CN111550211A - 基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，包括箱体、外部加热系统以及用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，压力实验舱的舱体的内壁设有电加热结构，压力实验舱的舱壁上设有侧孔；压力实验舱置于箱体中，箱体上设有进液口和出液口，外部加热系统包括供液系统和电加热器，供液系统的出口与电加热器的入口相连，电加热器的出口通过进液管路与进液口相连。本发明可模拟高温环境，可给压力实验舱提供高温环境，利于还原真实的原位环境，使实验更为完整、客观，数据更加可靠；本发明可内外同时加热，可提高加热效率，利于缩短实验时间，提高实验效率；内部的电加热结构设于加压加热中间件上，不用改变保压实验舱的结构，可降低实验成本。

Description

基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台

技术领域

本发明涉及取芯装置试验系统技术领域，尤其涉及基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台。

背景技术

地球浅部矿产资源已逐渐枯竭，向地球深部进军是近期和未来我国科技创新的重要方向。不同深部赋存岩层原位岩石力学行为规律是深地钻探、深部资源开发利用、地球应用科学的先导性科学与理论基础。

深部岩石的物理力学以及化学生物等特性与其所处原位环境条件密切相关，取芯过程的原位环境损失将导致岩芯的理化性质和力学性质失真且不可逆转，其攻关的核心与关键是如何获取深部环境条件下的原位岩芯，并在原位保真状态下进行实时加载测试与分析。

目前的，原位保真取芯装置，利用钻具钻取岩芯后将岩芯存储在储芯管中，通过与储芯管相连的保压、保温及保湿装置来实现对岩芯原位环境的模拟。在进行岩芯钻取前，需要验证其保压能力，因而保压舱的耐压能力测试平台应运而生。

保压舱的耐压能力测试平台通常包括保压实验舱、液压系统等，通过液压系统向保压实验舱内注入高压液体来验证保压实验舱的保压性能。目前的耐压能力测试平台都只能进行压力实验，而真实的原位环境通常是高温环境，现有的耐压能力测试平台无法模拟高温环境，当然也就无法验证保压舱在该高温环境下的耐压性能。

此外，现有的保压实验舱通过在筒壁上钻孔来实现与液压管路连接，钻机钻孔会损害保压实验舱，进而使实验结果不可靠。

发明内容

本发明旨在提供基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，可模拟高温环境，利于提高实验的完整性和准确性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，包括箱体、外部加热系统以及用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，所述压力实验舱的舱体的内壁设有电加热结构，压力实验舱的舱壁上设有侧孔；

所述压力实验舱置于箱体中，所述箱体上设有进液口、出液口以及供实验管路穿过的第一预留孔；所述外部加热系统包括供液系统和电加热器，所述供液系统的出口与电加热器的入口相连，电加热器的出口通过进液管路与所述进液口相连。

进一步的，所述压力实验舱的舱体包括第一试验件、第二试验件和加压加热中间件，第一试验件与第二试验件通过加压加热中间件相连，所述电加热结构和侧孔均设于加压加热中间件上。

进一步的，所述第二试验件中安装有用于实现保压实验舱下端密封关闭的翻板阀；翻板阀包括阀座、阀瓣和弹性件，阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接，阀座顶部有与阀瓣匹配的阀口密封面。

进一步的，所述压力实验舱还包括中心杆和岩心筒，中心杆下端伸进岩心筒内，所述箱体上轴向正对所述中心杆的位置有用于提拉中心杆的第二预留孔；

中心杆下端有外台阶，岩心筒上端有与所述外台阶适配的内台阶，当向上提升中心杆至所述外台阶与内台阶相抵时，中心杆可带动岩心筒同步向上移动；

当岩心筒位于阀座中时，阀瓣开启90°且位于岩心筒与第二试验件之间；当通过中心杆将岩心筒向上提升至一定高度时，阀瓣在弹性件及重力作用下回到阀座顶面与阀口密封面密封接触；

当中心杆提升至行程终点时，岩心筒上端外壁与第一试验件内壁间密封配合。

进一步的，所述电加热结构包括石墨烯膜。

进一步的，电加热结构还包括铝筒，石墨烯膜镀在铝筒的内筒壁上，铝筒嵌装在舱体内壁的环形凹槽中。

进一步的，所述电加热结构包括螺旋热盘管。

进一步的，所述供液系统包括油箱和泵，油箱的出口与泵的入口相连，泵的出口与电加热器入口相连。

进一步的，所述出液口连接出液管路的一端，所述出液管路另一端连接所述油箱。

其中，泵与电加热器之间设有回流管路，回流管路通向所述油箱。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1，本发明可模拟高温环境，可给压力实验舱提供高温环境，利于还原真实的原位环境，使实验更为完整、客观，数据更加可靠；

2，本发明可内外同时加热，可提高加热效率，利于缩短实验时间，提高实验效率；

3，内部的电加热结构设于加压加热中间件上，不用改变保压实验舱的结构，可降低实验成本；

4，本发明利用中间连接件来衔接试验件，可避免在试验件上钻孔，防止对试验件造成损害，因而可还原试验件的压力环境，使得测试结果更加可靠，可提高实验的准确性。

附图说明

图1是本发明的结构简图；

图2是箱体内部的示意图；

图3是中心杆未提升时保压实验舱的结构示意图；

图4是图3中A处的局部放大图；

图5是中心杆提升至行程终点时保压实验舱的结构示意图；

图6是图5中B处的局部放大图；

图7是外筒拆成上下两部分时保压实验舱的示意图；

图8是实施方式一中加压加热中间件的结构示意图；

图9是中心杆未提升时压力实验舱的结构示意图；

图10是中心杆提升至行程终点时压力实验舱的结构示意图；

图11是实施方式二中加压加热中间件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

具体实施方式一

如图1、2所示，本发明公开的基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，包括箱体81、外部加热系统6以及用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱10。压力实验舱10置于箱体81中，箱体81中设有安装座80，压力实验舱10固定在安装座80上。箱体81可选择防爆箱。

箱体81上设有进液口812、出液口813以及供实验管路穿过的第一预留孔810。进液口812与出液口813设置在箱体81的相对侧。

外部加热系统6包括供液系统和电加热器611，供液系统包括油箱61和泵64，油箱61的出口与泵64的入口相连，泵64的出口与电加热器611入口相连，电加热器611的出口通过进液管路85与所述进液口812相连。

泵64与电加热器611间的连接管路上安装有第一过滤器63、第一阀门66、第二阀门67。第一阀门66和第二阀门67可选择气动截止阀。泵64的出口设有压力表，第一过滤器63的出口安装有压力表。

泵64与电加热器611间的连接管路上侧连接有第一外排管路68、第二外排管路69和紧急泄压管路，第一外排管路68上安装气动截止阀，第二外排管路69上安装有手动截止阀，紧急泄压管路上安装有安全阀612，当压力过大时，安全阀612会自动打开，使实验更为安全。紧急泄压管路设于第一过滤器63与电加热器611之间；第一外排管路68、第二外排管路69设于泵64与第一过滤器63之间。

泵64与油箱61间的连接管路上安装有第二过滤器610和第三阀门62，第三阀门62可选择手动球阀。箱体81的出液口813连接出液管路86的一端，出液管路86另一端连接所述油箱61。

泵64与电加热器611之间设有回流管路65，回流管路65的一端连接于第一阀门66与第二阀门67间的管路上，回流管路65的另一端通向油箱61。泵64可选择变频泵，可通过改变泵的速度来控制液体流量进而控制温度。

本发明温度控制的原理：

油箱61中的油或水在泵64的作用下，流经电加热器611时被加热，随后进入进液管路85，再经进液口812进入箱体81内，从而对箱体81内的压力实验舱10进行外加热，多余的液体则经出液口813、出液管路86回到油箱61中。

压力实验舱10和/或箱体81内安装温度传感器，可进行温度的实时反馈控制，当监测压力实验舱10内的温度达到预设温度时，关闭电加热器611；当温度降低到预设值时，开启电加热器611，如此将压力实验舱10的温度保持一定范围。

本发明中外部加热系统6对压力实验舱10进行外加热，但外加热效率慢，实验时间长。因而本发明在压力实验舱10内部设置电加热结构，可采用内外同时加热的方式进行加热，可大大提高实验效率。内加热结构可包括石墨烯膜或螺旋热盘管17等。

压力实验舱10的结构有多种，其可为任何一个可提供密封空间的压力舱结构。为了向压力实验舱10内注入高压液体，压力实验舱10侧壁开有侧孔以连接外部液压源。

压力实验舱10可直接采用保压实验舱，保压实验舱整体均为试验件。如图3-6所示，本实施方式中保压实验舱包括外筒1、中心杆2、岩心筒3和用于实现保压实验舱下端密封关闭的翻板阀5。翻板阀5包括阀座51、阀瓣52和弹性件53，阀瓣52一端与阀座51上端外侧壁活动连接，阀座51顶部有与阀瓣52匹配的阀口密封面。弹性件53为弹片或者扭力弹簧。

中心杆2下端伸进岩心筒3内，中心杆2下端有外台阶23，岩心筒3上端有与外台阶23适配的内台阶32，当向上提升中心杆2至外台阶23与内台阶32相抵时，中心杆2可带动岩心筒3同步向上移动。同时由于外台阶23与内台阶32的相抵持，可实现中心杆2外壁与岩心筒3内壁间在该抵持部位形成密封。

为了向保压实验舱内注入高压液体需要在外筒1上钻孔，这会对试验件造成损害，因此在另一个实施方式中采用分体式的压力实验舱结构，其将保压实验舱的舱体一分为二，然后再用中间连接件将这两部分连接在一起构成分体式舱体结构，然后在中间连接件上开孔来连接外部液压源，从而避免在试验件上钻孔，防止损害试验件。其详细结构如下：

如图3-10所示，分体式的压力实验舱10包括第一试验件11、第二试验件12和加压加热中间件13。本实施方式中第一试验件11为保压实验舱的外筒上端，第二试验件12为保压实验舱的外筒下端。

如图3、5所示，保压实验舱的外筒1为由多个螺纹套筒组装形成，用于模拟原位保真取芯装置的钻机外筒。如图8所示，本实施方式中从外筒1的螺纹连接处将保压实验舱外筒1拆分为第一试验件11和第二试验件12。

如图8所示，加压加热中间件13为筒状结构，加压加热中间件13的一端为内螺纹，另一端为外螺纹，以实现与第一试验件11和第二试验件12螺纹连接。加压加热中间件13与第一试验件11和第二试验件12间安装有密封圈22，螺纹密封加上密封圈密封可提高密封性能。

保压实验舱10内部的电加热结构设置在加压加热中间件13内壁，可避免对试验件的结构进行改变。本实施方式中电加热结构包括螺旋热盘管17。螺旋热盘管17嵌装在加压加热中间件13内壁的环形凹槽19中。

加压加热中间件13筒壁上设有两个侧孔，一个侧孔作为液体注入孔14，用于外接液压源，从而避免在试验件上钻孔。另一个侧孔作为水密接头安装孔18，为方便连接固定可将侧孔设计为螺纹孔。如图1所示，当压力实验舱10安装在箱体81中后，液体注入孔14与箱体81上的第一预留孔810正对。

如图3、4、9所示，初始状态下，岩心筒3位于外筒1下端并位于阀座51中。当岩心筒3位于阀座51中时，阀瓣52开启90°且位于岩心筒3与第二试验件12之间；当通过中心杆2将岩心筒3向上提升至一定高度时，阀瓣52在弹性件53及重力作用下回到阀座51顶面与阀口密封面密封接触，实现调节阀的关闭。

如图5、6、10所示，当中心杆2继续向上提升至行程终点时，岩心筒3上端外壁与第一试验件11内壁间密封配合。

岩心筒3上端外壁安装两道密封圈22实现与第一试验件11筒壁的密封。此时，又由于中心杆2外壁与岩心筒3内壁间在外台阶23与内台阶32的抵持部位形成密封，从而完成外筒1上端的密封。外筒1下端又由翻板阀5封闭，从而在外筒1内形成一个用于存放岩心的密封空间。

第一试验件11内壁有用于轴向限制岩心筒3的第一限位台阶16，当岩心筒上端面21抵在第一限位台阶16上时，中心杆2提升至行程终点。

为增加翻板阀5的密封比压，压力实验舱10还包括触发机构4，触发机构4包括触发内筒41、触发块42和触发弹簧43，触发内筒41侧壁上设有通孔，触发块42放置于通孔中，岩芯筒3底部外侧壁有与触发块42适配的凸起部31；第二试验件12内壁有与触发块42适配的避让口15，触发块42位于阀瓣52上方，避让口15位于触发块42上方。避让口15底部有一引导斜面，该引导斜面便于触发块42从下往上滑入避让口15内，同时也便于触发块42从上往下滑出避让口15。

触发弹簧43套在触发内筒41外，触发内筒41外壁设有台肩44，触发弹簧43压缩在台肩44与第二试验件12内壁台阶面之间，触发弹簧43位于触发块42上方；

当岩芯筒3位于阀座51中时，触发内筒41位于岩芯筒3与第二试验件12之间，触发内筒41下端与阀座51止口配合，触发块42外凸于触发内筒41的内侧壁；

当将岩芯筒3向上提升至第一高度时，岩芯筒3的凸起部31抵持住触发块42，从而可带动触发内筒41同步向上移动；

当将岩芯筒3继续向上提升至第二高度时，触发块42被凸起部31推至避让口15中，从而使触发块42避开凸起部31；

当将岩芯筒3继续向上提升至岩芯筒3底部越过避让口15时，触发块42失去岩芯筒3的作用力，触发内筒41在重力和触发弹簧43作用下带动触发块42回落压在关闭的阀瓣52上。

如图1、2所示，箱体81上轴向正对中心杆2的位置有用于提拉中心杆2的第二预留孔811。测试时，将拉杆7一端与中心杆2连接，拉杆7另一端穿过第二预留孔811可与外部的中心杆驱动机构连接，通过提升中心杆2可测试中心杆2及翻板阀5动作是否可靠。驱动机构可选择液压缸或气缸，液压缸或气缸的活塞杆与拉杆7连接。

使用时，将外部压力供给系统的高压管路穿过箱体81上的第一预留孔810与加压加热中间件13上的液体注入孔14连接。

通过驱动机构将中心杆2提升至行程终点，使岩心筒3内壁与中心杆2间密封，岩心筒3外壁与第一试验件11间密封配合，完成外筒1上端的密封；而下端翻板阀5实现外筒1底部的密封关闭，从而使保压实验舱内形成一个密闭的环境；然后，使中心杆2保持在上行程终点；

然后，通过外部压力供给系统向上述密闭环境中注入高压液体，外部压力供给系统提供的高压油或水经加压加热中间件13上的液体注入孔14进入外筒1与岩心筒3之间的环空，从而逐步填满整个密闭环境内，模拟原位压力环境；

同时，开启外部加热系统6和螺旋热盘管17，对压力实验舱10进行内、外同时加热，模拟原位温度环境。

保压保温指定时间后，系统进行安全泄压和降温，保压保温指定时间根据实验需要进行设置。

具体实施方式二

本实施方式中电加热结构包括石墨烯膜。具体如图11所示，为便于安装石墨烯膜21，采用在铝筒20上电镀石墨烯膜21的方式来制作该电加热结构。加压加热中间件13内壁上设有用于安装铝筒20的环形凹槽19，将电镀有石墨烯膜21的铝筒20嵌装在加压加热中间件13内壁的环形凹槽19中。环形凹槽19深度为根据铝筒20厚度设置，例如环形凹槽19的深度与铝筒20的壁厚均设为3mm。

应当注意，铝筒20的安装位置应避开液体注入孔14或者在铝筒20对应液体注入孔14位置处开通孔，以供介质通过。

本发明可对保压实验舱进行加热加压，可模拟高压高温环境，利于还原真实的原位环境，使实验更为完整、客观，数据更加可靠。实验过程中可监测第一试验件11和第二试验件12筒壁的变形情况，对第一试验件11和第二试验件12筒壁强度设计进行验证，以便从结构上、材料上对保真取芯钻机进行改进。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，包括用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，其特征在于：它还包括箱体和外部加热系统，所述压力实验舱的舱体的内壁设有电加热结构，压力实验舱的舱壁上设有侧孔；

所述压力实验舱置于箱体中，所述箱体上设有进液口、出液口以及供实验管路穿过的第一预留孔；所述外部加热系统包括供液系统和电加热器，所述供液系统的出口与电加热器的入口相连，电加热器的出口通过进液管路与所述进液口相连。

2.根据权利要求1所述的基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，其特征在于：所述压力实验舱的舱体包括第一试验件、第二试验件和加压加热中间件，第一试验件与第二试验件通过加压加热中间件相连，所述电加热结构和侧孔均设于加压加热中间件上。

3.根据权利要求2所述的基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，其特征在于：所述第二试验件中安装有用于实现保压实验舱下端密封关闭的翻板阀；翻板阀包括阀座、阀瓣和弹性件，阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接，阀座顶部有与阀瓣匹配的阀口密封面。

4.根据权利要求3所述的基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，其特征在于：所述压力实验舱还包括中心杆和岩心筒，中心杆下端伸进岩心筒内，所述箱体上轴向正对所述中心杆的位置有用于提拉中心杆的第二预留孔；

中心杆下端有外台阶，岩心筒上端有与所述外台阶适配的内台阶，当向上提升中心杆至所述外台阶与内台阶相抵时，中心杆可带动岩心筒同步向上移动；

当岩心筒位于阀座中时，阀瓣开启90°且位于岩心筒与第二试验件之间；当通过中心杆将岩心筒向上提升至一定高度时，阀瓣在弹性件及重力作用下回到阀座顶面与阀口密封面密封接触；

当中心杆提升至行程终点时，岩心筒上端外壁与第一试验件内壁间密封配合。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，其特征在于：所述电加热结构包括石墨烯膜。

6.根据权利要求5所述的基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，其特征在于：电加热结构还包括铝筒，石墨烯膜镀在铝筒的内筒壁上，铝筒嵌装在舱体内壁的环形凹槽中。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，其特征在于：所述电加热结构包括螺旋热盘管。

8.根据权利要求1所述的基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，其特征在于：所述供液系统包括油箱和泵，油箱的出口与泵的入口相连，泵的出口与电加热器入口相连。

9.根据权利要求8所述的基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，其特征在于：所述出液口连接出液管路的一端，所述出液管路另一端连接所述油箱。

10.根据权利要求8或9所述的基于油浴式的内外温控保真取芯器实验平台，其特征在于：泵与电加热器之间设有回流管路，回流管路通向所述油箱。

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