CN112146993A - 岩石力学三轴试验机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种岩石力学三轴试验机，包括：外压力室和位于所述外压力室内部的内压力室，所述内压力室的侧壁上设置有连通所述外压力室的连通孔；能够置于所述内压力室内部的上压头和下压头；轴压驱动件，所述轴压驱动件能够驱动所述上压头和下压头相互靠近以挤压岩石试样；提升机构，所述提升机构能够带动所述内压力室升降。上述岩石力学三轴试验机中，采用了内压力室和外压力室内外嵌套的方式，内压力室用于快速安装岩石试验样，此设计减少了安装岩石试样的时间，减少了外压力室充液排液的时间，极大的提高了试验效率。

Description

岩石力学三轴试验机
技术领域
本发明涉及岩石力学测试技术领域，更具体地说，涉及一种岩石力学三轴试验机。
背景技术
岩石力学三轴试验系统可在小尺度上重现地质作用过程及其状态结构变化。通过该系统获取试样的岩石变形与强度等宏观力学特性参数为钻井工程和压裂工程设计提供依据。但是，现有的岩石三轴力学试验系统都位于室内，远离取样现场，且存在试验操作复杂，试验时间长，试验效率低的问题。比如，在页岩气勘探开发过程中，钻取的页岩岩芯在一到两天内便会发生结构崩解破坏，无法满足在试验室内获取准确的岩石物理力学参数。这便需要研制一台适用于钻井工程和压裂工程现场的，满足快速准确获取岩石力学参数的岩石力学三轴试验系统。
为实现岩石力学三轴试验系统在不同井场之间便捷的转运以及快速完成岩石力学测试，需要创新岩石力学三轴试验系统的结构以实现岩石力学三轴试验系统的体积小型化，操作便利化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种岩石力学三轴试验机，该岩石力学三轴试验机采用了内外嵌套式压力室结构，如此设计减少了安装试验样品的时间，极大的提高了试验效率。
为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：
一种岩石力学三轴试验机，包括：
外压力室和位于所述外压力室内部的内压力室，所述内压力室的侧壁上设置有连通所述外压力室的连通孔；
能够置于所述内压力室内部的上压头和下压头；
轴压驱动件，所述轴压驱动件能够驱动所述上压头和下压头相互靠近以挤压岩石试样；
提升机构，所述提升机构能够带动所述内压力室升降。
优选地，上述岩石力学三轴试验机中，所述提升机构包括：
提升杆，所述提升杆的下端与所述内压力室的顶部固定连接；
提升驱动件，所述提升驱动件能够带动所述提升杆升降。
优选地，上述岩石力学三轴试验机中，还包括连接板，所述提升杆和所述提升驱动件的输出端均与所述连接板固定连接。
优选地，上述岩石力学三轴试验机中，还包括穿过所述连接板的导柱，所述连接板升降时沿所述导柱滑动；
所述提升驱动件为提升油缸。
优选地，上述岩石力学三轴试验机中，所述外压力室的上侧口端具有内螺纹孔，该岩石力学三轴试验机还包括与所述内螺纹孔配合的旋转螺母，所述旋转螺母开设有中心通孔，所述提升杆与所述旋转螺母的中心通孔螺纹配合。
优选地，上述岩石力学三轴试验机中，所述内压力室内顶壁设置有球头球座；所述球头球座与所述内压力室内顶壁之间设置有负荷传感器；
所述连通孔可以为矩形、圆形或椭圆形，封装有上压头、岩石试样和下压头的热塑管可以经连通孔放进或取出内压力室。
优选地，上述岩石力学三轴试验机中，所述内压力室的底壁上开设有轴压通孔；
所述轴压驱动件包括伸缩油缸，所述伸缩油缸的活塞能够穿过所述轴压通孔以挤压所述下压头。
优选地，上述岩石力学三轴试验机中，所述伸缩油缸的活塞末端与所述下压头底端中的一个上设置有定位凸起且另一个上设置有定位凹槽。
优选地，上述岩石力学三轴试验机中，所述轴压驱动件还包括用于检测所述活塞位移的位移传感器。
优选地，上述岩石力学三轴试验机中，该岩石力学三轴试验机的底部设置有减震垫。
应用上述实施例提供的岩石力学三轴试验机时，首先将上压头、岩石试样和下压头均封装在热塑管内，并且岩石试样位于上压头和下压头之间，然后将热塑管置于内压力室内。并且，置于内压力室后上压头、岩石试样和下压头沿竖直方向依次排布，岩石试样在封装之前安装轴向引伸计和径向引伸计，轴向引伸计和径向引伸计用于检测岩石试样的轴向和径向变形。然后将内压力室置于外压力室内部，利用轴压驱动件驱动上压头和下压头相互靠近以挤压岩石试样，以提供岩石试样在试验过程中的轴向力，同时向外压力室内注入液体，以给岩石试样提供围压，以实现岩石试样的力学三轴试验。试验完成后，利用提升机构带动内压力室上升，使内压力室脱离外压力室，再从内压力室内取出岩石试样即可，由此可见，使用本发明提供的岩石力学三轴试验机时，不必反复的向外压力室内充液体和排液体，而是通过从外压力室取出内压力室以实现岩石试样的取放，大大缩短了岩石试样取放的时间。
上述岩石力学三轴试验机中，采用了内压力室和外压力室内外嵌套的方式，内压力室用于快速安装岩石试验样，此设计减少了安装岩石试样的时间，减少了外压力室充液排液的时间，极大的提高了试验效率。外压力室用于承受轴压和围压反力，相比较于传统岩石力学三轴试验系统的立柱式反力框架结构，此设计保障了反力机构拥有足够刚度的同时，可以大大减小了反力机构的尺寸。综上，该岩石力学三轴试验机可以实现岩石力学三轴试验系统的体积小型化，操作便利化，同时减少了试验时间，提高试验效率50％以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的岩石力学三轴试验机的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的岩石力学三轴试验机底座和防护罩内部的剖视图；
图3为本发明实施例提供的岩石力学三轴试验机底座和防护罩内部另一角度的剖视图；
图4为本发明实施例提供的岩石力学三轴试验机的剖视图；
图5为本发明实施例提供的岩石力学三轴试验机局部剖视图；
图6为本发明实施例提供的防护罩的示意图；
图7为本发明实施例提供的支撑底座的示意图。
在图1-7中：
1-防护罩、2-旋转手柄、3-支撑底座、4-导柱、5-连接板、6-提升杆、7-旋转螺母、8-内压力室、9-外压力室、10-上压头、11-岩石试样、12-下压头、13-活塞、13a-中间连接件、14-减震垫、15-位移传感器、16-球头球座、17-负荷传感器。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种岩石力学三轴试验机，该岩石力学三轴试验机采用了内外嵌套式压力室结构，如此设计减少了安装试验样品的时间，极大的提高了试验效率。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参阅图1-图7，本发明提供的岩石力学三轴试验机包括外压力室9、内压力室8、上压头10、下压头12、轴压驱动件以及提升机构。
其中，内压力室8位于外压力室9内部，即内压力室8和外压力室9嵌套设置。内压力室8的侧壁上设置有连通外压力室9的连通孔。换言之，内压力室8的侧壁上设置连通孔，连通孔贯穿内压力室8的侧壁，以使内压力室8内部与外压力室9内部相通。
上压头10和下压头12可以均置于内压力室8内部。具体地，将上压头10、岩石试样11和下压头12均封装在热塑管内，并且岩石试样11位于上压头10和下压头12之间，然后将热塑管置于内压力室8内。
轴压驱动件能够驱动上压头10和下压头12相互靠近以挤压岩石试样11。具体地，轴压驱动件驱动上压头10和/或下压头12移动以使上压头10和下压头12相互靠近。上压头10和下压头12相互靠近时能够挤压位于上压头10和下压头12之间的岩石试样11。
提升机构能够带动内压力室8升降。具体地，提升机构能够带动内压力室8上升以从外压力室9的顶端开口穿过，最终使内压力室8脱离外压力室9。提升机构还能带动内压力室8下降，以使内压力室8进入到外压力室9内部。
应用上述实施例提供的岩石力学三轴试验机时，首先将上压头10、岩石试样11和下压头12均封装在热塑管内，并且岩石试样11位于上压头10和下压头12之间，然后将热塑管置于内压力室8内。并且，置于内压力室8后上压头10、岩石试样11和下压头12沿竖直方向依次排布，岩石试样11在封装之前安装轴向引伸计和径向引伸计，轴向引伸计和径向引伸计用于检测岩石试样11的轴向和径向变形。然后将内压力室8置于外压力室9内部，利用轴压驱动件驱动上压头10和下压头12相互靠近以挤压岩石试样11，以提供岩石试样11在试验过程中的轴向力，同时向外压力室9内注入液体，以给岩石试样11提供围压，以实现岩石试样11的力学三轴试验。试验完成后，利用提升机构带动内压力室8上升，使内压力室8脱离外压力室9，再从内压力室8内取出岩石试样11即可，由此可见，使用本发明提供的岩石力学三轴试验机时，不必反复的向外压力室9内充液体和排液体，而是通过从外压力室9取出内压力室8以实现岩石试样11的取放，大大缩短了岩石试样11取放的时间。
上述岩石力学三轴试验机中，采用了内压力室8和外压力室9内外嵌套的方式，内压力室8用于快速安装岩石试验样，此设计减少了安装岩石试样11的时间，减少了外压力室9充液排液的时间，极大的提高了试验效率。外压力室9用于承受轴压和围压反力，相比较于传统岩石力学三轴试验系统的立柱式反力框架结构，此设计保障了反力机构拥有足够刚度的同时，可以大大减小了反力机构的尺寸。综上，该岩石力学三轴试验机可以实现岩石力学三轴试验系统的体积小型化，操作便利化，同时减少了试验时间，提高试验效率50％以上。
在一具体实施例中，上述提升机构包括提升杆6和提升驱动件。其中，提升杆6的下端与内压力室8的顶部固定连接。具体地，提升杆6的下端与内压力室8的顶部可以螺纹连接、卡接或焊接。提升驱动件能够带动提升杆6升降。提升驱动件带动提升杆6升降时，进而提升杆6带动内压力室8一起升降，以实现带动内压力室8脱离外压力室9或带动内压力室8进入外压力室9。
进一步地，还包括连接板5，提升杆6和提升驱动件的输出端均与连接板5固定连接。换言之，提升杆6和提升驱动件的输出端通过连接板5实现相对固定。提升杆6与连接板5可以螺纹连接、卡接或焊接。提升驱动件的输出端与连接板5可以螺纹连接、卡接或焊接，在此不作限定。
为了保证内压力室8升降时更加平稳，该实施例中，还包括穿过连接板5的导柱4，连接板5升降时沿导柱4滑动。提升驱动件带动连接板5沿导柱4滑动同时连接板5升降，进而连接板5带动提升杆6及内压力室8升降。
提升驱动件可以为提升油缸或直线电机。
岩石力学三轴试验机包括防护罩1和支撑底座3，导柱4可以与防护罩1或支撑底座3固定连接。导柱4和连接板5设置于防护罩1内，外压力室9、内压力室8以及轴压驱动件等部件设置于支撑底座3内。支撑底座3包括包含焊接钢架、面板和弹簧阻尼减震器。焊接钢架和面板用于支撑试验机主机和防护罩1，弹簧阻尼减震器用于减小岩石力学三轴试验机在车载运输途中的震动损害。防护罩1用于保护试验机主机和试验过程中的人员安全。防护罩1可以为金属防护罩。
当然，上述实施例中，提升驱动件的输出端也可以直接与内压力室8的顶壁固定连接，在此不作限定。
在另一具体实施例中，外压力室9的上侧口端具有内螺纹孔，该岩石力学三轴试验机还包括与内螺纹孔配合的旋转螺母7，旋转螺母7开设有中心通孔，提升杆6与旋转螺母7的中心通孔螺纹配合。该实施例中，利用旋转螺母7实现对外压力室9的上侧口端的封堵，当需要取出内压力室8时，转动旋转螺母7，以使其脱离外压力室9的上侧口端，然后再利用提升机构带动内压力室8升降即可。
上述实施例中，旋转螺母7的上侧可以固定设置旋转手柄2，驱动手柄转即可实现旋转螺母7的转动。
当然，也可以在外压力室9的上侧口端设置封盖，封盖上开设供提升杆6穿过的中心通孔，封盖与外压力室9的上侧卡接，在此不作限定。
优选地，内压力室8侧壁上的连通孔可以为矩形、圆形、椭圆形等任意形状。封装有上压头10、岩石试样11和下压头12的热塑管可以经连通孔放进或取出内压力室8。优选地，连通孔的数量为多个，多个连通孔可以沿周向均匀分布。
为了保证封装有上压头10、岩石试样11和下压头12的热塑管置于内压力室8后为竖直状态，可以在内压力室8内顶壁设置有球头球座16。上压头10与球头球座16相抵，球头球座16能够调节试样上下端面的不平整度。
进一步地，为了实时得出轴压作用力，球头球座16与内压力室8内顶壁之间设置有负荷传感器17。负荷传感器17在系统加载过程中提供试样应力和应变数据采集。
在另一具体实施例中，内压力室8的底壁上开设有轴压通孔。轴压驱动件包括伸缩油缸，伸缩油缸的活塞13能够穿过轴压通孔以挤压下压头12。伸缩油缸的活塞13上下移动，以驱动下压头12向上移动，以使上下压头12挤压岩石试样11。
上述实施例中，伸缩油缸的活塞13驱动下压头12向上移动，同时上压头10与球头球座16相抵。
伸缩油缸的活塞13包括活塞本体和与活塞本体的上端固定的中间连接件13a。
为了实现对封装有上压头10、岩石试样11和下压头12的热塑管进行定位，伸缩油缸的活塞末端与下压头12底端中的一个上设置有定位凸起且另一个上设置有定位凹槽。定位凸起与定位凹槽配合实现对下压头12的定位。
为了实时监测上压头10上移的位移，轴压驱动件还包括用于检测活塞13位移的位移传感器15。根据位移传感器15的数据反馈，以调整活塞13的位移。
轴压驱动件还可以为直线电机、蜗轮蜗杆机构等，在此不作限定。
为了便于在野外等场合使用该岩石力学三轴试验机，该岩石力学三轴试验机的底部设置有减震垫14，减震垫14用于减小岩石力学三轴试验机在车载运输途中的震动损害。
进行测试时，可将轴压驱动件、提升驱动件、负荷传感器17以及位移传感器15与计算机通讯连接，计算机根据负荷传感器17和位移传感器15反馈的数据，控制轴压驱动件和提升驱动件的工作状态。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

Claims (10)

1.一种岩石力学三轴试验机，其特征在于，包括：
外压力室(9)和位于所述外压力室(9)内部的内压力室(8)，所述内压力室(8)的侧壁上设置有连通所述外压力室(9)的连通孔；
能够置于所述内压力室(8)内部的上压头(10)和下压头(12)；
轴压驱动件，所述轴压驱动件能够驱动所述上压头(10)和下压头(12)相互靠近以挤压岩石试样(11)；
提升机构，所述提升机构能够带动所述内压力室(8)升降。
2.根据权利要求1所述的岩石力学三轴试验机，其特征在于，所述提升机构包括：
提升杆(6)，所述提升杆(6)的下端与所述内压力室(8)的顶部固定连接；
提升驱动件，所述提升驱动件能够带动所述提升杆(6)升降。
3.根据权利要求2所述的岩石力学三轴试验机，其特征在于，还包括连接板(5)，所述提升杆(6)和所述提升驱动件的输出端均与所述连接板(5)固定连接。
4.根据权利要求3所述的岩石力学三轴试验机，其特征在于，还包括穿过所述连接板(5)的导柱(4)，所述连接板(5)升降时沿所述导柱(4)滑动；
所述提升驱动件为提升油缸。
5.根据权利要求2所述的岩石力学三轴试验机，其特征在于，所述外压力室(9)的上侧口端具有内螺纹孔，该岩石力学三轴试验机还包括与所述内螺纹孔配合的旋转螺母(7)，所述旋转螺母(7)开设有中心通孔，所述提升杆(6)与所述旋转螺母(7)的中心通孔螺纹配合。
6.根据权利要求1所述的岩石力学三轴试验机，其特征在于，所述内压力室(8)内顶壁设置有球头球座(16)；所述球头球座(16)与所述内压力室(8)内顶壁之间设置有负荷传感器(17)；
所述连通孔可以为矩形、圆形或椭圆形，封装有上压头(10)、岩石试样(11)和下压头(12)的热塑管可以经连通孔放进或取出内压力室(8)。
7.根据权利要求1所述的岩石力学三轴试验机，其特征在于，所述内压力室(8)的底壁上开设有轴压通孔；
所述轴压驱动件包括伸缩油缸，所述伸缩油缸的活塞(13)能够穿过所述轴压通孔以挤压所述下压头(12)。
8.根据权利要求7所述的岩石力学三轴试验机，其特征在于，所述伸缩油缸的活塞(13)末端与所述下压头(12)底端中的一个上设置有定位凸起且另一个上设置有定位凹槽。
9.根据权利要求7所述的岩石力学三轴试验机，其特征在于，所述轴压驱动件还包括用于检测所述活塞(13)位移的位移传感器(15)。
10.根据权利要求1所述的岩石力学三轴试验机，其特征在于，该岩石力学三轴试验机的底部设置有减震垫(14)。
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