CN111579438B - 一种温压夹持装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温压夹持装置，包括：加压系统、夹持系统和控温系统。加压系统包括：刚性外壳、多组驱动机构和多根动力轴。驱动机构安装在刚性外壳的表面上，动力轴贯穿刚性外壳内并与驱动机构相连。夹持系统包括：夹持壁、多个压头和固定销；压头安装在夹持壁内，多个压头依次抵接围绕成用于安装试样的长方体腔体，压头的与试样进行接触的面为第一压面；夹持臂上开设有供动力轴穿过的位移孔，压头能够在动力轴的驱动下，沿动力轴的轴向方向向试样施加压力，多个试样能够施加多向应力，模拟了多个方向的地应力环境。控温系统包括多根加热棒，加热棒安装在夹持壁的内部，用于控制实验温度，充分模拟地层中的温压条件。

Description

一种温压夹持装置
技术领域
本发明涉及岩石物理自吸和扩散测试领域，尤其涉及一种温压夹持装置。
背景技术
中国拥有非常丰富的非常规油气资源，其包括致密油，致密气，煤层气，页岩油，页岩气和天然气水合物，对非常规油气资源进行开发可以极大缓解我国经济发展过程中对国外油气资源的依赖程度。非常规油气资源因没有明显的闭合圈而无法使用常规的技术手段进行勘探开发，此外，非常规油气资源的储层特征和渗流机理与常规储层不同，非常规储层的渗流以非达西流为主，受到储层纳米孔喉的限制和地层压力传递的影响，非常规油气资源无法自由运移而开发难度大，因此当前需要进一步的技术手段创新以探究非常规油气资源的运移机理。
岩石的扩散和自吸实验是表征致密储层中流体运移的重要手段，扩散和自吸实验可以分别帮助实现气体和液体在储层中运移规律的观察，对油气资源的开发有着重要的指导意义。然而目前室内的岩石扩散和自吸实验大多在常温常压的实验条件下进行，不能充分模拟地层中的温压条件，页岩油等致密烃类资源粘度大，在高温地层条件下的运移规律与常温室内条件明显不同。此外，常规的样品夹持系统大多只能施加静水压力而模拟单一方向的地应力条件，无法施加多向地应力，因此需要研发一套针对非常规储层自吸和扩散实验中，能够施加温度和多向地层应力的样品温压夹持系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种温压夹持装置，旨在解决现有技术中岩石扩散和自吸实验大多在常温常压的实验条件下进行，不能充分模拟地层中的温压条件且样品夹持系统大多只能施加静水压力而模拟单一方向的地应力条件。
(二)技术方案
为了解决上述问题，本发明提供了一种温压夹持装置，所述温压夹持装置包括：加压系统、夹持系统和控温系统；
所述加压系统包括：刚性外壳、多组驱动机构和多根动力轴；
所述驱动机构安装在所述刚性外壳的表面上，所述动力轴贯穿所述刚性外壳内并与所述驱动机构相连；
所述夹持系统包括：夹持壁、多个压头和固定销；
所述压头安装在所述夹持壁内，且所述压头均包括第一压面、第二压面和第三压面，所述第一压面和所述第二压面为相对的两个面，所述第一压面和所述第二压面均与所述第三压面相邻；多个所述压头依次抵接围绕成用于安装试样的长方体腔体，所述压头的与所述试样进行接触的面为第一压面；所述夹持壁上开设有供所述动力轴穿过的位移孔，所述第二压面与所述动力轴的一端抵接，所述压头能够在所述动力轴的驱动下，沿所述动力轴的轴向方向向所述试样施加压力；所述固定销安装在所述夹持壁上，且所述固定销的一端与所述压头的第三压面抵接，且所述固定销能够沿着与所述第三压面垂直的方向移动；
所述控温系统包括多根加热棒，所述加热棒安装在所述夹持壁的内部。
优选地，所述加热棒为四根，且沿所述夹持壁对称分布。
优选地，所述刚性外壳为长方形筒体，所述刚性外壳的各个侧壁的外表面上均设置有所述驱动机构。
优选地，所述驱动机构为液压缸，所述动力轴为所述液压缸的活塞杆或者所述动力轴与所述液压缸的活塞杆固定连接。
优选地，所述液压缸通过法兰固定安装在所述刚性外壳上。
优选地，所述驱动机构为丝杆，所述刚性外壳上设置有与所述丝杆配合的内螺纹孔，所述丝杆的一端与所述动力轴相连，所述动力轴的端面上设置有凹槽，所述丝杆的一端能够伸入凹槽中并在凹槽中转动以驱动所述动力轴沿所述丝杆的轴向方向运动。
优选地，所述位移孔内嵌有供所述动力轴穿过的环形轴塞。
优选地，所述夹持壁内设置有凸起的位移壁，所述固定销的一端能够穿过所述位移壁与所述压头的第三压面抵接，所述固定销的另一端通过弹簧与所述夹持壁抵接。
优选地，所述动力轴和所述夹持壁均为316不锈钢构件。
(三)有益效果
本发明在夹持壁中加入多根加热棒，用于控制实验中的温度，同时将多个压头的第一压面相互抵接形成用于安装试样的长方体腔体，同时还将压头的第二压面与动力轴抵接，使得每个压头在与第二压面垂直的方向上都能够对试样提供压力，模拟了多个方向的地应力环境，充分模拟地层中的温压条件，由于本发明中的压头并没有被固定位置，所以长方体腔体能够安装不同长宽比的试样。
附图说明
图1为发明一种温压夹持装置的整体示意图；
图2为图1在A处的放大图；
图3为图2在B处的放大图。
【附图标记说明】
1：加压系统；11：刚性外壳；12：驱动机构；13：动力轴；2：夹持系统；21：夹持壁；210：位移壁；22：压头；220：第一压面；221：第二压面；222：第三压面；223：长方体腔体；23：固定销；230：弹簧；24：环形轴塞；3：控温系统；30：加热棒。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种温压夹持装置常用于岩石的扩散和自吸实验，包括：加压系统1、夹持系统2和控温系统3。
加压系统1包括：刚性外壳11、多组驱动机构12和多根动力轴13。
驱动机构12安装在刚性外壳11的表面上，动力轴13贯穿刚性外壳11内并与驱动机构12相连。
夹持系统2包括：夹持壁21、多个压头22和固定销23。
压头22安装在夹持壁21内，且压头22均包括第一压面220、第二压面221和第三压面222，第一压面220和第二压面221为相对的两个面，第一压面220和第二压面221均与第三压面222相邻；多个压头22依次抵接围绕成用于安装试样的长方体腔体223，压头22的与试样进行接触的面为第一压面220；在本发明中压头22并没有被固定位置，所以长方体腔体223能够安装不同长宽比的试样。夹持壁21上开设有供动力轴13穿过的位移孔，第二压面221与动力轴13的一端抵接，压头22能够在动力轴13的驱动下，沿动力轴13的轴向方向向试样施加压力。长方体腔体的每一面都对应有一个动力轴13和一个驱动机构12，驱动机构12为沿长方体腔体223的四个面对称分布，上下和左右驱动机构12可以分别施加不同大小的应力，从而模拟地层的两向应力加载，模拟了多个方向的地应力环境。固定销23安装在夹持壁21上，且固定销23的一端与压头22的第三压面222抵接，且固定销23能够沿着与第三压面222垂直的方向移动。
控温系统3包括多根加热棒30，加热棒30安装在夹持壁21的内部。页岩油等致密烃类资源粘度大，在高温地层条件下的运移规律与常温室内条件明显不同。所以通过加热棒30控制长方体腔体223中试样的温度，充分模拟地层中的温压条件，使得室内的岩石扩散和自吸实验结果准确。
进一步地，加热棒30为四根，且沿夹持壁21对称分布，使得夹持壁21内部受热更加均匀，长方体腔体223中的试样能够均匀受热。
更进一步地，刚性外壳11为长方形筒体，刚性外壳11的各个侧壁的外表面上均设置有驱动机构12，每个驱动机构12都对应一根动力轴13，动力轴13以驱动机构12为动力源推动压头22位移，实现对试样在多个方向上加压。在刚性外壳11为长方形筒体时，加热棒30沿着长方形筒体的四角对称分布，加热棒30可以加热至300℃以充分模拟地层温度条件。
在优选的实施例中，驱动机构12为液压缸，动力轴13为液压缸的活塞杆或者动力轴13与液压缸的活塞杆固定连接。液压缸可以由液压泵驱动，且液压泵可以为手动加压泵，且手动加压泵的最大可施加压力为70MPa，垂直主应力为σv和水平主应力为σH,其中：
σv＝ρgh
ρ为岩石密度，g为重力加速度，h为深度，v为岩石泊松比。通过，垂直主应力为σv、水平主应力为σH和手动加压泵的最大可施加压力为70MPa三个参数，可以反推本发明提供的温压夹持装置最多能够模拟多深的地层压力。
接着，液压缸通过法兰固定安装在刚性外壳11上，液压缸与法兰为一体式不锈钢结构，法兰上均匀分布8个螺纹孔，法兰经螺母与刚性外壳11固定连接，作为一种优选方案，法兰使用304不锈钢材质，具有较大的强度从而实现刚性加载。此外液压缸还能通过焊接的方式固定在刚性外壳上，实现刚性加载，且焊接简单，成本低。
在另外一种实施例中，驱动机构12为丝杆，刚性外壳11上设置有与丝杆配合的内螺纹孔，丝杆的一端与动力轴13相连，动力轴13的端面上设置有凹槽，丝杆的一端能够伸入凹槽中并在凹槽中转动以驱动动力轴13沿丝杆的轴向方向运动。其中丝杆的旋转可以由人力手动提供，这样可以精确的施加压力。同时驱动机构12还可以为千斤顶，将千斤顶安装在刚性外壳11上，同时将动力轴13与千斤顶的顶杆相连也可以达到对试样施加压力的效果。其中，千斤顶可以为液压千斤顶、螺旋千斤顶和电动千斤顶，采用千斤顶对试样进行加压，方法简单易行。同理驱动机构还可以一些机械装置，只要能够对压头22在直线方向上施加压力且能够安装在刚性外壳11上即可。由于这些都是现有技术，在这里就不一一赘述。
位移孔内嵌有供动力轴13穿过的环形轴塞24，环形轴塞24的材质可以是具有一定弹性的，通过环形轴塞24限定动力轴13在径向方向上的位移，同时当动力轴13在径向方向上有跳动时，也能起到一定的保护作用，避免了动力轴13与位移孔的直接挤压，导致动力轴13和夹持壁21出现塑性形变，从而降低使用寿命的问题。夹持壁21内设置有凸起的位移壁210，位移壁210与夹持壁21为一体成型的，固定销23的一端能够穿过位移壁210与压头22的第三压面222抵接，固定销23的另一端通过弹簧230与夹持壁21抵接。下面通过具体的实施例，对压头22的运动进行分析：
在优选的实施例中，如图3所示，在图3中，处于最下方的压头22在向左的方向上的位移受到固定销23的限制，在向右的方向上的位移受到右边相邻的压头22的限制，所以在图3中，处于最下方的压头22的第三压面222能够受动力轴13的驱动对长方体腔体223内的试样施加压力。且由于压头22并没有被固定位置，多个压头22之间相互配合能够实现对不同长宽比的试样进行加压，所以长方体腔体223能够实现范围尺寸内试样的变径加载以测试不同长宽比和大小的试样，在高精度的基础上灵活方便，便于操作，使得本发明提供的温压夹持装置适用范围广。本发明提供的温压夹持装置能够允许的样品尺寸为0.8cm至1.5cm之间。
最后，动力轴13和夹持壁21均为316不锈钢构件。提供高强度的温压夹持装置，减少形变对实验的影响。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种温压夹持装置，其特征在于，所述温压夹持装置包括：加压系统、夹持系统和控温系统；
所述加压系统包括：刚性外壳、多组驱动机构和多根动力轴；
所述驱动机构安装在所述刚性外壳的表面上，所述动力轴贯穿所述刚性外壳内并与所述驱动机构相连；
所述夹持系统包括：夹持壁、多个压头和固定销；
所述压头安装在所述夹持壁内，且所述压头均包括第一压面、第二压面和第三压面，所述第一压面和所述第二压面为相对的两个面，所述第一压面和所述第二压面均与所述第三压面相邻；多个所述压头依次抵接围绕成用于安装试样的长方体腔体，所述压头的与所述试样进行接触的面为第一压面；所述夹持壁上开设有供所述动力轴穿过的位移孔，所述位移孔内嵌有供所述动力轴穿过的环形轴塞，所述第二压面与所述动力轴的一端抵接，所述压头能够在所述动力轴的驱动下，沿所述动力轴的轴向方向向所述试样施加压力；所述固定销安装在所述夹持壁上，且所述固定销的一端与所述压头的第三压面抵接，且所述固定销能够沿着与所述第三压面垂直的方向移动；所述夹持壁内设置有凸起的位移壁，所述固定销的一端能够穿过所述位移壁与所述压头的第三压面抵接，所述固定销的另一端通过弹簧与所述夹持壁抵接；
所述控温系统包括多根加热棒，所述加热棒安装在所述夹持壁的内部。
2.如权利要求1所述的温压夹持装置，其特征在于，所述加热棒为四根，且沿所述夹持壁对称分布。
3.如权利要求1所述的温压夹持装置，其特征在于，所述刚性外壳为长方形筒体，所述刚性外壳的各个侧壁的外表面上均设置有所述驱动机构。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的温压夹持装置，其特征在于，所述驱动机构为液压缸，所述动力轴为所述液压缸的活塞杆或者所述动力轴与所述液压缸的活塞杆固定连接。
5.如权利要求4所述的温压夹持装置，其特征在于，所述液压缸通过法兰固定安装在所述刚性外壳上。
6.如权利要求1至3中任意一项所述的温压夹持装置，其特征在于，所述驱动机构为丝杆，所述刚性外壳上设置有与所述丝杆配合的内螺纹孔，所述丝杆的一端与所述动力轴相连，所述动力轴的端面上设置有凹槽，所述丝杆的一端能够伸入凹槽中并在凹槽中转动以驱动所述动力轴沿所述丝杆的轴向方向运动。
7.如权利要求1至3中任意一项所述的温压夹持装置，其特征在于，所述动力轴和所述夹持壁均为316不锈钢构件。
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