CN115753417A - 深部地球物理力学测试用可温控压头及可温控压力盒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深部地球物理力学测试用可温控压头及可温控压力盒，包括压头，压头前端装有加热板，加热板背面有蛇形槽，电阻式加热丝通过多个陶瓷管固定在蛇形槽中，压头扣在加热板背面；加热板上设有温度和/或热流传感器。该可温控压力盒包括6个压头，至少一个压头的前端装有加热板。X、Y、Z轴方向的两个压头之间分别设有至少一个位移检测机构。本申请的可温控压头不仅可将压力传递给试样，而且可对试样加热，可用于高温下储层岩石力学行为测试；本申请的可温控压力盒可从6个方向将压力均匀传递给试样，可用于开展三轴六向应力加载实验；本申请通过引出直杆将位移传感器引出，可避免高温对位移传感器的影响，利于保证测量精度。

Description

深部地球物理力学测试用可温控压头及可温控压力盒

技术领域

本发明涉及岩石力学实验技术领域，尤其涉及深部地球物理力学测试用可温控压头及可温控压力盒。

背景技术

我国正处于工业化、城镇化加速发展阶段，对资源的需求量日益增加，地球浅部资源已逐渐枯竭。而深地、深海、深空领域赋存着大量的资源、能源，因此目前正逐渐向深部进军。由于对深地领域的未知性和科学理论的缺失，相关的工程实施面临巨大的考验。因此，开展相关的深部岩体物理力学试验具有重大的理论、工程和战略意义。

随着对地球深部能源的需求增加，对深部岩石的各项性能指标的要求也越来越高。如何提高测试的准确性，使实验数据更加真实的反映材料在实际应用场景中的力学性能的问题尤其突出，其中非常温下的力学性能指标的重要性不言而喻。然而现有技术很多无法实现实时高温下储层岩石力学行为测试，特别是真三轴应力下，导致实验数据失真。为此，急需研究一种可以提供高温环境的试样固定装置。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题提供深部地球物理力学测试用可温控压头及可温控压力盒。

本申请通过下述技术方案实现：

本申请提供的深部地球物理力学测试用可温控压头，包括压头，所述压头前端装有加热板，压头中央有对接口，加热板内装有电加热元件；压头和/或加热板前端设有温度传感器和/或热流传感器。

可选的，所述电加热元件为电阻式加热丝，所述加热板背面有用于安装电阻式加热丝的蛇形槽，电阻式加热丝通过多个陶瓷管固定在蛇形槽中，压头扣在加热板背面。

特别的，所述加热板中央有通孔，通孔前端装有导热垫，通孔后端与压头的对接口相通。

本申请提供的深部地球物理力学测试用可温控压力盒，包括6个不同方向的压头和至少8个弹性片，所述至少8个弹性片将6个压头连接在一起构成用于放置试样的试样空间；

6个压头分别为：设置在X轴方向的两个压头、设置在Y轴方向的两个压头以及设置在Z轴方向的两个压头；压头中央有对接口，至少一个压头的前端装有加热板，加热板内装有电加热元件，压头和/或加热板前端设有温度传感器和/或热流传感器。

特别的，所述压头和加热板均为矩形，试样空间可放入立方体试样；用12个弹性片将6个压头连接在一起，每个压头的四周分别通过一个弹性片与四周的4个压头连接。

特别的，X轴方向的两个压头之间设有至少一个位移检测机构；Y轴方向的两个压头之间设有至少一个位移检测机构；Z轴方向的两个压头之间设有至少一个位移检测机构。

可选的，所述位移检测机构包括第一连接座、第二连接座、第一引出直杆、第二引出直杆、传感器安装块和位移传感器；

第一连接座、第二连接座通过分别装在同一轴上的两个压头上，所述第一引出直杆与第二引出直杆平行，第一引出直杆的一端与第一连接座固接，第二引出直杆的一端与第二连接座固接，第一引出直杆的另一端与传感器安装块连接，位移传感器装于传感器安装块上，位移传感器的检测端与第二引出直杆的另一端适配，二者之间连接或者不连接，位移传感器通过第一引出直杆引出至压力盒外部。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1，本申请的可温控压头，不仅将压力传递给试样，而且可对试样加热，可用于高温下储层岩石力学行为测试；

2，本申请的可温控压力盒可放置立方体试样，6个方向的压头可从6个方向将压力均匀传递给试样，可用于开展三轴六向应力加载实验；

3，本申请位移检测机构可实现高温环境下的位移监测，通过引出直杆将位移传感器引出，可避免高温对位移传感器的影响，利于保证测量精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。

图1是实施例中深部地球物理力学测试用可温控压头的三维图；

图2是实施例中深部地球物理力学测试用可温控压头的剖视图；

图3是实施例中加热板的结构示意图；

图4是实施例中深部地球物理力学测试用可温控压力盒的三维图；

图5是实施例中深部地球物理力学测试用可温控压力盒的三维图；

图6是实施例中深部地球物理力学测试用可温控压力盒的剖视图；

图7是实施例中压头的三维图；

图8是实施例中位移检测机构的三维图；

图9是实施例中X轴方向上两个压头与两个位移检测机构的连接示意图；

图10是实施例中可温控压力盒置于加热舱体内的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2所示，本实施例公开的深部地球物理力学测试用可温控压头，包括压头1，压头1前端装有加热板2，压头1中央有对接口11。加热板2内装有电加热元件31，电加热元件31发热，通过与试样面接触加热板2可将热量均匀传递给试样。

在一种可能的设计中，压头1和/或加热板2前端设有耐高温高压的温度传感器，可实时监测试样表面的温度。通过监测试样表面的温度反馈调节电加热元件31的电流。

在一种可能的设计中，压头1和/或加热板2中部位置装配有耐高温高压的热流传感器，可实时监测热流量。

特别的，加热板2中心孔内装有温度热流一体探头（图中未示出），可实时监测试样表面的温度以及热流量。

在一种可能的设计中，加热板2中央有通孔，通孔前端装有导热垫33，通孔后端装温度热流一体探头，通过导热垫33将温度传递给装温度热流一体探头。

在一种可能的设计中，电加热元件31为电阻式加热丝。

在一种可能的设计中，如图6所示，在加热板2背面有用于安装电阻式加热丝的蛇形槽21，电阻式加热丝通过多个陶瓷管32固定在蛇形槽21中，压头1扣在加热板2背面。电阻式加热丝依次穿过陶瓷管32，陶瓷管32卡在蛇形槽21中。

在一种可能的设计中，压头1整体采用高刚度合金材料制成，具备足够的刚度满足12 GN/m。加热板2采用高刚度合金材料制成，加热板2与压头1接触，表面可设卡槽对准。

如图4、图5、图6所示，本实施例公开的深部地球物理力学测试用可温控压力盒，包括弹性片4和6个压头1，6个压头1分别位于三轴六个方向上，用至少8个高弹性弹性片4将6个压头1连接在一起构成用于放置试样的试样空间，试样10可置于试样空间内，其中至少一个压头1的前端装有加热板2。

值得说明的是，本文中的三轴分别指三轴坐标系中的X轴、Y轴、Z轴。6个压头分别为：对称设置在X轴方向的两个压头1，对称设置在Y轴方向的两个压头1以及对称设置在Z轴方向的两个压头1。

值得说明的是，前端装加热板2的压头1厚度小于其余压头1的厚度薄，使得其装上加热板2后的总厚度与其余压头1的厚度相当。

在一种可能的设计中，只在一个压头1前端装有加热板2，可用于产生对向温度差。

在一种可能的设计中，6个压头1前端均装有加热板2。

在一种可能的设计中，前端未设置加热板2的压头1的中央通孔前端装有导热垫33。前端未设置加热板2的压头1的前端设有温度传感器和/或热流传感器，可实时监测试样表面的温度、热流量。特别的，前端未设置加热板2的压头1的前端中心孔内设有温度热流一体探头。

在一种可能的设计中，压头1为矩形，加热板2为适配的矩形，试样空间可放入立方体试样。实验时，压头1与试样面接触，可将压力均匀传递给试样；装有加热板2的一侧，加热板2与试样面接触，可热量均匀传递给试样。

值得说明的是，压头1的尺寸根据需要合理设置。可选的，试样空间可放入边长100mm的立方体试样。

其中，弹性片4的数量根据需要合理设置。在一种可能的设计中，用12个弹性片4将6个压头1连接在一起为例，每个压头1的四周分别通过一个弹性片4与四周的4个压头1连接。通过12个弹性片4可将6个压头1组装在一起从而实现压头与立方体试样的紧密固定、贴合。

在另一个实施例中，可用更多的弹性片4将6个压头1连接在一起。

可选的，如图1、图7所示，压头1外端四周设有与弹性片4适配的弹片槽12，弹片槽12中设有螺钉孔，弹性片4的一端置于弹片槽12中并通过螺钉与压头1连接。为便于与外部部件对接，压头1外端中央设有对接口11。

可选的，弹性片4为高弹性金属片。

在一种可能的设计中，如图4所示，X轴方向的两个压头1之间设有至少一个位移检测机构5，Y轴方向的两个压头1之间设有至少一个位移检测机构5，Z轴方向的两个压头1之间设有至少一个位移检测机构5，可进行X、Y、Z三个方向试样变形监测。

在一种可能的设计中，如图4、图8、图9所示，位移检测机构5包括第一连接座51、第二连接座52、第一引出直杆53、第二引出直杆54、传感器安装块55和位移传感器56，第一引出直杆53与第二引出直杆54平行，第一引出直杆53的一端与第一连接座51固接，第二引出直杆54的一端与第二连接座52固接，第一引出直杆53的另一端与传感器安装块55连接，位移传感器56装于传感器安装块55上，第二引出直杆54的另一端与位移传感器56的检测端适配，二者之间连接或者不连接，第一连接座51、第二连接座52通过螺钉分别装在同一轴上的两个压头1上。当试样10发生变形时，同一轴上的两个两个压头1发生相对位移，带动第一引出直杆53与第二引出直杆54发生相对位移，继而使得传感器安装块55与第二引出直杆54发生相对位移，与之适配的位移传感器56可检测出位移量，而且实现变形监测。

如果位移传感器56采用接触式传感器，则位移传感器56与第二引出直杆54的另一端连接；如果位移传感器56采用非接触式传感器，则位移传感器56与第二引出直杆54的另一端正对但不连接。第一连接座51、第二连接座52装于压头1侧部。特别的，为便于第一引出直杆53、第二引出直杆54通过，对应位置的压头1有引出直杆通孔13。以与X轴方向的压头1连接的第一引出直杆53与第二引出直杆54为例，其第一引出直杆53与第二引出直杆54与X轴方向平行，该X轴方向的第一引出直杆53与第二引出直杆54穿过Y轴方向的压头1的引出直杆通孔13。

在一种可能的设计中，位移传感器56为LVDT传感器。

第一引出直杆53、第二引出直杆54不仅能实现位移传感器56的安装固定，同时可将位移传感器56安装在加热空间外部，不仅可实现高温环境在位移的监测，同时可避免内部的高温环境对位移传感器56造成影响。

可选的，X轴方向的两个压头1之间均设有两个位移传感器56，两个位移传感器56装于两个压头1的对角位置，可实现X轴方向试样变形的精确测量，最大变形量±5 mm；精度为±0.5%FS。Y轴方向的两个压头1之间均设有两个位移传感器56，两个位移传感器56装于两个压头1的对角位置，可实现Y轴方向试样变形的精确测量，最大变形量±5 mm；精度为±0.5%FS。Z轴方向的两个压头1之间设有3个位移传感器56，分别在两个压头1的三个角位置，可实现Z轴方向试样变形的精确测量，最大变形量±5 mm；精度为±0.5%FS。通过在X、Y方向各安装2个位移传感器56、Z轴方向安装3个位移传感器56，可进行X、Y、Z三个方向试样变形监测，变形范围为-5-+5mm，误差小于1%。

本申请的每个压头1中间位置装配有温度传感器和热流传感探头，可实现实验过程中试样表面温度的实时监测以及测量热流量。

本申请的一种使用方法，如图10所示，将可温控压力盒置于加热舱体6内，加热舱体6为六面体结构，包括6个方向的加热面板62，加热面板62内装有电加热元件63，6个对接压头61分别装于其中一个加热面板62的通孔中并可相对于加热面板62轴向活动，6个压头1内端分别与其中一个对接压头61对接，6个压头1外端分别用与作动器对接。通过加热舱体6的加热面板62给整个腔体加温，再通过压头1上的加热板2加温实现试样对侧温差，再通过该温差可实现导热系数测量。

而位移传感器56被第一引出直杆53、第二引出直杆54引出至加热舱体6外部，可避免高温对位移传感器的影响，利于保证测量精度。

以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.深部地球物理力学测试用可温控压头，其特征在于：包括压头（1），所述压头（1）前端装有加热板（2），压头（1）中央有对接口（11），加热板（2）内装有电加热元件（31）；压头（1）和/或加热板（2）前端设有温度传感器和/或热流传感器。

2.根据权利要求1所述的深部地球物理力学测试用可温控压头，其特征在于：所述电加热元件（31）为电阻式加热丝，所述加热板（2）背面有用于安装电阻式加热丝的蛇形槽（21），电阻式加热丝通过多个陶瓷管（32）固定在蛇形槽（21）中，压头（1）扣在加热板（2）背面。

3.根据权利要求1或2所述的深部地球物理力学测试用可温控压头，其特征在于：所述加热板（2）中央有通孔，通孔前端装有导热垫（33），通孔后端与压头（1）的对接口（11）相通。

4.深部地球物理力学测试用可温控压力盒，其特征在于：包括6个压头（1）和至少8个弹性片（4），所述至少8个弹性片（4）将6个压头（1）连接在一起构成用于放置试样的试样空间；

6个压头分别为：设置在X轴方向的两个压头（1）、设置在Y轴方向的两个压头（1）以及设置在Z轴方向的两个压头（1）；

压头（1）后端中央有对接口（11），至少一个压头（1）的前端装有加热板（2），加热板（2）内装有电加热元件（31），压头（1）和/或加热板（2）前端设有温度传感器和/或热流传感器。

5.根据权利要求4所述的深部地球物理力学测试用可温控压力盒，其特征在于：所述压头（1）和加热板（2）均为矩形，试样空间可放入立方体试样；

用12个弹性片（4）将6个压头（1）连接在一起，每个压头（1）的四周分别通过一个弹性片（4）与四周的4个压头（1）连接。

6.根据权利要求4所述的深部地球物理力学测试用可温控压力盒，其特征在于：所述电加热元件（31）为电阻式加热丝，所述加热板（2）背面有用于安装电阻式加热丝的蛇形槽（21），电阻式加热丝通过多个陶瓷管（32）固定在蛇形槽（21）中，压头（1）扣在加热板（2）背面。

7.根据权利要求4、5或6所述的深部地球物理力学测试用可温控压力盒，其特征在于：所述加热板（2）中央有通孔，通孔前端装有导热垫（33），通孔后端与压头（1）的对接口（11）相通；

前端未设置加热板（2）的压头（1）的中央通孔前端装有导热垫（33）。

8.根据权利要求4所述的深部地球物理力学测试用可温控压力盒，其特征在于：X轴方向的两个压头（1）之间设有至少一个位移检测机构（5）；

Y轴方向的两个压头（1）之间设有至少一个位移检测机构（5）；

Z轴方向的两个压头（1）之间设有至少一个位移检测机构（5）。

9.根据权利要求8所述的深部地球物理力学测试用可温控压力盒，其特征在于：所述位移检测机构（5）包括第一连接座（51）、第二连接座（52）、第一引出直杆（53）、第二引出直杆（54）、传感器安装块（55）和位移传感器（56）；

第一连接座（51）、第二连接座（52）通过分别装在同一轴上的两个压头（1）上，所述第一引出直杆（53）与第二引出直杆（54）平行，第一引出直杆（53）的一端与第一连接座（51）固接，第二引出直杆（54）的一端与第二连接座（52）固接，第一引出直杆（53）的另一端与传感器安装块（55）连接，位移传感器（56）装于传感器安装块（55）上，位移传感器（56）的检测端与第二引出直杆（54）的另一端适配，二者之间连接或者不连接，位移传感器（56）通过第一引出直杆（53）引出至压力盒外部。

10.根据权利要求9所述的深部地球物理力学测试用可温控压力盒，其特征在于：所述第一连接座（51）和第二连接座（52）装于压头（1）侧部，压头（1）的对应位置有供对应压头（1）的第一引出直杆（53）、第二引出直杆（54）穿过的引出直杆通孔（13）。

Images