实验室用可视化水力压裂物理模拟装置及方法与流程

本发明属于水力压裂模拟技术领域，尤其涉及一种实验室用可视化水力压裂物理模拟装置及方法。

背景技术：

现今水力压裂技术是油气田开发过程中广泛使用的油气井增产措施，尤其是在煤层气、低渗超低渗油藏的开发中，水力压裂是必不可少的方法，故研究地层压裂过程的规律尤为重要。我们通常在实验室中通过压裂装置来模拟地层在高压注入水条件下的压裂情况，进而得出不同地层条件下的压裂规律。在压裂过程中裂缝缝宽缝高缝长是决定压裂增产效果的重要评价参数，而其影响因素较多规律较为复杂，在压开主裂缝之后分裂缝的发育规律无从得知，各分裂缝之间的相互影响作用规律也没有准确的结论。现今实验室中广泛使用的压裂装置大多为过程不可视，不能检测地层压裂过程中各裂缝之间的缝间干扰作用，不能有效得出压裂过程中主裂缝与分裂缝之间的压裂规律，同时，不能有效控制注入水与地层之间的注入角度，更不能全面地获得压裂过程中规律，进而对压裂过程中各裂缝的发育规律不能够得到准确认识。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种实验室用可视化水力压裂物理模拟装置及方法，能够研究水力压裂过程中裂缝之间缝间干扰、主裂缝与分支缝之间影响关系和注入水注入夹角对压裂效果影响的目的，并通过可视化装置实现实时监测的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：实验室用可视化水力压裂物理模拟装置，包括壳体、供液部以及设置于壳体内的一级缝压裂部、二级缝压裂部和三级缝压裂部；

供液部包括液池、吸水管、泵和出水管，吸水管一端与液池相连，吸水管另一端与泵相连；泵通过出水管连接一级缝压裂部；

一级缝压裂部包括一级上凸板、一级下凹板以及设置于一级上凸板和一级下凹板连接处的密封条，一级上凸板和一级下凹板之间预留有与出水管连接的一级缝，一级上凸板上设有多个一级出水孔；

二级缝压裂部包括两向中凹板以及分别设置于两向中凹板上方和下方的二级上凸板和二级下凸板，二级上凸板和二级下凸板与两向中凹板的连接处均设有密封条；二级上凸板和二级下凸板分别与两向中凹板的上表面和下表面之间预留有二级缝；一级出水孔上连接有末端分别位于两个二级缝中的二级液压管，二级液压管上设有二级调节球阀；

三级缝压裂部包括三级上凸板和三级下凹板，三级上凸板和三级下凹板之间预留有三级缝，三级上凸板和三级下凹板的连接处设有密封条；一级出水口上连接有末端位于三级缝中的三级液压管，三级液压管上设有三级调节球阀。

出水管上连接有储压管，储压管上设有至少1个一级液压管，各个一级液压管沿储压管长度方向依次分布，一级液压管与一级缝连通。

一级缝压裂部、二级缝压裂部和三级缝压裂部的末端均设有返液管和排液管。

一级上凸板、二级上凸板和三级上凸板上均设有测距仪。

一级上凸板、一级下凹板、二级上凸板、二级下凸板、两向中凹板、三级上凸板和三级下凹板的材质均为有机玻璃。

一级上凸板、一级下凹板、二级上凸板、二级下凸板、两向中凹板、三级上凸板和三级下凹板表面的粗糙度为0.1~1。

一级上凸板和一级下凹板之间、两向中凹板与二级上凸板和二级下凸板之间、三级上凸板和三级下凹板之间均设有锁死机构。

锁死机构包括连接板，连接板上部和下部均设有连接螺栓。

利用上述装置进行的实验室用可视化水力压裂物理模拟方法，所述方法包括以下步骤：

（1）供液部向一级缝压裂部的一级缝中注入液体；

（2）液体注入一级缝后，一级缝的缝宽发生变化，一级上凸板上的测距仪实时监测一级缝的缝宽；

（3）一级缝中的一部分液体从与一级缝连通的排液管排出；另一部分液体注入二级缝和三级缝；

（4）通过二级调节球阀调整进入到二级缝中的液体的角度，液体进入到二级缝中后会导致两条二级缝的缝宽发生变化，二级上凸板上的测距仪实时监测二级缝的缝宽，二级缝中的液体通过与二级缝连通的排液管排出；

（5）通过三级调节球阀调整进入到三级缝中的液体的角度，液体进入到三级缝中后会导致三级缝的缝宽发生变化，三级上凸板上的测距仪实时监测三级缝的缝宽，三级缝中的液体通过与三级缝连通的排液管排出。

通过以上技术方案，本发明的有益效果为：

（1）本装置实现了模拟水力压裂过程中缝间干扰作用，并可通过锁死结构能够达到人为控制缝宽的作用。

（2）二级缝压裂部与三级缝压裂部分别通过二级调节球阀和三级调节球阀来实现控制注入水角度的目的。

（3）使用高强度有机玻璃，能实时监测实验过程，壁面粗糙用以模拟地层条件，再搭配测距仪，来实现准确高精度测量缝宽的目的。

（4）本发明所述的方法流程紧凑，可以实现液体对压裂过程中缝宽变化的影响，并可以实现实时的监测，使用效果好。

附图说明

图1为本发明所述装置结构示意图；

图2为一级缝压裂部、二级缝压裂部和三级缝压裂部结构示意图。

具体实施方式

实验室用可视化水力压裂物理模拟装置，如图1所示，包括壳体1、供液部以及设置于壳体1内的一级缝压裂部、二级缝压裂部和三级缝压裂部。

供液部为一级缝压裂部、二级缝压裂部和三级缝压裂部提供液体，从而实现模拟压裂，供液部包括液池2、吸水管3、泵4和出水管，吸水管3一端与液池2相连，吸水管3另一端与泵4相连；泵4通过出水管连接一级缝压裂部，从而从泵出来的液体通过出水管进入到一级缝压裂部。

如图2所示，一级缝压裂部包括一级上凸板5、一级下凹板6以及设置于一级上凸板5和一级下凹板6连接处的密封条，密封条没有在图中显示，实际实施的时候，密封条绕一级上凸板5和一级下凹板6连接处的周向设置。在一级上凸板5和一级下凹板6之间预留有与出水管连接的一级缝7，一级上凸板5上设有多个一级出水孔。

为了实现出水管与一级缝7的连通，在出水管上连接有储压管8，储压管8上设有至少1个管接头9，每个管接头9上均连接有1个一级液压管10，各个一级液压管10沿储压管长度方向依次分布，从而保证一级缝7内接受到均匀的压力。一级液压管10的端部也设有位于一级缝7前端的管接头9，从而通过一级液压管10通过管接头9向一级缝中注入液体。

二级缝压裂部包括两向中凹板12以及分别设置于两向中凹板12上方和下方的二级上凸板11和二级下凸板13，二级上凸板11和二级下凸板13与两向中凹板12的连接处也设有密封条，密封条绕二级上凸板11和二级下凸板13与两向中凹板12的连接处的周向设置；二级上凸板11和二级下凸板13分别与两向中凹板12的上表面和下表面之间预留有二级缝14；一级出水孔上连接有末端分别位于两个二级缝14中的二级液压管，二级液压管上设有二级调节球阀15。

为了实现二级液压管22和二级缝14的连接，在上凸板和下凸板上也设有管接头9，管接头9上连接有二级液压管22，从而通过管接头9实现二级液压管22的连接。

二级调节球阀15上设有二级调节手柄，二级调节手柄横穿二级上凸板11设置，通过二级调节手柄可以实现二级调节球阀15出来液体方向的调整，更好的模拟液体的喷出方向，模拟液体的作用效果。

三级缝压裂部包括三级上凸板19和三级下凹板20，三级上凸板19和三级下凹板20之间预留有三级缝25，三级上凸板19和三级下凹板20的连接处设有密封条；一级出水口上连接有末端位于三级缝25中的三级液压管18，三级液压管18上设有三级调节球阀21。

为了实现三级液压管18和三级缝25的连接，在下凹板上设有管接头9，三级排液管17与管接头9连接，通过管接头9实现三级液压管18的连接。

三级调节球阀21上设有三级调节手柄，三级调节手柄横穿三级上凸板19设置，通过三级调节手柄可以实现三级调节球阀21出来液体方向的调整，更好的模拟液体的喷出方向，模拟液体的作用效果。

为了实现返液和排液，在一级缝7压裂部、二级缝压裂部和三级缝压裂部的末端均设有返液管16和排液管17，通过返液管16可以将液体返回到液池中，通过排液管17实现一级缝7、二级缝14和三级缝25中的液体的排出。

为了方便测量缝宽的变化，在一级上凸板5、二级上凸板11和三级上凸板19、三级下凸板上均设有测距仪，通过测距仪可以实时监控一级缝7、二级缝14和三级缝25的缝宽变化。实施的时候，测距仪可以选用红外测距仪或超声测距仪，从而精确得出缝宽的变化。

另外，一级上凸板5、一级下凹板6、二级上凸板11、二级下凸板13、两向中凹板12、三级上凸板19和三级下凹板20的材质均为有机玻璃。一级上凸板5、一级下凹板6、二级上凸板11、二级下凸板13、两向中凹板12、三级上凸板19和三级下凹板20表面的粗糙度为0.1~1，优选为0.8，从而更好的模拟地层，提高模拟结果的准确性。

为了能够人为控制缝宽，一级上凸板5和一级下凹板6之间、两向中凹板12与二级上凸板11和二级下凸板13之间、三级上凸板19和三级下凹板20之间均设有锁死机构。

锁死机构包括连接板23，连接板23上部和下部均设有连接螺栓24。

对于一级上凸板5和一级下凹板6，连接板23上部和下部的连接螺栓24分别与一级上凸板5和一级下凹板6连接。

对于两向中凹板12与二级上凸板11和二级下凸板13，连接板23上部和下部的连接螺栓24分别与二级上凸板11和二级下凸板13连接

对于三级上凸板19和三级下凹板20，连接板23上部和下部的连接螺栓24分别与三级上凸板19和三级下凹板20连接。

本发明所述的装置，可以达到研究水力压裂过程中裂缝之间缝间干扰、主裂缝与分支缝之间影响关系和注入水注入夹角对压裂效果影响的目的，并通过可视化装置实现实时监测的目的。

本发明还公开了一种利用上述装置进行的实验室用可视化水力压裂物理模拟方法，所述方法包括以下步骤：

（1）供液部向一级缝压裂部的一级缝注入液体；

（2）液体注入一级缝后，一级缝的缝宽发生变化，一级上凸板上的测距仪实时监测一级缝的缝宽；

（3）一级缝中的一部分液体从与一级缝连通的排液管排出；另一部分液体一级液压管注入二级缝和三级缝；

（4）通过二级调节球阀调整进入到二级缝中的液体的角度，液体进入到二级缝中后会导致两条二级缝的缝宽发生变化，二级上凸板上的测距仪实时监测二级缝的缝宽，二级缝中的液体通过与二级缝连通的排液管排出；

（5）通过三级调节球阀调整进入到三级缝中的液体的角度，液体进入到三级缝中后会导致三级缝的缝宽发生变化，三级上凸板上的测距仪实时监测三级缝的缝宽，三级缝中的液体通过与三级缝连通的排液管排出。

本发明所述的方法可以实现地层压裂过程的模拟，步骤紧凑，有助于地层压裂的研究，对于提高地层压裂效果具有重要意义。