专利名称：一种变容气箱的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变容气箱，更具体涉及一种变容压力脉冲法测量岩石流体渗 透系数实验装置中的变容容器；尤其适用于对低渗、难渗岩石(如泥岩、岩盐等) 流体渗透系数在大范围内变化的快速精确测量。
背景技术：
渗透性是孔隙和裂隙介质的一种重要性质。近年来，由于油气地下储存、压 缩空气蓄能工程的安全性评价需要研究岩盐、泥岩等在循环荷载作用下变形破坏 过程中的渗透性变化。这对渗透系数测量装置提出很高的要求1、能够测量低
渗透系数(低至l(T22m2); 2、量程要足够大，因为破坏变形时，材料渗透系数 变化幅度可达6个量级(如10-22-10-17m2); 3、快速测量(小于lh)，因为材料 的时间效应明显;4、能够施加孔隙压力，再现工程围岩孔隙压力条件(达20MPa)。
室内低渗透测量方法主要有定容脉冲法(传统压力脉冲法)、恒流泵法和压 力振荡法。其中定容脉冲法和恒流泵法的局限是量程小，如果要扩大量程，惯用
方法是延长测量时间。然而，测量时间的延长，会导致误差增大，同时测量结果 受材料蠕变的影响；压力振荡法的局限是装置对频率的依存性大，精度较低，技 术不成熟，造价很高。
而自1968年压力脉冲法首次由Brace提出至今，此方法只在理论及计算方 法上有所改进，在试验方法及装置上并没有实质性改进。作者于2007年将基于 流体综合压縮性可变的变容水量容器(专利号200720077599.2)应用于压力 脉冲法试验装置中，即为变容压力脉冲法及其试验装置，使得传统压力脉冲法 及试验装置得到了实质性改进，且后继亦进行了多次完善设计，成功开发了测
4试装置。变容压力脉冲法及试验装置优点在于测量量程大、测量速度快。原变 容脉冲法装置在测量时间、量程和孔隙压力上能够满足岩盐、泥岩的测量要求， 但还不能满足低渗透系数测量的要求。本发明专利所发明的一种变容气箱用来 替代原变容脉冲法装置中的变容容器，可以满足低渗透测量要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服原变容脉冲法装置中变容容器不能测量低渗透 系数的缺点和不足，本发明的目的是在于提供了一种变容气箱，是一种替代采用 变容压力脉冲法测量岩石流体渗透系数实验装置中的变容容器。变容气箱结构简 单、读数方便、稳定性好、可操作性强、测量效率及精度高，各零部件经久耐用， 不易耗损，经济性强、实用性强，具有广泛的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施-
本发明由气箱部分、活塞部分和读数部分组成。气箱部分包括进/出气口、 外筒、内衬、气腔、盖板、锁紧装置和螺栓；活塞部分包括活塞头、密封圈、轴 承、后盖、螺栓、活塞轴、高精度丝杆、底座和旋钮；读数部分包括支撑套筒、 固定套筒、销钉和微分筒。 一种变容气箱，其特征在于进/出气口设置在外筒 前端，外筒内壁贴有内衬，内衬与活塞头及密封圈围成封闭气腔，盖板通过螺栓 盖在外筒开口端，盖板后侧面设置锁紧装置；所述的活塞部分的前半部分放置在 气箱内，包括活塞头、密封圈、轴承、后盖、螺栓和活塞轴前半部分，互相连接 形成整体放置在气箱部分内，其中，密封圈嵌置在活塞头圆板侧面凹槽内，活塞 轴前半部分插入轴承，并随轴承一起插入活塞头后端，后盖通过螺栓盖在活塞头 末端，活塞部分的后半部分放置在气箱外，套在读数部分内，包括活塞轴后半部 分的高精度丝杆、底座和旋钮，其中，高精度丝杆末端插入底座的前端，读数部 分套在活塞轴和底座外，支撑套筒套在活塞轴外，前端插入盖板后端，固定套筒 套在支撑套筒外，微分筒套在高精度丝杆外，前端套在固定套筒上，后端套在底 座上，读数部分的主尺刻度设置在固定套筒水平基线的上下，微分刻度设置在微 分筒的前端。
活塞部分的前半部分放置在气箱里面，后半部分在气箱外面，读数部分套在 活塞部分后半部分外面。气箱部分的进/出气口设置在外筒的前端轴心处，外筒内壁紧贴有内衬，内衬里面放置活塞部分的前半部分，这前半部分包括活塞头、 密封圈、轴承、后盖和活塞轴前半部分，密封圈嵌置在活塞头圆盘侧边的凹槽内， 密封圈外缘紧压着内衬，由活塞头、密封圈和内衬围成的密闭空间就是气腔。活 塞部分前半部分的活塞轴前端插入轴承内，并与轴承一起嵌入活塞头后端，盖上 后盖闭合，这样，活塞前半部分形成一个整体，可以在气箱里面向前或向后推进， 向前推进到最前端时，气腔最小，向后推进到气箱末端，气腔最大，气箱末端有 盖板盖住。活塞前半部分在气箱里面推进是依靠活塞后半部分的螺旋旋转推进 的。活塞部分后半部分包括高精度丝杆、底座和旋钮。其中，高精度丝杆为活塞 轴后半部分，其末端插入底座前端面，旋钮插入底座后端面，这样，活塞后半部 分形成一个整体，通过旋转旋钮，带动底座和高精度丝杆旋转，高精度丝杆螺旋 外丝与读数部分的支撑套筒内丝咬合，借由支撑套筒内丝向前或向后推进，从而 推动活塞前半部分的滑动。支撑套筒套住活塞轴，固定套筒套住支撑套筒，并用 销钉固定，微分筒套在高精度丝杆外面，前端面套在固定套筒上，可以绕着固定 套筒旋转，后端面套在底座上，随底座一起旋转。通过读数部分的主尺刻度结合 微分刻度来读取气腔量度，主尺刻度设置在固定套筒水平基线上下，微分刻度设 置在微分筒前端。
外筒内设置内衬，内衬是用高滑动性材料制成，是为减小活塞头上密封圈在 气箱内滑动的阻力，降低密封圈与内衬的摩擦耗损；活塞头通过活塞轴旋转来推 进，活塞轴前端插入轴承，通过轴承来推进活塞头，是为平稳均衡推进活塞头， 避免活塞头在推进过程中出现倾斜，造成计量误差；活塞轴后半部分为一高精度 螺旋丝杆，每旋转一圈，活塞螺杆向前或向后推进0.5mm;转动旋钮，带动底座 旋转；底座旋转带动微分筒和活塞轴一起转动，活塞轴后半部分设计成高精度丝 杆，高精度丝杆外丝与支撑套筒内丝咬合，通过螺旋旋转推动活塞轴平动；活塞 头在气箱内的位置调节好后，锁定锁紧装置，固定活塞轴，使得活塞的前半部分 不得随意晃动，以防造成气腔计量误差。气腔内充入气体作为渗透介质。
通过以上方案及措施设计的变容气箱，既保留了原变容容器大量程、测时快、 高孔隙压等优势，又有效解决了原变容容器不能测量低渗透性试件的问题，效果 显著。
本发明工作原理利用气体的压縮系数比水的压縮系数大得多的特点，本发明设计的变容气箱 用来替代原变容脉冲法实验装置中的变容容器，采用气体(如氮气N》作为渗透 介质，以满足测量更低渗透系数的要求；本发明的活塞部分利用螺旋推进的原理， 即通过高精度丝杆的外丝与支撑装置的内丝旋转，推进活塞轴，从而推进活塞头 在气箱内部沿内衬向前或向后滑动，以精确调节气腔大小；本发明的高精度丝杆 利用螺旋测微的原理，即高精度丝杆每旋转一圈，活塞轴本身向前或向后推 0.5腿，以此类推，最小可推进0.01誦，最大可推进到满量程，这也是气腔大小 的变化范围。本发明用于替代原变容脉冲法实验装置中的变容容器，可以通过控 制系统压力来控制气腔的压力，从而可以精确控制气腔内气体的体积和压力，也 就可以精确控制气腔的压缩性，可以根据被测试件的需要调节气腔压縮性；本发 明设计的变容气箱内气腔的大小是通过读取微分筒前端面左侧固定套筒上的主 尺读数结合微分筒前端面圆周上的微分读数来计量的。具体地说，通过进/出气 口进气，控制一定的压力条件下，转动旋钮推出活塞头，此时气腔增大，气腔的 压縮性提高；反之，压力不变条件下，反方向转动旋钮推进活塞头，则气腔减小， 气腔的压縮性降低，以此来达到变容的目的；本发明的量程取决于气箱容积的大 小，可根据实验目的和用途设计气箱容积，此处设计为1000ml，则气腔的压縮 性在一定压力条件下可在6个量级范围内调节。
整个过程实现了在不影响试验整体性、时效性和操作连续性条件下，气腔压 缩性可根据试验需求随意调整，直至合适大小。
本发明具有以下优点和积极效果
1) 本发明釆用气体作为渗透介质，气体的压縮性比水大得多，可以满足测 量更低渗透系数的要求。
2) 在试验过程中，可实时调整改变气腔的大小，从而改变气腔的压縮性， 可以满足变容的要求。
3) 本发明的气箱部分容积设计为1000ml，也就是气腔体积最大为1000ml， 随着活塞头在气箱内推进推出，气腔体积可以在0-1000ml范围内精确 调节和控制，精度在0.01ml，因此气腔压縮性在一定压力条件下可以在 6个量级范围内精确调节和控制，可以满足大量程测量的要求。
4) 本发明的读数部分通过固定套筒上的刻度结合微分筒上的刻度，精度在
7O.Olmm，可以实时读数，省时方便，精度高，误差小。
5) 装置的零配件材料不易耗损，经济性高，降低了试验成本和复杂性，提 高了试验可操作性。
6) 试验原理成熟、装置结构简单、螺旋丝杆精度高、效率高、稳定性好、 易于装配和操作、实验过程中无需拆卸。
7) 能根据不同岩石试件渗透系数测量需要，实现整个试验过程中只用一套 变容气箱，从而有效地节省了人力、物力和财力。
总之，本发明用于替代原变容脉冲法实验装置中的变容容器，实现了低渗透 测量(低至10—22m2)、大量程测量(ltTW-lO—'W)、快速测量(一次测量时间不 超过lh)、试件渗透系数测量重复性高(小于5%)、高孔隙压条件(20MPa)，克 服了原有变容容器不能测低渗透性试件的不足，提供一种新型变容气箱。实现研 究循环荷载下低渗透岩石(如岩盐、泥岩)在变形破坏过程中的大范围渗透系数 变化规律提供技术保障。
图1为一种变容气箱结构示意图(a.右视立面图)； 图2为一种变容气箱结构示意图(b.右视剖面图)
图3为气箱部分结构示意图4为内衬结构示意图；(a.右视图)
图5为内衬结构示意图；(b.后视图) 图6为活塞部分结构示意图7为读数部分结构示意图。
其中
IO—气箱部分，
11一进/出气口， 12—外筒，13—内衬，14一气腔，15_盖板， 16—锁紧装置，17—螺栓； 20—活塞部分，21—活塞头，22—密封圈，23—轴承，24—后盖，25—螺栓， 26—螺杆轴，27—高精度丝杆，28—底座，29—旋钮； 30——读数部分，
31—支撑套筒，32—固定套筒，33—销钉，34—微分筒。
具体实施例方式
下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明 一、各部件的结构
1、 内衬13
根据图1、图2、图4和图5所示，可知内衬13设置在气箱部分10的外 筒12里面，紧贴在外筒12内壁，完全贴合，没有缝隙。所述的内衬13与活塞 头21圆板面及侧边的密封圈22围成密闭的空间气腔14。内衬13为一种高滑动 性、不粘、耐磨损、耐压、耐热、耐蚀材料制成的如图2所示的圆筒形构件。所 述的内衬13为高滑动性耐压材料制成的圆筒型衬砌。内衬13釆用通用压力容器 形成方法制成(本领域的普通技术人员均能制备)。
2、 气箱部分IO
如图1、图2、图3、图4和图5所示进/出气口 11设置在外筒12的前端， 试验系统中所用的作为渗透介质的气体就是通过进/出气口 11注入或排出气腔 14的，从而改变气腔14的体积，也就是调节气腔14的压缩性大小。紧贴着外 筒12内壁的是内衬13，是为减小活塞部分20在其内的滑动阻力。内衬13与活 塞前半部分所包围的密闭空间就是气腔14，这里，气腔最大值设计为1000ml气 体，读数部分最小刻度为0.01ml，因此气腔14可在6个量级范围内调节。在一 定的压力条件下，活塞部分20向前推进时，气腔14则会减少，即气腔14压縮 性会减小；反之，活塞部分20向外推出时，气腔14会增加，即气腔14压縮性 会增加。外筒12末端用盖板15盖上，盖板15通过螺栓17连接固定在外筒12 上。盖板15也是采用通用压力容器形成方法制作成的如图示形状的部件。所述 的活塞部分20的前半部分包括活塞头21、密封圈22、轴承23、后盖24、螺栓 25和活塞轴26前半部分，互相连接形成整体放置在气箱部分10内。所述的锁
9紧装置16设置在盖板15后端的侧面，锁紧装置16设置在盖板15后端侧面，当 气腔14大小调节好时，锁定锁紧装置16,也就锁定了活塞轴26，这样气腔14 的体积大小就固定了，如果要重新调节气腔14的大小，只需打开锁紧装置16，
转动活塞部分20。
3、 活塞部分20
根据图l、图2、图3和图6可知活塞部分20的前半部分放置在气箱部分 IO内部，后半部分放置在气箱部分10外面，但套在读数部分30里面。所述的 活塞部分20的前半部分包括活塞头21、密封圈22、轴承23、后盖24、螺栓25 和活塞轴26前半部分，互相连接形成整体放置在气箱部分10内。其中，密封圈 22箍在活塞头21圆板侧边凹槽内，外缘压着气箱部分10的内衬13，是为密闭 气腔14，防止气腔14内气体泄漏，另外，活塞头21也是通过密封圈22沿着内 衬13内壁向前或向后推进的；活塞轴26前端插入轴承23内，并与轴承23—起 插入活塞头21，盖上后盖24,拧紧螺栓25，轴承23是为减小活塞轴26的旋转 阻力，同时，轴承23平稳推进活塞头21，使活塞头21及密封圈22整体平动， 以免活塞头21前端面倾斜，影响气腔14大小的计量。活塞部分20的后半部分 包括活塞轴26的后半部分，即高精度丝杆27，还有底座28和旋钮29，其中， 高精度丝杆27插入底座28前端面，旋钮29插入底座28后端面。所述的活塞轴 26前端插入轴承23内，并与轴承23 —起插入活塞头21后端。所述的旋钮29 插入底座28后端，活塞轴26插入底座28前端。转动旋钮29，带动底座28旋 转，同时带动活塞轴26旋转，高精度丝杆27外丝与支撑套筒31内丝咬合旋转 推进，使得活塞轴26向前或向后推进，活塞轴26带动轴承23旋转推进，轴承 23推进带动活塞头21向前或向后推进。高精度丝杆27螺距为0. 5mm，即每旋转 一周，与之一体的活塞轴26、轴承23及活塞头21将推进0. 5腿。以上活塞头 21、后盖24、活塞轴26、底座28及旋钮29都是用通用压力构件制作方法制成 的如图所示形状的构件。
4、 读数部分30
如图l、图2、图3和图7所示支撑套筒31套在活塞轴26外面，前端插 入气箱部分10的盖板15后端，其内丝咬合高精度丝杆27外丝。固定套筒32 套在支撑套筒31外面，并用销钉33固定在支撑套筒31上，主尺刻度设置在固定套筒32水平基线的上下，主尺精度为0. 5mm。微分筒34套在高精度丝杆27 外面，前端箍在固定套筒32上，后端箍在底座28上，并随底座28旋转，微分 刻度设置在微分筒34前端面圆周上，微分精度为0. Olmm。读数部分30用来读 取气腔14体积的数值，数值的整数部分为微分筒34左端固定套筒32上所显示 的刻度，数值的小数部分为微分筒34前端圆周上由主尺水平基线所对应的微分 刻度，将主尺刻度与微分刻度相加所得的数值，乘以气腔截面面积即可得气腔 14的体积大小。以上支撑套筒31、固定套筒32和微分筒34都是用普通压力构 件制成方法所制成的如图所示形状的构件。
5、 密封圈22
如图l、图2和图6所示所述的密封圈22嵌置于活塞头21圆板侧边的凹 槽内，内衬13压着密封圈22外缘。用于压紧活塞头21和内衬13，密封气腔14， 同时减小活塞部分20在气箱部分10内部的滑动阻力，亦减小材料和构件的耗损。 密封圈22为通用高弹性密封件。
6、 螺栓17、螺栓25和销钉33
如图1、图2、图3、图6、图7所示螺栓n、螺栓25和销钉33均为常 用件。螺栓17用来连接盖板15和外筒12，用于紧固密封气箱部分10;螺栓25 用来连接后盖24和活塞头21，用于紧固密封轴承23;销钉33用来卡紧固定套 筒32，使之固定不动。
二、 使用方法
根据被测试件材质，调整好气腔14大小，待整个气腔随系统抽真空后，通 过进/出气口 ll注入气体(如氮气N》至初始压力，然后放置一段时间。由每一 时刻的气腔14的体积和压力，可以换算气腔14的压縮性。
三、 气腔压缩性的计量 气腔压缩性计量公式为
St'=CgXV8 (1)
VB=AXL (2)
其中
S^—气腔压縮性；&一某压力下所对应的气体压缩系数；
、一气腔体积；
A—气腔横截面面积；
L一气腔长度，即读数部分所读取的刻度数值。
一种变容气箱的气腔横截面面积A是已知的，气腔在某一时刻的长度L是通过读取该时刻主尺数值加上微分数值所得，气体某一压力下的压缩系数Cg目前又现成可靠的数据可査用，气体的压力状态由系统压力可知。此时，将各数据代入以上公式可得到气腔压縮性S^。由此可见，通过调节气箱内气腔长度的大小，或者改变气腔压力，就可以改变气腔压縮性大小。
权利要求
1、一种变容气箱，它由气箱部分(10)、活塞部分(20)和读数部分(30)组成，其特征在于进/出气口(11)设置在外筒(12)前端，外筒(12)内壁贴有内衬(13)，内衬(13)与活塞头(21)及密封圈(22)围成封闭气腔(14)，盖板(15)通过螺栓(17)盖在外筒(12)开口端，盖板(15)后侧面设置锁紧装置(16)；所述的活塞部分(20)的前半部分放置在气箱内，包括活塞头(21)、密封圈(22)、轴承(23)、后盖(24)、螺栓(25)和活塞轴(26)前半部分，互相连接形成整体放置在气箱部分(10)内，其中，密封圈(22)嵌置在活塞头(21)圆板侧面凹槽内，活塞轴(26)前半部分插入轴承(23)，并随轴承(23)一起插入活塞头(21)后端，后盖(24)通过螺栓(25)盖在活塞头(21)末端，活塞部分(20)的后半部分放置在气箱外，套在读数部分(30)内，包括活塞轴(26)后半部分的高精度丝杆(27)、底座(28)和旋钮(29)，其中，高精度丝杆(27)末端插入底座(28)的前端，读数部分(30)套在活塞轴(26)和底座(28)外，支撑套筒(32)套在活塞轴(26)外，前端插入盖板(15)后端，固定套筒(33)套在支撑套筒(32)外，微分筒(34)套在高精度丝杆(27)外，前端套在固定套筒(33)上，后端套在底座(28)上，读数部分(30)的主尺刻度设置在固定套筒(33)水平基线的上下，微分刻度设置在微分筒(34)的前端。
2、 根据权利要求1所述的一种变容气箱，其特征在于所述的内衬(13) 为高滑动性耐压材料制成的圆筒型衬砌。 、'
3、 根据权利要求1所述的一种变容气箱，其特征在于所述的密封圈(22) 嵌置在活塞头(21)圆板侧边的凹槽内，内衬(13)压着密封圈(22)外缘。
4、 根据权利要求1所述的一种变容气箱，其特征在于所述的内衬(13) 与活塞头(21)圆板面及侧边的密封圈(22)围成密闭的空间气腔(14)。
5、 根据权利要求1所述的一种变容气箱，其特征在于所述的活塞轴(26) 前端插入轴承(23)内，并与轴承(23) —起插入活塞头(21)后端。
6、 根据权利要求1所述的一种变容气箱，其特征在于所述的旋钮(29) 插入底座(28)后端，活塞轴(26)插入底座(28)前端。
7、根据权利要求1所述的一种变容气箱，其特征在于所述的锁紧装置(16) 设置在盖板(15)后端的侧面。
全文摘要
本发明公开了一种变容气箱，它由气箱、活塞和读数部分组成。进/出气口设置在外筒前，外筒内壁贴有内衬，内衬和活塞头围成气腔，盖板通过螺栓连接外筒，锁紧装置设置在盖板侧。活塞部分的前半部分放置在气箱内，活塞头圆板侧边凹槽内嵌入密封圈，活塞轴前端插入轴承，并随同轴承一起插入活塞头后端中心处，封住活塞头。高精度丝杆末端插入底座，旋钮插入底座后端。支撑套筒套在活塞轴外，前端嵌入气箱部分盖板后端，固定套筒紧套在支撑套筒外，用销钉固定在支撑套筒上，微分筒前端面紧贴固定套筒，后端面紧贴底座。本发明操作简单、读数方便、装置稳定、气腔压缩性读数精度高，测量范围广，测低渗透试件试验速度快，提高了测量精度。
文档编号G01N15/08GK101504349SQ20081023667
公开日2009年8月12日 申请日期2008年12月4日 优先权日2008年12月4日
发明者李小春, 颖 王, 宁 魏 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所