CN108871907A - 液压撼砂装置、应用于填砂模型的液压撼砂系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种液压撼砂装置、应用于填砂模型的液压撼砂系统及方法，液压撼砂装置包括：容器，所述容器内形成有容砂腔，所述容器具有与所述容砂腔连通的排液口；砂锤，所述砂锤具有位于所述容砂腔内的锤头；喷液管，所述喷液管具有位于所述容砂腔内的喷液口；其中，所述锤头和所述喷液口与所述容器在竖直方向上可移动配合。本发明能够有效对砂层进行压实处理，进而大幅降低压实后的砂层的渗透率，使压实后的砂层能够模拟真实油藏条件。

Description

液压撼砂装置、应用于填砂模型的液压撼砂系统及方法

技术领域

本发明涉及油田开发技术领域，具体涉及一种液压撼砂装置、应用于填砂模型的液压撼砂系统及方法。

背景技术

在油藏物理模拟实验中，填砂模型具有易制作及易观察的特点，通过在填砂模型中进行填砂来获取砂层的渗透率，以模拟油藏的驱替效果。另外，在填砂模型中进行填砂的方式通常为将洗净、晾干(或一定潮度)的砂子按照一定的大小比例混合均匀后，逐渐加入填砂模型内，但由于模拟精度的要求，不能仅仅将砂子加入填砂模型，还需要对加入填砂模型的砂层进行压实处理，而应用何种装置如何进行压实处理，已成为了油藏物理模拟实验中的研究课题。

现有的对填砂模型的砂层进行压实处理的方式一般采用震动设备或人工震动装有砂层的填砂模型，也可以采用应用压力机对填砂模型的砂层进行压实处理。

然后，无论是上述现有技术中的哪种方式，获得的砂层的渗透率通常都在2D(达西)以上，只能模拟高(特高)渗透油藏的驱替效果，并不能模拟模拟符合中渗(50～500mD)或低渗(<50mD)油藏的驱替效果的真实油藏条件。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种液压撼砂装置、应用于填砂模型的液压撼砂系统及方法，能够有效对砂层进行压实处理，进而大幅降低压实后的砂层的渗透率，使压实后的砂层能够模拟真实油藏条件。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种液压撼砂装置，包括：

容器，所述容器内形成有容砂腔，所述容器具有与所述容砂腔连通的排液口；

砂锤，所述砂锤具有位于所述容砂腔内的锤头；

喷液管，所述喷液管具有位于所述容砂腔内的喷液口；

其中，所述锤头和所述喷液口与所述容器在竖直方向上可移动配合。

一实施例中，所述砂锤的非锤头部分为一连管，且该连管同轴套设在所述喷液管外壁；

所述喷液管的喷液口垂直穿过所述锤头固定设置在所述锤头的作业面上。

一实施例中，所述喷液管的非喷液口部分为一注液管，且所述喷液管具有多个所述喷液口；

各个所述喷液口分别与所述注液管连通。

一实施例中，所述连管与一振荡器连接，且该振荡器还连接至一振荡控制器。

一实施例中，所述振荡器套设在所述喷液管外侧，所述喷液管靠近所述振荡器的一端连接一注液泵。

一实施例中，所述排液口设置在所述容器底面中心处。

第二方面，本发明提供一种应用于填砂模型的液压撼砂系统，包括：抽液组件，以及，所述的液压撼砂装置；

所述容器为填砂模型的模型管；

所述抽液组件与所述排液口连接。

一实施例中，所述液压撼砂系统还包括：顶部设有通孔的支撑平台；

所述模型管固定设置在所述支撑平台上，且所述排液口经所述通孔固定于所述支撑平台内。

一实施例中，所述抽液组件包括：相互连接的密封收集瓶和真空泵；

所述密封收集瓶与所述排液口连接。

第三方面，本发明提供一种应用于填砂模型的液压撼砂方法，所述液压撼砂方法应用一种液压撼砂装置实现，且该液压撼砂装置包括：填砂模型的模型管、具有锤头的砂锤和具有喷液口的喷液管，所述模型管底部设有排液口，其中，所述砂锤和喷液管与所述模型管在竖直方向上可移动配合，所述液压撼砂方法包括边注液边锤击的步骤：

将所述喷液口插入所述模型管内的砂粒层中，并控制所述喷液管中的液体经该喷液口射入所述砂粒层中，使得液体自该砂粒层内部冲击所述砂粒层中的砂粒；

控制所述砂锤的锤头在所述模型管内重复锤击所述砂粒层，使得所述砂粒层沉积且空隙减小，以及，控制所述液体自所述排液口排出。

一实施例中，所述液压撼砂方法还包括停止注液后锤击的步骤：

在所述砂粒层沉积后，停止向所述喷液管输送液体，并继续控制所述砂锤的锤头反复锤击所述砂粒层；

以及，在模型管内的液体全部排出且所述砂锤的锤头锤击所述砂粒层的次数达到预设次数值后，停止锤击所述砂粒层。

一实施例中，在所述将所述喷液口插入所述模型管内的砂粒层中之前，所述液压撼砂方法还包括：

判断当前模型管内是否有砂粒层；

若是，则在模型管内铺设由第一砂粒和第二砂粒混合而成的砂粒层，其中，所述第一砂粒的半径大于所述第二砂粒的半径。

一实施例中，所述液压撼砂方法还包括：

若当前模型管内没有砂粒层，则在模型管内铺设由第一砂粒组成的砂粒层。

一实施例中，在所述停止锤击所述砂粒层之后，还包括砂粒层高度判断步骤：

判断当前模型管内的砂粒层高度是否高于高度阈值；

若是，则在当前模型管内的砂粒层上铺设由第一砂粒组成的砂粒层。

一实施例中，所述液压撼砂方法还包括：

若当前模型管内的砂粒层高度低于或等于高度阈值，则在当前模型管内的砂粒层上铺设由第一砂粒和第二砂粒混合而成的砂粒层，其中，所述第一砂粒的半径大于所述第二砂粒的半径，并依次执行所述边注液边锤击的步骤和所述停止注液后锤击的步骤；

以及，返回执行所述砂粒层高度判断步骤，直到当前模型管内的砂粒层高度高于高度阈值。

一实施例中，所述第一砂粒的半径与第二砂粒的半径比例为8:1。

由上述技术方案可知，本发明提供一种液压撼砂装置、应用于填砂模型的液压撼砂系统及方法，其中的液压撼砂装置通过设置容器，所述容器内形成有容砂腔，所述容器具有与所述容砂腔连通的排液口；砂锤，所述砂锤具有位于所述容砂腔内的锤头；喷液管，所述喷液管具有位于所述容砂腔内的喷液口；其中，所述锤头和所述喷液口与所述容器在竖直方向上可移动配合，使得该液压撼砂装置结构简单、易拆卸且易清洗，通过具有位于所述容砂腔内的喷液口的喷液管的设置，能够实现对容器内砂层进行注液，使得砂层中的砂粒悬浮在液体中，砂粒间的阻碍及摩擦减小，通过容器上的排液口的设置，在注液的同时进行排液，使得液体在重力及排液流出的携带力作用下，砂粒进行沉积，再通过具有位于容砂腔内的锤头的砂锤的设置，能够在注液的同时，对容器内的砂层进行锤压处理，进而进一步地有效降低压砂层的渗透率。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明装置实施例中的一种液压撼砂装置的一种结构示意图；

图2为本发明装置实施例中的液压撼砂装置的另一种结构示意图；

图3为本发明装置实施例中的砂锤和喷液管的结构示意图；

图4为本发明装置实施例中的包含有多个喷液口的喷液管和砂锤的结构示意图；

图5为本发明装置实施例中的喷液口在所述锤头的作业面上的分布示意图；

图6为本发明装置实施例中的包含有振荡器及振荡控制器的液压撼砂装置结构示意图；

图7为本发明装置实施例中的振荡器的结构示意图；

图8为本发明装置实施例中的包含有注液泵的液压撼砂装置结构示意图；

图9为本发明系统实施例中的一种应用于填砂模型的液压撼砂系统的结构示意图；

图10为本发明系统实施例中包含有支撑平台的液压撼砂系统的结构示意图；

图11为本发明方法实施例中一种应用于填砂模型的液压撼砂方法的流程示意图；

图12为本发明方法实施例中包含有步骤B的液压撼砂方法的流程示意图；

图13为本发明方法实施例中包含有步骤S的液压撼砂方法的流程示意图；

图14为本发明方法实施例中包含有步骤C的液压撼砂方法的流程示意图；

图15为本发明应用实例中的液压撼砂法原理示意图；

图16为本发明应用实例中的实施液压撼砂的系统的结构示意图；

图17为本发明应用实例中的连接喷液口的锤头的结构示意图；

其中，1-容器；11-排液口；2-砂锤；21-锤头；22-连管；23-振荡器；231-作用面；232-弹簧；233-转换器；234-电源线；24-振荡控制器；3-喷液管；31-喷液口；32-注液管；33-注液泵；4-抽液组件；41-密封收集瓶；42-真空泵；5-支撑平台；6-砂粒；61-砂粒层；7-模型管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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作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。

本发明的实施例提供一种液压撼砂装置的具体实施方式，参见图1，所述液压撼砂装置具体包括如下内容：

容器1、砂锤2和喷液管3。

所述容器1内形成有容砂腔，所述容器1具有与所述容砂腔连通的排液口11。

可以理解的是，所述容砂腔即为用于盛装砂粒6的腔体，所述容砂腔可以为容器1内的全部空间，也可以为容器1内自底部至某一高度之间的部分空间，以防止砂粒6或液体自容器1内流出。所述排液口11可以设置在所述容器1中的与容砂腔连通的任何位置，且其所在位置距离容器1底部越低，排液效果越好。

所述砂锤2具有位于所述容砂腔内的锤头21。

可以理解的是，为了使得锤击砂层时的作用力均匀，所述锤头21的作业面为平面，且所述锤头21的作业面可以根据容器1的形状进行设置，例如，若所述容器1为圆柱形，则所述锤头21的作业面形状可以为圆形；若所述容器1为立方体，则所述锤头21的作业面形状可以为矩形。

所述喷液管3具有位于所述容砂腔内的喷液口31。

可以理解的是，所述喷液口31可以为针管状，且其长度可以为5-10cm。

其中，所述锤头21和所述喷液口31与所述容器1在竖直方向上可移动配合。

可以理解的是，为了便于砂层的填装和提高装置整体的易清洗程度及可拆卸式应用程度，将锤头21和喷液口31与所述容器1进行分体设置。

另外，在本说明书中的实施例中提及的液体可以为单纯的水，也可以为在水中混合有用于减小砂粒6间的阻碍及摩擦的润滑制剂的液体。

在上述描述中，本发明的实施例提供的液压撼砂装置，结构简单、易拆卸且易清洗，通过具有位于所述容砂腔内的喷液口31的喷液管3的设置，能够实现对容器1内砂层进行注液，使得砂层中的砂粒6悬浮在液体中，砂粒6间的阻碍及摩擦减小，通过容器1上的排液口11的设置，在注液的同时进行排液，使得液体在重力及排液流出的携带力作用下，砂粒6进行沉积，再通过具有位于容砂腔内的锤头21的砂锤2的设置，能够在注液的同时，对容器1内的砂层进行锤压处理，进而进一步地有效降低压砂层的渗透率。

在一种具体实施方式中，参见图2和图3，本发明还提供所述液压撼砂装置中砂锤2及喷液管3的一种具体连接方式：

所述砂锤2的非锤头21部分为一连管22，且该连管22同轴套设在所述喷液管3外壁；所述喷液管3的喷液口31垂直穿过所述锤头21固定设置在所述锤头21的作业面上。

可以理解的是，所述连管22与所述锤头21的连接面固定连接，且所述连管22与所述锤头21之间同轴设置，其中，所述锤头21可以为圆柱体，所述锤头21的作业面和连接面分别为所述锤头21的两个圆形端面。

另外，为使得排液效果最佳，在一种实施例中，所述排液口11设置在所述容器1底面中心处。

在上述描述中，为了进一步提高整个液压撼砂装置的应用可靠性，将所述喷液口31垂直固定在所述锤头21的作业面上。且为了进一步降低压砂层的渗透率，本实施例中将砂锤2和喷液管3作为一个整体进行一体化设置，使得砂锤2的锤头21的作业面的直径的设置不受喷液口31的影响，尽可能的接近容器1的内直径，以提高砂锤2的锤头21锤击砂层时的接触面积。

在一种具体实施方式中，参见图4，本发明还提供所述液压撼砂装置中喷液管3的一种具体实施方式：

所述喷液管3的非喷液口31部分为一注液管32，且所述喷液管3具有多个所述喷液口31，各个所述喷液口31分别与所述注液管32连通。

可以理解的是，所述注液管32与各个所述喷液口31连通，且所述注液管32的内径大于所述喷液口31的内径，甚至可以为所述喷液口31的内径的几倍至几十倍，这样能够使得液体在经注液管32注入喷液口31时，由于内径的大幅减小而使得液体能够自喷液口31集中射出。

喷液口31在所述锤头21的作业面上的分布可以为等距离分布，参见图5中以24个喷液口31为例以锤头21的作业面的圆心处为中心等距离分布。

从上述描述可知，本发明的实施例提供的液压撼砂装置，通过多个喷液口31的设置，能够进一步减小砂粒6间的阻碍及摩擦减小，有效提高砂粒6的沉积效果。

在一种具体实施方式中，参见图6，本发明的所述液压撼砂装置中的所述连管22与一振荡器23连接，且该振荡器23还连接至一振荡控制器24。

可以理解的是，所述振荡器23可以为一种垂直振荡器，所述垂直振荡器是实验室前处理设备，可垂直或倾斜(角度可调)振荡。

参见图7，所述振荡器有依次连接的作用面231、弹簧232、转换器233和电源线234组成，所述作用面231与所述喷液管3的注液管32同轴且固定连接，所述电源线234与所述振荡控制器24连接。

可以理解的是，通过振荡器及振荡控制器24的设置，能够有效替代人工操作砂锤2反复垂直砂层，并能够有效提高锤击砂层的效率，有效提高了整个液压撼砂装置的自动化程度。

在一种具体实施方式中，参见图8，本发明的所述液压撼砂装置中的所述振荡器23套设在所述喷液管3外侧，所述喷液管3靠近所述振荡器23的一端连接一注液泵33。

可以理解的是，所述喷液管3靠近所述振荡器23的一端即为所述注液管32中远离所述喷液口31的一端，通过注液泵33的设置，能够有效替代人工向喷液管3内注液，有效提高液压力，使得所述喷液口31能够高速高压喷出液体，进一步降低了压砂层的渗透率。

从上述描述可知，本发明的实施例提供的液压撼砂装置，结构简单、易拆卸且易清洗，能够有效对砂层进行压实处理，进而大幅降低压实后的砂层的渗透率，使压实后的砂层能够模拟真实油藏条件。

本发明的实施例提供一种包含有所述液压撼砂装置中全部结构及部件的应用于填砂模型的液压撼砂系统的具体实施方式，参见图9，所述应用于填砂模型的液压撼砂系统具体包括如下内容：

抽液组件4，以及，液压撼砂装置，所述液压撼砂装置包括：容器1、砂锤2和喷液管3，所述容器1内形成有容砂腔，所述容器1具有与所述容砂腔连通的排液口11；所述砂锤2具有位于所述容砂腔内的锤头21；所述喷液管3具有位于所述容砂腔内的喷液口31；其中，所述锤头21和所述喷液口31与所述容器1在竖直方向上可移动配合。

在所述液压撼砂系统中，所述容器1具体为填砂模型的模型管7，且所述抽液组件4与所述排液口11连接。

可以理解的是，所述砂锤2的非锤头21部分为一连管22，且该连管22同轴套设在所述喷液管3外壁，所述喷液管3的喷液口31垂直穿过所述锤头21固定设置在所述锤头21的作业面上。所述喷液管3的非喷液口31部分为一注液管32，且所述喷液管3具有多个所述喷液口31，各个所述喷液口31分别与所述注液管32连通。所述连管22与一振荡器23连接，且该振荡器23还连接至一振荡控制器24。所述振荡器23套设在所述喷液管3外侧，所述喷液管3靠近所述振荡器23的一端连接一注液泵33。所述排液口11设置在所述容器1底面中心处。

在应用该液压撼砂系统进行针对所述填砂模型的液压撼砂时，首先将所述喷液口31插入所述模型管7内的砂粒层61中，并控制所述喷液管3中的液体经该喷液口31射入所述砂粒层61中，使得液体自该砂粒层61内部冲击所述砂粒层61中的砂粒6；然后控制所述砂锤2的锤头21在所述模型管7内重复锤击所述砂粒层61，使得所述砂粒层61沉积且空隙减小，以及，控制所述液体自所述排液口11排出。

从上述描述可知，本发明的实施例提供的应用于填砂模型的液压撼砂系统，通过具有位于所述容砂腔内的喷液口31的喷液管3的设置，能够实现对容器1内砂层进行注液，使得砂层中的砂粒6悬浮在液体中，砂粒6间的阻碍及摩擦减小，通过容器1上的排液口11的设置，在注液的同时进行排液，使得液体在重力及排液流出的携带力作用下，砂粒6进行沉积，再通过具有位于容砂腔内的锤头21的砂锤2的设置，能够在注液的同时，对容器1内的砂层进行锤压处理，进而进一步地有效降低压砂层的渗透率。

在一种具体实施方式中，参见图10，本发明的应用于填砂模型的液压撼砂系统中还包括：顶部设有通孔的支撑平台5；所述模型管7固定设置在所述支撑平台5上，且所述排液口11经所述通孔固定于所述支撑平台5内。

以及，所述抽液组件4包括：相互连接的密封收集瓶41和真空泵42；所述密封收集瓶41与所述排液口11连接。

本发明的实施例提供应用所述液压撼砂装置中全部结构及部件或者应用所述液压撼砂系统中全部结构及部件实现的一种应用于填砂模型的液压撼砂方法的具体实施方式，参见图11，所述应用于填砂模型的液压撼砂方法具体包括如下内容：

所述液压撼砂方法应用一种液压撼砂装置实现，且该液压撼砂装置包括：填砂模型的模型管7、具有锤头21的砂锤2和具有喷液口31的喷液管3，所述模型管7底部设有排液口11，其中，所述砂锤2和喷液管3与所述模型管7在竖直方向上可移动配合，所述液压撼砂方法包括步骤A-边注液边锤击的步骤：

步骤A01：将所述喷液口31插入所述模型管7内的砂粒层61中，并控制所述喷液管3中的液体经该喷液口31射入所述砂粒层61中，使得液体自该砂粒层61内部冲击所述砂粒层61中的砂粒6。

步骤A02：控制所述砂锤2的锤头21在所述模型管7内重复锤击所述砂粒层61，使得所述砂粒层61沉积且空隙减小，以及，控制所述液体自所述排液口11排出。

可以理解的是，所述应用于填砂模型的液压撼砂方法通过喷液对容器1内砂层进行注液，使得砂层中的砂粒6悬浮在液体中，砂粒6间的阻碍及摩擦减小，通过容器1上的排液口11在注液的同时进行排液，使得液体在重力及排液流出的携带力作用下，砂粒6进行沉积，再通过砂锤2在注液的同时，对容器1内的砂层进行锤压处理，进而进一步地有效降低压砂层的渗透率。

在步骤A之后，参见图12，所述应用于填砂模型的液压撼砂方法还包括步骤B-停止注液后锤击的步骤：

步骤B01：在所述砂粒层61沉积后，停止向所述喷液管输送液体，即控制所述注液管32停止向所述喷液管3输送液体，并继续控制所述砂锤2的锤头21反复锤击所述砂粒层61。

步骤B02：在模型管7内的液体全部排出且所述砂锤2的锤头21锤击所述砂粒层61的次数达到预设次数值后，停止锤击所述砂粒层61。

可以理解的是，所述应用于填砂模型的液压撼砂方法在所述砂粒层61沉积后继续控制所述砂锤2的锤头21反复锤击所述砂粒层61，以进一步地有效降低压砂层的渗透率。

在步骤A之前，参见图13，所述应用于填砂模型的液压撼砂方法还包括步骤S-判断有无砂粒层61的步骤：

步骤S01：判断当前模型管7内是否有砂粒层61。

若是，则执行步骤S02，若否，则执行步骤S03。

步骤S02：在模型管7内铺设由第一砂粒6和第二砂粒6混合而成的砂粒层61，其中，所述第一砂粒6的半径大于所述第二砂粒6的半径。

其中，所述第一砂粒6的半径与第二砂粒6的半径比例为8:1。

上述步骤S02说明当前模型管7并非首次铺设砂粒6，则为了进一步降低压砂层的渗透率，选取大颗粒的第一砂粒6与小颗粒的第二砂粒6进行混合铺设。

步骤S03：在模型管7内铺设由第一砂粒6组成的砂粒层61。

上述步骤S03说明当前模型管7没有铺设砂粒6，则需要首次进行砂粒6铺设，而首次铺设的砂粒6选取大颗粒的第一砂粒6，能够有效防止砂粒6随着液体经由排液口11流失。

在步骤B之后，参见图14，所述应用于填砂模型的液压撼砂方法还包括步骤C-循环液压撼砂的步骤：

步骤C01：判断当前模型管7内的砂粒层61高度是否高于高度阈值；

若是，则执行步骤C02，若否，则执行步骤C03；

步骤C02：在当前模型管7内的砂粒层61上铺设由第一砂粒6组成的砂粒层61。

步骤C03：在当前模型管7内的砂粒层61上铺设由第一砂粒6和第二砂粒6混合而成的砂粒层61，其中，所述第一砂粒6的半径大于所述第二砂粒6的半径，并依次执行所述步骤A-边注液边锤击的步骤和所述步骤B-停止注液后锤击的步骤；

以及，返回执行所述步骤C01-砂粒层61高度判断步骤，直到当前模型管7内的砂粒层61高度高于高度阈值。

从上述描述可知，本发明的实施例提供的所述应用于填砂模型的液压撼砂方法通过喷液对容器1内砂层进行注液，使得砂层中的砂粒6悬浮在液体中，砂粒6间的阻碍及摩擦减小，通过容器1上的排液口11在注液的同时进行排液，使得液体在重力及排液流出的携带力作用下，砂粒6进行沉积，再通过砂锤2在注液的同时，对容器1内的砂层进行锤压处理，进而进一步地有效降低压砂层的渗透率。

为进一步说明本方案，本发明还提供一种应用包含有液压撼砂装置的液压撼砂系统来实现针对于填砂模型的液压撼砂方法的具体应用实例，在本应用实例中，所述液体选取水，该具体应用实例包括如下内容：

S1：准备两组砂粒6，分别为球体半径比例为8：1的第一砂粒6(较大砂粒6)和第二砂粒6(较小砂粒6)，以及，将填砂模型的模型管7固定在模型支撑平台5上。

其中，若第一砂粒6的球体半径为r1，则第二砂粒6的球体半径可以为0.116r1。

S2：首先在模型管7内的底部铺设厚度大约为1.5倍的喷液管3高度(3-5层)的第一砂粒6(较大砂粒6)，形成砂粒层61，使模型管7底部的排液口11的端面形成良好的渗流环境。

S3：边注水边振荡压实：

S3-1：所述液压撼砂装置的喷液口31插入所述模型管7内的底部的砂粒层61，并向所述连管22中注水；

S3-2：启动所述注液泵33，向所述注水管中注水，注水速度以维持砂粒6恰好悬浮为宜，喷液管3冲击砂粒6，既起到铲板作用，其喷射的注水也使砂粒6悬浮；

S3-3：应用振荡控制器24启动振荡器，进而使得所述砂锤2的锤头21在振荡器的驱动下，高频次反复锤击所述初始砂粒层61，同时，控制所述真空泵42经所述密封收集瓶41，对所述模型管7内的底部的排液口11持续抽真空，使水从所述模型管7内的底部的排液口11流入所述密封收集瓶41，水的流出速度与注入速度保持一致。

其中，砂粒6在重力作用及流出水流的挟带作用下沉积，沉积速度与砂粒6粒径相关，这一过程在高频次的作用后满足概率条件，会形成规律性的堆积排列，砂粒6沉积后，控制砂锤2的锤头21反复锤击砂粒6，使砂粒6间更加紧密。每次填砂后的振荡次数不低于1000次，由振荡器频率可计算出振荡时间。

S3-4：关闭注液泵33，停止注水。

S3-5：继续控制所述真空泵42经所述密封收集瓶41，对所述模型管7内的底部的排液口11持续抽真空，使模型管7内的水被抽出。

S3-6：继续控制砂锤2的锤头21在振荡器的驱动下，高频次反复锤击所述初始砂粒层61，反复夯击仍保持一定湿度的砂粒6，使空隙减少、颗粒间更加紧密。这一过程反复多次进行后，可获得中渗渗透率标准的填充效果。

S3-7：关闭振荡器。

S4：在一次振荡压实操作后，取出所述液压撼砂装置，并应用第一砂粒6与第二砂粒6组成的混合砂进行再次填砂，且填砂的厚度以不多于所述喷液管3高度的一半为宜。

重复步骤S3-S4，直至所述模型管7中的砂粒层61接近所述模型管7的顶端，改由手工振荡及反复疏松挤压末端的少量砂粒6。

S5：填好后模型的渗透率测试：填制好的模型，首先用甲醇驱替砂粒6内的剩余水；驱替5PV后，模型升温大于80℃，并用氮气驱替甲醇，在出口端不见液体产出后，静置24小时并降温至常温状态。对处理后的填砂模型进行常规空气渗透率测试。渗透率值可在100～500mD区间内，达到中渗渗透率标准。

1.方法原理

不同固体颗粒的堆积已有相对成熟的分析理论和方法，有关紧密堆积理论主要有Horsfield、Fuller的紧密堆积理论和隔级堆积理论等。Horsfield理论也是异径球形颗粒的堆积理论指出，1组分球体空隙率可达38％，而2、3、4和5组分的空隙率分别达到14.4％、5.4％、2.0％和0.8％。Horsfield紧密堆积理论也提出“六方最紧密填充”排列，由5组分填充，形成“菱面体型”最密堆积。

液压撼砂方法是在传统基建中的撼砂方式基础上建立起来的，常规撼砂过程是利用铲板等工具在水平方向反复松动及挤压浸泡于水中的砂粒6，达到减小砂粒6间的空隙的目的。由于实验模型的管状结构等限制，水平方向的作用无法实现。且常规撼砂过程的水平方向作用只是将砂粒6间的接触变得紧密，而不会改变不同粒径砂粒6间的紧密排列顺序。

液压撼砂方法则一方面利用水流强力冲击获得有序的砂粒6排列，另一方面利用重锤冲击压紧空隙。液压撼砂法原理参见图15。

喷液口31进入一定深度的砂粒6内，水流短距离强力冲击，使砂粒6悬浮在水中，砂粒6间的阻碍及摩擦减小，重力及排水流出的携带力作用下，砂粒6按照顺序沉积，水还起到润滑接触砂粒6的作用，减少了砂粒6间因支撑而形成的空隙。模型内的水抽去后，砂锤2的锤头21在振荡器的作用下，反复夯击仍保持一定湿度的砂粒6，使空隙减少、颗粒间更加紧密。这一过程反复多次进行后，可获得中渗渗透率标准的填充效果。

2.测试仪器及工作原理

(1)仪器结构

实施液压撼砂的系统见图16，核心装置为模型管7内的带喷液口31的砂锤2的锤头21系统和振荡器，辅助装置为模型支撑平台5、真空泵42以及注液泵33等。

①连接喷液口31的砂锤2

连接喷液口31的锤头见图17，由喷液口31、砂锤2的锤头21、注液管32和砂锤2的锤头21连管22组成。喷液口31长度在5-10mm范围内较为适宜。砂锤2的锤头21内部有流体通道，使注液管32来水均匀进入喷液口31内。注液管32一段连接砂锤2的锤头21，顶部与注液泵33连接。注液管32应具有一定刚度，振荡器套在其上时，注液管32也起到扶正作用。砂锤2的锤头21上端面与振荡器丝扣连接，保证受力的有效传导。

②振荡器

振荡器包括与砂锤2的锤头21接触并连接的作用面231，高强弹簧232和能量转换器233等。工作时，能量转换器233将能量间歇作用在弹簧232上，弹簧232产生周期性的伸缩，使砂锤2的锤头21产生锤击作用。

(2)参数设计

Horsfield理论中两组分堆积空隙率见表1。液压撼砂法中，不同砂粒6悬浮后受重力影响及抽水作用产生下沉，通常情况下，两组分方法较易实现良好的砂粒6配合。参见表1知，5级粒径的两组分堆积可达14.9％。

表1Horsfield理论的堆积方式及空隙率

(3)工作过程

液压撼砂操作过程如下，将模型管7固定在支撑平台5上，准备好两组分砂粒6，即r1及0.116r1以下两种，比例1:8。

工作过程：

①每次少量填砂

首先在模型底部铺3-5层的较大砂粒6，使模型出入口端面形成良好的渗流环境。每次填砂数量以不多于喷液口31高度的一半为宜(第一次除外，第一次填砂厚度大约为1.5倍的喷液口31高度)

②边注水边振荡压实

注水速度以维持砂粒6恰好悬浮为宜，振荡器工作。喷液口31冲击砂粒6，既起到铲板作用，其喷射的注水也使砂粒6悬浮。之后砂粒6在重力作用及流出水流的挟带作用下沉积，沉积速度与砂粒6粒径相关，这一过程在高频次的作用后满足概率条件，会形成规律性的堆积排列。沉积后砂锤2的锤头21反复锤击砂粒6，使砂粒6间更加紧密。此时，模型出口端，持续抽真空，使模型管7内的水被抽出。水的流出速度与注入速度保持一致。每次填砂后的振荡次数不低于1000次，由振荡器频率可计算出振荡时间。

③再次装填

一次振荡压实操作后，取出喷液口31，再次填砂，并重复步骤②，直至接近模型顶端，改由手工振荡及反复疏松挤压末端的少量砂粒6。

④填好后模型的渗透率测试

填制好的模型，首先用甲醇驱替砂粒6内的剩余水；驱替5PV后，模型升温大于80℃，并用氮气驱替甲醇，在出口端不见液体产出后，静置24小时并降温至常温状态。对处理后的填砂模型进行常规空气渗透率测试。渗透率值可在100～500mD区间内，达到中渗渗透率标准。

从上述描述可知，本发明的实施例提供的所述应用于填砂模型的液压撼砂方法保持了填砂模型易于填制及可视条件较为清晰的优点；液压撼砂方法提高了模型渗透率的填制水平，使渗透率达到中渗渗透率的标准，填制的模型能更真实模拟中渗透以下的岩石孔隙状态；设计的液压撼砂配套工具简单易制作，操作步骤简单高效。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实现方法的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (16)

1.一种液压撼砂装置，其特征在于，包括：

容器，所述容器内形成有容砂腔，所述容器具有与所述容砂腔连通的排液口；

砂锤，所述砂锤具有位于所述容砂腔内的锤头；

喷液管，所述喷液管具有位于所述容砂腔内的喷液口；

其中，所述锤头和所述喷液口与所述容器在竖直方向上可移动配合。

2.根据权利要求1所述的液压撼砂装置，其特征在于，所述砂锤的非锤头部分为一连管，且该连管同轴套设在所述喷液管外壁；

所述喷液管的喷液口垂直穿过所述锤头固定设置在所述锤头的作业面上。

3.根据权利要求2所述的液压撼砂装置，其特征在于，所述喷液管的非喷液口部分为一注液管，且所述喷液管具有多个所述喷液口；

各个所述喷液口分别与所述注液管连通。

4.根据权利要求2所述的液压撼砂装置，其特征在于，所述连管与一振荡器连接，且该振荡器还连接至一振荡控制器。

5.根据权利要求4所述的液压撼砂装置，其特征在于，所述振荡器套设在所述喷液管外侧，所述喷液管靠近所述振荡器的一端连接一注液泵。

6.根据权利要求1所述的液压撼砂装置，其特征在于，所述排液口设置在所述容器底面中心处。

7.一种应用于填砂模型的液压撼砂系统，其特征在于，包括：抽液组件，以及，如权利要求1至6任一项所述的液压撼砂装置；

所述容器为填砂模型的模型管；

所述抽液组件与所述排液口连接。

8.根据权利要求7所述的液压撼砂系统，其特征在于，还包括：顶部设有通孔的支撑平台；

所述模型管固定设置在所述支撑平台上，且所述排液口经所述通孔固定于所述支撑平台内。

9.根据权利要求8所述的液压撼砂系统，其特征在于，所述抽液组件包括：相互连接的密封收集瓶和真空泵；

所述密封收集瓶与所述排液口连接。

10.一种应用于填砂模型的液压撼砂方法，其特征在于，所述液压撼砂方法应用一种液压撼砂装置实现，且该液压撼砂装置包括：填砂模型的模型管、具有锤头的砂锤和具有喷液口的喷液管，所述模型管底部设有排液口，其中，所述砂锤和喷液管与所述模型管在竖直方向上可移动配合，所述液压撼砂方法包括边注液边锤击的步骤：

将所述喷液口插入所述模型管内的砂粒层中，并控制所述喷液管中的液体经该喷液口射入所述砂粒层中，使得液体自该砂粒层内部冲击所述砂粒层中的砂粒；

控制所述砂锤的锤头在所述模型管内重复锤击所述砂粒层，使得所述砂粒层沉积且空隙减小，以及，控制所述液体自所述排液口排出。

11.根据权利要求10所述的液压撼砂方法，其特征在于，还包括停止注液后锤击的步骤：

在所述砂粒层沉积后，停止向所述喷液管输送液体，并继续控制所述砂锤的锤头反复锤击所述砂粒层；

以及，在模型管内的液体全部排出且所述砂锤的锤头锤击所述砂粒层的次数达到预设次数值后，停止锤击所述砂粒层。

12.根据权利要求10所述的液压撼砂方法，其特征在于，在所述将所述喷液口插入所述模型管内的砂粒层中之前，还包括：

判断当前模型管内是否有砂粒层；

若是，则在模型管内铺设由第一砂粒和第二砂粒混合而成的砂粒层，其中，所述第一砂粒的半径大于所述第二砂粒的半径。

13.根据权利要求12所述的液压撼砂方法，其特征在于，还包括：

若当前模型管内没有砂粒层，则在模型管内铺设由第一砂粒组成的砂粒层。

14.根据权利要求11所述的液压撼砂方法，其特征在于，在所述停止锤击所述砂粒层之后，还包括砂粒层高度判断步骤：

判断当前模型管内的砂粒层高度是否高于高度阈值；

若是，则在当前模型管内的砂粒层上铺设由第一砂粒组成的砂粒层。

15.根据权利要求14所述的液压撼砂方法，其特征在于，所述液压撼砂方法还包括：

若当前模型管内的砂粒层高度低于或等于高度阈值，则在当前模型管内的砂粒层上铺设由第一砂粒和第二砂粒混合而成的砂粒层，其中，所述第一砂粒的半径大于所述第二砂粒的半径，并依次执行所述边注液边锤击的步骤和所述停止注液后锤击的步骤；

以及，返回执行所述砂粒层高度判断步骤，直到当前模型管内的砂粒层高度高于高度阈值。

16.根据权利要求12或15所述的液压撼砂方法，其特征在于，所述第一砂粒的半径与第二砂粒的半径比例为8:1。