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申请/专利权人：中国科学院武汉岩土力学研究所

摘要：本发明公开一种用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，包括岩心固定系统、渗流系统、围压加载系统及支撑底座，岩心固定系统包括中空堵头体和套筒，套筒用于固定岩心试样，套筒两端分别设置有上堵头和下堵头；渗流系统的渗流液进液流量泵通过渗流液进管与下堵头的底端连接，渗流液出液流量泵通过渗流液出管与上堵头的顶端连接；围压加载系统的围压罩倒扣在中空堵头体的外部，围压液进液流量泵通过围压液进管与围压罩的一侧连接，围压液出液流量泵通过围压液出管与围压罩的另一侧连接。本发明结构简单紧凑，造价成本低，通过设置覆盖式围压加载系统，不仅可有效减少漏点，同时能够实现在进行原位CT扫描的同时进行外加围压的渗流实验，可操作性强。

主权项：1.一种用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，其特征在于：包括岩心固定系统、渗流系统、围压加载系统及支撑底座，所述岩心固定系统包括中空堵头体和套筒，所述中空堵头体竖直固定在所述支撑底座上，所述套筒固定在所述中空堵头体的内部顶端，所述套筒用于固定岩心试样，所述套筒的顶端和底端分别设置上堵头和下堵头；所述渗流系统包括渗流液进液流量泵和渗流液出液流量泵，所述渗流液进液流量泵通过渗流液进管与所述下堵头的底端连接，所述渗流液出液流量泵通过渗流液出管与所述上堵头的顶端连接；所述围压加载系统包括围压罩、围压液进液流量泵和围压液出液流量泵，所述围压罩倒扣在所述中空堵头体的外部，且所述围压罩的开口与所述支撑底座的上表面密封连接，所述围压液进液流量泵通过围压液进管与所述围压罩的一侧连接，所述围压液出液流量泵通过围压液出管与所述围压罩的另一侧连接；其中，所述支撑底座为二阶凸台型底座，所述中空堵头体与所述二阶凸台型底座的顶端面中心固定连接；所述围压罩倒扣在所述二阶凸台型底座的顶端凸台的外部，所述围压罩与所述二阶凸台型底座之间螺纹连接；所述渗流液进液流量泵和所述渗流液出液流量泵对称分布在所述围压罩的外周，所述渗流液进管贯穿所述二阶凸台型底座的内部自所述中空堵头体的底端进入所述中空堵头体内；所述渗流液出管贯穿所述二阶凸台型底座的内部自所述中空堵头体的顶端进入所述中空堵头体内。

全文数据：一种用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器技术领域本发明涉及一种用于原位CT扫描的渗流实验设备，特别是涉及一种用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器。背景技术原位CT扫描是指在保持实验温度压力条件的情况下对样品进行实时CT扫描。目前现有的渗流实验设备中，多采用轻质铝-碳纤维复合材料夹持器，因轻质铝-碳纤维复合材料允许CT扫描的X射线通过，且不会对CT扫描过程造成很大影响，因此，轻质铝-碳纤维复合材料夹持器可以作为需要进行原位CT扫描的渗流实验中夹持样品的部件。但是这种轻质铝-碳纤维复合材料的夹持器不仅价格昂贵，而且结构复杂，接口多，易发生渗漏，夹持器必须经过改装才能与CT扫描仪配套，无法直接在CT扫描仪内实时进行流体通过岩心样品的渗流实验。发明内容本发明的目的是提供一种结构简单，不易渗漏，并且能够与微米CT扫描仪兼容的，用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器。为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，包括岩心固定系统、渗流系统、围压加载系统及支撑底座，所述岩心固定系统包括中空堵头体和套筒，所述中空堵头体竖直固定在所述支撑底座上，所述套筒固定在所述中空堵头体的内部顶端，所述套筒用于固定岩心试样，所述套筒的顶端和底端分别设置上堵头和下堵头；所述渗流系统包括渗流液进液流量泵和渗流液出液流量泵，所述渗流液进液流量泵通过渗流液进管与所述下堵头的底端连接，所述渗流液出液流量泵通过渗流液出管与所述上堵头的顶端连接；所述围压加载系统包括围压罩、围压液进液流量泵和围压液出液流量泵，所述围压罩倒扣在所述中空堵头体的外部，且所述围压罩的开口与所述支撑底座的上表面密封连接，所述围压液进液流量泵通过围压液进管与所述围压罩的一侧连接，所述围压液出液流量泵通过围压液出管与所述围压罩的另一侧连接。可选的，所述中空堵头体为氧化铝陶瓷中空堵头体。可选的，所述围压罩为氧化铝陶瓷围压罩，所述围压罩的顶端设置有排气口。可选的，所述套筒为胶套或聚醚醚酮树脂PEEK套。可选的，所述支撑底座为二阶凸台型底座，所述中空堵头体与所述二阶凸台型底座的顶端面中心固定连接。可选的，所述围压罩倒扣在所述二阶凸台型底座的顶端凸台的外部，所述围压罩与所述二阶凸台型底座之间螺纹连接。可选的，所述渗流液进液流量泵和所述渗流液出液流量泵对称分布在所述围压罩的外周，所述渗流液进管贯穿所述二阶凸台型底座的内部自所述中空堵头体的底端进入所述中空堵头体内；所述渗流液出管贯穿所述二阶凸台型底座的内部自所述中空堵头体的顶端进入所述中空堵头体内。可选的，所述围压液进液流量泵和所述围压液出液流量泵对称分布在所述围压罩的外周，所述二阶凸台型底座的顶端面设置有围压液进阀门和围压液出阀门，所述围压液进管贯穿所述二阶凸台型底座的内部与所述围压液进阀门连接；所述渗流液出管贯穿所述二阶凸台型底座的内部与所述围压液出阀门连接。可选的，所述渗流液出管上设置有背压阀，所述背压阀用于调节渗流液的流量。本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明提出的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，结构简单紧凑，并且可与多种渗流系统兼容，既可实现在线实时渗流过程的扫描，也可与渗流系统脱离实现离线保压扫描；同时通过设置结构新颖的覆盖式围压加载系统，不仅围压均匀加载，而且可有效减少围压液渗漏，有效减少漏点，泄漏风险低，整个夹持器可置于CT扫描仪内部，能够实现在进行原位CT扫描的同时进行外加围压的渗流实验，达到了流体在通过岩心试样的同时进行原位渗流CT扫描的目的，可操作性强。另外，本发明中覆盖式围压罩以及中空堵头体均采用高强度的氧化铝陶瓷制作，氧化铝陶瓷材料不仅对X射线的吸收程度很低，不会对扫描过程造成干扰，而且可大幅降低岩心夹持器的造价成本。此外，本发明的岩心夹持器中，各个阀门、管线以及流量泵均集中设置在支撑底座的上表面，不仅便于操作及更换，而且可减少夹持器在CT扫描内占据空间，实用性强。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明提出的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器的俯视图；图2为图1的A-A剖面示意图；图3为图1的B-B剖面示意图；图4为本发明中空堵头体顶端结构放大图；其中，附图标记为：1、支撑底座；2、中空堵头体；3、套筒；4、渗流液进液流量泵；5、渗流液出液流量泵；6、渗流液进管；7、渗流液出管；8、围压罩；9、围压液进液流量泵；10、围压液出液流量泵；11、围压液进管；12、围压液出管；13、排气口；14、X射线源；15、X射线接收器；16、岩心试样；17、围压液；18、上堵头；19、下堵头。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的目的是提供一种结构简单，不易渗漏，并且能够与微米CT扫描仪兼容的，用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器。基于此，本发明提供一种用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，包括岩心固定系统、渗流系统、围压加载系统及支撑底座，岩心固定系统包括中空堵头体和套筒，中空堵头体竖直固定在支撑底座上，套筒固定在中空堵头体的内部顶端，套筒用于固定岩心试样，套筒的顶端和底端分别设置上堵头和下堵头；渗流系统包括渗流液进液流量泵和渗流液出液流量泵，渗流液进液流量泵通过渗流液进管与下堵头的底端连接，渗流液出液流量泵通过渗流液出管与上堵头的顶端连接；围压加载系统包括围压罩、围压液进液流量泵和围压液出液流量泵，围压罩倒扣在中空堵头体的外部，且围压罩的开口与支撑底座的上表面密封连接，围压液进液流量泵通过围压液进管与围压罩的一侧连接，围压液出液流量泵通过围压液出管与围压罩的另一侧连接。本发明提出的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，结构简单紧凑，并且可与多种渗流系统兼容，既可实现在线实时渗流过程的扫描，也可与渗流系统脱离实现离线保压扫描；同时通过设置结构新颖的覆盖式围压加载系统，不仅围压均匀加载，而且可有效减少围压液渗漏，有效减少漏点，泄漏风险低，整个夹持器可置于CT扫描仪内部，能够实现在进行原位CT扫描的同时进行外加围压的渗流实验，达到了流体在通过岩心试样的同时进行原位渗流CT扫描的目的，可操作性强。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。实施例一：如图1～4所示，本实施例提供一种用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，包括岩心固定系统、渗流系统、围压加载系统及支撑底座1，岩心固定系统包括中空堵头体2和套筒3，中空堵头体2竖直固定在支撑底座1的顶端面，套筒3固定在中空堵头体2的内部顶端，套筒3用于固定岩心试样16，如图4所示，套筒3的顶端和底端分别设置上堵头18和下堵头19，以将岩心试样16固封在套筒3内，其中上堵头18和下堵头19均优选为起密封作用的胶垫结构，密封性好，而且便于拆装；渗流系统包括渗流液进液流量泵4和渗流液出液流量泵5，渗流液进液流量泵4一端通过渗流液进管6与下堵头19的底端中心连接，另一端与渗流液源连接，以便将渗流液泵入套筒3内，相应的，渗流液出液流量泵5的一端通过渗流液出管7与上堵头18的顶端连接，另一端与渗流液收集装置连接，以便将渗流液从套筒3内泵至渗流液收集装置内，其中，渗流液源和渗流液收集装置可为同一装置也可为不同的装置；如图2～3所示，围压加载系统包括围压罩8、围压液进液流量泵9和围压液出液流量泵10，围压罩8倒扣在中空堵头体2的外部，且围压罩8的开口与支撑底座1的上表面密封连接，从而形成覆盖式围压加载系统，围压液进液流量泵9的一端通过围压液进管11与围压罩8的一侧连接，另一端连接围压液源，相应的，围压液出液流量泵10的一端通过围压液出管12与围压罩8的另一侧连接，另一端可与一围压液收集装置连接，其中，围压液源和围压液收集装置可为同一装置也可为不同的装置。试验时，首先打开渗流液进液流量泵4向套筒3内包裹的岩心试样16内泵入渗流液，直至套筒3内达到试验所需孔压，之后打开围压液进液流量泵9向围压罩8内打入围压液17，直至系统中达到试验所需围压，本实施例中，围压液17优选为油或水。进一步地，本实施例中，中空堵头体2优选为氧化铝陶瓷中空堵头体，氧化铝陶瓷材料不仅对X射线的吸收程度很低，不会对扫描过程造成干扰，而且相比采用轻质铝-碳纤维复合材料，可大幅降低岩心夹持器的造价成本。同时，围压罩8也优选采用氧化铝陶瓷制作，氧化铝陶瓷围压罩不仅对X射线的吸收程度很低，不会对扫描过程造成干扰，而且造价成本低，同时氧化铝陶瓷围压罩可有效减少围压液渗漏，有效减少漏点，泄漏风险低，使整个夹持器可置于CT扫描仪内部，能够实现在进行原位CT扫描的同时进行外加围压的渗流实验，达到了流体在通过岩心试样的同时进行原位渗流CT扫描的目的。如图2～3所示，本实施例优选围压罩8的顶端面与侧壁之间采用圆角过渡设置，可降低压力对围压罩的荷载，有效减少围压液渗漏的风险。进一步地，如图2～3所示，围压罩8的顶端设置有排气口13。进一步地，本实施例中套筒3优选为弹性佳、呈圆柱状的胶套或聚醚醚酮树脂PEEK套。岩心试样16用于插入该套筒3中，再在套筒3的上下两端分别密封安装上堵头18和下堵头19即可实现岩心试样16的固定。其中，上堵头18和下堵头19均优选为起密封作用的胶垫结构，渗流液进管6和渗流液出管7均优选贯穿胶垫结构中部与套筒3的内部连通，而且上堵头18和下堵头19分别与渗流液出管7和渗流液进管6密封连接，以防止渗流液泄露。进一步地，如图2～3所示，支撑底座1优选设置为二阶凸台型底座，即二阶凸台型底座包括上层凸起和下层底座，上层凸起固定在下层底座的中心，且上层凸起的面积小于下层底座的面积，本实施例中，如图1所示，优选上层凸起和下层底座为同轴不同径的圆柱形结构，这种二阶凸台型底座为现有技术中心常见的一种凸台结构，在此不再赘述。其中，中空堵头体2与二阶凸台型底座的顶端面中心固定连接，本实施例可优选中空堵头体2与二阶凸台型底座一体设置。进一步地，如图2～3所示，围压罩8倒扣在二阶凸台型底座的顶端凸台的外部，优选围压罩8倒扣在上述的上层凸台的外部，且优选围压罩8与二阶凸台型底座的上层凸台的外侧壁之间螺纹连接，既便于拆装，又能确保围压罩8内的密封性。进一步地，如图1～2所示，渗流液进液流量泵4和渗流液出液流量泵5对称分布在围压罩8的外周，渗流液进管6贯穿二阶凸台型底座的内部自中空堵头体2的底端进入中空堵头体2内；渗流液出管7贯穿二阶凸台型底座的内部自中空堵头体2的顶端进入中空堵头体2内。相应的，围压液进液流量泵9和围压液出液流量泵10对称分布在围压罩8的外周，二阶凸台型底座的顶端面设置有围压液进阀门和围压液出阀门，围压液进管11贯穿二阶凸台型底座的内部与围压液进阀门连接；渗流液出管12贯穿二阶凸台型底座的内部与围压液出阀门连接。于本实施例中，如图1所示，渗流液进液流量泵4、渗流液出液流量泵5、围压液进液流量泵9和围压液出液流量泵10优选间隔交叉设置在二阶凸台型底座的下层底座上表面，同时渗流液进管6、渗流液出管7、围压液进管11以及渗流液出管12采用贯穿二阶凸台型底座内部的方式与上方的渗流系统和或围压加载系统连接，各流量泵以及各管路全部设置于夹持器的下部，区别于传统夹持器阀门分布在夹持器上下两端的设计，不仅便于操作及更换，而且可减少夹持器在CT扫描内占据空间，也有利于对各管路的保护，实用性极强。进一步地，渗流液出管7上设置有背压阀，背压阀用于调节渗流液出管7内渗流液流出端的压力，进而调节渗流液的流量。下面以本实施例用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器与蔡司Xradia410型微米CT扫描仪配套使用为例，对本实施例作具体使用说明。首先，加载样品时，将岩心试样16插入套筒3内，再在套筒3的上下两端分别密封设置上堵头18和下堵头19，之后将围压罩8倒扣在二阶凸台型底座上，并与二阶凸台型底座的上层凸起螺纹密封连接，如图1～4所示，此时中空堵头体2、套筒3、上堵头18和下堵头19均位于围压罩8的内部。之后进行渗流试验：首先将整个夹持器固定在蔡司Xradia410型微米CT扫描仪的样品托盘上，此时如图2所示，夹持器位于X射线源14和X射线接收器15之间。首先，开启围压液进液流量泵9向围压罩8内打入围压液17，直至系统中相关测压部件检测到围压罩8内达到试验所需围压，其中围压液进液流量泵9本身具备检测并显示围压的功能，围压液进液流量泵9为常规的流量泵结构，其具体结构和工作原理在此不再赘述。之后，开启渗流液进液流量泵4，使渗流液从系统左下方流入套筒3包裹的岩心试样16内，直至相关测压部件检测到套筒3内达到试验所需的孔压；此处的孔压采用渗流液进液流量泵4测量，渗流液进液流量泵4本身具备检测并显示孔压的功能，其中渗流液进液流量泵4为常规的流量泵结构，其具体结构和工作原理在此不再赘述。上述的围压值和孔压值均由具体实验要求而确定，一般最大孔压为30MPa，最大围压为35MPa。再之后，可通过渗流液出管7上的背压阀调节系统右下方，即渗流液出管7内渗流液流出端的压力，进行流体流量的调节，当渗流液流量稳定后，即可开启蔡司Xradia410型微米CT扫描仪的电源进行微米CT扫描。蔡司Xradia410型微米CT扫描仪的X射线源14正对着夹持器，通过X射线接收器15接收穿过岩心试样16的X射线，并通过扫描仪的信号分析系统对X射线信号衰减程度进行分析，从而在外加围压的试验条件下实现对岩心试样16内部结构的三维可视化。需要注意的是，上述有关蔡司Xradia410型微米CT扫描仪中，X射线源14的X射线发射原理、X射线接收器15的结构原理以及系统对X射线信号衰减程度的分析原理均为本领域公知，该扫描仪中各部件的具体结构以及工作原理在此不再赘述。由此可见，本发明提出的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，结构简单紧凑，并且可与多种渗流系统兼容，既可实现在线实时渗流过程的扫描，也可与渗流系统脱离实现离线保压扫描；同时通过设置结构新颖的覆盖式围压加载系统，不仅围压均匀加载，而且可有效减少围压液渗漏，有效减少漏点，泄漏风险低，整个夹持器可置于CT扫描仪内部，能够实现在进行原位CT扫描的同时进行外加围压的渗流实验，达到了流体在通过岩心试样的同时进行原位渗流CT扫描的目的，可操作性强。另外，本发明中覆盖式围压罩以及中空堵头体均采用高强度的氧化铝陶瓷制作，氧化铝陶瓷材料不仅对X射线的吸收程度很低，不会对扫描过程造成干扰，而且可大幅降低岩心夹持器的造价成本。此外，本发明的岩心夹持器中，各个流量泵集中设置在支撑底座的上表面，不仅便于操作及更换，而且可减少夹持器在CT扫描内占据空间，实用性强。需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

权利要求：1.一种用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，其特征在于：包括岩心固定系统、渗流系统、围压加载系统及支撑底座，所述岩心固定系统包括中空堵头体和套筒，所述中空堵头体竖直固定在所述支撑底座上，所述套筒固定在所述中空堵头体的内部顶端，所述套筒用于固定岩心试样，所述套筒的顶端和底端分别设置上堵头和下堵头；所述渗流系统包括渗流液进液流量泵和渗流液出液流量泵，所述渗流液进液流量泵通过渗流液进管与所述下堵头的底端连接，所述渗流液出液流量泵通过渗流液出管与所述上堵头的顶端连接；所述围压加载系统包括围压罩、围压液进液流量泵和围压液出液流量泵，所述围压罩倒扣在所述中空堵头体的外部，且所述围压罩的开口与所述支撑底座的上表面密封连接，所述围压液进液流量泵通过围压液进管与所述围压罩的一侧连接，所述围压液出液流量泵通过围压液出管与所述围压罩的另一侧连接。2.根据权利要求1所述的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，其特征在于：所述中空堵头体为氧化铝陶瓷中空堵头体。3.根据权利要求1所述的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，其特征在于：所述围压罩为氧化铝陶瓷围压罩，所述围压罩的顶端设置有排气口。4.根据权利要求1所述的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，其特征在于：所述套筒为胶套或聚醚醚酮树脂套。5.根据权利要求1所述的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，其特征在于：所述支撑底座为二阶凸台型底座，所述中空堵头体与所述二阶凸台型底座的顶端面中心固定连接。6.根据权利要求5所述的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，其特征在于：所述围压罩倒扣在所述二阶凸台型底座的顶端凸台的外部，所述围压罩与所述二阶凸台型底座之间螺纹连接。7.根据权利要求6所述的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，其特征在于：所述渗流液进液流量泵和所述渗流液出液流量泵对称分布在所述围压罩的外周，所述渗流液进管贯穿所述二阶凸台型底座的内部自所述中空堵头体的底端进入所述中空堵头体内；所述渗流液出管贯穿所述二阶凸台型底座的内部自所述中空堵头体的顶端进入所述中空堵头体内。8.根据权利要求6所述的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，其特征在于：所述围压液进液流量泵和所述围压液出液流量泵对称分布在所述围压罩的外周，所述二阶凸台型底座的顶端面设置有围压液进阀门和围压液出阀门，所述围压液进管贯穿所述二阶凸台型底座的内部与所述围压液进阀门连接；所述渗流液出管贯穿所述二阶凸台型底座的内部与所述围压液出阀门连接。9.根据权利要求1所述的用于原位渗流CT扫描的岩心夹持器，其特征在于：所述渗流液出管上设置有背压阀，所述背压阀用于调节渗流液的流量。

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