CN115898375B - 一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置及方法 - Google Patents
一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置及方法，包括井筒流动模拟***、裂缝流固耦合变形模拟***和数据采集***，井筒流动模拟***内设置有实验流体，井筒流动模拟***与裂缝流固耦合变形模拟***连通，通过控制阀门和压力调节阀门模拟不同环境下颗粒运移架桥行为，据采集***对裂缝流固耦合变形模拟***内的实验现象与液体流量进行记录。本发明通过模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置及方法解决了现有技术中不能模拟地层裂缝变形条件下裂缝空间内颗粒运移架桥行为，颗粒运移架桥行为不能够进行直接观测，对颗粒运移架桥机理难以进行深入探究的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及钻井工程室内实验装置研究领域，具体涉及一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置及方法。
背景技术
深部油气资源勘探开发中，天然裂缝广泛分布，工作液漏失问题突出，这已成为制约深部地层安全、高效建井的难题之一。由于井下裂缝分布难以预测，同时裂缝空间分布复杂等原因，常面临一次性堵漏困难、反复漏失等井下事故，其主要原因在于对固相颗粒在天然裂缝中的运移、架桥机理认识不足。因此提供一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置及方法，探究裂缝流固耦合变形条件下，刚性颗粒运移架桥失稳机理，可以提高对刚性颗粒在流固耦合变形天然裂缝内的力学行为的认识，为钻井堵漏现场施工作业提供重要理论依据。
中国专利CN110295887A，公开了一种颗粒运移规律可视化的实验装置及工作方法，结合三维扫描真实岩心的结果对透明树脂进行3D打印，获取了透明粗糙裂缝面，最终构建一套颗粒运移可视化的实验装置和方法，但该装置缺乏对地层条件的考虑，没有考虑井筒中流体流动的影响，也没有考虑裂缝变形的情况。
中国专利CN106640061A，提出了一种井筒与地层裂缝耦合流动模拟实验装置及方法，用一组基于天然裂缝扫描结果雕刻的缝板连接模拟井筒来模拟地层，用于研究井筒和地层裂缝间的耦合流动机理，但该装置忽略了地层裂缝变形对颗粒架桥运移的影响，这会现场作业存在反复漏失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置及方法，以解决现有技术中的不能模拟地层裂缝变形条件下裂缝空间内颗粒运移架桥行为，颗粒运移架桥行为不能够进行直接观测，对颗粒运移架桥机理难以进行深入探究的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置，包括井筒流动模拟***、裂缝流固耦合变形模拟***和数据采集***，其特征在于，所述井筒流动模拟***与裂缝流固耦合变形模拟***连通，所述数据采集***对裂缝流固耦合变形模拟***内的实验现象与液体流量进行记录；
裂缝流固耦合变形模拟***由有机玻璃透明缝板、螺母、密封垫片、密封承压橡胶板、密封橡胶套、可拆卸弹簧和螺栓组成，所述有机玻璃透明缝板通过雕刻机对有机玻璃材料雕刻获得，两块所述有机玻璃透明缝板设置在密封承压橡胶板的两侧面，有机玻璃透明缝板和密封承压橡胶板之间设置有密封橡胶套，所述螺栓贯穿两块有机玻璃透明缝板和密封承压橡胶板。
进一步的，井筒流动模拟***由空气压缩机、连接管线、控制阀门、压力调节阀门和模拟井筒组成，所述空气压缩机通过连接管线与模拟井筒连接；所述空气压缩机是为整个装置提供压力驱动的驱动元件；所述压力调节阀门是对整个装置施加恒定压力的调节元件。
进一步的，模拟井筒通过多根连接管线与裂缝流固耦合变形模拟***进行连接，模拟井筒是采用透明有机玻璃圆管制成的立式观察装置，模拟井筒内注入有配置好的实验流体用于模拟井筒流动，所述实验流体在压力驱动下经多根连接管线进入裂缝流固耦合变形模拟***。
进一步的，连接管线上设置有多个控制阀门和压力调节阀门，多个所述控制阀门分为设置在空气压缩机与压力调节阀门之间的阀门V1和压力调节阀门与模拟井筒之间的阀门V2。
进一步的，螺栓远离螺纹的一侧设置有可拆卸弹簧，并通过螺母和密封垫片将上下两块有机玻璃透明缝板锁紧，螺母和螺栓之间通过螺纹进行活动连接，所述可拆卸弹簧通过螺栓的松紧模拟有机玻璃透明缝板在不同压缩系数下的挤压，两块有机玻璃透明缝板之间形成有一个发生动态变形的流动空间。
进一步的，数据采集***由高清摄像机和液体流量计量装置组成，所述高清摄像机对整个实验过程中颗粒在透明缝板内的运动过程进行记录，所述液体流量计量装置对排出液体进行回收并记录排液流量。
进一步的，液体流量计量装置通过连接管线与裂缝流固耦合变形模拟***连接，连接管路上设置有控制阀门，液体流量计量装置与裂缝流固耦合变形模拟***之间连接管路上设置的控制阀门为阀门V3。
一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验方法，包括以下步骤：
S1、实验前首先确定需要模拟的地层岩石力学参数弹性模量和泊松比，基于这个数据选取具有相同弹性模量和泊松比的密封承压橡胶板模拟地层，并对有机玻璃透明缝板和密封承压橡胶板以及密封橡胶套组合通过8枚螺栓配合可拆卸弹簧加以固定；
S2、实验前先将适量的1%的CMC溶液装入模拟井筒中，打开空气压缩机和所有控制阀门，将压力稳至0.1MPa时，再同时打开阀门V2与阀门V3，向模拟井筒中不断增压，使模拟井筒中的实验基液流入裂缝流固耦合变形模拟***中，并确保控制阀门内不存在气泡。随后，依次关闭阀门V2、阀门V3，最后使用压力调节阀门进行卸压；
S3、将筛选后的满足一定粒径、一定浓度的颗粒悬浮液注入模拟井筒内，然后调节压力调节阀门，使入口压力保持为0.1Mpa，同时调节高清摄像机，正对有机玻璃透明缝板，进行实验记录；
S4、同时打开控制阀门V2与阀门V3，模拟井筒中的颗粒悬浮液在压力驱动下进入裂缝流固耦合变形模拟***中，入口驱动压力可通过压力调节阀门进行控制，当入口压力增加时，裂缝空间内压力也会随之增加，这个增加的压力会帮助抵抗密封承压橡胶板抵抗8枚可拆卸弹簧的应力，即体现为裂缝那个空间开度增大，同理，当压力又逐渐减小时，裂缝空间开度又会减小，最终实现裂缝空间的动态变形，并同时观察固相颗粒在裂缝空间内的运移架桥行为；
S5、当模拟井筒中的颗粒悬浮液即将耗尽时，依次关闭阀门V1、V3，使用压力调节阀门对连接管线进行卸压，拆卸并清洗实验管线与裂缝缝板，实验结束。
基于上述技术方案，本发明可以产生如下有益效果：
（1）本发明提供的一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置及方法，使用3D雕刻技术，基于天然裂缝扫描结果对有机玻璃板雕刻获得了包含天然裂缝形貌特征的有机玻璃透明缝板，通过选取不同强度的密封橡胶板和可拆卸弹簧，实现不同地层条件下的裂缝变形，为准确理解裂缝封堵区域形成的过程及其机理提供技术支撑。
（2）本发明提供的一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置及方法，通过模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置开展实验，并使用高清摄像机对颗粒在裂缝空间内的运移架桥行为全过程进行记录分析，可以观测到颗粒在变形裂缝内的运移、架桥、失稳、再运移架桥的过程，为从细观层面揭示颗粒在裂缝流固耦合变形条件下的运移架桥行为并对其机理进行深入探究提供技术手段。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例裂缝流固耦合变形模拟***的结构示意图；
图中：101、空气压缩机；102、控制阀门；103、压力调节阀门；104、连接管线；105、模拟井筒； 201、有机玻璃透明缝板；202、螺母；203、密封垫片；204、密封橡胶板；205、密封橡胶套；206、可拆卸弹簧；207、螺栓；301、高清摄像机；302、液体流量计量装置。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置及方法做进一步详细的描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图所示，本发明的一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置，包括井筒流动模拟***1、裂缝流固耦合变形模拟***2和数据采集***3，其特征在于，井筒流动模拟***1与裂缝流固耦合变形模拟***2连通，数据采集***3对裂缝流固耦合变形模拟***内的实验现象与液体流量进行记录。
裂缝流固耦合变形模拟***2由有机玻璃透明缝板201、螺母202、密封垫片203、密封承压橡胶板204、密封橡胶套205、可拆卸弹簧206和螺栓207组成，有机玻璃透明缝板201通过雕刻机对有机玻璃材料雕刻获得，两块有机玻璃透明缝板201设置在密封承压橡胶板204的两侧面，密封橡胶板204可根据不同的实验条件优选不同的材质，模拟不同的地层岩石性质，有机玻璃透明缝板201和密封承压橡胶板204之间设置有密封橡胶套205，螺栓207贯穿两块有机玻璃透明缝板201和密封承压橡胶板204。
井筒流动模拟***1由空气压缩机101、连接管线104、控制阀门102、压力调节阀门103和模拟井筒105组成，空气压缩机101通过连接管线104与模拟井筒105连接；空气压缩机101是为整个装置提供压力驱动的驱动元件；压力调节阀门103是对整个装置施加恒定压力的调节元件。
模拟井筒105通过多根连接管线104与裂缝流固耦合变形模拟***进行连接，模拟井筒105是采用透明有机玻璃圆管制成的立式观察装置，模拟井筒105内注入有配置好的实验流体用于模拟井筒流动，实验流体在压力驱动下经多根连接管线104进入裂缝流固耦合变形模拟***。
连接管线104上设置有多个控制阀门102和压力调节阀门103，多个控制阀门102分为设置在空气压缩机101与压力调节阀门103之间的阀门V1和压力调节阀门103与模拟井筒105之间的阀门V2。
螺栓207远离螺纹的一侧设置有可拆卸弹簧206，并通过螺母202和密封垫片203将上下两块有机玻璃透明缝板201锁紧，螺母202和螺栓207之间通过螺纹进行活动连接，可拆卸弹簧206通过螺栓207的松紧模拟有机玻璃透明缝板201在不同压缩系数下的挤压，根据实验条件的不同可优选不同的可拆卸弹簧206，两块有机玻璃透明缝板201之间形成有一个发生动态变形的流动空间。
数据采集***3由高清摄像机301和液体流量计量装置302组成，高清摄像机301对整个实验过程中颗粒在透明缝板内的运动过程进行记录，液体流量计量装置302对排出液体进行回收并记录排液流量。
液体流量计量装置302通过连接管线104与裂缝流固耦合变形模拟***连接，连接管路104上设置有控制阀门103，液体流量计量装置302与裂缝流固耦合变形模拟***之间连接管路104上设置的控制阀门103为阀门V3。
本发明一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验方法，包括以下步骤：
S1、实验前首先确定需要模拟的地层岩石力学参数弹性模量和泊松比，基于这个数据选取具有相同弹性模量和泊松比的密封承压橡胶板204模拟地层，并对有机玻璃透明缝板201和密封承压橡胶板204以及密封橡胶套205组合通过8枚螺栓207配合可拆卸弹簧206加以固定；
S2、实验前先将适量的1%的CMC溶液装入模拟井筒105中，打开空气压缩机101和所有控制阀门102，将压力稳至0.1MPa时，再同时打开阀门V2与阀门V3，向模拟井筒105中不断增压，使模拟井筒105中的实验基液流入裂缝流固耦合变形模拟***2中，并确保控制阀门102内不存在气泡。随后，依次关闭阀门V2、阀门V3，最后使用压力调节阀门103进行卸压；
S3、将筛选后的满足一定粒径、一定浓度的颗粒悬浮液注入模拟井筒105内，然后调节压力调节阀门103，使入口压力保持为0.1Mpa，同时调节高清摄像机301，正对有机玻璃透明缝板201，进行实验记录；
S4、同时打开控制阀门V2与阀门V3，模拟井筒105中的颗粒悬浮液在压力驱动下进入裂缝流固耦合变形模拟***中，入口驱动压力可通过压力调节阀门103进行控制，当入口压力增加时，裂缝空间内压力也会随之增加，这个增加的压力会帮助抵抗密封承压橡胶板204抵抗8枚可拆卸弹簧206的应力，即体现为裂缝那个空间开度增大，同理，当压力又逐渐减小时，裂缝空间开度又会减小，最终实现裂缝空间的动态变形，并同时观察固相颗粒在裂缝空间内的运移架桥行为；
S5、当模拟井筒105中的颗粒悬浮液即将耗尽时，依次关闭阀门V1、V3，使用压力调节阀门103对连接管线104进行卸压，拆卸并清洗实验管线与裂缝缝板，实验结束。
可以理解，本发明使通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (5)
1.一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置，包括井筒流动模拟***（1）、裂缝流固耦合变形模拟***（2）和数据采集***（3），其特征在于，所述井筒流动模拟***（1）与裂缝流固耦合变形模拟***（2）连通，所述数据采集***（3）对裂缝流固耦合变形模拟***内的实验现象与液体流量进行记录；
所述裂缝流固耦合变形模拟***（2）由有机玻璃透明缝板（201）、螺母（202）、密封垫片（203）、密封承压橡胶板（204）、密封橡胶套（205）、可拆卸弹簧（206）和螺栓（207）组成，所述有机玻璃透明缝板（201）通过雕刻机对有机玻璃材料雕刻获得，两块所述有机玻璃透明缝板（201）设置在密封承压橡胶板（204）的两侧面，有机玻璃透明缝板（201）和密封承压橡胶板（204）之间设置有密封橡胶套（205），所述螺栓（207）贯穿两块有机玻璃透明缝板（201）和密封承压橡胶板（204），所述螺栓（207）远离螺纹的一侧设置可拆卸弹簧（206），通过螺母（202）和密封垫片（203）将上下两块有机玻璃透明缝板（201）锁紧，螺母（202）和螺栓（207）之间通过螺纹进行活动连接，所述可拆卸弹簧（206）通过螺栓（207）的松紧和密封橡胶套（205）的变形模拟有机玻璃透明缝板（201）在不同压缩系数下的挤压，两块有机玻璃透明缝板（201）之间形成有一个能够发生动态变形的流动空间；
所述井筒流动模拟***（1）由空气压缩机（101）、连接管线（104）、控制阀门（102）、压力调节阀门（103）和模拟井筒（105）组成，所述空气压缩机（101）通过连接管线（104）与模拟井筒（105）连接；所述空气压缩机（101）是为整个装置提供压力驱动的驱动元件；所述压力调节阀门（103）是对整个装置施加恒定压力的调节元件；
所述数据采集***（3）由高清摄像机（301）和液体流量计量装置（302）组成，所述高清摄像机（301）对整个实验过程中颗粒在透明缝板内的运动行为进行记录，所述液体流量计量装置（302）对排出液体进行回收并记录排液流量。
2.根据权利要求1所述的一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置，其特征在于，所述模拟井筒（105）通过多根连接管线（104）与裂缝流固耦合变形模拟***进行连接，模拟井筒（105）是采用透明有机玻璃圆管制成的立式观察装置，模拟井筒（105）内注入有配置好的实验流体用于模拟井筒流动，所述实验流体在压力驱动下经多根连接管线（104）进入裂缝流固耦合变形模拟***。
3.根据权利要求1所述的一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置，其特征在于，所述连接管线（104）上设置有多个控制阀门（102）和压力调节阀门（103），多个所述控制阀门（102）分为设置在空气压缩机（101）与压力调节阀门（103）之间的阀门V1和压力调节阀门（103）与模拟井筒（105）之间的阀门V2。
4.根据权利要求1所述的一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置，其特征在于，所述液体流量计量装置（302）通过连接管线（104）与裂缝流固耦合变形模拟***连接，连接管线（104）上设置有控制阀门（103），液体流量计量装置（302）与裂缝流固耦合变形模拟***之间连接管线（104）上设置的控制阀门（103）为阀门V3。
5.一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验方法，根据权利要求1至4任一项所述的一种模拟裂缝流固耦合变形的颗粒运移可视化实验装置，其特征在于，它包括以下步骤：
S1、实验前首先确定需要模拟的地层岩石力学参数弹性模量和泊松比，基于这个数据选取具有相同弹性模量和泊松比的密封承压橡胶板（204）模拟地层，并对有机玻璃透明缝板（201）和密封承压橡胶板（204）以及密封橡胶套（205）组合通过8枚螺栓（207）配合可拆卸弹簧（206）加以固定；
S2、实验前先将适量的1%的CMC溶液装入模拟井筒（105）中，打开空气压缩机（101）和所有控制阀门（102），将压力稳至0.1MPa时，再同时打开阀门V2与阀门V3，向模拟井筒（105）中不断增压，使模拟井筒（105）中的实验基液流入裂缝流固耦合变形模拟***（2）中，并确保控制阀门（102）内不存在气泡；随后，依次关闭阀门V2、阀门V3，最后使用压力调节阀门（103）进行卸压；
S3、将筛选后的满足一定粒径、一定浓度的颗粒悬浮液注入模拟井筒（105）内，然后调节压力调节阀门（103），使入口压力保持为0.1Mpa，同时调节高清摄像机（301），正对有机玻璃透明缝板（201），进行实验记录；
S4、同时打开控制阀门V2与阀门V3，模拟井筒（105）中的颗粒悬浮液在压力驱动下进入裂缝流固耦合变形模拟***中，入口驱动压力能够通过压力调节阀门（103）进行控制，当入口压力增加时，裂缝空间内压力也会随之增加，这个增加的压力会帮助抵抗密封承压橡胶板（204）抵抗8枚可拆卸弹簧（206）的应力，即体现为裂缝那个空间开度增大，同理，当压力又逐渐减小时，裂缝空间开度又会减小，最终实现裂缝空间的动态变形，并同时观察固相颗粒在裂缝空间内的运移架桥行为；
S5、当模拟井筒（105）中的颗粒悬浮液即将耗尽时，依次关闭阀门V1、V3，使用压力调节阀门（103）对连接管线（104）进行卸压，拆卸并清洗实验管线与裂缝缝板，实验结束。
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