原位保真取芯系统的制作方法

本实用新型属于岩体原位力学研究领域，尤其是涉及一种原位保真取芯系统。

背景技术：

在进行岩石力学试验研究时，通常是先取出岩石或岩芯地表，并将其加工为标准试件后再进行试验。然而，将岩芯从原位环境中取出后，原本的压力释放，岩芯接触外界空气后部分成分被氧化，且温度和湿度均与原位环境中不同，此时的岩石力学行为分析并不能体现真实原位环境下的岩体力学行为特征。为了实现对岩体原位环境进行探索，其前提是在进行岩石钻探时实现原位保真(保压、保温、保湿、保光)取芯。

目前，国内已然开展了大量的科学岩石钻探研究，但暂时还没有关于原位高保真取芯系统及取芯方法的介绍。为了能够保证钻取出的岩芯能够在试验过程中再现其在原位环境下的特性，亟需一种原位高保真取芯系统。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是为了克服现有技术中钻取出的岩芯不能体现真实原位环境下的岩体力学特性的缺点，提供一种原位保真取芯系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：原位保真取芯系统，包括取芯钻具和岩芯保真设备，取芯钻具包括钻头及与钻头上端相连接的钻具本体，所述钻具本体靠近钻头的一端侧壁上设置有压力测试装置，压力测试装置上方设置有温度测试装置及湿度测试装置；岩芯保真设备包括设备本体，设备本体中心设置有可在其内部自由轴向滑动的储芯管，所述储芯管为中空腔体，用于存储钻取后的岩芯，设备本体外壁上设置有保压装置、保温装置及保湿装置，保压装置、保温装置及保湿装置分别与储芯管相连，还包括与设备本体前端相连的球阀，通过控制球阀的转动能够控制岩芯保真设备的启闭；压力测试装置、温度测试装置及湿度测试装置分别与保压装置、保温装置及保湿装置一一相连，保压装置、保温装置及保湿装置分别能够根据压力测试装置、温度测试装置及湿度测试装置测得的数据控制保持所取岩芯的压力、温度及湿度；打开球阀，进行岩芯钻取，随着取芯钻具的钻进，钻取的岩芯逐步进入到储芯管内，完成钻取岩芯后，关闭球阀，钻取的岩芯完全存储在封闭的储芯管内。

进一步的，压力测试装置包括压力测量模块、第一数据收集模块、第一数据发射模块，第一数据收集模块分别与压力测量模块及第一数据发射模块相连，第一数据收集模块用于收 集处理压力测量模块测得的数据，所述第一数据发射模块用于将数据发送给保压装置；温度测试装置包括温度测量模块、第二数据收集模块、第二数据发射模块，第二数据收集模块分别与温度测量模块及第二数据发射模块相连，第二数据收集模块用于收集处理温度测量模块测得的数据，所述第二数据发射模块用于将数据发送给保温装置；湿度测试装置包括湿度测量模块、第三数据收集模块、第三数据发射模块，第三数据收集模块分别与湿度测量模块及第三数据发射模块相连，第三数据收集模块用于收集处理湿度测量模块测得的数据，所述第三数据发射模块用于将数据发送给保湿装置。

具体的，保压装置包括压力调整模块、活塞、气体充放装置及浆液箱，第一数据接收模块与压力调整模块相连，压力调整模块与气体充放装置相连，浆液箱与储芯管内部连通，气体充放装置推动活塞在浆液箱中自由滑动；保湿装置包括湿度调整模块、纯净水箱及钻孔浆液箱，纯净水箱用于存放纯净水，钻孔浆液箱用于收集系统钻进过程中产生的钻孔浆液，浆液箱用于存放由钻孔浆液箱和/或纯净水箱注入的液体，形成混合溶液，纯净水箱及钻孔浆液箱分别通过单向阀门与浆液箱相连，纯净水箱内设有第一气体充放装置及第一活塞，第一气体充放装置推动第一活塞在纯净水箱中自由滑动，钻孔浆液箱内设有第二气体充放装置及第二活塞，第二气体充放装置推动第二活塞在纯净水箱中自由滑动，湿度调整模块分别与第一气体充放装置、第二气体充放装置及单向阀门相连，通过纯净水箱中的纯净水及钻孔浆液箱的钻孔浆液流入浆液箱来调节浆液箱中的浓度，而后再推动混合后的浆液流入储芯管。

优选的，保温装置包括相互连接的温度控制模块及温度调节模块，温度调节模块位于储芯管外侧，温度调节模块根据温度控制模块发出的信号对储芯管进行温度调节。

本实用新型的有益效果是：装置易于操作，在取芯过程中能够实时测量周围环境的压力、温度及湿度以，反馈给岩芯保真设备进行调节，保持保真岩芯所处原始环境中的原始压力、温度、湿度状态，并且在取样后能够密封储存在密闭的储芯管，使岩芯处于与原始环境同等光度条件下，始终保证岩芯的原位性和保真性，实现对岩芯的保压、保温、保湿、保光，完成原位保真取芯，有助于探知原位环境和研究岩体力学行为，为评估岩体力学特性研究提供了更加精确的数据。本实用新型适用于岩体力学特性研究。

附图说明

图1是本实用新型取芯过程中岩芯刚达到预定长度时的系统结构示意图；

图2是本实用新型完成取芯后的系统结构示意图；

图3是图1中A-A面的剖视图；

图4是图1中B-B面的剖视图；

图5是保压装置、保湿装置与储芯管的结构示意图；

图6是图5中C-C面的剖视图；

图7是保温装置储芯管的结构示意图；

其中，1为取芯钻具，2为设备本体，3为压力测试装置，4为温度测试装置，5为湿度测试装置，6为储芯管，61为钻取的岩芯，7为保压装置，8为保湿装置，9为保湿装置，10为球阀，71为压力调整模块，72为活塞，73为气体充放装置，74为浆液箱，81为温度控制模块，82为温度调节模块，91为湿度调整模块，92为纯净水箱，93为钻孔浆液箱。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本实用新型的技术方案。

如图1-4所示，本实用新型的原位保真取芯系统，包括取芯钻具1和岩芯保真设备，取芯即钻取岩芯，取芯钻具1包括钻头及与钻头上端相连接的钻具本体，钻头及钻具本体选用现有技术的针对岩石的钻具即可，所述钻具本体上靠近钻头的一端侧壁上设置有压力测试装置3，压力测试装置3上方设置有温度测试装置4及湿度测试装置5，换言之，压力测试装置3集成于取芯钻具1钻头附近，温度测试装置4与湿度测试装置5集成在取芯钻具1上。

岩芯保真设备包括设备本体2，设备本体中心设置有可在其内部自由轴向滑动的储芯管6，所述储芯管6为只有首端开启而末端密封的中空腔体，在钻取过程中利用储芯管6存储钻取的岩芯61，设备本体2的外壁内侧上设置有保压装置7、保温装置8及保湿装置9，保压装置7、保温装置8及保湿装置9分别与储芯管6相连。压力测试装置3、温度测试装置4及湿度测试装置5分别与保压装置7、保温装置8及保湿装置9一一相连，保压装置7、保温装置8及保湿装置9分别能够根据压力测试装置3、温度测试装置4及湿度测试装置5测得的数据控制保持所取岩芯的压力、温度及湿度。此外，也可以不根据压力测试装置3、温度测试装置4及湿度测试装置5测得的数据，而直接根据理论值设定保压装置7、保温装置8及保湿装置9的压力值、温度及湿度，但为了达到高保真效果，优先采用根据测试装置实测得的数据进行调节。还包括与设备本体2前端相连的球阀10，球阀10为球形，球阀10轴承焊接在岩芯保真设备2前端，球阀10中间开孔直径略大于岩芯直径，通过控制球阀10的转动能够控制岩芯保真设备的启闭。打开球阀10，进行岩芯钻取，随着取芯钻具1的钻进钻孔中，钻取的岩芯逐步进入到储芯管6内，完成钻取岩芯后，关闭球阀10，钻取的岩芯完全存储在 封闭的储芯管6内，此时，岩芯接收不到光照，与其在岩体里的光照环境一样，即可实现保光；而保压装置7、保温装置8及保湿装置9能够调节使得岩芯保持原本的压力、温度、湿度，最终使得岩芯可以充分保压、保温、保湿、保光，满足原位保真的要求。

压力测试装置3包括压力测量模块、第一数据收集模块、第一数据发射模块，第一数据收集模块分别与压力测量模块及第一数据发射模块相连，第一数据收集模块用于收集处理压力测量模块测得的数据，所述第一数据发射模块用于将数据发送给保压装置7，具体而言，第一数据发射模块与压力调整模块相连，考虑到在钻井下装置设备需要尽量简单，尽量减少电线布线，第一数据发射模块与压力调整模块无线连接，因此，压力测试装置3进行压力测量并发射压力数据无线信号。

温度测试装置4包括温度测量模块、第二数据收集模块、第二数据发射模块，第二数据收集模块分别与温度测量模块及第二数据发射模块相连，第二数据收集模块用于收集处理温度测量模块测得的数据，所述第二数据发射模块用于将数据发送给保温装置8；同理，第一数据发射模块与温度控制模块无线连接，因此，温度测试装置4进行温度测量并发射温度数据无线信号。

湿度测试装置5包括湿度测量模块、第三数据收集模块、第三数据发射模块，第三数据收集模块分别与湿度测量模块及第三数据发射模块相连，第三数据收集模块用于收集处理湿度测量模块测得的数据，所述第三数据发射模块用于将数据发送给保湿装置9，同理，第一数据发射模块与湿度调整模块无线连接，因此，湿度测试装置5进行湿度测量并发射湿度数据无线信号。

如图5和6所示，保压装置7包括压力调整模块71、活塞72、气体充放装置73及浆液箱74，第一数据接收模块与压力调整模块可以通过有线或无线方式相连，压力调整模块71与气体充放装置73相连，压力调整模块71主要是控制气体充放间接改变浆液箱74中浆液压力，由于气体充放装置73设置在浆液箱74内部，还可以设置压力调整模块71也与浆液箱74相连，浆液箱74与储芯管6内部连通，具体而言是，储芯管6上设置有与其内部相连通的通孔，浆液箱74与通孔相连，优选的，通孔设置在储芯管6底端，为了保证是根据压力调节浆液，所述浆液箱74通过有压管与储芯管6内部连通，在气体充放装置73的推动下活塞72能够在浆液箱74中自由滑动，从而将浆液箱74中的液体推送到储芯管6中，或从储芯管6中抽离回来。保湿装置9包括湿度调整模块91、纯净水箱92及钻孔浆液箱93，纯净水箱92用于存放纯净水，钻孔浆液箱93用于收集系统钻进过程中产生的钻孔浆液，浆液箱74用于存放由钻孔浆液箱93和/或纯净水箱92注入的液体，形成混合溶液，纯净水箱92及钻孔浆液箱93分别通过单向阀门与浆液箱74相连，单向阀门用以防止回流，纯净水箱92的纯净 水及钻孔浆液箱93的钻孔浆液只能够单向进入到浆液箱74中。纯净水箱92内设有第一气体充放装置及第一活塞，第一气体充放装置推动第一活塞在纯净水箱中自由滑动，钻孔浆液箱93内设有第二气体充放装置及第二活塞，第二气体充放装置推动第二活塞在纯净水箱中自由滑动，湿度调整模块91分别与第一气体充放装置、第二气体充放装置及单向阀门相连，通过纯净水箱中的纯净水及钻孔浆液箱93的浆液流入浆液箱74来调节浆液箱74中的浓度，保证保压时使用的浆液浓度是与原始环境孔隙水相同，然后保压装置推动混合后的浆液流入储芯管6。由于钻孔浆液中泥质浓度要比原始环境孔隙水泥质浓度要高，因此只需要控制纯净水和钻孔浆液比例即可控制用于保压的浆液与原始环境孔隙水相同。保湿的过程相当于是在控制保压所用的混合溶液的成分比例，湿度高即混合溶液中的纯净水比例高，湿度低则其中纯净水比例低一些。

实际操作中，如果要加压，则浆液箱74向储芯管6内注入浆液即可，若需要减小压力，则抽离储芯管6的混合浆液；而需要减小湿度，增加泥浆，则需要湿度调整模块91只控制钻孔浆液箱93打开向浆液箱74注入一定量的钻孔浆液，而无需打开纯净水箱92，来调节浆液箱中浆液泥质浓度，而后再通过保压装置将将浓度合适的混合浆液注入到储芯管6中，达到保湿的作用；若需要加大湿度，则增加纯净水即可，湿度调整模块91只控制纯净水箱92向浆液箱74注入一定量的纯净水，无需打开钻孔浆液箱93。因为浆液是钻芯过程中产生，且水是纯净水，将浆液灌入储芯管6后，相当于没有使用岩芯所处环境之外的成分的液体，保证岩芯保真过程没有其他外部因素干扰。此外，还可以在浆液箱74上设置有与钻孔相连通的排放孔，所述排放孔与排放阀相连，所述排放阀与压力调整模块相连，当浆液箱74中的混合液体太多时，可以将液体排放到钻孔中，所述排放孔及排放阀如图6浆液箱74右侧下方所示。可以通过加载离心泵或齿轮泵将钻孔浆液收集到钻孔浆液箱93中，此外，也可以使用现有技术进行收集。

具体而言，在取芯过程中，保压装置7中压力调整模块71利用理论得到或提前测得的压力数据信号，通过控制气体充放装置73充放惰性气体来控制活塞72移动，将浆液箱74中的钻孔浆液注入或抽离储芯管6中，保持岩芯压力；同时保压装置7中的压力调整模块71接收到压力测试装置3发射的压力数据，压力调整模块71根据实测压力数据对岩芯压力进行调节。保湿装置9中湿度调整模块91利用理论得到或提前测得的湿度数据信号，可以通过调节浆液箱74内钻孔浆液浓度，保持储芯管6内保真岩芯湿度；同时保湿装置9中的调整模块91接收到湿度测试装置发射的实时湿度数据，湿度调整模块91根据实测湿度数据对岩芯湿度进行调节。

如图7所示，保温装置8包括相互连接的温度控制模块81及温度调节模块82，温度调节模块82位于储芯管6外侧，温度控制模块81用于接收温度数据且在处理后将调整信号发送给温度调节模块82，温度调节模块82接受温度控制模块81发送的信号然后进行改变温度，由于岩体中的温度较高，因此可以用电热丝等加热装置作为温度调节模块。为了增强二者之间控制信号的准确性，并降低加工工艺难度，温度控制模块与温度调节模块82有线相连。具体而言，在取芯过程中，保温装置8中温度控制模块81利用理论得到或提前测得的温度数据信号，可调节温度调节模块82的温度，保持储芯管6内保真岩芯温度；同时保温装置8中的温度控制模块81接收到温度测试装置4发射的实时湿度数据，温度控制模块81根据实测温度数据利用温度调节模块对岩芯温度进行调节。

基于原位保真取芯系统的取芯方法的步骤如下：

1.设置保压装置7、保温装置8及保湿装置9的初始压力、初始温度及初始湿度。初始压力、初始温度及初始湿度是理论得到或者相同条件工作面的测点实测数据。

具体而言，保压装置7中压力调整模块71利用理论得到的或提前测得的预计钻取到的岩芯所在岩体处压力数据信号，通过控制气体充放装置73充放惰性气体来控制活塞72移动，将浆液箱中的钻孔浆液注入或抽离储芯管中，保持控制当前的储芯管内的压力为初始压力；保温装置8中温度控制模块81利用理论得到或提前测得的温度数据信号，调节温度调节模块82的温度，控制当前的储芯管内的温度为初始温度；保湿装置9中湿度调整模块91利用理论得到或提前测得的湿度数据信号，可以通过调节浆液箱74内钻孔浆液浓度，控制当前的储芯管内的的湿度为初始湿度。

2.如图1所示，打开球阀10，将岩芯保真设备2深入取芯钻具1中，利用取芯钻具1钻取岩芯；取芯钻具不断钻进，随着其钻进，钻取的岩芯逐步进入到储芯管6内；

3.压力测试装置进行压力测量并将测量得到的实测压力数据发送给保压装置，保压装置中的压力调整模块根据接收到的实测压力数据控制气体充放装置充放惰性气体来控制活塞移动，将浆液箱中的钻孔浆液注入或抽离储芯管中，调节并保持储芯管内的岩芯压力；

温度测试装置进行温度测量并将测量得到的温度数据发送给保温装置，保温装置中温度控制模块根据接收到的实测温度数据调节温度调节模块的温度，调节并保持储芯管内的岩芯温度；

湿度测试装置进行湿度测量并将测量得到的湿度数据发送给保湿装置，保湿装置中的湿度调整模块根据接收到的实测湿度数据通过注入纯净水箱92中的纯净水或钻孔浆液箱93中的钻孔浆液来调节浆液箱内混合液体的钻孔浆液浓度，以便实现混合液体的湿度调节，进而 调节并保持储芯管内的岩芯湿度。

4.当岩芯达到预定长度时，如图2所示，储芯管6回退，球阀10关闭，钻取得到的岩芯位于封闭的储芯管6内，完成取芯。储芯管正常取芯过程中只能移动球阀直径的范围，取芯完成后储芯管向后移动，恰好至球阀可以关闭的位置，球阀关闭后储芯管可以调节位置，保证球阀和储芯管之间的紧密贴合，保证其密封性。

5.继续利用保压装置、保温装置及保湿装置微调压力、温度、湿度，使岩芯保持原本的压力、温度、湿度；同时，由于岩芯处于密闭的储芯管6中，与岩芯原始环境即岩体里接收不到光照的情况相同，因此，最终使得取得的岩芯可以充分保压、保温、保湿、保光，使得岩芯处于同原始环境相同的条件。