CN109296362A - 旋转填砂装置、应用于填砂模型的旋转填砂系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种旋转填砂装置、应用于填砂模型的旋转填砂系统及方法，旋转填砂装置包括：具有转轴的旋转平台、安装在所述旋转平台上的容器，以及，安装在所述容器上的振荡器；所述容器具有容砂腔，以及与所述容砂腔连通的填砂注水口；其中，在所述转轴转动时，所述容器随所述旋转平台绕所述转轴转动。本发明能够有效控制目标砂层进行离心旋转及振荡处理，进而能够大幅降低砂层的渗透率，使得经离心旋转及振荡处理后的砂层能够模拟真实油藏条件。
Description
技术领域
本发明涉及油田开发技术领域，具体涉及一种旋转填砂装置、应用于填砂模型的旋转填砂系统及方法。
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以震动或压实等处理方式来降低填砂的渗透率，而应用何种装置如何降低填砂的渗透率，已成为了油藏物理模拟实验中的研究课题。
现有的降低砂层的渗透率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，本发明提供一种旋转填砂装置、应用于填砂模型的旋转填砂系统及方法，能够有效控制目标砂层进行离心旋转及振荡处理，进而能够大幅降低砂层的渗透率，使得经离心旋转及振荡处理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，本发明提供一种旋转填砂装置，包括：具有转轴的旋转平台、安装在所述旋转平台上的容器，以及，安装在所述容器上的振荡器；
所述容器具有容砂腔，以及与所述容砂腔连通的填砂注水口；
其中，在所述转轴转动时，所述容器随所述旋转平台绕所述转轴转动。
一实施例中，所述容器的数量为2的整数倍，且所述转轴垂直设置在所述旋转平台的轴中心处；
各个所述容器等距离安装在所述旋转平台上，使得在所述转轴转动时，各个所述容器均随所述旋转平台绕所述转轴转动。
一实施例中，还包括：具有凹槽的固定座，且所述固定座固定设置在所述旋转平台上；
所述容器的底部安装在所述固定座的凹槽内。
一实施例中，所述固定座的凹槽与所述固定座的底部之间、所述凹槽与所述固定座的侧壁之间分别设有弹簧孔；
所述弹簧孔内设有弹簧，且该弹簧的固定端设置在所述弹簧孔内，所述弹簧的自由端朝所述固定座的凹槽所在方向延伸。
一实施例中，所述容器的底部设有排水孔，且所述固定座的外壁设有与所述凹槽连通的出水孔。
一实施例中，还包括：具有凹槽的稳定器，且所述稳定器固定设置在所述转轴上；
所述容器的顶部安装在所述稳定器的凹槽内。
一实施例中，所述稳定器的凹槽与所述稳定器的侧壁之间设有弹簧孔；
所述弹簧孔内设有弹簧，且该弹簧的固定端设置在所述弹簧孔内，所述弹簧的自由端朝所述稳定器的凹槽所在方向延伸。
一实施例中，所述振荡器包括振荡转换器以及连接在该振荡转换器一端的振荡弹簧；
所述振荡转换器及振荡弹簧均套设在所述容器上；
所述振荡弹簧的远离所述振荡转换器的一端安装在所述转轴上。
一实施例中，所述转轴上设有沿其竖直方向延伸的滑槽，且所述滑槽内设有至少一个定位点；
所述振荡弹簧的远离所述振荡转换器的一端经所述定位点安装在所述转轴上。
一实施例中，所述振荡弹簧的远离所述振荡转换器的一端固定连接有一连接杆，该连接杆与一调节环固定连接；
所述调节环套设在所述转轴上，且所述调节环上设有与所述定位点配合连接的调节钮。
第二方面，本发明提供一种应用于填砂模型的旋转填砂系统，包括：主控机、同步旋转电路连接器，以及，所述的旋转填砂装置；
所述容器为填砂模型的模型管；
所述同步旋转电路连接器设置在所述转轴的远离所述旋转平台的端面上；
所述主控机经所述同步旋转电路连接器与所述旋转平台电连接。
一实施例中，还包括：具有水管线的注水泵；
所述注水泵与所述主控机通信连接；
所述注水泵的水管线通过一可拆卸式接头与所述模型管的填砂注水口连通。
一实施例中，还包括：稳定基座；
所述稳定基座安装在所述旋转平台底部。
一实施例中，所述同步旋转电路连接器包括同轴交替设置的绝缘环和轴承；
所述轴承的内轴承与所述转轴固定连接，并在所述转轴转动时，随所述转轴转动，所述旋转平台的内电线自所述内轴承的内部与一个内轴承电连接；
所述轴承的外轴承与内轴承之间导电连接，且所述主控机的外电线与一个所述外轴承电连接。
一实施例中，所述振荡器经由一内电线自所述内轴承的内部与一个所述内轴承电连接，并经由与所述外轴承电连接的一外电线连接至一振荡控制器；
其中，所述振荡控制器与所述主控机通信连接。
第三方面，本发明提供一种应用于填砂模型的旋转填砂方法，所述旋转填砂方法应用一种旋转填砂装置实现，该旋转填砂装置包括：具有转轴的旋转平台、安装在所述旋转平台上的填砂模型的模型管，以及，安装在所述模型管上的振荡器，所述模型管具有容砂腔，以及与所述容砂腔连通的填砂注水口，其中，在所述转轴转动时，所述振荡器随所述旋转平台绕所述转轴转动，所述旋转填砂方法包括：
旋转及振荡步骤：控制盛装有砂粒层及水的模型管随所述旋转平台绕所述转轴进行匀速旋转，并在旋转时长满足第一时长后停止旋转，以及，应用所述振荡器控制所述模型进行振荡，并在振荡时长满足第二时长后停止振荡；
以及，重复执行所述旋转及振荡步骤，并在每次重复执行该重复执行旋转及振荡步骤时均改变旋转方向。
一实施例中，在所述旋转及振荡步骤之前，所述旋转填砂方法还包括：
经所述填砂注水口在所述模型管内铺设多层的第一砂粒，形成初始的砂粒层，并加入高于该砂粒层表面的水。
一实施例中，还包括：
经所述填砂注水口在所述模型管内铺设包含有第一砂粒的混合砂粒，在当前砂粒层上形成新的砂粒层，并加入高于砂粒层表面的水；
以及，重复执行旋转及振荡步骤，并在每次重复执行该重复执行旋转及振荡步骤时均改变旋转方向。
一实施例中，所述混合砂粒中包含有五种砂粒，其各种砂粒之间的半径不同；
所述第一砂粒的半径大于所述混合砂粒中其他种类的砂粒的半径。
一实施例中，还包括：
判断当前模型管内的砂粒层高度是否高于高度阈值；
若是，则经所述填砂注水口在所述模型管内铺设由第一砂粒组成的砂粒层，并控制所述模型管内的水排出。
一实施例中，所述混合砂粒中的五种砂粒的半径比例为1：0.414：0.225：0.177：0.116，且半径比例依次为1：0.414：0.225：0.177：0.116的五种砂粒的混合配比依次对应为1:1:1:2:2。
由上述技术方案可知，本发明提供一种旋转填砂装置、应用于填砂模型的旋转填砂系统及方法，其中的旋转填砂装置设有具有转轴的旋转平台、安装在所述旋转平台上的容器，以及，安装在所述容器上的振荡器；所述容器具有容砂腔，以及与所述容砂腔连通的填砂注水口；其中，在所述转轴转动时，所述容器随所述旋转平台绕所述转轴转动，通过具有转轴的旋转平台及安装在所述旋转平台上的容器的设置，能够使得装设在容器内的砂层进行有效及可靠地的离心旋转处理，通过安装在所述容器上的振荡器能够实现对容器内的砂层进行振动处理，同时，所述容器具有容砂腔，以及与所述容砂腔连通的填砂注水口，使得该容器内在能够装设砂粒的同时，还能够盛装水，能够通过水的浸泡作用降低砂粒间的摩擦及排除了气体界面的额外阻力，能够在保持填砂模型优点的基础上，有效并可靠地降低填制的渗透率，使之填砂模型的砂层达到中渗或低渗标准，进而能够有效真实油藏模拟中渗及以下的岩石孔隙状态。
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旋转填砂装置的结构示意图。
图2为本发明装置实施例中的旋转填砂装置的第一种举例结构示意图。
图3为本发明装置实施例中的旋转填砂装置的第二种举例结构示意图。
图4为本发明装置实施例中的包含有四个容器的旋转填砂装置的结构示意图。
图5为本发明装置实施例中的包含有固定座的旋转填砂装置的结构示意图。
图6为本发明装置实施例中的固定座的侧视剖面示意图。
图7为本发明装置实施例中的容器与固定座的排水路线示意图。
图8为本发明装置实施例中的包含有稳定器的旋转填砂装置的结构示意图。
图9为本发明装置实施例中的稳定器的侧视剖面示意图。
图10为本发明装置实施例中的包含有振荡转换器以及振荡弹簧的旋转填砂装置的结构示意图。
图11为本发明装置实施例中的包含有滑槽的旋转填砂装置的结构示意图。
图12为本发明装置实施例中的包含有连接杆和调节环的旋转填砂装置的结构示意图。
图13为本发明系统实施例中的一种应用于填砂模型的旋转填砂系统的结构示意图。
图14为本发明系统实施例中的注水泵、可拆卸式接头及填砂注水口的结构示意图。
图15为本发明系统实施例中的包含有注水泵的应用于填砂模型的旋转填砂系统的结构示意图。
图16为本发明系统实施例中的包含有稳定基座的应用于填砂模型的旋转填砂系统的结构示意图。
图17为本发明系统实施例中的外轴承与内轴承之间的连接结构示意图。
图18为本发明系统实施例中的同步旋转电路连接器的结构示意图。
图19为本发明系统实施例中的包含有振荡控制器应用于填砂模型的旋转填砂系统的结构示意图。
图20为本发明方法实施例中的一种应用于填砂模型的旋转填砂方法的流程示意图。
图21为本发明方法实施例中的包含有步骤001的旋转填砂方法的流程示意图。
图22为本发明方法实施例中的包含有步骤201的旋转填砂方法的流程示意图。
图23为本发明方法实施例中的包含有步骤301和302的旋转填砂方法的流程示意图。
图24为本发明具体应用实例中的旋转填砂过程中的模型管的初始状态示意图。
图25为本发明具体应用实例中的旋转填砂过程中的模型管进行逆时针旋转的状态示意图。
图26为本发明具体应用实例中的旋转填砂过程中的对模型管进行振荡的状态示意图。
图27为本发明具体应用实例中的旋转填砂过程中的模型管停止旋转及振荡后的状态示意图。
图28为本发明具体应用实例中的固定座举例的侧视剖视图。
图29为本发明具体应用实例中的固定座举例的俯视图。
图30为本发明具体应用实例中的稳定器举例的侧视剖视图。
图31为本发明具体应用实例中的稳定器举例的俯视图。
图32为本发明具体应用实例中的同步旋转电路连接器举例的侧视剖视图。
其中，1-旋转平台；11-转轴；111-滑槽；112-定位点；2-容器；21-填砂注水口；22-排水孔；23-模型管；3-振荡器；31-振荡转换器；32-振荡弹簧；33-连接杆；34-调节环；35-调节钮；36-振荡控制器；41-固定座；411-出水孔；42-稳定器；421-注水连通孔；43-凹槽；44-弹簧孔；45-弹簧；46-固定边；47-固定孔；6-主控机；7-同步旋转电路连接器；71-绝缘环；72-轴承；721-内轴承；722-外轴承；73-顶盖；74-中心管；75-连接管；8-注水泵；81-水管线；82-可拆卸式接头；9-稳定基座；101-内电线；102-外电线。
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旋转填砂装置的具体实施方式，参见图1，所述旋转填砂装置具体包括如下内容：
具有转轴11的旋转平台1、安装在所述旋转平台1上的容器2，以及，安装在所述容器2上的振荡器3，所述容器2具有容砂腔，以及与所述容砂腔连通的填砂注水口21，其中，在所述转轴11转动时，所述容器2随所述旋转平台1绕所述转轴11转动。
可以理解的是，所述旋转平台1可以通过伺服电机驱动，实现角度调整自动化。伺服电机连接在转盘的侧边，方便冶具中的气管、电线安装，另外，中空旋转平台1的转盘可以由一套精密交叉滚子轴承72支撑，轴承72中的滚子呈90度交错排列，并且滚子直径略大于轴承72内圈与外圈间的滚道尺寸，使得交叉滚子轴承72的内外圈及滚子之间存在预紧力，由此轴承72支撑的伺服旋转平台1转盘能够承受径向、轴向、倾覆等各种力矩，其刚性是传统轴承72的5倍以上，中空旋转平台1采用单级螺旋齿轮减速方式来增大输出扭矩，齿轮精度等级达5级以下，加之灵活的调隙机构，通过改变两齿轮中心距的方式来控制侧隙，使得中空旋转平台1的空回极小，重复定位精度在5弧秒以下。
在一种举例中，参见图2，所述旋转平台1中的转轴11同轴设置在上述转盘中心处的中空结构中，并与所述转盘固定设置，使得所述旋转平台1与转轴11能够同时转动。以及，为了提高内部砂粒离心旋转的效果，可以将容器2选取为圆柱形容器2，并将该容器2设置在所述旋转平台1的转盘上的任意位置，另外，为了提高旋转时的稳定性，可以在所述旋转平台1的转盘上的、容器2相对于转轴11的轴对称位置上固定设置一与装设有砂粒及水的容器2质量相同的物体，例如砝码等物品。
在另外一种举例中，参见图3，所述旋转平台1中的转轴11同轴设置在上述转盘靠近侧壁处的中空结构中，并与所述转盘固定设置，使得所述旋转平台1与转轴11能够同时转动。该种结构方式更适用于每次单独对一个容器2进行旋转填砂的处理方式。
可以理解的是，所述振荡器3可以为垂直振荡器3，即可垂直振荡,又可倾斜振荡，且倾斜角度可调。倾斜振荡时混合更加充分，效率更高。
另外，所述填砂注水口21的设置，能够通过该填砂注水口21向所述容器2中装设砂粒并注入水，使得该容器2内在能够装设砂粒的同时，还能够盛装水，进而能够通过水的浸泡作用降低砂粒间的摩擦及排除了气体界面的额外阻力。
从上述描述可知，本发明实施例提供的旋转填砂装置，通过具有转轴11的旋转平台1及安装在所述旋转平台1上的容器2的设置，能够使得装设在容器2内的砂层进行有效及可靠地的离心旋转处理，通过安装在所述容器2上的振荡器3能够实现对容器2内的砂层进行振动处理，同时，所述容器2具有容砂腔，以及与所述容砂腔连通的填砂注水口21，使得该容器2内在能够装设砂粒的同时，还能够盛装水，能够通过水的浸泡作用降低砂粒间的摩擦及排除了气体界面的额外阻力，能够在保持填砂模型优点的基础上，有效并可靠地降低填制的渗透率，使之填砂模型的砂层达到中渗或低渗标准，进而能够有效真实油藏模拟中渗及以下的岩石孔隙状态。
在一种具体实施方式中，参见图4，在本发明实施例提供的旋转填砂装置中，所述容器2的数量为2的整数倍，且所述转轴11垂直设置在所述旋转平台1的轴中心处；各个所述容器2等距离安装在所述旋转平台1上，使得在所述转轴11转动时，各个所述容器2均随所述旋转平台1绕所述转轴11转动。
可以理解的是，图4中仅为容器2数量为四的举例，而在具体实际应用中，容器2的数量可以为等距设置的两个、六个及八个等2的整数倍个。另外，在每次进行旋转或振动操作时，各个容器2中的砂粒和水的混合物的质量相同，以提高旋转的稳定性。
从上述描述可知，本发明实施例提供的旋转填砂装置，通过多个容器2的等距设置，能够有效提高填砂效率。
在一种具体实施方式中，参见图5，在本发明实施例提供的旋转填砂装置中，该旋转填砂装置中还设有具有凹槽43的固定座41，且所述固定座41固定设置在所述旋转平台1上；所述容器2的底部安装在所述固定座41的凹槽43内。
可以理解的是，固定座41的设置，能够提高容器2与旋转平台1之间的连接的固定性，并能够提高容器2自所述旋转平台1中拆卸的便捷性。
在上述描述中，参见图6，所述固定座41的凹槽43与所述固定座41的底部之间、所述凹槽43与所述固定座41的侧壁之间分别设有弹簧孔44；所述弹簧孔44内设有弹簧45，且该弹簧45的固定端设置在所述弹簧孔44内，所述弹簧45的自由端朝所述固定座41的凹槽43所在方向延伸。
可以理解的是，为提高固定容器2时的可靠性，在一种举例中，所述凹槽43与所述固定座41的侧壁之间的弹簧孔44中的弹簧45的轴线平行于所述固定座41的底面，所述固定座41的凹槽43与所述固定座41的底部之间的弹簧孔44中的弹簧45的轴线垂直于所述固定座41的底面，使得各个弹簧45的自由端均能够在容器2安装至凹槽43内时，与容器2外壁进行可靠贴合。
在一种具体实施方式中，参见图7，在本发明实施例提供的旋转填砂装置中，所述容器2的底部设有排水孔22，且所述固定座41的外壁设有与所述凹槽43连通的出水孔411。
为了适用于部分填砂作业，需要在旋转填砂后，排出容器2中的水分，因此，需要在容器2的底部设置排水孔22，而为了适应容器2与固定座41之间的连接关系，固定座41的底部也需要设有与所述凹槽43连通的出水孔411，且该出水孔411的位于固定座41外部的部分可以连接至一个排水开关，使得在需要进行排水时，控制排水开关开启，使得容器2内部的水依次经由容器2底部的排水孔22及固定座41的出水孔411排出整个旋转填砂装置。
在一种具体实施方式中，参见图8，在本发明实施例提供的旋转填砂装置中，所述旋转填砂装置中还设有具有凹槽43的稳定器42，且所述稳定器42固定设置在所述转轴11上，所述容器2的顶部安装在所述稳定器42的凹槽43内。
为了进一步提高容器2随着旋转平台1旋转时的可靠性，所述旋转填砂装置中还设有固定设置在所述转轴11上的稳定器42，且为了适用各自不同高度的容器2，所述稳定器42可从转轴11是拆卸下来，并在对应的新的高度位置进行重新安装。
在上述描述中，参见图9，所述稳定器42的凹槽43与所述稳定器42的侧壁之间设有弹簧孔44；所述弹簧孔44内设有弹簧45，且该弹簧45的固定端设置在所述弹簧孔44内，所述弹簧45的自由端朝所述稳定器42的凹槽43所在方向延伸。
在一种举例中，所述稳定器42的凹槽43与所述稳定器42的侧壁之间的弹簧孔44中的弹簧45的轴线平行于所述固定座41的底面，使得各个弹簧45的自由端均能够在容器2安装至稳定器42的凹槽43内时，与容器2外壁进行可靠贴合。
可以理解的是，在需要进行装砂或注水等操作时，可以将所述稳定器42自所述容器2的填砂注水口21处拆卸下来，也可以在稳定器42的顶端设有与所述填砂注水口21连通的通孔，使得砂粒与水均可以通过该通孔被装设或注入该容器2中。另外，为了避免容器2旋转时水从该通孔中洒出，可以在该通孔的最顶端设置一个可开合的盖板。
在一种具体实施方式中，参见图10，在本发明实施例提供的旋转填砂装置中，所述振荡器3中设有振荡转换器31以及连接在该振荡转换器31一端的振荡弹簧32，所述振荡转换器31及振荡弹簧32均套设在所述容器2上，且所述振荡弹簧32的远离所述振荡转换器31的一端安装在所述转轴11上。
为了在上述振荡器3结构的基础上，实现振荡器3与容器2之间位置关系的改变，参见图11，所述转轴11上设有沿其竖直方向延伸的滑槽111，且所述滑槽111内设有至少一个定位点112；所述振荡弹簧32的远离所述振荡转换器31的一端经所述定位点112安装在所述转轴11上。
可以理解的是，参见图12，所述振荡弹簧32的远离所述振荡转换器31的一端固定连接有一连接杆33，该连接杆33与一调节环34固定连接；所述调节环34套设在所述转轴11上，且所述调节环34上设有与所述定位点112配合连接的调节钮35。
在上述描述中，所述定位点112可以为凸起的圆形固定点，所述调节钮35可以为所述调节环34上的通孔，且该通孔能够套设在所述定位点112上。
从上述描述可知，本发明实施例提供的旋转填砂装置，能够在保持填砂模型优点的基础上，有效并可靠地降低填制的渗透率，使之填砂模型的砂层达到中渗或低渗标准，进而能够有效真实油藏模拟中渗及以下的岩石孔隙状态。
本发明的实施例提供一种包含有上述旋转填砂装置的全部内容的应用于填砂模型的旋转填砂系统的具体实施方式，参见图13，所述应用于填砂模型的旋转填砂系统具体包括如下内容：
主控机6、同步旋转电路连接器7，以及，所述的旋转填砂装置；
所述容器2为填砂模型的模型管23，所述同步旋转电路连接器7设置在所述转轴11的远离所述旋转平台1的端面上，所述主控机6经所述同步旋转电路连接器7与所述旋转平台1电连接。
可以理解的是，所述主控机6可以为一中现有的终端设备，所述终端设备可以具有显示功能。具体地，所述终端设备可以包括智能手机、平板电子设备、网络机顶盒、便携式计算机、台式电脑、个人数字助理(PDK)、车载设备、智能穿戴设备等。其中，所述智能穿戴设备可以包括智能眼镜、智能手表、智能手环等。
另外，所述同步旋转电路连接器7因为固定设置在所述转轴11上，因此能够与所述转轴11进行同步旋转，另外，该同步旋转电路连接器7还能够用于连接所述旋转填砂装置内部与外部的电气之间电线。
从上述描述可知，本发明实施例提供的应用于填砂模型的旋转填砂系统，通过具有转轴11的旋转平台1及安装在所述旋转平台1上的填砂模型的模型管23的设置，能够使得装设在模型管23内的砂层进行有效及可靠地的离心旋转处理，通过安装在所述模型管23上的振荡器3能够实现对模型管23内的砂层进行振动处理，同时，所述模型管23具有容砂腔，以及与所述容砂腔连通的填砂注水口21，使得该模型管23内在能够装设砂粒的同时，还能够盛装水，能够通过水的浸泡作用降低砂粒间的摩擦及排除了气体界面的额外阻力，以及通过主控机6及同步旋转电路连接器7的设置，构成了一套完整的填砂模型的试验系统，能够在保持填砂模型优点的基础上，有效并可靠地降低填制的渗透率，使之填砂模型的砂层达到中渗或低渗标准，进而能够有效真实油藏模拟中渗及以下的岩石孔隙状态。
为进一步提高整个旋转填砂系统的自动化程度，实现对模型管23的自动注水，在一种具体实施方式中，参见图14，在本发明实施例提供的应用于填砂模型的旋转填砂系统中，应用于填砂模型的旋转填砂系统中还设有具有水管线81的注水泵8，参见图15，所述注水泵8与所述主控机6通信连接，所述注水泵8的水管线81通过一可拆卸式接头82与所述模型管23的填砂注水口21连通。
为提高整个旋转填砂系统旋转时的稳定性，在一种具体实施方式中，参见图16，在本发明实施例提供的应用于填砂模型的旋转填砂系统中，应用于填砂模型的旋转填砂系统中还设有稳定基座9，所述稳定基座9安装在所述旋转平台1底部。
可以理解的是，所述稳定基座9固定设置在固定台或桌面等试验平台上，所述旋转平台1可以通过轴中心处活动连接的方式，在设置在所述稳定基座9的基础上，相对于所述稳定基座9旋转。
在一种具体实施方式中，参见图17和图18，在本发明实施例提供的应用于填砂模型的旋转填砂系统中，应用于填砂模型的旋转填砂系统中的所述同步旋转电路连接器7包括同轴交替设置的绝缘环71和轴承72，所述轴承72的内轴承721与所述转轴11固定连接，并在所述转轴11转动时，随所述转轴11转动，所述旋转平台1的内电线101自所述内轴承721的内部与一个内轴承721电连接，所述轴承72的外轴承722与内轴承721之间导电连接，且所述主控机6的外电线102与一个所述外轴承722电连接。
可以理解的是，所述外轴承722与内轴承721之间可以通过导电物质进行导电连接，例如图17中所示的金属球等。
为进一步提高整个旋转填砂系统的自动化程度，实现对模型管23的自动振荡控制，在一种具体实施方式中，参见图19，在本发明实施例提供的应用于填砂模型的旋转填砂系统中，应用于填砂模型的旋转填砂系统中的振荡器3经由一内电线101自所述内轴承721的内部与一个所述内轴承721电连接，并经由与所述外轴承722电连接的一外电线102连接至一振荡控制器36，其中，所述振荡控制器36与所述主控机6通信连接。
从上述描述可知，本发明实施例提供的应用于填砂模型的旋转填砂系统，能够在保持填砂模型优点的基础上，有效并可靠地降低填制的渗透率，使之填砂模型的砂层达到中渗或低渗标准，进而能够有效真实油藏模拟中渗及以下的岩石孔隙状态。
本发明的实施例提供一种应用所述旋转填砂装置的全部内容或应用所述应用于填砂模型的旋转填砂系统实现的一种应用于填砂模型的旋转填砂方法的具体实施方式，参见图20，所述应用于填砂模型的旋转填砂方法具体包括如下内容：
旋转及振荡步骤：步骤101：控制盛装有砂粒层及水的模型管23随所述旋转平台1绕所述转轴11进行匀速旋转，并在旋转时长满足第一时长后停止旋转，以及，步骤102：应用所述振荡器3控制所述模型进行振荡，并在振荡时长满足第二时长后停止振荡。
重复执行所述旋转及振荡步骤，并在每次重复执行该重复执行旋转及振荡步骤时均执行步骤103：改变旋转方向。
从上述描述可知，本发明实施例提供的应用于填砂模型的旋转填砂方法，能够使得装设在模型管23内的砂层进行有效及可靠地的离心旋转处理及振动处理，同时，能够通过水的浸泡作用降低砂粒间的摩擦及排除了气体界面的额外阻力，能够在保持填砂模型优点的基础上，有效并可靠地降低填制的渗透率，使之填砂模型的砂层达到中渗或低渗标准，进而能够有效真实油藏模拟中渗及以下的岩石孔隙状态。
在一种具体实施方式中，参见图21，在本发明实施例提供的应用于填砂模型的旋转填砂方法中，在应用于填砂模型的旋转填砂方法中的所述旋转及振荡步骤之前，所述旋转填砂方法还具体包括如下内容：
步骤001：经所述填砂注水口21在所述模型管23内铺设多层的第一砂粒，形成初始的砂粒层，并加入高于该砂粒层表面的水。
即可以在步骤104之前还执行步骤103：判断旋转及振荡步骤的重复次数是否满足预设要求，若否，则执行步骤103。
在一种具体举例中，每次执行旋转及振荡步骤旋转的次数不少于100次，也就是说，所述预设要求即为每次执行旋转及振荡步骤旋转的次数不少于100次。
在一种具体实施方式中，参见图22，在本发明实施例提供的应用于填砂模型的旋转填砂方法中，在应用于填砂模型的旋转填砂方法中的所述旋转及振荡步骤之前，所述旋转填砂方法还具体包括如下内容：
若旋转及振荡步骤的重复次数满足预设要求，则执行步骤201：经所述填砂注水口21在所述模型管23内铺设包含有第一砂粒的混合砂粒，在当前砂粒层上形成新的砂粒层，并加入高于砂粒层表面的水；
以及，重复执行旋转及振荡步骤，并在每次重复执行该重复执行旋转及振荡步骤时均改变旋转方向。
可以理解的是，所述混合砂粒中包含有五种砂粒，其各种砂粒之间的半径不同，所述第一砂粒的半径大于所述混合砂粒中其他种类的砂粒的半径。
其中，所述混合砂粒中的五种砂粒的半径比例为1：0.414：0.225：0.177：0.116，且半径比例依次为1：0.414：0.225：0.177：0.116的五种砂粒的混合配比依次对应为1:1:1:2:2。
在一种具体实施方式中，参见图23，在本发明实施例提供的应用于填砂模型的旋转填砂方法中，在应用于填砂模型的旋转填砂方法中的所述旋转及振荡步骤之前，所述旋转填砂方法还具体包括如下内容：
步骤301：判断当前模型管23内的砂粒层高度是否高于高度阈值；
若是，则执行步骤302；否则，则执行所述步骤201。
步骤302：经所述填砂注水口21在所述模型管23内铺设由第一砂粒组成的砂粒层，并控制所述模型管23内的水排出。
从上述描述可知，本发明实施例提供的应用于填砂模型的旋转填砂方法，能够在保持填砂模型优点的基础上，有效并可靠地降低填制的渗透率，使之填砂模型的砂层达到中渗或低渗标准，进而能够有效真实油藏模拟中渗及以下的岩石孔隙状态。
为进一步地说明本方案，本发明还提供一中应用所述旋转填砂装置或者所述旋转填砂系统来实现应用于填砂模型的旋转填砂方法的具体应用实例，具体内容如下：
1.应用于填砂模型的旋转填砂方法的工作原理
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。
应用水润滑离心的方式进行旋转填砂，是利用现代概率论理论建立起来的，堆积颗粒在微弱有效作用力的持续作用下，在上万次的反复调整下，终将达到所要求的紧密度。在油田开发应用领域，5组分空隙度0.8％的条件下，即可达到低渗渗透率的填制标准。
旋转填砂方法一方面利用高速旋转的离心力对堆积颗粒进行排列顺序的调整，周期性的横向振荡也协助颗粒位置的微弱改变，另一方面水的浸泡作用降低了颗粒间的摩擦及排除了气体界面存在时的额外阻力。水润滑离心法原理参见图24至图27。
参见图24，(a)初始铺一层单一直径砂粒在模型底层，作为端面层。
参见图25，(b)按照比例加入少量的5组分(更多组分)混合砂粒，并加入完全浸没量的水，之后逆时针高速旋转，离心力使砂粒排列顺序改变。
参见图26，(c)停止旋转后，左右震荡模型管23，使砂粒松动，调整位置。
(d)反向旋转，离心力使砂粒排列顺序改变的同时也产生紧密排列的作用。
(e)在反复正向旋转、震荡和反向旋转一定次数(上百乃至上万次)后，底层部分砂粒的排列方式达到设计效果。
重复(b)～(e)，参见图27，即可完成模型整体填砂操作。
该应用于填砂模型的旋转填砂方法在物理模拟实验中已有经验证实，该方法的关键在于旋转速度的匹配和次数设计等。
2.测试仪器及工作原理
(1)仪器结构
应用于填砂模型的旋转填砂系统的结构见图19，其核心装置为旋转平台1，辅助装置为稳定基座9、振荡器3、注水泵8及主控机6等等。
①旋转平台1
要求旋转速度在300r/min以上，负荷能力大于100kg；旋转半径不小于10cm；旋转时平稳。符合此要求的市场化产品较多。
②模型固定部分
底部为模型的固定座41，侧视及剖面图见图28，俯视图见图29。固定座41由固定孔47用螺栓固定在旋转平台1上。填砂模型放置在模型插口空间内，侧向上均匀60°分布弹簧孔44，内置一定刚度的弹簧45，弹簧45对模型有一定的压力，起扶正、稳定模型管23以及减弱振荡时模型管23对旋转平台1横向剪切的作用。底部为垂向弹簧孔44，弹簧45较软，作用是减弱填砂模型振荡时对旋转平台1的振动。底部有出水孔411，与模型相通，所述固定座41底部为用于安装在所述旋转平台1上的固定边46，且所述固定边46上设有能够容纳螺栓的固定孔47，使得所述固定座41可以与所述旋转平台1固定连接。
顶部为模型的稳定器42，侧视及俯视图分别参见图30和图31。其结构与模型的固定座41相似，模型管23顶端放入上盖的插口中，弹簧45结构相同；稳定器42通过连接杆33与转轴11连接，起到固定作用，所述稳定器42设有分别与所述水管线81和模型管23内部连通的注水连通孔421。
③振动部分
振荡器3套在模型管23上，与转轴11连接，位置垂直可调，振荡时产生横向振动。
④管线衔接部分
转轴11固定在旋转平台1中心，两侧对侧安装模型管23，目的是保持旋转平稳。在外侧对称加工有滑槽111，内部有定位点112，用于调节振荡器3调节环34的位置。
参见图32，转轴11顶部是同步旋转电路连接器7。振荡器3的电线经连接器与外部的控制器连接，保证旋转台高速旋转时，电源线等线路的正常工作。其方法是内部电线与导电轴承72内部连接并随旋转台运动，而外侧保持静止的条件下导电，所述同步旋转电路连接器7还设有外部的用于使得绝缘环71和轴承72交替同轴连接的连接管75，连接管75的内部还同轴设有中心管74，且底部设有顶盖73。
(2)参数设计
基于Horsfield理论中的堆积效果，5组分堆积空隙率见表1。水润滑离心法中，5组分砂粒在反复位置调整，在达到一定次数的基础上，紧密程度趋于稳定，并接近理想状态。参见表1知，堆积空隙率可达0.8％。
表1 Horsfield理论的堆积方式及空隙率
| 球序 | 球径 | 空隙率％ |
| 1次球E | r1 | 38 |
| 2次球J | 0.414r1 | 14.4 |
| 3次球K | 0.225r1 | 5.4 |
| 4次球L | 0.177r1 | 2.0 |
| 5次球M | 0.116r1 | 0.8 |
旋转速度的设计，转速越高，离心力越大，在恒定转速300转/min的前提下，模型管23距离旋转中心的半径r是所受离心力的相关参数，设计见表2，实验室条件下，优选10cm半径。
表2离心半径及离心加速度对应关系
(3)工作过程
旋转填砂方法操作过程如下，将模型管23对称安装固定在模型的固定座41上，精准调节固定座41，旋转半径r为10cm，使其在旋转台上对称，并锁紧固定。从模型管23上端套入振荡器3，并将其在模型管23下端锁紧。将模型的稳定器42罩紧模型管23上端，固定。低速测试旋转稳定性，检查有无偏斜，噪音状况等。逐渐加速至设计转速，无异常后停止测试。
准备好5组分砂粒，即r1、0.414r1、0.225r1、0.177r1及0.116r1，比例1:1:1:2:2。干燥条件下，混合均匀。
模型管23内径2.54cm，长度1.5m。
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，使模型出入口端面形成良好的渗流环境。
每次填入5组分混合砂的数量以3cm高度为宜，加水高度高于砂粒顶部3cm左右为宜。注意：两侧模型管23每次的填砂及加水量均应等量，(天平称量，误差不大于0.1g)。
②旋转及振荡
以300转/min的转速旋转，不低于1min。砂粒在强离心力作用下，部分排列发生改变，且砂粒间紧密。
停止旋转，待旋转台完全静止后，打开振荡器3，振荡30s即可。顶部砂粒变疏松，并且发生排列改变。
停止振荡，待模型稳定后，再以300转/min的转速反向旋转，不低于1min。同理，砂粒在强离心力作用下，部分排列发生改变，且砂粒间紧密。
以上操作不少于100次。
③再次装填
再次填砂，上调振荡器3位置，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。
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。这种方法的渗透率值最低可至10mD，达到低渗渗透率标准(<50mD)。操作次数及对应的填充效果见表3。
表3操作次数及对应的填充效果
从上述描述可知，本发明应用实例提供的应用所述旋转填砂装置或者所述旋转填砂系统来实现应用于填砂模型的旋转填砂方法，通过具有转轴11的旋转平台1及安装在所述旋转平台1上的容器2的设置，能够使得装设在容器2内的砂层进行有效及可靠地的离心旋转处理，通过安装在所述容器2上的振荡器3能够实现对容器2内的砂层进行振动处理，同时，所述容器2具有容砂腔，以及与所述容砂腔连通的填砂注水口21，使得该容器2内在能够装设砂粒的同时，还能够盛装水，能够通过水的浸泡作用降低砂粒间的摩擦及排除了气体界面的额外阻力，能够在保持填砂模型优点的基础上，有效并可靠地降低填制的渗透率，使之填砂模型的砂层达到中渗或低渗标准，进而能够有效真实油藏模拟中渗及以下的岩石孔隙状态。也即，旋转填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；旋转填砂方法提高了模型渗透率的填制水平，使渗透率可达到低渗渗透率的标准，填制的模型能更真实模拟中渗、低渗以下的岩石孔隙状态；旋转填砂方法配套工具简单，自动化操作简单高效。
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 (21)
1.一种旋转填砂装置，其特征在于，包括：具有转轴的旋转平台、安装在所述旋转平台上的容器，以及，安装在所述容器上的振荡器；
所述容器具有容砂腔，以及与所述容砂腔连通的填砂注水口；
其中，在所述转轴转动时，所述容器随所述旋转平台绕所述转轴转动。
2.根据权利要求1所述的旋转填砂装置，其特征在于，所述容器的数量为2的整数倍，且所述转轴垂直设置在所述旋转平台的轴中心处；
各个所述容器等距离安装在所述旋转平台上，使得在所述转轴转动时，各个所述容器均随所述旋转平台绕所述转轴转动。
3.根据权利要求1所述的旋转填砂装置，其特征在于，还包括：具有凹槽的固定座，且所述固定座固定设置在所述旋转平台上；
所述容器的底部安装在所述固定座的凹槽内。
4.根据权利要求3所述的旋转填砂装置，其特征在于，所述固定座的凹槽与所述固定座的底部之间、所述凹槽与所述固定座的侧壁之间分别设有弹簧孔；
所述弹簧孔内设有弹簧，且该弹簧的固定端设置在所述弹簧孔内，所述弹簧的自由端朝所述固定座的凹槽所在方向延伸。
5.根据权利要求3所述的旋转填砂装置，其特征在于，所述容器的底部设有排水孔，且所述固定座的外壁设有与所述凹槽连通的出水孔。
6.根据权利要求1所述的旋转填砂装置，其特征在于，还包括：具有凹槽的稳定器，且所述稳定器固定设置在所述转轴上；
所述容器的顶部安装在所述稳定器的凹槽内。
7.根据权利要求6所述的旋转填砂装置，其特征在于，所述稳定器的凹槽与所述稳定器的侧壁之间设有弹簧孔；
所述弹簧孔内设有弹簧，且该弹簧的固定端设置在所述弹簧孔内，所述弹簧的自由端朝所述稳定器的凹槽所在方向延伸。
8.根据权利要求1所述的旋转填砂装置，其特征在于，所述振荡器包括振荡转换器以及连接在该振荡转换器一端的振荡弹簧；
所述振荡转换器及振荡弹簧均套设在所述容器上；
所述振荡弹簧的远离所述振荡转换器的一端安装在所述转轴上。
9.根据权利要求8所述的旋转填砂装置，其特征在于，所述转轴上设有沿其竖直方向延伸的滑槽，且所述滑槽内设有至少一个定位点；
所述振荡弹簧的远离所述振荡转换器的一端经所述定位点安装在所述转轴上。
10.根据权利要求9所述的旋转填砂装置，其特征在于，所述振荡弹簧的远离所述振荡转换器的一端固定连接有一连接杆，该连接杆与一调节环固定连接；
所述调节环套设在所述转轴上，且所述调节环上设有与所述定位点配合连接的调节钮。
11.一种应用于填砂模型的旋转填砂系统，其特征在于，包括：主控机、同步旋转电路连接器，以及，如权利要求1至10任一项所述的旋转填砂装置；
所述容器为填砂模型的模型管；
所述同步旋转电路连接器设置在所述转轴的远离所述旋转平台的端面上；
所述主控机经所述同步旋转电路连接器与所述旋转平台电连接。
12.根据权利要求11所述的旋转填砂系统，其特征在于，还包括：具有水管线的注水泵；
所述注水泵与所述主控机通信连接；
所述注水泵的水管线通过一可拆卸式接头与所述模型管的填砂注水口连通。
13.根据权利要求11所述的旋转填砂系统，其特征在于，还包括：稳定基座；
所述稳定基座安装在所述旋转平台底部。
14.根据权利要求11所述的旋转填砂系统，其特征在于，所述同步旋转电路连接器包括同轴交替设置的绝缘环和轴承；
所述轴承的内轴承与所述转轴固定连接，并在所述转轴转动时，随所述转轴转动，所述旋转平台的内电线自所述内轴承的内部与一个内轴承电连接；
所述轴承的外轴承与内轴承之间导电连接，且所述主控机的外电线与一个所述外轴承电连接。
15.根据权利要求14所述的旋转填砂系统，其特征在于，所述振荡器经由一内电线自所述内轴承的内部与一个所述内轴承电连接，并经由与所述外轴承电连接的一外电线连接至一振荡控制器；
其中，所述振荡控制器与所述主控机通信连接。
16.一种应用于填砂模型的旋转填砂方法，其特征在于，所述旋转填砂方法应用一种旋转填砂装置实现，该旋转填砂装置包括：具有转轴的旋转平台、安装在所述旋转平台上的填砂模型的模型管，以及，安装在所述模型管上的振荡器，所述模型管具有容砂腔，以及与所述容砂腔连通的填砂注水口，其中，在所述转轴转动时，所述振荡器随所述旋转平台绕所述转轴转动，所述旋转填砂方法包括：
旋转及振荡步骤：控制盛装有砂粒层及水的模型管随所述旋转平台绕所述转轴进行匀速旋转，并在旋转时长满足第一时长后停止旋转，以及，应用所述振荡器控制所述模型进行振荡，并在振荡时长满足第二时长后停止振荡；
以及，重复执行所述旋转及振荡步骤，并在每次重复执行该重复执行旋转及振荡步骤时均改变旋转方向。
17.根据权利要求16所述的旋转填砂方法，其特征在于，在所述旋转及振荡步骤之前，所述旋转填砂方法还包括：
经所述填砂注水口在所述模型管内铺设多层的第一砂粒，形成初始的砂粒层，并加入高于该砂粒层表面的水。
18.根据权利要求16所述的旋转填砂方法，其特征在于，还包括：
经所述填砂注水口在所述模型管内铺设包含有第一砂粒的混合砂粒，在当前砂粒层上形成新的砂粒层，并加入高于砂粒层表面的水；
以及，重复执行旋转及振荡步骤，并在每次重复执行该重复执行旋转及振荡步骤时均改变旋转方向。
19.根据权利要求18所述的旋转填砂方法，其特征在于，所述混合砂粒中包含有五种砂粒，其各种砂粒之间的半径不同；
所述第一砂粒的半径大于所述混合砂粒中其他种类的砂粒的半径。
20.根据权利要求16所述的旋转填砂方法，其特征在于，还包括：
判断当前模型管内的砂粒层高度是否高于高度阈值；
若是，则经所述填砂注水口在所述模型管内铺设由第一砂粒组成的砂粒层，并控制所述模型管内的水排出。
21.根据权利要求19所述的旋转填砂方法，其特征在于，所述混合砂粒中的五种砂粒的半径比例为1：0.414：0.225：0.177：0.116，且半径比例依次为1：0.414：0.225：0.177：0.116的五种砂粒的混合配比依次对应为1:1:1:2:2。
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