本發(fā)明屬于水力壓裂模擬技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種實(shí)驗(yàn)室用可視化水力壓裂物理模擬裝置及方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)今水力壓裂技術(shù)是油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中廣泛使用的油氣井增產(chǎn)措施，尤其是在煤層氣、低滲超低滲油藏的開(kāi)發(fā)中，水力壓裂是必不可少的方法，故研究地層壓裂過(guò)程的規(guī)律尤為重要。我們通常在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)壓裂裝置來(lái)模擬地層在高壓注入水條件下的壓裂情況，進(jìn)而得出不同地層條件下的壓裂規(guī)律。在壓裂過(guò)程中裂縫縫寬縫高縫長(zhǎng)是決定壓裂增產(chǎn)效果的重要評(píng)價(jià)參數(shù)，而其影響因素較多規(guī)律較為復(fù)雜，在壓開(kāi)主裂縫之后分裂縫的發(fā)育規(guī)律無(wú)從得知，各分裂縫之間的相互影響作用規(guī)律也沒(méi)有準(zhǔn)確的結(jié)論?，F(xiàn)今實(shí)驗(yàn)室中廣泛使用的壓裂裝置大多為過(guò)程不可視，不能檢測(cè)地層壓裂過(guò)程中各裂縫之間的縫間干擾作用，不能有效得出壓裂過(guò)程中主裂縫與分裂縫之間的壓裂規(guī)律，同時(shí)，不能有效控制注入水與地層之間的注入角度，更不能全面地獲得壓裂過(guò)程中規(guī)律，進(jìn)而對(duì)壓裂過(guò)程中各裂縫的發(fā)育規(guī)律不能夠得到準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種實(shí)驗(yàn)室用可視化水力壓裂物理模擬裝置及方法，能夠研究水力壓裂過(guò)程中裂縫之間縫間干擾、主裂縫與分支縫之間影響關(guān)系和注入水注入夾角對(duì)壓裂效果影響的目的，并通過(guò)可視化裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：實(shí)驗(yàn)室用可視化水力壓裂物理模擬裝置，包括殼體、供液部以及設(shè)置于殼體內(nèi)的一級(jí)縫壓裂部、二級(jí)縫壓裂部和三級(jí)縫壓裂部；

供液部包括液池、吸水管、泵和出水管，吸水管一端與液池相連，吸水管另一端與泵相連；泵通過(guò)出水管連接一級(jí)縫壓裂部；

一級(jí)縫壓裂部包括一級(jí)上凸板、一級(jí)下凹板以及設(shè)置于一級(jí)上凸板和一級(jí)下凹板連接處的密封條，一級(jí)上凸板和一級(jí)下凹板之間預(yù)留有與出水管連接的一級(jí)縫，一級(jí)上凸板上設(shè)有多個(gè)一級(jí)出水孔；

二級(jí)縫壓裂部包括兩向中凹板以及分別設(shè)置于兩向中凹板上方和下方的二級(jí)上凸板和二級(jí)下凸板，二級(jí)上凸板和二級(jí)下凸板與兩向中凹板的連接處均設(shè)有密封條；二級(jí)上凸板和二級(jí)下凸板分別與兩向中凹板的上表面和下表面之間預(yù)留有二級(jí)縫；一級(jí)出水孔上連接有末端分別位于兩個(gè)二級(jí)縫中的二級(jí)液壓管，二級(jí)液壓管上設(shè)有二級(jí)調(diào)節(jié)球閥；

三級(jí)縫壓裂部包括三級(jí)上凸板和三級(jí)下凹板，三級(jí)上凸板和三級(jí)下凹板之間預(yù)留有三級(jí)縫，三級(jí)上凸板和三級(jí)下凹板的連接處設(shè)有密封條；一級(jí)出水口上連接有末端位于三級(jí)縫中的三級(jí)液壓管，三級(jí)液壓管上設(shè)有三級(jí)調(diào)節(jié)球閥。

出水管上連接有儲(chǔ)壓管，儲(chǔ)壓管上設(shè)有至少1個(gè)一級(jí)液壓管，各個(gè)一級(jí)液壓管沿儲(chǔ)壓管長(zhǎng)度方向依次分布，一級(jí)液壓管與一級(jí)縫連通。

一級(jí)縫壓裂部、二級(jí)縫壓裂部和三級(jí)縫壓裂部的末端均設(shè)有返液管和排液管。

一級(jí)上凸板、二級(jí)上凸板和三級(jí)上凸板上均設(shè)有測(cè)距儀。

一級(jí)上凸板、一級(jí)下凹板、二級(jí)上凸板、二級(jí)下凸板、兩向中凹板、三級(jí)上凸板和三級(jí)下凹板的材質(zhì)均為有機(jī)玻璃。

一級(jí)上凸板、一級(jí)下凹板、二級(jí)上凸板、二級(jí)下凸板、兩向中凹板、三級(jí)上凸板和三級(jí)下凹板表面的粗糙度為0.1~1。

一級(jí)上凸板和一級(jí)下凹板之間、兩向中凹板與二級(jí)上凸板和二級(jí)下凸板之間、三級(jí)上凸板和三級(jí)下凹板之間均設(shè)有鎖死機(jī)構(gòu)。

鎖死機(jī)構(gòu)包括連接板，連接板上部和下部均設(shè)有連接螺栓。

利用上述裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室用可視化水力壓裂物理模擬方法，所述方法包括以下步驟：

（1）供液部向一級(jí)縫壓裂部的一級(jí)縫中注入液體；

（2）液體注入一級(jí)縫后，一級(jí)縫的縫寬發(fā)生變化，一級(jí)上凸板上的測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一級(jí)縫的縫寬；

（3）一級(jí)縫中的一部分液體從與一級(jí)縫連通的排液管排出；另一部分液體注入二級(jí)縫和三級(jí)縫；

（4）通過(guò)二級(jí)調(diào)節(jié)球閥調(diào)整進(jìn)入到二級(jí)縫中的液體的角度，液體進(jìn)入到二級(jí)縫中后會(huì)導(dǎo)致兩條二級(jí)縫的縫寬發(fā)生變化，二級(jí)上凸板上的測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二級(jí)縫的縫寬，二級(jí)縫中的液體通過(guò)與二級(jí)縫連通的排液管排出；

（5）通過(guò)三級(jí)調(diào)節(jié)球閥調(diào)整進(jìn)入到三級(jí)縫中的液體的角度，液體進(jìn)入到三級(jí)縫中后會(huì)導(dǎo)致三級(jí)縫的縫寬發(fā)生變化，三級(jí)上凸板上的測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三級(jí)縫的縫寬，三級(jí)縫中的液體通過(guò)與三級(jí)縫連通的排液管排出。

通過(guò)以上技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果為：

（1）本裝置實(shí)現(xiàn)了模擬水力壓裂過(guò)程中縫間干擾作用，并可通過(guò)鎖死結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到人為控制縫寬的作用。

（2）二級(jí)縫壓裂部與三級(jí)縫壓裂部分別通過(guò)二級(jí)調(diào)節(jié)球閥和三級(jí)調(diào)節(jié)球閥來(lái)實(shí)現(xiàn)控制注入水角度的目的。

（3）使用高強(qiáng)度有機(jī)玻璃，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，壁面粗糙用以模擬地層條件，再搭配測(cè)距儀，來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高精度測(cè)量縫寬的目的。

（4）本發(fā)明所述的方法流程緊湊，可以實(shí)現(xiàn)液體對(duì)壓裂過(guò)程中縫寬變化的影響，并可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，使用效果好。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為一級(jí)縫壓裂部、二級(jí)縫壓裂部和三級(jí)縫壓裂部結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)驗(yàn)室用可視化水力壓裂物理模擬裝置，如圖1所示，包括殼體1、供液部以及設(shè)置于殼體1內(nèi)的一級(jí)縫壓裂部、二級(jí)縫壓裂部和三級(jí)縫壓裂部。

供液部為一級(jí)縫壓裂部、二級(jí)縫壓裂部和三級(jí)縫壓裂部提供液體，從而實(shí)現(xiàn)模擬壓裂，供液部包括液池2、吸水管3、泵4和出水管，吸水管3一端與液池2相連，吸水管3另一端與泵4相連；泵4通過(guò)出水管連接一級(jí)縫壓裂部，從而從泵出來(lái)的液體通過(guò)出水管進(jìn)入到一級(jí)縫壓裂部。

如圖2所示，一級(jí)縫壓裂部包括一級(jí)上凸板5、一級(jí)下凹板6以及設(shè)置于一級(jí)上凸板5和一級(jí)下凹板6連接處的密封條，密封條沒(méi)有在圖中顯示，實(shí)際實(shí)施的時(shí)候，密封條繞一級(jí)上凸板5和一級(jí)下凹板6連接處的周向設(shè)置。在一級(jí)上凸板5和一級(jí)下凹板6之間預(yù)留有與出水管連接的一級(jí)縫7，一級(jí)上凸板5上設(shè)有多個(gè)一級(jí)出水孔。

為了實(shí)現(xiàn)出水管與一級(jí)縫7的連通，在出水管上連接有儲(chǔ)壓管8，儲(chǔ)壓管8上設(shè)有至少1個(gè)管接頭9，每個(gè)管接頭9上均連接有1個(gè)一級(jí)液壓管10，各個(gè)一級(jí)液壓管10沿儲(chǔ)壓管長(zhǎng)度方向依次分布，從而保證一級(jí)縫7內(nèi)接受到均勻的壓力。一級(jí)液壓管10的端部也設(shè)有位于一級(jí)縫7前端的管接頭9，從而通過(guò)一級(jí)液壓管10通過(guò)管接頭9向一級(jí)縫中注入液體。

二級(jí)縫壓裂部包括兩向中凹板12以及分別設(shè)置于兩向中凹板12上方和下方的二級(jí)上凸板11和二級(jí)下凸板13，二級(jí)上凸板11和二級(jí)下凸板13與兩向中凹板12的連接處也設(shè)有密封條，密封條繞二級(jí)上凸板11和二級(jí)下凸板13與兩向中凹板12的連接處的周向設(shè)置；二級(jí)上凸板11和二級(jí)下凸板13分別與兩向中凹板12的上表面和下表面之間預(yù)留有二級(jí)縫14；一級(jí)出水孔上連接有末端分別位于兩個(gè)二級(jí)縫14中的二級(jí)液壓管，二級(jí)液壓管上設(shè)有二級(jí)調(diào)節(jié)球閥15。

為了實(shí)現(xiàn)二級(jí)液壓管22和二級(jí)縫14的連接，在上凸板和下凸板上也設(shè)有管接頭9，管接頭9上連接有二級(jí)液壓管22，從而通過(guò)管接頭9實(shí)現(xiàn)二級(jí)液壓管22的連接。

二級(jí)調(diào)節(jié)球閥15上設(shè)有二級(jí)調(diào)節(jié)手柄，二級(jí)調(diào)節(jié)手柄橫穿二級(jí)上凸板11設(shè)置，通過(guò)二級(jí)調(diào)節(jié)手柄可以實(shí)現(xiàn)二級(jí)調(diào)節(jié)球閥15出來(lái)液體方向的調(diào)整，更好的模擬液體的噴出方向，模擬液體的作用效果。

三級(jí)縫壓裂部包括三級(jí)上凸板19和三級(jí)下凹板20，三級(jí)上凸板19和三級(jí)下凹板20之間預(yù)留有三級(jí)縫25，三級(jí)上凸板19和三級(jí)下凹板20的連接處設(shè)有密封條；一級(jí)出水口上連接有末端位于三級(jí)縫25中的三級(jí)液壓管18，三級(jí)液壓管18上設(shè)有三級(jí)調(diào)節(jié)球閥21。

為了實(shí)現(xiàn)三級(jí)液壓管18和三級(jí)縫25的連接，在下凹板上設(shè)有管接頭9，三級(jí)排液管17與管接頭9連接，通過(guò)管接頭9實(shí)現(xiàn)三級(jí)液壓管18的連接。

三級(jí)調(diào)節(jié)球閥21上設(shè)有三級(jí)調(diào)節(jié)手柄，三級(jí)調(diào)節(jié)手柄橫穿三級(jí)上凸板19設(shè)置，通過(guò)三級(jí)調(diào)節(jié)手柄可以實(shí)現(xiàn)三級(jí)調(diào)節(jié)球閥21出來(lái)液體方向的調(diào)整，更好的模擬液體的噴出方向，模擬液體的作用效果。

為了實(shí)現(xiàn)返液和排液，在一級(jí)縫7壓裂部、二級(jí)縫壓裂部和三級(jí)縫壓裂部的末端均設(shè)有返液管16和排液管17，通過(guò)返液管16可以將液體返回到液池中，通過(guò)排液管17實(shí)現(xiàn)一級(jí)縫7、二級(jí)縫14和三級(jí)縫25中的液體的排出。

為了方便測(cè)量縫寬的變化，在一級(jí)上凸板5、二級(jí)上凸板11和三級(jí)上凸板19、三級(jí)下凸板上均設(shè)有測(cè)距儀，通過(guò)測(cè)距儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)控一級(jí)縫7、二級(jí)縫14和三級(jí)縫25的縫寬變化。實(shí)施的時(shí)候，測(cè)距儀可以選用紅外測(cè)距儀或超聲測(cè)距儀，從而精確得出縫寬的變化。

另外，一級(jí)上凸板5、一級(jí)下凹板6、二級(jí)上凸板11、二級(jí)下凸板13、兩向中凹板12、三級(jí)上凸板19和三級(jí)下凹板20的材質(zhì)均為有機(jī)玻璃。一級(jí)上凸板5、一級(jí)下凹板6、二級(jí)上凸板11、二級(jí)下凸板13、兩向中凹板12、三級(jí)上凸板19和三級(jí)下凹板20表面的粗糙度為0.1~1，優(yōu)選為0.8，從而更好的模擬地層，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為了能夠人為控制縫寬，一級(jí)上凸板5和一級(jí)下凹板6之間、兩向中凹板12與二級(jí)上凸板11和二級(jí)下凸板13之間、三級(jí)上凸板19和三級(jí)下凹板20之間均設(shè)有鎖死機(jī)構(gòu)。

鎖死機(jī)構(gòu)包括連接板23，連接板23上部和下部均設(shè)有連接螺栓24。

對(duì)于一級(jí)上凸板5和一級(jí)下凹板6，連接板23上部和下部的連接螺栓24分別與一級(jí)上凸板5和一級(jí)下凹板6連接。

對(duì)于兩向中凹板12與二級(jí)上凸板11和二級(jí)下凸板13，連接板23上部和下部的連接螺栓24分別與二級(jí)上凸板11和二級(jí)下凸板13連接

對(duì)于三級(jí)上凸板19和三級(jí)下凹板20，連接板23上部和下部的連接螺栓24分別與三級(jí)上凸板19和三級(jí)下凹板20連接。

本發(fā)明所述的裝置，可以達(dá)到研究水力壓裂過(guò)程中裂縫之間縫間干擾、主裂縫與分支縫之間影響關(guān)系和注入水注入夾角對(duì)壓裂效果影響的目的，并通過(guò)可視化裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種利用上述裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室用可視化水力壓裂物理模擬方法，所述方法包括以下步驟：

（1）供液部向一級(jí)縫壓裂部的一級(jí)縫注入液體；

（2）液體注入一級(jí)縫后，一級(jí)縫的縫寬發(fā)生變化，一級(jí)上凸板上的測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一級(jí)縫的縫寬；

（3）一級(jí)縫中的一部分液體從與一級(jí)縫連通的排液管排出；另一部分液體一級(jí)液壓管注入二級(jí)縫和三級(jí)縫；

（4）通過(guò)二級(jí)調(diào)節(jié)球閥調(diào)整進(jìn)入到二級(jí)縫中的液體的角度，液體進(jìn)入到二級(jí)縫中后會(huì)導(dǎo)致兩條二級(jí)縫的縫寬發(fā)生變化，二級(jí)上凸板上的測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二級(jí)縫的縫寬，二級(jí)縫中的液體通過(guò)與二級(jí)縫連通的排液管排出；

（5）通過(guò)三級(jí)調(diào)節(jié)球閥調(diào)整進(jìn)入到三級(jí)縫中的液體的角度，液體進(jìn)入到三級(jí)縫中后會(huì)導(dǎo)致三級(jí)縫的縫寬發(fā)生變化，三級(jí)上凸板上的測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三級(jí)縫的縫寬，三級(jí)縫中的液體通過(guò)與三級(jí)縫連通的排液管排出。

本發(fā)明所述的方法可以實(shí)現(xiàn)地層壓裂過(guò)程的模擬，步驟緊湊，有助于地層壓裂的研究，對(duì)于提高地層壓裂效果具有重要意義。