一種測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】本發明涉及一種測量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置及方法。該測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、內部金屬模具、內部透明觀察窗口、外部玻璃量具、底部連通微通道等。在內部金屬模具當中添加細砂(支撐劑)，再向模具當中加水直至剛好淹沒堆積砂體，通過加壓裝置給堆積砂體加壓，受擠壓后水通過底部連通通道流到外部玻璃量具當中，可以讀出增加的水量即堆積砂體孔隙度減小程度。本發明的有益效果是：可測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，為優化支撐劑鋪置方式、預測填砂裂縫寬度隨壓力的變化關系提供支撐；裝置結構簡單，輕便，易于操作。
【專利說明】
一種測量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種用于實驗室測量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置及方 法，屬于油氣田開發技術的領域。
【背景技術】
[0002] 頁巖氣是一種非常重要的非常規能源，低滲、致密是頁巖氣藏最主要的特點，采用 傳統的開采技術無法獲得工業氣流，因而頁巖氣的發展受到了嚴重阻礙。近十幾年來，尤其 是在美國，由于水平井鉆井技術及大型水力壓裂技術的出現，美國頁巖氣工業發展得到了 長足進步，頁巖氣藏已能采出可觀的工業氣流。中國頁巖氣資源豐富，儲量約為15萬億一 30 萬億立方米左右，與美國28.3萬億立方米大致相當，經濟價值巨大。因此，開展水力壓裂及 相關方面的技術研究，對于開發頁巖氣資源來說至關重要。
[0003] 形成高導流能力的裂縫是水力壓裂的最主要目標，裂縫的導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流能力是裂縫滲透率 及裂縫寬度兩個方面互相影響的結果，而裂縫導流能力及裂縫寬度與支撐劑的性能又有一 定的關系。具體解釋如下：在一定閉合壓力作用下，支撐劑會嵌入地層，同時支撐劑顆粒變 形甚至破碎進一步影響裂縫寬度，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] 國內外相關的研究發現，支撐劑的性能對裂縫導流能力的影響巨大，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。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的，兩種堆積方式都會 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，堆積方式就更加復雜，而 且空洞也會增加。總之，支撐劑的大小、圓球度對支撐劑的堆積方式影響顯著;但是，無論支 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程可以分為兩個階段: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支撐劑堆積砂體孔隙度方面的研究，大多是系統研究支撐劑 滲透率、導流能力以及返排效果方面的。筆者認為，研究堆積砂體孔隙度隨壓力的變化關 系，對于優化支撐劑鋪置方式、優選支撐劑性能參數、預測填砂裂縫導流能力等方面具有重 要意義。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種測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，為優化支撐劑鋪置方式、優選支撐劑基本性能參數提供實驗支持，并為 預測填砂裂縫寬度、滲透率隨壓力變化關系提供數據支撐。使用這種測量裝置及方法，能夠 避免單個或少量支撐劑變形量不明顯、不易測量的缺點，同時可以動態測量堆積砂體孔隙 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，可以測量支撐劑的嵌入 程度。該裝置結構簡單，操作方便。
[0007] 本發明裝置的結構設計思路如下：
[0008] 該裝置主要利用連通器原理及水的微可壓縮性來測量堆積砂體孔隙度的變化。堆 積砂體受壓前，內部金屬模具6當中的水與外部玻璃量具5當中的水液面是齊平的。在通過 液壓裝置1施加壓力的過程中，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，水通過底部連通微通道8滲流到外部玻璃量具5 當中，通過外部玻璃量具5能動態讀出水量的多少，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，防止擠壓過程中水從上部滲出；透明觀測窗口 10用于觀察和讀取 實驗前所添加砂粒的多少以及受壓過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，也可觀測砂粒嵌入巖石的程度。
[0009] 外部玻璃量具5可以根據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] 在其中一個連通微通道8外部安裝皂膜流量計11，關閉其他的微通道，將實驗介質 改為空氣（即堆積砂體中不加入水，重新做該實驗），獲取的實驗結果可以與水作為介質的 實驗結果對比，減少誤差。
[0011] -種利用上述裝置和水作為實驗介質來測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行擠壓金屬模具中的堆積砂體，通過透明 觀測窗口隨時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時堆積砂體的孔隙度^
[00^1 MVMn;清點金屬模具當中堆積砂體的破碎顆粒數目為n2，那么支撐劑顆粒破碎 率為
[0016] (5)測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] 該實驗也可將介質換成空氣，在底部安裝皂膜流量計，具體步驟如實施例2所示。
[0019] 本發明的有益效果如下：
[0020] 1、本發明能動態測量堆積砂體的孔隙度與壓力的變化，找出壓力與孔隙度關系曲 線的轉折點；
[0021] 2、本發明能用來分析支撐劑的破碎率及不同巖石板的嵌入程度；
[0022] 3、本發明結構簡單，操作方便。
【附圖說明】
[0023] 圖1為以水作為實驗介質的裝置剖面圖；
[0024] 圖2為以水作為實驗介質的裝置外觀圖及底部俯視圖；
[0025] 圖3為以空氣作為實驗介質的裝置剖面圖； 圖4為實驗結果:堆積砂體孔隙度隨壓力的變化關系曲線圖，實線為真實實驗結果，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 部金屬模具，7-定體積空腔，8-連通微通道，9-底座，10-透明觀測窗口，11-皂膜流量計
【具體實施方式】
[0027] 下面結合實施例和說明書附圖對本發明做詳細的說明，但不限于此：
[0028] 實施例1:
[0029]本實施例借助圖1及圖2做詳細說明。該裝置主要利用連通器原理及水的微可壓縮 性來測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;根據連通器原理可知，此時外部玻璃量具5 液面與內部金屬模具6當中的液面是齊平的，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當中，并緩慢加壓，堆積砂體外觀體積可通過透 明觀測窗口 10讀出；隨時記錄液壓數據、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，如圖4所示，拐點 ^6· 前段為支撐劑堆積方式的改變引起的孔隙度變化，拐點后段為支撐劑變形及嵌入引起的孔 隙度變化。
[0031]
[0032] 實驗泄壓后，清點金屬模具6當中堆積砂體的破碎顆粒數目，并除以實驗前所取的 支撐劑數目，就可得到在某一壓力下的支撐劑顆粒破碎率;并測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] 實施例2:
[0035]如果以空氣作為實驗介質，將該裝置當中的外部玻璃量具5取走，封閉底部連通微 通道8,留下一孔安裝皂膜流量計11，裝置其他的部分保留不變;但實際操作中應該增加密 封材料，因為空氣更易外滲。以空氣作為實驗介質的裝置具體結構如圖3所示。
[0036] 以空氣作為實驗介質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11;如果擔心密封效果，可以 設計兩套裝置，一個適用于水，不留安裝皂膜流量計的孔;一個適用于空氣，不設底部連通 微通道，只設一孔安裝皂膜流量計；
[0038](2)先用適用于水的裝置測量顆粒數目Sn1的堆積砂體初始孔隙度為
V4為壓力為0時的外部玻璃量具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，將其倒入內部金屬模具當中，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，通過透明觀測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行擠壓金屬模具中的堆積砂體，通過透明觀測 窗口隨時記錄堆積砂體外觀體積V g，并記錄壓力的變化值P、皂臘流量計流量V及時間t。那 么孔隙體積減少量為A Vg = vt。那么壓力為P時的孔隙度^
[0041] (5)泄壓，清點金屬模具當中堆積砂體的破碎顆粒數目為n2,那么支撐劑顆粒破碎
[0042] (6)測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。但用空氣作為介質測量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率只是用來對比水對 支撐劑破碎率及嵌入程度的影響，同時進一步優化孔隙度隨壓力的變化關系。
【主權項】
1. 一種測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、測量部分組成;液壓裝置1通過連桿2、加壓基塊4給內部金屬模具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；內部金屬模具6 有透明觀測窗口 10,底部有兩層連通微通道8與內部金屬模具6、外部玻璃量具5之間的定體 積空腔7相通，透明觀測窗口 10及外部玻璃量具5上都標有刻度； 該裝置底部有一連通微通道能安裝皂膜流量計11，用空氣作為介質測量堆積砂體的孔 隙度變化時，關閉其他的連通微通道;用水作為介質測量堆積砂體的孔隙度變化時，關閉裝 皂膜流量計11的唯一該通道，其他的連通微通道8開通并裝上防砂網。2. 根據權利要求1所述一種測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垂直 面上，緊密貼合金屬模具內腔壁面，即三層突出之間的部分直徑與內部金屬模具直徑大小 相等。3. 根據權利要求1所述一種測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、內部金屬模具、外部玻璃量具呈圓柱形，且加壓基塊與內部金屬模具 半徑大小相等;外部玻璃量具可以根據需要更換半徑不同的、配套的量具。4. 根據權利要求1所述一種測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，可以根據需要在內部裝上密封網，防止破碎細小顆 粒受擠壓流進外部玻璃量具內。5. 根據權利要求1所述一種測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，且根據空腔底部面積，在外部玻璃面上標有連續刻度；內 部金屬模具也根據底部面積在透明觀測窗口上標有連續刻度。6. 根據權利要求1所述一種測量受壓堆積砂體孔隙度及顆粒破碎率的裝置，其特征在 于，所述的測量部分是根據連通器原理，將堆積砂體中水體積的變化呈現在外部量筒內，以 可視化的方式測量受壓堆積砂體孔隙度的變化;或直接用皂膜流量計直接測出受壓砂粒之 間孔隙體積的變化。7. 根據權利要求1所述一種測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，測量砂體的嵌入程度，同時 也可測量單位體積砂粒的破碎程度。
【文檔編號】G01N15/08GK105891087SQ201610238161
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月15日
【發明人】李海濤, 王科, 劉濤, 朱世琰, 陽明君, 李卉, 王旦丹
【申請人】西南石油大學