CN109883925A - 用于可视化实验的变开度粗糙裂隙及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于可视化实验的变开度粗糙裂隙及其制作方法，该透明粗糙裂隙包括透明的粗糙裂隙上下盘、粗糙裂隙上下盘之间的裂隙空间、两侧上下边缘挡板、具有一定规格厚度的刚性垫片、预留止水空腔等部分。其制备方法如下：采用劈裂方形岩石的方法获取原始粗糙裂隙，并复制得到透明粗糙裂隙上下盘；定制特定尺寸和结构的上下边缘止水挡板；按照从下往上的顺序将两侧上下边缘挡板固定于裂隙上下盘两侧；按需求添加特定厚度的刚性垫片于上下边缘挡板之间，改变裂隙平均开度。该方法操作简单易行、重复性好、精度高，所得岩石粗糙裂隙的平均开度值准确可靠。

Description

用于可视化实验的变开度粗糙裂隙及其制作方法

技术领域

本发明属于岩体渗流与跨尺度多相流驱替-弥散—捕获技术领域，特别适用于跨尺度岩石裂隙考虑节理裂隙平均开度改变、粗糙度影响的实验研究，具体是指一种用于可视化实验的变开度粗糙裂隙及其制作方法。

背景技术

岩石裂(孔)隙中多相流运动过程特征的研究对页岩油(气)开采、CO2地质封存及地下水污染物运移等领域都具有非常重要的意义。粗糙岩石裂隙几何结构与裂隙平均开度有关，因此裂隙平均开度这一参数对于石油开采效率、CO2地质封存量、地下水污染物处理都具有重要影响，但由于实验过程中岩石裂隙劈裂时的边缘效应导致的边缘粗糙特性、裂隙岩石的封闭等特性，目前研究很少涉及岩石裂隙可视化实验，改变透明裂隙粗糙度的研究几乎没有，如何用简单易行的方法从外部直接改变裂隙平均开度，并保证裂隙物模边缘具备稳定封闭的边界条件是一个难题，在现有技术中，公开了一种可改变裂隙开度的高温裂隙渗流模拟装置(申请号201711423221.X)，其构成方法主要是岩块、岩块之间的裂隙，裂隙之间边缘均匀分布陶瓷支撑球，其缺点是由于岩石劈裂时会不可避免地产生破损，因此粗糙裂隙上下盘之间开度空间分布具有不均匀性，通过在裂隙空间添加颗粒无法完全保证将裂隙上下盘之间各处都增大相同的距离，在实际实验设计过程中并不适用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于可视化实验的变开度粗糙裂隙及其制作方法，本方法操作简单易行、重复性好、精度高，所得模型可靠性强。

为实现上述目的，本发明提供的用于可视化实验的变开度粗糙裂隙，其特征在于：包括上下平行布置的粗糙裂隙上盘、粗糙裂隙下盘，所述粗糙裂隙上盘、粗糙裂隙下盘两盘之间设有裂隙空间；所述粗糙裂隙上盘的两侧设有上边缘止水挡板，所述粗糙裂隙下盘的两侧设有下边缘止水挡板；

所述上边缘止水挡板与粗糙裂隙上盘连接处设有楔形的预留止水空腔；所述楔形的预留止水空腔为连接处在上边缘挡板左下角或右下角处进行45°倒角形成；

还包括刚性垫片，所述刚性垫片置于两侧上边缘止水板和下边缘止水挡板之间以准确改变裂隙空间的平均开度；

所述两侧上边缘止水挡板和下边缘止水挡板利用固体胶(甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸1:1混合物)固定于粗糙裂隙上盘和粗糙裂隙下盘的边缘，上边缘止水挡板的厚度a和下边缘止水挡板的厚度b之和等于粗糙裂隙上盘、粗糙裂隙下盘接触时的厚度之和c，即a+b＝c；

所述上边缘止水挡板和下边缘止水挡板均为棱柱状，且a不等于b；固定于粗糙裂隙下盘的下边缘止水挡板的厚度b大于粗糙裂隙下盘的最大厚度H_下max；固定于粗糙裂隙上盘的上边缘止水挡板的厚度a＝c-b。

所述粗糙裂隙上盘、粗糙裂隙下盘均由透明材料利用翻模制作的方法复制原始岩石粗糙裂隙面制得。

本发明还提供了一种用于可视化实验的变开度粗糙裂隙的制作方法，它包括以下步骤:

(1)获取透明的粗糙裂隙上盘、粗糙裂隙下盘：先劈裂方形的原始岩石得到岩石裂隙面，再按照翻模技术的方法利用柔性材料硅胶对原始裂隙面进行复制得到具有平均厚度为1cm的粗糙裂隙上盘、粗糙裂隙下盘；

(2)定制特定尺寸和结构的上边缘止水挡板和下边缘止水挡板：上边缘止水挡板和下边缘止水挡板均为棱柱状，且厚度不同，固定于岩体裂隙下盘的下边缘挡板的厚度b大于粗糙裂隙下盘的最大厚度H_下max；固定于粗糙裂隙上盘的上边缘挡板的厚度a＝c-b，c为裂隙上下盘紧密接触时的厚度；并且上边缘止水挡板在左下角或右下角处进行45°倒角，形成楔形的预留止水空间；

(3)按照从下往上的顺序将两侧上边缘止水挡板和下边缘止水挡板固定于粗糙裂隙上盘和粗糙裂隙下盘两侧：先用固体胶(甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸1:1混合物)将下边缘止水挡板牢固粘结于粗糙裂隙下盘，随后将粗糙裂隙上盘覆盖于岩体裂隙下盘之上，保证粗糙裂隙上盘和粗糙裂隙下盘尽可能接触(由于劈裂时原始岩石裂隙上下盘有损失，因此复制的粗糙裂隙上下盘表面不可能在各个部位均发生接触)；再将上边缘止水挡板固定于岩体裂隙上盘，固定时需做到上边缘止水挡板与下边缘止水挡板紧密贴合；

(4)按厚度梯度为50μm添加厚度分别为50μm—300μm的刚性垫片于上边缘止水挡板和下边缘止水挡板之间，以改变粗糙裂隙的平均开度；添加的刚性垫片要求平整且厚度均匀，同时于楔形的预留止水空腔内注入止水胶防止粗糙裂隙内的实验流体溢出。

上述用于改变平均开度且具有一定规格厚度的刚性垫片；通过添加不同厚度的刚性垫片，可得到具有预期平均开度的粗糙裂隙空间。所述的粗糙裂隙上盘、粗糙裂隙下盘是由透明材料按照翻模技术的方法(“一种透明岩石节理复制品制备方法”专利公布的方法)利用翻模制作的方法复制原始岩石粗糙裂隙面得到，先利用柔性材料硅胶对原始岩石裂隙面进行复制，并制成模具，随后将透明环氧树脂流体倒入硅胶模具中固化，环氧树脂固化脱模后得到透明的岩石粗糙裂隙上盘和下盘；

上述两侧上边缘止水挡板(厚度为a)和下边缘止水挡板(厚度为b)由有机玻璃加工制作，利用高强度固体胶固定于粗糙裂隙上盘和粗糙裂隙下盘的边缘，上下边缘止水挡板厚度之和等于裂隙上下盘和接触时的厚度之和c，即a+b＝c(c为裂隙上下盘紧密接触时的厚度)；所述的上下两侧止水挡板和均为棱柱状，且厚度不同，固定于粗糙裂隙下盘的下边缘挡板的厚度b大于裂隙下盘的最大厚度H_下max；固定于上盘的上边缘挡板的厚度a＝c-b；所述的与上盘连接的两侧上边缘止水挡板在左下角(或右下角)处进行45°倒角，以便形成楔形的预留止水空间；所述的刚性垫片为具有不同厚度规格的平整、厚度均匀的钢垫片，刚性垫片置于两侧上下边缘止水板和之间可以准确改变裂隙空间的平均开度。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：

1、通过在粗糙裂隙上盘和下盘两侧边缘固定特定尺寸的上下边缘挡板，为裂隙空间内的多相流动提供光滑稳定的边界；

2、以上下边缘挡板为支撑，于挡板间放置不同规格厚度的刚性垫片，精确改变了粗糙裂隙的平均开度；

3、将上盘边缘挡板的左下角(或右下角)经过45°倒角处理，形成楔形的预留止水空腔间，以便注入止水胶(中性硅酮密封胶)防止裂隙空间内的流体漏出，防止了实验过程的渗漏隐患。

综上，本发明采用通过在粗糙裂隙上下盘两侧固定具有特定结构的上下边缘挡板，一方面可以实现裂隙空间平均开度的改变；另一方面可以将预留止水空腔注满止水胶来满足控制边界条件。本方法操作简单易行、重复性好、精度高，所得粗糙裂隙的平均开度值准确可靠。

附图说明

图1是本发明结构的正视图。

图2是本发明结构的侧视图。

图3是本发明结构的俯视图。

其中：粗糙裂隙上盘1，粗糙裂隙下盘2，裂隙空间3，预留止水空腔4，上边缘挡板5，下边缘挡板6，刚性垫片7。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

如图所示，本发明的用于可视化实验的变开度粗糙裂隙，包括粗糙裂隙上盘1，粗糙裂隙下盘2，裂隙空间3，预留止水空腔4，上边缘挡板5，下边缘挡板6，刚性垫片7。粗糙裂隙上盘1和粗糙裂隙下盘2闭合时形成裂隙空间3，并为裂隙空间提供光滑稳定的边界条件，该空间内部允许实验流体通过，上边缘挡板5和下边缘挡板6牢固连接于粗糙裂隙上盘1和粗糙裂隙下盘2，通过在固定好的边缘挡板5和6之间添加刚性垫片7来实现裂隙空间3的平均开度在微米级别上的控制；粗糙裂隙上下盘(1和2)、上下边缘挡板(5和6)以及刚性垫片7之间预留出止水空腔4，通过在4中添加止水胶(中性硅酮密封胶)来保证裂隙空间3的流体不从两侧渗透。

A、获取透明粗糙裂隙上盘1和裂隙下盘2：先劈裂方形的原始岩石得到岩石裂隙面，再按照“一种透明岩石节理复制品制备方法”专利提供的方法利用柔性材料对原始裂隙面进行复制得到具有平均厚度约为1cm的透明的粗糙裂隙上盘1和粗糙裂隙下盘2，粗糙裂隙上盘1和粗糙裂隙下盘2的长度为15cm；

B、定制特定尺寸和结构的上下边缘止水挡板(5和6)。两侧上下边缘挡板均为棱柱状，且厚度不同，固定于粗糙裂隙下盘2的下边缘挡板6的厚度b大于粗糙裂隙下盘2的最大厚度H_下max＝1.47cm，故取下边缘挡板6的厚度b＝1.5cm；粗糙裂隙上下盘(1和2)紧密接触时厚度之和为c＝2.2cm；固定于粗糙裂隙上盘1的上边缘挡板5的厚度a＝c-b＝0.7cm，上下边缘挡板的宽度和长度均为1cm(与刚性垫片宽度相同)和15cm(与粗糙裂隙长度相同)，并且上边缘挡板5在左下角(或右下角)处进行45°倒角；

C、按照从下往上的顺序将两侧上下边缘挡板(5和6)固定于裂隙上下盘(1和2)两侧。先用固体胶将下边缘挡板6牢固粘结于粗糙裂隙下盘2，并保证下边缘挡板6固定后的上表面水平，随后将粗糙裂隙上盘1覆盖于粗糙裂隙下盘2之上，保证粗糙裂隙上盘1和粗糙裂隙下盘2尽可能接触(由于劈裂时裂隙上下盘有损失，因此裂隙上下盘表面不可能在各个部位均发生接触)后，再将上边缘挡板5固定于粗糙裂隙上盘1，固定时需做到上边缘挡板5与下边缘挡板6紧密贴合。

D、按需求添加厚度分别为0、50μm、100μm、150μm、200μm、300μm的钢片7于上下边缘挡板(5和6)之间，改变裂隙空间3的平均开度，添加的钢片7要求平整且厚度均匀，同时于预留止水空腔4内注入止水胶(中性硅酮密封胶)来防止粗糙裂隙空间3内的实验流体溢出。制得的粗糙裂隙空间3的平均开度可通过质量法测量，即测量裂隙空间3内部充满甘油(密度为ρ)和未充入任何液体时的质量差m，利用平均开度b＝m/(ρ·s)(s为裂隙空间的水平投影面积)，测得钢片厚度分别为0、50μm、100μm、150μm、200μm、300μm时的裂隙空间3的平均开度b分别为430μm、482μm、533μm、585μm、640μm、740μm，实际结果与预期结果相比误差很小，故该方法具有可行性。

综上，本发明通过在粗糙裂隙上下盘(1和2)固定光滑平整的上下边缘挡板(5和6)来为裂隙空间提供光滑稳定的边界条件，并利用上下边缘挡板(5和6)作为支撑，在边缘挡板的平整面间添加刚性垫片7来改变裂隙空间3的平均开度，最后利用止水胶填满边缘上下挡板与裂隙上下盘之间设计的预留止水空腔4来实现侧翼边界的止水，保证液体可从一端流入，并全部从另一端流出。该方法通过在两侧外加垫片来均匀改变粗糙裂隙平均开度，并巧妙利用边缘挡板提供稳定可靠的边界条件，设计出的预留止水空腔具备良好的止水效果，避免流体从侧翼边界发生渗透。本方法操作简单易行、重复性好、精度高，所得粗糙裂隙物理模型可靠性强。

Claims (3)

1.一种用于可视化实验的变开度粗糙裂隙，其特征在于：包括上下平行布置的粗糙裂隙上盘(1)、粗糙裂隙下盘(2)，所述粗糙裂隙上盘(1)、粗糙裂隙下盘(2)之间设有裂隙空间(3)；所述粗糙裂隙上盘(1)的两侧设有上边缘挡板(5)，所述粗糙裂隙下盘(2)的两侧设有下边缘挡板(6)；

所述上边缘挡板(5)与粗糙裂隙上盘(1)连接处设有三棱柱状的预留止水空腔(4)；所述预留止水空腔(4)为连接处在上边缘挡板(5)左下角或右下角处进行45°倒角形成；

还包括刚性垫片(7)，所述刚性垫片(7)置于两侧上边缘止水板(5)和下边缘止水挡板(6)之间以准确改变裂隙空间(3)的平均开度；

所述两侧上边缘挡板(5)和下边缘挡板(6)利用固体胶固定于粗糙裂隙上盘(1)和粗糙裂隙下盘(2)的边缘，上边缘挡板(5)的厚度a和下边缘挡板(6)的厚度b之和等于粗糙裂隙上盘(1)、岩体裂隙下盘(2)紧密贴合时的厚度之和c，即a+b＝c；

所述上边缘止水挡板(5)和下边缘挡板(6)均为棱柱状，且a不等于b；固定于粗糙裂隙下盘(2)的下边缘挡板(6)的厚度b大于粗糙裂隙下盘(2)的最大厚度H_下max；固定于粗糙裂隙上盘(1)的上边缘挡板(5)的厚度a＝c-b。

2.根据权利要求1所述的用于可视化实验的变开度粗糙裂隙，其特征在于：所述粗糙裂隙上盘(1)、粗糙裂隙下盘(2)均由透明材料利用翻模制作的方法复制原始岩石粗糙裂隙面制得。

3.一种制作如权利要求1所述的用于可视化实验的变开度粗糙裂隙的方法，其特征在于：它包括以下步骤:

(1)获取透明的粗糙裂隙上盘(1)、粗糙裂隙下盘(2)：先劈裂方形的原始岩石得到岩石裂隙面，再按照翻模技术的方法利用柔性材料硅胶对原始裂隙面进行复制得到具有平均厚度为1cm的粗糙裂隙上盘(1)、粗糙裂隙下盘(2)；

(2)定制特定尺寸和结构的上边缘挡板(5)和下边缘挡板(6)：上边缘挡板(5)和下边缘挡板(6)均为棱柱状，且厚度不同，固定于粗糙裂隙下盘(2)的下边缘挡板(6)的厚度b大于裂隙下盘(2)的最大厚度H_下max；固定于粗糙裂隙上盘(1)的上边缘挡板(5)的厚度a＝c-b，c为粗糙裂隙上盘(1)和粗糙裂隙下盘(2)紧密贴合时的厚度；并且上边缘挡板(5)在左下角或右下角处进行45°倒角，形成楔形的预留止水空间(4)；

(3)按照从下往上的顺序将两侧上边缘挡板(5)和下边缘挡板(6)固定于粗糙裂隙上盘(1)和粗糙裂隙下盘(2)两侧：先用固体胶将下边缘挡板(6)牢固粘结于粗糙裂隙下盘(2)，所述固体胶为甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸1:1混合物；随后将粗糙裂隙上盘(1)覆盖于粗糙裂隙下盘(2)之上以促使粗糙裂隙上盘(1)和粗糙裂隙下盘(2)相接触；再将上边缘挡板(5)固定于粗糙裂隙上盘(1)，固定时需做到上边缘挡板(5)与下边缘挡板(6)紧密贴合；

(4)按厚度梯度为50μm添加厚度分别为50μm—300μm的刚性垫片(7)于上边缘止水挡板(5)和下边缘止水挡板(6)之间，以改变裂隙空间(3)平均开度；添加的刚性垫片(7)要求平整且厚度均匀，同时于预留止水空腔(4)内注入止水胶以防止裂隙空间(3)内的实验流体溢出；所述止水胶为中性硅酮密封胶。