一种风箱式温度控制保真取芯器实验平台的制作方法

本发明涉及取芯装置试验系统技术领域，尤其涉及一种风箱式温度控制保真取芯器实验平台。

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，因而保压舱的耐压能力测试平台应运而生。

保压舱的耐压能力测试平台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。目前的耐压能力测试平台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。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种风箱式温度控制保真取芯器实验平台，可模拟高温环境，利于提高实验的完整性和准确性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种风箱式温度控制保真取芯器实验平台，包括箱体、温度控制系统以及用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱，所述压力实验舱置于箱体中，所述箱体上设有进风口、出风口以及供实验管路穿过的第一预留孔；

所述温度控制系统包括暖风机组件，所述暖风机组件的出口通过进风管路与所述进风口相连。

进一步的，所述进风管路上安装有调节阀，所述出风口连接出风管路的一端，所述出风管路另一端连接两条支路，两条支路上均安装有调节阀，其中一条支路与暖风机组件的吸风管相连，所述吸风管上安装有调节阀。

进一步的，另一条支路与所述进风管路相连，所述进风管路侧连接排风管的一端，排风管上安装有调节阀。

进一步的，吸风管与排风管间连接有回流管路，回流管路上安装有调节阀。

进一步的，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，中间连接件将第一试验件和第二试验件衔接在一起，所述中间连接件的筒壁上设有液体注入孔。

优选地，液体注入孔为螺纹孔。

进一步的，中间连接件与第一试验件和第二试验件螺纹连接。

进一步的，所述第二试验件中安装有用于实现压力实验舱下端密封关闭的翻板阀；翻板阀包括阀座、阀瓣和弹性件，阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接，阀座顶部有与阀瓣匹配的阀口密封面。

进一步的，压力实验舱还包括中心杆和岩心筒，中心杆下端伸进岩心筒内，所述箱体上轴向正对所述中心杆的位置有用于提拉中心杆的第二预留孔；

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；

当岩心筒位于阀座中时，阀瓣开启90°且位于岩心筒与第二试验件之间；当通过中心杆将岩心筒向上提升至一定高度时，阀瓣在弹性件及重力作用下回到阀座顶面与阀口密封面密封接触；

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。

进一步的，风箱式温度控制保真取芯器实验平台还包括拉杆，所述拉杆一端与中心杆连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1，本发明可模拟高温环境，可对压力实验舱进行外加热，可给压力实验舱提供高温环境，使实验更为完整、客观，数据更加可靠；

2，本发明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是本发明的结构简图；

图2是风箱内部的示意图；

图3是本发明中温度控制系统的示意图；

图4是本发明中压力实验舱的结构简图；

图5是中心杆未提升时保压实验舱的结构示意图；

图6是图5中a处的局部放大图；

图7是中心杆提升至行程终点时保压实验舱的结构示意图；

图8是图7中b处的局部放大图；

图9是外筒拆成上下两部分时保压实验舱的示意图；

图10是中间连接件的结构示意图；

图11是中心杆未提升时压力实验舱的结构示意图；

图12是中心杆提升至行程终点时压力实验舱的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1、2所示，本发明公开的风箱式温度控制保真取芯器实验平台，包括箱体81、温度控制系统8以及用于模拟保真取芯器保真舱的压力实验舱10。压力实验舱10置于箱体81中，箱体81中设有安装座80，压力实验舱10固定在安装座80上。箱体81可选择防爆箱。

箱体81上设有进风口812、出风口813以及供实验管路穿过的第一预留孔810。进风口812与出风口813设置在箱体81的相对侧。

如图1、3所示，温度控制系统8包括暖风机组件，暖风机组件包括风机88和空气电加热器87，风机88吸风口连接吸风管84，吸风管84上安装有调节阀。

风机88的出风口接空气电加热器87的入口，空气电加热器87的出口接进风管路85的一端，进风管路85的另一端与箱体81上的进风口812相连，进风管路85上安装有调节阀。暖风机组件的入口安装有入口温度传感器814，出口安装有出口温度传感器815，风机88与空气电加热器87间的连接管路上安装有压力传感器816。

箱体81的出风口813连接出风管路的一端，出风管路另一端通过三通连接两条支路，两条支路分别为第一支路89和第二支路86，第一支路89和第二支路86上均安装有调节阀，第一支路89与暖风机组件的吸风管84相连，第二支路86与进风管路85相连，进风管路85侧连接排风管82的一端，排风管82上安装有调节阀。吸风管84与排风管82间连接有回流管路83，回流管路83上安装有调节阀。

在另一个实施方式中，第二支路86可直接做排风管用，无需再接入进风管路85。

温度控制系统8管路上的调节阀均为电动阀，优选电动蝶阀。

本发明温度控制的原理：

首先，打开吸风管84、进风管路85、第一支路89上的调节阀，关闭排风管82、第二支路86上的调节阀；

冷空气在风机88的动力作用下，经吸风管84进入机组，流经空气电加热器87时被加热，随后流出机组进入进风管路85，再经进风口812进入箱体81内，从而对箱体81内的压力实验舱10进行外加热，多余的空气则经出风口813、出风管、第一支路89重新进入暖风机组件，进行循环加热。

压力实验舱10内安装温度传感器，当监测压力实验舱10内的温度达到预设温度时，可开启回流管路83上的调节阀到一定开度，使进入箱体81内的热空气减少，从而维持温度的基本恒定。

当需要排气降温时，打开吸风管84、进风管路85、排风管82、第二支路86上的调节阀，关闭第一支路89上的调节阀，同时关闭空气电加热器87的电源；

冷空气在风机88的动力作用下，经吸风管84进入机组，流经空气电加热器87时不被加热，随后流出机组进入进风管路85，再经进风口812进入箱体81内，从而置换和带走箱体81内的热空气，对其内的压力实验舱10进行降温，箱体81的空气则经出风口813、出风管、第二支路86、排风管82排到室外。

下面详细介绍本实施方式中压力实验舱的结构。

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压力舱结构。本发明提供一种分体式的压力实验舱结构，其包括试验件和连接件。

如图4所示，分体式的压力实验舱10包括第一试验件11、第二试验件12和中间连接件13，中间连接件13为筒状结构，中间连接件13的筒壁上设有液体注入孔14，液体注入孔14用于外接液压源，从而可避免在试验件上钻孔，防止对试验件造成损害。为便于与液体管路连接，液体注入孔14为螺纹孔。

本发明利用中间连接件13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，可提高实验的准确性。

如图1所示，当压力实验舱10安装在箱体81中后，液体注入孔14与箱体81上的第一预留孔810正对。

本实施方式中第一试验件11为保压实验舱的外筒上端，第二试验件12为保压实验舱的外筒下端。保压实验舱整体均为试验件。

如图5-8所示，本实施方式中保压实验舱包括外筒1、中心杆2、岩心筒3和用于实现保压实验舱下端密封关闭的翻板阀5。

外筒1为由多个螺纹套筒组装形成，用于模拟原位保真取芯装置的钻机外筒。翻板阀5包括阀座51、阀瓣52和弹性件53，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。

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。

如图5、9所示，本实施方式中从外筒1的螺纹连接处将保压实验舱外筒1拆分为第一试验件11和第二试验件12。中间连接件13的一端为内螺纹，另一端为外螺纹，以实现与第一试验件11和第二试验件12螺纹连接。中间连接件13与第一试验件11和第二试验件12间安装有密封圈22，螺纹密封加上密封圈密封可提高密封性能。

如图5、6、11所示，初始状态下，岩心筒3位于外筒1下端并位于阀座51中。当岩心筒3位于阀座51中时，阀瓣52开启90°且位于岩心筒3与第二试验件12之间；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，实现调节阀的关闭。

如图7、8、12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，从而完成外筒1上端的密封。外筒1下端又由翻板阀5封闭，从而在外筒1内形成一个用于存放岩心的密封空间。

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。

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。

如图1、2所示，箱体81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811。测试时，将拉杆7一端与中心杆2连接，拉杆7另一端穿过第二预留孔811可与外部的中心杆驱动机构连接，通过提升中心杆2可测试中心杆2及翻板阀5动作是否可靠。驱动机构可选择液压缸或气缸，液压缸或气缸的活塞杆与拉杆7连接。

使用时，将外部压力供给系统的高压管路穿过箱体81上的第一预留孔810与中间连接件13上的液体注入孔14连接。

通过驱动机构将中心杆2提升至行程终点，使岩心筒3内壁与中心杆2间密封，岩心筒3外壁与第一试验件11间密封配合，完成外筒1上端的密封；而下端翻板阀5实现外筒1底部的密封关闭，从而使保压实验舱内形成一个密闭的环境；然后，使中心杆2保持在上行程终点；

然后，通过外部压力供给系统向上述密闭环境中注入高压液体，外部压力供给系统提供的高压油或水经中间连接件13上的液体注入孔14进入外筒1与岩心筒3之间的环空，从而逐步填满整个密闭环境内，模拟原位压力环境；

同时，开启温度控制系统8，对压力实验舱10进行外加热，模拟原位温度环境。

保压保温指定时间后，系统进行安全泄压和降温，保压保温指定时间根据实验需要进行设置。

本发明可对保压实验舱进行加热加压，可模拟高压高温环境，实验更为完整、客观，数据更加可靠。实验过程中可监测第一试验件11和第二试验件12筒壁的变形情况，对第一试验件11和第二试验件12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。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明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发明所附的权利要求的保护范围。