CN113376354A - 模拟不同充填状态溶洞的方法与物理模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种模拟不同充填状态溶洞的方法，其中，根据目标溶洞形状采用受控抗压材料制作溶洞模拟体，然后制作包裹溶洞模拟体的模型体，由溶洞模拟体在模型体内形成的空腔模拟目标溶洞。溶洞模拟体能够在特定条件下维持其结构形态并具有一定的承压能力，这样可以对溶洞模拟体进行造型，使溶洞模拟体的形状与目标溶洞的形状保持一致。在模型体内控制受控抗压材料液化，并将其从模型体中取出，在模型体内部形成一个空腔用于模拟溶洞。根据上述的模拟不同充填状态溶洞的方法，本申请还提供了一种模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统。本发明制作出的模型与实际溶洞应力状态十分接近，可以为溶洞研究提供可靠数据。

Description

模拟不同充填状态溶洞的方法与物理模拟试验系统

技术领域

本发明涉及地质力学模型试验技术领域，更具体地说，特别涉及一种模拟不同充填状态溶洞的方法以及一种模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统。

背景技术

塔河油田奥陶系缝洞型碳酸盐岩油藏具有复杂特殊性，油藏埋藏深，不同类型的大型溶洞是主要的储集空间，这些溶洞存在形态各异、充填特征不同等特征。埋藏后各溶洞体接受的上覆地层重力不同，水力改造程度不同，垮塌后胶结程度不同，形成了溶塌充填型储层复杂的储层类型，因此，研究溶洞垮塌对油井产量的影响成为当务之急。

然而，面对深部溶洞，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场原位试验条件受限且费用昂贵，相比之下，物理力学模型试验以其形象、直观、真实的特性成为研究深部地下工程的重要手段。研究油藏溶洞的稳定性问题已成为石油领域的一个重要突破口，而如何模拟不同充填状态溶洞来进行稳定性分析是采用物理模型试验方法所遇到的关键问题。

目前，国内外有关充填油藏溶洞物理模型试验的研究现状如下：

一种是，在模具内浇筑原材料最后将表面修平成形，用来模拟腔体的水平截面，该模具只能用来进行平面应变问题的研究无法进行内埋洞室的成腔；

一种是，利用卯榫结构将组合式木模搭建成相应洞型，形成后将木模一一抽出形成空腔，这种方法成本较高，且洞型不易控制，受限较大；

一种是，将充填介质放置于高压容器底部模拟充填状态的模型试验方法，该方法单纯考虑了充填介质，忽略了溶洞周边围岩的影响，与实际溶洞的应力状态不符；

一种是，由有机玻璃板组合形成简单溶洞与裂缝系统，利用所形成的溶洞与裂缝系统进行试验，在其试验过程中，当缝洞系统中注满油后，由平流泵向其中一个模拟溶洞的底部进行注水，从其上部进行采油，这种方法只能模拟简单水驱油现象，且无法承压，无法适应不同充填状态的需求；

一种是，制作模型，然后利用水泵将模型中预制的可溶盐抽出形成空腔模拟无充填型溶洞，该方法只适合于无充填空洞，且抽出可溶盐形成的竖直管道无法消除，相当于人为制造了贯通裂缝，对于试验结果有较大影响；

一种是，制备模型，在模型中设置预制的硅胶袋，利用硅胶袋模拟水溶洞内压的变化，该方法中，只能模拟满充填水状态下的溶洞，对于无充填或部分充填油藏溶洞以及充填固体介质溶洞无法模拟。

通过对上述现状的分析，现有技术存在的问题主要为：现有的充填油藏溶洞单纯考虑了充填介质，忽略了溶洞周边围岩的影响，与实际溶洞的应力状态不符；现有的充填油藏溶洞成腔技术只能用来进行平面应变问题的研究无法进行内埋洞室的成腔；现有的充填油藏溶洞只能模拟简单水驱油现象，且无法承压，无法适应不同充填状态的需求；现有的充填油藏溶洞技术人为制造了贯通裂缝，对于试验结果有较大影响，使用的方法只能满足单一需求，对于复杂的充填情况时无法模拟。

综上所述，如何提供一种与实际溶洞应力状态较为接近的建模方法，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种模拟不同充填状态溶洞的方法以及一种模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统。本申请所提供的模拟不同充填状态溶洞的方法中，其根据目标溶洞形状采用受控抗压材料制作相同形状的溶洞模拟体并制作包裹溶洞模拟体的模型体，然后控制受控抗压材料液化，取出受控抗压材料后，由模型体内形成的空腔模拟目标溶洞。另外，根据该方法，本申请还构建了一套模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统。在本申请中，由该方法制作出的模型与实际溶洞应力状态十分接近，可以为溶洞研究提供可靠数据。

第一方面，本发明提供了一种模拟不同充填状态溶洞的方法，包括：根据目标溶洞形状采用受控抗压材料制作相同形状的溶洞模拟体，所述受控抗压材料为受控能够进行固相与液相相互转换的材料；制作包裹所述溶洞模拟体的模型体，由所述溶洞模拟体在所述模型体内形成的空腔模拟所述目标溶洞。

在第一方面的一个实施例中，在制作包裹所述溶洞模拟体的模型体操作中，具体包括操作：采用分层压实法制作地质体模拟层，在所述地质体模拟层上根据所述溶洞模拟体的形状挖出一个用于容纳所述溶洞模拟体的槽体结构，将所述溶洞模拟体放置于所述槽体结构中后，再将所述溶洞模拟体的周边采用分层压实法制作溶洞围岩模拟层直至埋没所述溶洞模拟体。

在第一方面的一个实施例中，所述溶洞模拟体包括：结构体，其由固化的受控抗压材料制成；柔性隔离材料，其包裹所述结构体；以及中空管，其连接所述结构体以用于所述受控抗压材料的移除和/或供热介质的注入。

在第一方面的一个实施例中，所述柔性隔离材料为聚氯乙烯膜；在所述溶洞围岩模拟层制作完成后，对所述受控抗压材料进行控制使其熔化，将熔化的所述受控抗压材料从所述模型体中取出形成所述空腔，以用于模拟无充填溶洞或固体充填溶洞。

在第一方面的一个实施例中，向所述空腔中填充固体介质，其中，若向所述空腔中填充的介质的总量小于所述空腔的容量，则在所述溶洞围岩模拟层上设置柔性隔离材料，用于覆盖所述空腔的开口。

在第一方面的一个实施例中，在将所述溶洞模拟体从所述模型体中取出形成所述空腔后，在所述溶洞围岩模拟层上采用分层压实法制作上覆地模拟层。

在第一方面的一个实施例中，所述柔性隔离材料为硅胶袋，在所述溶洞围岩模拟层制作完成后，在所述溶洞围岩模拟层上采用分层压实法制作上覆地模拟层；对所述溶洞模拟体进行控制使其熔化，向所述硅胶带充入流体，用于模拟水或石油充填溶洞时溶洞内部具有压力的情况。

第二方面，本发明提供了一种模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统，包括：模型体；溶洞模拟体，所述溶洞模拟体由受控抗压材料制成，所述溶洞模拟体的形状与目标溶洞形状相同，所述受控抗压材料为受控能够进行固相与液相相互转换的材料；空腔，其由所述溶洞模拟体于所述模型体中熔化后形成。

在第二方面的一个实施例中，所述溶洞模拟体包括有中空管以及能够熔化的结构体，于所述结构体的外侧包裹有柔性隔离材料，所述中空管与所述结构体连接、用于所述受控抗压材料的移除和/或供热介质的注入。

在第二方面的一个实施例中，所述结构体为冰，或，所述结构体为固态蜡；以及所述柔性隔离材料为聚氯乙烯隔离膜，或，所述柔性隔离材料为硅胶袋。

在第二方面的一个实施例中，本发明还包括试验台架，所述试验台架具有试验腔，所述模型体设置于所述试验腔内。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

在本发明所提供的模拟不同充填状态溶洞的方法中，该方法根据目标溶洞形状采用受控抗压材料制作溶洞模拟体；制作包裹溶洞模拟体的模型体，由溶洞模拟体在模型体内形成的空腔模拟目标溶洞。溶洞模拟体能够在特定条件下维持其结构形态，这样可以对溶洞模拟体进行造型，使溶洞模拟体的形状与目标溶洞的形状保持一致。在模型体的制作过程中，溶洞模拟体被包裹进模型体中，然后控制溶洞模拟体改变其物理性状，以最小的影响程度从模型体中取出，在模型体内部形成一个用于模拟溶洞的空腔。本发明制作出的模型与实际溶洞应力状态十分接近，可以为溶洞研究提供可靠数据。

在本发明提供的模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系中，在该物理模拟试验系统包括模型体，在模型体内设置有根据目标溶洞形状由受控抗压材料制成的溶洞模拟体，由溶洞模拟体在模型体内形成用于模拟溶洞的空腔。本发明所提供的物理模拟试验系统是依据上述的模拟不同充填状态溶洞的方法构建而成，通过对溶洞模拟体的结构限定，能够使得本发明所制作出的模型与实际溶洞应力状态最为接近。并且，本发明还具有适用范围广，可进行任意充填程度和充填介质的溶洞模拟，且操作简单等优点，由本发明所制作的物理模型，其与实际工程相符，有效降低了人为因素的影响，有利于提高模型试验结果的准确度，使模型试验中反应的规律与实际工程更加接近。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明所提供的模拟不同充填状态溶洞的方法在完成溶洞围岩模拟层后的示意图；

图2显示了本发明所提供的模拟不同充填状态溶洞的方法在将溶洞模拟体从模型体上取出并在模拟体的孔洞上覆盖聚氯乙烯防护膜后的示意图；

图3显示了本发明所提供的模拟不同充填状态溶洞的方法在模拟水充填溶洞时的示意图；

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

在图1至图3中，部件名称与附图标号的对应关系为：

试验台架1、溶洞模拟体2、模型体3、水压控制系统4、聚氯乙烯防护膜5。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

现有技术所存在的问题总结如下：现有的充填油藏溶洞模拟方法单纯考虑了充填介质，忽略了溶洞周边围岩的影响，模拟出的溶洞与实际溶洞的应力状态不符；现有的充填油藏溶洞成腔技术只能用来进行平面应变问题的研究，无法进行内埋洞室的成腔；现有另外的充填油藏溶洞模拟方法，只能模拟简单的水驱油现象，且模拟系统无法承压，无法适应不同充填状态的模拟需求；现有其它的充填油藏溶洞模拟方法，在模拟体上人为制造了贯通裂缝，对于试验结果有较大影响。

针对现有模拟方案的不足，本发明提供了一种模拟不同充填状态溶洞的方法与模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统，其应用在石油等领域内，具体涉及到地质力学试验模型技术领域，本发明可应用于各类不同充填特征洞穴模型的制作，而且制作出的模型与实际溶洞应力状态十分接近，可以为溶洞研究提供可靠数据，其具有广阔的应用空间和较好的前景。

本发明为了克服现有模型试验方法模拟不同充填状态溶洞所存在的不足，特别提供了一种模拟不同充填状态溶洞的方法与一种模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统。本发明适用范围广，可进行任意充填程度和充填介质的溶洞模拟，且操作简单，与实际工程相符，有效降低了人为因素的影响，有利于提高模型试验结果的准确度，使模型试验中反应的规律与实际工程更加接近。

请参考图1至图3，其中，图1显示了本发明所提供的模拟不同充填状态溶洞的方法在完成溶洞围岩模拟层后的示意图；图2显示了本发明所提供的模拟不同充填状态溶洞的方法在将溶洞模拟体从模型体上取出并在模拟体的孔洞上覆盖聚氯乙烯防护膜后的示意图；图3显示了本发明所提供的模拟不同充填状态溶洞的方法在模拟水充填溶洞时的示意图。

具体地，本发明提供了一种模拟不同充填状态溶洞的方法，在该方法中，本发明通过如下操作实现溶洞模拟：根据目标溶洞形状采用受控抗压材料制作与目标溶洞形状相同的溶洞模拟体2；制作包裹溶洞模拟体2的模型体3，由溶洞模拟体2在模型体3内形成的空腔模拟溶洞。

需要说明的是：本发明所采用的受控抗压材料，具体是指，受人为控制，可以在特定条件下改变材料的性状(具体是实现固相与液相之间的转变)，并且，在固态下还具有一定的抗压能力，例如水，人为控制环境温度在0℃以下时，水将冻成冰，然后对冰进行加热，其又能够融化成水。或者例如石蜡，人为控制环境温度低于石蜡的熔点，石蜡将变成固态，然后对固态石蜡进行加热，石蜡受热可融化变为液态。

本发明在制作溶洞模型前，应当先获取目标溶洞的结构形态，根据目标溶洞的结构形态，对其成比例地进行缩小，根据缩小后的结构形态尺寸，制作与其形状大致相同的溶洞模拟体2。

对于溶洞模拟体2的要求如下：在溶洞模拟体2的成形过程中，在特定环境下，溶洞模拟体2可以保持一定的结构强度，从而使其能够被加工并造型出与目标溶洞大致相同的形状；在模型体3制作过程中，溶洞模拟体2应当保持一定的结构强度，从而使其已经成形的轮廓形状不会受压变化；同时，根据需要，溶洞模拟体2还可以进行受控变形(变为液态)，从而使其能够以最小的通过尺寸从模型体3中取出。

为了满足上述对于溶洞模拟体2的要求，本发明提供了如下两种材料，一种为水，冷冻后成冰，在0℃以下不会融化，冻结后具有较高的结构强度，另一种为蜡，加热后可融化变成液态蜡，在常温下，蜡具有一定的可塑性，其可形成多种不同样式、尺寸的结构。

根据目标溶洞周围的地质构成选取制作模型体3的材料，制作模型体3的材料应当与目标溶洞周围的岩体结构的物质构成相近似，以保证模型体3的物理性状与目标溶洞周围地质的物理性状大致相同。

在实际勘探过程中，目标溶洞周围的地层多为碳酸盐岩，实地取样后通过力学测试测得地层具体的物理力学参数，按照相似理论进行相似材料的配比。在本发明的一个具体实施方式中，相似材料的具体组成部分为铁粉、重晶石粉、石英砂混合由酒精以及松香胶结。

请参考表1

表1碳酸盐岩的物理力学参数表

请参考表2

表2本发明中相似材料的配比组分表

岩石类型	材料配比I∶B∶S	胶结剂摩尔浓度/％	胶结剂占材料总重/％
				碳酸盐岩	1∶0.67∶0.25	18	6.5
砂岩	1∶0.67∶0.55	2.5	6.5
				角砾	1∶0.5∶0.5	8	6.5

在表2中，I为铁精粉含量；B为重晶石粉含量；S为石英砂含量，均采用重量单位。

本发明所采用的胶结剂为松香溶解于酒精后的溶液。

对于模型体3而言，本发明采用分层压实法制作地质体模拟层，地质体模拟层从底层开始制作，当制作到一定高度时，在地质体模拟层上挖出一个用于容纳溶洞模拟体一半的槽体结构，将溶洞模拟体2放置在槽体结构中，然后围绕溶洞模拟体2继续将制作材料分层压实直至完全包裹住溶洞模拟体2。如果被模拟的溶洞为无充填溶洞或者是固体充填溶洞，那么，就需要对溶洞模拟体2进行控制使其变形，以保证溶洞模拟体2能够从比较小的孔洞中脱离模型体3，此后才可根据具体的溶洞充填状况对模型体3做出相应的操作。

由上述可知，溶洞模拟体2如果从模型体3中取出，其最佳的形态应当为液态，那么，为了避免液化后的溶洞模拟体2对已经压实制作好的模型体3造成实质性地影响，本发明在溶洞模拟体2的外侧设置了隔离材料，隔离材料为柔性的、且具有隔离作用的材料，例如聚氯乙烯膜，或者是硅胶袋。

对于聚氯乙烯膜的使用方法如下：在将溶洞模拟体2造型好以后，在其外侧包裹聚氯乙烯膜，从而形成隔离防护。

对于硅胶袋的使用方法如下：根据目标溶洞的结构形态对硅胶袋进行制作，以使得硅胶袋在装满溶洞模拟体2的制作材料后，硅胶袋的形状(主要是指硅胶袋的外部轮廓形状)与目标溶洞的结构相同或者近似，然后使得硅胶袋内的材料固化，从而使得溶洞模拟体2成形。

需要说明的是：对于水或者液态蜡而言，其固化后体积会有一定的膨胀，如果是直接应用在硅胶袋内，材料膨胀后会影响溶洞模拟体2的外形轮廓，使其与目标溶洞之间存在少量的形状偏差。为了解决上述问题，以期提高溶洞模拟体2的成型精度，本发明优先使用模具对水或者液态蜡进行固化，待材料固化后，对固化后的材料进行修整形成溶洞模拟体2，最后在溶洞模拟体2的外侧包裹聚氯乙烯膜。

模型体3大致可以分为三个部分，第一部分为底层的地质体模拟层，第二部分为包裹溶洞模拟体2的溶洞围岩模拟层，第三部分为覆盖在溶洞围岩模拟层之上的上覆地模拟层。

在制作地质体模拟层时，采用分层压实法在试验台架1所具有的试验腔中进行制作，其采用铺料-压实-风干以此循环的循环步骤，在制作到一定高度后，一般为模型体3整体高度的1/5至1/4时，在地质体模拟层的中部形成一个小凹陷(上述的槽体结构)，以便于溶洞模拟体2的稳定放置。

具体地，地质体模拟层开挖槽体结构前的制作高度由所需模拟的情况而定，但必须满足边界条件，一般要求模拟溶洞的洞壁距离模型体边界2-3倍洞泾。

在制作溶洞围岩模拟层时，将溶洞模拟体2放置在地质体模拟层上，然后围绕溶洞模拟体2采用分层压实法进行制作，具体也是采用铺料-压实-风干以此循环的循环步骤进行操作，直至完全覆盖住溶洞模拟体2。

如果目标溶洞为无充填溶洞，此时就需要将溶洞模拟体2(如果包括有聚氯乙烯膜，则连通聚氯乙烯膜)从模型体3中取出，在尚未制作完成的模型体3上形成空腔，作为无充填溶洞。

如果目标溶洞为固体充填溶洞，此时就需要将溶洞模拟体2(如果包括有聚氯乙烯膜，则连通聚氯乙烯膜)从模型体3中取出，在模型体3(未制作完成)上形成空腔，之后在空腔中填充固体材料形成固体充填溶洞。

具体地，本发明所充填的固体材料为相似材料，其物理力学性质根据模拟对象来确定，其利用相似材料通过进行大量的配比实验，确定相似材料的详细配比，满足了相似条件下砂泥或角砾介质的物理力学参数，才能够将配得的相似材料充填进去。

如果为水充填溶洞，则必须采用硅胶袋，此时可以不对溶洞模拟体2进行操作，直接制作上覆地模拟层。

在制作上覆地模拟层时，采用分层压实法在溶洞围岩模拟层之上进行操作，其也采用铺料-压实-铺料-压实的循环步骤。上覆地模拟层的设置高度一般为模型体3整体高度的1/5至1/4。

对于上覆地模拟层而言，其具体的制作操作也受目标溶洞的充填状态的影响。

如果被模拟的溶洞为无充填溶洞，则在溶洞模拟体2取出后(会在溶洞围岩模拟层的顶部形成一个孔洞)，在溶洞围岩模拟层的上侧面铺设一层聚氯乙烯防护膜5，用于封闭溶洞围岩模拟层所形成的孔洞缺陷，之后再设置上覆地模拟层。

如果目标溶洞为固体充填溶洞，并且，固定充填并没有对溶洞进行完全充填，则也需要在溶洞围岩模拟层的上侧面铺设一层聚氯乙烯防护膜5，用于封闭溶洞围岩模拟层所形成的孔洞缺陷，之后再设置上覆地模拟层。

如果被模拟的溶洞为水充填溶洞，则直接对上覆地模拟层进行制作。

对于溶洞模拟体2而言，其优选采用水或者蜡作为原料进行制作。水在0℃以下可以冻结成冰，冰具有一定的结构强度，并且可以根据目标溶洞形状进行造型，由冰制成的溶洞模拟体2在受热时可以融化，完全满足本发明中对溶洞模拟体2的要求。蜡在常温下为固态，具有可塑性，受热易熔化，其也完全满足本发明中对溶洞模拟体2的要求。

溶洞模拟体2可以采用如下方式进行制作：方式一，制作模具，模具的模具腔形状与目标溶洞形状一致，水或者蜡液在模具中成形，之后再去除模具，在水或者蜡液在模具中成形期间，可以插入一根金属制的中空管，在水冻结成冰或者蜡液凝固后，中空管能够与溶洞模拟体2连接固定到一起。方式二，直接对水进行冷冻，使其形成一个冰块，或者是降低蜡液温度，使其形成一个蜡块，然后对冰块或者蜡块进行加工使其成形，在形成冰块或者蜡块前，在水中或者蜡液中插入一根中空管，在水冻结成冰或者蜡液凝固后，中空管能够与溶洞模拟体2连接固定到一起。

在溶洞模拟体2成形后，在溶洞模拟体2的外侧包裹聚氯乙烯隔离膜，并使得聚氯乙烯隔离膜完全包裹住溶洞模拟体2以及部分中空管，这样在溶洞模拟体2融化后，融化的液体不会浸润到模型体3材料中，避免对模型体3性状产生影响。

溶洞模拟体2还可以采用如下方式进行制作：设置一个硅胶袋，并对硅胶袋的形状进行设计，使其在装满溶洞模拟体2制作材料(一般为水，或者是蜡)膨胀后，硅胶袋的形状与目标溶洞形状相同。需要说明的是，水或者蜡固化后会发生膨胀，而在本实施例中，不考虑材料膨胀对硅胶袋的影响。

将硅胶袋置于低温环境下，硅胶袋内部材料凝固，就可以应用于模型体3的制作。本实施例方法适用于水充填溶洞的模拟，硅胶袋可以用于装载试验用水，配合水压控制系统4，能够模拟水充填溶洞中水压的变化。

在将溶洞模拟体2从溶洞围岩模拟层中取出后，会在溶洞围岩模拟层的上侧面留有一个孔洞，如果直接在溶洞围岩模拟层上制作上覆地模拟层，那么制作上覆地模拟层的材料就会从该孔洞掉落至空腔内，其不仅会造成溶洞模拟的误差，还会增加上覆地模拟层的制作难度。

为了解决上述问题，本发明在溶洞模拟体2取出后，会在溶洞围岩模拟层上铺设一块聚氯乙烯防护膜5，用于封闭上述孔洞。之后，在溶洞围岩模拟层制作完成后，在溶洞围岩模拟层上采用分层压实法制作上覆地模拟层。用于封闭孔洞的聚氯乙烯防护膜5为圆形薄膜，聚氯乙烯防护膜5的直径为孔洞的直径的3-5倍。

当然，上述的覆膜操作是针对无充填溶洞模拟以及固体充填溶洞模拟进行的，其中，固体充填溶洞为不完全固体充填，在溶洞内部还有空余空间。

在本发明的一个具体实施方式中，模拟不同充填状态溶洞的方法包括有如下三步：

A、模型制作：

按照实际采油过程中遇到的问题，将实际各类充填油藏溶洞按照相似比尺进行换算后，得出试验中的溶洞形状及大小。在试验台架1中使用与目标溶洞周围地质土壤相似的材料采用分层压实法制作油藏溶洞的模型体3；

B、预制溶洞：

B1、对于无充填或充填固体材料溶洞，预先制作与溶洞形状基本一致的石蜡体，在试验台架1的试验腔中，采用分层压实的方式，将准备的材料分层填压到溶洞预定位置，并形成地质体模拟层；用聚氯乙烯隔离膜完全包裹石蜡体并埋入预定位置，继续填铺相似材料直至完全覆盖石蜡体；

B2、对于充填水溶洞，采用硅胶袋替代聚氯乙烯隔离膜，将水或者蜡液充填到硅胶袋内，然后使得充填的材料固化。然后，将硅胶袋放置到地质体模拟层上，然后继续填铺上覆材料直至封顶。试验中使用的石蜡体也可以用冰球或者其他熔点低的物质代替；

C、充填介质：

C1、对于无充填或充填固体材料溶洞，将加热棒插入中空管中，待石蜡完全融化后抽出，并将聚氯乙烯隔离膜取出，再向洞内充填固体介质即可。如果充填介质没有完全填满溶洞，需要在顶部的洞口上方铺设一层聚氯乙烯防护膜5，并继续采用分层压实法制作溶洞上部模型体3(封顶层)；

C2、对于充填水溶洞，通过进出水管灌入高温热水将石蜡融化后抽出，完成后将进出水管与水压控制系统4相连，即可向硅胶袋中施加试验所需水压或者油压。

本发明在模拟无充填或充填固体材料溶洞时，具体实施步骤如下：在试验台架1中利用相似材料采用分层压实法制作模型体3的溶洞以下部分(地质体模拟层)；制作与溶洞形状一致的冰块或者石蜡体作为溶洞模拟体2，在溶洞模拟体2制作时，竖直插入一根空心中空管，在中空管露出石蜡体或冰块的部分、并在其外壁缠绕两圈绝缘胶带。当分层填压到溶洞预定位置时，用聚氯乙烯隔离膜完全包裹石蜡体或者冰块并与中空管相粘结在一起，然后埋入预定位置，令中空管竖直朝上，继续填铺相似材料直至完全覆盖溶洞模拟体2；之后，用老虎钳夹住中空管，在中空管中插入加热棒，加热三分钟后关闭电源并抽出加热棒，利用注射器将融化的液体(或者是水，或者是蜡液)抽出，重复此步骤直至中空管松动。为加速石蜡体融化，利用中空管灌入至少80℃的热水，等待一至二分钟后抽出所有的水，重复此步骤直至冰块或者石蜡体完全化开。再之后，将聚氯乙烯隔离膜与中空管一并取出，再向洞内充填固体介质即可。如果充填介质没有完全填满溶洞，需要在顶部的洞口上方铺设一层聚氯乙烯防护膜5，并继续采用分层压实法制作溶洞上部模型体3(封顶层)。

本发明模拟水充填溶洞时，具体实施步骤如下：设置硅胶袋，在硅胶袋中充满有石蜡体，硅胶袋通过进出水管与水压控制系统4相连，硅胶袋满充填水后的形状和石蜡体的形状与所需空腔洞型相同，硅胶袋的袋厚为2mm，硅胶袋的顶部为水管接口，通过进出水管与水压控制系统4相连。

本发明还提供了一种模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统，该模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统具体包括如下组成部分：

1、试验台架1

试验台架1采用三维油藏地质力学模型试验台架1，试验台架1包括有底板以及设置在底板边缘并与底板垂直设置的侧板，侧板与底板构成一个腔体结构，即试验腔。在试验腔内，并在底板以及侧板的侧面上设置隔离纸或者隔离膜，然后根据上述方法在试验腔内制作模型体3。

2、模型体3

模型体3根据上述方法在试验台架1的试验腔内进行制作。在模型体3内设置有根据目标溶洞形状由受控抗压材料制成的溶洞模拟体2，由溶洞模拟体2在模型体3内形成用于模拟溶洞的空腔。

在本发明的一个具体实施方式中，溶洞模拟体2包括有可融化的结构体以及中空管，中空管与结构体连接、用于结构体的转移与热能量的导入，同时，在结构体的外侧包裹有柔性隔离材料。

具体地，结构体为由水冰冻制成的冰结构体，或，结构体为由蜡制成的蜡结构体。

具体地，柔性隔离材料为聚氯乙烯，或，柔性隔离材料为硅胶袋。

本发明在采用水或者蜡作为溶洞模拟体2的制作原料时，冰或者固体蜡受热才可以融化，那么，本发明就需要对溶洞模拟体2传导热量，其具体操作如下：使用钳子等工具固定中空管(中空管预设到溶洞模拟体2中)，然后将加热棒装入到中空管中，利用加热棒对溶洞模拟体2提供热能使其融化，为了加快溶洞模拟体2的融化速度，在使用加热棒加热一段时间后，溶洞模拟体2局部融化，然后将融化液体抽出，之后采用灌注热水的方式提供热量，从而达到加快溶洞模拟体2融化的目的。

作为本发明的优化实施方式中，本发明可以在溶洞模拟体2制作完成并包裹了聚氯乙烯防护膜5后，在溶洞模拟体2的外侧设置柔性加热带，由柔性加热带配合加热棒使用，能够提高对溶洞模拟体2的加热效率。

本发明中所使用的试验台架1为真三维油藏地质力学模型试验台架1，试验台架1具有试验腔，在试验腔内由相似材料采用分层压实法制作用于模拟油藏地质体的模型体3，在模型体3内设置了溶洞模拟体2，在将溶洞模拟体2从模型体3中取出后，模型体3内部形成的空腔即可模拟油藏地质体的充填油藏溶洞。

经实地勘探，如果充填油藏溶洞内充填介质为水，本发明将采用硅胶袋充填蜡作为溶洞模拟体2，将硅胶袋中的蜡加热融化抽出后，向硅胶袋注水，硅胶袋满充填水后形状与溶洞形状相近似。在本本发明中，硅胶袋的袋厚2mm，采用比较薄的硅胶袋，能够降低硅胶袋对试验的影响。在硅胶袋的顶部设置水管接口，通过水管接口与进出水管(水压控制系统4的组成部分)相连，水压控制系统4用于为硅胶袋提供试验所需水压力。根据溶洞充填介质的不同，本发明可以将水替换为其他流体，如油、页岩气等。

利用本发明的上述设计方案，可以模拟各类充填油藏溶洞，如此，本发明解决了不同充填油藏溶洞的模拟问题。与现有研究相比，本发明所模拟的溶洞与工程实际情况更加符合，所得的模型试验研究成果应用范围更广。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的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或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (11)

1.一种模拟不同充填状态溶洞的方法，其特征在于，包括：

根据目标溶洞形状采用受控抗压材料制作相同形状的溶洞模拟体，所述受控抗压材料为受控能够进行固相与液相相互转换的材料；

制作包裹所述溶洞模拟体的模型体，由所述溶洞模拟体在所述模型体内形成的空腔模拟所述目标溶洞。

2.根据权利要求1所述的模拟不同充填状态溶洞的方法，其特征在于，在制作包裹所述溶洞模拟体的模型体操作中，具体包括操作：

采用分层压实法制作地质体模拟层，在所述地质体模拟层上根据所述溶洞模拟体的形状挖出一个用于容纳所述溶洞模拟体的槽体结构，将所述溶洞模拟体放置于所述槽体结构中后，再将所述溶洞模拟体的周边采用分层压实法制作溶洞围岩模拟层直至埋没所述溶洞模拟体。

3.根据权利要求2所述的模拟不同充填状态溶洞的方法，其特征在于，所述溶洞模拟体包括：

结构体，其由固化的受控抗压材料制成；

柔性隔离材料，其包裹所述结构体；以及

中空管，其连接所述结构体以用于所述受控抗压材料的移除和/或供热介质的注入。

4.根据权利要求3所述的模拟不同充填状态溶洞的方法，其特征在于，包括：

所述柔性隔离材料为聚氯乙烯膜；

在所述溶洞围岩模拟层制作完成后，对所述受控抗压材料进行控制使其熔化，将熔化的所述受控抗压材料从所述模型体中取出形成所述空腔，以用于模拟无充填溶洞或固体充填溶洞。

5.根据权利要求2所述的模拟不同充填状态溶洞的方法，其特征在于，包括：

向所述空腔中填充固体介质，其中，若向所述空腔中填充的介质的总量小于所述空腔的容量，则在所述溶洞围岩模拟层上设置柔性隔离材料，用于覆盖所述空腔的开口。

6.根据权利要求3所述的模拟不同充填状态溶洞的方法，其特征在于，包括：

在将所述溶洞模拟体从所述模型体中取出形成所述空腔后，在所述溶洞围岩模拟层上采用分层压实法制作上覆地模拟层。

7.根据权利要求3所述的模拟不同充填状态溶洞的方法，其特征在于，包括：

所述柔性隔离材料为硅胶袋，在所述溶洞围岩模拟层制作完成后，在所述溶洞围岩模拟层上采用分层压实法制作上覆地模拟层；

对所述溶洞模拟体进行控制使其熔化，向所述硅胶带充入流体，用于模拟水或石油充填溶洞时溶洞内部具有压力的情况。

8.一种模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统，其特征在于，包括：

模型体；

溶洞模拟体，所述溶洞模拟体由受控抗压材料制成，所述溶洞模拟体的形状与目标溶洞形状相同，所述受控抗压材料为受控能够进行固相与液相相互转换的材料；

空腔，其由所述溶洞模拟体于所述模型体中熔化后形成。

9.根据权利要求8所述的模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统，其特征在于，包括：

所述溶洞模拟体包括有中空管以及能够熔化的结构体，于所述结构体的外侧包裹有柔性隔离材料，所述中空管与所述结构体连接、用于所述受控抗压材料的移除和/或供热介质的注入。

10.根据权利要求9所述的模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统，其特征在于，包括：

所述结构体为冰，或，所述结构体为固态蜡；以及

所述柔性隔离材料为聚氯乙烯隔离膜，或，所述柔性隔离材料为硅胶袋。

11.根据权利要求8至10任一项所述的模拟不同充填状态溶洞的物理模拟试验系统，其特征在于，还包括：

试验台架，所述试验台架具有试验腔，所述模型体设置于所述试验腔内。

Images