一种测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置及方法。该测量装置主要利用连通器原理及水的微可压缩性，包括液压装置、密封橡胶基块、加压基块、内部金属模具、内部透明观察窗口、外部玻璃量具、底部连通微通道等。在内部金属模具当中添加细砂(支撑剂)，再向模具当中加水直至刚好淹没堆积砂体，通过加压装置给堆积砂体加压，受挤压后水通过底部连通通道流到外部玻璃量具当中，可以读出增加的水量即堆积砂体孔隙度减小程度。本发明的有益效果是：可测量受压堆积砂体的孔隙度变化、颗粒破碎率、支撑剂嵌入程度，为优化支撑剂铺置方式、预测填砂裂缝宽度随压力的变化关系提供支撑；装置结构简单，轻便，易于操作。
【专利说明】
一种测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于实验室测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置及方 法，属于油气田开发技术的领域。
【背景技术】
[0002] 页岩气是一种非常重要的非常规能源，低渗、致密是页岩气藏最主要的特点，采用 传统的开采技术无法获得工业气流，因而页岩气的发展受到了严重阻碍。近十几年来，尤其 是在美国，由于水平井钻井技术及大型水力压裂技术的出现，美国页岩气工业发展得到了 长足进步，页岩气藏已能采出可观的工业气流。中国页岩气资源丰富，储量约为15万亿一 30 万亿立方米左右，与美国28.3万亿立方米大致相当，经济价值巨大。因此，开展水力压裂及 相关方面的技术研究，对于开发页岩气资源来说至关重要。
[0003] 形成高导流能力的裂缝是水力压裂的最主要目标，裂缝的导流能力是指油层条件 下填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积，因此水力压裂形成的裂缝的导流能力是裂缝渗透率 及裂缝宽度两个方面互相影响的结果，而裂缝导流能力及裂缝宽度与支撑剂的性能又有一 定的关系。具体解释如下：在一定闭合压力作用下，支撑剂会嵌入地层，同时支撑剂颗粒变 形甚至破碎进一步影响裂缝宽度，并在一定的程度上减小填砂裂缝的孔隙度及渗透半径， 根据高才尼一卡尔曼渗透率公式可以知道，填砂层的渗透率与孔隙度及渗透半径的平方呈 正比。
[0004] 国内外相关的研究发现，支撑剂的性能对裂缝导流能力的影响巨大，高圆度、高球 度、高硬度、等径的支撑剂往往是追求的最主要目标。等径的圆球状支撑剂砂粒之间有两种 堆积方式，分别是:正方形堆置、菱形堆置，两种方式各自形成的堆积砂体孔隙度由小到大 分别是:菱形堆置〈正方形堆置。但大量的支撑剂堆积在一起是随机的，两种堆积方式都会 存在，且难免存在一定量的空洞。如果支撑剂大小不一，还可能存在:①大颗粒孔隙之间嵌 入小粒径颗粒;②空洞之间填充小颗粒。如果支撑剂是非球形的，堆积方式就更加复杂，而 且空洞也会增加。总之，支撑剂的大小、圆球度对支撑剂的堆积方式影响显著;但是，无论支 撑剂是否等径或者球形，大量堆积砂体的孔隙度是接近40 %的，且量越大，孔隙度值越接近 40%。且这些堆积砂体受压后孔隙度的变化过程可以分为两个阶段:第一阶段主要为堆积 方式的改变，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变;第二阶段主要 是支撑剂的变形、破碎以及嵌入地层岩石。
[0005]目前还没有专门针对支撑剂堆积砂体孔隙度方面的研究，大多是系统研究支撑剂 渗透率、导流能力以及返排效果方面的。笔者认为，研究堆积砂体孔隙度随压力的变化关 系，对于优化支撑剂铺置方式、优选支撑剂性能参数、预测填砂裂缝导流能力等方面具有重 要意义。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置以及 使用该装置的方法，为优化支撑剂铺置方式、优选支撑剂基本性能参数提供实验支持，并为 预测填砂裂缝宽度、渗透率随压力变化关系提供数据支撑。使用这种测量装置及方法，能够 避免单个或少量支撑剂变形量不明显、不易测量的缺点，同时可以动态测量堆积砂体孔隙 度随压力的变化、单位体积砂粒破碎程度;将加压基块换成岩石板，可以测量支撑剂的嵌入 程度。该装置结构简单，操作方便。
[0007] 本发明装置的结构设计思路如下：
[0008] 该装置主要利用连通器原理及水的微可压缩性来测量堆积砂体孔隙度的变化。堆 积砂体受压前，内部金属模具6当中的水与外部玻璃量具5当中的水液面是齐平的。在通过 液压装置1施加压力的过程中，连杆2将压力传递给加压基块4,加压基块4向下挤压金属模 具6中的堆积砂体，堆积砂体受挤压变形后，水通过底部连通微通道8渗流到外部玻璃量具5 当中，通过外部玻璃量具5能动态读出水量的多少，即堆积砂体孔隙度的变化。其中，密封橡 胶基块3起到密封的作用，防止挤压过程中水从上部渗出；透明观测窗口 10用于观察和读取 实验前所添加砂粒的多少以及受压过程中堆积砂体上界面的下降程度;如果将加压基块换 成岩石板，也可观测砂粒嵌入岩石的程度。
[0009] 外部玻璃量具5可以根据堆积砂体多少及孔隙度的大小更换配套的容积不同的玻 璃量具。
[0010] 在其中一个连通微通道8外部安装皂膜流量计11，关闭其他的微通道，将实验介质 改为空气（即堆积砂体中不加入水，重新做该实验），获取的实验结果可以与水作为介质的 实验结果对比，减少误差。
[0011] -种利用上述装置和水作为实验介质来测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率 的工作方法如下：
[0012] (1)将颗粒数目为m、外观体积为V1的支撑剂颗粒铺置在金属模具中；
[0013] (2)用量筒量取体积为％的水加入到堆积砂体中，刚好淹没堆积砂体的上沿停止， 记录此时量筒中剩余的水为V 3，外部玻璃量具中水的体积为V4,则堆积砂体初始孔隙度为
[0014] (3)打开液压装置，加压基块向下缓慢运行挤压金属模具中的堆积砂体，通过透明 观测窗口随时记录堆积砂体外观体积为V 6,并记录压力的变化值P以及外部玻璃量具中水 的体积V7,那么压力为P时堆积砂体的孔隙度^
[00^1 MVMn;清点金属模具当中堆积砂体的破碎颗粒数目为n2，那么支撑剂颗粒破碎 率为
[0016] (5)测量加压岩石板基块上凹陷的深度为d。
[0017]如此可以得到孔隙度随压力的变化关系，并能得到支撑剂在不同压力下的破碎率 及嵌入程度。
[0018] 该实验也可将介质换成空气，在底部安装皂膜流量计，具体步骤如实施例2所示。
[0019] 本发明的有益效果如下：
[0020] 1、本发明能动态测量堆积砂体的孔隙度与压力的变化，找出压力与孔隙度关系曲 线的转折点；
[0021] 2、本发明能用来分析支撑剂的破碎率及不同岩石板的嵌入程度；
[0022] 3、本发明结构简单，操作方便。
【附图说明】
[0023] 图1为以水作为实验介质的装置剖面图；
[0024] 图2为以水作为实验介质的装置外观图及底部俯视图；
[0025] 图3为以空气作为实验介质的装置剖面图； 图4为实验结果:堆积砂体孔隙度随压力的变化关系曲线图，实线为真实实验结果，虚 线为拟合切线。
[0026] 图中，1-液压装置，2-连杆，3-密封橡胶基块，4-加压基块，5-外部玻璃量具，6-内 部金属模具，7-定体积空腔，8-连通微通道，9-底座，10-透明观测窗口，11-皂膜流量计
【具体实施方式】
[0027] 下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此：
[0028] 实施例1:
[0029]本实施例借助图1及图2做详细说明。该装置主要利用连通器原理及水的微可压缩 性来测量堆积砂体孔隙度的变化。在金属模具6中先加入定体积的支撑剂，数目已知;再用 量筒向其中加水，直到上液面刚好淹没支撑剂;根据连通器原理可知，此时外部玻璃量具5 液面与内部金属模具6当中的液面是齐平的，记录外部玻璃量具5中水的体积;开启液压装 置1，连杆2将加压基块4缓慢放入金属模具6当中，并缓慢加压，堆积砂体外观体积可通过透 明观测窗口 10读出；随时记录液压数据、堆积砂体外观体积及外部玻璃量具中水的体积。 密封橡胶基块3起到密封的作用，能避免水从上部渗出。
[0030] 如果用Φι表示孔隙度，V6为某一压力下堆积砂体外观体积，V2为量筒原始量取的 水量，V 3为量筒中剩余水体积，V7为外部玻璃量具中水体积，那么压力为P时堆积砂体孔隙度 於将孔隙度随压力的变化值画成一条曲线，能得到一拐点，如图4所示，拐点 ^6· 前段为支撑剂堆积方式的改变引起的孔隙度变化，拐点后段为支撑剂变形及嵌入引起的孔 隙度变化。
[0031]
[0032] 实验泄压后，清点金属模具6当中堆积砂体的破碎颗粒数目，并除以实验前所取的 支撑剂数目，就可得到在某一压力下的支撑剂颗粒破碎率;并测量岩石板的嵌入深度，就可 得到支撑剂嵌入该类型岩石的嵌入程度。
[0033]外部玻璃量具5可以根据堆积砂体多少及孔隙度的大小更换配套的容积不同的玻 璃量具。
[0034] 实施例2:
[0035]如果以空气作为实验介质，将该装置当中的外部玻璃量具5取走，封闭底部连通微 通道8,留下一孔安装皂膜流量计11，装置其他的部分保留不变;但实际操作中应该增加密 封材料，因为空气更易外渗。以空气作为实验介质的装置具体结构如图3所示。
[0036] 以空气作为实验介质的装置的工作方法如下：
[0037] (1)密封底部连通微通道8，留下一孔安装皂膜流量计11;如果担心密封效果，可以 设计两套装置，一个适用于水，不留安装皂膜流量计的孔;一个适用于空气，不设底部连通 微通道，只设一孔安装皂膜流量计；
[0038](2)先用适用于水的装置测量颗粒数目Sn1的堆积砂体初始孔隙度为
V4为压力为0时的外部玻璃量具5中的水体积;那么初始孔隙体积为V 2- V3-V4;
[0039] (3)将这些沾水的支撑剂烘干，将其倒入内部金属模具当中，人工整平堆积砂体上 界面，并打开液压装置降下加压基块加少许压力，通过透明观测窗口读出堆积砂体初始外 观体积为Vg。，Vgo = Vi;
[0040] (4)增大液压，加压基块向下缓慢运行挤压金属模具中的堆积砂体，通过透明观测 窗口随时记录堆积砂体外观体积V g，并记录压力的变化值P、皂腊流量计流量V及时间t。那 么孔隙体积减少量为A Vg = vt。那么压力为P时的孔隙度^
[0041] (5)泄压，清点金属模具当中堆积砂体的破碎颗粒数目为n2,那么支撑剂颗粒破碎
[0042] (6)测量加压岩石板基块上凹陷的深度为d。
[0043]如此就能得到孔隙度随压力的变化关系，并能得到支撑剂在不同压力下的破碎率 及嵌入程度。但用空气作为介质测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率只是用来对比水对 支撑剂破碎率及嵌入程度的影响，同时进一步优化孔隙度随压力的变化关系。
【主权项】
1. 一种测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置，其特征在于，它主要由加压部 分、测量部分组成;液压装置1通过连杆2、加压基块4给内部金属模具6中的堆积砂体加压， 密封橡胶基块3包裹在连杆2外围，上下有三层球形突出能起到密封的作用；内部金属模具6 有透明观测窗口 10,底部有两层连通微通道8与内部金属模具6、外部玻璃量具5之间的定体 积空腔7相通，透明观测窗口 10及外部玻璃量具5上都标有刻度； 该装置底部有一连通微通道能安装皂膜流量计11，用空气作为介质测量堆积砂体的孔 隙度变化时，关闭其他的连通微通道;用水作为介质测量堆积砂体的孔隙度变化时，关闭装 皂膜流量计11的唯一该通道，其他的连通微通道8开通并装上防砂网。2. 根据权利要求1所述一种测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置，其特征在 于，所述的橡胶基块上的三层突出呈球面形，三层突出之间的部分与加压基块在一个垂直 面上，紧密贴合金属模具内腔壁面，即三层突出之间的部分直径与内部金属模具直径大小 相等。3. 根据权利要求1所述一种测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置，其特征在 于，所述的加压基块、内部金属模具、外部玻璃量具呈圆柱形，且加压基块与内部金属模具 半径大小相等;外部玻璃量具可以根据需要更换半径不同的、配套的量具。4. 根据权利要求1所述一种测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置，其特征在 于，所述的底部连通微通道孔径足够小，可以根据需要在内部装上密封网，防止破碎细小颗 粒受挤压流进外部玻璃量具内。5. 根据权利要求1所述一种测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置，其特征在 于，所述的定体积空腔体积已知，且根据空腔底部面积，在外部玻璃面上标有连续刻度；内 部金属模具也根据底部面积在透明观测窗口上标有连续刻度。6. 根据权利要求1所述一种测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置，其特征在 于，所述的测量部分是根据连通器原理，将堆积砂体中水体积的变化呈现在外部量筒内，以 可视化的方式测量受压堆积砂体孔隙度的变化;或直接用皂膜流量计直接测出受压砂粒之 间孔隙体积的变化。7. 根据权利要求1所述一种测量受压堆积砂体孔隙度及颗粒破碎率的装置，其特征在 于，所述的加压基块可换成半径相同、表面切割光滑的岩石板，测量砂体的嵌入程度，同时 也可测量单位体积砂粒的破碎程度。
【文档编号】G01N15/08GK105891087SQ201610238161
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】李海涛, 王科, 刘涛, 朱世琰, 阳明君, 李卉, 王旦丹
【申请人】西南石油大学