CN111596037B - 一种裂缝动态缝宽模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种裂缝动态缝宽模拟实验装置，属于石油与天然气工程领域。该实验装置包括底座、支撑架、供液箱、调压装置和两个夹持机构。两个夹持机构在左右方向上相对布置于底座，夹持机构包括基座、活动件、驱动件、弹性伸缩件和夹持件，基座连接于底座，活动件与基座通过驱动件连接，驱动件用于驱动活动件左右移动，弹性伸缩件可伸缩地连接于夹持件与活动件之间，两个夹持机构中的两个夹持件用于配合夹持两个岩石块。支撑架连接于底座。供液箱固定于支撑架，供液箱设有位于两个岩石块之间的缝隙的上方的出液孔。调压装置连接于供液箱，调压装置用于调节供液箱的出液压力。这种实验装置可模拟缝隙随着液体压力增加，地层裂缝的张开特性。

Description

一种裂缝动态缝宽模拟实验装置

技术领域

本申请涉及石油与天然气工程领域，具体而言，涉及一种裂缝动态缝宽模拟实验装置。

背景技术

在油气储层钻井和压裂技术中，地面高压泵向地层中注入工作液，具有一定流动压力的工作液迫使地层岩石中的天然裂缝张开，并且发生滤失。工作液滤失的关键是在地层应力条件下，具有一定流动压力的工作液迫使岩石裂缝张开，从而进入裂缝内部。

地层岩石中的裂缝模拟常规实验方法是将岩块加工成相互对应的两块岩心，放入岩心夹持器中，将夹持器置于压力机的上下两块夹板之间，利用压力机加压使对应两块岩心之间的缝隙在一定的闭合应力条件下发生闭合，在岩心夹持器前端设置驱替以一定的流量驱替液体，记录岩心夹持器前后两端的压力，获得模拟岩心裂缝的导流能力。该法主要用于模拟裂缝发生闭合时产生的导流能力，无法模拟缝隙随着液体压力增加，地层裂缝的张开特性。

发明内容

本申请实施例提供一种裂缝动态缝宽模拟实验装置，以改善现有模拟实验装置无法模拟地层裂缝随着液体压力增加时的张开特性的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种裂缝动态缝宽模拟实验装置，包括底座、支撑架、供液箱、调压装置和两个夹持机构；

两个夹持机构在左右方向上相对布置于所述底座，所述夹持机构包括基座、活动件、驱动件、弹性伸缩件和夹持件，所述基座连接于所述底座，所述活动件与所述基座通过所述驱动件连接，所述驱动件用于驱动所述活动件在所述左右方向上移动，所述弹性伸缩件在所述左右方向上可伸缩地连接于所述夹持件与所述活动件之间，两个所述夹持机构中的两个所述夹持件用于配合夹持两个岩石块；

支撑架连接于所述底座；

所述供液箱固定于所述支撑架，设有位于两个岩石块之间的缝隙的上方的出液孔；

调压装置连接于所述供液箱，用于调节所述供液箱的出液压力。

上述技术方案中，两个夹持机构中的两个夹持件起到夹持两个岩石块的作用，当需要加紧岩石块时，通过两个夹持机构中的两个驱动件分别驱动两个活动件相互靠近，以使两个夹持件对两个岩石块施加预压力，以模拟岩石块受到的侧向压力。试验时，供液箱中的液体通过出液孔进入到两个岩石块之间的缝隙内，通过调压装置可调节供液箱的出液压力，即调节从出液孔流出的液体的压力值。由于夹持件与活动件之间通过弹性伸缩件连接，当两个夹持件夹紧两个岩石块时，弹性伸缩件处于压缩状态，夹持件具有回退能力。随着液体压力的增加，夹持件受到来之液体的压力增加，使夹持件逐渐回退并继续压缩弹簧，两个岩石块之间的缝隙逐渐增大，记录多组液体压力值与两个岩石之间的缝隙宽度，得到缝隙随着液体压力增加的变化情况，模拟缝隙随着液体压力增加，地层裂缝的张开特性。

另外，本申请实施例提供的裂缝动态缝宽模拟实验装置还具有如下附加的技术特征：

在本申请的一些实施例中，所述基座在所述左右方向上可移动地设置于所述底座；

所述裂缝动态缝宽模拟实验装置还包括用于将所述基座与所述底座锁紧的锁紧装置。

上述技术方案中，基座在左右方向可移动地设置于底座，可对基座的位置进行调节，调节基座的位置后可通过锁紧装置锁紧。当需要在两个夹持件之间放置岩石块或取出岩石块时，可通过锁紧装置将基座释放，通过向外移动基座则可方便地将岩石块放置或取出，简化了操作工序。当需要通过夹持件将岩石块夹紧时，可先将基座向内移动到合适位置，通过锁紧装置将基座锁紧，再通过驱动件驱动活动件移动，以使夹持件夹紧岩石块。

在本申请的一些实施例中，所述夹持件为圆弧板；

所述圆弧板的轴线沿所述上下方向布置。

上述技术方案中，夹持件为轴线沿上下方向布置的圆弧板，这种结构的夹持件可对半圆形岩石块进行夹持。两个夹持件对两个岩石块进行夹持后，夹持件与岩石块均有较大的接触面积，不易将岩石块夹碎。

在本申请的一些实施例中，所述圆弧板的内表壁上设有用于放置岩石块的支撑体。

上述技术方案中，圆弧板的内表壁上设有支撑体，支撑体可对岩石块起到支撑限位作用，支撑体放置在支撑体上后，即使岩石块在受到液体较大的轴向压力也不会相对圆弧板向下移动。

在本申请的一些实施例中，所述支撑体包括沿所述圆弧板的轴线圆周间隔分布的多个承载杆。

上述技术方案中，支撑体包括沿圆弧板的轴线圆周间隔分布的多个承载杆，结构简单，各个承载杆均具有很好的承载能力，使得所有承载杆对岩石块具有很好的支撑能力。

在本申请的一些实施例中，所述底座的顶部设有位于两个岩石块之间的缝隙的下方的回收槽；

所述裂缝动态缝宽模拟实验装置还包括储液箱和泵送装置；

所述回收槽与所述储液箱通过回液管连通；

所述泵送装置用于将储液箱内的液体泵入至所述供液箱内。

上述技术方案中，由于底座的顶部设有位于两个岩石块之间的缝隙下方的回收槽，从两个岩石块之间的缝隙流出的液体将回流至回收槽。由于回收槽与储液箱通过回液管连通，进入回流槽内的液体可通过回液管进入储液箱内。进入储液箱内的液体可通过泵送装置泵入至供液箱内，供液箱内的液体再通过出液孔流入至两个岩石块之间的缝隙内，实现液体的循环利用。

在本申请的一些实施例中，所述回收槽的顶部开口处设有用于使两个岩石块存有缝隙的分隔件。

上述技术方案中，回收槽的顶部开口处设有分隔件，分隔件能够保持两个岩石块之间的初始缝隙，使得试验能够缩短一部分重复的压力操作。

在本申请的一些实施例中，所述弹性伸缩件包括固定筒、活动杆和弹性件；

所述固定筒固定于所述活动件，所述活动杆固定于所述夹持件，所述活动杆的一端可移动地插设于所述固定筒，所述弹性件位于固定筒内并作用于所述活动杆与所述固定筒之间。

上述技术方案中，活动杆的一端可移动地设置于固定筒内，弹性件位于固定筒内并作用于活动杆与固定筒之间，在驱动件驱动活动件移动使夹持件夹持岩石块的过程中，活动杆将相对固定筒移动，从而压缩位于固定筒内的弹性件，使弹性件蓄积弹性力，以使夹持件对岩石块始终保持挤压。这种弹性伸缩件结构简单，结构稳定性好。

在本申请的一些实施例中，所述裂缝动态缝宽模拟实验装置还包括两个弧形罩，一个弧形罩对应固定于一个基座上；

两个所述夹持件位于两个所述弧形罩限定的柱形空间内。

上述技术方案中，两个夹持件位于两个弧形罩限定的柱形空间内，两个弧形罩可对周围的试验人员进行保护，防止挤压破裂时的碎屑对工作人员造成伤害。

在本申请的一些实施例中，所述支撑架前后可移动地设置于所述底座。

上述技术方案中，支撑架可移动地设置于底座，即支撑架可前后移动，通过支撑架的前后移动可改变支撑架上的供液箱的位置，便于在两个夹持件之间放置岩石块或取出岩石块。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的裂缝动态缝宽模拟实验装置的结构示意图；

图2为图1所示的A处局部放大图；

图3为其他实施例提供的活动件、弹性伸缩件和夹持件三者的连接示意图；

图4为图1所示的夹持件的结构示意图。

图标：100-裂缝动态缝宽模拟实验装置；10-底座；11-回收槽；12-分隔件；121-底板；122-柱状凸起；13-T形槽；14-滑槽；20-支撑架；21-滑块；22-竖直板；23-水平板；24-拉手；30-供液箱；31-出液孔；40-调压装置；41-液压缸；42-活动板；50-夹持机构；51-基座；511-T形块；512-限位板；513-立板；52-活动件；521-导孔；522-伸缩限位件；53-驱动件；54-弹性伸缩件；541-固定筒；542-活动杆；543-弹性件；544-弹簧；55-夹持件；551-导向杆；552-支撑体；5521-承载杆；60-储液箱；61-回液管；62-流量计；70-泵送装置；71-进液管；72-开关阀；80-锁紧装置；90-弧形罩；200-岩石块；210-缝隙。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

实施例

如图1所示，本申请实施例提供一种裂缝动态缝宽模拟实验装置100，包括底座10、支撑架20、供液箱30、调压装置40和两个夹持机构50。

两个夹持机构50在左右方向上相对布置于底座10，夹持机构50包括基座51、活动件52、驱动件53、弹性伸缩件54和夹持件55，基座51连接于底座10，活动件52与基座51通过驱动件53连接，驱动件53用于驱动活动件52在左右方向上移动，弹性伸缩件54在左右方向上可伸缩地连接于夹持件55与活动件52之间，两个夹持机构50中的两个夹持件55用于配合夹持两个岩石块200。支撑架20连接于底座10。供液箱30固定于支撑架20，供液箱30设有位于两个岩石块200之间的缝隙210的上方的出液孔31。调压装置40连接于供液箱30，调压装置40用于调节供液箱30的出液压力。

两个夹持机构50中的两个夹持件55起到夹持两个岩石块200的作用，当需要加紧岩石块200时，通过两个夹持机构50中的两个驱动件53分别驱动两个活动件52相互靠近，以使两个夹持件55对两个岩石块200施加预压力，以模拟岩石块200受到的侧向压力。试验时，供液箱30中的液体通过出液孔31进入到两个岩石块200之间的缝隙210内，通过调压装置40可调节供液箱30的出液压力，即调节从出液孔31流出的液体的压力值。由于夹持件55与活动件52之间通过弹性伸缩件54连接，当两个夹持件55夹紧两个岩石块200时，弹性伸缩件54处于压缩状态，夹持件55具有回退能力。随着液体压力的增加，夹持件55受到来之液体的压力增加，使夹持件55逐渐回退并继续压缩弹簧544，两个岩石块200之间的缝隙210逐渐增大，记录多组液体压力值与两个岩石之间的缝隙210宽度，得到缝隙210随着液体压力增加的变化情况，模拟缝隙210随着液体压力增加，地层裂缝的张开特性。

本实施例中，底座10的顶部设有位于两个岩石块200之间的缝隙210的下方的回收槽11，回收槽11的顶部开口处设有用于使两个岩石块200存在缝隙210的分隔件12。分隔件12能够保持两个岩石块200之间的初始缝隙210，使得试验能够缩短一部分重复的压力操作。

其中，分隔件12包括底板121和设置于底板121上的柱状凸起122，柱状凸起122与底板121构成T形结构。底板121与回收槽11顶部开口处的槽壁连接固定，底板121并未完全遮挡回收槽11顶部的开口。在试验时，柱状凸起122位于两个岩石块200之间，将两个岩石块200保持一定缝隙210。

此外，裂缝动态缝宽模拟实验装置100还包括储液箱60和泵送装置70。回收槽11与储液箱60通过回液管61连通。泵送装置70用于将储液箱60内的液体泵入至供液箱30内。

在实验过程中，从两个岩石块200之间的缝隙210流出的液体将回流至回收槽11；进入回流槽内的液体可通过回液管61进入储液箱60内；进入储液箱60内的液体可通过泵送装置70泵入至供液箱30内，供液箱30内的液体再通过出液孔31流入至两个岩石块200之间的缝隙210内，实现液体的循环利用。

其中，泵送装置70为水泵，水泵位于储液箱60内，水泵的出液口通过进液管71与供液箱30连通。进液管71上设有开关阀72。回液管61上设有流量计62，用于计量从回收槽11进入储液箱60内的液体的流量。

本实施例中，基座51在左右方向可移动地设置于底座10，裂缝动态缝宽模拟实验装置100还包括用于将基座51与底座10锁紧的锁紧装置80。

基座51在左右方向可移动地设置于底座10，可对基座51的位置进行调节，调节基座51的位置后可通过锁紧装置80锁紧。当需要在两个夹持件55之间放置岩石块200或取出岩石块200时，可通过锁紧装置80将基座51释放，通过向外移动基座51则可方便地将岩石块200放置或取出，简化了操作工序。当需要通过夹持件55将岩石块200夹紧时，可先将基座51向内移动到合适位置，通过锁紧装置80将基座51锁紧，再通过驱动件53驱动活动件52移动，以使夹持件55夹紧岩石块200。

其中，基座51为板状结构，基座51设于底座10的上表面，基座51的底部设有T形块511，底座10的上表面上设有沿左右方向布置的T形槽13，T形块511可移动地卡于T形槽13内。基座51在左右方向上的一端设有限位板512，限位板512用于抵靠于底座10的一端面。当位于左侧的基座51的限位板512抵靠于底座10的一端面时，左侧的基座51则无法向右移动；当位于右侧的基座51的限位板512抵靠于底座10的另一端面时，右侧的基座51则无法向左移动。

本实施例中，锁紧装置80为螺接于基座51的锁紧螺钉。拧紧锁紧螺钉则将基座51于底座10锁紧，基座51则无法相对底座10移动；拧松锁紧螺钉则将基座51释放，基座51则可相对底座10移动。

需要说明的是，在其他实施例中，基座51也可以直接固定于底座10上。

基座51上固设有立板513，活动件52为与立板513平行布置的板状件，驱动件53连接于立板513与活动件52之间，活动件52的下端放置于基座51的上表面。示例性的，驱动件53为电动推杆，电动推杆的远端与立板513连接固定，电动推杆的另一端与活动件52连接固定，电动推杆工作则可实现活动件52的左右移动，当然，为进一步提高活动件52左右移动的稳定性，可在立板513上设置供活动件52左右移动的导杆。

本实施例中，如图2所示，弹性伸缩件54包括固定筒541、活动杆542和弹性件543。固定筒541固定于活动件52，活动杆542固定于夹持件55，活动杆542的一端可移动地插设于固定筒541，弹性件543位于固定筒541内并作用于活动杆542与固定筒541之间。

在驱动件53驱动活动件52移动使夹持件55夹持岩石块200的过程中，活动杆542将相对固定筒541移动，从而压缩位于固定筒541内的弹性件543，使弹性件543蓄积弹性力，以使夹持件55对岩石块200始终保持挤压。这种弹性伸缩件54结构简单，结构稳定性好。

示例性的，弹性件543为弹簧。

可理解的，活动件52与夹持件55之间的弹性伸缩件54可以是一个、两个、三个等。示例性的，活动件52与夹持件55之间的弹性伸缩件54为两个，两个弹性伸缩件54沿上下方向间隔布置。

需要说明的是，在其他实施例中，如图3所示，弹性伸缩件54也可以是其他结构，比如，弹性伸缩件54为弹簧544，弹簧544的一端与活动件52连接，弹簧544的另一端与夹持件55连接。在这种情况下，可在夹持件55上固设导向杆551，活动件52上设有导孔521，导向杆551插设于导孔521内，弹簧544套设于导向杆551的外侧。

本实施例中，如图4所示，夹持件55为圆弧板，圆弧板的轴线沿上下方向布置。这种结构的夹持件55可对半圆形岩石块200进行夹持。两个夹持件55对两个岩石块200进行夹持后，夹持件55与岩石块200均有较大的接触面积，不易将岩石块200夹碎。

此外，圆弧板的内表壁上设有用于放置岩石块200的支撑体552，支撑体552可对岩石块200起到支撑限位作用，支撑体552放置在支撑体552上后，即使岩石块200在受到液体较大的轴向压力也不会相对圆弧板向下移动。

支撑体552靠近于圆弧板的底端，支撑体552可以为多种结构。示例性的，支撑体552包括沿圆弧板的轴线圆周间隔分布的多个承载杆5521，这种支撑体552结构简单，各个承载杆5521均具有很好的承载能力，使得所有承载杆5521对岩石块200具有很好的支撑能力。在其他实施例中，支撑体552也可以为其他结构，比如，支撑体552为设置于圆弧板的内表壁上的板状件。

继续参照图1，本实施例中，裂缝动态缝宽模拟实验装置100还包括两个弧形罩90，一个弧形罩90对应固定于一个基座51上。两个夹持件55位于两个所述弧形罩90限定的柱形空间内。两个弧形罩90可对周围的试验人员进行保护，防止挤压破裂时的碎屑对工作人员造成伤害。

其中，弧形罩90上设有通孔，弹性伸缩件54的固定筒541位于弧形罩90的外侧，活动杆542的一端穿过弧形罩90的通孔与夹持件55连接固定。

此外，本实施例中，活动件52上固设有用于挤顶夹持件55的伸缩限位件522。当需要进行动态试验时，可使伸缩限位件522缩短，随着液体压力的增加，夹持件55逐渐回退并压缩弹簧544，以记录两个岩石之间的缝隙210的变化情况；当需要进行静态试验时，可使伸缩限位件522伸长并抵靠于岩石，阻止岩石向后移动，随着液体压力增加，夹持件不会回退，两个岩石之间的缝隙210保持不变，可用来测得岩石的导流能力。

示例性的，伸缩限位件522为液压缸。

其中，弧形罩90上设有供伸缩限位件522穿过的穿过孔。

本实施例中，支撑架20前后可移动地设置于底座10，即支撑架20可前后移动，通过支撑架20的前后移动可改变支撑架20上的供液箱30的位置，便于在两个夹持件55之间放置岩石块200或取出岩石块200。

其中，支撑架20的底部设有滑块21，底座10上设有供滑块21滑动的滑槽14，滑块21与滑槽14均为燕尾形。

支撑架20包括竖直板22和水平板23，水平板23的一端连接于竖直板22的顶端，滑块21固定于竖直板22的底端。竖直板22上设有用于拉动支撑架20的拉手24。

供液箱30固定于水平板23的下表面。

本实施例中，调压装置40包括液压缸41和活动板42，液压缸41位于供液箱30内，液压缸41固定于竖直板22的下表面，活动板42可移动地设置于供液箱30内，活动板42与供液箱30形成活动密封，液压缸41的活塞杆连接于活动板42。液压缸41工作使活动板42向下移动时，活动板42则可将供液箱30内的液体从出液孔31中压出，通过控制液压缸41则可实现对供液箱30内的液体的压力的调节。当然，液压缸41工作前，可先将进液管71上的开关阀72关闭，防止供液箱30内一部分液体从进液管71中流出。

此外，可在供液箱30内设置压力传感器，来测量液体的压力值。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种裂缝动态缝宽模拟实验装置，其特征在于，包括：

底座；

两个夹持机构，在左右方向上相对布置于所述底座，所述夹持机构包括基座、活动件、驱动件、弹性伸缩件和夹持件，所述基座连接于所述底座，所述活动件与所述基座通过所述驱动件连接，所述驱动件用于驱动所述活动件在所述左右方向上移动，所述弹性伸缩件在所述左右方向上可伸缩地连接于所述夹持件与所述活动件之间，两个所述夹持机构中的两个所述夹持件用于配合夹持两个岩石块，所述活动件上固设有用于挤顶所述夹持件的伸缩限位件；

支撑架，连接于所述底座；

供液箱，固定于所述支撑架，设有位于两个岩石块之间的缝隙的上方的出液孔；

调压装置，连接于所述供液箱，用于调节所述供液箱的出液压力；

储液箱和泵送装置，所述底座的顶部设有位于两个岩石块之间的缝隙的下方的回收槽；所述回收槽与所述储液箱通过回液管连通；所述泵送装置用于将储液箱内的液体泵入至所述供液箱内；以及

两个弧形罩，一个弧形罩对应固定于一个基座上；两个所述夹持件位于两个所述弧形罩限定的柱形空间内。

2.根据权利要求1所述的裂缝动态缝宽模拟实验装置，其特征在于，所述基座在所述左右方向上可移动地设置于所述底座；

所述裂缝动态缝宽模拟实验装置还包括用于将所述基座与所述底座锁紧的锁紧装置。

3.根据权利要求1所述的裂缝动态缝宽模拟实验装置，其特征在于，所述夹持件为圆弧板；

所述圆弧板的轴线沿上下方向布置。

4.根据权利要求3所述的裂缝动态缝宽模拟实验装置，其特征在于，所述圆弧板的内表壁上设有用于放置岩石块的支撑体。

5.根据权利要求4所述的裂缝动态缝宽模拟实验装置，其特征在于，所述支撑体包括沿所述圆弧板的轴线圆周间隔分布的多个承载杆。

6.根据权利要求1所述的裂缝动态缝宽模拟实验装置，其特征在于，所述回收槽的顶部开口处设有用于使两个岩石块存有缝隙的分隔件。

7.根据权利要求1所述的裂缝动态缝宽模拟实验装置，其特征在于，所述弹性伸缩件包括固定筒、活动杆和弹性件；

所述固定筒固定于所述活动件，所述活动杆固定于所述夹持件，所述活动杆的一端可移动地插设于所述固定筒，所述弹性件位于固定筒内并作用于所述活动杆与所述固定筒之间。

8.根据权利要求1所述的裂缝动态缝宽模拟实验装置，其特征在于，所述支撑架前后可移动地设置于所述底座。

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