CN107503724B - 预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，由底板、侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、井筒侧板和装缝侧板组装而成，井筒侧板的中心部位开设井筒限位孔，井筒限位孔内安装橡胶圈和井筒，装缝侧板的中心部位开设圆盘限位孔，圆盘限位孔内安装装缝组件。还涉及相应的实验方法，包括以下步骤：在井筒侧板上的井筒限位孔内安装井筒；在装缝侧板上的圆盘限位孔内安装装缝组件，在装缝插板上的限位槽和间隔槽内插入卡簧片并固定；将装缝插板依次插入倾角器的插缝Ⅱ和楔形插缝的插缝Ⅰ中；旋转装缝圆盘使装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成一定角度，旋转倾角器使装缝插板与底板形成一定角度。本发明能够准确的在岩心内部预置天然裂缝和层理。
Description
技术领域
本发明属于油气田开发技术领域，具体涉及一种预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法，该有介质的天然裂缝预置在岩心内部。
背景技术
随着石油勘探开发技术的发展，钻遇的储层多样性也在增加，其中不乏低孔隙度低渗透率的碳酸盐岩和页岩储层以及以吸附气为主的煤岩层等。这些储层具有一些共同的特征：产生工业油气流需要对储层进行水力压裂改造；储层层理和裂缝发育，这些天然裂缝和层理对压裂时裂缝的走向和形态有很显著的影响；利用压裂释放吸附在岩石上的大量吸附气，尤其是页岩和煤岩。
在进行室内物理模拟实验时，为了研究天然裂缝和发育的层理对人工裂缝的影响，需要在制作物理试件时在岩石内部预置天然裂缝或者在试件浇筑完成并凝固后切割试件以模拟具有一定交角和倾角的裂缝。但是在浇筑过程中预置有介质的裂缝（比如放置A4纸）会不同程度的导致裂缝变形，无法准确的满足实验要求的状态，最终影响实验结果；如果是在试件完成后再进行切割可以准确设定天然裂缝和人工裂缝的交角和倾角，但是却无法模拟天然裂缝所处的封闭环境，也无法模拟人工裂缝和天然裂缝相交后的延伸。因此，急需开发一种用于预置岩心内部有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法，以解决现有技术存在的问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，由底板、侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、井筒侧板和装缝侧板组装成岩心浇筑槽；所述侧板Ⅰ和所述侧板Ⅱ对称设置在所述底板上，所述井筒侧板和所述装缝侧板对称设置在所述底板上；所述井筒侧板的中心部位开设井筒限位孔，所述井筒限位孔内安装橡胶圈和井筒；所述装缝侧板的中心部位开设圆盘限位孔，所述圆盘限位孔内安装装缝组件，所述圆盘限位孔的圆周上对称设置两个凸起；所述装缝组件包括装缝圆盘、倾角器、堵缝楔、装缝插板、卡簧片，所述装缝插板上设置限位槽和间隔槽。
优选的是，所述装缝圆盘的圆周上设置卡槽。
在上述任一方案中优选的是，所述装缝圆盘的圆周上对称设置两个凹槽，两个凹槽分别与两个凸起相配合。凹槽与凸起配合后，使得凸起进入装缝圆盘圆周的卡槽内，进而实现装缝圆盘在装缝侧板上沿周向旋转。装缝圆盘的直径略小于装缝侧板的长度，能保证正常安装即可。
在上述任一方案中优选的是，所述装缝圆盘的中心部位设置圆环，通过旋转圆环带动装缝圆盘旋转，旋转角度为0-360º。旋转圆环，进而带动装缝圆盘旋转，旋转到需要的角度后，可将圆环取下来，避免旋转倾角器时，圆环与装缝插板发生碰撞，影响旋转角度。
在上述任一方案中优选的是，所述装缝圆盘上至少设置一个楔形插缝。
在上述任一方案中优选的是，所述圆环的两侧对称设置两个楔形插缝。根据装缝圆盘的直径以及楔形插缝到装缝圆盘中心的距离来设计楔形插缝的长度和宽度，尽可能使楔形插缝的长度和宽度最大化，以满足各种人工预置天然裂缝的适应性，与此同时还要满足组件安装的要求。
在上述任一方案中优选的是，所述楔形插缝的两端分别设置凸耳Ⅰ，所述凸耳Ⅰ上设置圆孔。
在上述任一方案中优选的是，所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α，90º≤α＜180º。
在上述任一方案中优选的是，所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ，所述插缝Ⅰ的宽度为1-5mm。
在上述任一方案中优选的是，所述堵缝楔的两个楔形平面之间的夹角与所述楔形插缝的两个楔形平面之间的夹角相同；将所述堵缝楔填充到所述楔形插缝内。
在上述任一方案中优选的是，所述倾角器的两端分别设置凸耳Ⅱ，所述凸耳Ⅱ上设置圆孔，两个凸耳Ⅱ分别与两个凸耳Ⅰ相配合。
在上述任一方案中优选的是，所述倾角器可绕其两端的凸耳Ⅱ所在的中心轴线旋转，旋转角度为0-360º。
在上述任一方案中优选的是，所述倾角器的两个凸耳Ⅱ之间为圆弧形状，所述圆弧底部设置插缝Ⅱ，所述插缝Ⅱ的宽度为1-5mm。
倾角器上的插缝Ⅱ和装缝圆盘上的插缝Ⅰ可以确定一个平面，该平面即为天然裂缝所在的平面。当装缝圆盘绕其中心轴旋转时，天然裂缝所在的平面与侧板Ⅰ和/或侧板Ⅱ形成不同的交角，这相当于天然裂缝与地层主应力形成了不同的角度，也就相当于控制了人工裂缝和天然裂缝的交角；当倾角器绕其两端凸耳Ⅱ的中心轴旋转时，天然裂缝所在的平面与底板之间的交角会随之发生变化，旋转到预定角度后固定倾角器，如此便可以调整天然裂缝的倾角。
凸耳Ⅱ的高度与凸耳Ⅰ的高度相等。堵缝楔的形状与装缝圆盘上的楔形插缝的形状完全相同，但尺寸略小，能够将堵缝楔放入楔形插缝即可。抽出装缝插板后，从楔形插缝内注入适量水泥浆料，封堵因抽取装缝插板而产生的与外界连通的缝隙；然后旋转倾角器，使倾角器最底部固定并压紧堵缝楔，直至岩心试件完全凝固。
在上述任一方案中优选的是，所述限位槽内插入所述卡簧片，所述卡簧片的长边与所述间隔槽平行，所述卡簧片可在所述限位槽内移动。
在上述任一方案中优选的是，所述间隔槽内插入所述卡簧片，所述卡簧片的长边与所述间隔槽垂直，所述卡簧片可在所述间隔槽内移动。
装缝插板的形状不限于此，其厚度略小于插缝Ⅰ和插缝Ⅱ的缝宽，其长度至少大于岩心试件长度、装缝侧板厚度、装缝组件高度三者之和。本发明的天然裂缝内需要填充介质（如A4纸、塑料薄膜、玻璃、可溶性材料、砂岩板、页岩板、泥岩板等），在模拟不同胶结强度的层理时，就需要在装缝插板上放置该介质或者涂抹改变混凝土试件胶结强度的材料（如油、胶等），此时装缝插板的主要功能是固定该介质的位置、倾角和交角；当岩心试件浇筑完毕且水泥浆料具有一定强度后，该介质不会再移动时，抽出装缝插板，用少量水泥浆料封堵该裂缝与外界连通的部分，用堵缝楔封堵楔形插缝，如此便可形成填充了特定介质的天然裂缝。为了固定天然裂缝介质，需要在装缝插板上安装具有固定功能的部件（如卡簧片等），而且在抽出装缝插板时摩擦力要尽量小，避免使预置好的裂缝位置被改变。针对预置有介质的天然裂缝，在装缝插板上设计了若干间隔槽，这样既可以减小摩擦阻力，又可以在相邻两个间隔槽之间放置卡簧片。
本发明还提供另一种预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，在上述任一种实验装置的基础上，将所述井筒限位孔设置在所述底板的中心部位代替设置在所述井筒侧板的中心部位，所述底板上的井筒限位孔内安装橡胶圈和井筒。该方案为替补方案，当楔形插缝的两个楔形平面之间的夹角α在90-180º的范围内越小时，即α越接近90º时，由于实验装置本身的尺寸、形状等因素限制，装缝插板与井筒之间的倾角无法达到理论值，此时需要采用该方案，以实现理想状态。
本发明还提供一种预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：组装实验装置，采用螺栓连接或滑槽连接的方式将底板、侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、井筒侧板和装缝侧板组装成岩心浇筑槽；
步骤二：在井筒侧板上的井筒限位孔内安装井筒，并通过橡胶圈进行固定和密封，此时井筒与底板平行；
步骤三：在装缝侧板上的圆盘限位孔内安装装缝组件；在装缝插板上的限位槽内插入卡簧片并固定，使卡簧片的长边与间隔槽平行；在装缝插板上的间隔槽内插入卡簧片并固定，使卡簧片的长边与间隔槽垂直；
步骤四：将装缝插板依次插入倾角器的插缝Ⅱ和楔形插缝的插缝Ⅰ中，再继续插入到岩心浇筑槽内；
步骤五：通过旋转圆环带动装缝圆盘旋转，使装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成一定角度，取下圆环；通过旋转倾角器使装缝插板与井筒形成一定角度；
步骤六：将A4纸平放在装缝插板上，并使其相邻两边分别与两个卡簧片的长边对齐；
步骤七：向岩心浇筑槽内注入水泥浆料，直至水泥浆料填满整个岩心浇筑槽，并将上表面抹平；
步骤八：静置1-2小时后，缓慢抽出装缝插板；从楔形插缝内注入适量水泥浆料，封堵因抽取装缝插板而产生的与外界连通的缝隙；将堵缝楔填充到楔形插缝内，并用工具敲击堵缝楔使其压实；旋转倾角器，使其底部压紧堵缝楔，直至岩心试件完全凝固。
优选的是，所述实验装置为上述任一项所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置。
在上述任一方案中优选的是，所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α，90º≤α＜180º。
在上述任一方案中优选的是，所述装缝圆盘的旋转角度为0-360º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为0-360º。
在上述任一方案中优选的是，所述装缝插板与井筒形成的角度为β，0º≤β＜90º。
本发明还提供另一种用预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，在上述任一种实验方法的基础上，用下面的步骤代替所述步骤二，即在底板上的井筒限位孔内安装井筒，并通过橡胶圈进行固定和密封，此时井筒与底板垂直。该方案为替补方案，当楔形插缝的两个楔形平面之间的夹角α在90-180º的范围内越小时，即α越接近90º时，由于实验装置本身的尺寸、形状等因素限制，装缝插板与井筒之间的倾角无法达到理论值，此时需要采用该方案，以实现理想状态。
优选的是，所述实验装置为上述任一种所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置。
在上述任一方案中优选的是，所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α，90º≤α＜180º。
在上述任一方案中优选的是，所述装缝圆盘的旋转角度为0-360º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为0-360º。
在上述任一方案中优选的是，所述装缝插板与井筒形成的角度为β，0º＜β≤90º。
本发明的实验装置及其方法，结构简单，操作方便，能够准确的在岩心内部预置有介质的天然裂缝和层理，在浇筑岩心试件的过程中，可通过调整实验装置上的活动组件来准确调整预置的天然裂缝与人工裂缝之间的倾角和交角，这样可以避免在制作模拟试件时产生的误差，进而能够真实的模拟地层天然裂缝与人工裂缝相遇后的延展模式，为现场施工提供了可靠的指导方法。此外，在传统预置方法中，在浇筑混凝土过程中预制有介质的天然裂缝（比如放置A4纸）时，由于混凝土的压实效应会不同程度的导致裂缝变形、介质开裂、倾角变化等问题，以及预制时会产生较多气泡，无法真实反映人工裂缝与天然裂缝的交叉作用机理，而本发明通过设置装缝插板，并将其与其他组件相配合，从根本上解决了上述技术问题。
本发明的实验装置及其方法具有如下有益效果：（1）可以精确预置天然裂缝的倾角和交角；（2）可以预置不同介质的天然裂缝；（3）根据实验要求，可以更改装缝侧板上的装缝圆盘，以满足不同实验需求，只需一个装缝侧板，但是可适用多个不同的装缝圆盘，能够实现实验的多样性；（4）实验装置结构简单，操作方便，易于加工，实用性较强。
附图说明
图1为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的一优选实施例结构示意图；
图2为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的图1所示实施例的俯视图；
图3为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的图1所示实施例的井筒侧板与井筒组装结构示意图；
图4为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的图1所示实施例的井筒侧板与井筒组装爆炸图；
图5为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的图1所示实施例的装缝圆盘的结构示意图；
图6为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的图1所示实施例的装缝圆盘的俯视图；
图7为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的图1所示实施例的倾角器的结构示意图；
图8为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的图1所示实施例的装缝插板的结构示意图；
图9为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的图1所示实施例的装缝组件的结构示意图；
图10为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的图1所示实施例的装缝组件的另一结构示意图；
图11为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的图1所示实施例的装缝组件的另一结构示意图；
图12为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的图1所示实施例的卡簧片的结构示意图；
图13为按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置的另一优选实施例的底板结构示意图。
图中标注说明：1-底板，2-侧板Ⅰ，3-侧板Ⅱ，4-井筒侧板，5-装缝侧板，6-井筒限位孔，7-橡胶圈，8-井筒，9-圆盘限位孔，10-凸起，11-装缝圆盘，12-倾角器，13-堵缝楔，14-装缝插板，15-卡簧片，16-卡槽，17-凹槽，18-圆环，19-楔形插缝，20-凸耳Ⅰ，21-插缝Ⅰ，22-凸耳Ⅱ，23-插缝Ⅱ，24-限位槽，25-间隔槽，26-卡簧片的长边。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例一：
如图1-12所示，按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，由底板1、侧板Ⅰ2、侧板Ⅱ3、井筒侧板4和装缝侧板5组装成岩心浇筑槽；所述侧板Ⅰ2和所述侧板Ⅱ3对称设置在所述底板1上，所述井筒侧板4和所述装缝侧板5对称设置在所述底板1上；所述井筒侧板4的中心部位开设井筒限位孔6，所述井筒限位孔6内安装橡胶圈7和井筒8；所述装缝侧板5的中心部位开设圆盘限位孔9，所述圆盘限位孔9内安装装缝组件，所述圆盘限位孔9的圆周上对称设置两个凸起10；所述装缝组件包括装缝圆盘11、倾角器12、堵缝楔13、装缝插板14、卡簧片15，所述装缝插板14上设置限位槽24和间隔槽25。
所述装缝圆盘11的圆周上设置卡槽16；所述装缝圆盘11的圆周上对称设置两个凹槽17，两个凹槽17分别与两个凸起10相配合。凹槽与凸起配合后，使得凸起进入装缝圆盘圆周的卡槽内，进而实现装缝圆盘在装缝侧板上沿周向旋转。装缝圆盘的直径略小于装缝侧板的长度，能保证正常安装即可。
所述装缝圆盘11的中心部位设置圆环18，通过旋转圆环18带动装缝圆盘11旋转，旋转角度为30º。旋转圆环，进而带动装缝圆盘旋转，旋转到需要的角度后，可将圆环取下来，避免旋转倾角器时，圆环与装缝插板发生碰撞，影响旋转角度。
所述圆环18的两侧对称设置两个楔形插缝19，根据装缝圆盘的直径以及楔形插缝到装缝圆盘中心的距离来设计楔形插缝的长度和宽度，尽可能使楔形插缝的长度和宽度最大化，以满足各种人工预置天然裂缝的适应性，与此同时还要满足组件安装的要求。所述楔形插缝19的两端分别设置凸耳Ⅰ20，所述凸耳Ⅰ20上设置圆孔。所述楔形插缝19的两个楔形平面之间形成的夹角为α=90º；所述楔形插缝19的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ21，所述插缝Ⅰ21的宽度为1mm。
所述堵缝楔13的两个楔形平面之间的夹角与所述楔形插缝19的两个楔形平面之间的夹角相同；将所述堵缝楔13填充到所述楔形插缝19内。
所述倾角器12的两端分别设置凸耳Ⅱ22，所述凸耳Ⅱ22上设置圆孔，两个凸耳Ⅱ22分别与两个凸耳Ⅰ20相配合。所述倾角器12可绕其两端的凸耳Ⅱ22所在的中心轴线旋转，旋转角度为0-360º。所述倾角器12的两个凸耳Ⅱ22之间为圆弧形状，所述圆弧底部设置插缝Ⅱ23，所述插缝Ⅱ23的宽度为1mm。
倾角器上的插缝Ⅱ和装缝圆盘上的插缝Ⅰ可以确定一个平面，该平面即为天然裂缝所在的平面。当装缝圆盘绕其中心轴旋转时，天然裂缝所在的平面与侧板Ⅰ和/或侧板Ⅱ形成不同的交角，这相当于天然裂缝与地层主应力形成了不同的角度，也就相当于控制了人工裂缝和天然裂缝的交角；当倾角器绕其两端凸耳Ⅱ的中心轴旋转时，天然裂缝所在的平面与底板之间的交角会随之发生变化，旋转到预定角度后固定倾角器，如此便可以调整天然裂缝的倾角。
凸耳Ⅱ的高度与凸耳Ⅰ的高度相等。堵缝楔的形状与装缝圆盘上的楔形插缝的形状完全相同，但尺寸略小，能够将堵缝楔放入楔形插缝即可。抽出装缝插板后，从楔形插缝内注入适量水泥浆料，封堵因抽取装缝插板而产生的与外界连通的缝隙；然后旋转倾角器，使倾角器最底部固定并压紧堵缝楔，直至岩心试件完全凝固。
所述限位槽24内插入所述卡簧片15，所述卡簧片的长边26与所述间隔槽25平行，所述卡簧片15可在所述限位槽24内移动。所述间隔槽25内插入所述卡簧片15，所述卡簧片的长边26与所述间隔槽25垂直，所述卡簧片15可在所述间隔槽25内移动。
装缝插板的厚度略小于插缝Ⅰ和插缝Ⅱ的缝宽，其长度至少大于岩心试件长度、装缝侧板厚度、装缝组件高度三者之和。本实施例的天然裂缝内需要填充介质（如A4纸、塑料薄膜、玻璃、可溶性材料、砂岩板、页岩板、泥岩板等），在模拟不同胶结强度的层理时，就需要在装缝插板上放置该介质或者涂抹改变混凝土试件胶结强度的材料（如油、胶等），此时装缝插板的主要功能是固定该介质的位置、倾角和交角；当岩心试件浇筑完毕且水泥浆料具有一定强度后，该介质不会再移动时，抽出装缝插板，用少量水泥浆料封堵该裂缝与外界连通的部分，用堵缝楔封堵楔形插缝，如此便可形成填充了特定介质的天然裂缝。由此可见，预置天然裂缝和模拟不同胶结强度层理的方法对装缝插板的要求不同，为了固定天然裂缝介质，需要在装缝插板上安装具有固定功能的部件（如卡簧片等），而且在抽出装缝插板时摩擦力要尽量小，避免使预置好的裂缝位置被改变。针对预置有介质的天然裂缝，在装缝插板上设计了若干间隔槽，这样既可以减小摩擦阻力，又可以在相邻两个间隔槽之间放置卡簧片。而模拟不同胶结强度层理时需要一个完整的面来涂抹介质，此时装缝插板不需要槽和固定部件。
本实施例还提供一种预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，使用上述预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：组装实验装置，采用螺栓连接或滑槽连接的方式将底板、侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、井筒侧板和装缝侧板组装成岩心浇筑槽；
步骤二：在井筒侧板上的井筒限位孔内安装井筒，并通过橡胶圈进行固定和密封，此时井筒与底板平行；
步骤三：在装缝侧板上的圆盘限位孔内安装装缝组件；在装缝插板上的限位槽内插入卡簧片并固定，使卡簧片的长边与间隔槽平行；在装缝插板上的间隔槽内插入卡簧片并固定，使卡簧片的长边与间隔槽垂直；
步骤四：将装缝插板依次插入倾角器的插缝Ⅱ和楔形插缝的插缝Ⅰ中，再继续插入到岩心浇筑槽内；
步骤五：通过旋转圆环带动装缝圆盘旋转，使装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成一定角度，取下圆环；通过旋转倾角器使装缝插板与井筒形成一定角度；
步骤六：将A4纸平放在装缝插板上，并使其相邻两边分别与两个卡簧片的长边对齐；
步骤七：向岩心浇筑槽内注入水泥浆料，直至水泥浆料填满整个岩心浇筑槽，并将上表面抹平；
步骤八：静置1-2小时后，缓慢抽出装缝插板；从楔形插缝内注入适量水泥浆料，封堵因抽取装缝插板而产生的与外界连通的缝隙；将堵缝楔填充到楔形插缝内，并用工具敲击堵缝楔使其压实；旋转倾角器，使其底部压紧堵缝楔，直至岩心试件完全凝固。
所述装缝圆盘的旋转角度为30º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为30º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=90º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，0º≤β≤45º。
本实施例的实验装置及其方法，结构简单，操作方便，能够准确的在岩心内部预置天然裂缝和层理，在浇筑岩心试件的过程中，可通过调整实验装置上的活动组件来准确调整预置的天然裂缝与人工裂缝之间的倾角和交角，这样可以避免在制作模拟试件时产生的误差，进而能够真实的模拟地层天然裂缝与人工裂缝相遇后的延展模式，为现场施工提供了可靠的指导方法。
实施例二：
按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，实验装置的结构、各部件之间的连接关系、实验步骤、工作原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：
所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ的宽度为3mm；所述倾角器上的插缝Ⅱ的宽度为3mm。所述装缝圆盘的旋转角度为90º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为90º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=100º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，0º≤β≤50º。
实施例三：
按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，实验装置的结构、各部件之间的连接关系、实验步骤、工作原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：
所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ的宽度为5mm；所述倾角器上的插缝Ⅱ的宽度为5mm。所述装缝圆盘的旋转角度为120º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为120º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=120º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，0º≤β≤60º。
实施例四：
按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，实验装置的结构、各部件之间的连接关系、实验步骤、工作原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：
所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ的宽度为3mm；所述倾角器上的插缝Ⅱ的宽度为5mm。所述装缝圆盘的旋转角度为180º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为180º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=140º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，0º≤β≤70º。
实施例五：
按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，实验装置的结构、各部件之间的连接关系、实验步骤、工作原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：
所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ的宽度为3mm；所述倾角器上的插缝Ⅱ的宽度为5mm。所述装缝圆盘的旋转角度为240º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为240º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=150º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，0º≤β≤75º。
实施例六：
按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，实验装置的结构、各部件之间的连接关系、实验步骤、工作原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：
所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ的宽度为2mm；所述倾角器上的插缝Ⅱ的宽度为4mm。所述装缝圆盘的旋转角度为360º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为360º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=170º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，0º≤β≤85º。
实施例七：
如图13所示，按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，实验装置的结构、各部件之间的连接关系、实验步骤、工作原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：
在实验装置中，将所述井筒限位孔6设置在所述底板1的中心部位代替设置在所述井筒侧板的中心部位，所述底板1上的井筒限位孔6内安装橡胶圈和井筒。
在实验方法中，用下面的步骤代替所述步骤二，即在底板1上的井筒限位孔6内安装井筒，并通过橡胶圈进行固定和密封，此时井筒与底板垂直。
所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ的宽度为1mm；所述倾角器上的插缝Ⅱ的宽度为1mm。所述装缝圆盘的旋转角度为30º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为30º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=90º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，45º≤β≤90º。
实施例八：
按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，实验装置的结构、各部件之间的连接关系、实验步骤、工作原理和有益效果等均与实施例七相同，不同的是：
所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ的宽度为3mm；所述倾角器上的插缝Ⅱ的宽度为3mm。所述装缝圆盘的旋转角度为90º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为90º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=100º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，40º≤β≤90º。
实施例九：
按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，实验装置的结构、各部件之间的连接关系、实验步骤、工作原理和有益效果等均与实施例七相同，不同的是：
所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ的宽度为5mm；所述倾角器上的插缝Ⅱ的宽度为5mm。所述装缝圆盘的旋转角度为120º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为120º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=120º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，30º≤β≤90º。
实施例十：
按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，实验装置的结构、各部件之间的连接关系、实验步骤、工作原理和有益效果等均与实施例七相同，不同的是：
所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ的宽度为3mm；所述倾角器上的插缝Ⅱ的宽度为5mm。所述装缝圆盘的旋转角度为180º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为180º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=140º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，20º≤β≤90º。
实施例十一：
按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，实验装置的结构、各部件之间的连接关系、实验步骤、工作原理和有益效果等均与实施例七相同，不同的是：
所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ的宽度为3mm；所述倾角器上的插缝Ⅱ的宽度为5mm。所述装缝圆盘的旋转角度为240º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为240º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=150º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，15º≤β≤90º。
实施例十二：
按照本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，实验装置的结构、各部件之间的连接关系、实验步骤、工作原理和有益效果等均与实施例七相同，不同的是：
所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ的宽度为2mm；所述倾角器上的插缝Ⅱ的宽度为4mm。所述装缝圆盘的旋转角度为360º，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为360º。所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α=170º；所述装缝插板与井筒形成的角度为β，5º≤β≤90º。
上述实施例七至十为替补方案，当楔形插缝的两个楔形平面之间的夹角α在90-180º的范围内越小时，即α越接近90º时，由于实验装置本身的尺寸、形状等因素限制，装缝插板与井筒之间的倾角无法达到理论值，此时需要采用该方案，以实现理想状态。
本领域技术人员不难理解，本发明的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置及其方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (25)
1.一种预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，由底板、侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、井筒侧板和装缝侧板组装成岩心浇筑槽，其特征在于：所述侧板Ⅰ和所述侧板Ⅱ对称设置在所述底板上，所述井筒侧板和所述装缝侧板对称设置在所述底板上；所述井筒侧板的中心部位开设井筒限位孔，所述井筒限位孔内安装橡胶圈和井筒；所述装缝侧板的中心部位开设圆盘限位孔，所述圆盘限位孔内安装装缝组件，所述圆盘限位孔的圆周上对称设置两个凸起；所述装缝组件包括装缝圆盘、倾角器、堵缝楔、装缝插板、卡簧片，所述装缝插板上设置限位槽和间隔槽，所述装缝圆盘的中心部位设置圆环，通过旋转圆环带动装缝圆盘旋转，旋转角度为0-360°。
2.如权利要求1所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述装缝圆盘的圆周上设置卡槽。
3.如权利要求2所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述装缝圆盘的圆周上对称设置两个凹槽，两个凹槽分别与两个凸起相配合。
4.如权利要求1所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述装缝圆盘上至少设置一个楔形插缝。
5.如权利要求4所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述圆环的两侧对称设置两个楔形插缝。
6.如权利要求5所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述楔形插缝的两端分别设置凸耳Ⅰ，所述凸耳Ⅰ上设置圆孔。
7.如权利要求5所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α，90°≤α＜180°。
8.如权利要求6所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述楔形插缝的两个楔形平面底部形成插缝Ⅰ，所述插缝Ⅰ的宽度为1-5mm。
9.如权利要求7所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述堵缝楔的两个楔形平面之间的夹角与所述楔形插缝的两个楔形平面之间的夹角相同；将所述堵缝楔填充到所述楔形插缝内。
10.如权利要求1所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述倾角器的两端分别设置凸耳Ⅱ，所述凸耳Ⅱ上设置圆孔，两个凸耳Ⅱ分别与两个凸耳Ⅰ相配合。
11.如权利要求10所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述倾角器可绕其两端的凸耳Ⅱ所在的中心轴线旋转，旋转角度为0-360°。
12.如权利要求10所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述倾角器的两个凸耳Ⅱ之间为圆弧形状，所述圆弧底部设置插缝Ⅱ，所述插缝Ⅱ的宽度为1-5mm。
13.如权利要求1所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述限位槽内插入所述卡簧片，所述卡簧片的长边与所述间隔槽平行，所述卡簧片可在所述限位槽内移动。
14.如权利要求13所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：所述间隔槽内插入所述卡簧片，所述卡簧片的长边与所述间隔槽垂直，所述卡簧片可在所述间隔槽内移动。
15.如权利要求1-14中任一项所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置，其特征在于：将所述井筒限位孔设置在所述底板的中心部位代替设置在所述井筒侧板的中心部位；所述底板上的井筒限位孔内安装橡胶圈和井筒。
16.一种预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：组装实验装置，采用螺栓连接或滑槽连接的方式将底板、侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、井筒侧板和装缝侧板组装成岩心浇筑槽；
步骤二：在井筒侧板上的井筒限位孔内安装井筒，并通过橡胶圈进行固定和密封，此时井筒与底板平行；
步骤三：在装缝侧板上的圆盘限位孔内安装装缝组件；在装缝插板上的限位槽内插入卡簧片并固定，使卡簧片的长边与间隔槽平行；在装缝插板上的间隔槽内插入卡簧片并固定，使卡簧片的长边与间隔槽垂直；
步骤四：将装缝插板依次插入倾角器的插缝Ⅱ和楔形插缝的插缝Ⅰ中，再继续插入到岩心浇筑槽内；
步骤五：通过旋转圆环带动装缝圆盘旋转，使装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成一定角度，取下圆环；通过旋转倾角器使装缝插板与井筒形成一定角度；
步骤六：将A4纸平放在装缝插板上，并使其相邻两边分别与两个卡簧片的长边对齐；
步骤七：向岩心浇筑槽内注入水泥浆料，直至水泥浆料填满整个岩心浇筑槽，并将上表面抹平；
步骤八：静置1-2小时后，缓慢抽出装缝插板；从楔形插缝内注入适量水泥浆料，封堵因抽取装缝插板而产生的与外界连通的缝隙；将堵缝楔填充到楔形插缝内，并用工具敲击堵缝楔使其压实；旋转倾角器，使其底部压紧堵缝楔，直至岩心试件完全凝固。
17.如权利要求16所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，其特征在于：所述实验装置为权利要求1-15中任一项所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置。
18.如权利要求17所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，其特征在于：所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α，90°≤α＜180°。
19.如权利要求18所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，其特征在于：所述装缝圆盘的旋转角度为0-360°，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为0-360°。
20.如权利要求19所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，其特征在于：所述装缝插板与井筒形成的角度为β，0°≤β＜90°。
21.如权利要求16所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，其特征在于：用下面的步骤代替所述步骤二，即在底板上的井筒限位孔内安装井筒，并通过橡胶圈进行固定和密封，此时井筒与底板垂直。
22.如权利要求21所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，其特征在于：所述实验装置为权利要求16所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验装置。
23.如权利要求22所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，其特征在于：所述楔形插缝的两个楔形平面之间形成的夹角为α，90°≤α＜180°。
24.如权利要求23所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，其特征在于：所述装缝圆盘的旋转角度为0-360°，即装缝插板与侧板Ⅰ或侧板Ⅱ形成的角度为0-360°。
25.如权利要求24所述的预置有介质的天然裂缝的物理模拟实验方法，其特征在于：所述装缝插板与井筒形成的角度为β，0°＜β≤90°。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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