油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置的制作方法

本实用新型属于油页岩剪切流变测试技术领域，具体涉及油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置。

背景技术：

油页岩作为一种储量巨大的重要石油替代能源，未来其开发和利用有着广阔的前景。油页岩开采主要是在高温条件下使油页岩热解，收集产生的油气，但由于油气溢出以及油页岩热解后岩石力学性质改变，会引起地面沉降、地面塌陷、地裂缝等一系列工程地质问题，需要引起足够的重视。

上述的工程地质问题与岩石的流变特性息息相关，在研究油页岩的流变特性时，为了获得准确的试验结果，需要考虑温度对其产生的影响。

现有技术中，剪切流变测试装置有很多，但很少有考虑温度因素，少有的加入升温装置的也无法达到400℃以上的油页岩热解温度，不能进行油页岩的热力耦合剪切流变测试，此外，由于油页岩热解会产生油液及油气，现有的常规装置也无法收集油页岩变温热解时产生的油液和油气。

现有技术中，剪切流变装置多采用滑轮砝码加压方式，虽然能施加恒定的剪切应力，但由于砝码的重量有限，无法提供较大的荷载；还有部分剪切流变装置采用千斤顶施加剪切力，难以保证对施加荷载的有效控制。并且现有剪切流变装置对剪切位移的量测大多采用人工手持百分表或千分表测量，记录时由于人为因素极易导致误差。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型提供了一种油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置，既能够实现智能化调控剪切力并记录剪切位移，还能够实现对油页岩变温热解产生的油液和油气进行收集，实现变温热解条件下的流变剪切测试。

油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置，所述测试装置由支撑台架、装夹机构、加热机构、收集机构、水平方向加载机构和竖直方向加载机构组成；

所述装夹机构由中空且为金属材质的上剪切盒和下剪切盒上下对称设置组成，待测试的岩样安装在上剪切盒和下剪切盒对应设置的岩样安装槽内，且上剪切盒和下剪切盒之间留有间隙，所述下剪切盒的岩样安装槽底部开有液油孔；

所述加热机构由控制电源与电加热片电连接组成，所述电加热片分布在上剪切盒和下剪切盒的中空腔体内侧，通过控制电源输出的电能使电加热片通电加热，并通过调节控制电源输出的电能，实现电加热片的加热温度变化；

所述收集机构由上伸缩收集盒、上隔板、下伸缩收集盒和下隔板组成；

所述上伸缩收集盒与上剪切盒右端固连，上隔板滑动密封安装在上伸缩收集盒内侧，且上隔板底部与下剪切盒的顶部固连，使上剪切盒与上伸缩收集盒相对应的外端面、上隔板、上伸缩收集盒的顶板和侧板以及下剪切盒的顶面之间形成相对密封的上收集腔室；

所述下伸缩收集盒与下剪切盒左端固连，下隔板滑动密封安装在下伸缩收集盒内侧，且下隔板底部与上剪切盒的底部固连，使下剪切盒与下伸缩收集盒相对应的外端面、下隔板、下伸缩收集盒的底板和侧板以及上剪切盒的底面之间形成相对密封的下收集腔室；

所述下剪切盒与下伸缩收集盒相对应的外端面下端开有油液孔；

所述水平方向加载机构中，伺服电机与滚珠丝杠副驱动连接，滚珠丝杠副的直线位移输出端顶压在安装于上伸缩收集盒端面上的力传感器上，通过上伸缩收集盒向上剪切盒施加水平载荷，进而实现向待测量的岩样施加水平的剪切力，上伸缩收集盒端面上还安装有激光接收板，水平正对着激光接收板的位置安装有激光位移传感器，所述激光位移传感器和力传感器分别检测施加在上伸缩收集盒端面上的水平载荷信号和上伸缩收集盒的水平位移信号，并将检测到的信号分别发送至电子计算机；

所述竖直方向加载机构中，加压油泵通过油路连接千斤顶，所述千斤顶的的顶压端通过压板竖直作用在上剪切盒上表面，且压板底面通过滚轴与上剪切盒上表面滑动接触连接，所述加压油泵上安装有压力表。

进一步地，所述支撑台架包括：承台、固定单元和反力支架；

所述固定单元固定于承台的上表面，实现对下剪切盒与下伸缩收集盒的水平限位；

所述反力支架固定在承台的上表面，千斤顶的安装在反力支架上，激光位移传感器通过钢绳吊装在反力支架上。

进一步地，所述电加热片有九片，其中，五片电加热片分别贴服安装在上剪切盒岩样上安装槽的四个槽侧面和一个槽顶面的内侧，另外四片电加热片分别贴服安装在下剪切盒岩样下安装槽的四个槽侧面内侧。

进一步地，所述上剪切盒和下剪切盒之间留有的间隙距离为0.5cm。

进一步地，所述电加热片采用电陶瓷加热片。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型所述油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置，在剪切盒内增设电陶瓷加热片，并通过控制电源为电陶瓷加热片提供电能，使剪切盒内的环境温度变化范围为从常温至800℃，故，可实现在常温至800℃温度范围内的任意温度下，油页岩热解条件下的剪切试验。

2、本实用新型所述油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置，在剪切盒外侧设计油液收集装置，整个实验过程中油页岩热解产生的油液和油气流入下剪切盒，并经下剪切盒侧面的孔道流入油液收集装置中，实现对剪切过程中产生的油液和油气油进行收集。

3、本实用新型所述油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置，在进行油页岩热力耦合直剪流变试验过程中，计算机可以通过小型测力传感器采集反馈的实时水平剪切力，智能化地调控向伺服电机输出的控制信号，通过控制伺服电机的输出，进而控制最终施加在剪切盒上的水平剪切力，使水平剪切力稳定在目标值，并通过激光位移传感器实时记录剪切位移，绘制应变与时间关系曲线。

附图说明

图1为本实用新型所述油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置结构示意图；

图2为图1中a处局部放大图；

图3为本实用新型所述油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置中，剪切盒的电连接示意图；

图4为本实用新型所述油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置中，下剪切盒的俯视图；

图5为本实用新型所述油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置中，压板滑动滚轴的结构示意图；

1-承台，2-固定装置，3-反力支架，

4-上剪切盒，5-下剪切盒，6-上伸缩收集盒，

7-下伸缩收集盒，8-隔板，9-电加热片，

10-导线，11-控制电源，12-压板，

13-滑动滚轴，14-法向千斤顶，15-加压油泵，

16-压力表，17-伺服电机，18-滚珠丝杠副，

19-电缆，20-电子计算机，21-垫板，

22-力传感器，23-激光位移传感器，24-激光接收板，

25-钢绳，26-下隔板，27-油页岩岩样，

28-上收集腔室，29-下收集腔室。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本实用新型所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本实用新型的具体实施方式如下：

如图1所示，本实用新型公开了一种油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置，包括：支撑台架、装夹机构、加热机构、收集机构、水平方向加载机构和竖直方向加载机构。

所述支撑台架为本实用新型所述测试装置的安装基体，包括：承台1、固定单元2和反力支架3，其中，所述承台1为表面为水平平面的平台，所述固定单元2固定于承台1的上表面，用于固定在待夹持固定部件的两侧，实现对待夹持固定部件的水平限位；所述反力支架3是由多根型材固定搭建而成的长方体支架，所述反力支架3固定在承台1的上表面，并罩至在固定单元2的上方，并与固定单元2之间形成安装空间，用于安装其他部件。

所述装夹机构用于安装待测试的油页岩岩样27，包括：上剪切盒4和下剪切盒5，其中，所述下剪切盒5置于承台1的上表面，下剪切盒5右侧通过固定单元2实现水平固定限位，所述下剪切盒5为由金属板料焊接组成的中空结构，且下剪切盒5的顶部设有下凹的岩样下安装槽；所述上剪切盒4设置于下剪切盒5正上方，上剪切盒4为由金属板料焊接组成的中空结构，上剪切盒4底部设有上凹的岩样上安装槽，且所述岩样上安装槽与所述岩样下安装槽在竖直方向上对称设置，如图4所示，所述岩样下安装槽底部开有呈阵列分布的液油孔；所述上剪切盒4和下剪切盒5均采用不锈钢材质制成；待测试的油页岩岩样27长×宽×高尺寸为：5cm×5cm×10cm，所述岩样上安装槽与所述岩样下安装槽的槽内尺寸与油页岩岩样27尺寸相匹配，油页岩岩样27的上部和下部分别置于岩样上安装槽与岩样下安装槽内，且安装油页岩岩样27后的上剪切盒4底部与下剪切盒5顶部之间留有0.5cm的距离，使油页岩岩样27的顶部抵在岩样上安装槽的槽顶面上，油页岩岩样27的底部抵在岩样下安装槽的槽底面上，以确保后续施加竖直方向载荷时，载荷能够通过上剪切盒充分施加在油页岩岩样27上。

所述加热机构用于实现对装夹机构内的油页岩岩样27进行加热，如图1和图3所示，包括：控制电源11、导线10和电加热片9，其中，所述电加热片9有九片，其中，有五片电加热片9分别贴服安装在岩样上安装槽的四个槽侧面和一个槽顶面的内侧，即所述岩样上安装槽的四个槽侧面和一个槽顶面的内表面分别贴附安装电加热片9，所述岩样上安装槽的四个槽侧面和一个槽顶面的外表面与待测试的油页岩岩样27匹配安装，另外有四片电加热片9分别贴服安装在岩样下安装槽的四个槽侧面内侧，即所述岩样下安装槽的四个槽侧面的内表面分别贴附安装电加热片9，所述岩样下安装槽的四个槽侧面和一个槽底面的外表面与待测试的油页岩岩样27匹配安装；所述电加热片9分别通过导线与对应的控制电源11电连接，实现导电生热；所述电加热片9在控制电源11的电源供应下导电生热，并通过上剪切盒4的岩样上安装槽和下剪切盒5的岩样下安装槽的导热金属板侧壁进行导热，进而实现对其内侧的油页岩岩样27进行加热；所述电加热片9采用高温陶瓷加热片，其最高加热温度能够达到800℃，通过控制电源为电陶瓷加热片提供电能，使剪切盒内的环境温度变化范围为从常温至800℃，故，可实现在常温至800℃温度范围内的任意温度下，油页岩热解条件下的剪切试验。

所述收集机构用于收集待测试的油页岩岩样27热解产生的油液和油气，包括：上伸缩收集盒6、上隔板8、下伸缩收集盒7和下隔板26；

所述上伸缩收集盒6对应设置在上剪切盒4的右端，上伸缩收集盒6底部开口，上伸缩收集盒6左端部与上剪切盒4的右端部固定连接实现力的传递；所述上隔板8竖直设置在上伸缩收集盒6内，上隔板8的顶沿与上伸缩收集盒6的内侧顶部滑动密封连接，上隔板8的底部与下剪切盒5的顶部固定连接，使得上剪切盒4与上伸缩收集盒6相对应的外端面、上隔板8、上伸缩收集盒6的顶板和侧板以及下剪切盒5的顶面之间形成相对密封的上收集腔室28，上剪切盒4和下剪切盒5内的油页岩岩样27热解产生的油液和油气流入上剪切盒4和下剪切盒5之间的缝隙后，通过上收集腔室28与外界相隔离，实现对部分的油液和油气进行收集；

所述下伸缩收集盒7对应设置在下剪切盒5的左端，下伸缩收集盒7左侧通过固定单元2实现水平固定限位，下伸缩收集盒7顶部开口，所述下隔板26竖直设置在下伸缩收集盒7内，下隔板26的底沿与下伸缩收集盒7的内侧底部滑动密封连接，下隔板26的顶部与上剪切盒4的底部固定连接，使得下剪切盒5与下伸缩收集盒7相对应的外端面、下隔板26、下伸缩收集盒7的底板和侧板以及上剪切盒4的底面之间形成相对密封的下收集腔室29，在所述下剪切盒5的左端面下方开有液油孔；上剪切盒4和下剪切盒5内的油页岩岩样27热解产生的油液和油气一部分可从上剪切盒4和下剪切盒5之间的缝隙流入下收集腔室29，另一部分将从岩样下安装槽底部液油孔流入下剪切盒5的内腔，并从下剪切盒5左侧壁开设的液油孔流入下收集腔室29，实现对部分的油液和油气进行收集。

所述竖直方向加载机构用于对待测试的油页岩岩样27施加竖直方向的载荷，包括：压板12、滑动滚轴13、法向千斤顶14、加压油泵15和压力表16，其中，所述加压油泵15与法向千斤顶14的进油口管路连接，所述法向千斤顶14的壳体安装在所述反力支架3上，法向千斤顶14的顶压端与压板12的顶部固定连接，所述压板12位于上剪切盒4的正上方，加压油泵15将液压油泵入管路，并经管路输入法向千斤顶14，以控制法向千斤顶14的顶压端向下伸出，带动压板12向下运动，实现向下方上剪切盒4施加竖直方向的载荷，进而将竖直方向的载荷间接传递至待测试的油页岩岩样27；如图1和图5所示，所述滑动滚轴13安装在压板12的底部，所述压板通过滑动滚轴13与上剪切盒4的顶部滑动接触连接，以使上剪切盒4在外力的作用下水平移动过程中，仍可将竖直载荷通过压板12传递至上剪切盒4；所述压力表16安装在所述加压油泵15上，用于检测加压油泵15向外输出的液压油的压力，进而实现检测施加在油页岩岩样27上的竖直方向的载荷。

所述水平方向加载机构用于对待测试的油页岩岩样27施加水平方向的剪切载荷，包括：伺服电机17、滚珠丝杠副18、电缆19、电子计算机20、垫板21、力传感器22、激光位移传感器23、激光接收板24和钢绳25；

如图1和图2所示，所述力传感器22采用小型测力传感器，力传感器22安装在上伸缩收集盒6的右侧壁外表面下方；所述滚珠丝杠副18通过垫板21水平设置安装在固定单元2的上表面，以使滚珠丝杠副18的直线位移输出端正对着安装在上伸缩收集盒6右侧壁外表面的力传感器22；所述伺服电机17通过电机支架支撑安装在垫板21上，伺服电机17的输出轴与滚珠丝杠副18的丝杠端部通过同步带传动组件传动连接，通过伺服电机17驱动滚珠丝杠副18的丝杠同步旋转；所述滚珠丝杠副18的丝杠螺母在丝杠的旋转驱动下沿轴向水平直线运动，所述丝杠螺母上水平固定连接有推杆，所述推杆水平设置，推杆一端与丝杠螺母固定连接，推杆另一端悬置并作为所述滚珠丝杠副18直线位移输出端顶压在安装在上伸缩收集盒6右侧壁外表面的力传感器22上；推杆的端部顶压在力传感器22上，在伺服电机17的驱动下，滚珠丝杠副18将旋转运动转化为水平直线运动，在滚珠丝杠副18的传动下，推杆的端部向外运动，并在上伸缩收集盒6的右侧壁上施加水平方向的载荷，上伸缩收集盒6将水平方向的载荷传递至上剪切盒4，在下剪切盒5固定不动的情况下，随着上剪切盒4在上伸缩收集盒6的作用下水平向左运动，上剪切盒4和下剪切盒5实现向待测试的油页岩岩样27施加水平的剪切力，与此同时，力传感器22检测由推杆施加在上伸缩收集盒6上的水平载荷，即检测施加在油页岩岩样27上的剪切力；

如图1和图2所示，所述激光接收板24安装在上伸缩收集盒6的右侧壁外表面上方；所述激光位移传感器23通过钢绳25吊挂在反力支架3上，激光位移传感器23与所述激光接收板24在同一水平面上，且激光位移传感器23正对着所述激光接收板24；随着上剪切盒4在上伸缩收集盒6的作用下水平向左运动，所述激光位移传感器23通过检测与安装在上伸缩收集盒6右侧壁外表面的激光接收板24之间的距离，实现检测上伸缩收集盒6水平位移，进而实现检测随着上剪切盒4水平移动的油页岩岩样27的剪切位移。

所述力传感器22和所述激光位移传感器23的采集信号输出端分别与所述电子计算机20的信号接收端信号连接，以实现电子计算机20对实际施加在油页岩岩样27上的剪切力以及油页岩岩样27的剪切位移；所述电子计算机20的控制信号与所述伺服电机17的控制端控制信号连接，电子计算机20通过力传感器22采集反馈的实时剪切力，智能化地调控向伺服电机17输出的控制信号，通过控制伺服电机17的输出，进而控制最终施加在油页岩岩样27的剪切力，使剪切力稳定在目标值。

本实用新型所述油页岩变温热解时油气采集与热力耦合剪切流变测试装置的工作过程阐述如下：

如图1所示，在进行直接剪切试验时，从前面拿出上剪切盒4和下剪切盒5，放入油页岩岩样27，上剪切盒4和下剪切盒5对齐后，放回承台1上，在反力支架3上安装好法向千斤顶14，将压板12放在上剪切盒4上，依据试验需要在控制电源11处调节好目标温度，通过电加热片9对油页岩岩样27进行加热，待温度稳定一分钟，通过加压油泵15施加目标竖直方向载荷，然后通过电子计算机20控制伺服电机17输出，并通过滚动丝杠副18施加水平方向载荷，通过力传感器22和激光位移传感器23将水平推力与水平位移反馈至电子计算机20，水平推力换算成剪应力后生成剪应力与剪切位移曲线，直至试验结束

上述直接剪切试验实施时控制变量，在相同温度下施加不同竖直方向载荷进行实验，绘制剪应力-正应力图，最终得到该温度下的抗剪强度参数；此外，可分别在常温-800℃范围内，每隔100℃进行不同竖直方向载荷下油页岩热解条件下的直接剪切试验。

如图1所示，进行油页岩热解下的剪切流变试验时，与直接剪切试验不同在于：首先通过竖直方向加载机构在常温下向油页岩岩样27施加竖直方向载荷，通过电子计算机20控制伺服电机17施加水平方向的压力，同时，电子计算机20通过力传感器22采集反馈的压力对伺服电机17进行调节，使水平方向压力(剪切力)稳定在目标值，试验过程中，激光位移传感器23将检测到的水平位移通过电缆传输给电子计算机20，在观察到水平位移(剪切位移)稳定后，升高温度至100℃，保持剪切力不变，继续观察油页岩剪切位移，当剪切位移稳定后继续升温至200℃，步骤同上，以此类推，当温度到达800℃，观察到剪切位移稳定时试验结束，在计算机界面将剪切位移随时间变化生成曲线，可对油页岩热力耦合下的流变规律进行分析。

在以上试验过程中，油页岩热解产生的油液和油气会流入收集机构，实现油液和油气的采集。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。