[发明专利]模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置及实验方法

权利要求书

1.一种模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，其特征在于：这种模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置包括模型机构、驱动机构、图像采集系统、计算机控制系统，驱动机构将高精度数字伺服电机与采用数字控制伺服驱动系统、同步带的链式传动装置、卷筒(6)连接在一起构成，驱动机构固定在实验台支架(1)一侧，提供底板发生俯冲式运动的动力，实验台另一侧设置转轴；

模型机构包括实验台支架(1)、实验台、砂箱端围板(9)、砂箱侧围板(12)、刮砂板装置(10)、旋转圆盘(11)，砂箱端围板(9)、砂箱侧围板(12)均为有机玻璃材质，砂箱侧围板(12)与砂箱端围板(9)设置在实验台面(8)上并组成可拆卸砂箱体；实验台居中设置旋转圆盘(11)，旋转圆盘(11)上开一条过圆心的斜向俯冲槽(13)，刚性布(14)刚好能通过斜向俯冲槽(13)且不漏砂，斜向俯冲槽(13)下面设置动态辊子(16)，动态辊子支撑架(23)固定在旋转圆盘(11)下，动态辊子(16)安装在动态辊子支撑架(23)上，刚性布(14)铺设于旋转圆盘(11)上，刚性布(14)一端穿过斜向俯冲槽(13)经动态辊子(16)涨紧后固定在卷筒(6)上，刚性布(14)另一端穿过砂箱端围板(9)固定在转轴上；旋转圆盘(11)下面固定转盘动环(18)，转盘约束环(20)套在旋转圆盘(11)转盘外，转盘约束环(20)与实验台底部固定连接，转盘静环(19)与转盘约束环(20)固定连接，转盘静环(19)从下面兜住旋转圆盘(11)，并将旋转圆盘(11)与转盘约束环(20)之间的缝隙封住，转盘静环(19)上布置转盘锁紧螺丝(22)，实现与转盘动环(18)之间锁紧以定旋转圆盘(11)的工作角度；

刮砂板装置(10)包括刮砂支架(31)，手摇式升降平台(27)、刮砂板(30)，刮砂支架(31)与实验台滑动连接，刮砂板(30)通过刮砂支架(31)设置，刮砂板(30)连接手摇式升降平台(27)，刮砂板(30)下方为可拆卸砂箱体；

驱动机构连接计算机控制系统，用计算机控制系统控制卷筒(6)的旋转速度，进行二维或三维、不同运移速度不同组合方式的多期次位移变形场叠加的的砂箱物理模拟实验，利用旋转圆盘(11)旋转角度和刚性布(14)宽度的变化，实现不同角度先存断裂多期叠加不同性质位移场的砂箱物理模拟实验；

所述的刮砂板装置(10)调整高度0-20cm，刮砂支架(31)采用小车式，实验台上设置直齿轨道，刮砂支架(31)通过其下端齿轮轴承在直齿轨道上滑动，刮砂板(30)刻度区范围0-20cm，精度控制到1毫米，对沙子进行刮平，扶正板夹住刮砂板(30)，扶正板上还布置加强筋。

2.根据权利要求1所述的模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，其特征在于：所述的砂箱侧围板(12)之间距离可调节范围在15-85cm之间。

3.根据权利要求2所述的模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，其特征在于：所述的斜向俯冲槽(13)冲槽角度60°左右。

4.根据权利要求3所述的模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，其特征在于：所述的驱动模块包括驱动电机(2)、驱动轮(3)、从动轮(5)、皮带(4)、卷筒(6)、刚性布(14)、转轴及手轮(15)，刚性布(14)为刚性不可伸缩的材料，步进电机连接驱动轮(3)，驱动轮(3)通过皮带(4)连接从动轮(5)，从动轮(5)通过卷轴与卷筒(6)连接，卷筒(6)与卷轴上分别有卡子，将刚性布(14)卡在卷筒(6)和卷轴的柱面上，卷筒(6)圆柱面上开一个槽，在槽口处布置一压条，用于刚性布(14)和卷轴连接。

5.根据权利要求4所述的模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置，其特征在于：所述的图像采集系统包括照明系统(24)、摄像系统(25)，照明系统(24)用于对实验提供光源，摄像系统(25)用于对实验结果的图像采集，采用维视MV-EM系列工业相机。

6.一种权利要求5所述的模拟多方向挤压变形砂箱物理模拟实验装置的实验方法，其特征在于：

第一步，根据盆地内断裂的实际规模，按照1：10⁵比例缩小得出实验模型的尺寸，根据先存构造带与挤压方向的夹角先调整旋转圆盘斜向俯冲槽(11)的缝长与刚性布(14)的宽度，而后调整砂箱侧围板(12)之间距离；

第二步，根据材料相似性原理，用干燥的松散白色石英砂模拟能干性较强的岩层、硅胶模拟能干性较弱的岩层，按照模拟的实际含油气盆地沉积地层厚度将松散的白色石英砂和硅胶铺设在预设的可拆卸砂箱体中，并通过齿轮轴承在直齿轨道上滑动，带动刮砂板(30)对沙子进行刮平；

第三步，用计算机(26)控制驱动电机(2)的旋转速度、方向以及实验进行时间，使驱动电机(2)带动卷筒(6)上的刚性布(14)移动从而产生俯冲式挤压构造；

第四步，用计算机(26)连接摄像系统(25)，设定拍照间隔及照片像素，由计算机(26)适时控制拍出高清照片，拍出最需要的关键时刻的构造变形；变形期间可继续向实验体中添加白色石英砂模拟同沉积过程，或者用吹风机去除一部分白色石英砂模拟剥蚀过程；实验进行过程中每隔一定时间拍照记录并铺设标志层；

第四步，实验结束后用喷壶对实验结果砂体喷水，使模型浸透，待模型定型后，切割实验体观察内部剖面现象，进行实验记录和总结，得出实验结果。