CN111577184A - 一种旋转式保真取芯器实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转式保真取芯器实验平台，包括箱体、用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱以及可使箱体在水平态旋与竖直态间变化的旋转驱动机构，压力实验舱包括舱体，舱体固定安装在箱体内部。旋转驱动机构包括电机、传动机构、活动块、支撑臂和支座，箱体底端与支座活动连接；传动机构将电机的旋转运动转化为活动块的直线运动，支撑臂两端分别与活动块和箱体活动连接。本发明方便压力实验舱在水平态、倾斜态与竖直态之间切换，可验证在垂直钻进、水平钻进、倾斜钻进等情况下保压实验舱的保压性能以及中心杆、翻板阀、岩心筒等部件动作的可靠性，便于验证设计方案的可行性与科学性，以便从结构上、材料上对该保真舱进行改进。

Description

一种旋转式保真取芯器实验平台

技术领域

本发明涉及取芯装置实验系统技术领域，尤其涉及一种旋转式保真取芯器实验平台。

背景技术

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保真舱中，然后通过保真舱保压控制装置对样品进行保压密封。

保真舱的保压性能需要通过实验不断验证与改进，因而用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱应运而生。但现有的压力实验舱均只能在一个固定位进行实验。而实际勘探工作中，会有垂直钻进、水平钻进、倾斜钻进等情况，因而现有的压力实验舱无法满足需要。

发明内容

本发明旨在提供一种旋转式保真取芯器实验平台，便于验证在垂直钻进、水平钻进、倾斜钻进等情况下保压实验舱的保压性能以及各部件的可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

旋转式保真取芯器实验平台，包括箱体、用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱以及可使所述箱体从水平态旋转至竖直态或从竖直态旋转至水平态的旋转驱动机构，所述压力实验舱包括舱体，所述舱体固定安装在箱体内部。

进一步的，所述旋转驱动机构包括电机、传动机构、活动块、支撑臂和支座，所述箱体底端与所述支座活动连接；

所述传动机构将电机的旋转运动转化为活动块的直线运动，所述支撑臂一端与所述活动块活动连接，支撑臂另一端与箱体活动连接。

进一步的，所述传动机构为滚珠丝杠传动机构，滚珠丝杠传动机构的丝杠与电机连接，所述活动块为滚珠丝杠传动机构的丝杠螺母。

或者，所述传动机构为齿轮齿条传动机构，齿轮齿条传动机构的齿轮与电机连接，所述活动块固定安装在齿轮齿条传动机构的齿条上。

优选地，支撑臂另一端与箱体下部活动连接。

优选地，所述活动连接为铰链连接。

旋转式保真取芯器实验平台还包括用于带动压力实验舱的中心杆轴向移动的直线驱动机构，所述直线驱动机构固定安装在箱体外部，所述直线驱动机构的输出部件与所述中心杆相连以带动中心杆轴向直线移动。

进一步的，所述直线驱动机构的输出部件与所述中心杆之间设有拉力测试装置。

优选地，所述直线驱动机构为气缸，或油缸，或直线电机。

进一步的，箱体上设有介质入口和介质出口。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1，本发明方便压力实验舱在水平态、倾斜态与竖直态之间切换，可验证在垂直钻进、水平钻进、倾斜钻进等情况下保压实验舱的保压性能以及中心杆、翻板阀、岩心筒等部件动作的可靠性，便于验证设计方案的可行性与科学性，以便从结构上、材料上对该保真舱进行改进；

2，本发明在驱动机构与中心杆之间设置拉力测试装置，可验证在不同拉力情况下保压实验舱的密封效果；

3，本发明利用中间连接件来衔接保压实验舱的上端和下端，可避免在保压实验舱上钻孔，防止对保压实验舱造成损害，因而能还原试验件的压力环境，使得测试结果更加真实，利于提高实验的准确性。

附图说明

图1是未示出安装座时本发明位于水平态时的剖视图；

图2是未示出安装座时本发明位于竖直态时的剖视图；

图3是示出安装座时本发明位于水平态时的结构示意图；

图4是中心杆未提升时保压实验舱的结构示意图；

图5是图4中A处的局部放大图；

图6是中心杆提升至行程终点时保压实验舱的结构示意图；

图7是图6中B处的局部放大图；

图8是外筒拆成上下两部分时保压实验舱的示意图；

图9是中间连接件的结构示意图；

图10是实施例二中压力实验舱的结构简图。

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、3所示，本发明公开的旋转式保真取芯器实验平台，包括箱体8、用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱10、可使所述箱体8从水平态旋转至竖直态或从竖直态旋转至水平态的旋转驱动机构6以及直线驱动机构7。压力实验舱10包括舱体和中心杆2。箱体8为防爆箱，箱体8内有安装座80，舱体固定在安装座80上。

旋转驱动机构6包括电机61、传动机构、活动块、支撑臂65和支座64，箱体8底端与支座64活动连接。

传动机构将电机61的旋转运动转化为活动块63的直线运动，支撑臂65一端与活动块活动连接，支撑臂65另一端与箱体8活动连接。支撑臂65与箱体8的连接位置根据需要设置，本实施方式中支撑臂65与箱体8下部活动连接。活动连接的方式很多，本实施方式中采用铰链连接。

将旋转运动转化为直线运动的传动机构很多。本实施方式中传动机构为滚珠丝杠传动机构，滚珠丝杠传动机构的丝杠62与电机61连接，活动块与滚珠丝杠传动机构的丝杠螺母63固接，或者活动块就为丝杠螺母63本身。

在另一个实施方式中，传动机构为齿轮齿条传动机构，齿轮齿条传动机构的齿轮与电机61连接，活动块固定安装在齿轮齿条传动机构的齿条上。

直线驱动机构7固定安装在箱体8外部用于带动压力实验舱10的中心杆2轴向移动，箱体8对应直线驱动机构7位置有预留孔洞。直线驱动机构7的输出部件与中心杆2相连以带动中心杆2轴向直线移动。

直线驱动机构7的输出部件与中心杆2之间设有拉力测试装置81，可验证在不同拉力情况下保压实验舱的密封效果；

拉力测试装置81可选择拉力计。直线驱动机构7可为气缸、油缸或直线电机。以直线驱动机构7为油缸为例，油缸的缸体与箱体8外部固接，其输出部件为活塞杆，拉力测试装置81一端与活塞杆螺纹连接，拉力测试装置81另一端与中心杆2螺纹连接。

如图4-7所示，本实施方式中压力实验舱10直接采用保压实验舱，保压实验舱包括外筒1、中心杆2、岩心筒3和用于实现实验舱下端密封关闭的翻板阀5。

保压实验舱包括外筒1即为压力实验舱10的舱体。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。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。该抵持部位的密封性能和中心杆2和岩心筒3间的轴向压力有关。而中心杆2和岩心筒3间的轴向压力大小由中心杆2所受的拉力决定。通过拉力测试装置81可中心杆2所受的拉力，进而可验证在不同拉力情况压力实验舱10的密封性能。

如图4、5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与外筒1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，实现阀门的关闭。

如图6、7所示，当中心杆2继续向上提升至行程终点时，岩心筒3上端外壁与外筒1内壁间密封配合。岩心筒3上端外壁安装两道密封圈22实现与外筒1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。

外筒1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，保压实验舱还包括触发机构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；外筒1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与外筒1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与外筒1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。

为了进行耐压实验，需要向保压实验舱内注入高压液体。本实施方式需要用钻机在外筒1侧壁钻孔作为液体注入孔14以实现与液压管路连接。为便于与液体管路连接，液体注入孔14为螺纹孔。当然，箱体8上设有供实验管路穿过的预留孔。

在另一实施方式中，为了实现对原位环境温度的模拟，在箱体8上设有介质入口和介质出口，通过向箱体8注入一定温度的介质可对压力实验舱10进行加热或降温，以模拟原位温度环境。

具体实施方式二

实施方式一中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，进而使实验结果不真实。

如图8、9、10所示，本实施方式中舱体包括第一实验件11、第二实验件12和中间连接件13，第一实验件11为保压实验舱的外筒1上端，第二实验件12为保压实验舱的外筒1下端，中间连接件13为筒状结构；第一实验件11与第二实验件12通过中间连接件13相连，液体注入孔14设于中间连接件13的筒壁上，用于外接液压源，从而可避免在实验件上钻孔，防止对实验件造成损害。

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拆分为第一实验件11和第二实验件12。第一限位台阶16位于第一试验件11上，翻板阀5和触发机构4位于第二试验件12上。当中心杆2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。

中间连接件13的一端为内螺纹，另一端为外螺纹，以实现与第一实验件11和第二实验件12螺纹连接。中间连接件13与第一实验件11和第二实验件12间安装有密封圈，螺纹密封加上密封圈密封可提高密封性能。

本实施方式利用中间连接件来衔接保压实验舱的上端和下端，可避免在保压实验舱上钻孔，防止对保压实验舱造成损害，因而可还原试验件的压力环境，使得测试结果更加真实。

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)

1.一种旋转式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，所述压力实验舱包括舱体，其特征在于：它还包括箱体以及可使所述箱体从水平态旋转至竖直态或从竖直态旋转至水平态的旋转驱动机构，所述舱体固定安装在箱体内部。

2.根据权利要求1所述的旋转式保真取芯器实验平台，其特征在于：所述旋转驱动机构包括电机、传动机构、活动块、支撑臂和支座，所述箱体底端与所述支座活动连接；

所述传动机构将电机的旋转运动转化为活动块的直线运动，所述支撑臂一端与所述活动块活动连接，支撑臂另一端与箱体活动连接。

3.根据权利要求2所述的旋转式保真取芯器实验平台，其特征在于：所述传动机构为滚珠丝杠传动机构，滚珠丝杠传动机构的丝杠与电机连接，所述活动块为滚珠丝杠传动机构的丝杠螺母。

4.根据权利要求2所述的旋转式保真取芯器实验平台，其特征在于：所述传动机构为齿轮齿条传动机构，齿轮齿条传动机构的齿轮与电机连接，所述活动块固定安装在齿轮齿条传动机构的齿条上。

5.根据权利要求2所述的旋转式保真取芯器实验平台，其特征在于：支撑臂另一端与所述箱体下部活动连接。

6.根据权利要求2、3、4或5所述的旋转式保真取芯器实验平台，其特征在于：所述活动连接为铰链连接。

7.根据权利要求1所述的旋转式保真取芯器实验平台，其特征在于：它还包括用于带动压力实验舱的中心杆轴向移动的直线驱动机构，所述直线驱动机构固定安装在箱体外部，所述直线驱动机构的输出部件与所述中心杆相连以带动中心杆轴向直线移动。

8.根据权利要求7所述的旋转式保真取芯器实验平台，其特征在于：所述直线驱动机构的输出部件与所述中心杆之间设有拉力测试装置。

9.根据权利要求7或8所述的旋转式保真取芯器实验平台，其特征在于：所述直线驱动机构为气缸，或油缸，或直线电机。

10.根据权利要求1或8所述的旋转式保真取芯器实验平台，其特征在于：箱体上设有介质入口和介质出口。

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