载系统的结构示意图。
标注说明：100、围压加载体，101、围压加载仓，102、加载活塞，103、第一环形密封圈，104、第二导液口，105、第一导液口，106、基座，107、底座，108、第二环形密封圈，109、乳胶隔离膜，200、轴向加载系统，201、液压缸，202、油箱，203、滤油器，204、液压泵，205、电磁换向阀，206、减压阀，207、溢流阀，208、冷却器，209、第一压力表，2010、液压推板，2011、橡胶缓冲垫，300、径向围压系统，301、电机，302、丝杠推杆，303、液压加载缸，304、第二压力表，305、阀门，306、密封接头，401、第一摄像头，402、第二摄像头，403、轴向压力传感器，404、轴向应变片，405、径向应变片，406、径向压力传感器，501、激光发射头，600、岩石试样。
具体实施方式
在岩石激光钻进实验中，X轴、Y轴、Z轴方向上的理论压力分别为σ1、σ2和σ3，其中σ1＝σ2。因此，实验预设轴向加载应力为σ3，实验预设径向加载应力为σ1。
请参阅图1所示，一种用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，包括围压加载体100、轴向加载系统200、径向围压系统300、激光发射系统和数据信息采集系统。
请参阅图2、3所示，所述围压加载体100包括围压加载仓101、加载活塞102和乳胶隔离膜109，其中：围压加载仓101为上端开口的空心圆柱体，其外底面固定在基座106上，其内底面设有用于放置岩石试样600的底座107；加载活塞102中心设有用于供激光透过的通孔；乳胶隔离膜109用于包覆岩石试样600，加载活塞102与围压加载仓101内壁之间通过第一环形密封圈103进行密封，在围压加载仓101内形成密闭空间，防止空气中的杂质进入围压加载仓101内。
请参阅图5、6所示，所述轴向加载系统200包括液压控制回路以及若干相同液压缸201，液压缸201均匀分布于加载活塞102正上方，液压控制回路包括油箱202、滤油器203、液压泵204、减压阀206、溢流阀207、第一压力表209、冷却器208和电磁换向阀205，液压缸201并联后与液压控制回路连通，使所有液压缸201输出动力一致，有关液压元器件可以根据实验要求合理选用。轴向加载系统200向加载活塞102施加轴向压力，使加载活塞102向岩石试样600施加轴向压力，实现岩石试样600所受轴向应力的加载与调节。
作为优选的，所述液压缸201的活塞杆上设有液压推板2010，液压推板2010上安装橡胶缓冲垫2011，橡胶缓冲垫2011可以减轻液压缸201与加载活塞102之间的刚性冲击力。
作为优选的，所述加载活塞102上端面设有定位孔，定位孔与橡胶缓冲垫2011形状、大小均相同，定位孔在加载活塞102上的位置与液压缸201在加载活塞102上方的位置一一对应，使橡胶缓冲垫2011与加载活塞102接触时达到快速定位。
请参阅图2所示，所述围压加载仓101侧壁上设有第一导液口105和第二导液口104，第二导液口104位于第一导液口105上方，第二导液口104高于岩石试样600上端面且低于第一环形密封圈103下端面，第一导液口105用于向围压加载仓101内导入高压液体，第二导液口104用于过载排液，保证岩石试样600不受侵蚀以及实验仪器的安全。
请参阅图7所示，所述径向围压系统300包括电机301、丝杠推杆302、液压加载缸303以及第二压力表304、阀门305和密封接头306，有关液压元器件可以根据实验要求合理选用。电机301的输出轴和液压加载缸303的活塞杆均连接在丝杠推杆302上，液压加载缸303、第二压力表304、阀门305通过导管依次连接并通过密封接头306与第一导液口105连通。径向围压系统300向围压加载仓101内注入或导出高压液体，实现岩石试样600所受径向应力的加载与调节。
作为优选的，乳胶隔离膜109与加载活塞102外壁之间通过第二环形密封圈108进行密封，隔绝岩石试样600与径向围压系统300注入的高压液体，防止高压液体溅入岩石试样600而影响其激光钻进效果。
请参阅图1所示，激光发射系统用于向岩石试样600照射激光，进行钻进实验。激光发射系统包括产生实验所需激光束的成套设备，图中仅以激光发射头501示出，并示出了其参考位姿。围压加载仓101通过基座106安装在激光钻进实验机上。
请参阅图1、4所示，所述数据信息采集系统包括轴向压力传感器403、轴向应变片404和径向压力传感器406、径向应变片405以及第一摄像头401和第二摄像头402，数据信息采集系统用于采集岩石试样600所受轴向应力和径向应力的数据以及观察围压加载仓101内高压液体注入的情况和岩石试样600表面激光钻进的情况，其中：
轴向压力传感器403安装在岩石试样600顶部，即加载活塞102与岩石试样600的接触处，用以精确测量实际加载的轴向应力σ3，轴向应变片404安装在岩石试样600底部，用以精确测量岩石试样600的实际轴向形变量；
径向压力传感器406和径向应变片405均安装在岩石试样600侧面，用以精确测量实际加载的径向应力σ1和实际径向形变量，所述径向压力传感器406和径向应变片405均为a组，a≥1，a为整数，a组径向压力传感器406和径向应变片405均沿岩石试样600轴向分布，每组径向压力传感器406和径向应变片405中，径向压力传感器406和径向应变片405的数量均为b，b≥1，b为整数，b个径向压力传感器406和径向应变片405沿岩石试样600同一水平高度交替均匀分布，采用以上布置方法后，可以采用同一截面多点采集取平均值或多个截面采集多组数据取平均值的数据处理方法，从而提高数据的精确度；
第一摄像头401安装在的加载活塞102上方，用以记录钻进过程中岩石试样600上的钻孔信息，第二摄像头402安装在围压加载仓101外侧，用以记录围压加载过程中岩石试样600的变化和围压加载仓101内状态的变化。
作为优选的，所述围压加载101仓采用钢化玻璃制作，使其具有足够强度，并利于围压加载仓101外侧的第二摄像头402记录围压加载仓101内高压液体注入的情况。
作为优选的，所述底座107上端面为凹球型，从而适应岩石试样600的形变，并为轴向应变片404提供安装空间。
具体的，液压缸201为4个时，电磁换向阀205选用三位四通，轴向加载系统200的工作过程为：液压泵204开始工作，电磁换向阀205处于右位，液压油进入4个液压缸201的无杆腔，液压缸201的活塞杆下移并与加载活塞102上端面接触，加载活塞102受力并将轴向推力传递至岩石试样600上；当轴向压力传感器403测得的压力值达到实验预设轴向加载应力σ3时，电磁换向阀205处于中位，4个液压缸201的活塞杆在一定时间内保持设定压力(根据围压加载实验及钻进时长要求)；激光钻进实验完成后，电磁换向阀205处于左位，液压缸201的活塞杆回退，回路缷油，轴向加载完成。
具体的，径向围压系统的工作过程为：电机301运转，阀门305开启，丝杠推杆302右移，液压加载缸303中的液压油经导管从第一导液口105进入围压加载仓101内，并持续注油加压，此时，围压加载仓101内的油面高度持续增高；当径向压力传感器406测得的压力值达到实验预设径向加载应力σ1时，阀门305关闭，围压加载仓101内保压一段时间(根据围压加载实验及钻进时长要求)；激光钻进实验完成后，阀门305开启，电机301反转，丝杠推杆302左移，回路缷油，径向围压完成。
在上述围压加载装置中，液压控制回路的控制信号、电机301的启停信号、电磁换向阀205的换向信号和阀门305的开关信号等均通过系统控制电路发出。轴向压力传感器403、轴向应变404片和径向压力传感器406、径向应变片405以及第一摄像头401和第二摄像头402所采集的信息，均通过系统控制电路传输至计算机中，作进一步分析、显示和存储。
当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，其特征在于：包括围压加载体(100)、轴向加载系统(200)、径向围压系统(300)、激光发射系统和数据信息采集系统，所述围压加载体(100)包括围压加载仓(101)、加载活塞(102)和乳胶隔离膜(109)，围压加载仓(101)为上端开口的空心圆柱体，其外底面固定在基座(106)上，其内底面设有用于放置岩石试样(600)的底座(107)，加载活塞(102)中心设有用于供激光透过的通孔，轴向加载系统(200)向加载活塞(102)施加轴向压力，使加载活塞(102)向岩石试样(600)施加轴向压力，实现岩石试样(600)所受轴向应力的加载与调节，乳胶隔离膜(109)用于包覆岩石试样(600)，加载活塞(102)与围压加载仓(101)内壁之间通过第一环形密封圈(103)进行密封，在围压加载仓(101)内形成密闭空间，径向围压系统(300)向围压加载仓(101)内注入或导出高压液体，实现岩石试样(600)所受径向应力的加载与调节，乳胶隔离膜(109)与加载活塞(102)外壁之间通过第二环形密封圈(108)进行密封，隔绝岩石试样(600)与径向围压系统(300)注入的高压液体，激光发射系统用于向岩石试样(600)照射激光，进行钻进实验，数据信息采集系统用于采集岩石试样(600)所受轴向应力和径向应力的数据以及观察围压加载仓(101)内高压液体注入的情况和岩石试样(600)表面激光钻进的情况，其中：
所述围压加载仓(101)侧壁上设有第一导液口(105)和第二导液口(104)，第二导液口(104)位于第一导液口(105)上方，第二导液口(104)高于岩石试样(600)上端面且低于第一环形密封圈(103)下端面，第一导液口(105)用于向围压加载仓(101)内导入高压液体，第二导液口(104)用于过载排液；
所述轴向加载系统(200)包括液压控制回路以及若干相同液压缸(201)，液压缸(201)均匀分布于加载活塞(102)正上方，液压控制回路包括油箱(202)、滤油器(203)、液压泵(204)、减压阀(206)、溢流阀(207)、第一压力表(209)、冷却器(208)和电磁换向阀(205)，液压缸(201)并联后与液压控制回路连通。
2.根据权利要求1所述的用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，其特征在于：所述液压缸(201)的活塞杆上设有液压推板(2010)，液压推板(2010)上安装橡胶缓冲垫(2011)。
3.根据权利要求2所述的用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，其特征在于：所述加载活塞(102)上端面设有定位孔，定位孔与橡胶缓冲垫(2011)形状、大小均相同，定位孔在加载活塞(102)上的位置与液压缸(201)在加载活塞(102)上方的位置一一对应。
4.根据权利要求1所述的用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，其特征在于：所述径向围压系统(300)包括电机(301)、丝杠推杆(302)、液压加载缸(303)以及第二压力表(304)、阀门(305)和密封接头(306)，电机(301)的输出轴和液压加载缸(303)的活塞杆均连接在丝杠推杆(302)上，液压加载缸(303)、第二压力表(304)、阀门(305)通过导管依次连接并通过密封接头(306)与第一导液口(105)连通。
5.根据权利要求1所述的用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，其特征在于：所述数据信息采集系统包括轴向压力传感器(403)、轴向应变片(404)和径向压力传感器(406)、径向应变片(405)以及第一摄像头(401)和第二摄像头(402)，轴向压力传感器(403)安装在岩石试样(600)顶部，轴向应变片(404)安装在岩石试样(600)底部，径向压力传感器(406)和径向应变片(405)均安装在岩石试样(600)侧面，第一摄像头(401)安装在的加载活塞(102)上方，第二摄像头(402)安装在围压加载仓(101)外侧。
6.根据权利要求5所述的用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，其特征在于：所述径向压力传感器(406)和径向应变片(405)均为a组，a≥1，a为整数，a组径向压力传感器(406)和径向应变片(405)均沿岩石试样(600)轴向分布，每组径向压力传感器(406)和径向应变片(405)中，径向压力传感器(406)和径向应变片(405)的数量均为b，b≥1，b为整数，b个径向压力传感器(406)和径向应变片(405)沿岩石试样(600)同一水平高度交替均匀分布。
7.根据权利要求6所述的用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，其特征在于：所述围压加载仓(101)采用钢化玻璃制作，使其具有足够强度，并利于围压加载仓(101)外侧的第二摄像头(402)记录围压加载仓(101)内高压液体注入的情况。
8.根据权利要求6所述的用于激光钻进实验的岩石围压加载装置，其特征在于：所述底座(107)上端面为凹球型，从而适应岩石试样(600)的形变，并为轴向应变片(404)提供安装空间。
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