一种深部储层相似材料注料制备养护装置及制作方法

本发明涉及岩土工程物理模拟试验与相似材料制备养护，尤其涉及一种深部储层相似材料注料制备养护装置及制作方法。

背景技术：

1、深部储层广泛存在于深部煤炭开采、深部油气开发、地下储能及地质封存等工程场景中，其赋存环境通常具有较高地应力、较高温度及复杂孔隙结构等特征。为研究深部储层在开采、注入、封存或扰动过程中的力学特性和结构演化规律，常需制备具有相似物理力学特性的相似材料试样。相似材料试样的配比合理性、混合均匀性、成型密实度及养护环境稳定性，直接影响物理模拟试验结果的可靠性。

2、现有相似材料试样多采用人工拌合、人工填料配合普通模具压实或常规压实设备制备，容易出现粗细颗粒离析、注料量不稳定、填料不均匀及局部密实度差异等问题。尤其对于模拟深部储层环境的相似材料，若缺乏搅拌均化、定量注料、压实成型和保温保压养护的一体化控制，易导致试样成型养护环境与目标储层环境存在偏差，从而影响试样一致性和参数相似性。而且，对于岩土工程物理模拟试验中，需要用到大量相似材料试样进行多次、反复、以及对比实验，要制作出大量的试样，或者先后短时间内连续制作出多种不同成分、模拟不同环境的试样，现有的人工拌合、人工填料，普通模具压实的方法，人工制作出300个试样需要4个月左右的时间，效率太低，影响试验进度，延长试验时间。

技术实现思路

1、本发明提供一种深部储层相似材料注料制备养护装置及制作方法，以解决相似材料试样制备养护过程中，采用普通的人工拌合、人工填料，普通模具压实的方法制作相似材料试样，制作时间长、效率低、试样之间偏差大，影响试样一致性和参数相似性的问题。

2、为此，本发明提出一种深部储层相似材料注料制备养护装置，包括：

3、对开式哈夫模具，所述对开式哈夫模具包括两个可对合的金属半模体，两个所述金属半模体对合后形成用于容纳相似材料混合料的制样腔；

4、顶盖，封闭所述制样腔的上端；

5、底座，封闭所述制样腔的下端；

6、电动压实机，连接所述顶盖；

7、注料搅拌系统，对相似材料组分料进行搅拌，并按照预设注料搅拌参数将搅拌后的相似材料定量注入所述制样腔；

8、外部监控终端，分别与所述注料搅拌系统、对开式哈夫模具和电动压实机连接。

9、进一步地，所述金属半模体内设置有嵌入式加热装置、温度传感器和应力传感器，且至少一个所述金属半模体的上端设置有与所述制样腔连通的注料口，所述注料口用于向制样腔内注入相似材料混合料，并在注料完成后通过封堵螺栓封闭。

10、进一步地，所述外部监控终端在注料搅拌阶段用于设置注料搅拌参数并监测注料搅拌系统的搅拌均化状态和定量注料状态，在压实成型及保温保压静置养护阶段用于根据温度数据、模内应力数据和压实过程数据对嵌入式加热装置和/或电动压实机进行动态反馈调控，以使相似材料试样在预设温度和预设保压状态下完成压实成型及保温保压静置养护。

11、进一步地，所述注料搅拌系统包括搅拌罐、搅拌机构、高压气体驱动器、注料筒、加料盖和气体调节阀；所述注料筒用于容纳待搅拌或待注入的相似材料组分料，所述加料盖用于向注料筒内加入相似材料组分料并封闭注料筒；所述高压气体驱动器用于提供注料搅拌过程中的气体驱动力，所述气体调节阀用于调节气体压力或气体流量。

12、进一步地，在搅拌均化阶段，高压气体驱动器推动注料筒内的相似材料组分料进入搅拌罐，所述搅拌机构对进入搅拌罐内的相似材料组分料进行搅拌均化；在定量注料阶段，搅拌均化后的相似材料混合料经注料筒和注料管路输送至注料口，并通过注料口定量进入制样腔。

13、进一步地，所述搅拌罐的底面为平面，所述搅拌机构包括：能在搅拌罐中伸缩的伸缩轴和连接在伸缩轴上的搅拌叶片，所述搅拌叶片的底边的旋转面为能与搅拌罐的底面相平齐的平面，在搅拌和注料完毕后，打开所述搅拌罐底部的出口，并使所述伸缩轴伸到搅拌罐底部带动所述搅拌叶片的底边在搅拌罐的底面上旋转，将残余物料提供机械清扫方式清扫出出口，实现一重机械清除。

14、进一步地，所述注料筒包括：水筒，所述高压气体驱动器与所述水筒连通，向所述水筒提供高压气，在一重机械清除之后，打开所述水筒和所述高压气体驱动器，向所述搅拌罐喷射高压水，进行高压水清扫残余物料，实现二重高压水清除。

15、进一步地，在二重高压水清除之后，升起所述伸缩轴和所述搅拌叶片，通过所述高压气体驱动器向所述搅拌罐直接提供高压气体，进行高压气体吹扫残余物料和残余水，实现三重高压气清除。

16、进一步地，所述顶盖的底部设有深入并密封所述制样腔的顶盖压下凸台，所述顶盖的顶部设置有球面凹槽，所述球面凹槽用于与电动压实机的球压头配合，以承接并传递压实载荷，使压实力通过所述顶盖压下凸台沿所述制样腔的轴向作用于相似材料混合料。

17、进一步地，所述对开式哈夫模具还包括线缆组件，所述线缆组件包括传感器数据线、加热供电线缆和加热控制线缆；所述传感器数据线用于将温度传感器和应力传感器采集的温度数据和模内应力数据传输至外部监控终端，所述加热供电线缆用于为嵌入式加热装置供电，所述加热控制线缆用于连接嵌入式加热装置与外部监控终端，以传输外部监控终端发出的加热控制指令；所述嵌入式加热装置设置于所述金属半模体的模壁内部，并位于金属半模体的内壁与外壁之间，所述温度传感器和应力传感器分别设置于金属半模体内壁处的传感器安装孔内，且所述传感器安装孔未延伸至嵌入式加热装置处。

18、进一步地，所述金属半模体具有对合面，其中一个金属半模体的两个对合面上分别设置有线性密封槽，且所述注料口设置于该金属半模体的上端；所述线性密封槽内设置有轴向密封条，另一个金属半模体的两个对应对合面形成压紧面，两个所述金属半模体对合时，所述轴向密封条被压紧于所述线性密封槽与所述压紧面之间；两个所述金属半模体的外壁均设置有卡箍配合部，所述卡箍配合部用于与卡箍配合，使两个金属半模体在制样过程中保持闭合状态；所述卡箍配合部沿金属半模体的轴向间隔设置有至少两个；所述金属半模体的内壁设置有防护涂层，所述防护涂层覆盖金属半模体的内壁以及温度传感器和应力传感器朝向制样腔的端部。

19、本发明还提出一种深部储层相似材料注料制备养护方法，采用所述的深部储层相似材料注料制备养护装置，所述深部储层相似材料注料制备养护方法包括：

20、配比确定与混合料配制；

21、将配制好的相似材料混合料经注料口定量注入对开式哈夫模具的制样腔，并封堵制样腔；

22、通对制样腔内的相似材料混合料施加压实载荷，压实成型；

23、按预设目标温度和预设保压状态后，进行模内保温保压静置养护，保温保压静置养护完成后，拆卸对开式哈夫模具并完成脱模。

24、进一步地，在搅拌和注料完毕后，对所述搅拌罐进行三重清扫，第一重清扫为机械清除，通过所述伸缩轴伸到搅拌罐底部带动所述搅拌叶片的底边在搅拌罐的底面上旋转，将残余物料提供机械清扫方式清扫出出口；第二重清扫为高压水清除，打开所述水筒和所述高压气体驱动器，向所述搅拌罐喷射高压水，清扫残余物料；第三重清扫为高压气清除，通过所述高压气体驱动器向所述搅拌罐直接吹扫高压气，清除残余物料和残余水。

25、本发明通过注料搅拌系统实现配料，注料的自动化和精准化，通过对开式哈夫模具实现注料和脱模的便利化，通过电动压实机的压下，实现试样的压实成型的标准化，通过外部监控终端，能实现配料，压实的精准可控，整个制样过程都是自动化，制样时间短，试样之间偏差小，尤其对于需要大批量和反复制样时，本发明的效率更高，能达到手工制样的10倍以上，制作30个样，算上保温和保压的养护时间，也就10天左右即可。

26、此外，本发明还可以实现压实状态、温度条件、模内应力及密封养护条件的可控性，并通过配比方法提高相似材料试样物理力学参数与目标深部储层的相似性，进而提升试样成型质量、参数一致性和试验可靠性。

27、进而，本发明为了提高相似材料试样制备养护过程中混合均匀性、注料定量性，本发明设计了对所述搅拌罐进行三重清扫，第一重清扫为机械清除，通过所述伸缩轴伸到搅拌罐底部带动所述搅拌叶片的底边在搅拌罐的底面上旋转，将残余物料提供机械清扫方式清扫出出口；第二重清扫为高压水清除，打开所述水筒和所述高压气体驱动器，向所述搅拌罐喷射高压水，清扫残余物料；第三重清扫为高压气清除，通过所述高压气体驱动器向所述搅拌罐直接吹扫高压气，清除残余物料和残余水；通过三重清扫，可以完全彻底的清除搅拌罐中的剩余物料，以便注入新的搅拌料，进行新的注料。这样，就不会出现已经注过搅拌料的搅拌罐，再次注入新料，会产生新旧物料混合、注入的新料成分不达标、影响 后续试样制备的情况。