CN111063248A - 模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置及实验方法，其中模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置包括模型机构、驱动机构、图像采集系统、计算机控制系统，驱动机构固定在实验台支架一侧，提供底板发生俯冲式运动的动力，实验台另一侧设置转轴；模型机构包括实验台支架、实验台、砂箱端围板、砂箱侧围板、刮砂板装置、旋转圆盘，驱动机构连接计算机控制系统，用计算机控制系统控制卷筒的旋转速度，进行二维或三维、不同运移速度不同组合方式的多期次位移变形场叠加的的砂箱物理模拟实验。本发明具有可以实现模拟三维空间内不同运移速率、不同产状压性先存断裂发生再活化，断裂性质发生改变，并诱导次级断裂形成的构造演化过程。
Description
技术领域：
本发明涉及的是构造地质学和石油地质学研究领域中压性含油气盆地内部断裂活动演化的砂箱物理模拟实验装置，具体涉及的是用于模拟早期先存构造挤压变形产生的挤压构造叠加晚期不同性质的位移变形场作用发生再活动的多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置及实验方法。
背景技术：
挤压构造变形是地壳变形基本方式，而压性盆地又是盆地的基本类型之一。由于压性盆地遭受不同程度的挤压作用，存在挤压构造，使挤压构造带的油气勘探颇具难度。对于压性含油气盆地而言，在地质历史时期盆地内部并非仅经历了一次构造运动，由于挤压方向的改变，或者叠加了晚期不同性质的应力场作用，造成了早期形成的先存压性断裂在晚期构造应力场的作用下发生了再活化，断裂再活化对油气圈闭的形成、油气的运移和聚集及油气藏的保存和破坏都具有决定性的作用。目前，对压性含油气盆地（例如前陆盆地）内断裂空间组合样式进行研究的过程中，我们主要模拟了早期以“挡板式”（正向）运动状态为主的压性断裂叠加晚期不同性质的应力场作用对断裂样式的影响，而忽视了以“俯冲式”、“推土机式”（逆向）运动状态为主的压性断裂对断裂样式的影响。因此有必要对这部分进行深入的研究。砂箱构造物理模拟实验方法是研究构造变形过程和形成机制的重要手段，是再现或反演含油气盆地内不同类型的构造形迹和演化过程最为有效的方法，应用目前的技术手段，已经不局限于平面或剖面的2D模拟实验，通过扫描及系统切片甚至可构建三维地质模型。然而关于早期以俯冲式为主要运动形式的先存压性断裂叠加晚期不同性质的位移场发生再活动的实验，国内外还尚没有单台砂箱物理模拟实验装置可以实现全部模拟实验。
发明内容：
本发明的一个目的是提供模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，这种模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置用于解决目前尚没有单台砂箱物理模拟实验装置可以实现以俯冲式为主要运动形式的先存压性断裂叠加晚期不同性质的位移场发生再活动的全部模拟实验的问题；本发明的另一目的是提供这种模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置的实验方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置包括模型机构、驱动机构、图像采集系统、计算机控制系统，驱动机构将高精度数字伺服电机与采用数字控制伺服驱动系统、同步带的链式传动装置、卷筒连接在一起构成，驱动机构固定在实验台支架一侧，提供底板发生俯冲式运动的动力，实验台另一侧设置转轴；
模型机构包括实验台支架、实验台、砂箱端围板、砂箱侧围板、刮砂板装置、旋转圆盘，砂箱端围板、砂箱侧围板均为有机玻璃材质，砂箱侧围板与砂箱端围板设置在实验台面上并组成可拆卸砂箱体；实验台居中设置旋转圆盘，旋转圆盘上开一条过圆心的斜向俯冲槽，刚性布刚好能通过斜向俯冲槽且不漏砂，斜向俯冲槽下面设置动态辊子，动态辊子支撑架固定在旋转圆盘下，动态辊子安装在动态辊子支撑架上，刚性布铺设于旋转圆盘上，刚性布一端穿过斜向俯冲槽经动态辊子涨紧后固定在卷筒上，刚性布另一端穿过砂箱端围板固定在转轴上；旋转圆盘下面固定转盘动环，转盘约束环套在旋转圆盘转盘外，转盘约束环与实验台底部固定连接，转盘静环与转盘约束环固定连接，转盘静环从下面兜住旋转圆盘，并将旋转圆盘与转盘约束环之间的缝隙封住，转盘静环上布置转盘锁紧螺丝，实现与转盘动环之间锁紧以定旋转圆盘的工作角度；
刮砂板装置包括刮砂支架，手摇式升降平台、刮砂板，刮砂支架与实验台滑动连接，刮砂板通过刮砂支架设置，刮砂板连接手摇式升降平台，刮砂板下方为可拆卸砂箱体；
驱动机构连接计算机控制系统，用计算机控制系统控制卷筒的旋转速度，进行二维或三维、不同运移速度不同组合方式的多期次位移变形场叠加的的砂箱物理模拟实验，利用旋转圆盘旋转角度和刚性布宽度的变化，实现不同角度先存断裂多期叠加不同性质位移场的砂箱物理模拟实验。
上述方案中刮砂板装置调整高度0-20cm，刮砂支架采用小车式，实验台上设置直齿轨道，刮砂支架通过其下端齿轮轴承在直齿轨道上滑动，刮砂板刻度区范围0-20cm，精度控制到1毫米，对沙子进行刮平，扶正板夹住刮砂板，扶正板上还布置加强筋，扶正板可以夹住刮砂板，避免倾斜，加强筋避免由于尺寸太大导致强度不够，整个刮砂装置移动方便，使刮砂操作更平稳，从而保证刮砂效果。
上述方案中砂箱侧围板之间距离可调节范围在15-85cm之间。
上述方案中斜向俯冲槽冲槽角度60°左右。
上述方案中驱动模块包括驱动电机、驱动轮、从动轮、皮带、卷筒、刚性布、转轴及手轮，刚性布为刚性不可伸缩的材料，步进电机连接驱动轮，驱动轮通过皮带连接从动轮，从动轮通过卷轴与卷筒连接，卷筒与卷轴上分别有卡子，将刚性布卡在卷筒和卷轴的柱面上，卷筒圆柱面上开一个槽，在槽口处布置一压条，用于刚性布和卷轴连接。通过驱动电机使驱动轮上皮带转动从而带动从动轮，使卷轴转动，从而实现刚性布进行收放。
上述方案中图像采集系统包括照明系统、摄像系统，照明系统用于对实验提供光源，摄像系统用于对实验结果的图像采集，采用维视MV-EM系列工业相机。
上述模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置的实验方法：
第一步，根据盆地内断裂的实际规模，按照1：105比例缩小得出实验模型的尺寸，根据先存构造带与挤压方向的夹角先调整旋转圆盘斜向俯冲槽的缝长与刚性布的宽度，而后调整砂箱侧围板之间距离；
第二步，根据材料相似性原理，用干燥的松散白色石英砂模拟能干性较强的岩层、硅胶模拟能干性较弱的岩层，按照模拟的实际含油气盆地沉积地层厚度将松散的白色石英砂和硅胶铺设在预设的可拆卸砂箱体中，并通过齿轮轴承在直齿轨道上滑动，带动刮砂板对沙子进行刮平；
第三步，用计算机控制驱动电机的旋转速度、方向以及实验进行时间，使驱动电机带动卷筒上的刚性布移动从而产生俯冲式挤压构造；
第四步，用计算机连接摄像系统，设定拍照间隔及照片像素，由计算机适时控制拍出高清照片，拍出最需要的关键时刻的构造变形；变形期间可继续向实验体中添加白色石英砂模拟同沉积过程，或者用吹风机去除一部分白色石英砂模拟剥蚀过程；实验进行过程中每隔一定时间拍照记录并铺设标志层；
第四步，实验结束后用喷壶对实验结果砂体喷水，使模型浸透，待模型定型后，切割实验体观察内部剖面现象，进行实验记录和总结，得出实验结果。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供了能够按照实际需要自由设置先存断裂性质、产状，并能够叠加晚期不同性质位移变形场模拟断裂构造演化的砂箱物理模拟实验装置。
2.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，能够适应多样化且复杂的叠合盆地模拟实验。
3. 本发明能够将模拟多期不同性质应力场下断裂演化的实验在本装置上一一实现，不需要重新制作模型，只需要改变圆盘旋转角度和刚性布的宽度，就可以进行下一组的模拟实验，并且该实验装置操作简单，当旋转圆盘旋转角度和刚性布宽度固定时，用计算机控制驱动电机就可以进行俯冲式变形实验，大幅度提高了实验设备的利用率，降低了单次实验的成本。也可以模拟断裂多期活动，有效的降低实验成本及减少占用空间，具有经济性和模型多样化、多功能的特点。
四、附图说明：
图1是本发明模型机构和驱动机构关系示意图。
图2是本发明中实验台面底视示意图。
图3是本发明中刮砂板装置示意图。
图4是本发明的结构示意图。
图5是转盘转向调节示意图。
图6是刚性纸运动示意图。
1实验台支架；2驱动电机；3驱动轮；4皮带；5从动轮；6卷筒；7实验台面支架；8实验台面；9砂箱端围板；10刮砂板装置；11旋转圆盘；12砂箱侧围板；13斜向俯冲槽；14刚性布；15转轴及手轮；16动态辊子；17转盘调节手柄；18转盘动环；19转盘静环；20转盘约束环；21动态辊子基板；22转盘锁紧螺丝；23动态辊子支撑架；24照明系统；25摄像系统；26计算机；27手摇式升降平台；28扶正板；29加强筋；30刮砂板；31刮砂支架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
结合图1-图6所示，这种模拟先存压性断裂叠加晚期不同性质位移场作用发生再活动的砂箱物理模拟实验装置包括模型机构、驱动机构、图像采集系统、计算机控制系统，驱动机构是将高精度数字伺电机与采用数字控制伺服驱动系统、传动采用同步带的链式传动装置与卷筒6连接在一起成为动力系统，固定在实验台支架1一上，提供底板发生俯冲式运动的动力。动力系统安装完毕后将旋转圆盘11安装在实验台支架1上，实验台设置于实验台支架1上，实验台由实验台面支架7上设置实验台面8构成，旋转圆盘11以实验台正中心为圆点，半径40cm，过圆心在旋转圆盘上开一条长60cm，宽2mm左右（保证刚性布正好通过，切不漏砂）的斜向俯冲槽13，斜向俯冲槽13角度60°左右。旋转圆盘11开口处下方，安装圆柱滚筒，可以调节刚性布收缩角度。斜向俯冲槽13的缝长和刚性布14宽度共同决定刚性布14的收缩角度。斜向俯冲槽13下面设置动态辊子16，动态辊子16随旋转转盘调整而调整方向，由动态辊子16替代俯冲槽消解由于缝与刚性布14运动方向的夹角而产生的横向力。避免刚性布14在运动过程产生於堵或折叠。旋转圆盘11安装完毕后，在旋转圆盘11上铺设刚性布14并穿过斜向俯冲槽13固定在实验台支架1处卷筒6上，与动力系统连接。其中旋转圆盘11可以360°旋转，该旋转角度及后期叠加的位移变形场的性质视所模拟工区的地质参数和实验的实际需要来具体确定，可进行多期不同性质位移变形场的叠加；之后将实验所需的实验材料(如松散的白色石英砂岩或硅胶)铺放在实验台面8上旋转圆盘11之上（包括铺设刚性布14部分）；将驱动机构连接计算机26，用计算机26控制卷筒6的旋转速度，可进行二维或三维、不同运移速度不同组合方式的多期次位移变形场叠加的砂箱物理模拟实验，利用实验过程中圆盘旋转角度和刚性布14宽度的变化，可在较小改动的情况下实现不同角度先存断裂多期叠加不同性质位移场的砂箱物理模拟实验，最大限度的节约了实验器材和资源。
模型机构包括实验台支架1、实验台面支架7、实验台面8、砂箱端围板9、刮砂板装置10、旋转圆盘11、砂箱侧围板12。实验台支架1长2m，宽1m，高0.8m，钢铁材质，实验台支架1为焊接架，可在其上安装移动轮；实验台面支架7长2.5m，宽1m，钢铁材质；实验台面8长2.5m，宽1m，厚2.5cm，光滑POM材质；砂箱端围板9，共两块，长1m，高10cm，厚5cm，有机玻璃材质；砂箱侧围板12，共两块，长1.5m，高10cm，厚5cm，有机玻璃材质，砂箱侧围板12与砂箱端围板9组成长方形箱体，可随时随地组装拆卸，砂箱侧围板12之间距离可调节，可调节范围15-85cm之间；刮砂板装置10，铝合金、POM材质，支架小车式，调整高度0-20cm，装置带有手摇式升降平台27、扶正板28、刮砂板30、支架31、扶正板28可以夹住刮砂板30，避免倾斜；手摇动手摇式升降平台27，可以方便连续调整高度，让操作更方便、轻松，便于控制调高精度；扶正板上还布置加强筋29，以避免由于尺寸太大导致强度不够；整个刮砂板装置安装于带滚轮的实验台面支架7上，方便移动，使刮砂操作更平稳，从而保证刮砂效果。刮砂板宽度40cm、60cm、80cm三种，厚度0.5cm；刻度区范围0-20cm，精度控制到1毫米，通过齿轮轴承在直齿轨道上滑动对沙子进行刮平；旋转圆盘11是实验台中心部位镶嵌的一个可旋转的圆盘（以实验台正中心为圆点，半径0.4m），过圆心在旋转圆盘上开一条0.6m，宽2mm左右（保证刚性布14正好通过，且不漏砂）的斜向俯冲槽13，旋转圆盘11背面有转盘动环18与旋转圆盘11固连在一起，旋转圆盘11外围还有转盘约束环20套在转盘11外，并且转盘约束环20与实验台面8背部粘接固连，转盘静环19与转盘约束环20固连，从下面兜住旋转圆盘11，并可防止细砂漏出，在转盘静环19上布置两个转盘锁紧螺丝22，实现转盘动环之间锁紧以定旋转圆盘11的工作角度。旋转圆盘11还设置有转盘调节手柄。
驱动机构由步进电机、驱动轮3、从动轮5、皮带4、卷筒6、动态辊子16、刚性布14、转轴及手轮15组成。刚性布14，长3 m，宽50cm，厚0.5cm刚性不可伸缩的材料，类似于帆布（耐高温油布）。斜向俯冲槽13下面设置动态辊子16，动态辊子基板21设置在旋转圆盘11下，动态辊子支撑架23固定在动态辊子基板21下，动态辊子16安装在动态辊子支撑架23上，动态辊子16随旋转圆盘11调整而调整方向，动态辊子16替代斜向俯冲槽13消解由于缝与刚性布14运动方向的夹角而产生的横向力，避免刚性布14在运动过程产生於堵或折叠；卷筒6与卷轴上分别有卡子，可以将刚性布14卡在卷筒6和卷轴的柱面上，卷轴长80cm，截面半径5cm，卷筒圆柱面上开一个槽，槽长60cm，槽口宽2cm，并在槽口处布置一压条，用于刚性布14和卷轴连接。卷轴一端连接从动轮5，通过驱动电机2发动使驱动轮3上皮带4转动从而带动从动轮5，使卷轴转动，从而实现刚性布14进行收放；驱动电机2，高精度数字伺服电机，控制速度0.01-5.00mm/min，定位精度可达0.1mm。
图像采集系统包括照明系统24、摄像系统25。照明系统24用于对实验提供光源；摄像系统25用于对实验结果的图像采集，采用维视MV-EM系列工业相机，该系列相机像素高，可达1400万像素，尺寸小，采用更加稳定和通用的千兆以太网络进行传输，相机设计小巧，功耗低，具有图像质量清晰、稳定等特点，可由计算机控制拍摄出关键时刻的构造变形。
计算机控制系统主要由计算机26组成，驱动软件可安装到任意电脑上，电脑可对实验仪器进行控制。软件可以控制实验底板的运动速度和方向，实现对流体底辟泵、机械底辟升降、台面挤压或拉伸电机的精确控制，可定速，调速，可以控制摄像，采集图像，记录图像-位移-时间关系数据。为实验数据分析提供有力的参考。
这种模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置的实验方法：
第一步，根据盆地内断裂的实际规模，按照1：105比例缩小得出实验模型的尺寸，根据先存构造带与挤压方向的夹角先调整旋转圆盘11的缝长与刚性布14的宽度，而后调整砂箱侧围板12之间距离。
第二步，根据材料相似性原理，用干燥的松散白色石英砂（粒径约为50～80目）模拟能干性较强的岩层、硅胶（SGM36）模拟能干性较弱的岩层，按照模拟的实际含油气盆地沉积地层厚度将松散的白色石英砂和硅胶铺设在预设的实验模型上，并通过齿轮轴承在直齿轨道上滑动对沙子进行刮平。
第三步，用计算机26控制电机的旋转速度、方向和以及实验进行时间，使电机带动卷筒6上的刚性布14移动从而产生俯冲式挤压构造。
第四步，用计算机26连接相机，设定拍照间隔及照片像素，由计算机26适时控制拍出高清照片，拍出最需要的关键时刻的构造变形。变形期间可继续向实验体中添加石英砂模拟同沉积过程，或者用吹风机去除一部分石英砂模拟剥蚀过程；实验进行过程中每隔一定时间拍照记录并铺设标志层。
第四步，实验结束后用喷壶对实验结果砂体喷水，使模型浸透，待模型定型后，切割实验体观察内部剖面现象，进行实验记录和总结，得出实验结果。
本发明具有可以实现模拟三维空间内不同运移速率、不同产状压性先存断裂发生再活化，断裂性质发生改变，并诱导次级断裂形成的构造演化过程。应用该种实验装置，能够进行多期不同性质断裂叠加演化的构造变形物理模拟实验，不仅能够从平面上分析变形的特征，还可以在剖面上识别出叠加变形的特征，可分析不同断裂受不同性质位移场的影响发生再活动的难易程度及变形的特征，并且实验装置简易拆装，占用空间很小，是一项创新的技术。
Claims (7)
1.一种模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，其特征在于：这种模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置包括模型机构、驱动机构、图像采集系统、计算机控制系统，驱动机构将高精度数字伺服电机与采用数字控制伺服驱动系统、同步带的链式传动装置、卷筒(6)连接在一起构成，驱动机构固定在实验台支架(1)一侧，提供底板发生俯冲式运动的动力，实验台另一侧设置转轴；
模型机构包括实验台支架(1)、实验台、砂箱端围板(9)、砂箱侧围板(12)、刮砂板装置(10)、旋转圆盘(11)，砂箱端围板(9)、砂箱侧围板(12)均为有机玻璃材质，砂箱侧围板(12)与砂箱端围板(9)设置在实验台面(8)上并组成可拆卸砂箱体；实验台居中设置旋转圆盘(11)，旋转圆盘(11)上开一条过圆心的斜向俯冲槽(13)，刚性布(14)刚好能通过斜向俯冲槽(13)且不漏砂，斜向俯冲槽(13)下面设置动态辊子(16)，动态辊子支撑架(23)固定在旋转圆盘(11)下，动态辊子(16)安装在动态辊子支撑架(23)上，刚性布(14)铺设于旋转圆盘(11)上，刚性布(14)一端穿过斜向俯冲槽(13)经动态辊子(16)涨紧后固定在卷筒(6)上，刚性布(14)另一端穿过砂箱端围板(9)固定在转轴上；旋转圆盘(11)下面固定转盘动环(18)，转盘约束环(20)套在旋转圆盘(11)转盘外，转盘约束环(20)与实验台底部固定连接，转盘静环(19)与转盘约束环(20)固定连接，转盘静环(19)从下面兜住旋转圆盘(11)，并将旋转圆盘(11)与转盘约束环(20)之间的缝隙封住，转盘静环(19)上布置转盘锁紧螺丝(22)，实现与转盘动环(18)之间锁紧以定旋转圆盘(11)的工作角度；
刮砂板装置(10)包括刮砂支架(31)，手摇式升降平台(27)、刮砂板(30)，刮砂支架(31)与实验台滑动连接，刮砂板(30)通过刮砂支架(31)设置，刮砂板(30)连接手摇式升降平台(27)，刮砂板(30)下方为可拆卸砂箱体；
驱动机构连接计算机控制系统，用计算机控制系统控制卷筒(6)的旋转速度，进行二维或三维、不同运移速度不同组合方式的多期次位移变形场叠加的的砂箱物理模拟实验，利用旋转圆盘(11)旋转角度和刚性布(14)宽度的变化，实现不同角度先存断裂多期叠加不同性质位移场的砂箱物理模拟实验。
2.根据权利要求1所述的模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，其特征在于：所述的刮砂板装置(10)调整高度0-20cm，刮砂支架(31)采用小车式，实验台上设置直齿轨道，刮砂支架(31)通过其下端齿轮轴承在直齿轨道上滑动，刮砂板(30)刻度区范围0-20cm，精度控制到1毫米，对沙子进行刮平，扶正板夹住刮砂板(30)，扶正板上还布置加强筋。
3.根据权利要求2所述的模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，其特征在于：所述的砂箱侧围板(12)之间距离可调节范围在15-85cm之间。
4.根据权利要求3所述的模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，其特征在于：所述的斜向俯冲槽(13)冲槽角度60°左右。
5.根据权利要求4所述的模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，其特征在于：所述的驱动模块包括驱动电机(2)、驱动轮(3)、从动轮(5)、皮带(4)、卷筒(6)、刚性布(14)、转轴及手轮(15)，刚性布(14)为刚性不可伸缩的材料，步进电机连接驱动轮(3)，驱动轮(3)通过皮带(4)连接从动轮(5)，从动轮(5)通过卷轴与卷筒(6)连接，卷筒(6)与卷轴上分别有卡子，将刚性布(14)卡在卷筒(6)和卷轴的柱面上，卷筒(6)圆柱面上开一个槽，在槽口处布置一压条，用于刚性布(14)和卷轴连接。
6.根据权利要求5所述的模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，其特征在于：所述的图像采集系统包括照明系统(24)、摄像系统(25)，照明系统(24)用于对实验提供光源，摄像系统(25)用于对实验结果的图像采集，采用维视MV-EM系列工业相机。
7.一种权利要求6所述的模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置的实验方法，其特征在于：
第一步，根据盆地内断裂的实际规模，按照1：105比例缩小得出实验模型的尺寸，根据先存构造带与挤压方向的夹角先调整旋转圆盘斜向俯冲槽(11)的缝长与刚性布(14)的宽度，而后调整砂箱侧围板(12)之间距离；
第二步，根据材料相似性原理，用干燥的松散白色石英砂模拟能干性较强的岩层、硅胶模拟能干性较弱的岩层，按照模拟的实际含油气盆地沉积地层厚度将松散的白色石英砂和硅胶铺设在预设的可拆卸砂箱体中，并通过齿轮轴承在直齿轨道上滑动，带动刮砂板(30)对沙子进行刮平；
第三步，用计算机(26)控制驱动电机(2)的旋转速度、方向以及实验进行时间，使驱动电机(2)带动卷筒(6)上的刚性布(14)移动从而产生俯冲式挤压构造；
第四步，用计算机(26)连接摄像系统(25)，设定拍照间隔及照片像素，由计算机(26)适时控制拍出高清照片，拍出最需要的关键时刻的构造变形；变形期间可继续向实验体中添加白色石英砂模拟同沉积过程，或者用吹风机去除一部分白色石英砂模拟剥蚀过程；实验进行过程中每隔一定时间拍照记录并铺设标志层；
第四步，实验结束后用喷壶对实验结果砂体喷水，使模型浸透，待模型定型后，切割实验体观察内部剖面现象，进行实验记录和总结，得出实验结果。
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