專利名稱：一種用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及試驗(yàn)?zāi)Ｐ图夹g(shù)領(lǐng)域，主要用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法。
背景技術(shù)：
頁巖氣是從黑色泥頁巖或者碳質(zhì)泥頁巖地層中開采出來的天然氣。我國頁巖氣可采資源儲量為26萬億立方米，資源儲量十分巨大。由于含氣頁巖儲層致密，滲透率極低，需要通過水力壓裂增產(chǎn)措施來溝通天然裂縫，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，以提高井筒附近儲集層的導(dǎo)流能力，實(shí)現(xiàn)頁巖氣的有效開采。由于深部地層的水力壓裂是一個十分復(fù)雜的物理過程，由水力壓裂所產(chǎn)生的裂縫的實(shí)際形態(tài)難以直接觀察，因此對水力裂縫的擴(kuò)展機(jī)制以及影響裂縫擴(kuò)展規(guī)律的因素的認(rèn)識是非常有限 的。而水力壓裂物理模擬試驗(yàn)恰好提供了認(rèn)識裂縫擴(kuò)展機(jī)制的有效途徑。目前，用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的天然試樣的制備方法存在以下問題:a.受加工條件的限制，很難將天然的不規(guī)則巖塊加工成規(guī)整的立方體試塊。由于相對的兩個面不是嚴(yán)格平行的，可能在加載過程中由于受力不均勻而產(chǎn)生裂縫，從而對最終試驗(yàn)結(jié)果的分析造成很大的影響；b.由于巖石生成的環(huán)境十分復(fù)雜，由同一個地點(diǎn)采集加工的試樣，其天然節(jié)理、裂縫的數(shù)量分布均不同。雖然試驗(yàn)條件相同，但試驗(yàn)結(jié)果的可比性大大降低，以利于對天然裂縫的擴(kuò)展機(jī)制進(jìn)行有效分析；c.切割和鉆孔加工過程都會對試樣造成人為損傷，產(chǎn)生新的裂縫，從而影響試驗(yàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；綜上所述，采用天然試樣進(jìn)行水力壓裂物理模擬試驗(yàn)，存在很多無法克服的先天不足，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性很難把握。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，提高了水力壓裂物理模擬試驗(yàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，包括:基于天然巖石的物理力學(xué)特性，選擇模型原料，并將所述模型原料加水?dāng)嚢?，形成拌合物；將所述拌合物分批次加入到模型模具中，將沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在所述模型模具中；其中，由所述模型模具的內(nèi)壁所圍成的形狀由所需的層狀模型的外形決定；拆除模型模具，得到層狀模型。進(jìn)一步地，所述將拌合物分批次加入到模型模具中，包括:先在所述模型模具的內(nèi)壁刷油，再將所述拌合物分批次加入到所述模型模具中。進(jìn)一步地，所述將拌合物分批次加入到模型模具中，將沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中包括:按照層狀模型制作的需要，將所述拌合物加入到所述模型模具中；將模型模具中的所述拌合物鋪平，并用夯實(shí)工具夯實(shí)；按照上述的鋪層步驟，繼續(xù)將所述拌合物加入到模型模具進(jìn)行鋪層；當(dāng)模型模具中的鋪層達(dá)到預(yù)定厚度時，將所述沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中；繼續(xù)進(jìn)行鋪層步驟直至將模型模具填滿。進(jìn)一步地，所述將拌合物分批次加入到模型模具中，將沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中包括:在所述模型模具的內(nèi)壁刷油，按照層狀模型制作的需要，將所述拌合物加入到模型模具中；將模型模具中的所述拌合物鋪平，并用夯實(shí)工具夯實(shí)；按照上述的鋪層步驟，繼續(xù)將所述拌合物加入到模型模具進(jìn)行鋪層；當(dāng)模型模具中的鋪層達(dá)到預(yù)定厚度時，將所述沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中；繼續(xù)進(jìn)行鋪層步驟直至將模型模具填滿。進(jìn)一步地，在所述用夯實(shí)工具夯實(shí)之后，對夯實(shí)后的鋪層表面進(jìn)行刨毛。進(jìn)一步地，在所述用夯實(shí)工具夯實(shí)之后，在夯實(shí)后的鋪層表面上均勻撒下遇水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的細(xì)粒材料。進(jìn)一步地，在所述對夯實(shí)后的鋪層表面進(jìn)行刨毛之后，在刨毛后的鋪層表面上均勻撒下遇水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的細(xì)粒材料。進(jìn)一步地，所述將沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中，包括:將所述沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管豎直放置在所述模型模具的中心位置。進(jìn)一步地，所述拆除模型模具包括:將裝有所述拌合物和所述鋼管的模型模具在預(yù)定溫度和預(yù)定濕度下靜置預(yù)定時間，拆除所述模型模具；其中，所述預(yù)定溫度、所述預(yù)定濕度及靜置的所述預(yù)定時間由所述模型原料之間能夠充分發(fā)生物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的條件決定。本發(fā)明的有益效果在于: 本發(fā)明提供的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，通過選用與天然巖石的物理力學(xué)特性相似的原料來模擬天然巖石制作層狀模型，且不受加工條件的限制，可以根據(jù)需要通過模型模具制作得到規(guī)整的立方體試塊，避免了在加載過程中由于受力不均勻而產(chǎn)生裂縫，從而提高了對最終試驗(yàn)結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提出的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法的流程圖。圖2為通過本發(fā)明實(shí)施例提出的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法制作得到的層狀模型的剖面圖。
具體實(shí)施例方式為進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法的具體實(shí)施方式
及工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明。參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，包括:基于天然巖石的物理力學(xué)特性，選擇模型原料，并將模型原料加水?dāng)嚢?，形成拌合物；其中，模型原料可選用人工建筑材料。將拌合物分批次加入到模型模具中，將沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中；其中，由模型模具的內(nèi)壁所圍成的形狀由所需的層狀模型的外形決定；具體的，按照層狀模型制作的需要，將一定量的拌合物加入到模型模具中；將模型模具中的拌合物鋪平，并用夯實(shí)工具夯實(shí)；通過美工刀對夯實(shí)后的鋪層表面輕刮進(jìn)行刨毛，使表層疏松，利于該鋪層與下一層之間的粘結(jié)；在刨毛后的鋪層表面上均勻撒下遇水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的細(xì)粒材料，以模擬低強(qiáng)度的層理面；按照上述添加、鋪平、夯實(shí)、刨毛和撒料的鋪層步驟，繼續(xù)將等量的拌合物加入到模型模具進(jìn)行鋪層。當(dāng)模型模具中的鋪層達(dá)到預(yù)定厚度時，將沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管豎直放置在模型模具的中心位置；繼續(xù)進(jìn)行鋪層步驟直至將模型模具填滿。在本實(shí)施例中，遇水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的細(xì)粒材料為重晶石粉。將超出模型模具開口面的模型原料刮除，并進(jìn)行平整，使暴露在外的模型原料形成一個平面。拆除模型模具，得到層狀模型。具體的，將裝有拌合物和鋼管的模型模具在預(yù)定溫度和預(yù)定濕度下靜置預(yù)定時間，再拆除模型模具；其中，預(yù)定溫度、預(yù)定濕度及靜置的預(yù)定時間由模型原料之間能夠充分發(fā)生物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的條件決定。需要說明的是，為了確保模型原料能夠與模型模具的內(nèi)壁順利分離，在將拌合物加入到模型模具之前，在模型模具的內(nèi)壁進(jìn)行刷油。在本實(shí)施例中，使用的模型模具為立方體金屬模具。該金屬模具由5塊鋼板通過螺栓牢固裝配在一起，這5塊鋼板形成立方體的前、后、左、右、下5個面，上面空出，用于加料。使用的夯實(shí)工具是由一個長方體鐵塊和細(xì)長鐵管焊接而成的，鐵管的另一端再焊接一個鐵管，作為手柄。長方體鐵塊的長、寬和高分別為10cm、IOcm和5cm,細(xì)長鐵管的長度為60cm,手柄的長度為20cm。使用時,雙手抓住手柄將鐵塊提至一定高度,讓其自由下落，利用鐵塊的重力將原料夯實(shí)。實(shí)施例通過本發(fā)明實(shí)施例提供的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法模擬天然頁巖制作層狀模型。首先需要制作適用于本發(fā)明的模型模具和夯實(shí)工具，制作方法可見前述內(nèi)容，這里不做贅述?？紤]到頁巖的物理力學(xué)屬性和物理模擬試驗(yàn)中相似理論的要求，選取水泥、石英砂和重晶石粉作為模型原料，且質(zhì)量配比為水泥:石英砂:重晶石粉:水=1:1.5:0.5:0.3。制作過程如下:(I)根據(jù)模型的制作需要，依次稱取22kg的水泥，33kg的石英砂，Ilkg的重晶石粉，放入配料箱中拌合均勻；(2)稱取6.6kg的水，倒入配料箱中，繼續(xù)攪拌均勻，形成可用于鋪層的模型原料；(3)取5.5kg的模型原料放入立方體金屬模具中，均勻鋪平；( 4 )用自制的夯實(shí)工具夯實(shí)；(5)用美工刀對夯實(shí)后的表面輕刮進(jìn)行刨毛；(6)在刨毛后的表面均勻撒一薄層 重晶石粉；
(7)繼續(xù)采用添加、鋪平、夯實(shí)、刨毛與撒料的方法制作后續(xù)各層。(8)制作長為3cm，寬為2.8cm，厚為Imm的硬紙板，放入沿軸向?qū)ΨQ割縫鋼管的割縫中，以防止周圍散體顆粒堵塞鋼管。(9)當(dāng)鋪層累計(jì)厚度達(dá)到13cm-14cm時，將鋼管豎直放入立方體金屬模具的中心位置；(10)繼續(xù)采用添加、鋪平、夯實(shí)、刨毛與撒料的方法制作后續(xù)各層直至模型原料超出模具的上表面；(11)將超出模具上表面的原料刮除，并進(jìn)行平整，使上表面形成一個平面；(12)將裝有模型材料的模具放置在恒溫為20°C、相對濕度為90%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。24小時后，將模具的5塊鋼板拆除，得到成型的邊長為30cm的立方體模型材料，可參見圖
2。養(yǎng)護(hù)28天后，可用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)。本發(fā)明實(shí)施例提供的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，通過選用與天然巖石的物理 力學(xué)特性相似的原料來模擬天然巖石制作層狀模型，且不受加工條件的限制，可以根據(jù)需要通過模型模具制作得到規(guī)整的立方體試塊，避免了在加載過程中由于受力不均勻而產(chǎn)生裂縫，從而提高了對最終試驗(yàn)結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。本發(fā)明可通過改變原料的種類和配比來模擬不同物理力學(xué)屬性的沉積巖進(jìn)行水力壓裂物理模擬試驗(yàn)，提高了本發(fā)明的實(shí)用性。本發(fā)明還可以制作原料種類相同，但配比不同的多個層狀模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，這些模型的初始物理屬性基本相同，避免了由天然試樣物理屬性的離散性導(dǎo)致的對試驗(yàn)結(jié)果的干擾的發(fā)生，有利于對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，從而保證了對天然裂縫的擴(kuò)展機(jī)制的有效分析。本發(fā)明與制作天然試樣的方法相比，省去了現(xiàn)場采樣、切割加工、鉆孔和封孔的環(huán)節(jié)，不僅避免了由于人為損傷造成的新的裂縫的產(chǎn)生，保證了試驗(yàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且大大節(jié)約了財(cái)力物力。本發(fā)明步驟明確，簡單易行；既降低了試驗(yàn)費(fèi)用，又提高了試驗(yàn)效率。本發(fā)明可以避免受加工條件、天然巖石生成環(huán)境復(fù)雜和人為損傷等因素的限制，能夠?qū)λ毫蚜芽p的起裂和擴(kuò)展進(jìn)行有針對性的分析。最后所應(yīng)說明的是，以上具體實(shí)施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，其特征在于，包括: 基于天然巖石的物理力學(xué)特性，選擇模型原料，并將所述模型原料加水?dāng)嚢?，形成拌合物? 將所述拌合物分批次加入到模型模具中，將沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在所述模型模具中；其中，由所述模型模具的內(nèi)壁所圍成的形狀由所需的層狀模型的外形決定； 拆除模型模具，得到層狀模型。
2.如權(quán)利要求1所述的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，其特征在于，所述將拌合物分批次加入到模型模具中，包括:先在所述模型模具的內(nèi)壁刷油，再將所述拌合物分批次加入到所述模型模具中。
3.如權(quán)利要求1所述的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，其特征在于，所述將拌合物分批次加入到模型模具中，將沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中包括:按照層狀模型制作的需要，將所述拌合物加入到所述模型模具中；將模型模具中的所述拌合物鋪平，并用夯實(shí)工具夯實(shí)；按照上述的鋪層步驟，繼續(xù)將所述拌合物加入到模型模具進(jìn)行鋪層；當(dāng)模型模具中的鋪層達(dá)到預(yù)定厚度時，將所述沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中；繼續(xù)進(jìn)行鋪層步驟直至將模型模具填滿。
4.如權(quán)利要求2所述的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，其特征在于，所述將拌合物分批次加入到模型模具中，將沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中包括:在所述模型模具的內(nèi)壁刷油，按照層狀模型制作的需要，將所述拌合物加入到模型模具中；將模型模具中的所述拌合物鋪平，并用夯實(shí)工具夯實(shí)；按照上述的鋪層步驟，繼續(xù)將所述拌合物加入到模型模具進(jìn)行鋪層；當(dāng)模型模具中的鋪層達(dá)到預(yù)定厚度時，將所述沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中；繼續(xù)進(jìn)行鋪層步驟直至將模型模具填滿。
5.如權(quán)利要求3或4所述的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，其特征在于，在所述用夯實(shí)工具夯實(shí)之后，對夯實(shí)后的鋪層表面進(jìn)行刨毛。
6.如權(quán)利要求3或4所述的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，其特征在于，在所述用夯實(shí)工具夯實(shí)之后，在夯實(shí)后的鋪層表面上均勻撒下遇水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的細(xì)粒材料。
7.如權(quán)利要求5所述的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，其特征在于，在所述對夯實(shí)后的鋪層表面進(jìn)行刨毛之后，在刨毛后的鋪層表面上均勻撒下遇水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的細(xì)粒材料。
8.如權(quán)利要求7所述的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，其特征在于，所述將沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中，包括:將所述沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管豎直放置在所述模型模具的中心位置。
9.如權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，其特征在于，所述拆除模型模具包括:將裝有所述拌合物和所述鋼管的模型模具在預(yù)定溫度和預(yù)定濕度下靜置預(yù)定時間，拆除所述模型模具；其中，所述預(yù)定溫度、所述預(yù)定濕度及靜置的所述預(yù)定時間由所述模型原料之間能夠充分發(fā)生物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的條件決定。
10.如權(quán)利 要求8所述的用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，其特征在于，所述拆除模型模具包括:將裝有所述拌合物和所述鋼管的模型模具在預(yù)定溫度和預(yù)定濕度下靜置預(yù)定時間，拆除所述 模型模具；其中，所述預(yù)定溫度、所述預(yù)定濕度及靜置的所述預(yù)定時間由所述模型原料之間能夠充分發(fā)生物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的條件決定。
全文摘要
本發(fā)明涉及試驗(yàn)?zāi)Ｐ图夹g(shù)領(lǐng)域，公開了一種用于水力壓裂物理模擬試驗(yàn)的層狀模型的制作方法，包括基于天然巖石的物理力學(xué)特性，選擇模型原料，并將模型原料加水?dāng)嚢瑁纬砂韬衔?；將拌合物分批次加入到模型模具中，將沿軸向?qū)ΨQ割縫的鋼管放置在模型模具中；拆除模型模具，得到層狀模型。本發(fā)明提高了水力壓裂物理模擬試驗(yàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本發(fā)明步驟明確，簡單易行；既降低了試驗(yàn)費(fèi)用，又提高了試驗(yàn)效率。
文檔編號G01N1/28GK103234791SQ20131013688
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者王磊, 楊春和, 郭印同, 徐敬賓, 衡帥, 李年豐 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所