專利名稱：多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置。可應用于我國多夾層鹽穴的室內(nèi)物理模擬與可視化形態(tài)控制實驗，為鹽穴造腔工程提供指導性參數(shù)。
背景技術：
利用深部鹽巖洞穴進行能源地下儲備是國際上廣泛認可的能源儲備方式，也是我國能源戰(zhàn)略儲備的重點部署方向之一。由于國家能源儲備和配套天然氣長輸管網(wǎng)的巨大需求，我國鹽巖能源地下儲庫群大規(guī)模興建已經(jīng)開始，如建設中的江蘇金壇鹽巖儲氣庫，2020年將達到17. 14億方工作氣量的規(guī)模，最終將形成由60余個單腔組成的密集地下氣庫群。同時，一個由50 60個單腔組成的大型地下石油儲庫群也將在江蘇金壇鹽礦興建， 原油儲備可達300 600萬噸。另外，湖北云應、江蘇淮安和河南平頂山等鹽礦區(qū)建設地下儲氣庫已經(jīng)開始前期研究。盡管相對于其它地下能源儲備圍巖體，鹽巖能源地下儲備庫具有較好的安全性，但近三十年來，國外鹽巖地下儲庫災難性事故，如油氣滲漏、溶腔失效和庫區(qū)地表沉陷等仍時有發(fā)生，且事故突發(fā)性強、破壞力大，對安全及環(huán)境產(chǎn)生巨大災難性影響。而我國在鹽巖地下儲庫建設方面剛剛開始，缺乏經(jīng)驗，特別是與國外巨厚鹽丘儲庫相t匕，我國鹽巖地層具有埋深淺、成層分布、夾層較多，地質(zhì)條件相對復雜等特點，薄夾層的存在增大了造腔形態(tài)控制的難度和風險，儲庫密集增加了單洞垮塌引發(fā)連鎖性庫群災變的可能，埋深較淺加劇了地表沉陷。況且，這些能源地下儲庫又均緊鄰人口稠密、經(jīng)濟較為發(fā)達地區(qū)，此類事故一旦發(fā)生，不但影響能源儲備安全，而且危害人民的生命和財產(chǎn)安全。地下儲氣庫溶腔的形狀控制對于儲氣庫長期的穩(wěn)定性至關重要。在鹽穴儲氣庫建設過程中，溶腔形狀控制參數(shù)主要包括油墊方式與位置、注采管柱位置、循環(huán)方式及注入排量等，良好的溶腔形狀控制需要優(yōu)化各項工藝參數(shù)。顯然，我國在這種層狀鹽巖體中的地下能源儲庫群的建設將面臨更為復雜的科學問題和技術難題，亟需開展多夾層鹽巖大型地下儲氣(油)庫群的造腔控制方法和技術的研究，建立我國大型密集地下能源儲庫群提供科學理論和方法技術，為我國能源戰(zhàn)略地下儲備的建設與運行提供關鍵理論，以滿足我國能源地下儲備安全的需求。因此，多夾層鹽穴儲氣庫造腔可視化物理模擬試驗裝置的研發(fā)與我國國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、國家能源儲備安全密切相關，具有前瞻性、創(chuàng)新性以及良好的工程指導意義，是實現(xiàn)安全快速建設地下儲氣(油)庫，平衡長輸管網(wǎng)供氣以及實現(xiàn)國家戰(zhàn)略能源存儲的重要技術儲備。目前國內(nèi)外還沒有相關的多夾層鹽巖造腔過程可視化物理模擬試驗裝置，特別是考慮溫度、地應力、注采水流速以及提升速度等多種耦合復雜因素條件下多夾層鹽巖造腔過程的三維腔體可視化物理模擬試驗裝置。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，其能夠研究多夾層鹽巖造腔物理模擬過程和形態(tài)控制參數(shù)。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用下述技術方案一種多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，它主要包括反力框架、加載系統(tǒng)、升降旋轉定位系統(tǒng)和注采及形態(tài)探測系統(tǒng)；所述反力框架內(nèi)放置鹽巖試件，該鹽巖試件采用加載系統(tǒng)進行加載；反力框架的上側面上設有探測孔；所述升降旋轉定位系統(tǒng)包括立軸，立軸上安裝能夠沿立軸上下滑動的系統(tǒng)托架，系統(tǒng)托架上安裝垂直升降電機和旋轉絲杠，旋轉絲杠上端穿過一頂部旋轉塊，頂部旋轉塊 安裝在所述立軸上；垂直升降電機帶動旋轉絲杠旋轉，帶動系統(tǒng)托架上下移動；所述注采及形態(tài)探測系統(tǒng)包括安裝在所述系統(tǒng)托架上的支撐圓護管，支撐圓護管內(nèi)穿過有保護液注口、出水管、進水管、水下測距儀線路、液位傳感器線路和攝像頭線路，并在支撐圓護管的下端安裝有相應的水下測距儀、液位傳感器和攝像頭；所述支撐圓護管的上端設有旋轉齒輪盤，旋轉齒輪盤上設有支架，支架上設有分別帶動旋轉齒輪盤轉動的電機、帶動出水管升降的電機、帶動進水管升降的電機、帶動水下測距儀升降的電機。所述反力框架包括底梁、頂梁、透視反力窗、和若干加載反力梁和三角連接件，所述透視反力窗、若干加載反力梁和三角連接件安裝在底梁和頂梁之間，透視反力窗主要由鋼化玻璃組成，所述底梁、頂梁、透視反力窗、和若干加載反力梁和三角連接件通過螺栓連接共同圍成用于放置鹽巖試件的空間。所述加載系統(tǒng)為在水平方向的加載反力梁和底梁上均安裝有加載油缸，所述加載油缸均嵌入到加載反力梁和底梁內(nèi)，加載油缸活塞連接有分力器，通過分力器對鹽巖試件進行加載。底梁上的分力器上部安裝接水槽，接水槽上部放置有模型墊塊，所述鹽巖試件旋轉在模型墊塊上。所述立軸上固定有一固定卡，固定卡上安裝有水平定位桿，所述系統(tǒng)托架上設有與該水平定位桿相對應的孔。所述旋轉絲杠與系統(tǒng)托架接觸處安裝有減摩環(huán)，旋轉絲杠上端穿過一固定螺母，該固定螺母固定在頂部旋轉塊上。所述支撐圓護管上部與系統(tǒng)托架連接處，以及支撐圓護管上部與開口處分別設有上密封環(huán)和下密封環(huán)，上下密封環(huán)內(nèi)設有密封墊和密封圈。所述旋轉齒輪盤上部安裝有三根垂直支架，并在頂部由垂直支架連接件連接，其上固定信號線盒。所述進水管與出水管分別與外部進水管和出水管連接，其中外部進水管與恒流泵連接，通過進水管向溶腔注清水，溶腔內(nèi)的液體壓力驅(qū)使鹵水從出水管流出；進水管與一上下移動套管連接，上下移動套管由帶動出水管升降的電機帶動一固定在旋轉系統(tǒng)上的出水管螺旋桿轉動而上下升降；出水管與帶動出水管升降的電機連接上下升降。所述水下測距儀通過帶動水下測距儀升降的電機帶動一固定在旋轉系統(tǒng)上的水下測距儀螺旋桿轉動而上下升降；水下測距儀還通過探頭角度調(diào)整電機帶動一穿過支撐圓護管的探頭角度調(diào)整桿上下移動，探頭角度調(diào)整桿與一 L型機構一端鉸接，水下測距儀固定于L型機構下端，L型機構能夠繞拐角處上下轉動，進行上下傾角微調(diào)，以使水下測距儀與被測面垂直。本實用新型與國內(nèi)外現(xiàn)有的物理模擬實驗裝置相比具有如下顯著的技術優(yōu)勢(I)本實用新型實驗裝置可以實現(xiàn)鹽巖造腔過程的可監(jiān)測物理模擬；(2)可進行多夾層鹽巖在多場耦合條件下的造腔過程溶腔形態(tài)變化規(guī)律研究；(3)可進行造腔工藝和施工參數(shù)對鹽腔形態(tài)的影響試驗分析；(4)可進行多夾層鹽巖在多場耦合條件的溶解速度、齒水濃度變化規(guī)律及溶腔最終形態(tài)等變化規(guī)律試驗；(5)本實用新型實驗裝置可為實際鹽穴儲氣庫設計和建造提供工藝控制參數(shù)及技術支持。

圖I是本實用新型的多夾層鹽穴造腔模擬與形態(tài)控制實驗裝置的整體結構示意圖。圖2是本實用新型的多夾層鹽穴造腔模擬與形態(tài)控制實驗裝置的A-A剖面俯視圖。圖3是本實用新型的多夾層鹽穴造腔模擬與形態(tài)控制實驗裝置的B-B剖面?zhèn)纫晥D。圖4是本實用新型頂部反力板的結構示意圖。圖中I.底梁,2.三角連接件，3.加載反力梁，4.透視反力窗，5.螺栓，6.頂梁，7.攝像頭,8.液位傳感器,9.聚四氟密封墊，10.下密封環(huán)，11.密封圈，12.支撐圓護管，13.護管定位減摩環(huán)，14.旋轉齒輪盤，15.支撐減摩環(huán)，16.旋轉步進電機及齒輪，17.上密封環(huán)，18.探頭角度調(diào)整桿，19.保護液注口，20.探頭角度調(diào)整電機，21.出水管螺旋桿，22.水管升降步進電機，23.信號線盒，24.注水出水管分隔器，25.垂直支架，26.垂直支架連接件，27.立軸，28.固定卡，29.水平定位桿，30.水下測距儀，31.減摩環(huán)，32.垂直旋轉滑塊，33.頂部旋轉塊，34.垂直升降電機，35.固定螺母，36.系統(tǒng)托架，37.旋轉絲杠，38.水下測距儀螺旋桿，39.水下測距儀升降電機，40.進水管升降電機，41.出水管，42.進水管，43.上下移動套管，44.液壓油缸，45.分力器，46.接水槽，47.模型墊塊，48.鹽巖試件，49.透視鋼化玻璃，50.溶腔，51.頂板保護液，52.頂梁探測孔，53.螺栓孔。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。多夾層鹽穴造腔模擬與形態(tài)控制實驗裝置主要包括反力框架、液壓加載系統(tǒng)、升降旋轉定位系統(tǒng)、注采及形態(tài)探測系統(tǒng)等組成。圖I中，底梁I，三角連接件2，加載反力梁3，透視反力窗4和頂梁6通過螺栓5連接組成反力框架，其中透視反力窗4中間為菱形窗口，并安裝有鋼化玻璃48，可通過鋼化玻璃48觀察鹽巖溶腔的形狀。圖2和圖3中，反力框架采用三維加載油缸進行加載。水平兩個方向加載反力梁3框架內(nèi)嵌液壓油缸44，液壓油缸44活塞穿過加載反力梁3，前端連接有分力器45 (作用是將液壓油缸活塞出力均勻傳遞到鹽巖試件48表面)。底梁I框架內(nèi)嵌液壓油缸44，液壓油缸44活塞穿過底梁1，前端連接有分力器45，分力器的上部安裝接水槽46 (作用是收集實驗過程滲漏水)，接水槽46中央放置模型墊塊47(作用是托起鹽巖試件48，使其不被水浸)，模型墊塊47上部放置鹽巖試件48。試驗時，三個方向的液壓油缸給鹽巖試件48加壓。圖4中，頂梁6上有縱橫的鋼肋，保證加載剛度和強度，并在鹽巖試件中心對應位置上方的頂梁6上設有頂梁探測孔52，從頂 梁探測孔52先對鹽巖試件進行鉆孔，然后將注采及形態(tài)探測系統(tǒng)通過此孔安裝。圖I中，升降旋轉定位系統(tǒng)由立軸27，固定卡28，水平定位桿29，減摩環(huán)31，垂直旋轉滑塊32，頂部旋轉塊33，垂直升降電機34，固定螺母35，系統(tǒng)托架36和旋轉絲杠37組成。固定卡28通過螺栓固定在立軸27上。固定卡28上安裝有水平定位桿29，立軸27頂部設有頂部旋轉塊33，頂部旋轉塊33只能旋轉，其上安裝固定螺母35。垂直旋轉滑塊32是可以上下升降、旋轉的，為保證隨意轉動并對準探測孔，設計有水平定位桿29，當旋轉到水平定位桿能穿過時，可保證對準探測孔。立軸27安裝垂直旋轉滑塊32，垂直旋轉滑塊32設計由系統(tǒng)托架36，其上安裝垂直升降電機34、減摩環(huán)31和旋轉絲杠37，旋轉絲杠37穿過固定螺母35。垂直升降電機34帶動旋轉絲杠37旋轉，旋轉絲杠37與系統(tǒng)托架36接觸處安裝減摩環(huán)31，當旋轉絲杠37旋轉時，固定螺母35不動，垂直旋轉滑塊32相對于頂部旋轉塊33可上下移動，從而帶動系統(tǒng)托架36上下移動。系統(tǒng)托架36上有定位孔，當垂直旋轉滑塊32下降時，定位孔穿過水平定位桿29時，保證系統(tǒng)托架36上固定的注采及形態(tài)探測系統(tǒng)與頂梁6上的探測孔52同軸。圖I中，注采及形態(tài)探測系統(tǒng)由攝像頭7，液位傳感器8，聚四氟密封墊9，下密封環(huán)10，密封圈11，支撐圓護管12，護管定位減摩環(huán)13，旋轉齒輪盤14，支撐減摩環(huán)15，旋轉步進電機及齒輪16，上密封環(huán)17，探頭角度調(diào)整桿18，保護液注口 19，探頭角度調(diào)整電機20，進水管螺旋桿21，出水外管升降步進電機22，信號線盒23，注水出水管分隔器24，垂直支架25，垂直支架連接件26，水下測距儀30，水下測距儀螺旋桿38，水下測距儀升降電機39，進水內(nèi)管升降電機40，出水管41，進水管42，上下移動套管43等組成。通過設定單次旋轉角度進行控制，旋轉步進電機及齒輪16帶動旋轉齒輪盤14旋轉(14轉動的目的是帶動攝像頭7和水下測距儀30旋轉，通過錄像和測距確定溶腔50的形狀)，旋轉齒輪盤14上安裝有支撐圓護管12、出水外管升降步進電機22、進水內(nèi)管升降電機40、水下測距儀升降電機39和垂直支架25等。其中，注采及形態(tài)探測系統(tǒng)的支撐圓護管12上部和下部分別設有上密封環(huán)17和下密封環(huán)10，上下密封環(huán)內(nèi)設有聚四氟密封墊9和密封圈11。圖I所示，旋轉齒輪盤14上部安裝有三根垂直支架25，并在頂部由垂直支架連接件26連接，其上固定信號線盒23。旋轉齒輪盤14下部設有支撐減摩環(huán)15。支撐圓護管12上部設有護管定位減摩環(huán)13，圖3所示，支撐圓護管12內(nèi)部的保護液注口 19 (保護液的作用是保護溶腔50的頂部鹽巖不被溶解)、出水管41，進水管42、水下測距儀30、液位傳感器8、攝像頭7等都通過上密封環(huán)17和下密封環(huán)10插入鹽巖試件48中間的溶腔50。圖3所示，為升降旋轉定位系統(tǒng)降下后，注采及形態(tài)探測系統(tǒng)坐落在頂梁6上，支撐圓護管12下部的下密封環(huán)10與頂梁6的下部鋼板密切接觸，并有密封圈密封。[0042]圖I所示，進水管42和出水管41為內(nèi)外嵌套的長細不銹鋼管，并通過注水出水管分隔器24隔離開，且進水和出水截面相同。進水管42和出水管41分別與外部進水管和出水管連接，其中外部進水管與恒流泵連接，通過進水管42向溶腔50注清水，溶腔50內(nèi)的液體壓力驅(qū)使鹵水從出水管41流出。進水管42與上下移動套管43連接，上下移動套管43由水管升降步進電機22帶動進水管螺旋桿21轉動而上下升降。出水管41與出水外管升降步進電機40連接上下升降。圖I所示，水下測距儀30同樣通過水下測距儀升降電機帶動螺旋桿38轉動而上下升降。另外，水下測距儀30還可以通過探頭角度調(diào)整電機20帶動穿過支撐圓護管的探頭角度調(diào)整桿18上下移動，水下測距儀30固定于L型機構下端，探頭角度調(diào)整桿18與L型機構一端鉸接，L型機構可繞拐角處上下轉動，進行上下傾角微調(diào)，以使水下測距儀與被測面垂直。圖I所示，攝像頭7插入鹽巖試件48中間的溶腔50，其測線通過細鋼管引出，并與水下測距儀30的測線和所有步進電機的控制電纜一起放置在信號線盒23內(nèi)，統(tǒng)一與對應 的控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)連接。圖I所示，液位傳感器8可實時監(jiān)測溶腔50內(nèi)頂板保護液51的位置，并可通過外部的保護液注采器由保護液注口 19注入保護液。上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。
權利要求1.一種多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，其特征是，它主要包括反力框架、加載系統(tǒng)、升降旋轉定位系統(tǒng)和注采及形態(tài)探測系統(tǒng)； 所述反力框架內(nèi)放置鹽巖試件，該鹽巖試件采用加載系統(tǒng)進行加載；反力框架的上側面上設有探測孔； 所述升降旋轉定位系統(tǒng)包括立軸，立軸上安裝能夠沿立軸上下滑動的系統(tǒng)托架，系統(tǒng)托架上安裝垂直升降電機和旋轉絲杠，旋轉絲杠上端穿過一頂部旋轉塊，頂部旋轉塊安裝在所述立軸上；垂直升降電機帶動旋轉絲杠旋轉，帶動系統(tǒng)托架上下移動； 所述注采及形態(tài)探測系統(tǒng)包括安裝在所述系統(tǒng)托架上的支撐圓護管，支撐圓護管內(nèi)穿過有保護液注口、出水管、進水管、水下測距儀線路、液位傳感器線路和攝像頭線路，并在支撐圓護管的下端安裝有相應的水下測距儀、液位傳感器和攝像頭；所述支撐圓護管的上端設有旋轉齒輪盤，旋轉齒輪盤上設有支架，支架上設有分別帶動旋轉齒輪盤轉動的電機、帶動出水管升降的電機、帶動進水管升降的電機、帶動水下測距儀升降的電機。
2.如權利要求I所述的多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，其特征是，所述反力框架包括底梁、頂梁、透視反力窗、和若干加載反力梁和三角連接件，所述透視反力窗、若干加載反力梁和三角連接件安裝在底梁和頂梁之間，透視反力窗主要由鋼化玻璃組成，所述底梁、頂梁、透視反力窗、和若干加載反力梁和三角連接件通過螺栓連接共同圍成用于放置鹽巖試件的空間。
3.如權利要求2所述的多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，其特征是，所述加載系統(tǒng)為在水平方向的加載反力梁和底梁上均安裝有加載油缸，所述加載油缸均嵌入到加載反力梁和底梁內(nèi)，加載油缸活塞連接有分力器，通過分力器對鹽巖試件進行加載。
4.如權利要求3所述的多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，其特征是，底梁上的分力器上部安裝接水槽，接水槽上部放置有模型墊塊，所述鹽巖試件旋轉在模型墊塊上。
5.如權利要求I所述的多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，其特征是，所述立軸上固定有一固定卡，固定卡上安裝有水平定位桿，所述系統(tǒng)托架上設有與該水平定位桿相對應的孔。
6.如權利要求I所述的多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，其特征是，所述旋轉絲杠與系統(tǒng)托架接觸處安裝有減摩環(huán)，旋轉絲杠上端穿過一固定螺母，該固定螺母固定在頂部旋轉塊上。
7.如權利要求I所述的多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，其特征是，所述支撐圓護管上部與系統(tǒng)托架連接處，以及支撐圓護管上部與開口處分別設有上密封環(huán)和下密封環(huán)，上下密封環(huán)內(nèi)設有密封墊和密封圈。
8.如權利要求I所述的多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，其特征是，所述旋轉齒輪盤上部安裝有三根垂直支架，并在頂部由垂直支架連接件連接，其上固定信號線盒。
9.如權利要求I所述的多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，其特征是，所述進水管與出水管分別與外部進水管和出水管連接，其中外部進水管與恒流泵連接，通過進水管向溶腔注清水，溶腔內(nèi)的液體壓力驅(qū)使鹵水從出水管流出；進水管與一上下移動套管連接，上下移動套管由帶動出水管升降的電機帶動一固定在旋轉系統(tǒng)上的出水管螺旋桿轉動而上下升降；出水管與帶動出水管升降的電機連接上下升降。
10.如權利要求I所述的多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，其特征是，所述水下測距儀通過帶動水下測距儀升降的電機帶動一固定在旋轉系統(tǒng)上的水下測距儀螺旋桿轉動而上下升降；水下測距儀還通過探頭角度調(diào)整電機帶動一穿過支撐圓護管的探頭角度調(diào)整桿上下移動，探頭角度調(diào)整桿與一 L型機構一端鉸接，水下測距儀固定于L型機構下端，L型機構能夠繞拐角處上下轉動，進行上下傾角微調(diào)，以使水下測距儀與被測面垂直。
專利摘要本實用新型公開了一種多夾層鹽穴造腔可視化物理模擬與形態(tài)控制實驗裝置，它主要包括反力框架、加載系統(tǒng)、升降旋轉定位系統(tǒng)和注采及形態(tài)探測系統(tǒng)。液壓加載系統(tǒng)的油缸嵌入在反力框架的底部和水平兩側，反力框架可對試驗鹽巖試件進行真三軸加載，可通過水平兩側透視窗口觀測鹽腔形態(tài)；升降旋轉定位系統(tǒng)的立軸固定在反力框架上，注采及形態(tài)探測系統(tǒng)包括有保護液注口、出水管、進水管、水下測距儀、液位傳感器和攝像頭等，其安裝在升降旋轉定位系統(tǒng)的托架上，可通過反力框架的頂梁探測孔進行安裝，可完成注采循環(huán)和鹽腔形態(tài)探測。本實用新型可以實現(xiàn)鹽巖造腔過程的可監(jiān)測物理模擬；進行多夾層鹽巖在多場耦合條件下的造腔過程溶腔形態(tài)變化規(guī)律研究。
文檔編號E21F17/16GK202560323SQ20122021098
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權日2012年5月11日
發(fā)明者李建中, 張昱文, 冉莉娜, 王漢鵬, 李術才, 李建明, 林春金, 李為騰, 李智 申請人:中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院廊坊分院, 山東大學