CN110220835B - 一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置及参数计算方法 - Google Patents
一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置及参数计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置及参数计算方法，该装置包括：恒压腔、样品夹持器、进水管和出水管；恒压腔顶部和底部材质为透光材料；样品夹持器位于所述恒压腔内部，样品夹持器位于所述恒压腔内部，样品夹持器包括样品、第一多孔板、第二多孔板和热缩管，第一多孔板和第二多孔板固定于样品两侧，第一多孔板和第二多孔板用于控制水对样品的均匀渗流，热缩管套裹在所述第一多孔板、第二多孔板和样品组成的整体外部，进水管的一端与第一多孔板的进水端连接，第二多孔板的出水端与出水管一端连接，进水管的另一端和出水管的另一端延伸至恒压腔外部。本发明能够实现对样品三维渗流场分布的可视化。
Description
技术领域
本发明涉及能源开采实验的技术领域，特别是涉及一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置及参数计算方法。
背景技术
深地环境下多孔介质的渗流特性对石油、天然气、页岩气等资源的开采起到重要作用。当前室内试验中，对无应力条件下多孔介质的渗流特性研究较多，而对原位应力条件下多孔介质的渗流特性的相关研究较少，在原位应力条件下实现多孔介质渗流过程可视化的研究更加少见。利用激光共聚焦显微镜对处于原位应力条件下多孔介质样品进行分层扫描并通过三维重建技术能够实现样品三维渗流场分布的可视化，从而揭示其渗流特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置及参数计算方法，从而实现对样品三维渗流场分布的可视化。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置，包括：
恒压腔、样品夹持器、进水管和出水管；
所述恒压腔顶部和底部材质为透光材料；
所述样品夹持器位于所述恒压腔内部，所述样品夹持器包括样品、第一多孔板、第二多孔板和热缩管，所述第一多孔板有一个进水端和多个出水端，所述第二多孔板有一个出水端和多个进水端，所述第一多孔板和第二多孔板固定于样品两侧，所述第一多孔板和第二多孔板用于控制水对样品的均匀渗流，所述热缩管套裹在所述第一多孔板、第二多孔板和样品组成的整体外部，所述进水管的一端与第一多孔板的进水端连接，所述第二多孔板的出水端与出水管一端连接，所述进水管的另一端和出水管的另一端延伸至恒压腔外部。
可选的，所述样品夹持器还包括第一垫块和第二垫块，所述第一垫块与第一多孔板固定连接，所述第二垫块与第二多孔板固定连接，所述第一垫块和第二垫块上开有孔，所述进水管穿过第一垫块的孔与第一多孔板连接，所述出水管穿过第二垫块的孔与第二多孔板连接。
可选的，所述样品夹持器还包括第一托架和第二托架，所述第一托架一端与第一垫块固定连接，另一端与恒压腔固定连接，所述第二托架一端与第二垫块固定连接，另一端与恒压腔固定连接。
可选的，所述恒压腔顶部和底部材质为耐高压的透明玻璃，所述恒压腔的其余部分材质为聚氨酯材料。
可选的，所述耐高压的透明玻璃与聚氨酯材料的固定连接处为阶梯型结构。
可选的，所述热缩管由透明的聚四氟乙烯制成。
可选的，还包括第一计量泵和第二计量泵，所述第一计量泵用于对所述进水管的进水量进行计量，所述第二计量泵用于对所述出水管的出水管的出水量进行计量。
可选的，还包括压差计，所述压差计用于采集样品的进水端和出水端的压力变化。
可选的，还包括恒压泵，所述恒压泵用于向所述恒压腔内注入高压水以保持恒压腔的恒压状态。
一种原位应力下多孔介质渗流参数计算方法，应用于权利要求1-9任一项所述的原位应力条件下多孔介质的渗流装置，所述方法包括：
将样品加工成长方体薄片且将其上下表面磨平；
将第一多孔板和第二多孔板固定在样品的左右两侧，将第一垫块和第二垫块分别放置在第一多孔板和第二多孔板两侧，将进水管穿过第一垫块与第一多孔板进水端连接，将出水管穿过第二垫块与第二多孔板出水端连接，将热缩管包裹在所述第一多孔板、第二多孔板和样品组成的整体外部，将第一垫块和第二垫块放在托架上；
将恒压腔整体放在激光共聚焦显微镜的载物台上，对样品进行渗流前的扫描；
通过进水管向样品注入含有染色剂的高压水，并利用第一计量泵对注入样品的水量进行数据采集；
利用恒压泵向恒压腔内注入高压水，创造原位应力条件；
待含有染色剂的高压水流经样品一段时间后，进行激光共聚焦显微镜扫描，获得流体在样品孔隙中的流动途径和运移规律；
利用第二计量泵对输出样品的水量进行数据采集，并利用差压计采集样品进水端和出水端的压力变化；
根据第一计量泵、第二计量泵和差压计的数据计算相关渗流参数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明能够通过调整恒压腔、进水管以及出水管的压力，模拟地下不同深度的应力条件，再利用激光共聚焦显微镜对多孔介质样品进行多层扫描，通过三维重建技术展示样品所有微孔隙的完整三维立体结构特征，实现对原位应力条件下多孔介质的渗流特性的研究。
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绘制出其他的附图。
图1为本发明实施例一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置的纵剖面图；
图2为本发明实施例一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置的横剖面图；
图3为本发明实施例一种原位应力下多孔介质渗流参数计算方法的方法流程图；
1-恒压腔，2-耐高压透明玻璃，3-进水管，4-出水管，5-第一多孔板，6-样品，7-第二多孔板，8-第二垫块，9-第一垫块，10-热缩管，11-第二托架，12-第一托架，13-恒压泵，14、第一计量泵，15-第二计量泵，16-差压计。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明的目的是提供一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置及参数计算方法，从而实现对样品三维渗流场分布的可视化。
为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置的纵剖面图，图2为本发明实施例一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置的横剖面图；如图1和图2所示，本发明提供的原位应力条件下多孔介质的渗流装置，包括：
恒压腔1、样品夹持器、进水管3、出水管4、恒压泵13、第一计量泵14、第二计量泵15和差压计16。
其中，恒压腔1的顶部和底部材质为耐高压的透明玻璃2，这样有利于穿透激光，恒压腔1的其余部分材质为聚氨酯材料，且耐高压的透明玻璃2与聚氨酯材料连接的部分为阶梯状卡接，恒压腔1的顶部通过螺栓与恒压腔1的其余部分固定连接，恒压腔相对的上下两侧分别是激光源和载物台。
样品夹持器位于恒压腔1的内部，所述样品夹持器包括样品6、第一多孔板5、第二多孔板7、第一垫块9、第二垫块8、热缩管10、第一托架12和第二托架11；
其中，样品6为长方体薄片，通过改变样品6的大小可以改变进水管3和出水管4的长度，即样品6的大小可调，第一多孔板5有一个进水端和多个出水端，第二多孔板7有一个出水端和多个进水端，第一多孔板5的多个出水端和第二多孔板7的多个进水端在多孔板上均匀排布，能够实现水流的分流，即能够控制水对样品6的均匀渗流，第一多孔板的出水端通过胶水与样品6固定连接，第二多孔板的进水端通过胶水与样品6固定连接，所述进水管3的一端与第一多孔板5的进水端连接，所述第二多孔板7的出水端与出水管4一端连接，所述进水管3的另一端和出水管4的另一端延伸至恒压腔1外部，热缩管10套裹在所述第一多孔板5、第二多孔板7和样品6组成的整体外部，以防止恒压腔1内的高压水进入样品6内，热缩管10由透明的聚四氟乙烯制成，有利于激光穿透；
第一垫块9和第二垫块8采用耐高压、强度高的材料如不锈钢、碳纤维复合材料等制成，具有较高的强度，可承受较大压力；第一垫块9与第一多孔板5固定连接，第二垫块8与第二多孔板7固定连接，第一垫块9和第二垫块8上开有孔，所述进水管3穿过第一垫块9的孔与第一多孔板5的进水端连接，所述出水管4穿过第二垫块8的孔与第二多孔板7的出水端连接；第一垫块9和第二垫块8用于固定第一多孔板5、第二多孔板7和样品6组成的整体，并作为与托架固定连接的载体；
第一托架12的一端与第一垫块9固定连接，另一端与恒压腔1固定连接，所述第二托架11一端与第二垫块8固定连接，另一端与恒压腔1固定连接；
第一计量泵14、第二计量泵15和压差计16均位于恒压腔1的外部，其中，第一计量泵14连接于进水管3上，用于对进水管3的进水量进行计量，第二计量泵15连接于出水管4上，用于对出水管4的出水管的出水量进行计量；压差计16用于采集样品的进水端和出水端的压力变化；恒压泵13用于向所述恒压腔1内注入高压水以保持恒压腔1的恒压状态。
本发明的装置能够通过调整恒压腔和进水管、出水管的压力大小，模拟地下不同深度的应力条件，利用激光共聚焦显微镜对多孔介质样品进行多层扫描，并通过三维重建技术清晰展示样品所有微孔隙的完整三维立体结构特征。
图3为本发明实施例一种原位应力下多孔介质渗流参数计算方法的方法流程图。如图3所示的一种原位应力下多孔介质渗流参数计算方法包括：
301将样品加工成长方体薄片且将其上下表面磨平；
302将第一多孔板和第二多孔板固定在样品的左右两侧，将第一垫块和第二垫块分别放置在第一多孔板和第二多孔板两侧，将进水管穿过第一垫块与第一多孔板进水端连接，将出水管穿过第二垫块与第二多孔板出水端连接，将热缩管包裹在所述第一多孔板、第二多孔板和样品组成的整体外部，将第一垫块和第二垫块放在托架上；
303将恒压腔整体放在激光共聚焦显微镜的载物台上，对样品进行渗流前的扫描；
304通过进水管向样品注入含有染色剂的高压水，并利用第一计量泵对注入样品的水量进行数据采集；
305利用恒压泵向恒压腔内注入高压水，创造原位应力条件；
306待含有染色剂的高压水流经样品一段时间后，进行激光共聚焦显微镜扫描，获得流体在样品孔隙中的流动途径和运移规律；
307利用第二计量泵对输出样品的水量进行数据采集，并利用差压计采集样品进水端和出水端的压力变化；
308根据第一计量泵、第二计量泵和差压计的数据计算相关渗流参数。
其中渗流参数的具体计算方法如下：
利用立方定律计算水力孔径和渗透率：
水力孔径：
渗透率：
其中：BHyd为水力孔径，μ为水的粘度(Pa·s)，Q为水的流速(m3/s)，ΔP为压力差(Pa)，L为样品的长度(m)，W为样品的宽度(m)；水的流速通过第一计量泵和第二计量泵读数差值与时间的比值得到，压力差ΔP可以通过压差计获得。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的***相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.应用于一种原位应力下多孔介质渗流可视化装置的原位应力下多孔介质渗流参数计算方法，其特征在于，所述原位应力下多孔介质渗流可视化装置包括：
恒压腔、样品夹持器、进水管和出水管；
所述恒压腔顶部和底部材质为透光材料；
所述样品夹持器位于所述恒压腔内部，所述样品夹持器包括样品、第一多孔板、第二多孔板和热缩管，所述样品为上下表面磨平的长方体薄片，所述第一多孔板有一个进水端和多个出水端，所述第二多孔板有一个出水端和多个进水端，所述第一多孔板和第二多孔板通过胶水固定于样品两侧，所述第一多孔板和第二多孔板用于控制水对样品的均匀渗流，所述热缩管套裹在所述第一多孔板、第二多孔板和样品组成的整体外部，所述进水管的一端与第一多孔板的进水端连接，所述第二多孔板的出水端与出水管一端连接，所述进水管的另一端和出水管的另一端延伸至恒压腔外部；
所述样品夹持器还包括第一垫块和第二垫块，所述第一垫块与第一多孔板固定连接，所述第二垫块与第二多孔板固定连接，所述第一垫块和第二垫块上开有孔，所述进水管穿过第一垫块的孔与第一多孔板连接，所述出水管穿过第二垫块的孔与第二多孔板连接；
所述样品夹持器还包括第一托架和第二托架，所述第一托架一端与第一垫块固定连接，另一端与恒压腔固定连接，所述第二托架一端与第二垫块固定连接，另一端与恒压腔固定连接；
其中，所述原位应力下多孔介质渗流参数计算方法包括：
将样品加工成长方体薄片且将其上下表面磨平；
将第一多孔板和第二多孔板固定在样品的左右两侧，将第一垫块和第二垫块分别放置在第一多孔板和第二多孔板两侧，将进水管穿过第一垫块与第一多孔板进水端连接，将出水管穿过第二垫块与第二多孔板出水端连接，将热缩管包裹在所述第一多孔板、第二多孔板和样品组成的整体外部，将第一垫块和第二垫块放在托架上；
将恒压腔整体放在激光共聚焦显微镜的载物台上，对样品进行渗流前的扫描；
通过进水管向样品注入含有染色剂的高压水，并利用第一计量泵对注入样品的水量进行数据采集；
利用恒压泵向恒压腔内注入高压水，创造原位应力条件；
待含有染色剂的高压水流经样品一段时间后，进行激光共聚焦显微镜扫描，获得流体在样品孔隙中的流动途径和运移规律；
利用第二计量泵对输出样品的水量进行数据采集，并利用差压计采集样品进水端和出水端的压力变化；
根据第一计量泵、第二计量泵和差压计的数据计算相关渗流参数。
2.根据权利要求1所述的原位应力下多孔介质渗流参数计算方法，其特征在于，所述恒压腔顶部和底部材质为耐高压的透明玻璃，所述恒压腔的其余部分材质为聚氨酯材料。
3.根据权利要求2所述的原位应力下多孔介质渗流参数计算方法，其特征在于，所述耐高压的透明玻璃与聚氨酯材料的固定连接处为阶梯型结构。
4.根据权利要求1所述的原位应力下多孔介质渗流参数计算方法，其特征在于，所述热缩管由透明的聚四氟乙烯制成。
5.根据权利要求1所述的原位应力下多孔介质渗流参数计算方法，其特征在于，还包括第一计量泵和第二计量泵，所述第一计量泵用于对所述进水管的进水量进行计量，所述第二计量泵用于对所述出水管的出水管的出水量进行计量。
6.根据权利要求1所述的原位应力下多孔介质渗流参数计算方法，其特征在于，还包括压差计，所述压差计用于采集样品的进水端和出水端的压力变化。
7.根据权利要求1所述的原位应力下多孔介质渗流参数计算方法，其特征在于，还包括恒压泵，所述恒压泵用于向所述恒压腔内注入高压水以保持恒压腔的恒压状态。
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