CN112432616A - 一种压裂壁面不规则性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压裂壁面的不规则性测试系统，包括三轴移动平台、测距装置、驱动装置、控制器、控制终端以及电源；测距装置安装于三轴移动平台的移动末端上，且朝向待测岩块设置，测距装置用于检测其与待测岩块的压裂壁面之间的距离，驱动装置与三轴移动平台连接，并用于驱动三轴移动平台移动，控制终端通过控制器与驱动装置电连接，并用于控制三轴移动平台的移动速度以及移动步长，控制终端与测距装置电连接，并用于对测距装置检测的距离数据进行数据处理，驱动装置、控制器以及测距装置分别与电源电连接。本发明能够对非常规储层压裂壁面的不规则性进行测试，有利于进一步改进压裂改造的效果。

Description

一种压裂壁面不规则性测试系统

技术领域

本发明涉及压裂壁面测试技术领域，尤其涉及一种压裂壁面的不规则性测试系统。

背景技术

随着我国经济快速增长，对能源的需求量越来越大，我国石油、天然气供求矛盾将长期存在，仅靠常规油气供应将很难满足国民经济发展的需要，发展非常规油气产业成为了解决我国能源安全问题的有效手段。非常规油气是指用传统技术无法获得自然工业产量、需用新技术改善储集层渗透性或流体黏度等才能经济开采的油气资源。大多数非常规储层开采难度大，其空气渗透率甚至低于10nD。由于这些地质特点和结构，使得必须采用储层压裂改造技术，从而达到开采的目的。由于在水力压裂过程中，储层压裂改造的最终效果取决于裂缝内支撑剂的沉降及运移规律影响着的支撑剂支撑裂缝导流能力。因此，研究压裂裂缝内支撑剂沉降及运移规律对未来增加非常规油气藏的产量具有必要性。裂缝壁面不规则性会增加支撑剂与裂缝壁面以及支撑剂颗粒之间的交互作用，从而增强缝内扰动，影响缝内流场，进而影响支撑剂颗粒在裂缝内的水动力学行为。

目前该研究相对匮乏，在压裂设计时对裂缝壁面粗糙度、支撑剂颗粒之间以及其与裂缝壁面之间的交互作用的影响也鲜有考虑。可见，研究一种非常规储层压裂产生的压裂壁面的不规则性测试系统迫在眉睫。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种压裂壁面的不规则性测试系统，用以解决非常规储层压裂壁面测试困难的问题。

本发明提供一种压裂壁面的不规则性测试系统，包括三轴移动平台、测距装置、驱动装置、控制器、控制终端以及电源；

所述测距装置安装于所述三轴移动平台的移动末端上，且朝向待测岩块设置，所述测距装置用于检测其与所述待测岩块的压裂壁面之间的距离，所述驱动装置与所述三轴移动平台连接，并用于驱动所述三轴移动平台移动，所述控制终端通过所述控制器与所述驱动装置电连接，并用于控制所述三轴移动平台的移动速度以及移动步长，所述控制终端与所述测距装置电连接，并用于对所述测距装置检测的距离数据进行数据处理，所述驱动装置、控制器以及测距装置分别与所述电源电连接。

进一步的，所述三轴移动平台包括三个方向的移动单元，三个方向的移动单元分别为X轴移动单元、Y轴移动单元以及Z轴移动单元；

所述Y轴移动单元安装于所述X轴移动单元上，所述Z轴移动单元安装于所述Y轴移动单元上，所述测距装置安装于所述Z轴移动单元上，所述驱动装置分别与所述X轴移动单元、Y轴移动单元以及Z轴移动单元连接。

进一步的，所述X轴移动单元包括X轴丝杆、X轴滑块、X轴引导条以及X轴引向导轨；

所述X轴丝杆的两端分别与所述X轴引向导轨的两端固定连接，所述X轴滑块上开设有与所述X轴丝杆相匹配的螺纹孔，所述X轴滑块通过螺纹孔穿设于所述X轴丝杆上，所述X轴引导条沿所述X轴引向导轨长度方向安装于所述X轴引向导轨上，所述X轴滑块与所述X轴引导条滑动连接；

所述Y轴引向导轨固定与所述X轴滑块上，所述Y轴丝杆的两端分别与所述Y轴引向导轨的两端固定连接，所述Y轴滑块上开设有与所述Y轴丝杆相匹配的螺纹孔，所述Y轴滑块通过螺纹孔穿设于所述Y轴丝杆上，所述Y轴引导条沿所述Y轴引向导轨长度方向安装于所述Y轴引向导轨上，所述Y轴滑块与所述Y轴引导条滑动连接；

所述Z轴引向导轨固定与所述Y轴滑块上，所述Z轴丝杆的两端分别与所述Z轴引向导轨的两端固定连接，所述Z轴滑块上开设有与所述Z轴丝杆相匹配的螺纹孔，所述Z轴滑块通过螺纹孔穿设于所述Z轴丝杆上，所述Z轴引导条沿所述Z轴引向导轨长度方向安装于所述Z轴引向导轨上，所述Z轴滑块与所述Z轴引导条滑动连接；所述测距装置安装于所述Z轴滑块上。

进一步的，所述驱动装置包括多个驱动单元，所述驱动单元的数量与所述移动单元的总数量相等且一一对应连接；

所述驱动单元包括步进电机以及驱动器，所述步进电机与相应的移动单元连接，所述驱动器与所述步进电机电连接，所述控制器与所述驱动器电连接，所述步进电机和所述驱动器分别与所述电源电连接。

进一步的，所述测距装置为激光测距仪。

进一步的，所述电源包括直流电源和专用电源；

所述驱动装置以及所述控制器分别与所述直流电源电连接，所述测距装置与所述专用电源电连接。

进一步的，还包括三个光电感应器，三个光电感应器分别与三个方向的移动单元一一对应连接，所述控制器分别与三个所述光电感应器电连接，并根据所述光电感应器检测的位置信号对所述移动单元进行限位控制。

进一步的，所述光电感应器可拆卸地安装于对应的移动单元上。

进一步的，所述移动单元的引向导轨上沿其长度方向开设有安装凹槽，所述安装凹槽内沿长度方向开设有多个螺母孔，所述光电感应器通过螺丝安装于其中一螺母孔内。

进一步的，所述控制终端对所述测距装置检测的距离数据进行数据处理，具体为：

根据所述待测岩块的压裂壁面上不同位置处的距离数据，获取相应的点数据；

结合各所述点数据生成所述压裂壁面的三维曲面。

有益效果：本发明利用三轴运动平台的移动带动测距装置的移动，从而使得测距装置可以检测压裂壁面不同位置处的距离数据，距离数据可以间接体现压裂壁面的不规则程度，进而实现压裂壁面不规则性的测试分析。本发明提供了一种有效测量和还原压后产生的不规则壁面的研究方式，有效降低了研究人员的科研成本，降低了研究的复杂程度，提高科研效率。

附图说明

图1为本发明提供的压裂壁面的不规则性测试系统第一实施例的系统架构图；

图2为本发明提供的压裂壁面的不规则性测试系统第一实施例的三轴运动平台的正视图；

图3为本发明提供的压裂壁面的不规则性测试系统第一实施例的三轴运动平台的俯视图；

图4为图2中三轴运动平台中X轴移动单元的俯视图；

图5为图2中三轴运动平台中X轴移动单元的主视图；

图6为图2中三轴运动平台中X轴移动单元的剖面图；

图7为本发明提供的压裂壁面的不规则性测试系统第一实施例的的驱动装置的电路示意图；

附图标记：

1、三轴移动平台；11、X轴移动单元；12、Y轴移动单元；13、Z轴移动单元；1a、X轴丝杆；1b、X轴滑块；1c、X轴引导条；1d、X轴引向导轨；1e、螺纹孔；1f、安装凹槽；2、测距装置；3、驱动装置；31、步进电机；32、驱动器；4、控制器；5、控制终端；6、电源；7、光电感应器；

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了压裂壁面的不规则性测试系统，包括三轴移动平台1、测距装置2、驱动装置3、控制器4、控制终端5以及电源6；

所述测距装置2安装于所述三轴移动平台1的移动末端上，且朝向待测岩块设置，所述测距装置2用于检测其与所述待测岩块的压裂壁面之间的距离，所述驱动装置3与所述三轴移动平台1连接，并用于驱动所述三轴移动平台1移动，所述控制终端5通过所述控制器4与所述驱动装置3电连接，并用于控制所述三轴移动平台1的移动速度以及移动步长，所述控制终端5与所述测距装置2电连接，并用于对所述测距装置2检测的距离数据进行数据处理，所述驱动装置3、控制器4以及测距装置2分别与所述电源6电连接。

本发明中，控制终端5向控制器4发送控制命令，控制器4将控制命令传达至驱动装置3，从而使得驱动装置3可以驱动三轴移动平台1安装一定路径进行移动，从而实现测距装置2在待测岩块的压裂壁面上的全面扫描检测，控制终端5根据检测的距离数据实现对压裂壁面不规则程度的分析判断。本发明为研究人员研究非常规储层压裂裂缝壁面不规则性对支撑剂运移和铺置的影响提供一种测试方法，大大降低了研究成本，提高了测试的简便性。本发明可用于研究裂缝内支撑剂运移和铺置的变化规律，从而选出更优的压裂方案，进而优化开采方案。

优选的，如图2、图3所示，所述三轴移动平台1包括三个方向的移动单元，三个方向的移动单元分别为X轴移动单元11、Y轴移动单元12以及Z轴移动单元13；

所述Y轴移动单元12安装于所述X轴移动单元11上，所述Z轴移动单元13安装于所述Y轴移动单元12上，所述测距装置2安装于所述Z轴移动单元13上，所述驱动装置3分别与所述X轴移动单元11、Y轴移动单元12以及Z轴移动单元13连接。

三个方向上的移动单元分别实现三个方向的移动功能，三个方向上的移动单元可独立运动也可同时运动。本实施例中，三个方向上的移动单元的移动尺寸为x×y×z＝40cm×40cm×10cm。

优选的，如图4、图5、图6所示，所述X轴移动单元11包括X轴丝杆1a、X轴滑块1b、X轴引导条1c以及X轴引向导轨1d；

所述X轴丝杆1a的两端分别与所述X轴引向导轨1d的两端固定连接，所述X轴滑块1b上开设有与所述X轴丝杆1a相匹配的螺纹孔1e，所述X轴滑块1b通过螺纹孔1e穿设于所述X轴丝杆1a上，所述X轴引导条1c沿所述X轴引向导轨1d长度方向安装于所述X轴引向导轨1d上，所述X轴滑块1b与所述X轴引导条1c滑动连接；

所述Y轴引向导轨固定与所述X轴滑块1b上，所述Y轴丝杆的两端分别与所述Y轴引向导轨的两端固定连接，所述Y轴滑块上开设有与所述Y轴丝杆相匹配的螺纹孔，所述Y轴滑块通过螺纹孔穿设于所述Y轴丝杆上，所述Y轴引导条沿所述Y轴引向导轨长度方向安装于所述Y轴引向导轨上，所述Y轴滑块与所述Y轴引导条滑动连接；

所述Z轴引向导轨固定与所述Y轴滑块上，所述Z轴丝杆的两端分别与所述Z轴引向导轨的两端固定连接，所述Z轴滑块上开设有与所述Z轴丝杆相匹配的螺纹孔，所述Z轴滑块通过螺纹孔穿设于所述Z轴丝杆上，所述Z轴引导条沿所述Z轴引向导轨长度方向安装于所述Z轴引向导轨上，所述Z轴滑块与所述Z轴引导条滑动连接；所述测距装置2安装于所述Z轴滑块上。

本实施例中包括两个X轴移动单元11、一个Y轴移动单元12以及一个Z轴移动单元13，设置两个X轴移动单元11有利于Y轴移动单元12在X轴移动单元11上的稳固连接，即，Y轴引向导轨的一端与其中一个X轴移动单元11的X轴滑块1b连接，Y轴引向导轨的另一端与另一个X轴移动单元11的X轴滑块1b连接，两个X轴滑块1b同步滑动。X轴移动单元11、Y轴移动单元12以及Z轴移动单元13的结构均相同，本实施例以X轴移动单元11为例进行说明，具体如图4-6所示，X轴引导条1c固定安装在X轴引向轨道上表面，X轴丝杆1a两端与X轴引向轨道两端固定连接，X轴滑块1b通过其中心与丝杆相匹配的螺纹孔1e穿在X轴丝杆1a上，X轴滑块1b下部与X轴引导条1c滑动连接，使X轴滑块1b只沿X轴丝杆1a长度方向运动而不发生转动。

优选的，所述驱动装置3包括多个驱动单元，所述驱动单元的数量与所述移动单元的总数量相等且一一对应连接；

所述驱动单元包括步进电机31以及驱动器32，所述步进电机31与相应的移动单元连接，所述驱动器32与所述步进电机31电连接，所述控制器4与所述驱动器32电连接，所述步进电机31和所述驱动器32分别与所述电源6电连接。

由于本实施例中移动单元一共有四个，因此驱动单元相应设置四个，驱动装置3由四个精度达0.05微米的步进电机31、四个驱动器32组成。四个步进电机31分别固定一一对应安装在四个移动单元的丝杆引向导轨的一端，四个驱动器32分别与四个步进电机31一一对应电连接，四个驱动器32电连接到控制器4，并和控制器4共同工作控制步进电机31的运转进而驱动四个滑块运动。驱动器32上面还有八个二进制开关，用于调节电流和细分。两个X轴移动单元11的步进电机31安装于同一侧，具体如图7所示，两个X轴移动单元11对应的步进电机31分别与两个驱动器32一一对应电连接，两个驱动器32均与控制器4的驱动端口电连接。

优选的，所述测距装置2为激光测距仪。

激光测距仪器安装固定在Z轴滑块上，发射一次激光就测一次待测岩块到激光测距仪的距离。激光测距仪的最大有效测量范围可达十五厘米，有一定的存储空间，可以保存测量的数据，且可以调节频率进而改变每秒钟的测试次数，调节范围在1500～3000赫兹，此频率可以满足本发明要求。

优选的，所述电源6包括直流电源和专用电源；

所述驱动装置3以及所述控制器4分别与所述直流电源电连接，所述测距装置2与所述专用电源电连接。

本实施例中直流电源为24伏直流电源，24伏直流电源将220伏交流电转化为24伏直流电给驱动器32、步进电机31、以及控制器4。激光测距仪则采用专用电源进行供电。

优选的，如图3所示，还包括三个光电感应器7，三个光电感应器7分别与三个方向的移动单元一一对应连接，所述控制器4分别与三个所述光电感应器7电连接，并根据所述光电感应器7检测的位置信号对所述移动单元进行限位控制。

在三个方向的移动单元上均安装光电感应器7，当滑块移动至光电感应器7所在位置时光电感应器7感应到光线强度变化，反馈给控制器4，控制器4使滑块停止，实现限位控制。还可加装按钮开关，按钮开关与控制器4电连接，在测试途中可以随启随停，实现自动控制和手动控制结合，操作灵活性高。

优选的，所述光电感应器7可拆卸地安装于对应的移动单元上。

光电感应器7可拆卸地安装于对应的移动单元上，使得光电感应器7在移动单元上的相对安装位置可以进行调节，从而实现不同位置的限位控制。

优选的，所述移动单元的引向导轨上沿其长度方向开设有安装凹槽，所述安装凹槽内沿长度方向开设有多个螺母孔，所述光电感应器7通过螺丝安装于其中一螺母孔内。

三个光电感应器7均通过螺丝和引向轨道上的安装凹槽内的螺母孔安装固定，且X方向的光电感应器7只需要安装在任意一个X轴引向导轨1d上即可。具体的，以X轴移动单元11的X轴引向导轨1d为例，如图5、图6所示，X轴引向轨道两个侧面分别有一条沿X轴引向轨道长度方向的安装凹槽1f，其底面也有两条对称的安装凹槽1f，安装凹槽1f内有多个螺母孔，光电传感器通过螺丝安装在一螺母孔内即可，安装位置根据需求的限位位置进行确定，具体来说，根据待测岩块的大小来确定。

优选的，所述控制终端5对所述测距装置2检测的距离数据进行数据处理，具体为：

根据所述待测岩块的压裂壁面上不同位置处的距离数据，获取相应的点数据；

结合各所述点数据生成所述压裂壁面的三维曲面。

本实施例中控制终端5为电脑，控制终端5采用Matlab软件实现对测距数据的数据处理，生成三维曲面，以高密集度的点代替面还原出被测岩块的凹凸表面，通过三维图形显示出来，使数据立体化。通过调节激光测距仪每秒钟发射的激光的次数和三轴移动平台1的移动速度，可以调节采集的距离数据对应的点数据的密度，使采集的数据密集程度达到要求，测量多个点构成线，多条线构成面，最终得到不规则表面的空间曲面。

本实施例提供的测试系统的实验步骤具体如下：

①调节光电感应器7：将三轴移动平台1放置稳定，确保水平，根据被测岩块的大小和预摆放的位置，将光电感应器7安装到引导轨道上的合适位置，以减少激光测距仪扫描面积，节约时间；

②调零：默认引向导轨安装有步进电机31的一端为零点，转动丝杆，将上面的滑块移动到步进电机31相对的另一端。两个X轴丝杆1a转动过程中尽量使两个X轴滑块1b的移动速度大致保持一致，避免两个X轴滑块1b移动不同步导致装置因为过度变形而损坏。

③装置电路连接：将四个步进电机31分别和四个驱动器32一一对应电连接，将光电感应器7与对应的驱动器32电连接，且X方向的光电感应器7与任意一个X方向的驱动器32连接，再将驱动器32和控制器4电连接，且两个X方向的驱动器32均连接到控制器4的X方向驱动端口，将各光电感应器7与控制器4电连接，将控制器4通过USB接口与控制终端5电连接，最后将所有的驱动器32、光电感应器7及控制器4与24伏直流电源电连接，实验开始前电源6终保持断开。

④调节参数：将驱动器32的电流设置为步进电机31的额定电流，根据预先设置好的速度设定驱动器32细分和相关参数，避免因为参数设置不当导致滑块移动的精确度降低。

⑤放置岩块：将岩块压裂产生的壁面水平朝上放置在两个X轴丝杆1a所在平面的正下方5～15厘米处，保证测量中既不会碰到激光测距仪也不超过激光测距仪的量程，放置好后将岩块固定，避免在测量过程中发生晃动；

⑥上电启动：将24伏直流电源插头插到实验室220伏电源插座上，装置开始测量，测量过程中不要触碰和移动岩块、测量装置以及放置测量装置的平台，确保测量过程中测量装置以及岩块没有发生晃动，保证实验数据的准确性。

⑦断电：当测量结束后，断开电源6以保证安全。

⑧数据处理：将激光测距仪采集到的数据导入到Matlab进行处理并显示出岩块被测量表面的三维曲面图形。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压裂壁面的不规则性测试系统，其特征在于，包括三轴移动平台、测距装置、驱动装置、控制器、控制终端以及电源；

所述测距装置安装于所述三轴移动平台的移动末端上，且朝向待测岩块设置，所述测距装置用于检测其与所述待测岩块的压裂壁面之间的距离，所述驱动装置与所述三轴移动平台连接，并用于驱动所述三轴移动平台移动，所述控制终端通过所述控制器与所述驱动装置电连接，并用于控制所述三轴移动平台的移动速度以及移动步长，所述控制终端与所述测距装置电连接，并用于对所述测距装置检测的距离数据进行数据处理，所述驱动装置、控制器以及测距装置分别与所述电源电连接。

2.根据权利要求1所述的压裂壁面的不规则性测试系统，其特征在于，所述三轴移动平台包括三个方向的移动单元，三个方向的移动单元分别为X轴移动单元、Y轴移动单元以及Z轴移动单元；

所述Y轴移动单元安装于所述X轴移动单元上，所述Z轴移动单元安装于所述Y轴移动单元上，所述测距装置安装于所述Z轴移动单元上，所述驱动装置分别与所述X轴移动单元、Y轴移动单元以及Z轴移动单元连接。

3.根据权利要求2所述的压裂壁面的不规则性测试系统，其特征在于，所述X轴移动单元包括X轴丝杆、X轴滑块、X轴引导条以及X轴引向导轨；

所述X轴丝杆的两端分别与所述X轴引向导轨的两端固定连接，所述X轴滑块上开设有与所述X轴丝杆相匹配的螺纹孔，所述X轴滑块通过螺纹孔穿设于所述X轴丝杆上，所述X轴引导条沿所述X轴引向导轨长度方向安装于所述X轴引向导轨上，所述X轴滑块与所述X轴引导条滑动连接；

所述Y轴引向导轨固定与所述X轴滑块上，所述Y轴丝杆的两端分别与所述Y轴引向导轨的两端固定连接，所述Y轴滑块上开设有与所述Y轴丝杆相匹配的螺纹孔，所述Y轴滑块通过螺纹孔穿设于所述Y轴丝杆上，所述Y轴引导条沿所述Y轴引向导轨长度方向安装于所述Y轴引向导轨上，所述Y轴滑块与所述Y轴引导条滑动连接；

所述Z轴引向导轨固定与所述Y轴滑块上，所述Z轴丝杆的两端分别与所述Z轴引向导轨的两端固定连接，所述Z轴滑块上开设有与所述Z轴丝杆相匹配的螺纹孔，所述Z轴滑块通过螺纹孔穿设于所述Z轴丝杆上，所述Z轴引导条沿所述Z轴引向导轨长度方向安装于所述Z轴引向导轨上，所述Z轴滑块与所述Z轴引导条滑动连接；所述测距装置安装于所述Z轴滑块上。

4.根据权利要求2所述的压裂壁面的不规则性测试系统，其特征在于，所述驱动装置包括多个驱动单元，所述驱动单元的数量与所述移动单元的总数量相等且一一对应连接；

所述驱动单元包括步进电机以及驱动器，所述步进电机与相应的移动单元连接，所述驱动器与所述步进电机电连接，所述控制器与所述驱动器电连接，所述步进电机和所述驱动器分别与所述电源电连接。

5.根据权利要求1所述的压裂壁面的不规则性测试系统，其特征在于，所述测距装置为激光测距仪。

6.根据权利要求1所述的压裂壁面的不规则性测试系统，其特征在于，所述电源包括直流电源和专用电源；

所述驱动装置以及所述控制器分别与所述直流电源电连接，所述测距装置与所述专用电源电连接。

7.根据权利要求2所述的压裂壁面的不规则性测试系统，其特征在于，还包括三个光电感应器，三个光电感应器分别与三个方向的移动单元一一对应连接，所述控制器分别与三个所述光电感应器电连接，并根据所述光电感应器检测的位置信号对所述移动单元进行限位控制。

8.根据权利要求7所述的压裂壁面的不规则性测试系统，其特征在于，所述光电感应器可拆卸地安装于对应的移动单元上。

9.根据权利要求8所述的压裂壁面的不规则性测试系统，其特征在于，所述移动单元的引向导轨上沿其长度方向开设有安装凹槽，所述安装凹槽内沿长度方向开设有多个螺母孔，所述光电感应器通过螺丝安装于其中一螺母孔内。

10.根据权利要求1所述的压裂壁面的不规则性测试系统，其特征在于，所述控制终端对所述测距装置检测的距离数据进行数据处理，具体为：

根据所述待测岩块的压裂壁面上不同位置处的距离数据，获取相应的点数据；

结合各所述点数据生成所述压裂壁面的三维曲面。

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