裂缝模拟装置、支撑剂运移轨迹与展布的实验仪器和方法与流程

1.本发明涉及水力压裂技术领域，尤其涉及一种裂缝模拟装置、支撑剂运移轨迹与展布的实验仪器和方法。


背景技术：

2.水力压裂改造过程中，支撑剂在压裂裂缝中的运移与展布特征对压裂改造效果具有重要影响。支撑剂在压裂裂缝中受到重力、流体携带力以及颗粒碰撞力等多种因素影响，支撑剂的运移路径复杂多变。
3.室内实验是研究支撑剂运移轨迹与展布的重要手段之一。利用实验可方便地观测支撑剂在压裂裂缝中的运移轨迹与展布形态，评价裂缝形态、压裂液参数、支撑剂参数和施工参数等对支撑剂运移与展布的影响，分析压裂改造支撑效果，为压裂设计优化与支撑剂材料优选提供参考。
4.国内外针对支撑剂在裂缝中的运移轨迹与展布特征进行了大量的实验研究，形成了不同类型的实验仪器和实验方法。
5.然而，现有的实验仪器具有以下几方面的缺点：(1)压裂裂缝形态为平直长方体。现有的实验仪器的裂缝模拟装置主要为长方体状，与实际压裂过程的椭圆形压裂裂缝差异性大，无法模拟裂缝尖端的支撑剂运移轨迹与展布规律。(2)流体的出口主要在裂缝的末端。现有的裂缝模拟装置的流体出口端主要分布在裂缝模拟装置的末端，裂缝高度方向上没有流体流动，无法分析高度方向的流体流动对支撑剂运移轨迹与展布的影响。(3)无法进行少量支撑剂运移轨迹的评价与分析。现有的实验仪器主要用于大量支撑剂运移轨迹与展布的模拟，无法对少量支撑剂在裂缝中的运移轨迹进行评价，因此评价支撑剂单颗粒的运移轨迹的难度大。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种裂缝模拟装置、支撑剂运移轨迹与展布的实验仪器和方法。该裂缝模拟装置能够模拟椭圆形压裂裂缝，可以模拟裂缝尖端的支撑剂运移轨迹与展布规律。同时，该裂缝模拟装置在裂缝高度方向上有流体流动，能够分析高度方向的流体流动对支撑剂运移轨迹与展布的影响。该裂缝模拟装置还能够对少量甚至单颗粒支撑剂在裂缝中的运移轨迹进行评价。
7.第一方面，本发明提供了一种裂缝模拟装置，该裂缝模拟装置包括：裂缝主体，所述裂缝主体呈半椭圆状，所述裂缝主体包括固定板和透明观测板，所述固定板和所述透明观测板围合形成裂缝空间，所述裂缝空间的开口位于所述裂缝主体的轴处；沿所述裂缝主体的弧形外周上形成有均匀分布的出口孔眼；主液体与支撑剂注入部，其与所述裂缝主体的所述裂缝空间的开口连通；以及，次级液体与支撑剂注入部，其包括次级注入管线，所述次级注入管线可移动地设置在所述主液体与支撑剂注入部内以调节次级注入管线注入口的高度。本实施方式利用裂缝模拟装置，能够模拟椭圆形压裂裂缝形态以及裂缝尖端的支
撑剂运移轨迹与展布规律；同时，该裂缝模拟装置在裂缝高度方向上有流体流动，能够分析高度方向的流体流动对支撑剂运移轨迹与展布的影响。该裂缝模拟装置还能够对少量甚至单颗粒支撑剂在裂缝中的运移轨迹进行评价。
8.在第一方面的一个实施方式中，所述透明观测板通过垫块固定在所述固定板上，所述垫块沿所述裂缝主体的弧形外周设置；所述出口孔眼位于所述垫块上。通过该实施方式，有利于连接固定板和透明观测板并使两者围合形成裂缝空间。
9.在第一方面的一个实施方式中，所述垫块与所述固定板间形成有密封胶层，所述密封胶层由树脂胶构成；所述垫块与所述透明观测板间形成有密封胶层，所述密封胶层由树脂胶构成。通过该实施方式，能够使得裂缝模拟装置具有良好的密闭性能，有利于实验的顺利进行。
10.在第一方面的一个实施方式中，所述垫块与所述透明观测板间安装有橡胶垫圈，用于支撑所述透明观测板。通过该实施方式，橡胶垫圈能够进一步提升裂缝模拟装置的密闭性能，有利于实验的顺利进行。
11.在第一方面的一个实施方式中，所述垫块上均匀分布有安装孔眼，螺钉能够穿过所述安装孔眼和所述固定板从而将所述垫块固定在所述固定板上。通过该实施方式，能够提高垫块与固定板间连接的机械强度，避免垫块与固定板相互分离。
12.在第一方面的一个实施方式中，沿所述透明观测板的弧形外周均匀分布有固定孔眼，螺钉能够穿过所述固定孔眼将所述透明观测板固定在所述垫块上。通过该实施方式，能够提高垫块与透明观测板间连接的机械强度，避免垫块与透明观测板相互分离。
13.在第一方面的一个实施方式中，所述透明观测板上标注有尺度刻度线。通过该实施方式，有利于支撑剂运移轨迹的观测和展布尺度的估算，从而有利于观测运移路径和后期的数据分析。
14.在第一方面的一个实施方式中，所述固定板由钢材料制成，所述透明观测板由有机玻璃制成。通过该实施方式，有利于降低固定板的成本并提高其机械强度，同时有利于降低透明观测板的成本并有利于实验观测的顺利进行。
15.第二方面，本发明还提供了一种支撑剂运移轨迹与展布的实验仪器，该实验仪器包括第一方面及其任一实施方式的裂缝模拟装置。利用该实验仪器，采用椭圆形压裂裂缝形态，评价裂缝尖端的支撑剂运移轨迹与展布规律。同时，该裂缝模拟装置在裂缝高度方向上有流体流动，能够分析高度方向的流体流动对支撑剂运移轨迹与展布的影响。该裂缝模拟装置还能够对少量甚至单颗粒支撑剂在裂缝中的运移轨迹进行评价。
16.在第二方面的一个实施方式中，所述的实验仪器还包括：水源，用于向实验仪器提供实验所需的水；主注入混合系统，用于向所述裂缝模拟装置的主液体与支撑剂注入部提供携砂液；次级注入混合系统，用于向所述裂缝模拟装置的次级液体与支撑剂注入部提供携砂液；出口管线收集罐，用于携砂液的收集，其与所述出口孔眼通过管线连通，所述出口管线收集罐与主注入混合系统的主注入混液罐通过管线连通；以及，控制系统，用于控制所述实验仪器的运行并记录运行数据。通过该实施方式，可以模拟裂缝尖端与裂缝高度方向的支撑剂运移轨迹与展布规律。同时，该裂缝模拟装置在裂缝高度方向上有流体流动，能够分析高度方向的流体流动对支撑剂运移轨迹与展布的影响。该裂缝模拟装置还能够对少量甚至单颗粒支撑剂在裂缝中的运移轨迹进行评价。
17.在第二方面的一个实施方式中，所述主注入混合系统包括：主注入混液罐，其与所述水源连接，能够用于配置压裂液与携砂液；主支撑剂添加装置，其与所述主注入混液罐连接，用于向所述主注入混液罐输送支撑剂；以及，主注入泵，其与所述主注入混液罐连接，用于泵送压裂液与携砂液并控制进入主液体与支撑剂注入部的携砂液的流量，所述主注入泵与所述裂缝模拟装置的所述主液体与支撑剂注入部通过管线连通。通过该实施方式，有利于向裂缝模拟装置的主液体与支撑剂注入部提供携砂液。
18.在第二方面的一个实施方式中，连接所述主注入泵与所述裂缝模拟装置的所述主液体与支撑剂注入部间的管线上设置有主注入管线球阀、主注入流量计和主注入压力计。通过该实施方式，主注入管线球阀能够控制主注入混合系统配制的携砂液是否能够流入裂缝模拟装置，主注入流量计和主注入压力计分别用于测量从主注入混合系统进入裂缝模拟装置的携砂液的流量和压力，以方便控制系统对实验仪器的实时调控。
19.在第二方面的一个实施方式中，所述次级注入混合系统包括：次级注入混液罐，其与所述水源连接，能够用于配置压裂液；次级注入泵，其与所述次级注入混液罐连接，用于控制进入次级液体与支撑剂注入部的压裂液的流量；以及，次级支撑剂添加装置，其第一端与次级注入泵通过管线连通；其第二端与次级液体与支撑剂注入部的次级注入管线通过管线连通，用于向所述次级注入管线添加支撑剂。通过该实施方式，有利于向裂缝模拟装置的次级液体与支撑剂注入部提供低砂比携砂液。
20.在第二方面的一个实施方式中，连接所述次级注入泵和所述次级支撑剂添加装置的管线上设置有次级注入管线球阀、次级注入流量计和次级注入压力计。通过该实施方式，次级注入管线球阀能够控制次级注入混合系统配制的携砂液是否能够流入裂缝模拟装置，次级注入流量计和次级注入压力计分别用于测量从次级注入泵进入裂缝模拟装置的携砂液的流量和压力，以方便控制系统对实验仪器的实时调控。
21.在第二方面的一个实施方式中，连接所述出口孔眼与所述出口管线收集罐的管线上设置有出口流量计和出口控制阀门。通过该实施方式，出口控制阀门用于控制流经出口孔眼的携砂液是否进入出口管线收集罐，出口流量计用于测量流经出口孔眼的携砂液进入出口管线收集罐的流量，以方便控制系统对实验仪器的实时调控。
22.在第二方面的一个实施方式中，所述控制系统分别与主支撑剂添加装置、主注入混液罐、主注入泵、次级支撑剂添加装置、次级注入混液罐、次级注入泵以及各个流量计和压力计通信连接。通过该实施方式，有利于控制系统控制各个器件并实时收集实验数据。
23.第三方面，本发明还提供了一种利用第二方面及其任一实施方式的所述的实验仪器分析支撑剂运移轨迹与展布的方法，所述方法包括以下步骤：设定携砂液参数、注入参数；向所述裂缝模拟装置泵送携砂液；透过所述裂缝模拟装置的透明观测板观测支撑剂运移轨迹与展布特征并进行拍摄；改变携砂液参数、注入参数，重复上述步骤。利用该方法，能够实现椭圆形压裂裂缝形态以及模拟裂缝尖端的支撑剂运移轨迹与展布规律。同时，该裂缝模拟装置在裂缝高度方向上有流体流动，能够分析高度方向的流体流动对支撑剂运移轨迹与展布的影响。该裂缝模拟装置还能够对少量甚至单颗粒支撑剂在裂缝中的运移轨迹进行评价。
24.在第三方面的一个实施方式中，在模拟支撑剂运移轨迹时，向所述裂缝模拟装置泵送携砂液包括以下步骤：调节次级注入管线注入口的高度至目标高度；主注入混合系统
通过主液体与支撑剂注入部向所述裂缝模拟装置输送压裂液；次级注入混合系统通过次级液体与支撑剂注入部向所述裂缝模拟装置泵送携砂液。通过该实施方式，有利于研究少量甚至单颗粒支撑剂在裂缝中的运移轨迹。
25.在第三方面的一个实施方式中，在模拟支撑剂展布特征时，向裂缝模拟装置泵送携砂液包括以下步骤：调节次级注入管线注入口的高度至所述裂缝模拟装置顶端，以避免其对实验的干扰；主注入混合系统通过主液体与支撑剂注入部向所述裂缝模拟装置泵送携砂液。通过该实施方式，有利于研究大量支撑剂的展布特征。
26.本技术提供的裂缝模拟装置、支撑剂运移轨迹与展布的实验仪器和方法，相较于现有技术，具有如下的有益效果。
27.1、利用本发明的裂缝模拟装置，能够模拟椭圆形压裂裂缝形态以及裂缝尖端的支撑剂运移轨迹与展布规律。
28.2、利用本发明的裂缝模拟装置，还能够在裂缝高度方向上有流体流动，能够分析高度方向的流体流动对支撑剂运移轨迹与展布的影响。
29.3、利用本发明的裂缝模拟装置，还能够对少量甚至单颗粒支撑剂在裂缝中的运移轨迹进行评价。
30.4、利用本发明的裂缝模拟装置，还能够研究大量支撑剂在裂缝中的展布特征。
31.上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
附图说明
32.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述，其中：
33.图1显示了根据本发明一实施方式的实验仪器的结构示意图；
34.图2显示了根据本发明一实施方式的裂缝模拟装置的裂缝主体的结构示意图；
35.图3显示了根据本发明一实施方式的支撑剂运移轨迹的分析示意图；
36.图4显示了根据本发明一实施方式的支撑剂展布示意图。
37.附图标记清单：
38.1-水源；2-主注入混液罐；3-主支撑剂添加装置；4-控制系统；5-次级注入混液罐；6-主注入泵；7-次级注入泵；8-主注入管线球阀；9-主注入压力计；10-主注入流量计；11-主液体与支撑剂注入部；12-次级注入管线球阀；13-次级注入压力计；14-次级注入流量计；15-次级支撑剂添加装置；16-次级液体与支撑剂注入部；17-出口流量计；18-出口控制阀门；19-出口孔眼；20-裂缝模拟装置；21-次级注入管线注入口；22-出口管线收集罐；23-连接管线；24-控制电线；25-固定板；26-裂缝空间；27-透明观测板；28-垫块；29-安装孔眼；30-固定孔眼；33-尺度刻度线；35-支撑剂；36-支撑剂运移路径分解。
39.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
40.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
41.如图2所示，本实施方式提供了一种裂缝模拟装置20，该裂缝模拟装置20包括：裂缝主体，裂缝主体呈半椭圆状，裂缝主体包括固定板25和透明观测板27，固定板25和透明观
测板27围合形成裂缝空间26，裂缝空间26的开口位于裂缝主体的轴处；沿裂缝主体的弧形外周上形成有均匀分布的出口孔眼19；主液体与支撑剂注入部11，其与裂缝主体的裂缝空间26的开口连通；以及，次级液体与支撑剂注入部16，其包括次级注入管线，次级注入管线可移动地设置在主液体与支撑剂注入部11内以调节次级注入管线注入口21的高度。
42.半椭圆状的裂缝主体成功地模拟了实际压裂过程中的椭圆形压裂裂缝形态，相比于现有技术中的长方体状的裂缝模拟装置20裂缝主体，由于与实际压裂过程的椭圆形压裂裂缝差异性小，能够更好地模拟椭圆形压裂裂缝形态以及裂缝尖端的支撑剂35运移轨迹与展布规律。
43.半椭圆状的裂缝主体用于模拟平面单翼压裂裂缝。
44.优选地，裂缝主体的轴边为椭圆的短轴。裂缝的高度，即短轴的长度，为300.0至600.0毫米。裂缝主体的单翼缝长，即半长轴的长度，为1000.0至1500.0毫米。裂缝模拟装置20的裂缝主体的长短轴比可以依据需要进行调整和加工，用于模拟不同压裂施工阶段的裂缝形态。
45.固定板25为不透明的半椭圆形板状结构。透明观测板27为透明的半椭圆形板状结构，透过透明观测版能够观测支撑剂35运移轨迹与展布特征。固定板25与透明观测板27形状一致，大小相近。固定板25与透明观测板27围合形成裂缝空间26，以为支撑剂35提供流动空间。
46.优选地，裂缝空间26的深度为5至15毫米；固定板25和透明观测板27的厚度均为20.0毫米。
47.沿裂缝主体的弧形外周上形成有均匀分布的出口孔眼19，出口孔眼19相对半长轴对称设置，出口孔眼19的总数为20至30个。优选地，出口孔眼19的内径为4.0毫米，出口孔眼19上焊接内径为4.0毫米的连接管线23，连接管线23由钢材料构成。
48.携砂液指代支撑剂35与压裂液的混合物。压裂液包括水和添加剂。主液体与支撑剂注入部11为携砂液或压裂液的主入口，次级液体与支撑剂注入部16为携砂液的次级入口。携砂液通过主液体与支撑剂注入部11或次级液体与支撑剂注入部16进入裂缝主体的裂缝空间26，从而透过透明观测版观测支撑剂35运移轨迹与展布特征，以研究压裂液参数、支撑剂35参数、注入参数等对支撑剂35运移轨迹与展布特征的影响。
49.优选地，主液体与支撑剂注入部11的入口的内径为50毫米。主液体与支撑剂注入部11的截面从入口处至出口处逐渐增大，主液体与支撑剂注入部11和裂缝主体通过法兰盘连接。
50.次级注入管线包括相互垂直且相互衔接的两条管线。优选地，次级注入管线的内径为5毫米，外径为6毫米。次级注入管线的出口平行于裂缝主体的半长轴，即垂直于裂缝空间26的开口，其中次级注入管线的出口即次级注入管线注入口21。
51.通过调节次级注入管线注入口21的高度，能够模拟不同注入位置对支撑剂35运移轨迹的影响。
52.主液体与支撑剂注入部11和次级液体与支撑剂注入部16形成双极注入机制，使得研究不同压裂液参数、支撑剂35参数对支撑剂35运移轨迹与展布特征的影响成为可能；其中，主液体与支撑剂注入部11主要用于大流量压裂液或携砂液的注入；次级液体与支撑剂注入部16主要用于小流量、高流速的携砂液的注入，可以用于评价少量甚至单颗粒支撑剂
35在裂缝中的运移轨迹。
53.携砂液从主液体与支撑剂注入部11、次级液体与支撑剂注入部16进入裂缝主体后从裂缝主体的出口孔眼19流出。
54.本实施方式的裂缝模拟装置20，能够模拟椭圆形压裂裂缝形态以及裂缝尖端的支撑剂35运移轨迹与展布规律。同时，该裂缝模拟装置20在裂缝高度方向上有流体流动，能够分析高度方向的流体流动对支撑剂35运移轨迹与展布的影响。该裂缝模拟装置20还能够对少量甚至单颗粒支撑剂35在裂缝中的运移轨迹进行评价。
55.在一个实施方式中，如图2所示，透明观测板27通过垫块28固定在固定板25上，垫块28沿裂缝主体的弧形外周设置；出口孔眼19位于垫块28上。
56.垫块28沿裂缝主体的弧形外周设置，垫块28的截面呈l型，即包括相互垂直且衔接的两部分。出口孔眼19位于垫块28上。
57.垫块28的底面与固定板25相贴合，垫块28的台阶面与透明观测板27相贴合。垫块28的主要作用是连接固定板25和透明观测板27并使两者围合形成裂缝空间26。
58.本实施方式的垫块28，有利于连接固定板25和透明观测板27并使两者围合形成裂缝空间26。
59.在一个实施方式中，垫块28与固定板25间形成有密封胶层，密封胶层由树脂胶构成；垫块28与透明观测板27间形成有密封胶层，密封胶层由树脂胶构成。
60.密封胶层的作用在于避免液体的泄露，从而使得裂缝模拟装置20具有良好的密闭性能，有利于实验的顺利进行。
61.本实施方式的密封胶层，能够使得裂缝模拟装置20具有良好的密闭性能，有利于实验的顺利进行。
62.在一个实施方式中，垫块28与透明观测板27间安装有橡胶垫圈，用于支撑透明观测板27。
63.本实施方式的橡胶垫圈能够进一步提升裂缝模拟装置20的密闭性能，有利于实验的顺利进行。
64.在一个实施方式中，如图2所示，垫块28上均匀分布有安装孔眼29，螺钉能够穿过安装孔眼29和固定板25从而将垫块28固定在固定板25上。
65.本实施方式通过使用螺钉和安装孔眼29，能够提高垫块28与固定板25间连接的机械强度，避免垫块28与固定板25相互分离。
66.在一个实施方式中，如图2所示，沿透明观测板27的弧形外周均匀分布有固定孔眼30，螺钉能够穿过固定孔眼30将透明观测板27固定在垫块28上。
67.本实施方式通过使用螺钉和固定孔眼30，能够提高垫块28与透明观测板27间连接的机械强度，避免垫块28与透明观测板27相互分离。
68.在一个实施方式中，如图3和图4所示，透明观测板27上标注有尺度刻度线33。
69.优选地，尺度刻度线33的分布呈网格状，横向网格线的间距为25毫米，纵向网格线的间距也为25毫米。尺度刻度线33将透明观测板27分隔成若干方格，能够方便实验过程中的支撑剂35运移轨迹的观测和展布尺度的估算，有利于观测支撑剂的运移路径和后期的数据分析。
70.本实施方式的尺度刻度线33，有利于支撑剂35运移轨迹的观测和展布尺度的估
算，从而有利于观测运移路径和后期的数据分析。
71.在一个实施方式中，固定板25由钢质材料制成，透明观测板27由高强度有机玻璃制成。
72.钢质材料坚固、价格低廉、容易获取，有利于降低固定板25的成本并提高其机械强度。有机玻璃透明、坚固、强度高、价格低廉、容易获取，有利于降低透明观测板27的成本并有利于实验观测的顺利进行。
73.本实施方式有利于降低固定板25的成本并提高其机械强度，同时有利于降低透明观测板27的成本并有利于实验观测的顺利进行。
74.本实施方式还提供了一种支撑剂35运移轨迹与展布的实验仪器，如图1所示，该实验仪器包括上述裂缝模拟装置20。
75.本实施方式的实验仪器包括上述裂缝模拟装置20，能够模拟椭圆形压裂裂缝以及裂缝尖端的支撑剂35运移轨迹与展布规律。同时，该裂缝模拟装置20在裂缝高度方向上有流体流动，能够分析高度方向的流体流动对支撑剂35运移轨迹与展布的影响。该裂缝模拟装置20还能够对少量甚至单颗粒支撑剂35在裂缝中的运移轨迹进行评价。
76.在一个实施方式中，如图1所示，实验仪器还包括：水源1，用于向实验仪器供实验所需的水；主注入混合系统，用于向裂缝模拟装置20的主液体与支撑剂注入部11提供携砂液；次级注入混合系统，用于向裂缝模拟装置20的次级液体与支撑剂注入部16提供携砂液；出口管线收集罐22，用于携砂液的收集，其与出口孔眼19通过管线连通，出口管线收集罐22与主注入混合系统的主注入混液罐2通过管线连通；以及，控制系统4，用于控制实验仪器的运行并记录运行数据。
77.水源1，用于向实验仪器提供实验所需的水，水源1上安装有水龙头或控制阀门，且水源1能够实时供水。
78.主注入混合系统用于向裂缝模拟装置20的主液体与支撑剂注入部11提供携砂液，携砂液包括均匀混合的支撑剂35、水、添加剂等。
79.次级注入混合系统用于向裂缝模拟装置20的次级液体与支撑剂注入部16提供携砂液，携砂液包括支撑剂35、水、添加剂等。
80.流经裂缝模拟装置20的携砂液流经连接管线23进入出口管线收集罐22，并从出口管线收集罐22回流至主注入混合系统的主注入混液罐2。
81.控制系统4实现了实验仪器的自动控制和实时监控，其确保了压裂液参数、支撑剂35参数、注入参数的精确调控和实时监控，并控制进入裂缝模拟装置20的流量，实时监控各个流量计、压力计的读数，同时对相关参数进行记录，确保分析实验高效、高精度地进行。
82.本实施方式的实验仪器能够模拟椭圆形压裂裂缝，可以模拟椭圆形压裂裂缝以及裂缝尖端的支撑剂35运移轨迹与展布规律。同时，该裂缝模拟装置20在裂缝高度方向上有流体流动，能够分析高度方向的流体流动对支撑剂35运移轨迹与展布的影响。该裂缝模拟装置20还能够对少量甚至单颗粒支撑剂35在裂缝中的运移轨迹进行评价。
83.在一个实施方式中，如图1所示，主注入混合系统包括：主注入混液罐2，其与水源1连接，能够用于配置压裂液与携砂液；主支撑剂添加装置3，其与主注入混液罐2连接，用于向主注入混液罐2输送支撑剂35；以及，主注入泵6，其与主注入混液罐2连接，用于控制进入主液体与支撑剂注入部11的携砂液的流量，主注入泵6与裂缝模拟装置20的主液体与支撑
剂注入部11通过管线连通。
84.主注入混液罐2用于配置携砂液，其与水源1、主支撑剂添加装置3连通，可对混合物进行搅拌形成携砂液。
85.本实施方式有利于向裂缝模拟装置20的主液体与支撑剂注入部11提供携砂液。
86.在一个实施方式中，如图1所示，连接主注入泵6与裂缝模拟装置20的主液体与支撑剂注入部11间的管线上设置有主注入管线球阀8、主注入流量计10和主注入压力计9。
87.主注入管线球阀8、主注入流量计10和主注入压力计9设置在连接主注入泵6与裂缝模拟装置20的主液体与支撑剂注入部11间的管线上。
88.通过开启或关闭主注入管线球阀8能够控制主注入混合系统配制的携砂液是否能够流入裂缝模拟装置20。
89.主注入流量计10和主注入压力计9分别用于测量从主注入混合系统进入裂缝模拟装置20的携砂液的流量和压力，以方便控制系统4对实验仪器的实时调控。
90.本实施方式的主注入管线球阀8能够控制主注入混合系统配制的携砂液是否能够流入裂缝模拟装置20，主注入流量计10和主注入压力计9分别用于测量从主注入混合系统进入裂缝模拟装置20的携砂液的流量和压力，以方便控制系统4对实验仪器的实时调控。
91.在一个实施方式中，如图1所示，次级注入混合系统包括：次级注入混液罐5，其与水源1连接，能够用于配置压裂液；次级注入泵7，其与次级注入混液罐5连接，用于控制进入次级液体与支撑剂注入部16的压裂液的流量；以及，次级支撑剂添加装置15，其第一端与次级注入泵7通过管线连通；其第二端与次级液体与支撑剂注入部16的次级注入管线通过管线连通，用于向次级注入管线添加支撑剂35。
92.次级注入混液罐5用于配置压裂液，其与水源1连通，可对水和添加剂进行搅拌形成压裂液。次级支撑剂添加装置15向压裂液内添加少量、甚至单颗粒的支撑剂35。
93.本实施方式有利于向裂缝模拟装置20的次级液体与支撑剂注入部16提供携砂液。
94.在一个实施方式中，如图1所示，连接次级注入泵7和次级支撑剂添加装置15的管线上设置有次级注入管线球阀12、次级注入流量计14和次级注入压力计13。
95.次级注入管线球阀12、次级注入流量计14和次级注入压力计13设置在连接次级注入泵7和次级支撑剂添加装置15的管线上。
96.通过开启或关闭次级注入管线球阀12能够控制次级注入混合系统配制的携砂液是否能够流入裂缝模拟装置20。
97.次级注入流量计14和次级注入压力计13分别用于测量从次级注入泵7进入裂缝模拟装置20的压裂液的流量和压力，以方便控制系统4对实验仪器的实时调控。
98.本实施方式的次级注入管线球阀12能够控制次级注入混合系统配制的携砂液是否能够流入裂缝模拟装置20，次级注入流量计14和次级注入压力计13分别用于测量从次级注入泵7进入裂缝模拟装置20的携砂液的流量和压力，以方便控制系统4对实验仪器的实时调控。
99.在一个实施方式中，如图1所示，连接出口孔眼19与出口管线收集罐22的管线上设置有出口流量计17和出口控制阀门18。
100.本实施方式的出口控制阀门18用于控制流经出口孔眼19的携砂液是否进入出口管线收集罐22，出口流量计17用于测量流经出口孔眼19的携砂液进入出口管线收集罐22的
流量，以方便控制系统4对实验仪器的实时调控。
101.在一个实施方式中，如图1所示，控制系统4分别与主支撑剂添加装置3、主注入混液罐2、主注入泵6、次级支撑剂添加装置15、次级注入混液罐5、次级注入泵7以及各个流量计和压力计通信连接。
102.控制系统4通过控制电线24与各个器件通信连接，以对各个器件进行控制。各个流量计和压力计也通过控制电线24与控制器连通。
103.本实施方式有利于控制系统4控制各个器件并实时收集实验数据。
104.本实施方式还提供了一种利用上述的实验仪器分析支撑剂35运移轨迹与展布的方法，方法包括以下步骤：设定携砂液参数、注入参数；向裂缝模拟装置20泵送携砂液；透过裂缝模拟装置20的透明观测板27观测支撑剂35运移轨迹与展布特征并进行拍摄；改变携砂液参数、注入参数，重复上述步骤。
105.通过调节水源1、主支撑剂添加装置3、次级支撑剂添加装置15、主注入混液罐2、次级注入混液罐5、主注入泵6、次级注入泵7的运行参数能够调节携砂液参数、注入参数，其中携砂液参数包括压裂液参数、支撑剂35参数。
106.向裂缝模拟装置20泵送携砂液，并透过裂缝模拟装置20的透明观测板27观测支撑剂35运移轨迹与展布特征并进行拍摄，从而获取支撑剂35运移轨迹与展布特征。
107.本实施方式的方法能够模拟椭圆形压裂裂缝，可以模拟椭圆形压裂裂缝和裂缝尖端的支撑剂35运移轨迹与展布规律。同时，该裂缝模拟装置20在裂缝高度方向上有流体流动，能够分析高度方向的流体流动对支撑剂35运移轨迹与展布的影响。该裂缝模拟装置20还能够对少量甚至单颗粒支撑剂35在裂缝中的运移轨迹进行评价。
108.在一个实施方式中，在分析支撑剂35运移轨迹时，向裂缝模拟装置20泵送携砂液包括以下步骤：调节次级注入管线注入口21的高度至目标高度；主注入混合系统通过主液体与支撑剂注入部11向裂缝模拟装置20输送压裂液；次级注入混合系统通过次级液体与支撑剂注入部16向裂缝模拟装置20泵送携砂液。
109.本实施方式有利于研究少量甚至单颗粒支撑剂35在裂缝中的运移轨迹。
110.在一个实施方式中，在分析支撑剂35展布特征时，向裂缝模拟装置20泵送携砂液包括以下步骤：调节次级注入管线注入口21的高度至裂缝模拟装置20顶端，以避免其对实验结果的干扰；主注入混合系统通过主液体与支撑剂注入部11向裂缝模拟装置20泵送携砂液。
111.本实施方式有利于研究大量支撑剂35的展布特征。
112.实施例一
113.首先，组装裂缝模拟装置20。
114.将垫块28安装至固定板25上，主要利用直径6.0毫米的螺钉通过安装孔眼29进行安装和固定。安装垫块28前，垫块28的上部和下部均涂抹一层树脂胶起密封作用。在垫块28上放置橡胶垫圈，然后安装裂缝主体的透明观测板27。将裂缝主体和主液体与支撑剂注入部11通过法兰连接，同时将次级液体与支撑剂注入部16安装在主液体与支撑剂注入部11内。
115.接着，将主注入泵6通过连接管线23连接至主液体与支撑剂注入部11。主注入泵6和主液体与支撑剂注入部11的连接管线23上设置有主注入管线球阀8、主注入流量计10以
及主注入压力计9。
116.然后，将次级注入泵7通过连接管线23连接至次级液体与支撑剂注入部16。次级注入泵7和次级液体与支撑剂注入部16的连接管线23上设置有次级注入管线球阀12、次级注入流量计14、次级注入压力计13以及次级支撑剂添加装置15。
117.再然后，安装主支撑剂添加装置3、主注入混液罐2以及次级注入混液罐5，并安装各个连接管线23，连接管线23包括主注入混液罐2、次级注入混液罐5与水源1间的连接管线23、主支撑剂添加装置3与主注入混液罐2间的连接管线23、主注入混液罐2与主注入泵6的连接管线23以及次级注入混液罐5与次级注入泵7的连接管线23。
118.再接着，安装出口管线收集罐22与裂缝模拟装置20间的连接管线23，在各个连接出口管线收集罐22与裂缝模拟装置20间的连接管线23上安装出口流量计17和出口控制阀门18。
119.再然后，安装出口管线收集罐22与主注入混液罐2间的连接管线23。
120.最后，安装控制系统4。用控制电线24连接主支撑剂添加装置3、主注入混液罐2、主注入泵6、次级支撑剂添加装置15、次级注入混液罐5、次级注入泵7以及各个流量计和压力计。
121.实验仪器组装完成后，进行实验测试。
122.实验测试前需要进行实验准备工作。实验准备工作包括实验用水的注入、支撑剂35准备、实验流体的配置等。首先打开水源1，将清水加入主注入混液罐2和次级注入混液罐5中。
123.打开主注入混液罐2和次级注入混液罐5的搅拌电机，将实验所需的添加剂溶解加入至混液罐中，利用搅拌电机搅拌20分钟。实验流体配置完成后，打开主注入管线球阀8和次级注入管线球阀12，接着打开裂缝模拟装置20的出口孔眼19与出口管线收集罐22间的出口控制阀门18，再接着打开主注入泵6和次级注入泵7，将实验流体注入至裂缝模拟装置20中，实现流体的循环，并检测仪器的密封性。
124.密封性合格后，进行实验测试，通过注入泵向裂缝模拟装置20泵送携砂液。实验过程中，从透明观测板27的一侧，用高速摄像机对支撑剂35的运移与堆积进行拍摄，记录支撑剂35在裂缝装置中的运移路径。
125.实验完成后，对实验仪器进行清洗。具体地，首先，关闭主注入泵6和次级注入泵7，关闭实验仪器的流体循环，然后依次级关闭主注入管线球阀8、次级注入管线球阀12；清洗裂缝模拟装置20、主注入混液罐2、次级注入混液罐5、出口管线收集罐22，并清洗连接管线23。
126.最后，进行数据分析。
127.实施例二
128.在实施例一的基础上，本实施例主要用于研究少量、甚至单颗粒支撑剂35运移轨迹。首先，将少量支撑剂35放置于次级支撑剂添加装置15内。通过控制系统4调节主注入泵6和次级注入泵7的流量以及各个出口孔眼19处的流量。待流量稳定后，打开高速相机进行摄像。
129.接着，打开次级支撑剂添加装置15，将支撑剂35混入压裂液，携砂液进入裂缝模拟装置20，利用高速相机拍摄支撑剂35的运移路径。
130.分析实验数据时，如图3所示，利用尺度刻度线33构成的网格线，结合高速摄像机拍摄的支撑剂35运移路径，进行支撑剂35横向、纵向运移速度分析，分析不同流体注入速度和出口速度条件下支撑剂35在裂缝中的运移轨迹，其中图3显示了支撑剂运移路径分解36。
131.实施例三
132.在实施例一的基础上，本实施例主要用于大量支撑剂35的展布特征。首先，将大量支撑剂35加入主支撑剂添加装置3中，调整各个出口孔眼19处的流量，各个出口孔眼19处的流量稳定后继续注入5分钟的流体。通过控制系统4设置支撑剂35添加速度，并将支撑剂35添加至主注入混液罐2中，待支撑剂35的添加量达到预设量后，通过控制系统4关闭主支撑剂添加装置3，停止添加支撑剂35。
133.支撑剂35进入混液罐中搅拌均匀后通过主注入泵6进入裂缝模拟装置20，支撑剂35在裂缝中运移、沉降，堆积形成沙丘。
134.分析实验数据时，携砂液从主液体与支撑剂注入部11进入裂缝主体，利用高速摄像机拍摄分析支撑剂35在裂缝中的运移、碰撞和沉降特征，如图4所示，分析支撑剂35的运移和沉降规律，观测支撑剂35的沉积变化规律，实验完成后测量支撑剂35在裂缝中的展布尺寸，依据尺度刻度线33构成的网格线估算支撑剂35的堆积体积等，评价流体参数、支撑剂35参数、注入参数等对支撑剂35展布的影响。
135.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
136.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。