CN115753418A - 深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法，包括以下步骤：将待测试样置于加热舱体内，所述加热舱体为六面体结构，加热舱体包括6个方向的加热面板，加热面板内装有电加热元件；给加热面板的电加热元件通电，通过控制电加热元件的电流控制加热舱体的环境温度。加热面板的加热温度在室温+10℃~600℃内可控，温度均匀度1℃‑5℃。本申请通过提供环境温度，使试样保持一定温度，利于实现实时高温环境下储层岩石力学行为测试。本发明中采用的加热舱可与三轴六向应力加载系统对接，也可与弹性压力盒对接，可将加载力传递给试样，同时又能为试样提供高温环境，配套三轴六向应力加载系统使用，可实现实时环境下储层岩石力学行为测试。

Description

深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法

技术领域

本发明涉及岩石力学行为测试技术领域，尤其涉及深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法。

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转移。

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环境下储层岩石力学行为测试，少数力学测试系统也仅仅是在压头前端设加热板来对试样进行升温，难以模拟高温环境。

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系统地热实验舱温度控制方法，其通过提供环境温度，可使试样保持一定温度。

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系统地热实验舱温度控制方法，包括以下步骤：

将待测试样置于加热舱体内，所述加热舱体为六面体结构，加热舱体包括6个方向的加热面板，加热面板内装有电加热元件；

给加热面板的电加热元件通电，通过控制电加热元件的电流控制加热舱体的环境温度。

可选的，加热面板的加热温度在室温+10℃~600℃内可控。

可选的，温度均匀度1℃-5℃。

特别的，在每个加热面板上设有一个对接压头，对接压头装于其中一个加热面板的通孔中并可相对于加热舱体轴向活动，6个对接压头两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上。

可选的，所述加热舱体还包括一个一体制造的外立方体框架，6个加热面板分别装于外立方体框架的6个方向；

每一加热面板外侧均有一个弹性板，弹性板的两端与外立方体框架活动连接，弹性板和加热面板上有同轴的通孔，对接压头装于弹性板和加热面板的通孔中，对接压头与弹性板固接在一起。

可选的，所述弹性板两端有条形缺口，外立方体框架对应条形缺口的位置装有适配的螺钉，弹性板两端分别通过条形缺口卡在螺钉上。

特别的，弹性压力盒可操作地置于所述加热舱体内，所述弹性压力盒包括弹性片和6个压头，用至少8个高弹性弹性片将所述6个压头连接在一起构成用于容纳试样的试样空间，所述待测试样置于试样空间内，6个压头分别与其中一个对接压头对接；

所述压头上装有温度传感器和/或热流传感器。

可选的，在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；通过给加热板的电加热元件通电，对待测试样的相应侧面进行加热。

可选的，加热板的加热温度在室温+10℃~600℃内可控。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1，本申请通过提供环境温度，使试样保持一定温度，利于实现实时高温环境下储层岩石力学行为测试；

2，本发明方法中采用的加热舱可与三轴六向应力加载系统对接，也可与弹性压力盒对接，可将加载系统力传递给试样，同时又能为试样提供高温环境，配套三轴六向应力加载系统使用，可实现实时环境下储层岩石力学行为测试，可提高测试的准确性。

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是实施例中待测试样置于加热舱体内的结构示意图；

图2是实施例中加热舱体的三维图

图3是实施例中深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法的主视图；

图4是图3中A-A处的剖视图；

图5是图3中G-G处的剖视图；

图6是实施例中加热舱体的外立方体框架的三维图；

图7是实施例中第一种加热面板的三维图；

图8是实施例中第一种加热面板的板体的三维图；

图9是实施例中弹性板的三维图；

图10是实施例中第二种加热面板的三维图；

图11是实施例中第二种加热面板的板体的三维图；

图12是实施例中第二种加热面板的板体的侧视图；

图13是实施例中弹性压力盒装有位移检测机构时的三维图；

图14是实施例中弹性压力盒的三维图；

图15是实施例中弹性压力盒的剖视图；

图16是实施例中位移检测机构的三维图；

图17是实施例中至少一个压头上装加热板时弹性压力盒的剖视图；

图18是实施例中压头连接加热板的剖视图；

图19是实施例中加热板的三维图。

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4所示，本实施例公开的深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法，包括以下步骤：

S，将待测试样10置于加热舱体1内，所述加热舱体1为六面体结构，加热舱体1包括6个方向的加热面板12，加热面板12内装有电加热元件31；

S2，给加热面板12的电加热元件31通电，通过控制电加热元件31的电流控制加热舱体1的环境温度。

使用时，可根据实验需求进行腔体环境温度设置。在一种可能的设计中，加热面板12的加热温度可实现室温+10℃~600℃。可选的，温度均匀度1℃-5℃。特别的，温度均匀度3℃-5℃。

在一种可能的设计中，每个加热面板12上设有一个对接压头2，对接压头2装于其中一个加热面板12的通孔中并可相对于加热舱体1轴向活动，6个对接压头2两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上。

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个对接压头2分别为：对称设置在X轴方向的两个对接压头2，对称设置在Y轴方向的两个对接压头2以及对称设置在Z轴方向的两个对接压头2。

在一种可能的设计中，对接压头2内端为圆柱压杆21，外端为与作动器压头对接的球头22。

在一种可能的设计中，如图2-图6所示，加热舱体1由一个高刚度的外立方体框架11进行整体安装，外立方体框架11一体制造，可保证整体系统稳定；6个加热面板12分别通过螺钉与外立方体框架11连接，加热面板12外部有与电加热元件31适配的电极罩32。特别的，电加热元件31为电阻式加热丝，嵌装在加热面板12内壁。

6个对接压头2分别装于其中一个加热面板12的中央。

在一种可能的设计中，加热面板12的结构有以下两种：

第一种、如图2、图5、图7、图8所示，加热面板12的板体一体制造，加热面板12外侧有弹性板13，弹性板13的两端与外立方体框架11活动连接，弹性板13和加热面板12上有同轴的通孔，对接压头2装于通孔中，对接压头2通过螺钉与弹性板13固接在一起。加热面板12外表面对应弹性板13的位置有适配的板槽120，使得在正常情况下，弹性板13与加热面板12外表面之间有间隔。

第二种、如图2、图5、图10-图12所示，加热面板12的板体分为独立制造的三部分，分别为：第一板121、第二板122和第三板123，第一板121、第二板122和第三板123依次组拼在一起构成加热面板12，第二板122位于第一板121与第三板123中间，对接压头2装于第二板122上，第一板121和第三板123通过螺钉与外立方体框架11固接，电加热元件31装于第一板121和第三板123上，第一板121和第三板123外部分别装有与电加热元件31适配的电极罩32。

第二板122外侧有弹性板13，弹性板13的两端与外立方体框架11活动连接，弹性板13和第二板122上有同轴的通孔，对接压头2装于通孔中，对接压头2通过螺钉与弹性板13、第二板122固接在一起。特别的，第二板122外表面低于第一板121和第二板122形成与弹性板13适配的板槽120，弹性板13装于板槽120中。

在一种可能的设计中，第二板122的横截面为T形，第二板122与第一板121、第三板123滑动配合，第一板121和第三板123上有防止第二板122向外滑动的限位台阶124，第二板122两侧有与限位台阶124适配的台阶。在外力作用下，第二板122可相对于第一板121、第三板123向内移动从而传递压力。

可选的，如图9所示，弹性板13两端有条形缺口131，外立方体框架11对应条形缺口131的位置装有适配的螺钉，弹性板13两端分别通过条形缺口131卡在螺钉上。

值得说明的是，加热面板的板体最好为保温隔热材质。

值得说明的是，加热舱体1的6个加热面板12可均采用上述第一种结构的加热面板12，也可均采用第二种结构的加热面板12；也可部分采用第一种结构的加热面板12，部分采用第二种结构的加热面板12。

在一种可能的设计中，如图1所示，加热舱体1内具有容纳压力盒的内部空间。弹性压力盒4可操作者地置于加热舱体1的内部空腔内，如图13-图15所示，弹性压力盒4包括弹性片42和6个压头41，用至少8个高弹性弹性片42将6个压头41连接在一起构成用于容纳试样的试样空间，立方体状的待测试样10置于弹性压力盒4的试样空间内，6个压头41的外端与其中一个对接压头2的内端对接，6个压头41的内端可分别与待测试样10的6个面接触。

为便于定位对准，可选的，压头41中央有与对接压头2适配的对接口411。

其中，弹性片42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42将6个压头41连接在一起为例，每个压头41的四周分别通过一个弹性片42与四周的4个压头41连接。通过12个弹性片42可将6个压头41组装在一起从而实现压头41与待测试样10的紧密固定、贴合。

可选的，压头41外端四周设有弹片槽，弹片槽中设有两个螺钉孔，弹性片42的两端分别置于弹片槽中并通过螺钉与对应的压头41连接。可选的，弹性片42为高弹性金属片。

在一种可能的设计中，压头41为矩形，压头41与试样面接触，可将压力均匀传递给试样。值得说明的是，压头41的尺寸根据需要合理设置。在一种可能的设计中，试样空间内可放入边长为100mm的立方体试样。

在一种可能的设计中，每个压头41前端中间位置装配有耐高温高压的温度传感器和/或热流传感器，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。

特别的，每个压头41的中心孔内嵌装有温度、热流一体探头。压头41中心孔前端压头41前端装有导热垫410，通过导热垫410将试样温度传递给中心孔内部的温度、热流一体探头。

在一种可能的设计中，如图13所示，X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的两个压头41之间分别设有位移检测机构5，可实现X、Y、Z三个方向试样的变形监测。

在一种可能的设计中，如图16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41上。当待测试样10发生变形时，同一轴上的两个压头41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。通过第一引出直杆53、第二引出直杆54可将位移传感器56引出至加热舱体1外部，可实现高温环境下试样变形的实时监测，同时又能避免加热舱体1内部的高温环境对位移传感器56造成影响。

其中，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的另一端连接或接触；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，接触或者不接触。第一连接座51、第二连接座52装于压头41侧部。特别的，为便于第二引出直杆54通过，对应位置的压头41有引出直杆通孔13。以与X轴方向的压头41连接的第二引出直杆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轴方向的第二引出直杆54穿过Y轴方向的压头41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。

在一种可能的设计中，如图17、图18所示，在至少一个压头41的前端装有加热板6，加热板6内装有电加热元件31。加热板6为与压头41适配的矩形。加热板6与试样面接触，可热量均匀传递给待测试样10。

在一种可能的设计中，加热板6前端装配有耐高温高压的温度传感器和/或热流传感器，可实时监测试样表面的温度。

在一种可能的设计中，加热板6中央有通孔，通孔前端装有导热垫410，通孔后端装有有温度、热流一体探头，通过导热垫410将试样温度传递给中心孔内部的温度、热流一体探头。

在一种可能的设计中，只在Z轴上方的压头41前端装有加热板6，可根据试验需求对待测试样10上部进行均匀加热，温度可实现室温+10℃~600℃，温度均匀度1℃- 5℃。值得说明的是，前端未设置加热板6的压头41的前端也同样设有耐高温高压的温度传感器和/或热流传感器，可实时监测试样表面的温度。特别的，前端未设置加热板6的压头41中心孔前端装有导热垫410，通孔后端装有有温度、热流一体探头，通过导热垫410将试样温度传递给中心孔内部的温度、热流一体探头。

在一种可能的设计中，6个压头41前端均装有加热板6。使得6个方向均有加热板6与待测试样10接触，实现压力、温度的高效均匀传递。

在一种可能的设计中，电加热元件31为电阻式加热丝。特别的，如图18、图19所示，在加热板6背面有用于安装电阻式加热丝的蛇形槽61，电阻式加热丝通过多个间隔布置的陶瓷环62固定在蛇形槽61中，压头41扣在加热板6背面。电阻式加热丝依次穿过陶瓷环62，陶瓷环62卡在蛇形槽61中，可避免电阻式加热丝与加热板6直接接触，防止局部过热。

在一种可能的设计中，压头41和加热板6整体采用高刚度合金材料制成，加热板6与压头41接触，表面可设卡槽对准。

本申请的其中一种使用方法：将深部地热实验舱置于三轴六向应力加载系统的加载框架内，加载框架六个方向分别设有一个液压作动器，6个液压作动器的输出端有与球头22适配的球窝压头，6个液压作动器分别与6个对接压头2的外端对接，6个对接压头2的内端分别与6个压头41的外端对接，6个压头41的内端分别与待测试样10的六个面面接触；

给加热面板12的电加热元件31通电，通过控制电加热元件31的电流控制加热舱体1的加热温度，实现给整个腔体加温，从而给加热舱体1内的待测试样10升温；再通过压头41上的加热板6对试样10进行单侧局部加温，实现试样对侧温差，通过该温差可实现导热系数测量。

在应力加载实验中，液压作动器加载，通过对接压头2将压力传递给压头41，再由压头41将力均匀传递给待测试样10。本申请可给待测试样提供环境温度，利于实现实时高温环境下储层岩石力学行为测试。

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系统地热实验舱温度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

将待测试样（10）置于加热舱体（1）内，所述加热舱体（1）为六面体结构，加热舱体（1）包括6个方向的加热面板（12），加热面板（12）内装有电加热元件（31）；

给加热面板（12）的电加热元件（31）通电，通过控制电加热元件（31）的电流控制加热舱体（1）的环境温度。

2.根据权利要求1所述的深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法，其特征在于：加热面板（12）的加热温度在室温+10℃~600℃内可控。

3.根据权利要求1所述的深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法，其特征在于：温度均匀度1℃-5℃。

4.根据权利要求1-3中中任一项所述的深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法，其特征在于：在每个加热面板（12）上设有一个对接压头（2），对接压头（2）装于其中一个加热面板（12）的通孔中并可相对于加热舱体（1）轴向活动，6个对接压头（2）两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上。

5.根据权利要求4所述的深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法，其特征在于：所述加热舱体（1）还包括一个一体制造的外立方体框架（11），6个加热面板（12）分别装于外立方体框架（11）的6个方向；

每一加热面板（12）外侧均有一个弹性板（13），弹性板（13）的两端与外立方体框架（11）活动连接，弹性板（13）和加热面板（12）上有同轴的通孔，对接压头（2）装于弹性板（13）和加热面板（12）的通孔中，对接压头（2）与弹性板（13）固接在一起。

6.根据权利要求5所述的深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法，其特征在于：所述弹性板（13）两端有条形缺口（131），外立方体框架（11）对应条形缺口（131）的位置装有适配的螺钉，弹性板（13）两端分别通过条形缺口（131）卡在螺钉上。

7.根据权利要求4所述的深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法，其特征在于：弹性压力盒（4）可操作地置于所述加热舱体（1）内，所述弹性压力盒（4）包括弹性片（42）和6个压头（41），用至少8个高弹性弹性片（42）将所述6个压头（41）连接在一起构成用于容纳试样的试样空间，所述待测试样（10）置于试样空间内，6个压头（41）分别与其中一个对接压头（2）对接；

所述压头（41）上装有温度传感器和/或热流传感器。

8.根据权利要求7所述的深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法，其特征在于：在至少一个压头（41）的前端装有加热板（6），加热板（6）内装有电加热元件（31）；

通过给加热板（6）的电加热元件（31）通电，对待测试样（10）的相应侧面进行加热。

9.根据权利要求8所述的深部地球物理力学测试系统地热实验舱温度控制方法，其特征在于：加热板（6）的加热温度在室温+10℃~600℃内可控。

10.根据权利要求1-3、5-9中任一项所述的深部地热实验舱，其特征在于：电加热元件（31）为电加热丝。

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