一种火山碎屑压实成岩模拟装置

1.本发明涉及压实和驱替实验用实验装置技术领域，特别是涉及一种火山碎屑压实成岩物理模拟装置。


背景技术：

2.火山碎屑是火山喷出的岩浆冷凝碎屑以及火山通道内和四壁岩石碎屑。它包括单个晶屑、玻屑、岩屑,其形状没有受到后期再堆积作用的改造。火山碎屑大小不一，形态多样、如棱角状、鸡骨状、火焰状、港湾状等；多为杂乱无序堆积，少数情况下发育层理。火山岩岩屑中可以含有丰富的气孔，先存岩石的岩屑与围岩特征相关。
3.目前在驱替实验中，常用到火山碎屑作为多孔介质，进而研究其有效孔隙度及渗透率，但现有的实验装置一般采用岩石夹持器对火山碎屑进行夹持，通过恒温恒压输送泵将流体输送至岩石夹持器，采集进入岩石夹持器之前的入口压力参数、由岩石夹持器内透过火山碎屑的出口压力参数以及最终回收的流体质量参数，计算后以得到火山碎屑有效孔隙度及渗透率，但岩石夹持器主要用于夹持块状的岩石，其用于夹持火山碎屑时无法对其进行有效合拢紧固，使得碎屑之间存在较大的间隙，导致流体通过时由较大的间隙处即可流出，在这种情况下采集的入口压力参数、出口压力参数以及回收的流体质量参数均与实际情况存在较大差异，导致最终计算得到的火山碎屑有效孔隙度及渗透率存在较大误差，不仅如此，由于夹持火山碎屑时无法对其进行有效合拢紧固，使得现有的实验装置难以检测火山碎屑的压实量，同时由于驱替实验主要为模拟并重现地下环境中火山碎屑的有效孔隙度及渗透率，而温度的变化也是计算有效孔隙度及渗透率的主要参数之一，但现有的驱替实验装置一般都是在常温的室内进行操作的，进而难以在实验过程中模拟地下环境温度变化条件。因此，目前亟需一种新型的火山碎屑压实成岩模拟装置。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种火山碎屑压实成岩模拟装置，以解决上述现有技术存在的问题，使得实验过程中对火山碎屑进行有效地合拢紧固，防止最终计算得到的火山碎屑有效孔隙度及渗透率存在较大误差，能够准确测量火山碎屑的压实量，同时能够在室内实验过程中，模拟地下环境温度变化条件。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种火山碎屑压实成岩模拟装置，包括：
6.注液部，所述注液部连接有入口压力检测件，所述注液部用于向所述火山碎屑压实成岩模拟装置引入流体；
7.夹持部，所述夹持部包括置物仓，所述置物仓连接有温控件，所述置物仓用于盛放火山碎屑样品，所述注液部与所述置物仓连通，所述置物仓具有入料口和出料口，所述入料口处可活动地设置有顶紧件，所述顶紧件驱动连接有驱动件，所述顶紧件通过所述驱动件对所述火山碎屑样品施加压力；
8.收集部，所述收集部连接有出口压力检测件，所述出料口与所述收集部连通，且所述收集部连接有称重检测件；
9.数据采集系统，所述数据采集系统与所述入口压力检测件、所述出口压力检测件和所述称重检测件电性连接，所述数据采集系统用于采集流体的入口压力参数、流体的出口压力参数以及排出流体的质量参数；
10.出液调节部，所述出液调节部用于减缓所述收集部排出流体的流速。
11.优选的，所述注液部包括储液罐，所述储液罐通过第一管道连通有恒速恒压泵，所述恒速恒压泵的出口端连通有第二管道，所述第二管道与所述置物仓连通，所述入口压力检测件为入口压力表，所述入口压力表安装于所述第二管道上。
12.优选的，所述顶紧件包括第一本体和固接于所述第一本体底端的第二本体，所述第一本体垂直于所述第二本体，所述第二本体与所述置物仓的尺寸相适配，所述第二本体沿所述入料口伸入所述置物仓，所述第一本体的尺寸大于所述第二本体的尺寸，所述第一本体的一端沿水平方向贯穿开设有第一腔体，所述第二本体沿竖直方向贯穿开设有第二腔体，所述第二腔体与所述置物仓连通，所述第一腔体与所述第二腔体连通，所述第一腔体与所述第二管道之间设有密封件。
13.优选的，所述夹持部包括顶板和底板，所述顶板与所述底板的边角之间固接有若干导向柱，若干所述导向柱之间滑动连接有滑板，所述滑板与所述顶板之间设有若干回力弹簧，所述回力弹簧套接于所述导向柱上，所述顶板的顶端固接有液压推杆，所述液压推杆的输出端贯穿所述顶板并与所述第一本体的顶端可拆卸连接，所述驱动件包括液压千斤顶，所述液压千斤顶具有泄压阀门，所述液压千斤顶固定于所述底板上，所述液压千斤顶的输出端与所述滑板固接。
14.优选的，所述滑板的顶端固接有模垫，所述液压千斤顶的输出端贯穿所述滑板并与所述模垫固接，所述模垫的顶端设有两半式外卡模套，所述两半式外卡模套合模后形成所述置物仓，所述温控件包括柔性加热套，所述柔性加热套固定于所述两半式外卡模套的外侧壁。
15.优选的，所述滑板的顶端固定有位移传感器，所述位移传感器通过拉绳与所述第一本体固接。
16.优选的，所述置物仓的底端设有烧结板，所述烧结板固接于所述模垫的顶端，所述出料口开设于所述烧结板上，所述模垫内开设有第三腔体，所述第三腔体与所述出料口连通，所述第三腔体贯穿所述模垫的一端并通过密封件与所述收集部连通。
17.优选的，所述收集部包括第三管道，所述第三管道通过密封件与所述第三腔体连通，所述出口压力检测件包括出口压力表，所述出口压力表安装于所述第三管道上。
18.优选的，所述出液调节部包括回压泵，所述回压泵连通有第四管道，所述第四管道上安装有回压压力表，所述第四管道连通有第五管道，所述第五管道上安装有回压容器，所述回压容器内填充有流体。
19.优选的，所述称重检测件包括电子天平，所述电子天平上放置有收集罐，所述收集罐上方设有第六管道，所述第六管道的出口与所述收集罐上下对应设置，所述第六管道上安装有流量调节阀，所述第三管道、所述第五管道和所述第六管道之间安装有回压阀。
20.本发明公开了以下技术效果：置物仓内的火山碎屑样品在驱动件的带动下由顶紧
件压紧，经过驱动件施加不同的压力值由顶紧件传导给火山碎屑样品，进而能够得到多种实验数据结果，同时能够保证实验过程中对火山碎屑样品进行有效地合拢紧固，根据测量顶紧件的位移即可准确计量火山碎屑的压缩量，在温控件的作用下，能够将热量传导至置物仓，进而由温控件根据模拟地下环境温度变化而调整温度，通过注液部向夹持部的置物仓输送流体，在流体进入置物仓之前，由入口压力检测件检测到流体的入口压力参数，流体挤压通过火山碎屑样品，并通过出料口流入收集部，通过出口压力检测件，能够检测到流体的出口压力参数，并由称重检测件对收集部排出的流体进行称重，称重前由出液调节部减缓流体的流速，以得到准确的质量参数，最终由数据采集系统将入口压力参数、出口压力参数以及排出流体的质量参数采集，便于后续直接计算火山碎屑有效孔隙度及渗透率。本发明使得实验过程中能够对火山碎屑样品进行有效地合拢紧固，防止最终计算得到的火山碎屑有效孔隙度及渗透率存在较大误差，同时能够在室内实验过程中，模拟地下环境温度变化条件。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明火山碎屑压实成岩模拟装置的结构示意图；
23.图2为本发明夹持部的结构示意图；
24.图3为本发明密封件的结构示意图；
25.图4为图3中a的局部放大图；
26.图5为实施例3中垫圈位置的示意图；
27.其中，1为置物仓，2为入料口，3为出料口，5为储液罐，6为第一管道，7为恒速恒压泵，8为第二管道，9为入口压力表，10为第一本体，11为第二本体，12为第一腔体，13为第二腔体，14为顶板，15为底板，16为导向柱，17为滑板，18为回力弹簧，19为液压推杆，20为液压千斤顶，21为泄压阀门，22为模垫，23为两半式外卡模套，24为柔性加热套，25为位移传感器，26为拉绳，27为烧结板，28为第三腔体，29为第三管道，30为出口压力表，31为回压泵，32为第四管道，33为回压压力表，34为第五管道，35为回压容器，36为电子天平，37为收集罐，38为第六管道，39为流量调节阀，40为回压阀，41为第一弧形槽，42为第二弧形槽，43为支撑弹簧，44为第一弧形板，45为第二弧形板，46为摩擦垫，47为垫圈。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.实施例1
31.参照图1-2，本发明提供一种火山碎屑压实成岩模拟装置，包括：
32.注液部，注液部连接有入口压力检测件，由入口压力检测件检测到流体的入口压力参数，注液部用于向火山碎屑压实成岩模拟装置引入流体，主要是向置物仓1内注入流体，本实施例中，实验过程是在室温下进行，岩石静压力梯度为0.0265gpa/km，流体介质为蒸馏水，密度1.0g/cm3；
33.夹持部，夹持部包括置物仓1，置物仓1连接有温控件，利用温控件能够调整置物仓1内的温度，进而能够模拟地下环境温度变化条件，置物仓1用于盛放火山碎屑样品，注液部与置物仓1连通，置物仓1具有入料口2和出料口3，入料口2处可活动地设置有顶紧件，顶紧件驱动连接有驱动件，顶紧件通过驱动件对火山碎屑样品施加压力，由驱动件施加不同的力以得到多种实验结果；
34.收集部，收集部连接有出口压力检测件，通过出口压力检测件，能够检测到流体的出口压力参数，出料口3与收集部连通，且收集部连接有称重检测件，以得到排出流体的质量参数；
35.数据采集系统，数据采集系统与入口压力检测件、出口压力检测件和称重检测件电性连接，数据采集系统用于采集流体的入口压力参数、流体的出口压力参数以及排出流体的质量参数，数据采集系统能够记录实验过程中压实量的变化情况以及驱替过程中入口压力参数、出口压力参数以及排出流体的质量参数；
36.出液调节部，出液调节部用于减缓收集部排出流体的流速。
37.本装置使用时，置物仓1内的火山碎屑样品在驱动件的带动下由顶紧件压紧，经过驱动件施加不同的压力值由顶紧件传导给火山碎屑样品，进而能够得到多种实验数据结果，同时能够保证实验过程中对火山碎屑样品进行有效地合拢紧固，根据测量顶紧件的位移即可准确计量火山碎屑的压缩量，在温控件的作用下，能够将热量传导至置物仓1，进而由温控件根据模拟地下环境温度变化而调整温度，通过注液部向夹持部的置物仓1输送流体，在流体进入置物仓1之前，由入口压力检测件检测到流体的入口压力参数，流体挤压通过火山碎屑样品，并通过出料口3流入收集部，通过出口压力检测件，能够检测到流体的出口压力参数，并由称重检测件对收集部排出的流体进行称重，称重前由出液调节部减缓流体的流速，以得到准确的质量参数，最终由数据采集系统将入口压力参数、出口压力参数以及排出流体的质量参数采集，便于后续直接计算火山碎屑有效孔隙度及渗透率。
38.进一步优化方案，注液部包括储液罐5，储液罐5通过第一管道6连通有恒速恒压泵7，恒速恒压泵7的出口端连通有第二管道8，第二管道8与置物仓1连通，入口压力检测件为入口压力表9，入口压力表9安装于第二管道8上，恒速恒压泵7通过第一管道6将储液罐5内的流体引出，并通过第二管道8送至置物仓1，由入口压力表9检测流体的入口压力。
39.进一步优化方案，顶紧件包括第一本体10和固接于第一本体10底端的第二本体11，第一本体10垂直于第二本体11，第二本体11与置物仓1的尺寸相适配，第二本体11沿入料口2伸入置物仓1，第一本体10的尺寸大于第二本体11的尺寸，第一本体10的一端沿水平方向贯穿开设有第一腔体12，第二本体11沿竖直方向贯穿开设有第二腔体13，第一腔体12与第二腔体13连通，第二腔体13与置物仓1连通，使用时将第二本体11插入至置物仓1内，顶紧置物仓1内的火山碎屑样品，此时第一本体10搭接在入料口2外侧，第二管道8引入流体，
使得流体通过第一腔体12、第二腔体13进入至置物仓1内，第一腔体12与第二管道8之间设有密封件，两者优选为挡水圈进行固定。
40.进一步优化方案，夹持部包括顶板14和底板15，顶板14与底板15的边角之间固接有若干导向柱16，若干导向柱16之间滑动连接有滑板17，滑板17与顶板14之间设有若干回力弹簧18，回力弹簧18套接于导向柱16上，顶板14的顶端固接有液压推杆19，液压推杆19的输出端贯穿顶板14并与第一本体10的顶端可拆卸连接，驱动件包括液压千斤顶20，液压千斤顶20具有泄压阀门21，液压千斤顶20固定于底板15上，液压千斤顶20的输出端与滑板17固接，使用时通过液压推杆19可调整第一本体10与顶板14之间的间距，调整后液压推杆19整体作为传力杆，液压千斤顶20作为驱动件推动滑板17上行，使得样品被压紧，当需要卸力时，开启泄压阀门21，在回力弹簧18的作用下，滑板17复位。
41.进一步优化方案，滑板17的顶端固接有模垫22，液压千斤顶20的输出端贯穿滑板17并与模垫22固接，模垫22的顶端设有两半式外卡模套23，两半式外卡模套23合模后形成置物仓1，两半式外卡模套23通过螺栓进行固定后，其合模后的型腔即为置物仓1，温控件包括柔性加热套24，柔性加热套24固定于两半式外卡模套23的外侧壁，利用柔性加热套24贴合于两半式外卡模套23外侧，可将热量传递至置物仓1内侧的样品，即可实现模拟地下环境温度变化条件。
42.进一步优化方案，滑板17的顶端固定有位移传感器25，位移传感器25通过拉绳26与第一本体10固接，拉绳26与置物仓1平行，通过位移传感器25与拉绳26的配合能够测量顶紧件的位移，即可得到火山碎屑的压实量。
43.进一步优化方案，置物仓1的底端设有烧结板27，烧结板27固接于模垫22的顶端，出料口3开设于烧结板27上，模垫22内开设有第三腔体28，第三腔体28与出料口3连通，第三腔体28贯穿模垫22的一端并通过密封件与收集部连通，透过火山碎屑样品的流体通过烧结板27上的出料口3进入第三腔体28，并进入至收集部。
44.进一步优化方案，收集部包括第三管道29，第三管道29通过密封件与第三腔体28连通，第三管道29与第三腔体28通过挡水圈固定，出口压力检测件包括出口压力表30，出口压力表30安装于第三管道29上，第三腔体28内的流体顺流至第三管道29，并由出口压力表30测量到流体的出口压力。
45.进一步优化方案，出液调节部包括回压泵31，回压泵31连通有第四管道32，第四管道32上安装有回压压力表33，第四管道32连通有第五管道34，第五管道34上安装有回压容器35，回压容器35内填充有流体。称重检测件包括电子天平36，电子天平36上放置有收集罐37，收集罐37上方设有第六管道38，第六管道38的出口与收集罐37上下对应设置，第六管道38上安装有流量调节阀39，第三管道29、第五管道34和第六管道38之间安装有回压阀40，利用回压阀40、回压泵31以及回压容器35能够减缓第三管道29通入第六管道38的流体的流速，这样能够使得流体缓慢滴落至收集管37内，避免流体洒出，由电子天平36即可测量排出流体的质量参数。
46.本实施例驱替实验流程如下：
47.(1)打开数据采集系统，用于记录实验过程中压实量的变化情况，以及驱替过程中入口压力、出口压力和流体质量的变化情况；
48.(2)取火山碎屑样品放入pc管中，量取管内样品的长度及质量；
49.(3)用两半式外卡模套23固定住装有样品的pc管，固定螺栓后将顶紧件缓慢插入置物仓1，顶紧管内样品；
50.(4)调节轴向位移拉绳26平行于置物仓1，拉绳26与顶紧件的顶部连接；
51.(5)将储液罐5蓄满流体介质，用于驱替实验；
52.(6)收集罐37置于电子天平36上，用于测量排出流体的体积计量；
53.(7)拧紧液压千斤顶20的泄压阀门21，逐级调整液压千斤顶20的压力参数，在各压力点恒定1h，连续进行30个压力点的压实工作；
54.(8)选择蒸馏水为驱替流体，保持稳定的流量对各压力点进行驱替实验，驱替时间为10min，测试各压力点的渗透率。
55.以下通过表1即可看出得到的实验数据结果。
56.表1：
[0057][0058]
本实施例的实验过程中能够对火山碎屑样品进行有效地合拢紧固，防止最终计算得到的火山碎屑有效孔隙度及渗透率存在较大误差，同时能够在室内实验过程中，模拟地下环境温度变化条件。
[0059]
实施例2
[0060]
参照图3-4，与上述实施例1的不同之处在于，密封件包括开设于腔体内侧壁上的若干第一弧形槽41，若干第一弧形槽41均为两组且上下对称排列，管体上开设有若干第二弧形槽42，且布置位置与第一弧形槽41上下对应，第一弧形槽41内通过支撑弹簧43固接有第一弧形板44，第一弧形板44与第一弧形槽41尺寸相适配，第一弧形板44固接有第二弧形
板45，第二弧形板45尺寸与第二弧形槽42相适配，且第二弧形板45尺寸小于第一弧形板44，并且第一弧形板44和第二弧形板45外侧贴合有摩擦垫46。本实施例中的管体和腔体分别指代实施例1中管体和腔体的连接部位，例如第二管体8与第一腔体12的连接位置，使用管体插接至腔体，当第一弧形槽41与第二弧形槽42对齐时，在支撑弹簧43的作用下能够将第一弧形板44推出，使得第二弧形板45插入至第二弧形槽42内实现锁定，利用摩擦垫46增大摩擦防止脱落，可实现稳定地密封固定作用。
[0061]
实施例3
[0062]
参照图5，与上述实施例1及实施例2的不同之处在于，第二本体11的外侧壁包覆有垫圈47，由于置物仓1属于非固腔体，在非固腔体下流体压力的保持是重点，顶紧件在置物仓1内滑动过程中，垫圈47与置物仓1内壁接触，以提高密封性，同时该垫圈47的材质由氯磺化聚乙烯橡胶制成，最高使用温度为130度，短时间可以允许升高到160度，该材料具有韧性，同时能够在高压高温条件下体积稳定，进而满足了压实驱替实验要求。
[0063]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0064]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。