CN109060475A - 一种制备多样裂缝岩心的装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种制备多样裂缝岩心的装置及其制备方法，其中制备多样裂缝岩心的装置包括材料掺混系统、可变岩心模具系统、第一压力加载系统、岩心胶结系统；可变岩心模具系统由可变角装置、施力装置、组装式可变岩心制作模具组成，可变角装置包括气体管道、活动转盘、四个气驱伸缩杆、减震垫、透明有机玻璃板；组装式可变岩心制作模具、可变角装置、第一压力加载系统共同制作出不同形状大小、不同特征的拼接模块，各个拼接模块通过岩心胶结材料拼合成组合岩心，通过组合岩心划分改变裂缝的数量，通过改变岩心胶结材料以及胶结层的宽度，改变裂缝的特征。本发明制作的岩心的裂缝是多变的，岩心的形状大小以及内部构造多变的，以适应实验的需求。

Description

一种制备多样裂缝岩心的装置及其制备方法

技术领域：

本发明涉及的是石油工程领域中制造人造压裂岩心的装置，具体涉及的是一种制备多样裂缝岩心的装置及其制备方法。

背景技术：

目前，水力压裂技术是石油工程领域应用广泛的增产措施，通过水力压裂技术在储层中形成了较好的油气渗流通道。建立地层与井底的油流通道，进而增加油气产量，达到大幅度增加油气产量的目的。特别是目前注入页岩油气储层、致密砂岩油气储层均通过水平井压裂技术达到了油气高效开发的效果。但是，对于在实际压裂过程中，由于岩石储层裂缝发育特征复杂，裂缝形态各异，种类繁多。人工水力裂缝遇到天然裂缝时，裂缝的扩展路径变化规律，至今难以清晰的描述。为了能够将裂缝扩展规律描述清晰，多数研究者进行室内压裂模拟试验分析。但由于在压裂过程中，获取天然岩心的条件限制，多数是通过一些手段制造人造压裂岩心。在制作天然岩心过程中，存在如下方面的技术难题：（1）通过材料制作天然岩心时需要预先制作天然裂缝，多数实验者通过内部夹杂方法进行岩心制备，在岩心制备过程中预制裂缝形态容易改变或者是压裂中内部夹杂物影响裂缝扩展等，影响实际压裂效果。（2）多数试验岩心是在常规实验条件下制备，缺少地下的应力状态，这与天然裂缝的形成条件存在很大差异性。尽管在后续的压裂过程中模拟了地应力的条件，但仍然与实际压裂工程存在很大差别。上述岩心制备过程中尚未有很好的解决方法。

发明内容：

本发明的目的是提供一种制备多样裂缝岩心的装置，这种制备多样裂缝岩心的装置用于解决在岩心制备过程中预制裂缝形态容易改变或者是压裂中内部夹杂物影响裂缝扩展、进而影响实际压裂效果以及在常规实验条件下制备岩心时由于缺少地下的应力状态，导致与天然裂缝的形成条件存在很大差异性的难题，本发明的另一个目的是提供这种制备多样裂缝岩心的装置制备岩心的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种制备多样裂缝岩心的装置包括材料掺混系统、可变岩心模具系统、第一压力加载系统、岩心胶结系统；材料掺混系统通过材料输送管线连接至可变岩心模具系统，材料输送管线上设置有输送控制阀；可变岩心模具系统由可变角装置、施力装置、组装式可变岩心制作模具组成，组装式可变岩心制作模具包括五个透明有机玻璃板，其中一个透明有机玻璃板为底板，另外四个透明有机玻璃板为拼接板，四个拼接板分别连接杆柱，杆柱连接施力装置，施力装置连接第一压力加载系统，通过施力装置控制四个拼接板在施力装置滑道上滑行移动，将四个拼接板按照立方体岩心形状与底板拼接组装在一起，模具顶端由可变角装置构成，通过改变可变角装置的角度改变和控制裂缝的角度；可变角装置包括气体管道、活动转盘、四个气驱伸缩杆、减震垫、透明有机玻璃板，气体管道连接活动转盘，四个气驱伸缩杆设置于活动转盘下，四个气驱伸缩杆分别通过减震垫与活动平板四边连接；组装式可变岩心制作模具、可变角装置、第一压力加载系统共同制作出不同形状大小、不同特征的拼接模块，各个拼接模块通过岩心胶结材料拼合成组合岩心，通过组合岩心划分改变裂缝的数量，通过改变岩心胶结材料以及胶结层的宽度，改变裂缝的特征；

岩心胶结系统包括胶结室、第二压力加载系统、减震垫，胶结室由固定面板组成，固定面板为透明有机玻璃板，胶结室的顶板及四个壁板均设置有减震垫，各减震垫分别通过气体管道与第二压力加载系统连接；

每个压力加载系统均包括气体存储罐、压力监测装置、气体控制装置、压力控制机组，气体存储罐、压力监测装置分别通过管线连接气体控制装置，气体控制装置通过管线连接压力控制机组。

上述方案中材料掺混系统由原料搅拌机组、传动装置、岩心原料制作池、流量控制阀、原料输送管线、混合材料、传动杆、搅拌器、材料输送管线、输送控制阀组成，岩心原料制作池通过原料输送管线由搅拌池上方伸入到搅拌池内，原料输送管线设置有流量控制阀，搅拌池内设置有搅拌器，搅拌器通过传动杆与原料搅拌机组连接，可通过改变不同的原料制作出不同材质的岩心。

上述方案中气体管道设置于压力施加杆柱与滑动光杆中，压力施加杆柱连接滑动光杆。

上述制备多样裂缝岩心的装置制备岩心的方法：

一、根据需要将制作岩心的材料准备好，然后根据需要将岩心原料放入岩心原料制作池中，启动搅拌机组，缓慢打开流量控制阀，一边搅拌一边将岩心原料输入搅拌池中，将混合材料搅拌均匀；

二、启动第一压力加载系统，观察组装式可变岩心制作模具的各部分，待四个拼接板、活动平板、底板拼接闭合之后，安装楔形固定板形成组装式可变岩心制作模具，确定组装式可变岩心制作模具密封之后，打开输送控制阀，继续搅拌混合材料，使混合材料输送到组装式可变岩心制作模具中，待混合材料充满组装式可变岩心制作模具时，关闭输送控制阀，然后关闭材料掺混系统；

三、待混合材料凝固之后，得到拼接模块，再按照同样的方法制作剩余的拼接模块，并且在相邻两块拼接模块的拼接面均匀添加胶结材料，胶结材料具有不同渗透率不同宽度以及不同特性，将制备的拼接模块组合成一个立方体形状的组合岩心，然后将组合岩心放入胶结室内，调节固定面板使组合岩心固定，然后启动第一压力加载系统，进行胶结，得到组合岩心；

四、将数据导出，轻轻将组合岩心取出。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种制备具有多种裂缝岩心的方法，解决目前试验中缺少具有天然裂缝特征岩心的问题。

2、本发明提供了一种制备多样裂缝的装置，发明一种制备多种符合要求的裂缝岩心模具，从而制造出不同特征的裂缝，解决试验中对裂缝特征不同要求的问题。

3、本发明所提供的模具可根据需求制造出不同体积形状的以及不同裂缝特征岩心，解决传统模具固定模型的问题。

4、本发明可通过改变胶结材料以及胶结特性，制作出孔隙度和渗透率等特征不同的裂缝；还可以根据需要通过改变岩心材料制作出不同矿物含量的岩心，从而解决室内试验的多种需求。

5、本发明可以根据实验和人们需求，制作不同形状不同体积的模具，根据模具可以制作出不同特性和不同宽度的裂缝岩心，所制作出的裂缝是多变的，而且岩心的形状大小以及内部构造也是多变的，甚至通过变换岩心材料可以制作出不同类型的岩心，以便实验的不同需求；同时胶结时可以通过采用不同的胶结材料改变裂缝的渗透率和孔隙度以及裂缝特性，还可以制作出不同材料的岩心。

四、附图说明：

图1是本发明的原理图。

图2是本发明的可变角装置示意图。

图3是本发明中施力装置与组装式可变岩心制作模具关系示意图。

图中，1材料掺混系统， 2原料搅拌机组， 4岩心原料制作池，5流量控制阀，6原料输送管线，7混合材料，8传动杆，9搅拌器，10材料输送管线，11输送控制阀，12滑动光杆，13透明有机玻璃板，14可变角装置，15组装式可变岩心制作模具，16施力装置滑道，17第三压力监测装置，18第二压力加载系统，19第二压力监测装置，20第二气体储存罐，21第二气体控制装置，22气体输送通道，23胶结室，24第一压力加载系统，25第一气体储存罐，26第一压力监测装置，27第一气体控制装置， 29压力控制机组，30压力施加杆柱， 33楔形固定板，34减震垫，35施力装置，36气体管道， 37活动转盘，38气驱伸缩杆，39活动平板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

结合图1、图2、图3所示，这种制备多样裂缝岩心的装置包括材料掺混系统1、可变岩心模具系统、第一压力加载系统24、岩心胶结系统；可以通过制作出不同的模具制作出不同特征不同数目的裂缝以及可以设计出不同孔隙度渗透率的。材料掺混系统1通过材料输送管线10连接至可变岩心模具系统，材料输送管线10上设置有输送控制阀11；可变岩心模具系统由可变角装置14、施力装置35、组装式可变岩心制作模具15组成，组装式可变岩心制作模具15包括五个透明有机玻璃板13，其中一个透明有机玻璃板13为底板，另外四个透明有机玻璃板13为拼接板，四个拼接板分别连接杆柱，杆柱连接施力装置35，施力装置35连接第一压力加载系统24，通过施力装置35控制四个拼接板在施力装置滑道16上滑行移动，将四个拼接板按照立方体岩心形状与底板拼接组装在一起，模具顶端由可变角装置14构成，通过改变可变角装置14的角度改变和控制裂缝的角度。

组装式可变岩心制作模具15由五个透明有机玻璃板13按照立方体岩心形状拼接组成，拼接面可以根据需要进行尺寸调节，根据裂缝需求设计拼接模块，根据每一个拼接模块进行模具调整。可变角装置14中的活动平板39与活动转盘37以及压力施加杆柱30连接，通过第一压力监测装置26显示的数据控制气体输送装置，实时调节角度，使其符合需求，并与五个透明有机玻璃板13组合成密闭模块，组合成一个所需求的模具。

可变角装置14包括气体管道36、活动转盘37、四个气驱伸缩杆38、减震垫34、透明有机玻璃板13，气体管道36设置于压力施加杆柱30与滑动光杆12中，压力施加杆柱30连接滑动光杆12。气体管道36连接活动转盘37，四个气驱伸缩杆38设置于活动转盘37下，四个气驱伸缩杆38分别通过减震垫34与活动平板39四边连接。组装式可变岩心制作模具15、可变角装置14、第一压力加载系统共同制作出不同形状大小、不同特征的拼接模块，各个拼接模块通过岩心胶结材料拼合成组合岩心，通过组合岩心划分改变裂缝的数量，通过改变岩心胶结材料以及胶结层的宽度，改变裂缝的特征。

气体管道36由两个连通活动转盘37的气体通道组成，气体管道36连接压力加载系统，通过气驱使伸缩杆伸缩，活动转盘37是进行实时角度调节的装置，工作时根据监测系统监测数据实时调节第一气体控制装置27，再通过第一压力控制机组对杆柱和活动平板39施压，并且通过气体驱动四个气驱伸缩杆38的伸缩来控制和调节活动平板39角度，使其始终维持在所要求的角度和位置，气驱伸缩杆38与活动平板39是通过减震垫34连接，起到压力缓冲作用。伸缩杆与平板是通过减震垫34连接，起到压力缓冲作用，防止加压过大或突然释放压力时破环岩心，本发明中的减震垫34都有此作用效果。施力装置35通过杆柱与减震垫34和透明有机玻璃板13牢牢连接，并且可以在施力装置滑道16上滑动，并且每一个施力装置35都连接第一压力加载系统24，以及监测系统随时对其监测并由第一压力加载系统24控制施加的压力，对其实时调整及施压，使其满足需求。楔形固定板33是采用硬质橡胶制作，在组合模具闭合后加在闭合边缘处，起到固定和密封模具的作用。透明有机玻璃板13均有减震垫34和连接杆柱与施力装置35连接，提供模具所需的容器。

岩心胶结系统包括胶结室23、第二压力加载系统18、减震垫34，胶结室23由固定面板组成，固定面板为透明有机玻璃板13，胶结室23的顶板及四个壁板均设置有减震垫34，各减震垫34分别通过气体管道36与第二压力加载系统18连接；压力监测系统起到实时监测胶结室23内压力，根据第三压力监测装置17（如图1）监测到的数据，压力加载系统中的第二压力监测装置19（如图1）和第二气体控制装置21做出调整，经气体输送通道22，再通过气体管道36和施力杆柱对减震垫34和透明有机玻璃板13施压，从而控制和实时调节对胶结室23中透明有机玻璃板13的压力大小，使岩心安全胶结而不至于压伤岩心。

每个压力加载系统均包括气体存储罐、压力监测装置、气体控制装置、压力控制机组29，气体存储罐、压力监测装置分别通过管线连接气体控制装置，气体控制装置通过管线连接压力控制机组29。第一压力加载系统、第二压力加载系统18是采用气体通过气泵装置（第一气体储存罐25、第二气体储存罐20）加压实现的；第一压力监测装置26是在模具工作过程中对模具进行实时监测和控制，当发生受力不均发生偏移而不满足制作要求时，此时监测装置监测到之后，对压力控制系统反馈信息，然后调节第一气体控制装置27，从而控制可变角装置14对活动平板39进行调整，使其及时恢复制作要求的位置，或者可以通过调节活动转盘37和气驱伸缩杆38自行调节可变角装置14中活动平板39的位置。

材料掺混系统1由原料搅拌机组2、传动装置、岩心原料制作池4、流量控制阀5、原料输送管线6、混合材料7、传动杆8、搅拌器9、材料输送管线10、输送控制阀11组成，岩心原料制作池4通过原料输送管线6由搅拌池上方伸入到搅拌池内，原料输送管线6设置有流量控制阀5，搅拌池内设置有搅拌器9，搅拌器9通过传动杆8与原料搅拌机组2连接，可通过改变不同的原料制作出不同材质的岩心。原料搅拌机组2为搅拌混合岩心原料所用的搅拌器9通过传动装置和传动杆8提供动力；岩心原料制作池4用来盛放岩心原材料，可以根据需要配制不同的岩心原料，从而制作出不同矿物含量的岩心；流量控制阀5是将岩心原料通过原料输送管线6输送到搅拌池的控制阀门；材料输送管线10是混合均匀的岩心材料的流通管道，并且通过输送控制阀11控制其流通和流量。

这种制备多样裂缝岩心的装置制备岩心的方法：

1、根据需要将制作岩心的材料准备好，然后根据需要将岩心原料放入岩心制备原料池中，启动搅拌机组，缓慢打开流量控制阀5，一边搅拌一边将岩心原料输入混合池中，将混合材料7搅拌均匀。通过管道以及流量控制装置控制岩心材料的流动。

2、将满足需要的数据依次输入监测系统，作为我们的需求条件，然后启动压力加载系统24（附图1）和可变岩心模具系统，观察模具装置，待装置闭合之后，安装楔形固定板33，确定密封之后打开输入控制阀，继续搅拌混合原料，使岩心材料顺利输送到密闭模具中，待岩心材料充满模具时，关闭输送控制阀11，然后关闭整个岩心原料输送系统。

3、待岩心材料凝固之后，在按照同样的方法制作剩余部分岩心模块（确保岩心模块能够拼接成所要求的岩心形状），待凝固之后将两块岩心拼接成一个立方体，并且在两块岩心裂缝处均匀添加胶体（可以添加具有不同渗透率不同宽度以及不同特性的胶体），然后放入胶结室23内，调节固定面板使岩心固定，事先将相关参数输入监测系统，然后启动压力控制系统和胶结室装置，进行胶结，注意观察。

4、实验结束够，将数据导出，轻轻将岩心取出，清洗模具以及相关装置设备。关闭电源。

本发明可以根据需求，制作出不同形状不同体积的模具，根据这套模具可以制作出不同特性和不同宽度的裂缝岩心，所制作出的裂缝是多变的，而且岩心的形状大小也是多变的，甚至通过变换岩心材料可以制作出不同矿物含量的岩心，以便实验的不同需求；同时胶结时可以通过采用不同的胶结材料制备具有不同渗透率和孔隙度以及不同特性的裂缝。上述相关内容均属本发明所涉及技术方法，如有类似均属本发明方案内容。

Claims (4)

1.一种制备多样裂缝岩心的装置，其特征在于：这种制备多样裂缝岩心的装置包括材料掺混系统（1）、可变岩心模具系统、第一压力加载系统（24）、岩心胶结系统；材料掺混系统（1）通过材料输送管线（10）连接至可变岩心模具系统，材料输送管线（10）上设置有输送控制阀（11）；可变岩心模具系统由可变角装置（14）、施力装置（35）、组装式可变岩心制作模具（15）组成，组装式可变岩心制作模具（15）包括五个透明有机玻璃板（13），其中一个透明有机玻璃板（13）为底板，另外四个透明有机玻璃板（13）为拼接板，四个拼接板分别连接杆柱，杆柱连接施力装置（35），施力装置（35）连接第一压力加载系统（24），通过施力装置（35）控制四个拼接板在施力装置滑道（16）上滑行移动，四个拼接板按照立方体岩心形状与底板拼接组装在一起，模具顶端由可变角装置（14）构成，通过改变可变角装置（14）的角度改变和控制裂缝的角度；可变角装置（14）包括气体管道（36）、活动转盘（37）、四个气驱伸缩杆（38）、减震垫（34）、透明有机玻璃板（13），气体管道（36）连接活动转盘（37），四个气驱伸缩杆（38）设置于活动转盘（37）下，四个气驱伸缩杆（38）分别通过减震垫（34）与活动平板（39）四边连接；组装式可变岩心制作模具(15)、可变角装置（14）、压力加载系统共同制作出不同形状大小、不同特征的拼接模块，各个拼接模块通过岩心胶结材料拼合成组合岩心，通过组合岩心划分改变裂缝的数量，通过改变岩心胶结材料以及胶结层的宽度，改变裂缝的特征；

岩心胶结系统包括胶结室（23）、第二压力加载系统（18）、减震垫（34），胶结室（23）由固定面板组成，固定面板为透明有机玻璃板（13），胶结室（23）的顶板及四个壁板均设置有减震垫（34），各减震垫（34）分别通过气体管道（36）与第二压力加载系统（18）连接；

每个压力加载系统均包括气体存储罐、压力监测装置、气体控制装置、压力控制机组（29），气体存储罐、压力监测装置分别通过管线连接气体控制装置，气体控制装置通过管线连接压力控制机组（29）。

2.根据权利要求1所述的制备多样裂缝岩心的装置，其特征在于：所述的材料掺混系统（1）由原料搅拌机组（2）、传动装置、岩心原料制作池（4）、流量控制阀（5）、原料输送管线（6）、混合材料（7）、传动杆（8）、搅拌器（9）、材料输送管线（10）、输送控制阀（11）组成，岩心原料制作池（4）通过原料输送管线（6）由搅拌池上方伸入到搅拌池内，原料输送管线（6）设置有流量控制阀（5），搅拌池内设置有搅拌器（9），搅拌器（9）通过传动杆（8）与原料搅拌机组（2）连接。

3.根据权利要求2所述的制备多样裂缝岩心的装置，其特征在于：所述的气体管道（36）设置于压力施加杆柱（30）与滑动光杆（12）中，压力施加杆柱（30）连接滑动光杆（12）。

4.一种权利要求3所述的制备多样裂缝岩心的装置制备岩心的方法，其特征在于包括如下步骤：

一、根据需要将制作岩心的材料准备好，然后根据需要将岩心原料放入岩心原料制作池（4）中，启动搅拌机组，缓慢打开流量控制阀（5），一边搅拌一边将岩心原料输入搅拌池中，将混合材料（7）搅拌均匀；

二、启动第一压力加载系统（24），观察组装式可变岩心制作模具（15）的各部分，待四个拼接板、活动平板（39）、底板拼接闭合之后，安装楔形固定板（33）形成组装式可变岩心制作模具（15），确定组装式可变岩心制作模具（15）密封之后，打开输送控制阀（11），继续搅拌混合材料（7），使混合材料（7）输送到组装式可变岩心制作模具（15）中，待混合材料（7）充满组装式可变岩心制作模具（15）时，关闭输送控制阀（11），然后关闭材料掺混系统（1）；

三、待混合材料（7）凝固之后，得到拼接模块，再按照同样的方法制作剩余的拼接模块，并且在相邻两块拼接模块的拼接面均匀添加胶结材料，胶结材料具有不同渗透率不同宽度以及不同特性，将制备的拼接模块组合成一个立方体形状的组合岩心，然后将组合岩心放入胶结室（23）内，调节固定面板使组合岩心固定，然后启动第一压力加载系统（24），进行胶结，得到组合岩心；

四、将数据导出，轻轻将组合岩心取出。