CN111811995B - 模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟粗糙单‑交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法及系统，试验方法包括如下步骤：S10：现场采集岩体样本，统计裂隙面粗糙度，确定分形特征参数；S20：输出三维粗糙裂隙模型网格文件；S30：制备不同粗糙度的透明或不透明三维粗糙裂隙模型试样；S40：根据单裂隙或交叉裂隙试验对象组装试验装置；S50：模拟在压力差作用下的流体驱替过程，进行粗糙裂隙介质多相驱替试验；S60：采集试验数据；S70：整理，分析粗糙裂隙介质多相渗流特征。本发明能够系统地研究不同粗糙度及开度的裂隙中，多相流体的驱替机理，对于地下水封油库粗糙裂隙岩体水封机理的研究有一定的指导意义。

Description

模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法及系统

技术领域

本发明涉及地下水封洞库技术领域，尤其涉及模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法及系统。

背景技术

地下水封油库是石油存储的最佳方式之一，在其建造与运营过程中，水封可靠性是需要重点关注的对象。地下水封油库大多建造在花岗岩体中，花岗岩体的渗流主要发生在岩体裂隙中。因此，地下水封油库的水封可概化为裂隙介质中水、油和气相互驱替的动态过程。

天然花岗岩裂隙表面具有一定的粗糙度，fBm方法是由Mandelbrot和Ness提出的一种数学模型，可用于描述自然界中的地形等不规则表面。目前，裂隙介质中油水两相渗流的研究主要集中在裂缝性油藏开采方面，重点关注水驱油过程，主要研究裂隙开度和注水压力(注水流速)等对驱油效果的影响。与之不同的是，地下水封油库的水封需要研究两个过程：1)油(或气)驱水过程(水封失效后，油从洞库内部向围岩裂隙中渗流)，2)水驱油(或气)过程(通过水幕系统等提高围岩中的裂隙水压力，将油沿裂隙压回储油洞库内部)。

裂隙岩体两相流可视化试验以平行玻璃板模型最为经典，通过平行板模型可对光滑平直等开度裂隙的渗流特进行分析。此外，在平行玻璃板的内表面黏附小粒径颗粒，分析裂隙面粗糙度对渗流的影响。近些年，随着3D打印技术的发展，可通过透明树脂材料等，打印出与真实裂隙面更为接近的粗糙裂隙面，从而实现两相流体在粗糙裂隙中渗流过程的可视化。

目前，在对地下水封油库的相关研究中，对于裂隙介质渗流领域的试验研究相对较少。中国发明专利申请CN201610574998.5一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法，以及CN201910655846.1利用磁流体模拟可视化裂隙渗流的装置及方法虽然都涉及了对裂隙渗流的可视化模拟，但其研究的并不是介质流体在裂隙中的驱替，更不是多相流体驱替，也未研究粗糙裂隙的获取以及对多相流体驱替过程的影响，关于粗糙度以及裂隙开度对裂隙中多相流体驱替过程影响的研究鲜有涉及，更没有相关的试验装置和试验方法。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法及系统，可以系统地研究不同粗糙度及开度的裂隙中，多相流体的驱替机理，对于地下水封油库粗糙裂隙岩体水封机理的研究有一定的指导意义。

为达成以上目的，本发明采用以下技术方案如下：

本发明首先提供一种模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法，包括如下步骤：

S10：现场采集岩体样本，获取岩体粗糙裂隙面，对粗糙裂隙面进行扫描，统计裂隙面粗糙度，确定分形特征参数；

S20：建立不同分形特征参数的三维粗糙裂隙模型，并输出三维粗糙裂隙模型网格文件；

S30：根据获取的模型网格文件，制备不同粗糙度的透明或不透明三维粗糙裂隙模型试样；

S40：根据单裂隙或交叉裂隙试验对象组装试验装置，将模型试样拼装在模型框架上，并调整裂隙为预定开度，在模型试样的两侧裂隙上安装渗流监测装置，并对两侧裂隙进行密封处理；

S50：自裂隙的两端向裂隙中通入水、油和/或气，通过设置两端不同的流体压力，模拟在压力差作用下的流体驱替过程，进行粗糙裂隙介质多相驱替试验；

S60：采集试验中的多相流体驱替过程的图像，同时记录多相流体驱替过程中裂隙内的流体压力变化；

S70：记录、存储试验数据，并对试验数据进行分析、整理，分析粗糙裂隙介质多相渗流特征。

作为本发明的一个实施例，步骤S10中，通过三轴试验获取岩体粗糙裂隙面，采用超景深仪对粗糙裂隙面进行扫描。

作为本发明的一个实施例，步骤S10中，分形特征参数包括分形指数H和裂隙面起伏高度随机偏移量标准差δ。

作为本发明的一个实施例，步骤S20中，基于蒙特卡洛方法，采用Matlab软件建立三维粗糙裂隙模型，输出三维粗糙裂隙模型的STL网格文件。

作为本发明的一个实施例，步骤S30中，基于3D打印技术制备粗糙裂隙模型试样，模型试样的打印采用树脂材料，以实现试验过程的可视化。

本发明进一步提供一种用于所述的模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法的试验系统，包括：

流体存储装置一，用于存储试验介质流体并能够指示流体压力值；

流体输入装置，连接流体存储装置一和裂隙渗流装置，用于将流体存储装置一中的试验介质流体导入到裂隙渗流装置；

裂隙渗流装置，包括裂隙模型，其内部形成有预定的单裂隙或交叉裂隙，用于模拟多相渗流的流体驱替过程；

图像采集装置，用于采集裂隙渗流装置中多相流体驱替过程图像；

渗流监测装置，用于监测多相流体驱替过程中不同位置处的流体压力大小；

流体输出装置，连接裂隙渗流装置和流体存储装置二，用于将裂隙渗流装置中的试验介质流体导出到流体存储装置二；

流体存储装置二，用于存储试验介质流体并能够指示流体压力值；

数据分析装置，连接图像采集装置和渗流监测装置，记录、存储试验数据，并对试验数据进行分析、整理，分析粗糙裂隙介质多相渗流特征。

作为本发明的一个实施例，所述流体存储装置一和流体存储装置二为存储罐，对于液相介质采用带刻度的透明罐体，对于气相介质采用带有气压计的金属罐体。

作为本发明的一个实施例，所述流体输入装置和流体输出装置包括恒压变频泵和输入/输出管路，恒压变频泵用于将试验介质流体导入/导出到裂隙渗流装置并向裂隙渗流装置中的试验介质流体提供一定大小的压力。

作为本发明的一个实施例，所述裂隙渗流装置还模型框架和密封条，裂隙模型拼装在模型框架上，密封条贴于裂隙模型两侧的裂隙表面以对裂隙进行密封。

作为本发明的一个实施例，对单裂隙模型，其包括上半部透明模型试样和下半部透明模型试样，两块透明模型试样在模型框架上呈上下叠置拼装，上下裂隙面之间形成单裂隙；对于交叉裂隙模型，其包括上半部透明模型试样、下半部透明模型试样、左半部不透明模型试样和右半部不透明模型试样，四块模型试样拼装在模型框架上，裂隙面之间形成交叉裂隙。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供一种模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法及系统，能够系统地研究不同粗糙度及开度的裂隙中，多相流体的驱替机理，对于地下水封油库粗糙裂隙岩体水封机理的研究有一定的指导意义。具体而言，至少具有如下实际效果：

(1)本发明能够模拟粗糙单-交叉裂隙油、水、气多相渗流；

(2)本发明扫描岩体裂隙面，用分形特征参数来表征裂隙面的粗糙度，可以建立具有给定分形特征参数的多块裂隙模型，从而可以人为控制裂隙面的粗糙度，使裂隙面的粗糙度涵盖的范围更广、更全面，能够系统地研究粗糙度对多相流体驱替的影响；

(3)本发明裂隙开度预先设定，且根据试验要求可调整，能够观测其对驱替过程的影响，以系统地研究不同开度的裂隙中，多相流体的驱替机理；

(4)本发明模型试样采用树脂材料打印，模型框架为透明框架，便于实现试验过程的可视化和便于数据采集；

(5)各部分模型试样的巧妙设计，使得观测裂隙中渗流情况时不会发生相互干扰，确保了试验的顺利进行和观测结果的准确性；

(6)通过调整模型底部可变角度支架的夹角，以改变裂隙面的倾角，研究不同裂隙倾角对多相流体驱替的影响。

当然，实施本发明的任一方法或产品并不意味着需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1是本发明一种实施方式的用于模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验流程示意图；

图2是本发明一种实施方式的用于模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验系统示意图；

图3是本发明的单裂隙试验裂隙渗流装置结构示意图；

图4是本发明的交叉裂隙试验裂隙渗流装置结构示意图；

图5是本发明的单-交叉裂隙试验模型框架结构示意图，(a)为三维模型框架结构图，(b)为模型框架结构侧视图，(c)为模型框架结构正视图，(d)为模型框架底部可变角度支架结构图；

图6是本发明的裂隙端口压力槽结构示意图；

图7是本发明的粗糙裂隙面三维数值模型图，(a)为粗糙表面起伏高度云图，(b)为三维粗糙裂隙面数值模型。

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但不构成对本发明的限定。图中各个标号的含义为：

Ⅰ—流体存储装置，Ⅱ—恒压变频泵，Ⅲ—输入/输出管路，Ⅳ—图像采集装置，Ⅴ—裂隙渗流装置，Ⅵ—渗流监测装置，Ⅶ—数据分析装置，1—CDD相机，2—透明模型试样，3—不透明模型试样，4—裂隙端口压力槽，5—连接管路，6—密封条，7—裂隙面，8—裂隙开度，9—压力传感器，10—裂隙交叉口，11—裂隙模型，12—模型框架，13—可伸缩立杆，14—可变角度支架，15—转轴，16—管路通孔。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”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产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明首先提供一种模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法，包括如下步骤：

S10：现场采集岩体样本，获取岩体粗糙裂隙面，对粗糙裂隙面进行扫描，统计裂隙面粗糙度，确定分形特征参数；

其中，本实施例通过三轴试验获取岩体粗糙裂隙面，采用超景深仪对粗糙裂隙面进行扫描，统计裂隙面粗糙度，确定分形特征参数。

进一步地，本实施例中所提及的分形特征参数包括分形指数H和裂隙面起伏高度随机偏移量标准差δ。

本实施例中，分形指数H取值为0.5、0.7和0.9，裂隙面起伏高度随机偏移量标准差δ的取值为1mm、3mm和5mm。

以往模型试验中模拟裂隙通常用光滑玻璃板，裂隙面为平直的，未考虑裂隙面粗糙度对渗流的影响。另外，由于天然裂隙面是具有粗糙度的，本发明首先扫描岩体裂隙面，并用分形特征参数来表征裂隙面的粗糙度，分形特征参数可以在岩体粗糙度范围内人为设定粗糙度大小，通过建立具有不同分形特征参数的多块裂隙模型，也就是说通过人为设定分形特征参数，建立具有给定分形特征参数的多块裂隙模型，进行多次模拟试验，从而可以人为控制裂隙面的粗糙度，使裂隙面的粗糙度涵盖的范围更广、更全面，能够系统地研究粗糙度对多相流体驱替的影响。相对而言，如果直接将扫描的裂隙面建立数值模型，则无法人为控制粗糙度，将使得试验的应用对象和范围大为受限。

S20：建立不同分形特征参数的三维粗糙裂隙模型，并输出三维粗糙裂隙模型网格文件；

本实施例中，根据给定的裂隙面分形特征参数H和δ，基于蒙特卡洛方法，采用Matlab软件建立三维粗糙裂隙模型，输出三维粗糙裂隙模型的STL网格文件。如图7所示，(a)为粗糙表面起伏高度云图，(b)为三维粗糙裂隙面数值模型。

本实施例中，三维裂隙面的建立采用随机中点位移法。为使模型具有足够的精度，将随机中点位移法递归8次，生成128×128的网格。根据该网格节点位移量数据，通过线性插值方法，生成三维粗糙裂隙面。

S30：根据获取的模型网格文件，制备不同粗糙度的透明或不透明三维粗糙裂隙模型试样；

本实施例中，基于3D打印技术制备不同粗糙度的粗糙裂隙模型试样。

本实施例中，为实现试验过程的可视化，模型试样的打印采用透明树脂材料。

S40：根据单裂隙或交叉裂隙试验对象组装试验装置，将模型试样拼装在模型框架上，并调整裂隙为预定开度，在模型试样的两侧裂隙上安装渗流监测装置，并对两侧裂隙进行密封处理；

本实施例中，模型框架为透明框架，以防止后面图像采集时遮挡拍摄路线，便于实现试验过程的可视化。

由于裂隙开度通常较小，本实施例中以花岗岩体裂隙为例，裂隙开度8设置为0.01mm～0.5mm，为了在试验中便于控制和调节裂隙开度，参见图5，本实施例的模型框架12由上框架和下框架构成，上、下框架之间通过可伸缩立杆13实现模型框架在高度上的自由调节，组装时先将打印好的裂隙模型试样固定在上、下框架上，并通过3D打印技术预制不同厚度的薄片，调整裂隙开度时，将不同厚度的薄片置于上下裂隙面之间，然后通过调整可伸缩立杆13改变上下裂隙面之间的距离，将裂隙开度调整为预定开度。

为了揭示裂隙粗糙度对多相流体驱替特征的影响，需要剔除其他因素的影响，仅设置粗糙度一个变量，本实施例中的粗糙裂隙优选设计为等开度，即上下两个裂隙面可以完全贴合，裂隙开度8在裂隙的各个位置上相等。

需要说明的是，本发明中裂隙开度是试验的一个变量，试验开始前预先给定，即前文中所述的调整裂隙为预定开度，在试验中需要改变，即分别给定不同的裂隙开度观测其对驱替过程的影响，以系统地研究不同开度的裂隙中，多相流体的驱替机理。

本实施例中，渗流监测装置为压力传感器9，其贴在密封条6内侧，待裂隙预定开度调整完成后，将密封条6贴在两侧裂隙的相应位置，如图3、图4所示。

S50：自裂隙的两端向裂隙中通入水、油和/或气，通过设置两端不同的流体压力，模拟在压力差作用下的流体驱替过程，进行粗糙裂隙介质多相驱替试验；

本实施例中，分别改变所通入的流体类型以及设置不同流体介质压力，以模拟在压力差作用下的驱替过程，关于海水介质的模拟中，通过设置潮汐波动水位对应的水压力值以达到模拟海水入侵的试验目的。

具体而言，对于单裂隙多相渗流，如图3、图5所示，本实施例中，根据获取的模型网格文件，制备不同粗糙度的两块透明模型试样2；然后将两块透明模型试样在模型框架12上呈上下叠置拼装形成裂隙模型11，上下裂隙面7之间形成具有预定裂隙开度8的单裂隙；试验时自裂隙的第一端(例如图3的左端)向裂隙中通入水、油和气的一种，第二端(例如图3的右端)通入水、油和气的另一种，如图3所示，流体分别从两端的连接管路5、裂隙端口压力槽4通入裂隙中，通过设置两端不同的流体压力，模拟在压力差作用下的流体驱替过程，例如自裂隙的左端通入油，右端通入水，观测不同压力条件下的油和水在粗糙裂隙中的相互驱替过程；更换两端所通入的流体，并调整相应的试验参数，重复模拟在压力差作用下的流体驱替过程，进行粗糙裂隙介质多相驱替试验。

对于交叉裂隙多相渗流，如图4、图5所示，本实施例中，根据获取的模型网格文件，制备不同粗糙度的四块模型试样，其中上下两块为透明模型试样2，左右两块为不透明模型试样3；两块透明模型试样2在模型框架12上呈上下叠置拼装形成裂隙模型11，两块不透明模型试样3拼装在两端并位于两块透明模型试样2之间，四块模型试样的裂隙面7之间形成具有预定裂隙开度8的交叉裂隙；试验时自裂隙的第一端分别向两条裂隙中通入水、油和气的一种，第二端分别向两条裂隙中通入水、油和气的不同于第一端的一种或两种，如图4所示，流体分别从两端的连接管路5、裂隙端口压力槽4通入裂隙中，通过设置两端不同的流体压力，模拟在压力差作用下的流体驱替过程，例如自裂隙的左端分别向交叉裂隙的两条裂隙中都通入油，右端分别向交叉裂隙的两条裂隙中都通入水，或右端分别向交叉裂隙的两条裂隙中通入水和气，观测不同压力条件下的油、水、气在粗糙裂隙中的相互驱替过程，主要研究流体在裂隙交叉口10处的渗流分配机理，即高压力流体会流向哪里，在裂隙交叉口如何进行流量分配，进行粗糙裂隙介质多相驱替试验。

S60：采集试验中的多相流体驱替过程的图像，同时记录多相流体驱替过程中裂隙内的流体压力变化；

本实施例中，采用CCD相机1对试验过程进行拍照记录，通过压力传感器9记录多相流体驱替过程中裂隙内的流体压力变化。

S70：记录、存储试验数据，并对试验数据进行分析、整理，分析粗糙裂隙介质多相渗流特征。

本实施例中，采用计算机完成对数据的整理和分析。

继续参见图2-图6，本发明还涉及一种模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验系统，包括：

流体存储装置Ⅰ，包括流体存储装置一、流体存储装置二，用于存储试验介质流体并能够指示流体压力值；本实施例中，流体存储装置一和流体存储装置二为存储罐，对于液相介质采用带刻度的透明罐体，对于气相介质采用带有气压计的金属罐体。存储罐的设计压力根据试验流体压力大小进行设置，本实施例中，根据地下水封油库工程经验，气体的驱替根据工程情况选用氮气，气相压力为0.2MPa，液相压力一般在10MPa以内。

流体输入装置，连接流体存储装置一和裂隙渗流装置，用于将流体存储装置一中的试验介质流体导入到裂隙渗流装置；

流体输出装置，连接裂隙渗流装置和流体存储装置二，用于将裂隙渗流装置中的试验介质流体导出到流体存储装置二；

本实施例中，流体输入装置和流体输出装置包括恒压变频泵Ⅱ和输入/输出管路Ⅲ，恒压变频泵用于将试验介质流体导入/导出到裂隙渗流装置并向裂隙渗流装置中的试验介质流体提供一定大小的压力，使裂隙中的多相流体在压力差的作用下发生驱替作用。

恒压变频泵Ⅱ设置于流体存储罐和裂隙模型之间，为减少管路的压力损耗，应设置在靠近裂隙模型一侧；输入/输出管路Ⅲ用于连接存储试验流体的存储罐和裂隙模型，为减少流体阻力以降低压力损耗，采用比表面积较小的圆柱形管路。

裂隙渗流装置Ⅴ，包括裂隙模型11，其上形成有预定的单裂隙或交叉裂隙，用于模拟多相渗流的流体驱替过程；

本实施例中，裂隙渗流装置还具有模型框架12和密封条6，裂隙模型11拼装在模型框架12内，密封条6贴于裂隙模型两侧的裂隙表面以对裂隙进行密封，以防止裂隙内流体向外渗漏。

如图3所示，对于单裂隙模型，模型两端各有一个连接管路5，其中一个作为输入端，另一个作为输出端，或者两个均作为输入端，且输入输出可以对调，裂隙中流体渗流的流向可逆，如图1所示。

单裂隙模型包括上半部透明模型试样2和下半部透明模型试样2，两块透明模型试样在模型框架12上呈上下叠置拼装，上下裂隙面7之间形成单裂隙；通过设计上下半部模型试样为透明模型试样，图像采集装置Ⅳ即CCD相机1从模型正上方或正下方能够清晰地观测到裂隙中的渗流情况。

如图4所示，对于交叉裂隙模型，模型两端各有两个连接管路5，其中一端的两个作为输入端，另一端的两个作为输出端，或者两端均作为输入端，且输入输出可以对调，裂隙中流体渗流的流向可逆，如图1所示。

交叉裂隙模型包括上半部透明模型试样2、下半部透明模型试样2、左半部不透明模型试样3和右半部不透明模型试样3，四块模型试样拼装在模型框架上，裂隙面之间形成交叉裂隙，交叉裂隙在交叉点形成裂隙交叉口10。通过设计上下半部模型试样为透明模型试样，图像采集装置Ⅳ即上下两个CCD相机1从模型正上方和正下方能够清晰地观测到裂隙中的渗流情况；由于是交叉裂隙，单看左侧或右侧，同一侧有上下两条裂隙，如果两端是透明的，同一侧两条裂隙将形成干扰，因此通过设计左右半部模型试样为不透明模型试样，使得交叉裂隙的上下两个裂隙不会形成干扰，模型正上方的CCD相机1只能够观测到上方的裂隙，模型正下方的CCD相机1只能够观测到下方的裂隙，确保试验的顺利进行。

本实施例中，模型框架12为透明的长方体框架，长方体框架的连杆采用直角截面连杆，便于卡装裂隙模型11，透明框架以防止后面图像采集时遮挡拍摄路线，便于实现试验过程的可视化。模型框架12高度通过可伸缩立杆13实现模型框架在高度上的自由调节，模型试样拼装在长方体框架内。

本实施例中，长方体框架的底部设置有可变角度支架14，可变角度支架14的一端以转轴15为铰点，能够转动抬升长方体框架，以调整裂隙的倾角，从而研究裂隙倾角对多相流体驱替过程的影响。

如图5所示，本实施例中，采用树脂材料3D打印机打印裂隙模型，模型侧面的尺寸高度为100mm，长度为160mm，单裂隙模型上、下半部透明模型试样厚度均设置为50mm，交叉裂隙模型各部分厚度根据裂隙交叉角度进行设计，模型整体厚度为100mm+裂隙开度。模型框架根据裂隙模型大小进行设计，上、下透明材料框架横截面设计为直角形，长度设置为160mm，宽度设置为100mm，底部可变角度支架大小设计为100mm×160mm，与模型框架的尺寸一致，可旋转角度为0-90°。密封条6长度为裂隙模型长度160mm，宽度根据裂隙两侧暴露面积灵活选取。

参见图3、图4、图6，本实施例中，裂隙渗流装置Ⅴ还包括两个裂隙端口压力槽4，其为U型槽，U型槽的开口端扣合在裂隙模型11两端的裂隙面，U型槽的底面设置有管路通孔16，用于连接流体输入装置、流体输出装置。

图像采集装置Ⅳ，用于采集裂隙渗流装置中多相流体驱替过程图像；

本实施例中，图像采集装置Ⅳ采用CCD相机1，对于单裂隙模型仅在模型正上方安装一台CCD相机，对于交叉裂隙模型在模型正上方和正下方各设置一台CCD相机。

渗流监测装置Ⅵ，用于监测多相流体驱替过程中不同位置处的流体压力大小；

本实施例中，渗流监测装置Ⅵ采用压力传感器9，贴于裂隙模型11两侧的密封条6内侧。

数据分析装置Ⅶ，连接图像采集装置Ⅳ和渗流监测装置Ⅵ，记录、存储试验数据，并对试验数据进行分析、整理，分析粗糙裂隙介质多相渗流特征。

本实施例中，数据分析装置Ⅶ采用计算机完成对数据的整理和分析。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (17)

1.模拟粗糙交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法，其特征在于包括如下步骤：

S10：现场采集岩体样本，获取岩体粗糙裂隙面，对粗糙裂隙面进行扫描，统计裂隙面粗糙度，确定分形特征参数，分形特征参数表征裂隙面粗糙度；

S20：设定分形特征参数，建立不同分形特征参数的三维粗糙裂隙模型，并输出三维粗糙裂隙模型网格文件；

S30：根据获取的模型网格文件，制备不同粗糙度的四块模型试样，其中上下两块为透明模型试样，左右两块为不透明模型试样；

S40：根据交叉裂隙试验对象组装试验装置，将模型试样拼装在模型框架上，并调整裂隙为预定开度，在模型试样的两侧裂隙上安装渗流监测装置，并对两侧裂隙进行密封处理；两块透明模型试样在模型框架上呈上下叠置拼装，两块不透明模型试样拼装在两端并位于两块透明模型试样之间，四块模型试样的裂隙面之间形成具有预定开度的交叉裂隙，模型框架为透明的长方体框架，模型试样拼装在长方体框架内，长方体框架由上框架和下框架构成，上、下框架之间通过可伸缩立杆实现模型框架在高度上的自由调节，长方体框架的底部设置有可变角度支架，可变角度支架的一端以转轴为铰点，能够转动抬升框架；

S50：自裂隙的第一端分别向两条裂隙中通入水、油和气的一种，第二端分别向两条裂隙中通入水、油和气的不同于第一端的一种或两种，通过设置两端不同的流体压力，模拟在压力差作用下的流体驱替过程，进行粗糙裂隙介质多相驱替试验；

S60：采集试验中的多相流体驱替过程的图像，同时记录多相流体驱替过程中裂隙内的流体压力变化；

S70：记录、存储试验数据，并对试验数据进行分析、整理，分析粗糙裂隙介质多相渗流特征。

2.根据权利要求1所述的模拟粗糙交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法，其特征在于，步骤S10中，通过三轴试验获取岩体粗糙裂隙面，采用超景深仪对粗糙裂隙面进行扫描。

3.根据权利要求2所述的模拟粗糙交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法，其特征在于，步骤S10中，分形特征参数包括分形指数H和裂隙面起伏高度随机偏移量标准差δ。

4.根据权利要求1所述的模拟粗糙交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法，其特征在于，步骤S20中，基于蒙特卡洛方法，采用Matlab软件建立三维粗糙裂隙模型，输出三维粗糙裂隙模型的STL网格文件。

5.根据权利要求1所述的模拟粗糙交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法，其特征在于，步骤S30中，基于3D打印技术制备粗糙裂隙模型试样，模型试样的打印采用树脂材料，以实现试验过程的可视化。

6.根据权利要求5所述的模拟粗糙交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法，其特征在于，步骤S40具体为，组装时首先通过3D打印技术预制不同厚度的薄片，调整裂隙开度时，将不同厚度的薄片置于上下裂隙面之间，然后通过调整可伸缩立杆改变上下裂隙面之间的距离，将裂隙开度调整为预定开度。

7.根据权利要求6所述的模拟粗糙交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法，其特征在于，步骤S40中，裂隙的预定开度设置为0.01mm-0.5mm。

8.根据权利要求6所述的模拟粗糙交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法，其特征在于，步骤S40中，所述渗流监测装置为压力传感器，其贴在密封条内侧，待裂隙预定开度调整完成后，将密封条贴在两侧裂隙的相应位置。

9.用于权利要求1-8任一项所述的模拟粗糙交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法的试验系统，其特征在于包括：

流体存储装置一，用于存储试验介质流体并能够指示流体压力值；

流体输入装置，连接流体存储装置一和裂隙渗流装置，用于将流体存储装置一中的试验介质流体导入到裂隙渗流装置；

裂隙渗流装置，包括裂隙模型，其内部形成有预定的交叉裂隙，用于模拟多相渗流的流体驱替过程；

图像采集装置，用于采集裂隙渗流装置中多相流体驱替过程图像；

渗流监测装置，用于监测多相流体驱替过程中不同位置处的流体压力大小；

流体输出装置，连接裂隙渗流装置和流体存储装置二，用于将裂隙渗流装置中的试验介质流体导出到流体存储装置二；

流体存储装置二，用于存储试验介质流体并能够指示流体压力值；

数据分析装置，连接图像采集装置和渗流监测装置，记录、存储试验数据，并对试验数据进行分析、整理，分析粗糙裂隙介质多相渗流特征。

10.根据权利要求9所述的试验系统，其特征在于，所述流体存储装置一和流体存储装置二为存储罐，对于液相介质采用带刻度的透明罐体，对于气相介质采用带有气压计的金属罐体。

11.根据权利要求9所述的试验系统，其特征在于，所述流体输入装置和流体输出装置包括恒压变频泵和输入/输出管路，恒压变频泵用于将试验介质流体导入/导出到裂隙渗流装置并向裂隙渗流装置中的试验介质流体提供一定大小的压力。

12.根据权利要求9所述的试验系统，其特征在于，所述裂隙渗流装置还包括模型框架和密封条，裂隙模型拼装在模型框架上，密封条贴于裂隙模型两侧的裂隙表面以对裂隙进行密封。

13.根据权利要求12所述的试验系统，其特征在于，裂隙模型包括上半部透明模型试样、下半部透明模型试样、左半部不透明模型试样和右半部不透明模型试样，四块模型试样拼装在模型框架上，裂隙面之间形成交叉裂隙。

14.根据权利要求13所述的试验系统，其特征在于，长方体框架的连杆采用直角截面连杆。

15.根据权利要求12所述的试验系统，其特征在于，所述裂隙渗流装置还包括两个裂隙端口压力槽，其为U型槽，U型槽的开口端扣合在裂隙模型两端的裂隙面，U型槽的底面设置有管路通孔用于连接流体输入装置、流体输出装置。

16.根据权利要求9所述的试验系统，其特征在于，所述图像采集装置采用CCD相机，在裂隙模型正上方和正下方各设置一台CCD相机。

17.根据权利要求12所述的试验系统，其特征在于，所述渗流监测装置采用压力传感器，贴于裂隙模型两侧的密封条内侧。

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