一种能实现大轴向载荷且轻量化和高刚度的岩心夹持器的制作方法

本发明是涉及一种岩心夹持器，具体说，是涉及一种能实现大轴向载荷且轻量化和高刚度的岩心夹持器。

背景技术：

在石油和天然气的地质勘探和研究开发中，需要从地下取出相关地层岩心，进行岩心物性分析实验。为了模拟在地层压力条件下测试岩心的物理性质(声速、电阻率、孔隙度、渗透率、相对渗透率等)，实验室常使用岩心夹持器来实现地层压力的施加。岩心夹持器的主要功能就是将待测的岩石样品放入其中，并保证测试流体通过岩心样品前后两端时，能将岩石样品的侧表面完全密封住。目前，从结构和功能上看，常用岩心夹持器以哈斯勒(hassler)型岩心夹持器和三轴向岩心夹持器两种类型为主。哈斯勒型岩心夹持器由于只能施加围压、产生对岩心的径向压力，但不能产生轴向压力，因此其测量岩心的物理参数不能真实反映地层受力情况。三轴向岩心夹持器是在哈斯勒型岩心夹持器的基础上改进而成，是在夹持器的一端增加了轴向加压装置，可对岩心同时产生径向压力和轴向压力、真实模拟地层压力条件，但为了施加较大的轴向载荷，需要的岩心夹持器的重量很重，动则数吨甚至几十吨，而为了实现某些特殊的功能，例如在ct内扫描三轴的动态图像，则需要岩心夹持器的重量控制在数十公斤以下，以致传统的三轴向岩心夹持器不能满足这些特殊要求，因此，本领域急需研发能实现大轴向载荷且轻量化的岩心夹持器来满足特殊需求。

另外，虽然本申请人在申请号为201710328222.x的发明专利申请中公开的高轴向应力碳纤维高压宽温夹持器，通过分离轴向承载与周向承载构件，已能同时实现高达100mpa的高围压以及高达1000kn的大轴向载荷，且整个夹持器的重量可以控制在几公斤到数十公斤以内，已较现有的三轴向岩心夹持器取得了显著性进步；但申请人试验发现，该夹持器不能再承载更高的轴向载荷(如：大于1000kn),且轴向承压碳纤维缠绕筒在大轴向载荷下，容易产生轴向形变和剪切破坏，因而该夹持器还不能满足更高使用条件(大轴向载荷且轻量化和高刚度)的特殊需求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种能实现大轴向载荷且轻量化和高刚度的岩心夹持器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种能实现大轴向载荷且轻量化和高刚度的岩心夹持器，包括筒体以及与所述筒体的两端分别连接的上传力端头和下传力端头，在所述筒体的外壁周向缠绕有周向承压碳纤维套；并且，在上传力端头的外周部和下传力端头的外周部均设有至少一组成中心对称的悬臂，且位于上传力端头上的悬臂与位于下传力端头上的悬臂形成镜像对称，在构成镜像对称的上、下悬臂上缠绕有与轴向相平行的轴向承压碳纤维套。

一种优选方案，在上传力端头的外周部和下传力端头的外周部均设有2～4组成中心对称的悬臂。

进一步优选方案，位于上、下传力端头上的悬臂分别与其为一体成型结构。

一种实施方案，筒体与上传力端头和下传力端头之间为拼接结构，并且，在上传力端头与筒体的连接处及下传力端头与筒体的连接处均设有密封圈。

另一种实施方案，筒体与上传力端头和下传力端头之间为一体成型结构。

一种优选方案，上传力端头和下传力端头均是与筒体共中心轴的圆柱筒。

一种优选方案，在上传力端头的内壁设有与压紧盖螺纹连接的内螺纹。

进一步优选方案，在上传力端头的内腔设有与筒体上端部密封连接的固定密封件。

一种优选方案，在下传力端头的外壁设有与轴向加载缸螺纹连接的外螺纹。

进一步优选方案，在下传力端头的内腔设有与筒体下端部密封连接的活动密封件。

相较于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：

实验表明：本发明通过在上传力端头的外周部和下传力端头的外周部均设置至少一组成中心对称的悬臂，且使位于上传力端头上的悬臂与位于下传力端头上的悬臂形成镜像对称，在构成镜像对称的上、下悬臂上缠绕与轴向相平行的轴向承压碳纤维套，可使本发明所述的岩心夹持器能承载高达10000kn的轴向载荷，相对于现有技术可至少提高10倍；并且，在实现同等轴向载荷能力时，本发明所述的岩心夹持器的重量相对于现有技术可至少减重20％，轴向形变可至少减小30％，能实现大轴向载荷且轻量化和高刚度，可满足ct扫描仪、核磁共振仪等特殊场合的高条件使用要求；另外，本发明使轴向承压碳纤维套缠绕在悬臂上的设计，还具有易于更换和拆装的优点；总之，本发明相对于现有技术，不仅产生了出乎意料的技术效果，而且产生了显著性进步，对地质勘探和岩心物性的研究具有重要价值。

附图说明

图1为实施例1提供的一种能实现大轴向载荷且轻量化和高刚度的岩心夹持器的立体结构示意图；

图2是体现实施例1中所述的筒体、上传力端头和下传力端头的结构及其之间的装配结构的示意图；

图3是实施例1提供的岩心夹持器的剖面图；

图4是实施例2提供的另一种能实现大轴向载荷且轻量化和高刚度的岩心夹持器的剖面图；

图5是实施例2中所述岩心夹持器的工作原理示意图。

图中标号示意如下：1、筒体；2、上传力端头；21、内螺纹；3、下传力端头；31、外螺纹；4、周向承压碳纤维套；5、悬臂；5a、位于上传力端头上的悬臂；5b、位于下传力端头上的悬臂；6、轴向承压碳纤维套；7、密封圈；8、固定密封件；9、活动密封件；10、样品；11、压紧盖。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。

实施例1

请结合图1至图3所示：本实施例提供的一种能实现大轴向载荷且轻量化和高刚度的岩心夹持器，包括筒体1以及与所述筒体1的两端分别连接的上传力端头2和下传力端头3，在所述筒体1的外壁周向缠绕有周向承压碳纤维套4，在上传力端头2的外周部和下传力端头3的外周部均设有至少一组(优选2～4组，图中示出了3组，但不限于此数量)成中心对称的悬臂5，且位于上传力端头2上的悬臂5a与位于下传力端头3上的悬臂5b形成镜像对称，在构成镜像对称的上、下悬臂5a、5b上缠绕有与轴向相平行的轴向承压碳纤维套6。

为了方便制造和保证使用的牢固性，本实施例中，悬臂5a与上传力端头2之间及悬臂5b与下传力端头3之间均采用一体成型结构；筒体1与上传力端头2和下传力端头3之间也采用一体成型结构，并且，上传力端头2和下传力端头3均是与筒体1共中心轴的圆柱筒，在上传力端头2的内壁设有与压紧盖螺纹连接的内螺纹21，在下传力端头3的外壁设有与轴向加载缸螺纹连接的外螺纹31。

另外，所述筒体1可根据具体使用环境选用不同的材料，例如：钛合金可同时满足高温、高射线穿透、无磁性等要求；橡胶可满足高射线穿透、无磁性、低重量等要求；聚四氟乙烯可同时满足耐腐蚀、高温、高射线穿透、无磁性、低重量等要求，其主要功能是对内部的介质(气体或液体)起到一个密封的作用，对缠绕在其外周部的周向承压碳纤维套4起到支撑作用；筒体1通常较薄，以便于外部探测仪器对其内部的样品进行检测。在缠绕碳纤维时，需用树脂对碳纤维进行固化，碳纤维缠绕用树脂固化的技术已在飞机外壳、汽车外壳、自行车支架、鱼竿、混凝土加固、游艇、赛艇等领域广泛应用，为已知技术，在此不做赘述。又由于碳纤维对于射线的穿透性、磁场的稳定性均无影响或影响很小，因此本发明所述的岩心夹持器可以用在对射线穿透性、磁场稳定性有要求的特殊场合，如：ct扫描仪、核磁共振仪等。

实施例2

请结合图4和图5所示，本实施例所述的岩心夹持器与实施例1的不同之处仅在于：筒体1与上传力端头2和下传力端头3之间为拼接结构，并且，在上传力端头2与筒体1的连接处及下传力端头3与筒体1的连接处均设有密封圈7，在上传力端头2的内腔设有与筒体1上端部密封连接的固定密封件8，在下传力端头3的内腔设有与筒体1下端部密封连接的活动密封件9。

请参阅图5所示，本发明所述的岩心夹持器的工作过程如下：

将样品10置于筒体1内，上端由固定密封件8密封，并由通过内螺纹21连接的压紧盖11压住，下端由可上下移动的活动密封件9密封，整个岩心夹持器再由外螺纹31与外部轴向加载缸固定连接，此时的活动密封件9为外部轴向加载缸的活塞，通过外部轴向加载缸对活动密封件9施加向上的推力(可加范围为0～10000kn)；此时，在筒体1及周向承压碳纤维套4上会产生周向内应力；同时受轴向推力作用，并且由于下端外螺纹31的固定作用，在外部的轴向承压碳纤维套6上会产生轴向拉应力；在筒体1内的围压和轴向推力的共同作用下，可使样品10处于三向压应力状态，且轴向压应力可以远大于其它两向应力。

又由于周向承压碳纤维套4只承载周向应力，在其上的轴向应力等于零，轴向承压碳纤维套6只承载轴向应力，在其上的周向应力等于零，轴向应力与周向应力完全得到分开且不互相影响，因而本发明所述的岩心夹持器可同时承载高围压及高轴向载荷。

实验表明：本发明所述的岩心夹持器能承载高达10000kn的大轴向载荷，在同等条件下(即：具有相同材质和体积的筒体)的轴向载荷能力，相对于现有技术可至少提高10倍，不仅轴向载荷能力产生了出乎意料的效果，并且，在实现同等轴向载荷能力时，本发明可使所述的岩心夹持器的重量相对于现有技术可至少减重20％，所述岩心夹持器能实现在大轴向载荷时的轻量化；尤其是，在同等大轴向载荷下，本发明所述岩心夹持器的轴向形变可至少减小30％，具有高刚度特性，不仅可减小轴向加载实验误差，而且延长了岩心夹持器的使用寿命。总之，本发明所述的岩心夹持器能实现大轴向载荷且轻量化和高刚度，可满足ct扫描仪、核磁共振仪等特殊场合的高条件使用要求，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，对地质勘探和岩心物性的研究具有重要价值。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。