一种能结合CT扫描的大载荷岩心夹持器及真三轴实验装置的制作方法

一种能结合ct扫描的大载荷岩心夹持器及真三轴实验装置
技术领域
1.本实用新型是涉及一种能结合ct扫描的大载荷岩心夹持器及真三轴实验装置，属于岩石力学与工程技术领域。


背景技术：

2.由于油气储层岩石的渗透率、力学性能、裂纹生长规律等都具有明显的非均质性和各向异性，因此，研究岩心在真三轴应力状态下的渗流特性、力学特性及裂纹生长机理将具有重要意义。
3.另外，因ct无损扫描技术可以实现对岩石内部的微观结构进行动态表征，是揭示岩心渗流特性、裂纹生长机理等的有效方法，且不会对岩石内部结构造成损伤，因此ct扫描技术近年来已被国内外广泛应用于油气田开发领域。近代工程技术的发展、岩土力学的理论研究，均迫切需要确实可应用的，能在进行真三轴实验时同时实现ct扫描的实验设备，以实现对岩样内部的结构变化进行全方位动态监测，直观了解岩样内部结构的局部变化、细微变化及变化趋势，方便掌握岩样在不同受力条件下的性状，从微观角度了解岩石的真实动态形变破坏机理。而ct扫描时，需要由高精度的旋转台实现x射线成像部件与样品的相对360
°
转动，因而要实现与ct扫描设备的结合使用，不仅需要真三轴实验装置具有小型化和轻量化的特征，还需要岩心夹持器能实现三轴向的独立大载荷加载，且不能影响x射线的穿透。
4.虽然中国专利201510577392.2公开了一种带ct实时扫描系统的岩石真三轴试验系统，包括真三轴压力盒，真三轴主机框架，加载装置，以及ct扫描装置；真三轴主机框架包括底板、顶板以及支撑于底板和立柱；加载装置包括反力装置，以及千斤顶和测量装置；压力盒、立柱，以及位于ct扫描装置扫描区域内的反力装置均由碳纤维材料制成；该专利通过对ct扫描区采用特殊设计的横向加载系统、碳纤维传力板和立柱，解决了x射线无法穿透传统真三轴试验机的难题，实现了岩石真三轴与ct扫描试验的实时配合，但该专利只能实现三个轴向均只能进行100kn(相当于0.1兆帕)的加载力，远远达不到在标准岩样上的加载要求，无法实际应用，只能用在一些很小的样品上做一些近似的模拟小试。
5.中国专利申请201910088014.6公开了一种适用于x-ct的真三轴应力渗流耦合试验装置，该专利通过在岩心夹持器内设置五个胶囊，以实现对岩心三个轴向施加独立的柔性加载，虽然该专利可实现真三轴应力渗流耦合试验装置与ct扫描装置的结合，但由现有技术可知：现有的传力胶囊均是采用高弹性橡胶制造的囊状物，在用于液压加载时，需要在胶囊体上设置一个或多个液体进出接口，而现有的传力胶囊体上的接口就是一个圆形开孔，该圆形开孔接口与带压液体的外接头之间基本上都是采用螺栓螺母压紧密封连接结构，具体请参阅图1所示，即：胶囊体
①
上具有一个圆形开孔，利用胶囊体材料(一般为橡胶材料)的高弹性，先将该开孔孔口扩大，然后将预先装好下压紧螺母
②
、下垫片
③
的注液管
④
伸入胶囊体
①
内，然后加上上垫片
⑤
、并拧紧上压紧螺母
⑥
，使得上、下垫片压紧胶囊体接口处的橡胶壁，使其发生预形变，以便在加入有压力的液体时能实现密封。由于这种密封
连接结构在局部会产生很大的应力，并且，在上、下垫片与胶囊壁间有明显的边界，以致会对胶囊体接口处的橡胶壁形成剪切，因此，在液体压力达到几个兆帕甚至一个兆帕以下时，在此局部就可能会发生剪切破裂，以致压力无法再增加。也就是说，现有的胶囊体接口与带压液体的外接头之间的密封连接结构，致使胶囊体内压力最多只能达到几个兆帕，压力升高，胶囊入口处的橡胶会受到高压金属垫片的局部挤压或剪切，以致发生局部破裂导致加载失败，因此该专利所述的岩心夹持器事实上仍然不能实现三个轴向的超大载荷的加载要求。
6.中国专利申请202010911726.6公开了一种ct扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置，该装置中的第一主应力加载系统和第二主应力加载系统均为刚性加载系统，第三主应力加载系统为柔性系统，虽然该专利通过采用两向刚性加载与一向柔性加载的复合加载形式，消除了三向应力加载出现的边角应力集中问题，但该专利由于只有一个柔性加载方向，因此只能在此一个方向实现ct扫描拍照，需要先将试样加载到一定载荷，然后拆除所有连接的管路，才能将真三轴实验盒放入ct扫描设备中进行该方向的ct扫描，不仅不能实现对试样的全方位扫描，而且仍然只能实现几个兆帕(文中公开的为4～7兆帕)的加载力。
7.综上所述可见，至今现有技术中还没有既能实现小型化和轻量化，同时还能实现三轴向的独立超大载荷(高达几十兆帕，甚至上百兆帕压力)加载，且能结合ct扫描的大载荷岩心夹持器及真三轴实验装置的报道。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的是提供一种既能实现小型化和轻量化，同时还能实现三轴向的独立超大载荷(高达几十兆帕，甚至上百兆帕压力)加载，且能结合ct扫描的大载荷岩心夹持器及真三轴实验装置。
9.为实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：
10.一种能结合ct扫描的大载荷岩心夹持器，包括上传力端头、下传力端头和能被x射线穿透的非金属材质的两端均开口的筒体，在该筒体的外周向设有周向承压碳纤维套，在该筒体的外轴向对称设有至少一对轴向承压碳纤维环，在该筒体的中空腔体内设有样品腔和对称分布在该样品腔左、右、前、后4侧的4个胶囊容纳腔，其中：位于左、右侧胶囊容纳腔中的两个胶囊体用于x向柔性加载传力，位于前、后侧胶囊容纳腔中的两个胶囊体用于y向柔性加载传力；每个胶囊体上均具有内翻裙边接口，每个内翻裙边接口内均过盈连接有密封堵头，在每个密封堵头上均穿设有与胶囊体内腔相连通的注液管，所有注液管均穿出上传力端头；并且，在下传力端头的中心穿设有z向加载活塞杆。
11.一种优选方案，在每个胶囊体的顶部和底部均设有弹性缓冲垫片和刚性承压块。
12.一种优选方案，在上传力端头与样品腔的端部之间设有轴向刚性压块。
13.一种优选方案，所述内翻裙边接口为内嵌的圆柱形通孔，所述密封堵头为金属圆柱体。
14.进一步优选方案，所述密封堵头的外周面上设有一个或多个外凸环带。
15.一种优选方案，所述胶囊体的传力面为平面或曲面。
16.一种实施方案，在上传力端头的外周部和下传力端头的外周部均固设有至少一组
成中心对称的悬臂，且上悬臂与下悬臂之间形成镜像对称，在构成镜像对称的每组上、下悬臂上均设有轴向承压碳纤维环。
17.一种优选方案，每个轴向承压碳纤维环的上下圆弧端分别固设在一u型限位座的开口内，且上u型限位座的底面与下u型限位座的顶面之间的间距相适配于上悬臂的顶面与下悬臂的底面之间的间距，从而保证每个轴向承压碳纤维环既能拉紧上、下悬臂且能被方便装卸。
18.进一步优选方案，在每个悬臂上均可拆卸的连接有紧贴在对应u型限位座外侧的限位挡板。
19.进一步优选方案，在上悬臂上均可拆卸的连接有紧贴在上u型限位座外侧的上限位挡板，在下悬臂上均可拆卸的连接有紧贴在下u型限位座外侧的下限位挡板，且上限位挡板与下限位挡板构成镜像对称关系。
20.一种能结合ct扫描的大载荷真三轴实验装置，包括上述的大载荷岩心夹持器和z向加载缸、z向液压加载系统及x向液压加载系统、y向液压加载系统，所述z向加载缸与下传力端头之间密封连接，在z向加载缸内设有活塞，z向加载活塞杆与所述活塞固定连接，在z向加载缸的底部设有与活塞腔相连通的液压输送通道，所述液压输送通道通过耐压软管与z向液压加载系统相连接，所述的大载荷岩心夹持器中用于x向柔性加载传力的两个胶囊体上的注液管通过耐压软管与x向液压加载系统相连接，所述的大载荷岩心夹持器中用于y向柔性加载传力的两个胶囊体上的注液管通过耐压软管与y向液压加载系统相连接。
21.一种实施方案，所述z向加载缸与下传力端头之间通过双向螺母实现连接。
22.一种优选方案，在胶囊体的传力面与样品的受力面之间设有缓冲隔片。
23.进一步优选方案，所述缓冲隔片为非金属材质。
24.相较于现有技术，本实用新型具有如下有益技术效果：
25.1、本实用新型所述的大载荷岩心夹持器，因为筒体的外部设有周向承压碳纤维套和轴向承压碳纤维环，且在样品腔的左、右、前、后4侧设有4个胶囊体，因而既实现了x向和y向的独立柔性加载，又不影响ct扫描射线的穿透，使得所述的大载荷岩心夹持器能实现与ct扫描设备的结合使用；
26.2、本实用新型通过在胶囊体上创造性地设置内翻裙边接口，从而巧妙地规避了带压液体对胶囊体接口处的橡胶壁的剪切破坏，使得胶囊体的耐压性能不再受接口局限，而仅取决于构成胶囊体的橡胶材质的压溃强度，只需通过选择具有所需压溃强度的橡胶材质制作胶囊体，即可使该胶囊体满足高达几十兆帕甚至上百兆帕的超高液压的加载需求，因此本实用新型巧妙地解决了大载荷柔性加载的难题，使胶囊体的加载压力相对现有技术(最多只能实现几个兆帕)可实现几十倍甚至上百倍(可高达几十兆帕，甚至上百兆帕)的显著性提高；实验证明，使用本实用新型提供的大载荷岩心夹持器构成的真三轴实验装置可使x向和y向的柔性加载力高达100兆帕以上，又因为z向为刚性加载，因而可实现高达500兆帕以上的z向加载力，因此，本实用新型提供的真三轴实验装置完全能满足岩心在真三轴应力状态下的大载荷模拟试验要求，相对现有技术具有显著性进步；
27.3、由于本实用新型所述的岩心夹持器主要采用了非金属复合材料如碳纤维、工程塑料等，且本实用新型所述的岩心夹持器能实现三个轴向的超高液压的加载，因此，在实现相同液压加载的情况下，本实用新型可使整个真三轴实验装置的重量降低为传统真三轴实
验装置的几十分之一，例如：若样品规格为50*50*100mm，本实用新型提供的真三轴实验装置的重量仅为50kg；若样品规格为75*75*150mm，本实用新型提供的真三轴实验装置的重量约为100kg；由此可见，本实用新型很容易实现岩心夹持器和真三轴实验装置的轻量化和小型化，对实现真三轴试验装置与ct扫描技术的结合具有重要意义；
28.总之，本实用新型相对于现有技术，不仅产生了出乎意料的技术效果，而且产生了显著性进步，对探究岩样在真三轴应力状态下的真实动态物性变化具有重要价值。
附图说明
29.图1为背景技术中所述的现有传力胶囊的结构示意图；
30.图2是本实用新型实施例提供的一种能结合ct扫描的大载荷岩心夹持器的立体结构示意图；
31.图3是图2所示的大载荷岩心夹持器的纵向剖视图；
32.图4是图3的局部放大图；
33.图5是本实用新型实施例提供的筒体的结构示意图；
34.图6是本实用新型实施例提供的胶囊体的局部剖视图；
35.图7是本实用新型实施例提供的胶囊体在安装密封堵头后的结构示意图；
36.图8是体现本实用新型实施例中所述的内翻裙边接口在注入带压液体后的受力示意图；
37.图9是本实用新型实施例提供的密封堵头的结构示意图；
38.图10是体现本实用新型实施例中所述的内翻裙边接口与所述的密封堵头之间的连接结构示意图；
39.图11是本实用新型实施例提供的轴向承压碳纤维环的结构示意图；
40.图12是本实用新型实施例提供的轴向承压碳纤维环的剖视结构示意图；
41.图13是本实用新型实施例中所述的u型限位座的结构示意图；
42.图14是体现本实用新型实施例提供的轴向承压碳纤维环实现拆装的结构示意图；
43.图15是本实用新型实施例提供的一种能结合ct扫描的大载荷真三轴实验装置的结构示意图；
44.图16是体现本实用新型实施例提供的大载荷真三轴实验装置在与ct扫描结合使用时的结构示意图。
45.图中标号示意如下：
46.①
、胶囊体；
②
、下压紧螺母；
③
、下垫片；
④
、注液管；
⑤
、上垫片；
⑥
、上压紧螺母；
47.01、上传力端头；02、下传力端头；03、筒体；031、样品腔；032a、左侧胶囊容纳腔；032b、右侧胶囊容纳腔；032c、前侧胶囊容纳腔；032d、后侧胶囊容纳腔；04、周向承压碳纤维套；05、轴向承压碳纤维环；06、胶囊体；06a、左胶囊体；06b、右胶囊体；061、内翻裙边接口；0611、内翻裙边；062、传力面；07、弹性缓冲垫片；08、刚性承压块；09、轴向刚性压块；010、z向加载活塞杆；011、密封堵头；0111、外凸环带；012、注液管；012a、构成x向柔性加载的两个胶囊体上的注液管；012b、构成y向柔性加载的两个胶囊体上的注液管；013、悬臂；013a、上悬臂；013b、下悬臂；014、u型限位座；014a；上u型限位座；014b、下u型限位座；015、限位挡板；015a、上限位挡板；015b、下限位挡板；
48.1、大载荷岩心夹持器；1-1、筒体段；2、z向加载缸；21、活塞；22、液压输送通道；3、z向液压加载系统；4、x向液压加载系统；5、y向液压加载系统；6、双向螺母；7、ct旋转台；8、ct射线源；9、ct感光板；10、试样；101、受力面；11、缓冲隔片。
具体实施方式
49.以下结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细描述。需要理解的是，本技术中的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”的定义均具有相对性，实施例中的定义仅是为了便于描述或简化描述，而不是指示或暗示所指的关系仅限于实施例中所述，因此不能理解为对本技术的局限。
50.实施例
51.请结合图2至图5所示：本实施例提供的一种能结合ct扫描的大载荷岩心夹持器1，包括上传力端头01、下传力端头02和能被x射线穿透的非金属材质的两端均开口的筒体03，在该筒体03的外周向设有周向承压碳纤维套04，在该筒体03的外轴向对称设有至少一对轴向承压碳纤维环05，在该筒体03的中空腔体内设有样品腔031和对称分布在该样品腔031左侧的左侧胶囊容纳腔032a、分布在右侧的右侧胶囊容纳腔032b、分布在前侧的前侧胶囊容纳腔032c、分布在后侧的后侧胶囊容纳腔032d，其中：位于左侧胶囊容纳腔032a中的左胶囊体06a与位于右侧胶囊容纳腔032b中的右胶囊体06b是用于x向柔性加载传力，位于前侧胶囊容纳腔032c中的前胶囊体(图中未示出)与位于后侧胶囊容纳腔032d中的后胶囊体(图中未示出)是用于y向柔性加载传力；在每个胶囊体06的顶部和底部均设有弹性缓冲垫片07和刚性承压块08，在上传力端头01与样品腔031的端部之间设有轴向刚性压块09；并且，在下传力端头02的中心穿设有z向加载活塞杆010。
52.请结合图3、图4、图6和图10所示：本实施例中所述的胶囊体06上均具有内翻裙边接口061，所述内翻裙边接口061优选为内嵌的圆柱形通孔；在每个内翻裙边接口061内均过盈连接有密封堵头011(即：使密封堵头011的外径稍大于内翻裙边接口061的内径，这样可使内翻裙边0611发生一个预形变，可以很小的力包覆在密封堵头011的外周面上)，在每个密封堵头011上均穿设有与胶囊体06的内腔相连通的注液管012，所有注液管012均穿出上传力端头01。
53.请再参阅图7和图9及图10所示，本实施例中所述的密封堵头011优选为金属圆柱体，所述密封堵头011的外周面上以设有一个或多个外凸环带0111为较佳，因为这样可使密封堵头011的外周面与内翻裙边0611之间形成凹凸结合面，这样有利于实现超高压加载密封。
54.请再参阅图8所示，当带压液体经注液管012进入到胶囊体06内时，带压液体的压力将施加在内翻裙边0611上，致使内翻裙边0611更紧密地压紧在密封堵头011的外周面上，从而能实现胶囊体06的自紧式密封，且胶囊体06内压力p越大，内翻裙边0611对密封堵头011的外周面的压力p也就越大，从而密封效果也就越好。
55.所述胶囊体06的传力面062可以为平面(如图3、4、6和10所示)，这样有利于对立方体形的试样进行传力加载；但也可以为曲面，以便于对圆柱形试样进行传力加载。
56.请再结合图2和图11至图14所示，本技术在上传力端头01的外周部和下传力端头02的外周部均固设有至少一组成中心对称的悬臂013(图中示出了3组，但不局限于此)，且
上悬臂013a与下悬臂013b之间形成镜像对称，在构成镜像对称的每组上、下悬臂上均设有轴向承压碳纤维环05。
57.目前，现有技术是先将上传力端头01和下传力端头02与筒体03装配好，然后制作轴向承压碳纤维环05，这样的装配方式存在作业效率低、更换试样不方便的问题。为了解决该问题，本技术提供了一种如图11所示的轴向承压碳纤维环05，结合图11和图12可见：所述的轴向承压碳纤维环05的上下圆弧端分别固设在一u型限位座014的开口内，此种轴向承压碳纤维环05是通过将碳纤维缠绕在两个u型限位座014上，然后通过树脂对碳纤维进行热固化成型得到，本实用新型通过此设计，使轴向承压碳纤维环05成为一个独立构件，不仅提高了试样安装效率，而且可保证碳纤维轴向受力的均匀性和一致性。
58.尤其是，通过使上u型限位座014a的底面与下u型限位座014b的顶面之间的间距相适配于上悬臂013a的顶面与下悬臂013b的底面之间的间距，既可保证每个轴向承压碳纤维环能拉紧上、下悬臂，又能方便试样更换装卸，具体实现操作如下：
59.同时使位于轴向承压碳纤维环05上圆弧端的上u型限位座014a的底面与上悬臂013a的顶面相脱离，及位于轴向承压碳纤维环05下圆弧端的下u型限位座014b的顶面与下悬臂013b的底面相脱离，即可使轴向承压碳纤维环05很方便的拆卸取下(请参阅图14所示)，当所有的轴向承压碳纤维环05均拆卸取下时，即可使上传力端头01和下传力端头02与筒体03相分离，从而实现对筒体03内的试样进行更换操作；
60.反之，同时使位于轴向承压碳纤维环05上圆弧端的上u型限位座014a的底面与上悬臂013a的顶面相抵接，及位于轴向承压碳纤维环05下圆弧端的下u型限位座014b的顶面与下悬臂013b的底面相抵接，即可实现轴向承压碳纤维环05安装到上悬臂013a与下悬臂013b上(请参阅图14所示)；当所有的轴向承压碳纤维环05均安装好后，即可使上传力端头01和下传力端头02与筒体03相固定连接。
61.为了避免轴向承压碳纤维环05因发生形变导致与悬臂的连接产生松动发生滑移的问题，本技术在每个悬臂013上均可拆卸的连接有紧贴在对应u型限位座014外侧的限位挡板015，具体实施方式是：在每个上悬臂013a上均可拆卸的连接(本实施例是通过螺钉连接)有紧贴在上u型限位座014a外侧的上限位挡板015a，在每个下悬臂013b上均可拆卸的连接(本实施例是通过螺钉连接)有紧贴在下u型限位座014b外侧的下限位挡板015b(请参阅图2所示)，且上悬臂013a与下悬臂013b，上u型限位座014a与下u型限位座014b，上限位挡板015a与下限位挡板015b均构成镜像对称关系；当需要拆卸轴向承压碳纤维环05时，只需先拧松固定螺钉，使对应的上、下限位挡板015a、015b均旋转180度，即可取消限位挡板对对应的轴向承压碳纤维环05的阻挡作用(请结合图2和图14所示)。
62.图15是本实用新型实施例提供的一种能结合ct扫描的大载荷真三轴实验装置的结构示意图，由图15可见：
63.本技术提供的一种能结合ct扫描的大载荷真三轴实验装置，包括上述的大载荷岩心夹持器1和z向加载缸2、z向液压加载系统3及x向液压加载系统4、y向液压加载系统5，所述z向加载缸2与下传力端头02之间密封连接，在z向加载缸内2设有活塞21，z向加载活塞杆010与所述活塞21固定连接，在z向加载缸2的底部设有与活塞腔相连通的液压输送通道22，所述液压输送通道22通过耐压软管与z向液压加载系统3相连接，构成x向柔性加载的两个胶囊体上的注液管012a通过耐压软管与x向液压加载系统4相连接，构成y向柔性加载的两
个胶囊体上的注液管012b通过耐压软管与y向液压加载系统5相连接；本实施例中，所述z向加载缸2与下传力端头02之间通过双向螺母6实现连接。
64.需要说明的是，本技术既可采用在每个胶囊体上06均设置一个内翻裙边接口061，在每个内翻裙边接口061内的密封堵头011上穿设一根或两根注液管012；也可采用在每个胶囊体06上设置两个内翻裙边接口061，在每个内翻裙边接口061内的密封堵头011上穿设一根注液管012；当在胶囊体06上设有2个注液管时，可实现胶囊体06内液体的一进一出循环，从而实现对试样进行加载的同时进行加温或降温的目的。
65.图16体现了本实施例提供的大载荷真三轴实验装置与ct扫描结合使用的方式，即：
66.使用时，将本技术提供的大载荷真三轴实验装置放置于ct旋转台7上，并使ct射线源8的位置能水平穿透大载荷岩心夹持器1的筒体段1-1到达ct感光板9。
67.由于本技术提供的大载荷岩心夹持器1的筒体段1-1主要采用了非金属复合材料如碳纤维、工程塑料等材质，且本实用新型所述的岩心夹持器能分别实现三个轴向的超高液压加载，因此，在实现相同液压加载的情况下，本实用新型可使整个真三轴实验装置的重量降低为传统真三轴实验装置的几十分之一，例如：若样品规格为50*50*100mm，本实用新型提供的真三轴实验装置的重量仅为50kg；若样品规格为75*75*150mm，本实用新型提供的真三轴实验装置的重量约为100kg；由此可见，本实用新型提供的岩心夹持器和真三轴实验装置具有轻量化和小型化的优点，很容易实现真三轴试验装置与ct扫描的结合，可在真三轴应力条件下，实现在任意时刻或位置实现ct的360
°
扫描(样品旋转或者ct旋转均可)。
68.另外，由于试样10的受力面可能会存在局部不平整或出现裂纹的情形，因此，本技术在胶囊体06的传力面062与试样10的对应受力面101之间设置缓冲隔片11(请参阅图15和图16所示)，以避免因试样局部形状不规则或残破有裂纹，造成胶囊体的局部破损；所述缓冲隔片11优选为非金属材质，以避免影响x射线的穿透导致不能实现与ct扫描的结合使用。
69.最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。