一種測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置及方法。該測(cè)量裝置主要利用連通器原理及水的微可壓縮性，包括液壓裝置、密封橡膠基塊、加壓基塊、內(nèi)部金屬模具、內(nèi)部透明觀察窗口、外部玻璃量具、底部連通微通道等。在內(nèi)部金屬模具當(dāng)中添加細(xì)砂(支撐劑)，再向模具當(dāng)中加水直至剛好淹沒堆積砂體，通過(guò)加壓裝置給堆積砂體加壓，受擠壓后水通過(guò)底部連通通道流到外部玻璃量具當(dāng)中，可以讀出增加的水量即堆積砂體孔隙度減小程度。本發(fā)明的有益效果是：可測(cè)量受壓堆積砂體的孔隙度變化、顆粒破碎率、支撐劑嵌入程度，為優(yōu)化支撐劑鋪置方式、預(yù)測(cè)填砂裂縫寬度隨壓力的變化關(guān)系提供支撐；裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕便，易于操作。
【專利說(shuō)明】
一種測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置及方 法，屬于油氣田開發(fā)技術(shù)的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 頁(yè)巖氣是一種非常重要的非常規(guī)能源，低滲、致密是頁(yè)巖氣藏最主要的特點(diǎn)，采用 傳統(tǒng)的開采技術(shù)無(wú)法獲得工業(yè)氣流，因而頁(yè)巖氣的發(fā)展受到了嚴(yán)重阻礙。近十幾年來(lái)，尤其 是在美國(guó)，由于水平井鉆井技術(shù)及大型水力壓裂技術(shù)的出現(xiàn)，美國(guó)頁(yè)巖氣工業(yè)發(fā)展得到了 長(zhǎng)足進(jìn)步，頁(yè)巖氣藏已能采出可觀的工業(yè)氣流。中國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富，儲(chǔ)量約為15萬(wàn)億一 30 萬(wàn)億立方米左右，與美國(guó)28.3萬(wàn)億立方米大致相當(dāng)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。因此，開展水力壓裂及 相關(guān)方面的技術(shù)研究，對(duì)于開發(fā)頁(yè)巖氣資源來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
[0003] 形成高導(dǎo)流能力的裂縫是水力壓裂的最主要目標(biāo)，裂縫的導(dǎo)流能力是指油層條件 下填砂裂縫滲透率與裂縫寬度的乘積，因此水力壓裂形成的裂縫的導(dǎo)流能力是裂縫滲透率 及裂縫寬度兩個(gè)方面互相影響的結(jié)果，而裂縫導(dǎo)流能力及裂縫寬度與支撐劑的性能又有一 定的關(guān)系。具體解釋如下：在一定閉合壓力作用下，支撐劑會(huì)嵌入地層，同時(shí)支撐劑顆粒變 形甚至破碎進(jìn)一步影響裂縫寬度，并在一定的程度上減小填砂裂縫的孔隙度及滲透半徑， 根據(jù)高才尼一卡爾曼滲透率公式可以知道，填砂層的滲透率與孔隙度及滲透半徑的平方呈 正比。
[0004] 國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，支撐劑的性能對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響巨大，高圓度、高球 度、高硬度、等徑的支撐劑往往是追求的最主要目標(biāo)。等徑的圓球狀支撐劑砂粒之間有兩種 堆積方式，分別是:正方形堆置、菱形堆置，兩種方式各自形成的堆積砂體孔隙度由小到大 分別是:菱形堆置〈正方形堆置。但大量的支撐劑堆積在一起是隨機(jī)的，兩種堆積方式都會(huì) 存在，且難免存在一定量的空洞。如果支撐劑大小不一，還可能存在:①大顆粒孔隙之間嵌 入小粒徑顆粒;②空洞之間填充小顆粒。如果支撐劑是非球形的，堆積方式就更加復(fù)雜，而 且空洞也會(huì)增加?？傊蝿┑拇笮?、圓球度對(duì)支撐劑的堆積方式影響顯著;但是，無(wú)論支 撐劑是否等徑或者球形，大量堆積砂體的孔隙度是接近40 %的，且量越大，孔隙度值越接近 40%。且這些堆積砂體受壓后孔隙度的變化過(guò)程可以分為兩個(gè)階段:第一階段主要為堆積 方式的改變，包括孔隙、空洞的填充以及正方形堆置向菱形堆置方式的改變;第二階段主要 是支撐劑的變形、破碎以及嵌入地層巖石。
[0005]目前還沒有專門針對(duì)支撐劑堆積砂體孔隙度方面的研究，大多是系統(tǒng)研究支撐劑 滲透率、導(dǎo)流能力以及返排效果方面的。筆者認(rèn)為，研究堆積砂體孔隙度隨壓力的變化關(guān) 系，對(duì)于優(yōu)化支撐劑鋪置方式、優(yōu)選支撐劑性能參數(shù)、預(yù)測(cè)填砂裂縫導(dǎo)流能力等方面具有重 要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置以及 使用該裝置的方法，為優(yōu)化支撐劑鋪置方式、優(yōu)選支撐劑基本性能參數(shù)提供實(shí)驗(yàn)支持，并為 預(yù)測(cè)填砂裂縫寬度、滲透率隨壓力變化關(guān)系提供數(shù)據(jù)支撐。使用這種測(cè)量裝置及方法，能夠 避免單個(gè)或少量支撐劑變形量不明顯、不易測(cè)量的缺點(diǎn)，同時(shí)可以動(dòng)態(tài)測(cè)量堆積砂體孔隙 度隨壓力的變化、單位體積砂粒破碎程度;將加壓基塊換成巖石板，可以測(cè)量支撐劑的嵌入 程度。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。
[0007] 本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路如下：
[0008] 該裝置主要利用連通器原理及水的微可壓縮性來(lái)測(cè)量堆積砂體孔隙度的變化。堆 積砂體受壓前，內(nèi)部金屬模具6當(dāng)中的水與外部玻璃量具5當(dāng)中的水液面是齊平的。在通過(guò) 液壓裝置1施加壓力的過(guò)程中，連桿2將壓力傳遞給加壓基塊4,加壓基塊4向下擠壓金屬模 具6中的堆積砂體，堆積砂體受擠壓變形后，水通過(guò)底部連通微通道8滲流到外部玻璃量具5 當(dāng)中，通過(guò)外部玻璃量具5能動(dòng)態(tài)讀出水量的多少，即堆積砂體孔隙度的變化。其中，密封橡 膠基塊3起到密封的作用，防止擠壓過(guò)程中水從上部滲出；透明觀測(cè)窗口 10用于觀察和讀取 實(shí)驗(yàn)前所添加砂粒的多少以及受壓過(guò)程中堆積砂體上界面的下降程度;如果將加壓基塊換 成巖石板，也可觀測(cè)砂粒嵌入巖石的程度。
[0009] 外部玻璃量具5可以根據(jù)堆積砂體多少及孔隙度的大小更換配套的容積不同的玻 璃量具。
[0010] 在其中一個(gè)連通微通道8外部安裝皂膜流量計(jì)11，關(guān)閉其他的微通道，將實(shí)驗(yàn)介質(zhì) 改為空氣（即堆積砂體中不加入水，重新做該實(shí)驗(yàn)），獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以與水作為介質(zhì)的 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，減少誤差。
[0011] -種利用上述裝置和水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)來(lái)測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率 的工作方法如下：
[0012] (1)將顆粒數(shù)目為m、外觀體積為V1的支撐劑顆粒鋪置在金屬模具中；
[0013] (2)用量筒量取體積為％的水加入到堆積砂體中，剛好淹沒堆積砂體的上沿停止， 記錄此時(shí)量筒中剩余的水為V 3，外部玻璃量具中水的體積為V4,則堆積砂體初始孔隙度為
[0014] (3)打開液壓裝置，加壓基塊向下緩慢運(yùn)行擠壓金屬模具中的堆積砂體，通過(guò)透明 觀測(cè)窗口隨時(shí)記錄堆積砂體外觀體積為V 6,并記錄壓力的變化值P以及外部玻璃量具中水 的體積V7,那么壓力為P時(shí)堆積砂體的孔隙度^

[00^1 MVMn;清點(diǎn)金屬模具當(dāng)中堆積砂體的破碎顆粒數(shù)目為n2，那么支撐劑顆粒破碎 率為
[0016] (5)測(cè)量加壓巖石板基塊上凹陷的深度為d。
[0017]如此可以得到孔隙度隨壓力的變化關(guān)系，并能得到支撐劑在不同壓力下的破碎率 及嵌入程度。
[0018] 該實(shí)驗(yàn)也可將介質(zhì)換成空氣，在底部安裝皂膜流量計(jì)，具體步驟如實(shí)施例2所示。
[0019] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0020] 1、本發(fā)明能動(dòng)態(tài)測(cè)量堆積砂體的孔隙度與壓力的變化，找出壓力與孔隙度關(guān)系曲 線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；
[0021] 2、本發(fā)明能用來(lái)分析支撐劑的破碎率及不同巖石板的嵌入程度；
[0022] 3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為以水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的裝置剖面圖；
[0024] 圖2為以水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的裝置外觀圖及底部俯視圖；
[0025] 圖3為以空氣作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的裝置剖面圖； 圖4為實(shí)驗(yàn)結(jié)果:堆積砂體孔隙度隨壓力的變化關(guān)系曲線圖，實(shí)線為真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛 線為擬合切線。
[0026] 圖中，1-液壓裝置，2-連桿，3-密封橡膠基塊，4-加壓基塊，5-外部玻璃量具，6-內(nèi) 部金屬模具，7-定體積空腔，8-連通微通道，9-底座，10-透明觀測(cè)窗口，11-皂膜流量計(jì)
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合實(shí)施例和說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明，但不限于此：
[0028] 實(shí)施例1:
[0029]本實(shí)施例借助圖1及圖2做詳細(xì)說(shuō)明。該裝置主要利用連通器原理及水的微可壓縮 性來(lái)測(cè)量堆積砂體孔隙度的變化。在金屬模具6中先加入定體積的支撐劑，數(shù)目已知;再用 量筒向其中加水，直到上液面剛好淹沒支撐劑;根據(jù)連通器原理可知，此時(shí)外部玻璃量具5 液面與內(nèi)部金屬模具6當(dāng)中的液面是齊平的，記錄外部玻璃量具5中水的體積;開啟液壓裝 置1，連桿2將加壓基塊4緩慢放入金屬模具6當(dāng)中，并緩慢加壓，堆積砂體外觀體積可通過(guò)透 明觀測(cè)窗口 10讀出；隨時(shí)記錄液壓數(shù)據(jù)、堆積砂體外觀體積及外部玻璃量具中水的體積。 密封橡膠基塊3起到密封的作用，能避免水從上部滲出。
[0030] 如果用Φι表示孔隙度，V6為某一壓力下堆積砂體外觀體積，V2為量筒原始量取的 水量，V 3為量筒中剩余水體積，V7為外部玻璃量具中水體積，那么壓力為P時(shí)堆積砂體孔隙度 於將孔隙度隨壓力的變化值畫成一條曲線，能得到一拐點(diǎn)，如圖4所示，拐點(diǎn) ^6· 前段為支撐劑堆積方式的改變引起的孔隙度變化，拐點(diǎn)后段為支撐劑變形及嵌入引起的孔 隙度變化。
[0031]
[0032] 實(shí)驗(yàn)泄壓后，清點(diǎn)金屬模具6當(dāng)中堆積砂體的破碎顆粒數(shù)目，并除以實(shí)驗(yàn)前所取的 支撐劑數(shù)目，就可得到在某一壓力下的支撐劑顆粒破碎率;并測(cè)量巖石板的嵌入深度，就可 得到支撐劑嵌入該類型巖石的嵌入程度。
[0033]外部玻璃量具5可以根據(jù)堆積砂體多少及孔隙度的大小更換配套的容積不同的玻 璃量具。
[0034] 實(shí)施例2:
[0035]如果以空氣作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，將該裝置當(dāng)中的外部玻璃量具5取走，封閉底部連通微 通道8,留下一孔安裝皂膜流量計(jì)11，裝置其他的部分保留不變;但實(shí)際操作中應(yīng)該增加密 封材料，因?yàn)榭諝飧淄鉂B。以空氣作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的裝置具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0036] 以空氣作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的裝置的工作方法如下：
[0037] (1)密封底部連通微通道8，留下一孔安裝皂膜流量計(jì)11;如果擔(dān)心密封效果，可以 設(shè)計(jì)兩套裝置，一個(gè)適用于水，不留安裝皂膜流量計(jì)的孔;一個(gè)適用于空氣，不設(shè)底部連通 微通道，只設(shè)一孔安裝皂膜流量計(jì)；
[0038](2)先用適用于水的裝置測(cè)量顆粒數(shù)目Sn1的堆積砂體初始孔隙度為
V4為壓力為0時(shí)的外部玻璃量具5中的水體積;那么初始孔隙體積為V 2- V3-V4;
[0039] (3)將這些沾水的支撐劑烘干，將其倒入內(nèi)部金屬模具當(dāng)中，人工整平堆積砂體上 界面，并打開液壓裝置降下加壓基塊加少許壓力，通過(guò)透明觀測(cè)窗口讀出堆積砂體初始外 觀體積為Vg。，Vgo = Vi;
[0040] (4)增大液壓，加壓基塊向下緩慢運(yùn)行擠壓金屬模具中的堆積砂體，通過(guò)透明觀測(cè) 窗口隨時(shí)記錄堆積砂體外觀體積V g，并記錄壓力的變化值P、皂臘流量計(jì)流量V及時(shí)間t。那 么孔隙體積減少量為A Vg = vt。那么壓力為P時(shí)的孔隙度^
[0041] (5)泄壓，清點(diǎn)金屬模具當(dāng)中堆積砂體的破碎顆粒數(shù)目為n2,那么支撐劑顆粒破碎
[0042] (6)測(cè)量加壓巖石板基塊上凹陷的深度為d。
[0043]如此就能得到孔隙度隨壓力的變化關(guān)系，并能得到支撐劑在不同壓力下的破碎率 及嵌入程度。但用空氣作為介質(zhì)測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率只是用來(lái)對(duì)比水對(duì) 支撐劑破碎率及嵌入程度的影響，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化孔隙度隨壓力的變化關(guān)系。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置，其特征在于，它主要由加壓部 分、測(cè)量部分組成;液壓裝置1通過(guò)連桿2、加壓基塊4給內(nèi)部金屬模具6中的堆積砂體加壓， 密封橡膠基塊3包裹在連桿2外圍，上下有三層球形突出能起到密封的作用；內(nèi)部金屬模具6 有透明觀測(cè)窗口 10,底部有兩層連通微通道8與內(nèi)部金屬模具6、外部玻璃量具5之間的定體 積空腔7相通，透明觀測(cè)窗口 10及外部玻璃量具5上都標(biāo)有刻度； 該裝置底部有一連通微通道能安裝皂膜流量計(jì)11，用空氣作為介質(zhì)測(cè)量堆積砂體的孔 隙度變化時(shí)，關(guān)閉其他的連通微通道;用水作為介質(zhì)測(cè)量堆積砂體的孔隙度變化時(shí)，關(guān)閉裝 皂膜流量計(jì)11的唯一該通道，其他的連通微通道8開通并裝上防砂網(wǎng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置，其特征在 于，所述的橡膠基塊上的三層突出呈球面形，三層突出之間的部分與加壓基塊在一個(gè)垂直 面上，緊密貼合金屬模具內(nèi)腔壁面，即三層突出之間的部分直徑與內(nèi)部金屬模具直徑大小 相等。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置，其特征在 于，所述的加壓基塊、內(nèi)部金屬模具、外部玻璃量具呈圓柱形，且加壓基塊與內(nèi)部金屬模具 半徑大小相等;外部玻璃量具可以根據(jù)需要更換半徑不同的、配套的量具。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置，其特征在 于，所述的底部連通微通道孔徑足夠小，可以根據(jù)需要在內(nèi)部裝上密封網(wǎng)，防止破碎細(xì)小顆 粒受擠壓流進(jìn)外部玻璃量具內(nèi)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置，其特征在 于，所述的定體積空腔體積已知，且根據(jù)空腔底部面積，在外部玻璃面上標(biāo)有連續(xù)刻度；內(nèi) 部金屬模具也根據(jù)底部面積在透明觀測(cè)窗口上標(biāo)有連續(xù)刻度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置，其特征在 于，所述的測(cè)量部分是根據(jù)連通器原理，將堆積砂體中水體積的變化呈現(xiàn)在外部量筒內(nèi)，以 可視化的方式測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度的變化;或直接用皂膜流量計(jì)直接測(cè)出受壓砂粒之 間孔隙體積的變化。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種測(cè)量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置，其特征在 于，所述的加壓基塊可換成半徑相同、表面切割光滑的巖石板，測(cè)量砂體的嵌入程度，同時(shí) 也可測(cè)量單位體積砂粒的破碎程度。
【文檔編號(hào)】G01N15/08GK105891087SQ201610238161
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】李海濤, 王科, 劉濤, 朱世琰, 陽(yáng)明君, 李卉, 王旦丹
【申請(qǐng)人】西南石油大學(xué)