CN116223204A - 深部地球物理力学测试用压力盒、实验腔体及实验舱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深部地球物理力学测试用压力盒、实验腔体及实验舱，包括高弹性压力盒、舱体和6个弹性压头组件，高弹性压力盒包括6个压头以及至少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；所述6个弹性压头组件分别装于舱体的6个方向，高弹性压力盒可操作者地置于舱体内，舱体6个方向的弹性压头组件的对接压头分别与高弹性压力盒6个方向的压头对接。本申请的高弹性压力盒由6个方向的压头构成试样空间，不仅可放置立方体试样，而且可从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；本申请的实验腔体可与三轴六向应力加载系统对接，与高弹性压力盒配合可对试样进行真三轴应力加载。

Description

深部地球物理力学测试用压力盒、实验腔体及实验舱

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压力盒、实验腔体及实验舱。

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。

目前深地领域的相关实验研究有单轴应力、常规三轴应力，相关的物理力学实验系统能提供单一轴向应力、轴向-围压或正交三向中低应力加载。基于现有物理力学实验系统存在的问题申请人研发设计了三轴六向应力加载系统，该三轴六向应力加载系统包括三轴六个方向各设一个的作动器，六个作动器可独立工作，也可联动协调工作。随着应力加载系统改进优化，配套的试样夹具也需作相应的变化，以使试样可感受6个方向的力。

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压力盒、实验腔体及实验舱。

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压力盒，包括高弹性压力盒，高弹性压力盒包括6个压头以及至少8个弹性片，所述至少8个弹性片将6个压头连接在一起使其内侧构成用于放置试样的试样空间；每个压头的四周分别通过弹性片与四周的4个压头连接；

所述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。

特别的，同一轴向上的两个压头对称设置。

可选的，所述压头为矩形，试样空间可放入立方体试样。

可选的，用12个弹性片将所述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。

可选的，X轴方向的两个压头之间设有至少一个位移传感装置，Y轴方向的两个压头之间设有至少一个位移传感装置，Z轴方向的两个压头之间设有至少一个位移传感装置。

本申请提供的深部地球物理力学测试用实验腔体，与所述的深部地球物理力学测试用压力盒适配，具体包括舱体和6个弹性压头组件，所述舱体具有容纳所述高弹性压力盒的空间；所述6个弹性压头组件分别装于舱体的6个方向，所述弹性压头组件包括一个对接压头，6个对接压头用于分别与高弹性压力盒的其中一个6个压头对接；6个对接压头可相对于舱体轴向活动。

可选的，舱体包括高刚度的外立方体框架和6面面板，6面面板分别装于外立方体框架的6个方向，6个弹性压头组件分别装于其中一个面板上。

特别的，所述弹性压头组件还包括弹性板，所述弹性板的两端与外立方体框架活动连接，面板外表面对应弹性板的位置有适配的板槽；所述弹性板和面板上有同轴的通孔，对接压头装于通孔中，对接压头与弹性板固接在一起。

特别的，所述弹性板两端有条形缺口，所述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。

可选的，所述对接压头内端为用于与高弹性压力盒的压头对接的圆柱压杆，外端为用于与作动器压头对接的球头。

本申请提供的深部地球物理力学测试用实验舱，包括深部地球物理力学测试用压力盒以及深部地球物理力学测试用实验腔体，所述高弹性压力盒可操作者地置于舱体内，舱体6个方向的对接压头的内端分别与高弹性压力盒6个方向的压头对接。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1，本申请的高弹性压力盒由6个方向的压头构成试样空间，不仅可放置立方体试样，而且可从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；

2，本申请可监测试样3个方向的变形；

3，本申请的高弹性压力盒可与不同功能的实验腔体组装对接，可拓宽实验内容；

4，本申请的实验腔体可与三轴六向应力加载系统对接，与高弹性压力盒配合可对试样进行真三轴应力加载。

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是实施例中高弹性压力盒的三维图；

图2是实施例中高弹性压力盒的剖视图；

图3是实施例中压头的三维图；

图4是实施例中第一种深部地球物理力学测试用压力盒的三维图；

图5是实施例中第一种位移传感装置的三维图；

图6是实施例中第二种深部地球物理力学测试用压力盒的三维图；

图7是实施例中深部地球物理力学测试用实验腔体的三维图；

图8是实施例中深部地球物理力学测试用实验腔体的三维图；

图9是实施例中外立方体框架的三维图；

图10是实施例中面板的三维图；

图11是实施例中弹性板的三维图；

图12是实施例中深部地球物理力学测试用实验舱的结构示意图；

图13是实施例中深部地球物理力学测试用实验舱置于三轴六向应力加载系统上时的示意图。

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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

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压力盒，包括高弹性压力盒1，高弹性压力盒1包括至少8个弹性片12和三轴上共6个方向的压头11，用至少8个弹性片12将6个压头11连接在一起使其内侧构成用于放置试样的试样空间13。

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11，对称设置在Y轴方向的两个压头11以及对称设置在Z轴方向的两个压头11。

在一种可能的设计中，压头11为矩形，试样空间13可放入立方体试样。实验时，压头11与试样面接触，可将压力均匀传递给试样。

弹性片12的数量根据需要合理设置。本实施例用12个弹性片12将6个压头11连接在一起，每个压头11的四周分别通过一个弹性片12与四周的4个压头11连接。通过12个弹性片12可将6个压头11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12将6个压头11连接在一起。

可选的，如图3所示，压头11外端四周设有与弹性片12适配的弹片槽111，弹片槽111中设有螺钉孔，弹性片12的一端置于弹片槽111中并通过螺钉与压头11连接。为便于与外部部件对接，压头11外端中央设有对接口110。

值得说明的是，压头11的尺寸根据需要合理设置。可选的，试样空间13可放入边长100mm的立方体。

可选的，压头11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。弹性片12为高弹性金属片。

在一种可能的设计中，Z轴方向的上部压头11前端装配有1个耐高温高压的方形垫块，方形垫块内装配有电阻式加热丝，可根据试验需求对试样上部进行均匀加热，可用于产生对向温度差。

在一种可能的设计中，如图4-图6所示，X轴方向的两个压头11之间设有至少一个位移传感装置14；Y轴方向的两个压头11之间设有至少一个位移传感装置14；Z轴方向的两个压头11之间设有至少一个位移传感装置14，可进行X、Y、Z三个方向试样变形监测。

可选的，X轴方向和Y轴方向的每对压头11之间均设有两个位移传感装置14，两个位移传感装置14装于每对压头11的对角位置，可实现X、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轴方向的每对压头11之间设有3个位移传感装置14，分别在每对压头11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。通过与压头11侧部固定的位移传感装置14可对试样的三向变形进行实时监测，变形范围为-5-+5mm，误差小于1%。

在一种可能的设计中，位移传感装置14有以下两种：

第一种、如图4、图5所示，位移传感装置14包括位移传感器144、传感器安装块143，以及长短不一的第一直杆141和第二直杆142。位移传感器144装于传感器安装块143上，第一直杆141和第二直杆142的一端分别与同一轴向上的两个压头11固接，第二直杆142的的另一端与传感器安装块143固接，第一直杆141的另一端作为感应端与位移传感器144适配，二者之间连接或者不连接，例如第一直杆141的另一端与位移传感器144的检测端接触，试样发生变形时可推动位移传感器144伸缩，继而感知位移。特别的，同一轴向的两个压头11上分别配套装有直杆座145，第一直杆141和第二直杆142与直杆座145连接。

这种方式可适用于高温环境，通过第一直杆141和第二直杆142的长度设置可将位移传感器144引出至高温环境外部。

特别的，为便于第一直杆141和第二直杆142通过，对应位置的压头11有引出杆通孔。

第二种、如图6所示，位移传感装置14包括位移传感器144和两个传感器连接臂146，，位移传感器144的两端分别与其中一个传感器连接臂146连接，两个传感器连接臂146分别装于同一轴向上相对的两个压头11上。

在一种可能的设计中，位移传感器144为LVDT传感器。

为满足深地复杂环境储层岩石物理力学行为测试需求，本实施例配套加载系统设计了实验腔体，该实验腔体六面的对接压头可与加载系统6个作动器压头对接，也可与高弹性压力盒1的6个压头11对接，便于对高弹性压力盒1内的试样进行力学真三轴实验。下面对该实验腔体进行详细介绍。

如图7、图8所示，本实施例公开的深部地球物理力学测试用实验腔体，包括舱体2和弹性压头组件，舱体2具有容纳高弹性压力盒1的空间20。

在一种可能的设计中，如图7-图9所示，舱体2由一个高刚度的外立方体框架21进行整体安装，外立方体框架21一体制造，可保证整体系统稳定；舱体2的6个方向分别有面板22与外立方体框架21连接。

6个方向的面板22上均安装有弹性压头组件，弹性压头组件包括弹性板23以及对接压头24，对接压头24内端为用于与高弹性压力盒1的压头11对接的圆柱压杆241，外端为与作动器压头对接的球头242，对接压头24装于面板22的通孔中可相对于舱体2轴向活动。

在一种可能的设计中，对接压头24具有内中空部分243，通过内中空部分243可将热风吹入使内环境温度升高。

在一种可能的设计中，如图8、图10所示，弹性板23的两端与外立方体框架21连接，面板22外表面对应弹性板23的位置有适配的板槽221，使得在正常情况下，弹性板23与面板22外表面之间有间隔。弹性板23和面板22上有同轴的通孔，对接压头24装于通孔中，对接压头24通过螺钉与弹性板23固接在一起。

可选的，如图11所示，弹性板23两端有条形缺口231，外立方体框架21对应条形缺口231的位置装有适配的螺钉，弹性板23两端分别通过条形缺口231卡在螺钉上。

在一种可能的设计中，舱体2顶部设有两个吊装构件，可与加载系统分垂向液压系统框架相应部位连接。

如图12所示，本实施例公开的深部地球物理力学测试用实验舱，包括高弹性压力盒1和舱体2，立方体试样3可操作地置于高弹性压力盒1内，高弹性压力盒16个方向的压头11分别与立方体试样3的6个面接触。

高弹性压力盒1可操作者地置于舱体2内，舱体2的6个方向的对接压头24的内端分别与高弹性压力盒1的6个方向的压头11对接。

如图13所示，使用时，将深部地球物理力学测试用实验舱置于三轴六向应力加载系统4的加载框架内，加载框架六个方向分别设有一个作动器41，6个作动器41的输出端有与球头242适配的球窝压头。

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压力盒，其特征在于：包括高弹性压力盒（1），高弹性压力盒（1）包括6个压头（11）以及至少8个弹性片（12），所述至少8个弹性片（12）将6个压头（11）连接在一起使其内侧构成用于放置试样的试样空间（13）；

所述6个压头分别为：设置在X轴方向的两个压头（11）、设置在Y轴方向的两个压头（11）以及设置在Z轴方向的两个压头（11）。

2.根据权利要求1所述的深部地球物理力学测试用压力盒，其特征在于：同一轴向上的两个压头（11）对称设置。

3.根据权利要求1或2所述的深部地球物理力学测试用压力盒，其特征在于：所述压头（11）为矩形，试样空间（13）可放入立方体试样；

用12个弹性片（12）将所述6个压头（11）连接在一起，每个压头（11）的四周分别通过一个弹性片（12）与四周的4个压头（11）连接。

4.根据权利要求3所述的深部地球物理力学测试用压力盒，其特征在于：X轴方向的两个压头（11）之间设有至少一个位移传感装置（14）；

Y轴方向的两个压头（11）之间设有至少一个位移传感装置（14）；

Z轴方向的两个压头（11）之间设有至少一个位移传感装置（14）。

5.深部地球物理力学测试用实验腔体，其特征在于：与权利要求1-4中任一项所述的深部地球物理力学测试用压力盒适配，包括舱体（2）和6个弹性压头组件，所述舱体（2）具有容纳所述高弹性压力盒（1）的空间（20）；

所述6个弹性压头组件分别装于舱体（2）的6个方向，所述弹性压头组件包括一个对接压头（24），6个对接压头（24）用于分别与高弹性压力盒（1）的其中一个6个压头（11）对接；6个对接压头（24）可相对于舱体（2）轴向活动。

6.根据权利要求5所述的深部地球物理力学测试用实验腔体，其特征在于：所述舱体（2）包括高刚度的外立方体框架（21）和6面面板（22），6面面板（22）分别装于外立方体框架（21）的6个方向，6个弹性压头组件分别装于其中一个面板（22）上。

7.根据权利要求6所述的深部地球物理力学测试用实验腔体，其特征在于：所述弹性压头组件还包括弹性板（23），所述弹性板（23）的两端与外立方体框架（21）活动连接，面板（22）外表面对应弹性板（23）的位置有适配的板槽（221）；

所述弹性板（23）和面板（22）上有同轴的通孔，对接压头（24）装于通孔中，对接压头（24）与弹性板（23）固接在一起。

8.根据权利要求7所述的深部地球物理力学测试用实验腔体，其特征在于：所述弹性板（23）两端有条形缺口（231），所述外立方体框架（21）对应条形缺口（231）的位置装有适配的螺钉，弹性板（23）两端分别通过条形缺口（231）卡在螺钉上。

9.根据权利要求5、6、7或8所述的深部地球物理力学测试用实验腔体，其特征在于：所述对接压头（24）内端为用于与高弹性压力盒（1）的压头（11）对接的圆柱压杆（241），外端为用于与作动器压头对接的球头（242）。

10.深部地球物理力学测试用实验舱，其特征在于：包括如权利要求1-4中任一项所述的深部地球物理力学测试用压力盒以及如权利要求5-9中任一项所述的深部地球物理力学测试用实验腔体；

所述高弹性压力盒（1）可操作者地置于舱体（2）内，舱体（2）的6个方向的对接压头（24）的内端分别与高弹性压力盒（1）的6个方向的压头（11）对接。

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