CN111239021B - 模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器，包括长方形箱体，箱体左右两端分别开设流体入口和流体出口，流体入口连接流体入口端活塞，流体出口连接流体出口端活塞，活塞内部流体流道设置为喇叭口形状导流槽，两活塞之间的空腔为岩板室；岩板室内安装一对水平重叠放置的长方形岩板，岩板上平行于岩板长度方向的4个侧面完全粘贴覆盖有耐腐蚀胶皮，胶皮外侧覆盖钢板，箱体上与钢板正对的4个侧面均垂直安装有紧固螺杆，通过调整上下侧面的紧固螺杆可以改变两岩板之间的间隙，模拟不同裂缝宽度；通过调整前后侧面的紧固螺杆，推动钢板挤压胶皮而密封岩板侧面。本发明的平板夹持器用于裂缝介质中多相流体对各种岩石材质裂缝的物理化学作用实验模拟。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器及其使用方法，尤其涉及工程领域模拟在地下岩石裂缝中多相流体流动的平板夹持器装置和使用方法。
背景技术
地下岩石裂缝中的多相流动现象在涉及地下岩石的各工程领域普遍存在，如：CO2地下封存时，CO2与地层水在裂缝中的气-液两相流动(张志雄,谢健,戚继红,等.地质封存二氧化碳沿断层泄漏数值模拟研究[J].水文地质工程地质,2018,45(02):109)；油气层CO2泡沫压裂时，压裂液与CO2混合形成气-液两相在水力裂缝中流动(刘通义，陈光杰，谭坤.深部气藏CO2泡沫压裂工艺技术[J].天然气工业,2007,27(8):88-90)；油气层CO2伴注酸压时，酸液与CO2形成液态酸液与超临界CO2混合流体在水力裂缝中流动反应(Sanchez Bernal,M.,Tate,J.,Idris,M.,Soriano,J.E.,Lopez,A.E.,&Fatkhutdinov,D..Acid FracturingTight Gas Carbonates Reservoirs Using CO2 to Assist Stimulation Fluids:AnAlternative to Less Water Consumption while Maintaining Productivity[C].SPE172913-MS)；气井生产过程中，天然气与地层水、压裂液、裂缝壁面岩石破碎微粒在水力裂缝中的气-液-固三相流动(许拓拓.气液固三相流动机理及产水气井携砂规律研究[M].中国石油大学(华东),2016)。
裂缝中的流体多相流动行为明显不同于单向流动行为，实验模拟裂缝中的多相流动现象是认识地下岩石裂缝中多相流动机理的最直接手段，可为相关的工程设计提供直接指导。平板夹持器是实现多相流实验模拟的核心部件。申请号201711120544.1的专利提供了模拟页岩储层裂缝中气水两相流动的三轴岩心夹持器，但该夹持器所持岩样为柱塞页岩，该装置可以模拟小尺度页岩裂缝中气-水两相流动过程，但难以模拟多相流体在碳酸盐岩裂缝中的流动反应过程。申请号201010203373.0的专利提供了一种模拟酸液在裂缝中流动反应的平板夹持器，但该平板夹持器以及现有的其它类似夹持器存在以下不足：①夹持器腔室为长圆弧柱体形状，岩样需要从柱体腔室上、下部分别装入，再安装上、下两只长圆弧柱体活塞，而每只活塞仅有一级胶圈进行密封，实验表明该装置在模拟气液两相流动反应时极易造成流体泄露，存在严重安全隐患；②岩石样品采取垫片方式设置裂缝宽度，然后将岩样装入夹持器，然装载岩样过程中，裂缝宽度受人为因素影响变化较大，难以准确达到实验预先设置值；③平板夹持器采用与岩样刚性接触密封的方式对岩样进行密封，岩板表面的环氧树脂灌封胶遇高腐蚀性多相流体(如酸液与CO2混合)易发生严重膨胀，均会造成腐蚀流体从岩样侧面漏失。
因此亟需研发设计一种多功能的用于模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器，使其既能模拟岩样裂缝中多相流动的物理过程，更能模拟岩样裂缝中多相流体与裂缝壁面岩石的化学反应过程。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中平板夹持器不能用于高腐蚀性多相流体在裂缝中流动的模拟实验的技术缺陷，提供一种用于模拟多相流体在裂缝中流动的多功能平板夹持器。
技术方案具体如下：
本发明提供的模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器结构主要包括长方形箱体，箱体左右侧面分别开设流体入口和流体出口，流体入口连接流体入***塞，流体出口连接流体出***塞，两活塞的形状结构相同，活塞内部流体流道设置为喇叭口形状导流槽，两活塞的喇叭口相对设置，两活塞之间的空腔为长方体岩板室。所述箱体左侧面或右侧面上沿流体流动方向开设用于***电加热棒的加热孔。
所述岩板室内安装一对水平重叠放置的长方形岩板，两岩板之间留有间隙用于模拟裂缝宽度，岩板上平行于岩板长度方向的四侧面完全粘贴覆盖有耐腐蚀胶皮，胶皮外侧覆盖钢板，四个侧面的钢板将岩板包裹。箱体上与钢板正对的四个侧面上开设若干圆孔，圆孔内安装垂直与所在的箱体侧面及钢板的紧固螺杆，螺杆末端与钢板接触。通过调整上下侧面的紧固螺杆可以改变两岩板之间的间隙，模拟不同裂缝宽度。通过调整前后侧面的紧固螺杆，推动钢板挤压胶皮而密封岩板侧面；箱体的上下侧面紧固螺杆至少2个，且在螺杆上部设置有测量长度的刻度，精度为1mm。前后侧面的紧固螺杆至少4个；所有紧固螺杆下部有2个密封槽，密封槽内安装密封胶圈。
优选的是，所述箱体左右侧面中心开设流体入口和流体出口，流体入口和流体出口位置通过内六方螺栓安装底座，底座中心开设有垂直于箱体侧面的流体流道，流体流道与两岩板之间的间隙正对并连通；底座外侧通过内六方螺栓安装流体入口端活塞或流体出口端活塞，活塞的喇叭口与底座中心的流体流道口正对并连通，活塞的喇叭口与底座的流体流道口的形状尺寸相同。
进一步优选的是，所述底座包括底板和位于底板一侧与底板垂直连接的堵头，底板和堵头一体成型，堵头***流体入口或流体出口将其完全封堵，底板位于箱体外部且紧贴箱体侧面，通过内六方螺栓将底板和箱体侧面固定连接，底板外侧通过内六方螺栓连接进流体活塞或流体出口端活塞。所述岩板左右侧面与堵头接触位置设置密封胶圈，箱体左右侧面与底板连接位置设置密封胶圈，底板外侧与流体入口端活塞或流体出口端活塞连接处设置密封胶圈。
优选的是，所述箱体上下侧面分别设置3个紧固螺杆，3个螺杆位于平行于箱体侧面长边的中心线上且等间距分布。所述箱体前后侧面分别设置6个紧固螺杆，6个紧固螺杆呈上下两排分布，一排3个螺杆，且等间距分布。
上述的模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器的使用方法，步骤如下：
(1)制备符合平板夹持器内岩板室尺寸的一对矩形岩板样品；
(2)将一对岩板水平重叠放置并在两岩板之间保留间距wo，且wo大于实验设计裂缝宽度为w，在重叠放置的岩板平行于多相流体的4个侧面上粘贴等面积耐腐蚀胶皮，然后用钢板包被4个侧面后，水平放置于平板夹持器的岩板室内；
(3)平板夹持器箱体的前后侧面和上下侧面上与钢板正对的位置垂直安装紧固螺栓，旋转推动前后侧面的紧固螺杆以推动钢板移动挤压胶皮，固定密封岩板；
(4)旋转上下侧面的紧固螺杆直至与钢板接触，记录刻度值S，紧固螺栓至刻度为wo-w+S，使得裂缝缝宽值达到实验设计缝宽w；
(5)采用内六方螺栓分别将流体入口端活塞、流体出口端活塞固定于箱体的流体入口、流体出口，完成平板夹持器安装。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)平板夹持器取消上、下活塞密封方式，采用整体加工成型，利用多相流体进、出端口装载岩样，夹持器主体4个面分别采用多个装有两级密封胶环的螺栓固定岩样位置，同时夹持器两端流体入口端活塞、流体出口端活塞也采用两级密封方式，以上改进措施最大限度确保了夹持器的密封性，无安全隐患；(2)紧固螺栓上部刻有精度1mm的刻度，准确计量螺栓松紧程度，可实现对样品裂缝的动态控制，确保模拟多相流体流动实验中裂缝的可控；(3)密封胶圈采用耐腐蚀、耐穿透材质，确保了适用多相流体的多样性，可以是不具备腐蚀性的气、液两相的组合，也可以是具备腐蚀性的气、液两相的组合；(4)不仅可以模拟多相流在不同岩石材质中的物理流动过程，也可以模拟其流动反应的物理、化学反应过程。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1、本发明提供的模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器的外形结构示意图。
图2、本发明提供的模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器的内部结构示意图。
图3、流体出口端或流体入口端活塞与底座的结构图。
图4、图1所示夹持器沿C-C纵向截面的截面图。
图5、图1所示夹持器沿A-A水平截面的截面图。
图6、图1所示夹持器沿B-B纵向截面的截面图。
图中标号：
长方形箱体1、内六方螺栓2、底座3、流体流道4、流体入口端活塞5、流体出口端活塞6、喇叭口形状导流槽7、岩板8、胶皮9、钢板10、紧固螺杆11、密封胶圈12、加热孔13、底板14、堵头15、连接头16、刻度17、间隙18。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～图6所示，本发明提供的模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器结构主要包括长方形箱体1，箱体左右侧面中心分别开设流体入口和流体出口，流体入口和流体出口位置分别通过内六方螺栓2安装底座3，底座中心开设有垂直于箱体侧面的流体流道4。流体入口的底座外侧通过内六方螺栓安装流体入口端活塞5，流体出口的底座外侧通过内六方螺栓安装流体出口端活塞6。两活塞的形状结构相同，活塞内部流体流道设置为喇叭口形状导流槽7，两活塞的喇叭口相对设置，两活塞之间的空腔为长方体岩板室。活塞的喇叭口与底座中心的流体流道口正对并连通，活塞的喇叭口与底座的流体流道口的形状尺寸相同。流体入口端活塞和流体出口端活塞上喇叭口所在的一端端口连接有板状连接头16，连接头上有螺栓孔，连接头与活塞一体成型，流体入口端活塞和流体出口端活塞通过连接头16与底座进行密封连接。
所述岩板室内安装一对水平重叠放置的长方形岩板8，两岩板之间留有间隙18用于模拟裂缝宽度。两岩板之间的间隙与流体流道4正对并连通。岩板上平行于岩板长度方向的4个侧面完全粘贴覆盖有耐腐蚀胶皮9，胶皮外侧覆盖钢板10，4个侧面的钢板将岩板完全包裹。箱体上与钢板正对的4个侧面上开设若干圆孔，圆孔内安装紧固螺杆11，紧固螺杆垂直于所在箱体侧面以及针对的钢板，螺杆末端与钢板接触。通过调整上下侧面的紧固螺杆可以改变两岩板之间的间隙，模拟不同裂缝宽度。通过调整前后侧面的紧固螺杆，推动钢板挤压胶皮而密封岩板侧面。箱体的上下侧面紧固螺杆至少有2个，且在螺杆上部设置有测量长度的刻度17，精度为1mm。前后侧面的紧固螺杆至少4个。所有紧固螺杆下部不同位置设有2个密封槽，密封槽内安装密封胶圈12。优选的是，所述箱体上下侧面分别设置3个紧固螺杆，3个螺杆位于平行于箱体侧面长边的中心线上且等间距分布。所述箱体前后侧面分别设置6个紧固螺杆，6个紧固螺杆呈上下两排分布，一排3个螺杆，且等间距分布。
所述箱体左侧面或右侧面上沿流体流动方向开设用于***电加热棒的加热孔13。
在另一实施例中，所述底座包括底板14和位于底板一侧与底板垂直连接的堵头15，底板和堵头一体成型，堵头***流体入口或流体出口将其完全封堵，底板位于箱体外部且紧贴箱体侧面，通过内六方螺栓将底板和箱体侧面固定连接，底板外侧通过内六方螺栓连接流体入口端活塞或流体出口端活塞。所述岩板左右侧面与堵头接触位置设置密封胶圈12，箱体左右侧面与底板连接位置设置密封胶圈12，底板外侧与流体入口端活塞或流体出口端活塞连接处设置密封胶圈12。
上述的模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器的安装方法，步骤如下：
(1)制备符合平板夹持器内岩板室尺寸的一对矩形岩板样品；
(2)将一对岩板水平重叠放置并在两岩板之间保留间距wo，且wo大于实验设计裂缝宽度为w，在重叠放置的岩板平行于多相流体的4个侧面上粘贴等面积耐腐蚀胶皮，然后用钢板包被4个侧面后，水平放置于平板夹持器的岩板室内；
(3)平板夹持器箱体的前后侧面和上下侧面上与钢板正对的位置垂直安装紧固螺栓，旋转推动前后侧面的紧固螺杆以推动钢板移动挤压胶皮，固定密封岩板；
(4)旋转上下侧面的紧固螺杆直至与钢板接触，记录刻度值S，紧固螺栓至刻度为wo-w+S，使得裂缝缝宽值达到实验设计缝宽w；
(5)采用内六方螺栓分别将流体入口端活塞、流体出口端活塞固定于箱体的流体入口、流体出口，完成平板夹持器安装。
本发明中，平板夹持器主体箱体的左右侧面流体入口、流体出口与底座之间依靠密封胶圈密封，通过内六方螺栓紧固确保底座与平板夹持器进/流体出口、底座与进液/流体出口端活塞接触点密封性，防止多相流体泄露。平板夹持器内腔放置实验岩板样品，岩板平行于多相流体流向的4个侧面粘贴覆盖等面积的防腐蚀、防溶胀胶皮，通过平板夹持器的紧固螺杆推动钢板挤压胶皮实现岩板侧面密封，确保多相流体仅沿预留裂缝流动反应。所有密封胶圈、胶皮均采用耐腐蚀、耐气体穿透材质，能较大程度减缓多相流体中腐蚀性液体、高穿透性气体对胶圈的腐蚀和溶胀。紧固螺杆上部刻有精度1mm的刻度，准确计量螺栓松紧程度，可实现对样品裂缝的动态控制，确保模拟多相流体流动实验中裂缝的可控性。确保了夹持器内部装载岩板样品的多样性，夹持器可适用于各种多相流体对各种岩石材质裂缝的物理化学作用模拟。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器，其特征在于，包括长方形箱体，箱体左右侧面中心开设流体入口和流体出口，流体入口和流体出口位置通过内六方螺栓安装底座，底座中心开设有垂直于箱体侧面的流体流道；底座外侧通过内六方螺栓安装流体入口端活塞或流体出口端活塞，两活塞的形状结构相同，活塞内部的流体流道设置为喇叭口形状导流槽，两活塞的喇叭口相对设置，两活塞之间的空腔为长方体岩板室；活塞的喇叭口与底座中心的流体流道口正对并连通，活塞的喇叭口与底座的流体流道口的形状尺寸相同；
所述底座包括底板和位于底板一侧与底板垂直连接的堵头，底板和堵头一体成型，堵头***流体入口或流体出口将其完全封堵，底板位于箱体外部且紧贴箱体侧面，通过内六方螺栓将底板和箱体侧面固定连接，底板外侧通过内六方螺栓连接流体入口端活塞或流体出口端活塞；
所述岩板室内安装一对水平重叠放置的长方形岩板，两岩板之间留有间隙用于模拟裂缝宽度，两岩板之间的间隙与流体流道正对并连通，岩板上平行于岩板长度方向的4个侧面完全粘贴覆盖有耐腐蚀胶皮，胶皮外侧覆盖钢板，4个侧面的钢板将岩板包裹，箱体上与钢板正对的4个侧面均垂直安装有紧固螺杆，螺杆末端与钢板接触，通过调整上下侧面的紧固螺杆可以改变两岩板之间的间隙，模拟不同裂缝宽度；通过调整前后侧面的紧固螺杆，推动钢板挤压胶皮而密封岩板侧面；箱体的上下侧面紧固螺杆至少有2个，且在螺杆上部设置有测量长度的刻度，精度为1mm；前后侧面的紧固螺杆至少4个；所有紧固螺杆上套设有密封胶圈；
所述岩板左右侧面与堵头接触位置设置密封胶圈，箱体左右侧面与底板连接位置设置密封胶圈，底板外侧与流体入口端活塞或流体出口端活塞连接处设置密封胶圈。
2.如权利要求1所述的模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器，其特征在于，所述箱体左侧面或右侧面上开设用于***电加热棒的加热孔。
3.如权利要求1所述的模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器，其特征在于，所述箱体上下侧面分别设置3个紧固螺杆，3个螺杆位于平行于箱体侧面长边的中心线上且等间距分布。
4.如权利要求3所述的模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器，其特征在于，所述箱体前后侧面分别设置6个紧固螺杆，6个紧固螺杆呈上下两排分布，一排3个螺杆，且等间距分布。
5.如权利要求4所述的模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器，其特征在于，所述紧固螺杆下部有2个密封槽，密封槽内安装密封胶圈。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的模拟多相流体在裂缝中流动的平板夹持器的使用方法，其特征在于，步骤如下：
(1)制备符合平板夹持器内岩板室尺寸的一对矩形岩板样品；
(2)将一对岩板水平重叠放置并在两岩板之间保留间距wo，且wo大于实验设计裂缝宽度为w，在重叠放置的岩板的平行于多相流体的4个侧面上粘贴等面积耐腐蚀胶皮，然后用钢板包被4个侧面后，水平放置于平板夹持器的岩板室内；
(3)平板夹持器箱体的前后侧面和上下侧面上与钢板正对的位置垂直安装紧固螺栓，旋转推动前后侧面的紧固螺杆以推动钢板移动挤压胶皮，固定密封岩板；
(4)旋转上下侧面的紧固螺杆直至与钢板接触，记录刻度值S，紧固螺栓至刻度为wo-w+S，使得裂缝缝宽值达到实验设计缝宽w；
(5)采用内六方螺栓分别将流体入口端活塞、流体出口端活塞固定于箱体的流体入口、流体出口，完成平板夹持器安装。
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