CN111577185B - 快接式中心杆拉取结构及分体式保真取芯器压力实验结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及快接式中心杆拉取结构及分体式保真取芯器压力实验结构，包括拉杆、中心杆和快速插接结构，快速插接结构包括插头部、与插孔部以及至少两个弹簧卡扣，插头部和插孔部分别与拉杆、中心杆中的一个相连；插头部与插孔部可通过弹簧卡扣实现轴向卡接固定。弹簧卡扣包括卡块和径向设置的弹簧，插头部外侧壁有供卡块避让的凹槽，卡块外侧为斜面；当插头部与插孔部插接时，插孔部作用在斜面轴向力可产生一径向分力，推动卡块径向移动至完全没入凹槽内。本发明操作简单，可实现中心杆与拉杆的快速对接，利于提高工作效率；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，防止对保压试验舱造成损害。

Description

快接式中心杆拉取结构及分体式保真取芯器压力实验结构

技术领域

本发明涉及取芯装置试验系统技术领域，尤其涉及快接式中心杆拉取结构及分体式保真取芯器压力实验结构。

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。保压实验舱的结构有多种，但现有的保压实验舱均无法对中心杆及翻板阀的动作可靠性进行验证。如果需要设计可通过提升中心杆来验证中心杆及翻板阀的动作是否可靠的保压实验舱，那么如何实现拉杆与中心杆在保压实验舱舱体内快速完成连接是提高实验效率的关键。

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，进而使实验结果不真实。

发明内容

本发明旨在提供快接式中心杆拉取结构及分体式保真取芯器压力实验结构，可实现中心杆与拉杆的快速对接，利于提高工作效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

快接式中心杆拉取结构，包括拉杆、中心杆和快速插接结构，所述快速插接结构包括插头部、与插头部适配的插孔部以及至少两个弹簧卡扣，所述插头部和插孔部分别与拉杆、中心杆中的一个相连；

插头部与插孔部可通过所述弹簧卡扣实现轴向卡接固定。

进一步的，所述弹簧卡扣安装在插头部上；所述弹簧卡扣包括卡块和径向设置的弹簧；

所述插头部外侧壁有供卡块避让的凹槽，所述弹簧一端与凹槽槽壁固接，弹簧另一端与卡块固接；在所述弹簧作用下，卡块一部分位于凹槽中，卡块另一部分外凸于插头部外侧壁；

所述卡块外侧为斜面，以实现当插头部与插孔部插接时，插孔部作用在斜面轴向力可以产生一径向分力，进而推动卡块径向移动至完全没入凹槽内；

所述插孔部上设有插孔，插孔孔壁同轴设有环形槽，环形槽的横截面形状与所述卡块外露于插头部的外凸部分相适配。

或者，所述弹簧卡扣安装在插孔部上；所述弹簧卡扣包括卡块和径向设置的弹簧；

所述插孔部上设有插孔，所述插孔孔壁有供卡块避让的凹槽，所述弹簧一端与凹槽槽壁固接，弹簧另一端与卡块固接；在所述弹簧作用下，卡块一部分位于凹槽中，卡块另一部分外凸于插孔的孔壁；

所述卡块外侧为斜面，以实现当插头部与插孔部插接时，插头部作用在斜面轴向力可以产生一径向分力，进而推动卡块径向移动至完全没入凹槽内；

插头部外侧壁同轴设有环形槽，环形槽的横截面形状与所述卡块外露于插孔的孔壁的外凸部分相适配。

优选地，环形槽的横截面形状为三角形。

进一步的，插头部的外侧壁为外锥面，插孔部上插孔的孔壁为与所述外锥面匹配的内锥面。

进一步的，拉杆分为两段，两段之间设有拉力计。

分体式保真取芯器压力实验结构，除了包括上述快接式中心杆拉取结构外，它还包括舱体外筒、岩心筒和用于实现舱体外筒下端密封关闭的下端密封装置，所述舱体外筒包括第一试验件、第二试验件和中间连接件，第一试验件、第二试验件和中间连接件均为筒状结构；

第一试验件与第二试验件通过中间连接件连接在一起，所述中间连接件的筒壁上设有液体注入孔；

下端密封装置安装在所述第二试验件上，岩心筒位于舱体外筒内，所述中心杆下端伸进岩心筒内，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，所述拉杆下端通过所述快速插接结构与中心杆上端连接，所述拉杆上端伸出第一试验件；

当通过拉杆向上提升中心杆至所述外台阶与内台阶相抵时，提升中心杆可带动岩心筒同步向上移动；

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，所述下端密封装置为翻板阀；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；

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。

进一步的，分体式保真取芯器压力实验结构还包括触发机构，触发机构包括触发内筒、触发块和触发弹簧，触发内筒侧壁上设有通孔，触发块放置于通孔中，岩心筒底部外侧壁有与触发块适配的凸起部；第二试验件内壁有与触发块适配的避让口，触发块位于所述阀瓣上方，避让口位于触发块上方；

所述触发弹簧套在触发内筒外，所述触发内筒外壁设有台肩，触发弹簧压缩在台肩与第二试验件内壁台阶面之间，触发弹簧位于触发块上方；

当岩心筒位于阀座中时，触发内筒位于岩心筒与第二试验件之间，触发内筒下端与阀座止口配合，触发块外凸于触发内筒的内侧壁；

当将岩心筒向上提升至第一高度时，所述岩心筒的凸起部抵持住所述触发块，从而可带动触发内筒同步向上移动；

当将岩心筒继续向上提升至第二高度时，所述触发块被凸起部推至避让口中，从而使触发块避开凸起部；

当将岩心筒继续向上提升至岩心筒底部越过避让口时，触发块失去岩心筒的作用力，触发内筒在重力和触发弹簧作用下带动触发块回落压在关闭的阀瓣上。

进一步的，所述第一试验件内壁有用于轴向限制岩心筒的第一限位台阶，当岩心筒上端面抵在第一限位台阶上时，中心杆提升至行程终点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1，本发明的快速插接结构，操作简单，性能可靠，可实现中心杆与拉杆的快速对接，利于提高工作效率。

2，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，防止对保压试验舱造成损害，可提高实验的准确性。

附图说明

图1是具体实施方式一中拉杆与中心杆分离时的结构示意图；

图2是图1中C处的局部放大图；

图3是具体实施方式一中拉杆与中心杆插接在一起时的结构示意图；

图4是图3中D处的局部放大图；

图5是具体实施方式二中快速插接结构的结构示意图；

图6是具体实施方式三中快速插接结构的结构示意图；

图7是两段式拉杆的结构示意图；

图8是本发明中分体式保真取芯器压力实验结构的结构简图；

图9是中心杆未提升时保压实验舱的结构示意图；

图10是图9中A处的局部放大图；

图11是中心杆提升至行程终点时保压实验舱的结构示意图；

图12是图11中B处的局部放大图；

图13是外筒拆成上下两部分时保压实验舱的示意图；

图14是加压中间件的结构示意图；

图15是中心杆未提升时分体式保真取芯器压力实验结构的结构示意图；

图16是中心杆提升至行程终点时分体式保真取芯器压力实验结构的结构示意图。

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1-6所示，本发明公开的快接式中心杆拉取结构，包括拉杆7、中心杆2和快速插接结构。快速插接结构包括插头部24、与插头部24适配的插孔部71以及至少两个弹簧卡扣9。插头部24和插孔部71分别与拉杆7、中心杆2中的一个相连。这里的相连是指两个单独的部件连接在一起或一体制造。以插头部24与中心杆2相连，插孔部71与拉杆7相连为例，插头部24可与中心杆2一体制造，插头部24与中心杆2也可是两个独立的部件，然后连接成一个整体。当然的，插头部24也可与拉杆7相连，插孔部71则与中心杆2相连。

插头部24与插孔部71可通过弹簧卡扣9实现轴向卡接固定。如图1、2、3、4所示，本实施方式中，插头部24与中心杆2一体制造，插孔部71与拉杆7一体制造。弹簧卡扣9安装在插头部24上；弹簧卡扣9包括卡块91和径向设置的弹簧92。

插头部24外侧壁有供卡块91避让的凹槽25，弹簧92一端与凹槽25槽壁固接，弹簧92另一端与卡块91固接；在弹簧92作用下，卡块91一部分位于凹槽25中，卡块91另一部分外凸于插头部24外侧壁。

卡块91外侧为斜面93，以实现当插头部24与插孔部71插接时，插孔部71作用在斜面93轴向力可以产生一径向分力，进而推动卡块91径向移动至完全没入凹槽25内；

插孔部71上设有插孔76，插孔76的孔壁74同轴设有环形槽75，环形槽75的横截面形状与卡块91外露于插头部24的外凸部分相适配。

环形槽75的横截面形状可为三角形，环形槽75的第一槽壁73与卡块91上的斜面93相适配。

为方便插入，插头部24的外侧壁为外锥面26，插孔部71上插孔76的孔壁74为与外锥面26匹配的内锥面。

插头部24与中心杆2的连接处形成用于抵持插头部端面72的限位台阶27。

如图2、4所示，当需要将拉杆7与中心杆2连接在一起时，将拉杆7与中心杆2对接，插孔部71作用在斜面93轴向力产生一径向分力，推动卡块91逐步径向移动至完全没入凹槽25内，当环形槽75移动至与卡块91正对时，卡块91失去插孔部71的作用外力在弹簧92的作用下径向移动至一部分卡入环形槽75内；此时，插头部端面72也正好抵持在限位台阶27上，插接到位。

由于卡块91一部分位于插头部24的凹槽25中，一部分位于插孔部71的环形槽75中，从而可防止拉杆7与中心杆2在轴向相对移动，实现拉杆7与中心杆2的轴向快速卡接固定。弹簧卡扣9的数量根据需要设置，可设置2个、3个或者更多。为保证力的均衡，弹簧卡扣9在圆周方向等间隔布置。

本发明操作简单，使用时只需要轴向移动拉杆即可实现中心杆与拉杆在外筒内的快速对接，可提高工作效率。

具体实施方式二

本实施方式与实施方式一的区别在于：如图5所示，本实施方式中插头部24与拉杆7一体制造，插孔部71与拉杆7中心杆2一体制造。本实施方式的原理与实施方式一相同，此处不再赘述。

具体实施方式三

本实施方式与实施方式一或实施例二的区别在于：如图6所示，本实施方式中弹簧卡扣9安装在插孔部71上。弹簧卡扣9包括卡块91和径向设置的弹簧92。插孔部71上设有插孔76，插孔76的孔壁74有供卡块91避让的凹槽25，弹簧92一端与凹槽25槽壁固接，弹簧92另一端与卡块91固接；在弹簧92作用下，卡块91一部分位于凹槽25中，卡块91另一部分外凸于插孔76的孔壁74。

卡块91外侧为斜面93，以实现当插头部24与插孔部71插接时，插头部24作用在斜面93轴向力可以产生一径向分力，进而推动卡块91径向移动至完全没入凹槽25内；

插头部24外侧壁同轴设有环形槽75，环形槽75的横截面形状与卡块91外露于插孔76的孔壁74的外凸部分相适配。本实施方式的原理与实施方式一相同，此处不再赘述。

如图7所示，在另一个实施方式中，拉杆7分为两段，分别为上段701和下段702，上段701和下段702之间设有拉力计10，下段702相连有插头部24或插孔部71。

如图8所示，本发明公开的分体式保真取芯器压力实验结构，包括舱体外筒、岩心筒3、用于实现舱体外筒下端密封关闭的下端密封装置以及上述快接式中心杆拉取结构。

舱体外筒包括第一试验件11、第二试验件12和中间连接件。第一试验件11、第二试验件12和中间连接件均为筒状结构，中间连接件将第一试验件11、第二试验件12衔接在一起。中间连接件的筒壁上设有液体注入孔14，液体注入孔14用于外接液压源，从而可避免在试验件上钻孔，防止对试验件造成损害。为便于与液体管路连接，液体注入孔14为螺纹孔。

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。保压实验舱的结构有多种，但都包括舱体外筒。

如图9-12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。在另一实施方式中下端密封装置可为密封端盖，密封端盖的外螺纹与外筒1的内螺纹配合实现密封。

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。

如图13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14、15所示，本实施方式中中间连接件包括筒状的加压中间件13，液体注入孔14设于加压中间件13上。第一试验件11与第二试验件12通过加压中间件13连接，加压中间件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。

如图9、10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，实现阀门的关闭。

如图11、12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，分体式保真取芯器压力加载实验结构还包括触发机构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，岩心筒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，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。触发块42位于阀瓣52上方，避让口15位于触发块42上方。

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；

当岩心筒3位于阀座51中时，触发内筒41位于岩心筒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；

当将岩心筒3向上提升至第一高度时，岩心筒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；

当将岩心筒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；

当将岩心筒3继续向上提升至岩心筒3底部越过避让口15时，触发块42失去岩心筒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15所示，实验时，将拉杆7向下移动，拉杆7下端通过快速插接结构与中心杆2实现快速卡接固定；然后如图16所示，向上拉动拉杆7，进而同步向上提升中心杆至行程终点，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，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。

随后，通过压力供给系统将高压液体经加压中间件13筒壁上的液体注入孔14注入保压实验舱内，直至填满整个密闭环境内。

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，防止对保压试验舱造成损害，因而可还原试验件的压力环境，使得测试结果更加真实，可提高实验的准确性。

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 (9)

1.分体式保真取芯器压力实验结构，其特征在于：包括快接式中心杆拉取结构、舱体外筒、岩心筒和用于实现舱体外筒下端密封关闭的下端密封装置，

所述快接式中心杆拉取结构包括拉杆、中心杆和快速插接结构，所述快速插接结构包括插头部、与插头部适配的插孔部以及至少两个弹簧卡扣，所述插头部和插孔部分别与拉杆、中心杆中的一个相连；插头部与插孔部可通过所述弹簧卡扣实现轴向卡接固定；

所述舱体外筒包括第一试验件、第二试验件和中间连接件，第一试验件、第二试验件和中间连接件均为筒状结构；

第一试验件与第二试验件通过中间连接件连接在一起，所述中间连接件的筒壁上设有液体注入孔；

下端密封装置安装在所述第二试验件上，岩心筒位于舱体外筒内，所述中心杆下端伸进岩心筒内，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，所述拉杆下端通过所述快速插接结构与中心杆上端连接，所述拉杆上端伸出第一试验件；

当通过拉杆向上提升中心杆至所述外台阶与内台阶相抵时，提升中心杆可带动岩心筒同步向上移动；

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。

2.根据权利要求1所述的分体式保真取芯器压力实验结构，其特征在于：所述弹簧卡扣安装在插头部上；所述弹簧卡扣包括卡块和径向设置的弹簧；

所述插头部外侧壁有供卡块避让的凹槽，所述弹簧一端与凹槽槽壁固接，弹簧另一端与卡块固接；在所述弹簧作用下，卡块一部分位于凹槽中，卡块另一部分外凸于插头部外侧壁；

所述卡块外侧为斜面，以实现当插头部与插孔部插接时，插孔部作用在斜面轴向力能够产生一径向分力，进而推动卡块径向移动至完全没入凹槽内；

所述插孔部上设有插孔，插孔孔壁同轴设有环形槽，环形槽的横截面形状与所述卡块外露于插头部的外凸部分相适配。

3.根据权利要求1所述的分体式保真取芯器压力实验结构，其特征在于：所述弹簧卡扣安装在插孔部上；所述弹簧卡扣包括卡块和径向设置的弹簧；

所述插孔部上设有插孔，所述插孔孔壁有供卡块避让的凹槽，所述弹簧一端与凹槽槽壁固接，弹簧另一端与卡块固接；在所述弹簧作用下，卡块一部分位于凹槽中，卡块另一部分外凸于插孔的孔壁；

所述卡块外侧为斜面，以实现当插头部与插孔部插接时，插头部作用在斜面轴向力能够产生一径向分力，进而推动卡块径向移动至完全没入凹槽内；

插头部外侧壁同轴设有环形槽，环形槽的横截面形状与所述卡块外露于插孔的孔壁的外凸部分相适配。

4.根据权利要求2或3所述的分体式保真取芯器压力实验结构，其特征在于：环形槽的横截面形状为三角形。

5.根据权利要求1、2或3所述的分体式保真取芯器压力实验结构，其特征在于：插头部的外侧壁为外锥面，插孔部上插孔的孔壁为与所述外锥面匹配的内锥面。

6.根据权利要求1所述的分体式保真取芯器压力实验结构，其特征在于：拉杆分为两段，两段之间设有拉力计。

7.根据权利要求1、2、3或6所述的分体式保真取芯器压力实验结构，其特征在于：所述下端密封装置为翻板阀；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；

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。

8.根据权利要求7所述的分体式保真取芯器压力实验结构，其特征在于：它还包括触发机构，触发机构包括触发内筒、触发块和触发弹簧，触发内筒侧壁上设有通孔，触发块放置于通孔中，岩心筒底部外侧壁有与触发块适配的凸起部；第二试验件内壁有与触发块适配的避让口，触发块位于所述阀瓣上方，避让口位于触发块上方；

所述触发弹簧套在触发内筒外，所述触发内筒外壁设有台肩，触发弹簧压缩在台肩与第二试验件内壁台阶面之间，触发弹簧位于触发块上方；

当岩心筒位于阀座中时，触发内筒位于岩心筒与第二试验件之间，触发内筒下端与阀座止口配合，触发块外凸于触发内筒的内侧壁；

当将岩心筒向上提升至第一高度时，所述岩心筒的凸起部抵持住所述触发块，从而可带动触发内筒同步向上移动；

当将岩心筒继续向上提升至第二高度时，所述触发块被凸起部推至避让口中，从而使触发块避开凸起部；

当将岩心筒继续向上提升至岩心筒底部越过避让口时，触发块失去岩心筒的作用力，触发内筒在重力和触发弹簧作用下带动触发块回落压在关闭的阀瓣上。

9.根据权利要求8 所述的分体式保真取芯器压力实验结构，其特征在于：所述第一试验件内壁有用于轴向限制岩心筒的第一限位台阶，当岩心筒上端面抵在第一限位台阶上时，中心杆提升至行程终点。