一种砂箱物理模拟实验装置及其模拟实验方法

技术领域

本发明涉及构造地质学和石油地质学研究领域中含油气盆地内部断裂活动演化的砂箱物理模拟实验装置，具体涉及一种砂箱物理模拟实验装置及其模拟实验方法。

背景技术

对于含油气盆地而言，在地质历史时期盆地内部并非仅经历了一次构造运动，由于拉张或挤压方向的改变，或者叠加了晚期不同性质的应力场作用（例如早期为拉张引力场，晚期为剪切应力场），造成了早期形成的先存断裂在晚期构造应力场的作用下发生了再活化，断裂再活化对油气圈闭的形成、油气的运移及油气藏的保存和破坏都具有决定性的作用。目前，对含油气盆地内断裂空间组合样式进行研究的过程中，我们着重关注了应力场方向对断裂的影响，而忽视了先存断裂与晚期应力场之间的作用关系对晚期形成的断裂样式的影响。因此有必要对这部分进行深入的研究。而砂箱物理模拟实验可作为再现或反演含油气盆地内不同类型的构造形迹和演化过程最为有效的方法，应用目前的技术手段，已经不局限于平面或剖面的2D模拟实验，通过扫描及系统切片甚至可构建三维地质模型。然而关于早期不同性质、不同产状的先存断裂叠加晚期不同性质的位移场发生再活动的实验，国内外还尚没有单台砂箱物理模拟实验装置可以实现全部模拟实验。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种砂箱物理模拟实验装置，这种砂箱物理模拟实验装置用于解决现有技术中尚没有单台砂箱物理模拟实验装置可以实现全部模拟实验的问题，本发明的另一个目的是提供这种砂箱物理模拟实验装置的模拟实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种砂箱物理模拟实验装置包括驱动模块、模型承托模块、走滑底板、倾滑底板、计算机，驱动模块包括走滑底板驱动装置和倾滑底板驱动装置，走滑底板驱动装置是包括步进电机、无牙螺杆、梯牙螺杆、减速箱、指示灯，步进电机通过减速箱连接梯牙螺杆，无牙螺杆与梯牙螺杆同方向平行设置，无牙螺杆固定在固定连接部件上，梯牙螺杆从固定连接部件中穿出；倾滑底板驱动装置是由液压缸设置在倾滑底板与实验台底座之间构成，液压缸上端与倾滑底板铰接，液压缸下端与实验台底座通过直线导轨滑动连接；模型承托模块包括实验台、所述直线导轨，实验台由实验台底座连接在实验台支架一侧构成，所述直线导轨设置在实验台底座上；走滑底板水平设置于实验台支架上，走滑底板的下底面通过穿过实验台架的无牙螺杆固定；倾滑底板水平设置于走滑底板的一侧，倾滑底板上设置角度标尺，倾滑底板通过液压合页设置有倾滑翻板，走滑底板通过液压合页设置有走滑翻板，倾滑翻板与走滑翻板对应设置；步进电机、液压缸均连接计算机，计算机控制走滑底板和倾滑底板的运动。

上述方案中滑底板驱动装置的步进电机通过电机底座设置，电机底座为空心框体，电机底座垂向中部平行钻两个孔洞，两个孔洞相对于电机底座的中心线对称，两个孔洞内壁均抛光，以减小摩擦阻力，所述无牙螺杆有两个，两个无牙螺杆平穿过两个孔洞，可以在孔洞内平行自由滑动，走滑底板下底面通过环形卡扣固定在无牙螺杆上。

上述方案中液压缸上端焊接固定在倾滑底板的中心位置，液压缸通过带夹具的滑块设置在所述的直线导轨上，该直线导轨两侧各设置一条直线导轨，倾滑底板通过底面四个支撑杆接头分别连接一个气弹簧支撑杆，每个气弹簧支撑杆另一端通过带夹具的滑块设置在两侧的直线导轨上。液压缸提供不同方向倾滑位移的动力，通过使用液压缸将液压能转变为机械能推动上覆的倾滑底板，为实验运行提供产生倾滑位移的动力。

上述方案中倾滑底板与其翻板之间的夹角变化范围为30°～90°，可进行多期不同性质位移变形场的叠加，该夹角角度及后期叠加的位移变形场的性质视所模拟工区的地质参数和实验的实际需要来具体确定。

上述方案中角度标尺为不锈钢材质，是半圆形的，其一端固定在倾滑底板上，另一端自由端具有伸缩部，其1/4弧形可以伸缩，防止阻挡走滑底板滑动，角度标尺主要用来测量倾滑底板与翻板之间的夹角，当角度变换时，我们可获得不同角度正位移、逆位移以及垂向位移，当倾滑底板沿着翻板面发生倾滑位移时，两者始终紧密贴合在一起。

上述砂箱物理模拟实验装置的模拟实验方法：

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，根据实际的盆地内先存断裂的性质，调整倾滑底板与走滑底板的相对位置，再根据实际先存断裂的产状设置倾滑底板与翻板之间的夹角；

第二步，根据材料相似性原理，用干燥的松散白色石英砂，白色石英砂粒径为50～80目，模拟能干性较强的岩层、硅胶SGM36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走滑底板和倾滑底板上；

第三步，用计算机控制梯牙螺杆的旋转速度、方向、液压缸的伸缩速度以及实验进行时间，使走滑底板发生剪切位移或使倾滑底板发生倾滑位移，变形期间可继续向实验体中添加石英砂模拟同沉积过程，或者用吹风机去除一部分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。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了能够按照实际需要自由设置先存断裂性质、产状，并能够叠加晚期不同性质位移变形场模拟断裂构造演化的砂箱物理模拟实验装置。

2、本发明能够集多种实验于一身，适应发生多期构造演化的盆地内断裂活动的模拟实验。

3、本发明能够将模拟多期不同性质应力场下断裂演化的实验在本装置上一一实现，不需要重新制作模型，只需要改变倾滑挡板与翻板之间的角度，就可以进行下一组的模拟实验，并且该实验装置操作简单，当倾滑底板固定时，用电脑控制步进电机就可以进行剪切实验，当固定走滑底板时，控制液压缸就可以进行倾滑实验，既可模拟断裂一期活动，也可以模拟断裂多期活动，有效的降低实验成本及减少占用空间，具有经济性和模型多样化、多功能的特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中走滑底板底部示意图。

图3是本发明中倾滑底板底部示意图。

1实验台支架；2直线导轨；3走滑底板；4倾滑底板；5环形卡扣；6支撑杆接头；7气弹簧支撑杆；8夹具；9角度标尺；10翻板；11液压合页；12电机底座；13无牙螺杆；14固定连接部件；15步进电机；16减速箱；17梯牙螺杆；18指示灯；19液压缸；20滑块；21计算机；22实验台底座。

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，这种砂箱物理模拟实验装置包括驱动模块、模型承托模块、走滑底板3、倾滑底板4、计算机21。是将步进电机15与无牙螺杆13、梯牙螺杆17等传动装置连接在一起成为驱动系统，固定在实验台支架1上，提供走滑底板3发生左旋滑动和右旋滑动的剪切动力，再将液压缸19固定在中间直线导轨2和倾滑底板4中间，为倾滑底板4沿翻板面进行的倾向滑动提供动力；动力系统安装完毕后将走滑底板3和倾滑底板4分别安装在实验台支架1上及液压缸19与气弹簧支撑杆7中间，调整好翻板10与倾滑底板4之间的夹角，该夹角角度及后期叠加的位移变形场的性质视所模拟工区的地质参数和实验的实际需要来具体确定，倾角变化范围为30°～90°，可进行多期不同性质位移变形场的叠加；之后将实验所需的实验材料(如松散的白色石英砂岩或硅胶)铺放在实验台面上的走滑底板3与倾滑底板4之间；将驱动装置连接计算机21，用计算机21控制走滑底板3与倾滑底板4的运动方向、速度和实验进行时间，可进行二维或三维、不同性质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，利用实验过程中倾滑底板4与翻板10之间角度的变化，可在较小改动的情况下实现不同性质（如正断层、逆断层或走滑断层）、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，最大限度的节约了实验器材和资源。

模型承托模块用于承托模型，模型承托模块包括实验台、所述直线导轨2，实验台由实验台底座22连接在实验台支架1一侧构成，三条直线导轨2设置在实验台底座22上；中间直线导轨2位于实验台底座22中轴线上，两侧直线导轨2关于中间直线导轨对称分布。

走滑底板3、倾滑底板4、环形卡扣5、支撑杆接头6、气弹簧支撑杆7、夹具8、角度标尺9、翻板10和液压合页11用于为实验模型提供不同性质的先存断裂条件，以及晚期叠加的位移场条件。走滑底板3和倾滑底板4都是不锈钢材质，两块底板分别可水平滑动和垂直滑动，预设不同性质先存断裂及提供晚期不同性质位移诱导上覆石英砂发生变形的装置。如图2所示，走滑底板3背面通过环形卡扣5固定在实验台支架1上穿过的无牙螺杆13上，如图3所示，倾滑底板4背面在四个角处焊接四个支撑杆接头6且对称分布，其位置正好对应于下方的直线导轨2，四个支撑杆接头6分别连接一个气弹簧支撑杆7，气弹簧支撑杆7另一端通过夹具8固定在左、右两侧直线导轨2上，角度标尺9安装固定在倾滑底板4的右侧，不锈钢材质，半圆形，其中1/4弧形可以伸缩，防止阻挡走滑底板3滑动，角度标尺9主要用来测量倾滑底板4与翻板10之间的夹角，当角度变换时，我们可获得不同角度正位移、逆位移以及垂向位移，当倾滑底板4沿着翻板10面发生倾滑位移时，两者始终紧密贴合在一起。翻板10为不锈钢材质，倾滑底板4、走滑底板3分别与相应的翻板10用液压合页11连接。

驱动模块用于驱动预设的先存断裂模型发生再活动（包括纯走滑、纯倾滑和斜滑运动），诱导走滑底板和倾滑底板上覆模拟盖层的实验材料（松散的白色石英砂和硅胶）发生变形，驱动模块包括走滑底板驱动装置和倾滑底板驱动装置，其中走滑底板驱动装置是由电机底座12、无牙螺杆13、固定连接部件14、步进电机15、减速箱16、梯牙螺杆17、指示灯18组成：走滑底板驱动装置电机底座12为钢铁材质，走滑底板驱动装置的电机底座12垂向中部平行钻两个孔洞，两个孔洞相对于电机底座12的中心线对称，孔洞内壁抛光以减小摩擦阻力，两个无牙螺杆13平穿过两个孔洞，可以在孔洞内平行自由滑动，固定连接部件14将两个无牙螺杆13在端部固定连接在一起，两个无牙螺杆13另一端连接在实验台支架1上，固定连接部件14为钢铁材质的连接板，上面钻有梯牙螺纹孔，电机底座12的上部安装步进电机15和齿轮减速箱16，步进电机15能够将电脉冲信号转变为角位移或线位移，并可以通过控制脉冲频率来控制步进电机15的速度和加速度从而达到调速的目的，齿轮减速箱16连接在步进电机15的右侧并放置在电机底座12之上，齿轮减速箱16将电机的高速运转的动力通过齿轮减速箱16内齿轮相互转换的原理，降低步进电机15的转速、传递动力和增大转矩，齿轮减速箱16与梯牙螺杆17直接相连，梯牙螺杆17与无牙螺杆13平行，末端穿过固定连接部件14上的螺纹孔，齿轮减速箱16将输出的转速传递给梯牙螺杆17，进而可以调节控制剪切实验的速度和方向，当步进电机15开始转动时，齿轮减速箱16将降低的转速输出给梯牙螺杆17，若梯牙螺杆17逆时针旋转，那么指示灯18亮红灯，无牙螺杆13及固定连接部件14向着实验台支架1方向移动，形成左旋剪切滑动的动力，若梯牙螺杆17顺时针旋转，那么指示灯18亮绿灯，无牙螺杆13及固定连接部件14远离实验台支架1方向移动，形成右旋剪切滑动的动力。

倾滑底板驱动装置主要由液压缸19和滑块20组成，液压缸19能有效的将液压能转变为活塞杆的做直线往复运动的机械能，从而为倾滑底板4提供垂直升降运动的动力。液压缸19的一端通过滑块20连接在中间直线导轨2上，滑块20可在直线导轨2上前后自由滑动，当滑动到某一固定位置时可通过滑块20上的螺丝将其固定在直线导轨2上，液压缸19另外一端固定倾滑底板4上。

整个驱动模块的运行方式就是走滑底板驱动装置通过减速箱16将步进电机15的转速降低并输出给梯牙螺杆17，固定连接部件14再将梯牙螺杆17的角速度转换为无牙螺杆13的线速度，为实验运行提供产生走滑位移动力；倾滑底板驱动装置通过使用液压缸19将液压能转变为机械能推动上覆的倾滑底板4，为实验运行提供产生倾滑位移的动力，液压缸19上部和下部分别固定在走滑底板3背面和滑块20上，滑块20在轨道上可滑动，液压缸19上部焊接固定在上覆倾滑底板的中心位置，从而使液压缸19提供不同方向倾滑位移的动力。

步进电机15和液压缸19连接在计算机21上，由计算机21控制实验底板的运动速度和方向，水平及垂直方向运动可分别或可同时进行。利用实验过程中倾滑底板4与翻板10之间角度的变化，可在较小改动的情况下实现不同性质、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。

这种砂箱物理模拟实验装置的模拟实验方法：

第一步，根据盆地内断裂的实际规模，按照1：10⁵比例缩小得出走滑底板和倾滑底板的尺寸，根据实际的盆地内先存断裂的性质，调整倾滑底板4与走滑底板3的相对位置，再根据实际先存断裂的产状设置倾滑底板4与翻板10之间的夹角。

第二步，根据材料相似性原理，用干燥的松散白色石英砂（粒径约为50～80目）模拟能干性较强的岩层、硅胶（SGM36）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走滑底板和倾滑底板上；

第三步，用计算机控制梯牙螺杆17的旋转速度、方向和液压缸19的伸缩速度以及实验进行时间，使走滑底板3发生剪切位移或使倾滑底板4发生倾滑位移，变形期间可继续向实验体中添加石英砂模拟同沉积过程，或者用吹风机去除一部分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，使实验结果砂体浸透，待实验结果砂体定型后，切割实验结果砂体观察内部剖面现象，进行实验记录和总结，得出实验结果。