含弱界面低强度岩石试样制备装置及其制备试样方法

摘要

本发明涉及的是含弱界面低强度岩石试样制备装置及其制备试样方法，其中的含弱界面低强度岩石试样制备装置由金刚石线锯机、工作台、打磨机设置在底座上构成，工作台上设置切削台和夹持转盘，金刚石线锯机通过其两侧的钢支架横跨于底座上；金刚石线锯机的金刚石锯丝绕在两个动力轮外，冷却气喷嘴设置在金刚石锯丝的下方；切削台包括切削座、切削架、夹持手柄、定位卡槽、周向旋转装置、旋转手轮，切削座与切削架通过垂向调节装置固定连接，切削架具有两个相对应的支撑体，两个支撑体的上端均形成定位卡槽，其中一个支撑体的上端还设置周向旋转装置，周向旋转装置连接一个圆形模块，另一个支撑体的上端还设置夹持装置，夹持装置连接另一个圆形模块。本发明切削过程对岩样的损坏小，切割精度较高，切割面较平整。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石力学工程、石油工程、采矿工程等领域中的岩石力学试样制备工具，具体涉及含弱界面低强度岩石试样制备装置及其制备试样方法。

背景技术

目前非常规油气资源的开发已引起全世界的关注，力学参数测试是研究非常规储层岩石力学特性的一种重要方法，在岩石物理力学测试中所用岩样大多为圆柱形，如单轴、三轴抗压强度测试要求岩样尺寸为φ25mm*50mm、φ50mm*100mm，巴西劈裂实验要求岩样尺寸为φ50mm*25mm。目前节理煤岩、泥岩、油页岩等含弱界面低强度非常规储层岩石的柱形岩样制备十分困难，这些岩石大都发育较为明显的微裂隙和层理结构，整体强度较低。常规取样方法，钻头与岩样接触面较大，钻机的震动由钻头传递到岩样，经常发生岩样沿弱面断裂的问题。即使取样成功，由于该类岩石的强度较低，取出的岩样表面大多有多处破损，并且在岩样打磨端面过程中，锯片的震动也会造成岩样的断裂或端面的破损。常规取样中，水冷却是主要的钻头冷却方法，此类含弱界面低强度岩石，遇水后会发生性质上的改变，如强度降低，水化膨胀及在弱界面处剥离破坏等。

申请号为201210101103.8的中国发明专利，公开了一种泥岩冷却气取岩样的装置及方法，该方法是为了解决泥页岩取样困难和取样过程中泥岩遇水强度变低的问题，采用了冷却气冷却取样钻头的方法，其钻取过程不连贯，起下钻频繁，重新下钻过程对于岩样会产生瞬间的应力差，很容易造成岩样扭断。

由此，本领域需要一种含弱面低强度岩石试样的取样装置及取样方法，以克服现有取样技术的缺陷。 

发明内容

本发明的一个目的是提供含弱界面低强度岩石试样制备装置，这种含弱界面低强度岩石试样制备装置用于解决含弱界面低强度岩石试样制备困难，破损率高的问题，本发明的另外一个目的是提供这种含弱界面低强度岩石试样制备装置的制备试样方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种含弱界面低强度岩石试样制备装置由金刚石线锯机、工作台、打磨机设置在底座上构成，工作台上设置切削台和夹持转盘，金刚石线锯机通过其两侧的钢支架横跨于底座上，底座上沿长度方向安装有平移滑轨，平移滑轨从金刚石线锯机下方穿过，工作台可在平移滑轨上水平移动，工作台可将切削台或夹持转盘分别移动到金刚石线锯机的金刚石锯丝下方，工作台还可将切削台移动到打磨机的打磨筒下方；金刚石线锯机包括钢支架、线锯电动机、金刚石锯丝、两个动力轮，两个动力轮设置在机箱的两侧，钢支架与机箱通过高度调节装置固定连接，线锯电动机由皮带连接其中一个动力轮，金刚石锯丝绕在两个动力轮外，冷却气喷嘴设置在金刚石锯丝的下方；切削台包括切削座、切削架、夹持手柄、定位卡槽、周向旋转装置、旋转手轮，切削座与切削架通过垂向调节装置固定连接，切削架具有两个相对应的支撑体，两个支撑体的上端均设置定位卡槽，其中一个支撑体的上端还设置周向旋转装置，周向旋转装置连接一个圆形模块，另一个支撑体的上端还设置夹持装置，夹持装置连接另一个圆形模块，两个圆形模块相对设置；夹持转盘具有顶紧机构，顶紧机构具有两个对应设置的矩形顶紧板。

上述方案中打磨机包括打磨筒、打磨电动机、钢架，打磨筒安装在钢架上，打磨筒与打磨电动机由皮带连接；打磨筒由普通钢筒加工而成，外侧反向粘有细砂纸，打磨电动机带动打磨筒旋转，完成对岩样表面的打磨。

上述方案中每个动力轮的内侧均设置有两个导向轮，两个导向轮一上一下错开设置，金刚石锯丝从两个导向轮之间通过，通过调节动力轮内侧的两个导向轮，可控制金刚石锯丝的水平度和松紧度。

上述方案中高度调节装置包括蜗轮、带有齿的支撑杆、升降手轮，蜗轮位于钢支架内，支撑杆位于机箱内，蜗轮与支撑杆相咬合，蜗轮还连接升降手轮；钢支架和机箱上分别设置有固定螺孔，升降手轮设置在钢支架外。

上述方案中冷却气喷嘴由导管连接到小型气泵，切削时启动气泵，打开喷嘴即可对金刚石锯丝进行冷却。

上述方案中切削座安装在工作台的水平调节滑轨上，切削座有水平调节手轮，转动水平调节手轮，可微调其水平位置，通过垂向调节装置可微调切削架的垂向高度。

上述方案中工作台设置有推进手轮，垂向调节装置有垂向调节手轮，所述的水平调节手轮、推进手轮、垂向调节手轮都设置有固定扳手，固定扳手松开时可以转动手轮调节位置，拧紧后可锁死手轮，保证台面不再产生移动；工作台由推进手轮控制水平移动。

上述方案中顶紧机构包括两个顶紧座、两个顶紧扳手、两个矩形顶紧板，两个顶紧座均固定在夹持转盘上，螺栓穿过相应的顶紧座，螺栓的一端连接相应的顶紧扳手，螺栓的另一端固定相应的矩形顶紧板，拧紧顶紧扳手，小块岩石可被顶紧座固定，夹持转盘有转盘手柄，转盘手柄控制夹持转盘的转动角度。

上述方案中周向旋转装置采用蜗杆蜗轮结构，蜗轮连接圆形模块，蜗杆连接旋转手轮，转动旋转手轮可稳定的控制待切岩样的周向转动，完成切削，转动圈数比为16:1。

上述含弱界面低强度岩石试样制备装置制备试样的方法：

一、长方体岩块切割

a、将岩石用切割机切割成边长小于20cm的小块岩石， 放置在工作台的夹持转盘上，拧紧顶紧座顶紧扳手，将小块岩石固定夹紧。

b、取下线锯机钢架固定螺孔中的螺栓，转动线锯机升降手轮，将线锯机升至最高，转动工作台推进手轮，将夹持转盘移动到金刚石线锯机的正下方，根据实验所需岩样角度，转动夹持转盘手柄，将转盘旋转到预定角度。

c、启动线锯电动机，打开冷却气喷嘴，转动线锯机升降手轮控制金刚石线锯机下降，将岩块切割成一定规格的长方体岩样。 

d、将长方体岩样固定在夹持转盘上，对两端面进行切割，要求两端面平行度不超过0.1mm，切割完成后，升高金刚石线锯机高度，反转工作台推进手轮，退出工作台并取下长方体岩样，将表面岩屑清理干净，将其作为下步待切岩样；

二、柱形岩样切削

a、按实验要求，安装好相应尺寸的圆形模块和定位卡槽，转动切削台上端的夹持手柄，用圆形模块将待切岩样两端固定，保证无晃动，转动工作台推进手轮，将切削台移动到金刚石线锯机正下方，拧紧工作台固定扳手，使其不再水平移动。

b、转动线锯机升降手轮，下降金刚石线锯机直到金刚石锯丝与定位卡槽距离小于5cm，拧紧固定螺栓固定线锯机高度，转动切削台水平调节手轮和垂向调节手轮，使金刚石锯丝穿过定位卡槽与待切岩样接触，拧紧切削台水平固定扳手。

c、启动线锯电动机，打开冷却气喷嘴，转动切削台垂向调节手轮，开始对待切岩样进行垂向切割，到金刚石锯丝与圆形模块接触，拧紧切削台水平垂向固定扳手。

d、匀速缓慢转动周向旋转手轮，开始对待切岩样进行周向切削，完成360°周向切削后，关闭金刚石线锯机，松开切削台垂向固定扳手和工作台固定扳手，降低切削台高度，拆除定位卡槽，取下柱形岩样。

三、柱形岩样打磨

a、转动工作台推进手轮，将切削台移动到打磨筒正下方，拧紧工作台固定扳手，保证其不再水平移动。

b、启动打磨电动机，转动切削台垂向调节手轮，升高切削台高度直到打磨筒与柱形岩样侧面接触，拧紧切削台垂向固定扳手。

c、转动周向旋转手轮，使柱形岩样沿着圆形模块进行周向打磨，打磨完成后，关闭打磨电动机，松开切削台垂向固定扳手和工作台固定扳手，降下切削台并退出工作台，取下制备好的柱形岩样，清洁表面岩屑，以待实验。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中使用金刚石线锯对岩石和岩样进行切削，和常规钻取方式相比，不会产生偏心扭矩，接触方式由面接触变为线接触，震动传递较低，切削过程对岩样的损坏小，切割精度较高，切割面较平整。

2、本发明中采用线锯切削结合打磨筒打磨的岩样制备方法，制备的岩样尺寸符合实验要求，表面破损率较低，裂缝形态保留更加完好，实验结果更能反应真实状况。

3、本发明中采用冷却气冷却金刚石锯丝，和常规水冷却相比，既能有效的冷却锯丝，又可以避免含弱界面低强度岩石遇水性质发生变化的问题。

4、本发明中设计了定位卡槽和圆形模块，一方面可以更好的控制线锯对岩样的切削位置和角度，另一方面可以更换定位卡槽和圆形模块来变换切削尺寸，切取不同规格的柱形岩样。

5本发明中的夹持转盘，可360°转动，可根据实验需求，切割不同角度的岩块，提高了岩块切割的灵活度。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2为本发明中金刚石线锯机的主视图；

图3为本发明中金刚石线锯机的侧视图；

图4为本发明中金刚石线锯机的俯视图；

图5是本发明中工作台的立体图；

图6是本发明中工作台的主视图；

图7是本发明中工作台的侧视图；

图8是本发明中工作台的俯主视图；

图9是本发明中打磨机的结构示意图；

图10是本发明的切削原理图；

图11是本发明的打磨原理图。  

图中：1.金刚石线锯机  2.工作台  3.打磨机  4.底座  5.待切岩样  6.平移滑轨  7.钢支架  8.升降手轮  9.固定螺孔  10.线锯电动机  11.导向轮  12.动力轮  13.冷却器喷嘴  14.金刚石锯丝  15.切削台  16.夹持转盘 17.水平调节滑轨  18.水平调节手轮  19.蜗轮  20.垂向调节手轮 21.垂向固定扳手  22.蜗杆  23.圆形模块  24.定位卡槽  25.夹持手柄  26.旋转手轮  27.推进手轮  28.顶紧板  29.转盘手柄  30.顶紧座  31.顶紧扳手  32.打磨筒  33.钢架  34.打磨电动机  35.切削架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，这种含弱界面低强度岩石试样制备装置由金刚石线锯机1、工作台2、打磨机3设置在底座4上构成，参阅图5，工作台2上设置切削台15和夹持转盘16，金刚石线锯机1通过其两侧的钢支架7横跨于底座4上，底座4上沿长度方向安装有平移滑轨6，平移滑轨6从金刚石线锯机1下方穿过，工作台2可在平移滑轨6上水平移动，工作台2可将切削台15或夹持转盘16分别移动到金刚石线锯机的金刚石锯丝14下方，工作台2还可将切削台15移动到打磨机3的打磨筒32下方。工作台2设置有推进手轮27，工作台2由推进手轮27控制水平移动，推进手轮27设置有固定扳手，固定扳手松开时可以转动手轮调节位置，拧紧后可锁死手轮，保证工作台2不再产生移动。

结合图2、图3、图4所示，金刚石线锯机1包括钢支架7、线锯电动机10、金刚石锯丝14、两个动力轮12，两个动力轮12设置在机箱的两侧，钢支架7与机箱通过高度调节装置固定连接，线锯电动机10由皮带连接其中一个动力轮12，金刚石锯丝14绕在两个动力轮12外，每个动力轮12的内侧均设置有两个导向轮11，两个导向轮11一上一下错开设置，金刚石锯丝14从两个导向轮11之间通过，冷却气喷嘴13设置在金刚石锯丝14的下方，冷却气喷嘴13由导管连接到小型气泵。高度调节装置包括蜗轮、带有齿的支撑杆、升降手轮8，蜗轮位于钢支架内，支撑杆位于机箱内，蜗轮与支撑杆相咬合，蜗轮还连接升降手轮8；钢支架7和机箱上分别设置有固定螺孔9，升降手轮8设置在钢支架7外，转动升降手轮8控制机箱垂向升降，两侧钢支架7都钻有固定螺孔9，拧紧螺栓后可固定金刚石线锯机1高度。

参阅图5、图6、图7、图8，切削台15包括切削座、切削架35、夹持手柄25、定位卡槽24、周向旋转装置、旋转手轮26，切削座安装在工作台2的水平调节滑轨17上，切削座有水平调节手轮18，水平调节手轮18设置有固定扳手，转动水平调节手轮18，可微调其水平位置。切削座与切削架35通过垂向调节装置固定连接，垂向调节装置有垂向调节手轮20，垂向调节手轮20设置有垂向固定扳手21，通过垂向调节装置可微调切削架35的垂向高度，拧紧垂向固定扳手21后固定切削架35的垂向高度；切削架35具有两个相对应的支撑体，两个支撑体的上端均形成定位卡槽24，其中一个支撑体的上端还设置周向旋转装置，周向旋转装置连接一个圆形模块23，另一个支撑体的上端还设置夹持装置，夹持装置的夹持手柄25连接另一个圆形模块23，两个圆形模块23相对设置；周向旋转装置采用蜗杆蜗轮结构，蜗轮19连接圆形模块23，蜗杆22连接旋转手轮26，转动旋转手轮可稳定的控制待切岩样的周向转动，完成切削，转动圈数比为16:1。定位卡槽24与切削架35可拆卸连接，定位卡槽24在打磨时可以拆除。

待切岩样由圆形模块固定在切削台上，定位卡槽24增加金刚石锯丝14的切割精度，圆形模块23限制岩样切削轮廓，切削时，拧动夹持手柄25，使圆形模块23夹紧待切岩样5，金刚石锯丝穿过两个定位卡槽24，同时紧在两个圆形模块夹紧的方形待切岩样上，转动旋转手轮26控制圆形模块23的转动，同时控制待切岩样的周向旋转，启动金刚石线锯机1，待切岩样在旋转的过程中被金刚石锯丝14切削，在此过程圆形模块23控制岩样的切削轮廓，使切削后的柱形岩样的直径与圆形模块23相等。

夹持转盘16具有顶紧机构，顶紧机构包括两个顶紧座30、两个顶紧扳手31、两个矩形顶紧板28，两个顶紧座30均固定在夹持转盘16上，螺栓穿过相应的顶紧座30，螺栓的一端连接相应的顶紧扳手31，螺栓的另一端固定相应的矩形顶紧板28，两个矩形顶紧板28对应设置。拧紧顶紧扳手31，小块岩石可被顶紧座固定，夹持转盘16有转盘手柄29，转盘手柄29控制夹持转盘16的转动角度。

参阅图9，打磨机包括打磨筒32、打磨电动机34、钢架33，打磨筒32安装在钢架33上，打磨筒32与打磨电动机34由皮带连接；打磨筒32由普通钢筒加工而成，外侧反向粘有细砂纸，打磨电动机34带动打磨筒32旋转，完成对岩样表面的打磨。

上述含弱界面低强度岩石试样制备装置在制备岩样时包括长方体岩块切割，柱形岩样切削和柱形岩样打磨三个部分，采用金刚石线锯对岩样进行切削，减少了与岩样的接触面积，降低了摩阻，一方面避免了取样过程中由于瞬间应力差和偏心扭矩引起的岩样断裂，另一方面也使得制备的岩样表面更加平整，弱面保留更加完整。金刚石线锯机1采用冷却气冷却金刚石锯丝14，可解决含弱界面低强度岩石遇水性质发生改变的问题，以此形成了一种适合含弱界面低强度岩石试样的制备方法，以制备Φ50mm的圆柱岩样为例，具体步骤如下：

一、岩块切割

a、将岩石用切割机切割成边长小于20cm的小块岩石，放置在工作台2的夹持转盘16上，拧紧顶紧座30的顶紧扳手31，将小块岩石固定夹紧，要求不产生晃动与位移。

b、用内六角扳手取下线锯机钢架7上的高度固定螺栓，转动线锯机升降手轮20，将金刚石线锯机1升至最高，转动工作台推进手轮27，将夹持转盘16移动到金刚石线锯机1的正下方，拧紧工作台固定扳手，按照实验所需的岩样角度，转动夹持转盘手柄29，调整小块岩石的切割角度。

c、启动线锯电动机10，打开冷却器喷嘴13，转动线锯机升降手轮8控制金刚石线锯机1下降，当金刚石锯丝14接触岩石表面后，放慢线锯机升降手轮8转动速度，对小块岩石进行切割，一次切割结束后，关闭线锯电动机10，转动线锯机升降手轮8，提升金刚石线锯机1，重新调整角度后夹紧岩样，启动线锯电动机10，对岩块进行第二次切割，直到将岩块切割所需的条状长方体岩样，要求尺寸大于50mm*50mm*100mm。

d、将长方体岩样一端固定在夹持转盘16上，拧紧转盘固定扳手，转动夹持转盘手柄29，使长方体岩样与金刚石锯丝14垂直，转动工作台推进手轮27，调整好切割位置后，拧紧工作台固定扳手，启动线锯电动机10，对长方体岩样的端面进行切割，要求切割后两端面平行度不超过0.1mm，切割完成后，转动线锯机升降手轮8，升高金刚石线锯1，反转工作台推进手轮27，退出工作台2并取下长方体岩样，清洁表面岩屑，并作为下步待切岩样5。

二、岩样切削，参阅图10，

a、按实验要求的岩样尺寸，在切削台15上安装好Φ50mm的圆形模块23和定位卡槽24，转动切削台15上端的夹持器手柄25，用圆形模块23将待切岩样5两端固定，保证不会产生晃动与位移，转动工作台推进手轮27，将切削台15移动到金刚石线锯机1正下方后，拧紧工作台固定扳手，使其不再水平移动。

b、转动线锯机升降手轮8，下降金刚石线锯机1直到金刚石锯丝14与定位卡槽24距离小于5cm，在固定螺孔9内拧紧固定螺栓，转动切削台水平调节手轮18和垂向调节手轮20，调整待切岩样5的位置，使金刚石锯丝14穿过定位卡槽24与待切岩样5接触，拧紧切削台水平固定扳手。

c、启动线锯电动机10，打开冷却气喷嘴13，缓慢转动切削台垂向调节手轮20，开始对待切岩样5进行垂向切割，直到金刚石锯丝14与圆形模块23接触，拧紧切削台水平垂向固定扳手21，使其不在产生垂向位移。

d、匀速缓慢转动周向旋转装置一侧的旋转手轮26，开始对待切岩样5进行360°周向切削，切削完成后关闭线锯电动机10和冷却气喷嘴13，松开切削台垂向固定扳手21和工作台固定扳手，降下切削台15高度，拆除定位卡槽24，不取下柱形岩样。

三、岩样打磨，参阅图11，

a、转动工作台推进手轮27，将切削台15移动到打磨筒32正下方，拧紧工作台固定扳手，保证其不再水平移动。

b、启动打磨电动机34，转动切削台垂向调节手轮20，升高切削台15高度直到打磨筒32打磨柱形岩样表面并与圆形模块23接触，拧紧切削台垂向固定扳手21。

c、转动周向旋转手轮26，使柱形岩样沿着圆形模块23进行周向打磨，打磨完成后，关闭打磨电动机34，松开切削台垂向固定扳手21和工作台固定扳手，降下切削台15并退出工作台2，取下制备好的柱形岩样，清洁表面岩屑，以待实验。