CN111810104B - 一种可动态变形的裂缝模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可动态变形的裂缝模拟装置，包括裂缝模拟体和用于支撑该裂缝模拟体的支架，裂缝模拟体为柔性板状并竖向设置，裂缝模拟体的上边缘和下边缘分别与支架通过平面滑动机构连接，以允许裂缝模拟体的上边缘和下边缘在水平方向局部或整体发生横向或纵向移动，从而引起裂缝模拟体弯曲或扭转变形。本发明的有益效果：裂缝模拟体具有形态适应性，能够模拟各种不同形态的裂缝，同时便于研究支撑剂的运移和铺置与裂缝形态之间的相互影响，还可以研究外加力以模拟地应力对裂缝中支撑剂铺置规律的影响，提供更复杂、更贴近实际情形的试验条件。
Description
技术领域
本发明属于油气储层压裂实验装置领域，具体涉及一种三维可移动式柔性裂缝模拟装置。
背景技术
低渗透率、低孔隙度的非常规油气占总油气资源比例较大，目前来看，有效开发非常规油气资源的主要手段是水平井和水力压裂技术。但是对于水力压裂技术，如何准确评价不同压裂模式以及了解支撑剂在裂缝传输铺置过程尤为重要。因此开展实验室条件下开展可视化的压裂裂缝评价，研究对压裂方案进行优化具有重要意义，而目前实验室裂缝模拟装置是在固有条件下已存在的裂缝形态下进行模拟支撑剂随压裂液传输，裂缝本身形态特点是固定的。一方面，只能研究固有裂缝中支撑剂的运移和铺置，对于不同形态的裂缝，则需要分别设计和制作相应的装置，非常不便；另一方面，真实压裂过程中，受地层应力各向异性和储层所发育的天然裂缝影响，水力裂缝扩展方式和方向存在很大随机性并可能产生次级裂缝，从而使得裂缝的总体形态发生很大程度的改变，这一变化又反过来影响支撑剂的运移，而现有的装置无法模拟这个过程。
例如，专利文献CN104237460A公开了一种模拟体积压裂复杂缝网支撑剂沉降规律的装置，其包括围挡组成的主裂缝、与主裂缝垂直相连的二级裂缝、与主裂缝平行并通过二级裂缝相连的三级裂缝。该装置整体结构能够充分模拟地下储层不同类型的裂缝网络，并能够直观观察支撑剂沉降过程，但裂缝形态不发生变化，并且不能模拟伴随支撑剂的传输铺置时裂缝自然扩展和发生形态变化的过程。
专利文献CN105275444A公开了一种可视化模拟动态单缝内支撑剂沉降规律的装置，其以由硅胶环封闭连接的两块面板形成人工裂缝，利用硅胶环的弹性实现面板由最初闭合到受到流体压力的冲击而张开的过程，能够实现和记录支撑剂在裂缝动态张开情况下的可视化动态铺置。但裂缝形状总体仍是固定状态，不能反应实际情况下裂缝扩展变形的过程。
因此，设计一种柔性可变形的裂缝模拟装置非常有意义，可以预设其形态研究不同形态裂缝中支撑剂的运移规律，能在实验过程中快速且灵活的调整裂缝形态，模拟裂缝随机扩展特性对支撑剂运移影响，还可以模拟局部裂缝区域受地应力干扰下自由变形，从而更好地在实验室条件下研究裂缝动态变形对支撑剂运移规律的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可动态变形的裂缝模拟装置。
其技术方案如下：
一种可动态变形的裂缝模拟装置，包括裂缝模拟体和用于支撑该裂缝模拟体的支架，其关键在于，所述支架包括两块上下相对设置的基板，两块所述基板通过立柱连接；
所述裂缝模拟体为柔性板状，所述裂缝模拟体竖向设置，所述裂缝模拟体的上边缘和下边缘分别与所述支架通过平面滑动机构连接；
所述平面滑动机构包括滑动头和导轨阵列，所述滑动头分别设置在所述裂缝模拟体的上边缘和下边缘，所述导轨阵列分别设置在所述基板上；
每个所述导轨阵列包括交叉设置在同一所述基板的同一面并相互连通的至少两条滑道，所述滑道内嵌设有所述滑动头。
采用以上设计，其优点在于支架和平面滑动机构对裂缝模拟体起到支撑作用，同时允许所述裂缝模拟体的上边缘和下边缘在水平方向局部或整体发生移动，从而引起所述裂缝模拟体弯曲或扭转变形，使得裂缝模拟体具有形态适应性，能够模拟各种不同形态的裂缝，同时便于研究支撑剂的运移和铺置与裂缝形态之间的相互影响。
作为优选技术方案，上述基板朝向所述裂缝模拟体的一面上阵列分布有导轨球，任意相邻的两个所述导轨球与所述基板之间的区域相连通以形成所述滑道；
所述滑动头为球状，所述滑动头通过第一连接柱连接在所述裂缝模拟体边缘，所述滑动头嵌设在与其相邻的所述导轨球之间。
采用以上设计，通过阵列分布的导轨球对滑动头进行约束防止脱出，并允许其沿着横向和纵向自由移动。
作为优选技术方案，位于所述基板同一面上的所有所述导轨球呈矩形阵列排布，以形成横向的和纵向的所述滑道。
采用以上设计，便于滑动头沿着横向和纵向自由滑动。
作为优选技术方案，上述导轨球一体成型有连接颈和底座，所述连接颈竖向设置，其两端分别与所述导轨球和所述底座连接，所述底座与所述基板固定连接。
采用以上设计，便于将导轨球安装在基板上。
作为优选技术方案，上述导轨球的外表面罩设有金属球壳，该金属球壳具有开口，通过该开口设有所述连接颈，所述金属球壳能够绕导轨球转动。
采用以上设计，有利于将导轨球与滑动头之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低摩擦阻力。
作为优选技术方案，上述导轨球通过竖向设置的第二连接柱连接在相应的所述基板上，所述第二连接柱的一端与所述导轨球球铰连接，另一端与所述基板固定连接。
采用以上设计，第二连接柱与导轨球采用球铰方式连接，允许导轨球自由转动，从而为滑动头的滑动提供便利。
作为优选技术方案，上述第一连接柱和所述第二连接柱中至少一个为弹性棒或弹簧。
采用以上设计，滑动头移动时，第一连接柱或/和第二连接柱可发生弹性变形，从而使得滑动头或导轨球发生适应性让位，有利于滑动头的自由移动。
作为优选技术方案，上述裂缝模拟体包括柔性的矩形裂缝板，该裂缝板内设有用于模拟裂缝缝隙的薄层空腔，该裂缝板的上边缘和下边缘分别设有一列夹持块，所述夹持块通过所述平面滑动机构与所述支架连接；
该裂缝板的两个竖向边缘分别扣设有液道封条，其中一个液道封条上开设有压裂液进口，另一个液道封条上开设有压裂液出口，所述压裂液进口和所述压裂液出口均与所述薄层空腔连通。
采用以上设计，便于注入压裂液，薄层空腔用于模拟动态裂缝，同时在其发生扭曲或弯折变形时，可以模拟复杂裂缝。
作为优选技术方案，上述裂缝板为透明或半透明板。
采用以上设计，方便实验人员观察和研究支撑剂的铺置规律。
与现有技术相比，本发明的有益效果：裂缝模拟体能够发生移动或变形，具有形态适应性，能够模拟各种不同形态的裂缝，同时便于研究支撑剂的运移和铺置与裂缝形态之间的相互影响，还可以研究外加力以模拟地应力对裂缝形态及支撑剂铺置规律的影响，提供更复杂、更贴近实际情形的试验条件。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的正视图；
图3为图2中m部放大图；
图4为导轨球外罩设金属球壳的结构示意图；
图5为图2的左视图；
图6为裂缝板的结构示意图；
图7为一种平面滑动机构的示意图；
图8为另一种平面滑动机构的示意图；
图9为不同形态的裂缝模拟体的截面示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1、2和5所示，一种可动态变形的裂缝模拟装置，包括裂缝模拟体100和用于支撑该裂缝模拟体100的支架200，所述裂缝模拟体100为柔性板状，所述裂缝模拟体100竖向设置，所述裂缝模拟体100的上边缘和下边缘分别与所述支架200通过平面滑动机构连接，以允许所述裂缝模拟体100的上边缘和下边缘在水平方向局部或整体发生横向或纵向移动，从而引起所述裂缝模拟体100弯曲或扭转变形。
具体地，所述支架200包括上下相对设置的基板201，两块所述基板201通过立柱202连接。所述平面滑动机构包括滑动头150和导轨阵列210，所述导轨阵列210分别设置在所述基板201朝向所述裂缝模拟体100的一面上。每个所述导轨阵列210包括交叉设置在所述基板201上的至少两条滑道211。
所述滑动头150分别设置在所述裂缝模拟体100的上边缘和下边缘，并嵌设在相应的所述滑道211内。这样，当裂缝模拟体100受到垂直于其所在平面的横向力作用时，部分滑动头150发生横向移位，与此同时，相近位置的部分滑动头150发生纵向移动，从而导致裂缝模拟体100发生弯曲或扭转。
所述裂缝模拟体100包括柔性的矩形的裂缝板110，如图6所示，该裂缝板110内设有用于模拟裂缝缝隙的薄层空腔111，该裂缝板110为由高分子材料制成的透明或半透明板。例如，可以使两块薄的PVC板重叠，并将其边缘部分粘接或熔接起来，从而形成具有内部薄层空腔111的裂缝板110。所述裂缝板110的上边缘和下边缘分别设有一列夹持块130，位于所述裂缝板110同一边缘的所述夹持块130沿着所述裂缝板110的边缘排布，所述夹持块130呈U形，所述夹持块130的两臂分别位于所述裂缝板110的两侧，所述夹持块130通过螺栓与所述裂缝板110连接，从而将其夹持。每个夹持块130分别连接有至少一个所述滑动头150。所述裂缝板110的两个竖向边缘分别扣设有液道封条120，其中一个液道封条120上开设有压裂液进口121，另一个液道封条120上开设有压裂液出口122，所述压裂液进口121和所述压裂液出口122均与所述薄层空腔111连通。
本实施例中，如图3所示，所述基板201朝向所述裂缝模拟体100的一面上呈矩形阵列状分布有导轨球212，任意相邻的两个所述导轨球212与所述基板201之间的区域相连通以形成所述导轨阵列210。所述滑动头150为球状，所述滑动头150通过第一连接柱140连接在所述裂缝模拟体100边缘，所述滑动头150嵌设在与其相邻的所述导轨球212之间。滑动头150、导轨球212表面均为光滑表面。这样，滑动头150可以横向或者纵向自由滑动，同时滑动头150被与其相邻的导轨球212所限位，可以防止脱出。
一个实施例中，如图3和7所示，所述导轨球212一体成型有连接颈213和底座214，所述连接颈213竖向设置，其两端分别与所述导轨球212和所述底座214连接，所述底座214与所述基板201固定连接。
为降低滑动头150与导轨球212之间的摩擦力，在导轨球212的外表面罩设有金属球壳212a，该金属球壳212a具有开口，该金属球壳(212a)包绕在所述导轨球212外且其开口允许连接颈213自由穿出，如图4所示。该金属球壳212a能够绕导轨球212转动，这样将滑动头150与导轨球212之间的滚动摩擦转化为滑动摩擦，从而便于滑动头150的移动。
另一个实施例中，如图8所示，所述导轨球212通过竖向设置的第二连接柱215连接在相应的所述基板201上，所述第二连接柱215的一端与所述导轨球212球铰连接或固定连接，另一端与所述基板201固定连接。进一步，所述第一连接柱140和所述第二连接柱215中至少一个为弹性棒或弹簧，其作用在于当滑动头150在导轨球212之间滑动时，第一连接柱140和第二连接柱215能够发生一定程度的变形，从而便于滑动头150自由滑动，防止阻滞。
进行压裂液注入实验时，可以将裂缝模拟体100的压裂液进口121这一端与支架固定，保持压裂液出口122这一端自由移动。预先对裂缝模拟体100进行塑形，例如图9中所示的平面型裂缝和弯曲型裂缝，图9为不同形态裂缝模拟体100的俯视截面示意图。通过压裂液进口121注入压裂液和支撑剂，观察支撑剂在裂缝中的铺置情况，并对不同形态裂缝中支撑剂的铺置情况进行比较分析。
在实验过程中，不施加外力干预裂缝模拟体100，随着支撑剂的运移和铺置，裂缝模拟体100的形态可能发生动态变化，特别是弯曲型裂缝易发生这种改变，这一场景能够模拟自然条件下压裂液注入过程中压裂液对裂缝形态的改变；
也可以对裂缝模拟体100局部施加恒定的外力进行干预，随着支撑剂的运移，裂缝模拟体100的形态可能发生小幅度改变，从而模拟存在稳定应力情况下压裂液的注入和支撑剂的运移对裂缝形态的改变；
此外，还可以对裂缝模拟体100局部或整体施加动态的外力进行干预，这个过程中，裂缝模拟体100的形态会发生动态变化，而支撑剂的运移和铺置也会发生动态改变，这两种动态变化又相互作用，从而模拟地应力变化环境下的裂缝形态改变与支撑剂的运移变化及二者的相互影响，提供较为复杂、更贴近真实条件下的实验模型。
总之，相较于现有技术，本发明巧妙利用裂缝模拟体100的可变形性，提供一种能够在实验过程中动态变化的裂缝模拟装置，能够模拟真实环境中在压裂液的注入、支撑剂运移和铺置、地应力变化等多个因素作用下，裂缝的发展、转向、次级裂缝产生等现象，研究压裂体系中，裂缝形态及其变化、支撑剂运移和铺置规律、地应力变化等多维因素之间的相互作用关系。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可动态变形的裂缝模拟装置，包括裂缝模拟体(100)和用于支撑该裂缝模拟体(100)的支架(200)，其特征在于：所述支架(200)包括两块上下相对设置的基板(201)，两块所述基板(201)通过立柱(202)连接；
所述裂缝模拟体(100)为柔性板状，所述裂缝模拟体(100)竖向设置，所述裂缝模拟体(100)的上边缘和下边缘分别与所述支架(200)通过平面滑动机构连接；
所述平面滑动机构包括滑动头(150)和导轨阵列(210)，所述滑动头(150)分别设置在所述裂缝模拟体(100)的上边缘和下边缘，所述导轨阵列(210)分别设置在所述基板(201)上；
每个所述导轨阵列(210)包括交叉设置在同一所述基板(201)的同一面并相互连通的至少两条滑道(211)，所述滑道(211)内嵌设有所述滑动头(150)。
2.根据权利要求1所述的一种可动态变形的裂缝模拟装置，其特征在于：所述基板(201)朝向所述裂缝模拟体(100)的一面上阵列分布有导轨球(212)，任意相邻的两个所述导轨球(212)与所述基板(201)之间的区域相连通以形成所述滑道(211)；
所述滑动头(150)为球状，所述滑动头(150)通过第一连接柱(140)连接在所述裂缝模拟体(100)边缘，所述滑动头(150)嵌设在与其相邻的所述导轨球(212)之间。
3.根据权利要求2所述的一种可动态变形的裂缝模拟装置，其特征在于：位于所述基板(201)同一面上的所有所述导轨球(212)呈矩形阵列排布，以形成横向的和纵向的所述滑道(211)。
4.根据权利要求2所述的一种可动态变形的裂缝模拟装置，其特征在于：所述导轨球(212)一体成型有连接颈(213)和底座(214)，所述连接颈(213)竖向设置，其两端分别与所述导轨球(212)和所述底座(214)连接，所述底座(214)与所述基板(201)固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种可动态变形的裂缝模拟装置，其特征在于：所述导轨球(212)的外表面罩设有金属球壳(212a)，该金属球壳(212a)具有开口，通过该开口设有所述连接颈(213)，所述金属球壳(212a)能够绕导轨球(212)转动。
6.根据权利要求2所述的一种可动态变形的裂缝模拟装置，其特征在于：所述导轨球(212)通过竖向设置的第二连接柱(215)连接在相应的所述基板(201)上，所述第二连接柱(215)的一端与所述导轨球(212)球铰连接，另一端与所述基板(201)固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种可动态变形的裂缝模拟装置，其特征在于：所述第一连接柱(140)和所述第二连接柱(215)中至少一个为弹性棒或弹簧。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种可动态变形的裂缝模拟装置，其特征在于：所述裂缝模拟体(100)包括柔性的矩形裂缝板(110)，该裂缝板(110)内设有用于模拟裂缝缝隙的薄层空腔(111)，该裂缝板(110)的上边缘和下边缘分别设有一列夹持块(130)，所述夹持块(130)通过所述平面滑动机构与所述支架(200)连接；
该裂缝板(110)的两个竖向边缘分别扣设有液道封条(120)，其中一个液道封条(120)上开设有压裂液进口(121)，另一个液道封条(120)上开设有压裂液出口(122)，所述压裂液进口(121)和所述压裂液出口(122)均与所述薄层空腔(111)连通。
9.根据权利要求8所述的一种可动态变形的裂缝模拟装置，其特征在于：所述裂缝板(110)为透明或半透明板。
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