中国石油大学 采油工程 实验报告
实验日期： 成绩：
班级： 学号： 姓名： 教师：
同组者：
裂缝导流能力实验
一、实验目的
1. 了解支撑裂缝导流能力随闭合压力变化的规律，以及相同闭合压力条件下不同铺砂层数导流能力的差异；
2. 分别应用达西公式和二项式公式进行计算，分析结果的异同点，并说明原因；
3. 熟悉裂缝导流仪的操作及实验流程。
二、实验原理
裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。
三、实验仪器和材料
（1）仪器名称：裂缝导流仪，包括以下组成部分：
压力试验机；空气压缩机；定值器；精密压力表；浮子流量计；岩心（钢板）模；游标卡尺、电子天平。
（2）材料：不同产地的石英砂和陶粒。
四、实验步骤
（1）实验准备
①在表1中记录使用的支撑剂名称、产地、粒径及室内温度下的气体粘度。 ②用游标卡尺量出岩心模的外径r o 和孔眼的内径r e ，记录在表1中，用作计算岩心模面积。
③称一定重量的支撑剂（记下支撑剂的颗粒直径）均匀地铺在岩心模面上，要保持单层。并按下式计算出支撑剂的浓度：
支撑剂浓度
单层支撑剂的重量
g /cm 2）
铺有支撑剂岩心的面积
将此浓度值记入表1中。
④将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后将上下岩心片放在试验机下承压板中心位置。
⑤认真记录试验机载荷刻度盘上读出加载值。 （2）岩心加压
①岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模型，准备加载。
②旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开启程度控制加压速度，当主动指针（黑针）转到1.5吨（或1KN ）时, 将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮, 使浮子指示到流量计的最高刻度值。
③送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。同时读出流量数Q 和对应的压力P （精密压力表示数）。
④ 需要载荷分别依次加到50、100、120、150、200、300kN 读出相应的P ，Q 值，记录在表2中，用达西公式计算。在测点120KN 处，保持载荷不变，改变P （调定值器阀），读出 Q, 每测点共记5组数据于表3中，用于二项式公式计算。
⑤试验结束后，关送油阀，按红钮关电源，慢慢打开回油阀卸载，将岩心取出，观察支撑剂破碎情况。
⑥双层支撑剂测定：将重量为岩心上铺设单层时支撑剂重量的二倍的浓度分量的支撑剂铺于岩心表面，依次按步骤（二）进行操作，测出不同载荷下的P 及Q 值记入表2、表3中。
五、数据处理
1. 原始数据
表1 基本参数
（1）计算闭合压力（以30kN 载荷为例）
P 闭合=
加压载荷（kg ）30002
==41. 92kg /cm 2
铺有支撑剂的岩心面积（cm ）71. 561
（2）达西公式计算变载荷条件下裂缝导流能力K f W （以30kN 载荷单层支撑
剂为例）
r
Q μP n ln o
r e πP i -P o
⎛0. 88⨯1060. 087+0. 1+0. 14. 80⎫ ⎪⨯0. 01789⨯⨯10⨯ln 360020. 50⎪⎝⎭2==1. 81μm ⋅cm 22
π⨯(0. 087+0. 1) -0. 1⨯100
K f W =
22
同理可求出其他测点的闭合压力和裂缝导流能力，如表4。
做出Kfw —P 闭合关系曲线：
分析：
由上面曲线可以看出，不论是单层还是双层，Kfw 均随着P 闭合的增大而减小。
（3）二项式公式计算定载荷条件下裂缝导流能力
表5 120kN载荷下（Pi -Po ）/Q及Q 的值
2
2
2
2
P -P o
=A +BQ ，根据二项式公式i 以（Pi 2-Po 2)/Q为纵坐标，以Q 为横坐标，Q 作直线如下图所示：
22
图1. P i -P o 与Q 关系曲线
Q
由图可知：单层A=0.0005，双层A=0.00004。 则在120kN 载荷下，导流能力为： 单层支撑剂K f W =
r μ0. 017894. 80ln o =⨯ln =25. 77μm 2⋅cm πA r e 0. 0005π0. 50r μ0. 017894. 80ln o =⨯ln =322. 16μm 2⋅cm πA r e 0. 00004π0. 50
双层支撑剂K f W =
分析：
通过以上两个数据的大小可以看出，双层支撑剂的导流能力要比单层支撑剂的导流能力大。
六、思考题
1、画出实验流程示意图（用方框图表示）
2、实验结果分析： 答：由单双层时闭合压力与裂缝导流能力曲线分析可得，随着闭合压力的增大，裂缝的导流能力逐渐降低，且随着压力增大导流能力的下降趋势增大；在相同的闭合压力条件下，双层支撑剂时的裂缝导流能力较大，即支撑剂数量越多导流能力越强。
3、分析气体达西公式的使用条件。
答：达西公式适用条件为：低速、单向、稳定的气体流体。 4、气体达西公式与二项式公式求解结果的对比分析。
答：气体达西公式适用于单相流体的层流流动，流体流动速度较低，以粘滞力为主，即使用该公式的前提是气体流动满足达西定律。然而，二项式公式使用范围相对较宽，在流速比较高时精确度较好。
以下为额外的思考题：
5、影响裂缝导流能力因素有哪些？
答：主要因素有：闭合压力、支撑剂强度、支撑剂颗粒粒径、支撑剂破碎率、支撑剂排列方式、铺砂浓度、支撑剂的嵌入，还有支撑剂质量、密度、颗粒圆球度等因素。具体分析如下：
（1）导流能力随闭合压力的增大而减小，压力达到一定值, 支撑剂颗粒破碎, 颗粒粒径变小。
（2）高闭合压力时，支撑剂破碎现象明显，支撑剂主要处于被压实，破碎后的小粒径颗粒孔隙度低，此时渗透率较低，裂缝导流能力明显较低，此时裂缝导流能力主要随破碎率的增加而减小。
（3）低闭合压力时，支撑剂基本无破碎，颗粒粒径较大，主要受支撑剂排列方式、铺砂浓度、支撑剂强度的影响。
（4）当铺砂浓度增加时，裂缝导流能力增加。
（5）裂缝导流能力随着支撑剂粒径的减小而减小。
（6）裂缝导流能力随支撑剂强度和铺砂浓度的增加而增大。
（7）颗粒在高闭合压力下嵌入到岩石中，使裂缝变窄，降低了导流能力。 6、应该采取什么样的措施减少支撑剂的嵌入对裂缝导流能力的影响？
答；（1）优选强度高、粒径小、破碎率低、圆度、球度和化学惰性好以及能在井下低温固结等特点的支撑剂，可减少支撑剂的嵌入。 （2）适当增大铺砂浓度，选择适当的裂缝闭合压力。
7、实验过程中，观察到了什么样的实验现象，并给出自己的解释？
答：在实验过程中观察仪器数据可以看出，随着闭合压力的增大，无论是铺单层砂还是铺双层砂，所造成的裂缝的导流能力总体上呈现增大的趋势。并且，在相同的闭合压力条件下，双层支撑剂时的裂缝导流能力较单层大，说明铺双层砂所造成的空隙和裂缝比铺单层砂的要大，导流能力也更强。除此之外，还观察到，实验结束后打开盖子可以发现支撑剂圆球度不如原先好，有被压扁的迹象，有的甚至被压碎。
七、实验总结
通过本次实验，我熟悉了压力试验机的操作及实验流程，了解了支撑裂缝的导流能力随闭合压力的变化关系，以及在相同闭合压力条件下铺有不同层数的支撑剂的裂缝导流能力的差异。之后在实验处理过程中分析说明了达西公式与二项式公式计算结果的异同。整个实验过程中，除了老师的耐心、细致地指导，个人的规范操作和团队的配合对于实验的成功也有很重要的意义，比如在打开进气阀加压的时候不能拧得太快，防止压力突然超过预定压力，也可以有效避免实验误差。
中国石油大学 采油工程 实验报告
实验日期： 成绩：
班级： 学号： 姓名： 教师：
同组者：
裂缝导流能力实验
一、实验目的
1. 了解支撑裂缝导流能力随闭合压力变化的规律，以及相同闭合压力条件下不同铺砂层数导流能力的差异；
2. 分别应用达西公式和二项式公式进行计算，分析结果的异同点，并说明原因；
3. 熟悉裂缝导流仪的操作及实验流程。
二、实验原理
裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。
三、实验仪器和材料
（1）仪器名称：裂缝导流仪，包括以下组成部分：
压力试验机；空气压缩机；定值器；精密压力表；浮子流量计；岩心（钢板）模；游标卡尺、电子天平。
（2）材料：不同产地的石英砂和陶粒。
四、实验步骤
（1）实验准备
①在表1中记录使用的支撑剂名称、产地、粒径及室内温度下的气体粘度。 ②用游标卡尺量出岩心模的外径r o 和孔眼的内径r e ，记录在表1中，用作计算岩心模面积。
③称一定重量的支撑剂（记下支撑剂的颗粒直径）均匀地铺在岩心模面上，要保持单层。并按下式计算出支撑剂的浓度：
支撑剂浓度
单层支撑剂的重量
g /cm 2）
铺有支撑剂岩心的面积
将此浓度值记入表1中。
④将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后将上下岩心片放在试验机下承压板中心位置。
⑤认真记录试验机载荷刻度盘上读出加载值。 （2）岩心加压
①岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模型，准备加载。
②旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开启程度控制加压速度，当主动指针（黑针）转到1.5吨（或1KN ）时, 将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮, 使浮子指示到流量计的最高刻度值。
③送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。同时读出流量数Q 和对应的压力P （精密压力表示数）。
④ 需要载荷分别依次加到50、100、120、150、200、300kN 读出相应的P ，Q 值，记录在表2中，用达西公式计算。在测点120KN 处，保持载荷不变，改变P （调定值器阀），读出 Q, 每测点共记5组数据于表3中，用于二项式公式计算。
⑤试验结束后，关送油阀，按红钮关电源，慢慢打开回油阀卸载，将岩心取出，观察支撑剂破碎情况。
⑥双层支撑剂测定：将重量为岩心上铺设单层时支撑剂重量的二倍的浓度分量的支撑剂铺于岩心表面，依次按步骤（二）进行操作，测出不同载荷下的P 及Q 值记入表2、表3中。
五、数据处理
1. 原始数据
表1 基本参数
（1）计算闭合压力（以30kN 载荷为例）
P 闭合=
加压载荷（kg ）30002
==41. 92kg /cm 2
铺有支撑剂的岩心面积（cm ）71. 561
（2）达西公式计算变载荷条件下裂缝导流能力K f W （以30kN 载荷单层支撑
剂为例）
r
Q μP n ln o
r e πP i -P o
⎛0. 88⨯1060. 087+0. 1+0. 14. 80⎫ ⎪⨯0. 01789⨯⨯10⨯ln 360020. 50⎪⎝⎭2==1. 81μm ⋅cm 22
π⨯(0. 087+0. 1) -0. 1⨯100
K f W =
22
同理可求出其他测点的闭合压力和裂缝导流能力，如表4。
做出Kfw —P 闭合关系曲线：
分析：
由上面曲线可以看出，不论是单层还是双层，Kfw 均随着P 闭合的增大而减小。
（3）二项式公式计算定载荷条件下裂缝导流能力
表5 120kN载荷下（Pi -Po ）/Q及Q 的值
2
2
2
2
P -P o
=A +BQ ，根据二项式公式i 以（Pi 2-Po 2)/Q为纵坐标，以Q 为横坐标，Q 作直线如下图所示：
22
图1. P i -P o 与Q 关系曲线
Q
由图可知：单层A=0.0005，双层A=0.00004。 则在120kN 载荷下，导流能力为： 单层支撑剂K f W =
r μ0. 017894. 80ln o =⨯ln =25. 77μm 2⋅cm πA r e 0. 0005π0. 50r μ0. 017894. 80ln o =⨯ln =322. 16μm 2⋅cm πA r e 0. 00004π0. 50
双层支撑剂K f W =
分析：
通过以上两个数据的大小可以看出，双层支撑剂的导流能力要比单层支撑剂的导流能力大。
六、思考题
1、画出实验流程示意图（用方框图表示）
2、实验结果分析： 答：由单双层时闭合压力与裂缝导流能力曲线分析可得，随着闭合压力的增大，裂缝的导流能力逐渐降低，且随着压力增大导流能力的下降趋势增大；在相同的闭合压力条件下，双层支撑剂时的裂缝导流能力较大，即支撑剂数量越多导流能力越强。
3、分析气体达西公式的使用条件。
答：达西公式适用条件为：低速、单向、稳定的气体流体。 4、气体达西公式与二项式公式求解结果的对比分析。
答：气体达西公式适用于单相流体的层流流动，流体流动速度较低，以粘滞力为主，即使用该公式的前提是气体流动满足达西定律。然而，二项式公式使用范围相对较宽，在流速比较高时精确度较好。
以下为额外的思考题：
5、影响裂缝导流能力因素有哪些？
答：主要因素有：闭合压力、支撑剂强度、支撑剂颗粒粒径、支撑剂破碎率、支撑剂排列方式、铺砂浓度、支撑剂的嵌入，还有支撑剂质量、密度、颗粒圆球度等因素。具体分析如下：
（1）导流能力随闭合压力的增大而减小，压力达到一定值, 支撑剂颗粒破碎, 颗粒粒径变小。
（2）高闭合压力时，支撑剂破碎现象明显，支撑剂主要处于被压实，破碎后的小粒径颗粒孔隙度低，此时渗透率较低，裂缝导流能力明显较低，此时裂缝导流能力主要随破碎率的增加而减小。
（3）低闭合压力时，支撑剂基本无破碎，颗粒粒径较大，主要受支撑剂排列方式、铺砂浓度、支撑剂强度的影响。
（4）当铺砂浓度增加时，裂缝导流能力增加。
（5）裂缝导流能力随着支撑剂粒径的减小而减小。
（6）裂缝导流能力随支撑剂强度和铺砂浓度的增加而增大。
（7）颗粒在高闭合压力下嵌入到岩石中，使裂缝变窄，降低了导流能力。 6、应该采取什么样的措施减少支撑剂的嵌入对裂缝导流能力的影响？
答；（1）优选强度高、粒径小、破碎率低、圆度、球度和化学惰性好以及能在井下低温固结等特点的支撑剂，可减少支撑剂的嵌入。 （2）适当增大铺砂浓度，选择适当的裂缝闭合压力。
7、实验过程中，观察到了什么样的实验现象，并给出自己的解释？
答：在实验过程中观察仪器数据可以看出，随着闭合压力的增大，无论是铺单层砂还是铺双层砂，所造成的裂缝的导流能力总体上呈现增大的趋势。并且，在相同的闭合压力条件下，双层支撑剂时的裂缝导流能力较单层大，说明铺双层砂所造成的空隙和裂缝比铺单层砂的要大，导流能力也更强。除此之外，还观察到，实验结束后打开盖子可以发现支撑剂圆球度不如原先好，有被压扁的迹象，有的甚至被压碎。
七、实验总结
通过本次实验，我熟悉了压力试验机的操作及实验流程，了解了支撑裂缝的导流能力随闭合压力的变化关系，以及在相同闭合压力条件下铺有不同层数的支撑剂的裂缝导流能力的差异。之后在实验处理过程中分析说明了达西公式与二项式公式计算结果的异同。整个实验过程中，除了老师的耐心、细致地指导，个人的规范操作和团队的配合对于实验的成功也有很重要的意义，比如在打开进气阀加压的时候不能拧得太快，防止压力突然超过预定压力，也可以有效避免实验误差。