用于模拟多层理岩样的试验装置及方法与流程

本发明涉及地质领域，具体地涉及一种用于模拟多层理岩样的试验装置及方法。

背景技术：

我国拥有丰富的煤层气资源和具备巨大的开发潜力。煤系页岩地层的综合开发关键在于产层组水力压裂穿层控制技术，当页岩层与煤层相距较近时，希望通过压裂页岩层，使水力裂缝沟通煤层，压裂时裂缝的走向和形态与储层层理面倾角、岩层厚度、层面胶结强度有关，因此研究产层组压裂裂缝穿层扩展机制具有重要意义。在试验室通过对分层介质进行真三轴水力压裂模拟试验，是认识水力裂缝垂向穿层扩展规律，实现高效开发非常规资源的重要手段。

在进行室内物理模拟试验时，为了研究厚度、岩性、地层倾角及层面胶结强度对人工裂缝的影响，需要在制作物理试件时在岩石内部预置层理面。申请号为201410260860.9的中国发明专利，公开了一种节理性页岩人造岩心的制备方法，该人造岩心采用水泥和石英砂模拟层状页岩，通过添加麦片、碎纸片模拟层理，此类采用混凝土试样模拟分层试样的方法会导致不同程度层理变形，无法调整层理面的倾角，更不能模拟层理面胶结强度。最终影响试验结果，因此，急需开发一种用于模拟多层理岩样的试验装置，以解决现有技术存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服没有合适的用来模拟多层理岩样的试验装置的问题，提供一种用于模拟多层理岩样的试验装置。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于模拟多层理岩样的试验装置，所述试验装置包括容器、角度调整机构以及隔板，所述容器包括底板和设置在所述底板上的侧围板；所述隔板通过所述角度调整机构安装并定位于所述容器，以使所述隔板的底边和所述底板相贴合，所述隔板的侧边和所述侧围板相贴合；其中所述隔板能够通过所述角度调整机构调整所述隔板和所述底板之间的夹角的角度。

优选地，所述角度调整机构包括连接件和定位件，所述连接件设置在所述侧围板的顶端，所述定位件为柱状件且所述定位件的两端分别和所述连接件形成花键连接，所述定位件限定沿所述定位件的轴向方向延伸的限位孔，所述限位孔的宽度和所述隔板的厚度相匹配以使所述隔板能够穿过的限位孔。

优选地，所述连接件能够沿着侧围板的长度方向调整位置。

优选地，所述侧围板包括两个相对设置且互相平行的限位侧板，所述限位侧板的顶端形成有多个间隔设置的容纳槽，所述连接件包括连接块和连接在所述连接块的下方的限位块，所述限位块与所述容纳槽的形状相匹配，以使所述限位块能够选择性地容纳在其中一个所述容纳槽中，所述连接块和所述定位件的端部形成花键连接。

优选地，所述角度调整机构包括紧固件，所述连接块的中心形成有通孔，所述定位件的端部形成有盲孔，所述紧固件贯穿所述通孔并伸入到所述盲孔中以固定所述连接块和所述定位件。

优选地，所述定位件垂直于所述限位侧板。

优选地，所述侧围板包括两个设置在两个所述限位侧板之间的连接侧板，所述连接侧板垂直于所述限位侧板，所述限位侧板垂直于所述底板。

优选地，所述用于模拟多层理岩样的试验装置包括至少两个所述隔板。

优选地，所述底板和所述侧围板为木板，所述隔板为金属板件。

本发明第二方面提供一种用于模拟多层理岩样的方法，所述方法利用如上所述的用于模拟多层理岩样的试验装置，所述方法包括：S1：向所述容器的位于所述隔板的两侧的空间分别注入不同性质的水泥浆料以形成水泥式样；S2：静置特定时间后，移除所述隔板，并静置所述水泥式样直至所述水泥式样完全凝固；S3：取出所述水泥式样。

通过上述技术方案，隔板通过角度调整机构安装并定位于容器，且隔板的底边和底板相贴合，隔板的侧边和侧围板相贴合，因此隔板能够将容器分隔出独立的层理模拟空间，其中分隔出的独立的层理模拟空间由隔板的数量来决定，操作者向不同的层理模拟空间分别注入水泥浆料即可模拟出多层理岩样，由于隔板能够通过角度调整机构调整隔板和所述之间的夹角的角度，从而能够模拟出不同地层倾角的层理面。

附图说明

图1是根据本发明优选实施方式的用于模拟多层理岩样的试验装置的示意图；

图2是图1中A处的放大图；

图3是图1的用于模拟多层理岩样的试验装置另一视角的示意图；

图4是图1的用于模拟多层理岩样的试验装置的连接件的示意图；

图5是图4的连接件的另一视角的示意图；

图6是图1的用于模拟多层理岩样的试验装置的定位件的局部示意图；

图7是图6的定位件的俯视图；

图8是图6的定位件的侧视图。

附图标记说明

10-容器11-底板12-限位侧板13-容纳槽14-连接侧板

20-隔板

31-连接件32-定位件33-限位孔34-连接块35-限位块36-紧固件

37-通孔38-盲孔

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种用于模拟多层理岩样的试验装置，所述试验装置包括容器10、角度调整机构以及隔板20，所述容器包括底板11和设置在所述底板11上的侧围板；所述隔板20通过所述角度调整机构安装并定位于所述容器10，以使所述隔板20的底边和所述底板11相贴合，所述隔板20的侧边和所述侧围板相贴合；其中所述隔板20能够通过所述角度调整机构调整所述隔板20和所述底板11之间的夹角的角度。

如图1所示，隔板20通过角度调整机构安装并定位于容器10，且隔板20的底边和底板11相贴合，隔板的侧边和侧围板相贴合，因此隔板能够将容器分隔出独立的层理模拟空间，其中分隔出的独立的层理模拟空间由隔板的数量来决定，操作者向不同的层理模拟空间分别注入水泥浆料即可模拟出多层理岩样，由于隔板能够通过角度调整机构调整隔板和底板之间的夹角的角度，从而能够模拟出不同地层倾角的层理面。

其中，如图2和图7所示，角度调整机构包括连接件31和定位件32，所述连接件31设置在所述侧围板的顶端，所述定位件32为柱状件且所述定位件32的两端分别和所述连接件31形成花键连接，所述定位件32限定沿所述定位件32的轴向方向延伸的限位孔33，所述限位孔33的宽度和所述隔板20的厚度相匹配以使所述隔板20能够穿过的限位孔33，通过改变定位件32和连接件31的花键连接的连接位置，就能够调节定位件32上的限位孔33的倾斜角度，调整完成之后，将隔板20穿过限位孔33并使得隔板20的底边和底板11贴合，由于限位孔33的厚度和隔板20的厚度相匹配，隔板20只能以特定的角度穿过限位孔33，因此通过调节限位孔33的倾斜角度，就能够调节隔板和底板之间的夹角，从而模拟出不同地层倾角的层理面。其中，容器10的可以选用木板构成，隔板20可以选用金属板件，比如碳钢材质的板件。

在本申请的优选实施方式中，如图3所示，侧围板包括两个限位侧板12和两个连接侧板14，限位侧板12和连接侧板14互相垂直从而形成框形的侧围板，且限位侧板和连接侧板均垂直于底板，定位件32垂直于限位侧板12，且平行于连接侧板14和底板11。

为了调节层理的厚度，连接件31能够沿着限位侧板12的长度方向调整位置，如图2所示，所述限位侧板12的顶端形成有多个间隔设置的容纳槽13，所述连接件31包括连接块34和连接在所述连接块34的下方的限位块35，所述限位块35与所述容纳槽13的形状相匹配，所述限位块35能够选择性地容纳在其中一个所述容纳槽13中，从而选择定位件32所在的位置，从而选择隔板20所在的位置。

其中所述连接块34和所述定位件32的端部形成花键连接，如图4和图5所示，连接块34的具有内环面，该内环面上均匀地设置有多个齿条，齿条之间形成有间隙；如图6和图8所示，定位件32形成有外环面，该外环面上均匀地设置有多个齿条，从而使得定位件和连接块能够啮合，其中定位件32能够以不同的倾斜角度和连接块34相啮合，从而调整限位孔33的倾斜角度。其中，隔板和底板之间的夹角所能够调节的最小单位角度和齿条的数量有关，齿条的数量越多，夹角就能够被调节地更加精确。比如连接块34上形成有72个齿条，则夹角所能够调整的最小角度就是5°。

需要说明的是，本申请并不限定于这种矩形的齿条的形式，齿条也可以选择其他适当的形状，也并不限定于连接块34啮合在定位件32的外侧的形式，只要能够使得定位件32和连接块34相啮合，并且能够调节定位件32和连接块34之间的啮合关系即可。

通过选择定位件32的位置，使得试验装置能够限定出不同厚度的层理模拟空间，如图1和图2所示，沿着限位侧板12的顶端的延伸方向设置有多个矩形的容纳槽13，在进行实验时，操作者先以适当的角度将连接块34和定位件32通过花键的结构连接起来，从而限定隔板20和底板11的夹角的角度，然后将限位块35插入适当位置的容纳槽13中，从而限定隔板20所限定的层理模拟空间的厚度，这样就能够模拟出不同地层顶层倾角以及不同厚度的层理模拟空间。

而为了使得连接件31稳定地设置在容纳槽13中，如图2所示，角度调整机构还包括紧固件36，且在连接块34的中心形成有通孔37，定位件32的端部形成有盲孔38，紧固件可以选用销件贯穿通孔37并伸入到盲孔38中从而将连接件31和定位件32紧固在一切，并将限位块35紧固在容纳槽13中，其中，紧固件36也可以选用螺杆，同时通孔37和盲孔38的内周面上形成螺纹以连接紧固件36。

另外，在本申请的实施方式中，容器10中设置有两个隔板20，其中用于安装这两个隔板20的定位件32的轴线彼此平行，这两个隔板20能够在容器中限定3个独立的层理模拟空间，且这两个隔板20均能够单独调整自身和底板11的夹角的角度，其中考虑到通常的底层倾角的值以及为了避免隔板之间互相干扰，隔板20和底板11的夹角一般在0°到45°之间。需要说明的是，本申请并不限定于此，根据实验的需求，容器10中也可以设置两个以上的隔板20。

用来模拟地层的水泥浆料为水泥和砂子的混合料，比如用于模拟灰岩地层时，水泥和砂子的比值为1：1，模拟模拟煤岩地层时，水泥和砂子的比值为1：2，模拟页岩地层时，水泥和砂子的比值为2：1。

本申请第二方面提供一种用于模拟多层理岩样的方法，所述方法利用如上所述的用于模拟多层理岩样的试验装置，所述方法包括：S1：向所述容器10的位于所述隔板20的两侧的空间分别注入不同性质的水泥浆料以形成水泥式样；S2：静置特定时间后，移除所述隔板20，并静置所述水泥式样直至所述水泥式样完全凝固；S3：取出所述水泥式样。

其中，步骤S1之前，操作者可以根据需求选择隔板20的数量，并调节用于安装各个隔板的各个角度调整机构的定位件32上的限位孔33的倾斜角度，以及各个角度调整机构的连接件31的安装位置，完成之后通过紧固件36将角度调整机构紧固在容器10上。

在步骤S1中，向层理模拟空间注入不同性质的水泥浆料，根据岩石的弹性模量以及泊松比从而调整水泥和砂子的比例，以模拟不同岩性的地层，注入的水泥浆料应当填满整个层理模拟空间，同时还需要将水泥浆料的上表面磨平。

在步骤S2中，静置的时间可以根据所需的岩样的抗拉强度进行灵活调整，通常情况下，水泥浆料在层理模拟空间中停留的时间越长，层面的胶结强度就越弱，通常情况下，滞留时间为1-1.5h的岩样的抗拉强度为3-2.6MPa，滞留时间为1.5-2h的岩样的抗拉强度为2.3-2MPa，滞留时间为2-2.5h的岩样的抗拉强度为1.8-1.3MPa，滞留时间为2.5-3h的岩样的抗拉强度为1-0.6MPa。

在步骤S3的取出凝固之后的水泥浆料之后，可以对水泥浆料进行钻孔，以不同的角度钻孔之后置入井筒中就可形成直井、水平井和定向井，从而模拟出不同井型的地层岩石。

利用该试验装置制作的试验式样凝固之后，根据不同井型钻孔并置入井筒，再将式样置于真三轴试验装置中，设置相应垂直应力、水平应力后直至达到设置压力数值，再将压裂液通过井筒注入式样，随着注入压力不断增加，岩石内部产生裂缝，当注入压力增加到一定数值时，岩石将会破坏，取出式样，观察裂缝形态并总结试验数据，从而掌握复杂岩性互层条件下水力裂缝起裂扩展规律，分析影响裂缝穿层的综合因素，优化压裂参数。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。