CN102496329B - 一种泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置及使用方法，该装置包括模型系统、终端控制系统，其中模型系统包括液压式手动位移调节装置、承重构架、起重机、承重顶梁、顶面液压式传动装置、固定钢板、断层滑块、转动轴、转动轴承、手动视角调节装置、基座、底面液压式传动装置、侧面液压式控压装置；终端控制系统包括：手动泵控制装置、平流泵控制装置、位移传感器、1号压力缸、3号压力缸、4号压力缸、3与4号压力缸压力表、2号压力缸、液压传输管线，其很好地模拟了泥岩涂抹形成演化过程。
Description
技术领域
本发明涉及科研教学用物理模拟实验装置及使用方法，更具体地是涉及一种未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置及使用方法。
背景技术
目前国内外对断裂形成及泥岩涂抹的研究均着重于对已成岩岩石的模拟，而对未固结-半固结成岩条件下的泥岩涂抹形成演化过程的模拟较为稀少，且装置普遍存在一下不足：（1）断裂形成过程的可视程度较差，无法满足实验研究人员对断裂中泥岩涂抹形成演化的监视；（2）操控精确程度较低；（3）无法同时满足对正、逆断层及不同倾角断层的模拟。
为了很好地模拟泥岩涂抹形成演化过程，急需一种实验装置，以适应研究的需要。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置，其具有操控简单、可视性强与模型多样化的特点。
依据本发明所述的技术方案，提供一种未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置，其包括一种固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置，包括模型系统、终端控制系统，其中模型系统包括液压式手动位移调节装置1、承重构架2、起重机3、承重顶梁4、顶面液压式传动装置5、固定钢板6、断层滑块7、转动轴8、转动轴承9、手动视角调节装置10、基座11、底面液压式传动装置12、侧面液压式控压装置13。终端控制系统包括：手动泵控制装置401、平流泵控制装置402、位移传感器403、1号压力缸404、3号压力缸405、4号压力缸407、3与4号压力缸压力表406、2号压力缸408、液压传输管线409；
其中，模拟装置的整体装载在以承重构架2、承重顶梁4和基座11为主体的骨架内；起重机3通过滚动滑轮固定在承重顶梁4上，其可以沿承重顶梁4的下部自由左右移动，主要应用于实验模拟过程中所使用的沙箱主体的装、拆过程；固定钢板6主要对模拟装置起到固定作用；转动轴8、转动轴承9与手动视角调节装置10的配合则实现了对实验视角的手动调节；液压式手动位移调节装置1通过手动调节注入液体量控制侧面液压式控压装置13，使其处于恒定压力值。顶面液压式传动装置5和底面液压式传动装置12通过终端控制系统调整，顶面液压式传动装置5与底面液压式传动装置12用以实现对断层上盘滑块7位移大小的调整，侧面液压式控压装置13用以实现对箱体模拟过程中围压的有效控制；
终端控制系统动作原理如下：用手动泵控制装置401与3号压力缸405和4号压力缸407相连，可控制两者压力大小，同时压力大小可显示在3与4号压力缸压力表406；平流泵控制装置402与1号压力缸404与2号压力缸408相连，可设定两压力缸的压力大小，此过程为机械自动控制，实验过程中的位移大小会显示在位移传感器403中。以上两过程中所涉及的液压压力传输均由液压传输管线409完成。
依据本发明所提供的另一技术方案，提供使用未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置的实验方法，包括步骤：
第一步：装载所需断层滑块
实验模拟之前，依据实验要求与实验目的，选用符合要求的断层滑块。如图1所示，首先卸下固定钢板6，其次将选用的断层滑块7固定于连接在起重机3上的缆绳上，通过控制起重机3水平方向的位移大小与纵向吊起滑块的位移大小，将断层滑块7装载于模拟装置中，最后将固定钢板6固定于模拟箱体上；
第二步：岩石样品装载
利用手动位移调节装置1将两个断层滑块相对位移调节为零，并将箱体调整为水平，此后将准备好的岩石样品摆放于断层上盘滑块与断层下盘滑块中即可；
第三步：位移与视角调整
依据实验要求所模拟的断层性质，通过手动视角调节装置1与手动视角调节装置10调整断层滑块位移与模拟箱体与水平面之间的夹角。手动视角调节装置1将液体通过液压传输管线导入至顶面液压式传动装置和底面液压式传动装置之中，通过顶面液压式传动装置和底面液压式传动装置转化为位移变量，进而控制断层滑块位移的大小，调整过程中的位移大小和液体压力大小通过箱体内部的位移传感器显示，并且最终显示在模拟装置的终端显示面板上；
第四步：实验现象与数据采集分析
实验人员记录上面实验过程中的实时数据与实验现象，来实现未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验。
使用本发明所述的未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置，实现对该类成岩程度岩石的断裂带充填物的模拟。装置主体为常温常压条件下的定位“剪切”砂箱模型。模型系统三大特点：一是由多组可更换的框架构成，模拟不同倾角断层；二是模型密封，实验后可通过注入流体检测断裂带的渗透能力；三是可视化，能够直接拍摄泥岩涂抹形成演化过程。主要用于模拟近地表未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化过程，研究不同强度泥岩（含水量差异）在断裂变形过程中形成泥岩涂抹的条件，准确厘定泥岩涂抹保持连续性临界SSF值（SSF值=断距/泥岩厚度）。本实验装置应用手动液压调整装置，既降低了装置的造价，更可依据实验研究人员的需求随意调整位移与有效应力的大小。
附图简要说明
图1为依据本发明的未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置；
图2为依据本发明的未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置（去除位移调节装置及承重构架、起重机、承重顶梁后的放大图）；
图3为依据本发明的未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置的实验流程图；
图4为依据本发明的未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置中的终端控制系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图来详细说明本发明的未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置，下面仅仅作为示例来说明，本领域技术人员清楚地知晓，只要符合本发明思想的方法及系统均落入本发明之中；另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置的具体结构或部件的具体参数。
附图中，图1中所示包括液压式手动位移调节装置1、承重构架2、起重机3、承重顶梁4、顶面液压式传动装置5、固定钢板6、断层滑块7、转动轴8、转动轴承9、手动视角调节装置10、基座11、底面液压式传动装置12、侧面液压式控压装置13。其中断层滑块7包括断层上盘滑块与断层下盘滑块，断层上盘滑块与断层下盘滑块之间的组合情况有30°、45°、60°和75°角度组合的四种组合情况。
图2中为图1中所示的部分放大图，其中标号与图1中相同的为相同部件。图3为依据本发明的未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置的实验流程图。图4终端控制系统包括：手动泵控制装置401、平流泵控制装置402、位移传感器403、1号压力缸404、3号压力缸405、4号压力缸406、3与4号压力缸压力表407、2号压力缸408、液压传输管线409。
依据本发明所述的未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置，按部件功能划分，主要包括模型系统、终端控制系统两部分组成模拟系统。模拟系统由装载于基座上的模拟滑块（通过断层滑块来实现）、固定装置、转动轴承及相应的液压控制和传动装置构成，模拟滑块可模拟30°、45°、60°和75°四种倾角正断层和逆断层，也可以通过主箱体旋转，模拟四个方位的走滑断层；终端控制系统由压力传感器、位移传感器及数据显示分析装置构成，能够完成对数据的收集与分析。
具体地，未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置，它包括模拟系统和终端控制系统两个部分。模拟系统包括：液压式手动位移调节装置1、承重构架2、起重机3、承重顶梁4、顶面液压式传动装置5、固定钢板6、断层滑块7、转动轴8、转动轴承9、手动视角调节装置10、基座11、底面液压式传动装置12、侧面液压式控压装置13。终端控制系统包括：手动泵控制装置401、平流泵控制装置402、位移传感器403、1号压力缸404、3号压力缸405、4号压力缸407、3与4号压力缸压力表406、2号压力缸408、液压传输管线409。
模拟系统的部件链接关系如下：模拟装置的整体装载在以承重构架2、承重顶梁4和基座11为主体的骨架内；起重机3通过滚动滑轮固定在承重顶梁4上，其可以沿承重顶梁4的下部自由左右移动，主要应用于实验模拟过程中所使用的沙箱主体的装、拆过程；固定钢板6主要对模拟装置起到固定作用；转动轴8、转动轴承9与手动视角调节装置10的配合则实现了对实验视角的手动调节；液压式手动位移调节装置1通过手动调节注入液体量控制侧面液压式控压装置13，使其处于恒定压力值。顶面液压式传动装置5和底面液压式传动装置12通过终端控制系统调整，顶面液压式传动装置5与底面液压式传动装置12用以实现对断层上盘滑块7位移大小的调整，侧面液压式控压装置13用以实现对箱体模拟过程中围压的有效控制。
终端控制系统动作原理如下：用手动泵控制装置401与3号压力缸405和4号压力缸407相连，可控制两者压力大小，同时压力大小可显示在3与4号压力缸压力表406；平流泵控制装置402与1号压力缸404与2号压力缸408相连，可设定两压力缸的压力大小，此过程为机械自动控制，实验过程中的位移大小会显示在位移传感器403中。以上两过程中所涉及的液压压力传输均由液压传输管线409完成。
参考图3所示，未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置的实验流程为：
第一步：装载所需断层滑块
实验模拟之前，依据实验要求与实验目的，选用符合要求的断层滑块。如图1所示，首先卸下固定钢板6，其次将选用的断层滑块7固定于连接在起重机3上的缆绳上，通过控制起重机3水平方向的位移大小与纵向吊起滑块的位移大小，将断层滑块7装载于模拟装置中，最后将固定钢板6固定于模拟箱体上。
第二步：岩石样品装载
利用手动位移调节装置1将两个断层滑块相对位移调节为零，并将箱体调整为水平，此后将准备好的岩石样品摆放于断层上盘滑块与断层下盘滑块中即可。
第三步：位移与视角调整
依据实验要求所模拟的断层性质，通过手动视角调节装置1与手动视角调节装置10调整断层滑块位移与模拟箱体与水平面之间的夹角。手动视角调节装置1将液体通过液压传输管线导入至顶面液压式传动装置和底面液压式传动装置之中，通过顶面液压式传动装置和底面液压式传动装置转化为位移变量，进而控制断层滑块位移的大小，调整过程中的位移大小和液体压力大小通过箱体内部的位移传感器显示，并且最终显示在模拟装置的终端显示面板上（同时参考图4）。
第四步：实验现象与数据采集分析
实验人员记录上面实验过程中的实时数据与实验现象，来实现未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验。
尽管在上面已经描述清楚了未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置，更具体地可以存在以下实施例。
实施例1：
未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置：装在断层滑块过程涉及四个装置构件：断层滑块7、固定钢板6、承重顶梁4和起重机3：断层滑块7为实心合金结构，具有高强度特征，能够完美满足对模拟不同成岩程度样品形变的预期要求；断层滑块7上部为固定钢板6，固定钢板6为为钢制框架型结构，起到抑制断层滑块7脱离箱体的作用；断层滑块7与固定钢板6上方为承重顶梁4，其承重量高达500千克，上部安装有可横向移动的起重机3，起重机3为桥式起重机，型号为HYT500/1000，单钩额定起重重量500千克，起升速度10m/min，输出功率1600W，额定电压220v，额定频率50Hz，净重38.8千克。承重顶梁4与起重机3可顺利完成对模拟装置各个部件装拆过程的调运过程。
实验模拟前依据实验要求选定相应角度的断层上盘滑块与断层下盘滑块（30°、45°、60°和75°），卸下固定钢板6，通过承重顶梁4上的起重机3将断层上盘滑块与断层下盘滑块安装就位，重新将固定钢板固定，断层滑块即安装完毕。
实施例2
如图2描述：
未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置：岩石样品装在于上下盘断层滑块7中。
实施例3
如图4描述：
未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置：其模拟过程中断层滑块的位移是通过平流泵控制装置402实现的，其通过流体通道与液压式传动装置相连通,原理在于通过手动螺旋推进装置将外部流体注入到液压式传动装置（分别为顶面液压式传动装置5、底面液压式传动装置12、侧面液压式控压装置13），将流体的注入量大小转换为位移量大小，从而实现对实验过程中断层滑块模拟的位移调节。
实施例4
如图2描述：
未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置：实验过程中视角装置包含转动轴8、转动轴承9和手动视角调节装置10。模拟装置箱体固定于转动轴8上，并通过转动轴8与转动轴承9形成自由转动的链接，两者的配合可实现模拟箱体的自由转动，其转动角度需要手动视角调节装置10的调节，手动视角调节装置10利用手动转盘的转动带动传动齿轮，进而带动固定于转动轴8上的模拟箱体的转动，从而达到对不同实验现象的观察和不同实验目的的要求。
实施例5
如图4描述：
未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置：实验终端控制系统包括：手动泵控制装置401、平流泵控制装置402、位移传感器403、1号压力缸404、3号压力缸405、4号压力缸407、3与4号压力缸压力表406、2号压力缸408、液压传输管线409。动作原理如下：首先为围压调整，依据实验要求利用手动泵控制装置401将3号压力缸405与4号压力缸407压力调整为预设值，保持在3与4号压力缸压力表406中表针指向恒定；其次为调整纵向压力，依据实验要求利用平流泵控制装置对实验纵向压力进行调整，使模拟过程中1号压力缸404与2号压力缸408的压力恒定，此过程为机械自动控制，实验过程中的位移大小会显示在位移传感器403中。以上两过程中所涉及的液压压力传输均由液压传输管线409完成。
如上述，已经清楚详细地描述了本发明提出的未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置。尽管本发明的优选实施例详细描述并解释了本发明，但是本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出多种修改。
Claims (2)
1.一种未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置，包括模型系统、终端控制系统，其中模型系统包括液压式手动位移调节装置（1）、承重构架（2）、起重机（3）、承重顶梁（4）、顶面液压式传动装置（5）、固定钢板（6）、断层滑块（7）、转动轴（8）、转动轴承（9）、手动视角调节装置（10）、基座（11）、底面液压式传动装置（12）、侧面液压式控压装置（13）；终端控制系统包括：手动泵控制装置（401）、平流泵控制装置（402）、位移传感器（403）、1号压力缸（404）、3号压力缸（405）、4号压力缸（407）、3与4号压力缸压力表（406）、2号压力缸（408）、液压传输管线（409）；
其中模拟装置的整体装载在以承重构架（2）、承重顶梁（4）和基座（11）为主体的骨架内；起重机（3）通过滚动滑轮固定在承重顶梁（4）上，其可以沿承重顶梁（4）的下部自由左右移动，主要应用于实验模拟过程中所使用的沙箱主体的装、拆过程；固定钢板（6）主要对模拟装置起到固定作用；转动轴（8）、转动轴承（9）与手动视角调节装置（10）的配合则实现了对实验视角的手动调节；液压式手动位移调节装置（1）通过手动调节注入液体量控制侧面液压式控压装置（13），使其处于恒定压力值；顶面液压式传动装置（5）和底面液压式传动装置（12）通过终端控制系统调整，顶面液压式传动装置（5）与底面液压式传动装置（12）用以实现对断层上盘滑块（7）位移大小的调整，侧面液压式控压装置（13）用以实现对箱体模拟过程中围压的有效控制；
终端控制系统动作原理如下：用手动泵控制装置（401）与3号压力缸（405）和4号压力缸（407）相连，可控制两者压力大小，同时压力大小可显示在3与4号压力缸压力表（406）；平流泵控制装置（402）与1号压力缸（404）与2号压力缸（408）相连，可设定两压力缸的压力大小，此过程为机械自动控制，实验过程中的位移大小会显示在位移传感器（403）中；液压压力传输均由液压传输管线（409）完成。
2.使用权利要求1所述的未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验装置的实验方法，包括步骤：
第一步：装载所需断层滑块
实验模拟之前，依据实验要求与实验目的，选用符合要求的断层滑块；首先卸下固定钢板（6），其次将选用的断层滑块（7）固定于连接在起重机（3）上的缆绳上，通过控制起重机（3）水平方向的位移大小与纵向吊起滑块的位移大小，将断层滑块（7）装载于模拟装置中，最后将固定钢板（6）固定于模拟箱体上；
第二步：岩石样品装载
利用手动位移调节装置（1）将两个断层滑块相对位移调节为零，并将箱体调整为水平，此后将准备好的岩石样品摆放于断层上盘滑块与断层下盘滑块中即可；
第三步：位移与视角调整
依据实验要求所模拟的断层性质，通过手动视角调节装置1与手动视角调节装置（10）调整断层滑块位移与模拟箱体与水平面之间的夹角；手动视角调节装置（1）将液体通过液压传输管线导入至顶面液压式传动装置和底面液压式传动装置之中，通过顶面液压式传动装置和底面液压式传动装置转化为位移变量，进而控制断层滑块位移的大小，调整过程中的位移大小和液体压力大小通过箱体内部的位移传感器显示，并且最终显示在模拟装置的终端显示面板上；
第四步：实验现象与数据采集分析
实验人员记录上面实验过程中的实时数据与实验现象，来实现未固结-半固结成岩条件下泥岩涂抹形成演化物理模拟实验。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: NORTHEAST PETROLEUM UNIVERSITY Free format text: FORMER OWNER: FU XIAOFEI Effective date: 20120919 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20120919 Address after: 163318 Department of scientific research office, Northeast Petroleum University, Heilongjiang, Daqing 316 Applicant after: Northeast Petroleum University Address before: 163318 Department of scientific research office, Northeast Petroleum University, Heilongjiang, Daqing 316 Applicant before: Fu Xiaofei |
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| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Fu Xiaofei Inventor after: Sun Yonghe Inventor after: Lv Yanfang Inventor after: Meng Lingdong Inventor after: Liu Zongbao Inventor after: Li Zhuo Inventor before: Fu Xiaofei |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: FU XIAOFEI TO: FU XIAOFEI SUN YONGHE LV YANFANG MENG LINGDONG LIU ZONGBAO LI ZHUO |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130320 Termination date: 20151215 |
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