CN212275287U - 基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，包括用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，所述压力实验舱的舱体外筒上有介质注入孔，所述压力实验舱上沿轴向方向间隔设有多个电加热装置和多个温度测量装置，每个电加热装置连接有自动开关。本实用新型可模拟高温环境，可给压力实验舱提供高温环境，利于还原真实的原位环境，使实验更为完整、客观，数据更加可靠；本实用新型可对压力实验舱进行多段同时加热和多点位温控，不仅能提高加热效率，大大提高实验效率，而且可使内部温度更加均匀。

Description

基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置

技术领域

本实用新型涉及取芯装置试验系统技术领域，尤其涉及基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置。

背景技术

地球浅部矿产资源已逐渐枯竭，向地球深部进军是近期和未来我国科技创新的重要方向。不同深部赋存岩层原位岩石力学行为规律是深地钻探、深部资源开发利用、地球应用科学的先导性科学与理论基础。

深部岩石的物理力学以及化学生物等特性与其所处原位环境条件密切相关，取芯过程的原位环境损失将导致岩芯的理化性质和力学性质失真且不可逆转，其攻关的核心与关键是如何获取深部环境条件下的原位岩芯，并在原位保真状态下进行实时加载测试与分析。

目前的，原位保真取芯装置，利用钻具钻取岩芯后将岩芯存储在储芯管中，通过与储芯管相连的保压、保温及保湿装置来实现对岩芯原位环境的模拟。在进行岩芯钻取前，需要验证其保压能力，因而保真取芯器实验装置应运而生。

保真取芯器实验装置通常包括保压实验舱、液压系统等，通过液压系统向保压实验舱内注入高压液体来验证保压实验舱的保压性能。目前的保真取芯器实验装置都只能进行压力实验，而真实的原位环境通常是高温环境，现有的耐压能力测试平台无法模拟高温环境，当然也就无法验证保压舱在该高温环境下的耐压性能。

此外，现有的保压实验舱通过在筒壁上钻孔来实现与液压管路连接，钻机钻孔会损害保压实验舱，进而使实验结果不可靠。

实用新型内容

本实用新型旨在提供基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，可模拟高温环境，而且热效率快，温度均匀。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，包括用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，所述压力实验舱上有介质注入孔，所述压力实验舱上沿轴向方向间隔设有多个电加热装置和多个温度测量装置。

进一步的，每个电加热装置连接有自动开关。

其中，电加热装置设于压力实验舱内部和/或外部。

进一步的，基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置还包括箱体，所述压力实验舱置于箱体中，所述箱体上设有供实验管路穿过的第一预留孔。

进一步的，基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置还包括外部温控系统，所述箱体上设有介质入口和介质出口，所述介质入口和介质出口通过管路与外部温控系统相连。

进一步的，所述外部温控系统包括两个液体箱和泵，其中一个液体箱中的液体由泵泵至所述箱体的介质入口，所述箱体内的液体由另一台泵从所述介质出口泵至另一个液体箱。

进一步的，所述压力实验舱的舱体外筒包括第一试验件、第二试验件和中间连接件，第二试验件位于第一试验件下方，第一试验件与第二试验件通过中间连接件相连，所述介质注入孔设于中间连接件上，其中一个电加热装置设于中间连接件的内壁。

进一步的，所述压力实验舱还包括中心杆、岩心筒和用于实现压力实验舱下端密封关闭的下端密封装置，下端密封装置安装在第二试验件上；

岩心筒装于所述舱体外筒内，中心杆下端伸进岩心筒内，所述中心杆下端有外台阶，岩心筒上端有与所述外台阶适配的内台阶，当向上提升中心杆至所述外台阶与内台阶相抵时，中心杆可带动岩心筒同步向上移动；

当中心杆提升至行程终点时，岩心筒上端外壁与第一试验件内壁间密封配合。

优选地，电加热装置包括石墨烯膜、或电阻丝、或螺旋热盘管。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1，本实用新型可模拟高温环境，可给压力实验舱提供高温环境，利于还原真实的原位环境，使实验更为完整、客观，数据更加可靠；

2，本实用新型可对压力实验舱进行多段同时加热和多点位温控，不仅能提高加热效率，大大提高实验效率，而且可使内部温度更加均匀；

3，本实用新型利用中间连接件来衔接试验件，可避免在试验件上钻孔，防止对试验件造成损害，因而可还原试验件的压力环境，使得测试结果更加可靠，可提高实验的准确性。

附图说明

图1是实施方式一的结构示意图；

图2是中心杆未提升时压力实验舱的结构示意图；

图3是图2中A处的局部放大图；

图4是中心杆提升至行程终点时压力实验舱的结构示意图；

图5是图4中B处的局部放大图；

图6是实施方式一中中间连接件的结构示意图；

图7是外部液压源与压力实验舱连接时的示意图；

图8是实施方式二中中间连接件的结构示意图；

图9是实施方式二的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。

具体实施方式一

如图1所示，本实用新型公开的基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，包括用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，压力实验舱上沿轴向方向间隔设有多个电加热装置71和多个温度测量装置。

每个电加热装置71连接有自动开关，自动开关和温度测量装置均与温度控制器电连接。自动开关可选择继电器，温度测量装置选择温度传感器。

其中，电加热装置71设于压力实验舱内部和/或外部。如果空间足够，可将电加热装置71均设置在压力实验舱内部；如果空间有限，可一部分电加热装置71设于压力实验舱内部，另一部分电加热装置71设于压力实验舱外部。电加热装置71可为石墨烯膜、电阻丝、螺旋热盘管，或其他形式的加热元器件，可根据需要设于压力实验舱的舱体外筒内壁或外壁。

压力实验舱置于箱体9内，箱体9中设有安装座，压力实验舱固定在安装座上。箱体9可选择防爆箱，当有泄漏时可保证实验安全。

本实用新型可对压力实验舱10进行多段同时加热和多段温控，可大大提高实验效率，同时可使内部温度更加均匀。

压力实验舱10的结构有多种，其可为任何一个可提供密封空间的舱体结构。为了向压力实验舱10内注入高压液体，压力实验舱10侧壁开有介质注入孔14以连接外部液压源，以对的压力实验舱进行加压，模拟原位高压环境。箱体9上对应压力实验舱的介质注入孔14的位置有供实验管路穿过的第一预留孔91。

为了避免在试验件上钻孔，防止损害试验件。如图2-5所示，本实用新型公开一种分体式的压力实验舱，图2-5中未示出电加热装置71。压力实验舱包括舱体外筒1、中心杆2、岩心筒3和下端密封装置。舱体外筒1包括第一试验件11、第二试验件12和中间连接件13。第一试验件11、第二试验件12和中间连接件13均为筒状结构，中间连接件13将第一试验件11和第二试验件12衔接在一起形成一个分体式舱体结构。

中间连接件13两端设有连接螺纹，以便于与试验件连接。连接螺纹可为外螺纹或内螺纹，具体情况根据试验件而定。中间连接件13与第一实验件11和第二实验件12间安装有密封圈，螺纹密封加上密封圈密封可提高密封性能。

本实用新型将液体注入孔14设于中间连接件13上，从而可避免在实验件上钻孔，防止对实验件造成损害，因而可还原试验件的压力环境，使得测试结果更加可靠。

其中一个电加热装置71设置在中间连接件13内壁。本实施方式中电加热装置71包括螺旋热盘管17。如图6所示，螺旋热盘管17嵌装在中间连接件13内壁的环形凹槽19中。

其中一个点位的温度测量装置也一并设置在中间连接件13内壁。中间连接件13筒壁上还设有水密接头安装孔18，用于电加热装置71和温度温度测量装置走线。

本实施方式中压力实验舱10的下端密封装置为翻板阀5，翻板阀5包括阀座51、阀瓣52和弹性件53，阀座51安装在第二试验件12底部，阀瓣52一端与阀座51上端外侧壁活动连接，阀座51顶部有与阀瓣52匹配的阀口密封面。弹性件53为弹片或者扭力弹簧。

在另一实施方式中压力实验舱10的下端密封装置可为密封端盖，密封端盖与舱体外筒1下端口螺纹配合实现密封。

岩心筒3位于舱体外筒1内，中心杆2下端伸进岩心筒3内，中心杆2下端有外台阶23，岩心筒3上端有与外台阶23适配的内台阶32，当向上提升中心杆2至外台阶23与内台阶32相抵时，中心杆2可带动岩心筒3同步向上移动。同时由于外台阶23与内台阶32的相抵持，可实现中心杆2外壁与岩心筒3内壁间在该抵持部位形成密封。

中心杆2外壁与岩心筒3的抵持部位的密封性能与中心杆2和岩心筒3间的轴向压力有关。而中心杆2和岩心筒3间的轴向压力大小由中心杆2所受的拉力决定。因而如图1所示，本实用新型在拉取机构7与中心杆2之间设有拉力测试装置70，通过拉力测试装置70可中心杆2所受的拉力，进而可验证在不同拉力情况压力实验舱10的密封性能。拉力测试装置70可采用拉力计，其两端分别与中心杆2和拉取机构7螺纹连接。本实施方式中，拉取机构7为液压缸。当然的，箱体9上轴向正对中心杆2的位置有用于提拉中心杆2的第二预留孔94。

第一试验件11内壁有用于轴向限制岩心筒3的第一限位台阶16，当岩心筒上端面21抵在第一限位台阶16上时，中心杆2提升至行程终点。

如图2、3所示，初始状态下，岩心筒3位于舱体外筒1下端并位于阀座51中。此时，阀瓣52开启90°且位于岩心筒3与第二试验件12之间；

当向上提升中心杆2至外台阶23与内台阶32相抵时，中心杆2可带动岩心筒3同步向上移动；

当通过中心杆2将岩心筒3向上提升至一定高度时，阀瓣52在弹性件53及重力作用下回到阀座51顶面与阀口密封面密封接触，实现阀门的关闭。

如图4、5所示，当中心杆2继续向上提升至行程终点时，岩心筒3上端外壁与第一试验件11内壁间密封配合。

岩心筒3上端外壁安装两道密封圈22实现与第一试验件11筒壁的密封。此时，又由于中心杆2外壁与岩心筒3内壁间在外台阶23与内台阶32的抵持部位形成密封，从而完成压力实验舱10上端的密封。压力实验舱10下端又由翻板阀5封闭，从而在压力实验舱10内形成一个用于存放岩心的密封空间。

为增加翻板阀5的密封比压，压力实验舱10还包括触发机构4，触发机构4包括触发内筒41、触发块42和触发弹簧43，触发内筒41侧壁上设有通孔，触发块42放置于通孔中，岩芯筒3底部外侧壁有与触发块42适配的凸起部31；第二试验件12内壁有与触发块42适配的避让口15，触发块42位于阀瓣52上方，避让口15位于触发块42上方。避让口15底部有一引导斜面，该引导斜面便于触发块42从下往上滑入避让口15内，同时也便于触发块42从上往下滑出避让口15。

触发弹簧43套在触发内筒41外，触发内筒41外壁设有台肩44，触发弹簧43压缩在台肩44与第二试验件12内壁台阶面之间，触发弹簧43位于触发块42上方；

当岩芯筒3位于阀座51中时，触发内筒41位于岩芯筒3与第二试验件12之间，触发内筒41下端与阀座51止口配合，触发块42外凸于触发内筒41的内侧壁；

当将岩芯筒3向上提升至第一高度时，岩芯筒3的凸起部31抵持住触发块42，从而可带动触发内筒41同步向上移动；

当将岩芯筒3继续向上提升至第二高度时，触发块42被凸起部31推至避让口15中，从而使触发块42避开凸起部31；

当将岩芯筒3继续向上提升至岩芯筒3底部越过避让口15时，触发块42失去岩芯筒3的作用力，触发内筒41在重力和触发弹簧43作用下带动触发块42回落压在关闭的阀瓣52上。

基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置的实验方法，如图7所示，将压力控制系统6的高压管路穿过箱体9上的第一预留孔91与中间连接件13上的液体注入孔14连接。

通过压力控制系统6向压力实验舱10的密封空间内注入高压液体。压力控制系统6包括油箱61和变频超高压柱塞泵62，油箱61中的油经变频超高压柱塞泵62泵至加压中间件13上的液体注入孔14，然后填满压力实验舱10的密封空间。

于此同时，通过多个电加热装置71对压力实验舱10进行多段加热，同时通过多个温度传感器对压力实验舱10进行多点位温度监测；

当某一点位温度到达预设的上阈值时，关闭该点位对应的电加热装置71；

当某一点位温度到达预设的下阈值时，开启该点位对应的电加热装置71，从而使压力实验舱10内部温度恒定在一定范围内。

保压指定时间后，系统进行安全泄压和降温，保压指定时间根据实验需要进行设置。这个过程中可监测监测第一试验件11和第二试验件12筒壁的变形情况，对保压实验舱筒壁强度设计进行验证，以便从结构上、材料上对保真取芯钻机进行改进。

具体实施方式二

本实施方式中电加热装置包括石墨烯膜。为便于安装石墨烯膜，采用在铝筒上电镀石墨烯膜的方式来制作该电加热结构。具体如图8所示，石墨烯膜21镀在铝筒20的内筒壁上，中间连接件13内壁上设有用于安装铝筒20的环形凹槽19，将电镀有石墨烯膜21的铝筒20嵌装在中间连接件13内壁的环形凹槽19中。环形凹槽19深度为根据铝筒20厚度设置，例如环形凹槽19的深度与铝筒20的壁厚均设为3mm。

试验件上的电加热装置可采用相同的方式进行安装。

应当注意，铝筒20的安装位置应避开液体注入孔14或者在铝筒20对应液体注入孔14位置处开通孔，以供介质通过。

具体实施方式三

本实施方式与实施方式一和二的区别在于：如图9所示，本实施方式还包括外部温控系统8，箱体上设有介质入口93和介质出口92，介质入口93和介质出口92通过管路与外部温控系统8相连。

外部温控系统8包括两个液体箱81和泵82，其中一个液体箱81中的液体由泵82泵至箱体的介质入口93，箱体内的液体由另一台泵82从介质出口92泵至另一个液体箱81。液体箱81中的介质可为油也可为水。

外部温控系统8可作为加热系统用，将液体箱81中的介质换为热介质，可对压力实验舱10进行外部加热，同时进行内外加热，可进一步提高热效率。

外部温控系统8也可作为冷却系统用，液体箱81内装的是冷却介质，需要降低温度时，可通过外部温控系统8向箱体9注入冷却介质进行热交换，从而快速降低压力实验舱10内的温度，利于提高实验效率。外部温控系统8通过继电器智能控制启停。

当然，本实用新型还可有其它多种实施方式，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，包括用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，其特征在于：所述压力实验舱上沿轴向方向间隔设有多个电加热装置和多个温度测量装置，所述压力实验舱上有介质注入孔。

2.根据权利要求1所述的基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，其特征在于：每个电加热装置连接有自动开关。

3.根据权利要求1所述的基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，其特征在于：电加热装置设于压力实验舱内部和/或外部。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，其特征在于：它还包括箱体，所述压力实验舱置于箱体中，所述箱体上设有供实验管路穿过的第一预留孔。

5.根据权利要求4所述的基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，其特征在于：它还包括外部温控系统，所述箱体上设有介质入口和介质出口，所述介质入口和介质出口通过管路与外部温控系统相连。

6.根据权利要求5所述的基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，其特征在于：所述外部温控系统包括两个液体箱和泵，其中一个液体箱中的液体由泵泵至所述箱体的介质入口，所述箱体内的液体由另一台泵从所述介质出口泵至另一个液体箱。

7.根据权利要求1所述的基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，其特征在于：所述压力实验舱的舱体外筒包括第一试验件、第二试验件和中间连接件，第二试验件位于第一试验件下方，第一试验件与第二试验件通过中间连接件相连，所述介质注入孔设于中间连接件上，其中一个电加热装置设于中间连接件的内壁。

8.根据权利要求7所述的基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，其特征在于：所述压力实验舱还包括中心杆、岩心筒和用于实现压力实验舱下端密封关闭的下端密封装置，下端密封装置安装在第二试验件上；

岩心筒装于所述舱体外筒内，中心杆下端伸进岩心筒内，所述中心杆下端有外台阶，岩心筒上端有与所述外台阶适配的内台阶，当向上提升中心杆至所述外台阶与内台阶相抵时，中心杆可带动岩心筒同步向上移动；

当中心杆提升至行程终点时，岩心筒上端外壁与第一试验件内壁间密封配合。

9.根据权利要求1、2、3、5、6、7或8所述的基于多段式温控反馈的保真取芯器实验装置，其特征在于：所述电加热装置包括石墨烯膜、或电阻丝、或螺旋热盘管。

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