CN203929686U - 一种岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器，夹持器端盖与固定堵用螺栓连接，循环液压油出口为固定堵内部的开孔，固定堵与筒身连接，筒身与油缸连接，油缸下游注油孔、油缸上游注油孔和循环液压油进口为油缸开孔，油缸与油缸端盖连接，并由密封圈密封，试样上游注水孔为试样上游垫块内部的开孔，试样上游垫块直接插入活塞，试样下游注水孔为试样下游垫块内部的开孔，试样下游垫块直接插入夹持器端盖，岩心试样置于试样上游垫块和试样下游垫块之间，位移传感器支柱与活塞连接，位移传感器支柱与压杆式位移传感器连接。结构简单，使用方便，进行不同温度、不同应力条件、不同孔压、不同岩心尺寸的多孔介质渗流-力学的研究。

Description

一种岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器

技术领域

本实用新型涉及岩石力学试验装置中的夹持器，更具体涉及一种用于岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器，适用于不同形状尺寸的岩心，从而实现核磁共振岩心试验。

背景技术

核磁共振是一种快速、无损、无毒无污染、不需要追踪试剂的检测技术，因而广泛应用于室内岩心试验。在室内核磁共振岩心试验中，通常利用氢原子的核磁共振现象，分析岩心的孔隙度、饱和度、渗透率等性质，同时，利用相应的核磁共振成像技术，可观测流体的运移过程、岩心试样的变形破坏过程，进而研究多孔介质，即岩心试样的水力、力学性质，因此，适用于石油、天然气开采和CO2地质封存等领域的基础研究。因此，适用于核磁共振岩心试验的夹持器是进行该类试验的关键。

目前针对核磁共振岩心试验的夹持器主要是集中应用于渗流试验，即两相驱替试验和流通试验，部分夹持器能够施加围压和加热温控，且只适用于单一的岩心尺寸，能够施加轴压的夹持器甚少。尚未发现既能施加围压、加热温控、轴压，且能测定试样变形的核磁共振岩心试验夹持器。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服当前技术设备的不足，是在于提供了一种岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器，结构简单，使用方便，进行不同温度、不同应力条件、不同孔压、不同岩心尺寸的多孔介质渗流-力学相应方面的基础研究。

为了实现上述的目的，本实用新型采用以下技术措施：

针对室内岩心尺度的核磁共振岩心试验，设计一种可对试样施加围压、轴压、孔压、加热温控的岩心夹持器，且可通过调整垫块。一种岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器，包括：夹持器端盖、固定堵、试样下游注水孔、筒身、试样上游注水孔、油缸下游注油孔、油缸上游注油孔、油缸端盖、位移传感器支柱、压杆式位移传感器、密封圈、油缸、活塞、循环液压油进口、试样上游垫块、岩心试样、试样下游垫块、循环液压油出口、螺栓。

其特征在于：夹持器端盖与固定堵用螺栓连接，循环液压油出口为固定堵内部的开孔，固定堵与筒身用螺纹连接。筒身与油缸用螺纹连接。油缸下游注油孔、油缸上游注油孔和循环液压油进口为油缸内部的开孔，油缸与油缸端盖用螺纹连接，并由密封圈密封，试样上游注水孔为试样上游垫块内部的开孔。试样上游垫块直接插入活塞进行连接，试样下游注水孔为试样下游垫块内部的开孔。试样下游垫块直接插入夹持器端盖进行连接，岩心试样置于试样上游垫块和试样下游垫块之间，使上游垫块、岩心和下游垫块中心线保持一致，然后在外面套上热缩管，并用热风枪使之热缩紧固。位移传感器支柱与活塞用螺纹连接。位移传感器支柱与压杆式位移传感器用夹紧连接。

从左至右，夹持器端盖与固定堵用螺栓连接，固定堵与筒身、筒身与油缸、油缸与油缸端盖皆用螺纹链接；夹持器端盖、固定堵、筒身、油缸和活塞组成一个用于给岩心试样施加围压的空间；油缸端盖、油缸和活塞组成一个用于给岩心试样施加轴压的空间；位移传感器支柱、与压杆式位移传感器与活塞，可测定试验过程中活塞的位移，进而测定岩心试样的轴向变形；所有连接处均用高压密封圈密封。

其工作原理如下：

循环液压油进口、循环液压油出口与外接循环加压温控装置相连形成一个闭合回路，可以给岩心试样施加围压，同时可以调节其温度。

①循环液压油进口、循环液压油出口与外接循环加压温控装置相连形成一个闭合回路，可以给岩心试样施加围压，同时可以调节其温度。

②油缸上游注油孔与外接油压泵相连，往油缸注入液压油，推动活塞前进，活塞前进时，通过试样上游垫块给岩心试样施加轴向荷载；同时，压杆式位移传感器通过位移传感器支柱与活塞相连，活塞在前进的过程中，带动位移传感器支柱移动，从而压缩压杆式位移传感器，进而测得加载过程中活塞的位移，即可得出岩心试样的轴向变形；油缸下游注油孔既是轴向加载过程油缸中液压油的出口，又是卸载过程中活塞回程的注油孔。

③试样上游注水孔、试样下游注水孔与外接泵相连，可以给岩心试样施加渗流边界条件或者注入流体。

④试样上游垫块与试样下游垫块被加工成变截面形状。尾部为圆柱形插销，分别插入活塞和夹持器端盖凹形槽中，可自由安装和拆卸；与岩心试样接触的部分可根据需要加工成不同长度的圆柱体或者长方体，以适应不同尺寸和形状的岩心试样；试样上游垫块、岩心试样和试样下游垫块表面套上热缩套管，并热缩紧固，可防止流体在岩心试样表面窜流，亦可使岩心试样中的注入流体与筒身中的循环液压油分离。

⑤筒身、试样上游垫块与试样下游垫块皆由高强度、防腐蚀、无核磁信号的PEEK材料加工而成，既能传递足够的荷载，又不会干扰实验过程中的核磁信号。

根据以上5点所述，该可给不同形状、不同尺寸的岩心试样在核磁共振试验条件下提供一种可同时施加围压、加热温控、轴压的夹持装置。

本具有以下优点和积极效果：

本实用新型可实现在核磁共振仪中进行岩心尺度的流-固耦合试验，研究岩心试样在不同应力条件、不同温度、不同孔压条件下的渗流-力学相互作用的机理；亦可实现在核磁共振仪中进行单纯的岩心流通或驱替试验，研究岩心试样的孔隙度、饱和度、孔隙率等渗流规律；亦可实现在核磁共振仪中进行不同温度、不同围压条件下的常规三轴力学实验，研究岩心试样的力学参数。

(1)可实用于不同形状和尺寸的岩心试样。垫块尾部为圆形插销，可插入筒身端盖和活塞的凹形槽中，可自由安装和拆卸，因此，只需加工不同形状的垫块，就可对不同尺寸和形状的岩心试样进行试验。

(2)可实现多种用途的岩心试验。与外接设备相连，可给试样施加围压、循环加热温控、施加轴压、施加孔压，因此，可研究多孔介质的渗流-力学相互作用，可研究多孔介质的渗流机理，亦可研究岩心试样的力学性质。

总之，本在核磁共振岩心试验方面可实现多种功能的夹持作用。

附图说明

图1为一种岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器结构示意图。

图2为一种整体结构三维立体示意图。

图3为一种整体结构主视示意图。

图4为一种整体结构侧视示意图。

图5为一种夹持器端盖底部示意图。

图6为一种试样上游注水孔处横截面图。

其中：

1—夹持器端盖 2—固定堵 3—试样下游注水孔

4—筒身 5—试样上游注水孔 6—油缸下游注油孔

7—油缸上游注油孔 8—油缸端盖 9—位移传感器支柱

10—WYDC-10L型压杆式位移传感器(量程10mm，精度±0.1％F.S，尺寸ф20×205mm)

11—密封圈12—油缸13—活塞14—循环液压油进口15—试样上游垫块16—岩心试样17—试样下游垫块18—循环液压油出口19—螺栓20—预留孔。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图和实施示例对本进一步说明：

一种岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器，包括：夹持器端盖1、固定堵2、试样下游注水孔3、筒身4、试样上游注水孔5、油缸下游注油孔6、油缸上游注油孔7、油缸端盖8、位移传感器支柱9、压杆式位移传感器10、密封圈11、油缸12、活塞13、循环液压油进口14、试样上游垫块15、岩心试样16、试样下游垫块17、循环液压油出口18、螺栓19。其连接关系是：夹持器端盖1与固定堵2用螺栓19连接。循环液压油出口18为固定堵2内部的开孔，固定堵2与筒身4用螺纹连接。筒身4与油缸12用螺纹连接。油缸下游注油孔6、油缸上游注油孔7和循环液压油进口14为油缸12内部的开孔，油缸12与油缸端盖8用螺纹连接，并由密封圈11密封，试样上游注水孔5为试样上游垫块15内部的开孔。试样上游垫块15直接插入活塞13进行连接，试样下游注水孔3为试样下游垫块17内部的开孔。试样下游垫块17直接插入夹持器端盖1进行连接。岩心试样16置于试样上游垫块15和试样下游垫块17之间，使上游垫块15、岩心16和下游垫块17中心线保持一致，然后在外面套上热缩管，并用热风枪使之热缩紧固。位移传感器支柱9与活塞13用螺纹连接。位移传感器支柱9与压杆式位移传感器10用夹紧连接。

筒身4、试样上游垫块15和试样下游垫块17皆采用无核磁信号的高强PEEK材料加工而成，既能传递足够的荷载，又不会干扰实验过程中的核磁信号，其它部件均为不锈钢材料加工而成。

循环液压油进口14和循环液压油出口18与外接加热、加压循环系统连接，可给试样16施加围压和控制温度。油缸上游注油孔7与外接泵相连，往油缸12注入油体，推动活塞13前进时，通过试样上游垫块15给岩心试样16施加轴向荷载，同时位移传感器支柱9和压杆式位移传感器10跟随活塞13移动，测量岩心试样16的轴向变形。油缸下游注油孔6与外接泵相连，可用于推动活塞13回程，另外，在活塞13前进给岩心试样16施加轴压时，油缸下游注油孔6也可用来排除油体。试样下游注水孔3、试样上游注水孔5与外接泵相连，用于给岩心试样16注入流体或者施加孔压边界条件，油缸12和试样上游垫块15里面的试样上游注水孔5用无核磁信号的PEEK管相连；在油缸(12)里面有预留孔20，其与试样上游注水孔5、循环液压油进口14处于相同的截面处，且形状与二者相同。

试样上游垫块15与试样下游垫块17的尾部皆加工成圆形插销形式，分别插入夹持器端盖1与活塞13的凹槽中，可自由拆卸和安装；试样上游垫块15与试样下游垫块17的主体部分可加工成圆形或者方形，长度可变动，以用于不同形状和尺寸的试样，另外，主体部分的横截面要比尾部横截面要大，用来承载活塞13施加的轴向荷载。

各部件结构：

1、试样上游垫块15、试样下游垫块17：

如1所示，试样上游/下游垫块15/17由高强、防腐蚀、无核磁信号的PEEK材料加工而成；尾部加工成圆柱形插销，分别插入夹持器端盖1和活塞13的凹形槽中，方便安装和拆卸；与岩心试样16接触部分的形状根据需要加工成圆柱体或者长方体，从而适用于不同形状、不同尺寸的岩心试样16；垫块中间加工有细小圆孔，即试样上游注水孔5和试样下游注水孔3，与外接泵相连，可给试样注入流体或者施加渗流边界条件。

2、筒身4：

如图1所示，筒身4由高强、防腐蚀、无核磁信号的PEEK材料加工而成，两端分别与固定堵2、油缸12用螺纹的形式连接，给岩心试样16提供一个密闭的围压环境。

3、油缸12、活塞13：

如图1-图4所示，油缸12与活塞13是用于给岩心试样16提供轴向荷载，由不锈钢加工而成。油缸上游注油孔7和油缸下游注油孔6设在油缸12一侧，与外接泵油泵相连。液压油由油缸上游注油孔7注入油缸12，推动活塞13前进，从而给岩心试样16施加轴向荷载。当活塞13前进时，油缸里的液压油从油缸下游注油孔6排出，同时，也可从此处往油缸注入液压油使活塞13回程。

如图1、图6所示，油缸12同一截面处加工有试样上游注水孔5、循环液压油进口14和两个预留孔20。油缸12与试样上游垫块15上的试样上游注水孔5通过PEEK细管连接，从而使外界泵的流体直达岩心试样16。循环液压油进口14、固定堵2上的循环液压油出口18与外接循环液压加热温控装置相连，给岩心试样16施加围压和加热温控。预留孔20可作为备用注入孔。

4、位移传感器支柱9、压杆式位移传感器10：

如图1-图4所示，位移传感器支柱9与压杆式位移传感器10用来测定加载过程中岩心试样(16)的轴向位移。

5、夹持器端盖1、固定堵2：

如图1和图5所示，夹持器端盖1与固定堵2用螺栓19连接。

二、安装方法

①让岩心试样16、试样上游垫块15和试样下游垫块17紧挨对接，并使三者中心线保持一致，然后在外面套上热缩管，并用热风枪使之热缩紧固。

②把活塞13推至油缸12底部，并把油缸12直立，使活塞13的凹形槽朝上。

③把第①步组装好的岩心试样和垫块直立，并把试样上游垫块15的插销插入活塞13凹形槽中。

④安装筒身4，拧紧筒身4与油缸12之间的螺纹连接。

⑤安装固定堵2，拧紧固定堵2与筒身4之间的螺纹连接。

⑥安装夹持器端盖1，拧紧固定堵2与夹持器端盖1之间的螺栓连接。

⑦从油缸上游注油孔7注入液压油，推动活塞13前进，给岩心试样16施加一个较小的轴压，以确保岩心试样16安装紧固。

三、岩心试样轴向应力的计算

岩心试样轴向应力由以下公式计算：

其中：

σ_岩心—岩心试样轴向应力

σ_油缸—油缸上游油压力

S_上—油缸上游液压油与活塞接触面积

σ_围压—岩心试样围压

S_下—筒身内部循环液压油浴活塞接触面积

σ_油缸、σ_围压可根据外接传感器直接读取，S_上、S_下为设备常数。

Claims (4)

1.一种岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器，包括夹持器端盖（1）、固定堵（2）、筒身（4）、位移传感器支柱（9）、压杆式位移传感器（10）、密封圈（11）、油缸（12）、活塞（13）、试样上游垫块（15）、岩心试样（16）、试样下游垫块（17），其特征在于：夹持器端盖（1）与固定堵（2）用螺栓（19）连接，循环液压油出口（18）为固定堵（2）内部的开孔，固定堵（2）与筒身（4）连接，筒身（4）与油缸（12）连接，油缸下游注油孔（6）、油缸上游注油孔（7）和循环液压油进口（14）为油缸（12）内部的开孔，油缸（12）与油缸端盖（8）连接，并由密封圈（11）密封，试样上游注水孔（5）为试样上游垫块（15）内部的开孔，试样上游垫块（15）直接插入活塞（13），试样下游注水孔（3）为试样下游垫块（17）内部的开孔，试样下游垫块（17）直接插入夹持器端盖（1），岩心试样（16）置于试样上游垫块（15）和试样下游垫块（17）之间，通过覆盖在三个部件表面的热缩管连接，位移传感器支柱（9）与活塞（13）连接，位移传感器支柱（9）与压杆式位移传感器（10）连接。

2.按权利要求1所述的一种岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器，其特征在于：所述的筒身（4）、试样上游垫块（15）和试样下游垫块（17）皆采用无核磁信号的高强PEEK材料加工而成。

3.按权利要求1所述的一种岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器，其特征在于：所述的循环液压油进口（14）和循环液压油出口（18）与外接加热、加压循环系统连接，油缸上游注油孔（7）与外接泵相连，油缸下游注油孔（6）与外接泵相连，试样下游注水孔（3）、试样上游注水孔（5）与外接泵相连，油缸（12）和试样上游垫块（15）里面的试样上游注水孔（5）用无核磁信号的PEEK管相连。

4.按权利要求1所述的一种岩心尺度核磁共振试验的多功能岩心夹持器，其特征在于：所述的试样上游垫块（15）与试样下游垫块（17）的尾部加工成圆形插销，分别插入夹持器端盖（1）与活塞（13）的凹槽中，试样上游垫块（15）与试样下游垫块（17）加工成圆形或者方形。