CN103234791A - 一种用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及试验模型技术领域，公开了一种用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，包括：基于天然岩石的物理力学特性，选择模型原料，并将模型原料加水搅拌，形成拌合物；将拌合物分批次加入到模型模具中，将沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中；拆除模型模具，得到层状模型。本发明提高了水力压裂物理模拟试验分析结果的准确性。本发明步骤明确，简单易行；既降低了试验费用，又提高了试验效率。
Description
技术领域
本发明涉及试验模型技术领域，主要用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法。
背景技术
页岩气是从黑色泥页岩或者碳质泥页岩地层中开采出来的天然气。我国页岩气可采资源储量为26万亿立方米，资源储量十分巨大。由于含气页岩储层致密，渗透率极低，需要通过水力压裂增产措施来沟通天然裂缝，形成裂缝网络，以提高井筒附近储集层的导流能力，实现页岩气的有效开采。
由于深部地层的水力压裂是一个十分复杂的物理过程，由水力压裂所产生的裂缝的实际形态难以直接观察，因此对水力裂缝的扩展机制以及影响裂缝扩展规律的因素的认识是非常有限的。而水力压裂物理模拟试验恰好提供了认识裂缝扩展机制的有效途径。
目前，用于水力压裂物理模拟试验的天然试样的制备方法存在以下问题：
a.受加工条件的限制，很难将天然的不规则岩块加工成规整的立方体试块。由于相对的两个面不是严格平行的，可能在加载过程中由于受力不均匀而产生裂缝，从而对最终试验结果的分析造成很大的影响；
b.由于岩石生成的环境十分复杂，由同一个地点采集加工的试样，其天然节理、裂缝的数量分布均不同。虽然试验条件相同，但试验结果的可比性大大降低，以利于对天然裂缝的扩展机制进行有效分析；
c.切割和钻孔加工过程都会对试样造成人为损伤，产生新的裂缝，从而影响试验分析结果的准确性；
综上所述，采用天然试样进行水力压裂物理模拟试验，存在很多无法克服的先天不足，试验结果的准确性很难把握。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，提高了水力压裂物理模拟试验分析结果的准确性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，包括：基于天然岩石的物理力学特性，选择模型原料，并将所述模型原料加水搅拌，形成拌合物；将所述拌合物分批次加入到模型模具中，将沿轴向对称割缝的钢管放置在所述模型模具中；其中，由所述模型模具的内壁所围成的形状由所需的层状模型的外形决定；拆除模型模具，得到层状模型。
进一步地，所述将拌合物分批次加入到模型模具中，包括：先在所述模型模具的内壁刷油，再将所述拌合物分批次加入到所述模型模具中。
进一步地，所述将拌合物分批次加入到模型模具中，将沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中包括：按照层状模型制作的需要，将所述拌合物加入到所述模型模具中；将模型模具中的所述拌合物铺平，并用夯实工具夯实；按照上述的铺层步骤，继续将所述拌合物加入到模型模具进行铺层；当模型模具中的铺层达到预定厚度时，将所述沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中；继续进行铺层步骤直至将模型模具填满。
进一步地，所述将拌合物分批次加入到模型模具中，将沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中包括：在所述模型模具的内壁刷油，按照层状模型制作的需要，将所述拌合物加入到模型模具中；将模型模具中的所述拌合物铺平，并用夯实工具夯实；按照上述的铺层步骤，继续将所述拌合物加入到模型模具进行铺层；当模型模具中的铺层达到预定厚度时，将所述沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中；继续进行铺层步骤直至将模型模具填满。
进一步地，在所述用夯实工具夯实之后，对夯实后的铺层表面进行刨毛。
进一步地，在所述用夯实工具夯实之后，在夯实后的铺层表面上均匀撒下遇水不发生化学反应的细粒材料。
进一步地，在所述对夯实后的铺层表面进行刨毛之后，在刨毛后的铺层表面上均匀撒下遇水不发生化学反应的细粒材料。
进一步地，所述将沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中，包括：将所述沿轴向对称割缝的钢管竖直放置在所述模型模具的中心位置。
进一步地，所述拆除模型模具包括：将装有所述拌合物和所述钢管的模型模具在预定温度和预定湿度下静置预定时间，拆除所述模型模具；其中，所述预定温度、所述预定湿度及静置的所述预定时间由所述模型原料之间能够充分发生物理反应和化学反应的条件决定。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，通过选用与天然岩石的物理力学特性相似的原料来模拟天然岩石制作层状模型，且不受加工条件的限制，可以根据需要通过模型模具制作得到规整的立方体试块，避免了在加载过程中由于受力不均匀而产生裂缝，从而提高了对最终试验结果分析的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提出的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法的流程图。
图2为通过本发明实施例提出的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法制作得到的层状模型的剖面图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法的具体实施方式及工作原理进行详细说明。
参见图1，本发明实施例提供的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，包括：
基于天然岩石的物理力学特性，选择模型原料，并将模型原料加水搅拌，形成拌合物；其中，模型原料可选用人工建筑材料。
将拌合物分批次加入到模型模具中，将沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中；其中，由模型模具的内壁所围成的形状由所需的层状模型的外形决定；具体的，按照层状模型制作的需要，将一定量的拌合物加入到模型模具中；将模型模具中的拌合物铺平，并用夯实工具夯实；通过美工刀对夯实后的铺层表面轻刮进行刨毛，使表层疏松，利于该铺层与下一层之间的粘结；在刨毛后的铺层表面上均匀撒下遇水不发生化学反应的细粒材料，以模拟低强度的层理面；按照上述添加、铺平、夯实、刨毛和撒料的铺层步骤，继续将等量的拌合物加入到模型模具进行铺层。当模型模具中的铺层达到预定厚度时，将沿轴向对称割缝的钢管竖直放置在模型模具的中心位置；继续进行铺层步骤直至将模型模具填满。在本实施例中，遇水不发生化学反应的细粒材料为重晶石粉。
将超出模型模具开口面的模型原料刮除，并进行平整，使暴露在外的模型原料形成一个平面。
拆除模型模具，得到层状模型。具体的，将装有拌合物和钢管的模型模具在预定温度和预定湿度下静置预定时间，再拆除模型模具；其中，预定温度、预定湿度及静置的预定时间由模型原料之间能够充分发生物理反应和化学反应的条件决定。
需要说明的是，为了确保模型原料能够与模型模具的内壁顺利分离，在将拌合物加入到模型模具之前，在模型模具的内壁进行刷油。
在本实施例中，使用的模型模具为立方体金属模具。该金属模具由5块钢板通过螺栓牢固装配在一起，这5块钢板形成立方体的前、后、左、右、下5个面，上面空出，用于加料。
使用的夯实工具是由一个长方体铁块和细长铁管焊接而成的，铁管的另一端再焊接一个铁管，作为手柄。长方体铁块的长、宽和高分别为10cm、10cm和5cm，细长铁管的长度为60cm，手柄的长度为20cm。使用时，双手抓住手柄将铁块提至一定高度，让其自由下落，利用铁块的重力将原料夯实。
实施例
通过本发明实施例提供的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法模拟天然页岩制作层状模型。
首先需要制作适用于本发明的模型模具和夯实工具，制作方法可见前述内容，这里不做赘述。
考虑到页岩的物理力学属性和物理模拟试验中相似理论的要求，选取水泥、石英砂和重晶石粉作为模型原料，且质量配比为水泥：石英砂：重晶石粉：水=1:1.5:0.5:0.3。制作过程如下：
（1）根据模型的制作需要，依次称取22kg的水泥，33kg的石英砂，11kg的重晶石粉，放入配料箱中拌合均匀；
（2）称取6.6kg的水，倒入配料箱中，继续搅拌均匀，形成可用于铺层的模型原料；
（3）取5.5kg的模型原料放入立方体金属模具中，均匀铺平；
（4）用自制的夯实工具夯实；
（5）用美工刀对夯实后的表面轻刮进行刨毛；
（6）在刨毛后的表面均匀撒一薄层重晶石粉；
（7）继续采用添加、铺平、夯实、刨毛与撒料的方法制作后续各层。
（8）制作长为3cm，宽为2.8cm，厚为1mm的硬纸板，放入沿轴向对称割缝钢管的割缝中，以防止周围散体颗粒堵塞钢管。
（9）当铺层累计厚度达到13cm-14cm时，将钢管竖直放入立方体金属模具的中心位置；
（10）继续采用添加、铺平、夯实、刨毛与撒料的方法制作后续各层直至模型原料超出模具的上表面；
（11）将超出模具上表面的原料刮除，并进行平整，使上表面形成一个平面；
（12）将装有模型材料的模具放置在恒温为20℃、相对湿度为90％的环境中养护。24小时后，将模具的5块钢板拆除，得到成型的边长为30cm的立方体模型材料,可参见图2。养护28天后，可用于水力压裂物理模拟试验。
本发明实施例提供的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，通过选用与天然岩石的物理力学特性相似的原料来模拟天然岩石制作层状模型，且不受加工条件的限制，可以根据需要通过模型模具制作得到规整的立方体试块，避免了在加载过程中由于受力不均匀而产生裂缝，从而提高了对最终试验结果分析的准确性。本发明可通过改变原料的种类和配比来模拟不同物理力学属性的沉积岩进行水力压裂物理模拟试验，提高了本发明的实用性。本发明还可以制作原料种类相同，但配比不同的多个层状模型进行试验研究，这些模型的初始物理属性基本相同，避免了由天然试样物理属性的离散性导致的对试验结果的干扰的发生，有利于对试验结果进行比较分析，从而保证了对天然裂缝的扩展机制的有效分析。本发明与制作天然试样的方法相比，省去了现场采样、切割加工、钻孔和封孔的环节，不仅避免了由于人为损伤造成的新的裂缝的产生，保证了试验分析结果的准确性，而且大大节约了财力物力。本发明步骤明确，简单易行；既降低了试验费用，又提高了试验效率。本发明可以避免受加工条件、天然岩石生成环境复杂和人为损伤等因素的限制，能够对水力压裂裂缝的起裂和扩展进行有针对性的分析。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，其特征在于，包括：
基于天然岩石的物理力学特性，选择模型原料，并将所述模型原料加水搅拌，形成拌合物；
将所述拌合物分批次加入到模型模具中，将沿轴向对称割缝的钢管放置在所述模型模具中；其中，由所述模型模具的内壁所围成的形状由所需的层状模型的外形决定；
拆除模型模具，得到层状模型。
2.如权利要求1所述的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，其特征在于，所述将拌合物分批次加入到模型模具中，包括：先在所述模型模具的内壁刷油，再将所述拌合物分批次加入到所述模型模具中。
3.如权利要求1所述的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，其特征在于，所述将拌合物分批次加入到模型模具中，将沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中包括：按照层状模型制作的需要，将所述拌合物加入到所述模型模具中；将模型模具中的所述拌合物铺平，并用夯实工具夯实；按照上述的铺层步骤，继续将所述拌合物加入到模型模具进行铺层；当模型模具中的铺层达到预定厚度时，将所述沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中；继续进行铺层步骤直至将模型模具填满。
4.如权利要求2所述的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，其特征在于，所述将拌合物分批次加入到模型模具中，将沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中包括：在所述模型模具的内壁刷油，按照层状模型制作的需要，将所述拌合物加入到模型模具中；将模型模具中的所述拌合物铺平，并用夯实工具夯实；按照上述的铺层步骤，继续将所述拌合物加入到模型模具进行铺层；当模型模具中的铺层达到预定厚度时，将所述沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中；继续进行铺层步骤直至将模型模具填满。
5.如权利要求3或4所述的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，其特征在于，在所述用夯实工具夯实之后，对夯实后的铺层表面进行刨毛。
6.如权利要求3或4所述的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，其特征在于，在所述用夯实工具夯实之后，在夯实后的铺层表面上均匀撒下遇水不发生化学反应的细粒材料。
7.如权利要求5所述的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，其特征在于，在所述对夯实后的铺层表面进行刨毛之后，在刨毛后的铺层表面上均匀撒下遇水不发生化学反应的细粒材料。
8.如权利要求7所述的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，其特征在于，所述将沿轴向对称割缝的钢管放置在模型模具中，包括：将所述沿轴向对称割缝的钢管竖直放置在所述模型模具的中心位置。
9.如权利要求1-4中任意一项所述的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，其特征在于，所述拆除模型模具包括：将装有所述拌合物和所述钢管的模型模具在预定温度和预定湿度下静置预定时间，拆除所述模型模具；其中，所述预定温度、所述预定湿度及静置的所述预定时间由所述模型原料之间能够充分发生物理反应和化学反应的条件决定。
10.如权利要求8所述的用于水力压裂物理模拟试验的层状模型的制作方法，其特征在于，所述拆除模型模具包括：将装有所述拌合物和所述钢管的模型模具在预定温度和预定湿度下静置预定时间，拆除所述模型模具；其中，所述预定温度、所述预定湿度及静置的所述预定时间由所述模型原料之间能够充分发生物理反应和化学反应的条件决定。
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