[发明专利]模拟水力压裂裂缝和天然裂缝扩展影响的实验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟水力压裂裂缝和天然裂缝扩展影响的实验装置的使用方法，

所述实验装置包括数据处理计算机终端（1）、图像监测模块（2）、数据采集模块（3）、高清高频摄像机（4）、白光光源（5）、水力压裂物理模拟实验腔（6）、伺服控制注入泵（8）、模数转换模块（9）、模拟压裂井筒（11）、围压泵（15），所述高清高速摄像机（4）安装在水力压裂物理模拟实验腔（6）的上方，并通过数据采集模块（3）和图像监测模块（2）连接到数据处理计算机终端（1）；所述水力压裂物理模拟实验腔（6）的两侧分别连接围压泵（15），所述围压泵（15）通过模数转换模块（9）连接到数据处理计算机终端（1）；在所述水力压裂物理模拟实验腔（6）内设有模拟压裂井筒（11），所述模拟压裂井筒（11）的一端通过伺服控制注入泵（8）连接到模数转换模块（9），且在所述水力压裂物理模拟实验腔（6）的一侧安设白光光源（5）；所述水力压裂物理模拟实验腔（6）安装在滑轮道（10），可调整移动位置；所述水力压裂物理模拟实验腔（6）与围压泵（15）之间设有压力表（7）和压力调节阀（12）；所述水力压裂物理模拟实验腔（6）与伺服控制注入泵（8）之间设有压力表（7）、压力阀和放空阀（14）；所述水力压裂物理模拟实验腔（6）的内部设有多个支撑铁块（20），在两个支撑铁块（20）之间安设长边胶囊（19）和宽边胶囊（18），在长边胶囊（19）方向的滑轮道（10）上设有长边齿轮固定架（21）和齿轮控制器（13）；在宽边胶囊（18）方向的滑轮道（10）上设有短边齿轮固定架（17）和齿轮控制器（13）；并用高强度螺栓（16）固定好整个试验装置，通过齿轮控制器调节（13）水力压裂物理模拟实验腔（6）在滑轮道（10）上的位置，并通过长边齿轮固定架（21）和短边齿轮固定架（17）进行水力压裂物理模拟实验腔（6）的挡板的固定；

其特征是，所述方法包括以下步骤：

(1) 根据实验要求，选择不同组分的水泥、石英砂、粘土和水，向其加入碎A4打印纸、麦片或者碎牛皮纸片混合倒入模具当中，试件在模具内放置72小时后拆模，然后放入恒温恒湿箱内养护14天；

(2) 压裂试样达到预定强度后，利用钻孔机钻入，插入耐高压金属管模拟压裂井筒，并利用密封圈和密封胶进行密封处理，同时一端封闭，一端为开口，开口用以连接水力压裂压裂液注入管汇，侧面为模拟射孔；

(3) 首先采用白色自喷漆在切割好的压裂试样表面喷涂成白色，待白色漆面干透后再喷涂随机性的黑色斑点，制作带有散斑的水力压裂模拟试件；在水力压裂模拟试件表面均匀涂上石膏或油漆涂层，然后在涂层上制作散斑；散斑的颜色应与涂层的颜色具有显著区别，且散斑的外形与尺寸大小具有随机性以保证每个散斑都能相互区分；每个散斑的直径大小与测量区域边长的比例关系在 1/1000~1/10之间；

(4) 将水力压裂模拟试件放入水力压裂物理模拟实验腔（6）内；

(5) 打开和调节白光光源（5），将高清高频摄像机（4）正对于带有数字散斑的水力压裂模拟试样表面；启动高清高频摄像机，根据测试精度的要求设定镜头，进行焦距选取，选择拍照频率，设定曝光时间；拍摄的照片通过数据连接线传输至数据处理计算机终端并存储至存储硬盘；

(6)采用的模拟压裂液以甘油为主，并选择荧光粉作为示踪剂；

(7) 利用高压管线分别连接两个围压泵，同时在管线上安装压力表、压力调节阀及放空阀；利用高压管线连接模拟压裂井筒（11）与伺服控制注入泵，同时连接伺服控制注入泵与压力数据记录仪；

(8) 施加围压：关闭放空阀（14），启动围压泵（15），调节压力调节阀（12），分别将最大水平应力和最小水平应力调节至实验所需值；

(9) 施加孔眼压力，开始水力压裂；启动伺服控制注入泵（8），以恒定速率往预置井眼中泵入模拟压裂液，逐渐压裂水力压裂模拟试样，记录孔眼压力大小及变化规律，利用高清高频摄像机记录散斑表明水力裂缝的起裂及扩展动态，在裂缝扩展到试样端部后，关闭伺服控制注入泵（8）；

(10) 关闭围压泵（15），打开放空阀、卸载围压；关闭高清高频摄像机、压力数据记录仪；

(11)通过数字图像匹配方法对采集及存储的数字图像进行处理分析，通过对比分析水力压裂试样变形前后图像的灰度，计算数字图像的相关系数；然后通过相关系数，判断水力压裂模拟试样的变形与位移，获得水力压裂模拟试样广义主应变场分布；对变形前后两幅图像计算区域内的所有点进行相关匹配后，获得这些点在变形前后空间几何位置的变化，即获得测量区域的位移场分布，并采用最小二乘法对位移场求导获得广义主应变场；

(12) 取出水力压裂模拟试样，观察拍照记录裂缝最终形态，并对水力压裂模拟试样钻取标准岩芯，并切割薄片，通过扫描电镜对裂缝表面进行微观分析。

2.根据权利要求1所述的使用方法，其特征是：应用的数字图像处理方法主要基于数字散斑基本思想，具体原理为：通过相关计算，在变形后的散斑场中识别出对应于变形前的散斑场中某一散斑区域的散斑子区，把变形测量问题转化为一个数字计算过程；计算散斑场应变式的关键问题是搜索相匹配的两个子域，方法是采用相似系数比较2个图像的形似程度，相似系数定义为：

式中，和为子区域中各点的灰度值，和为子区域的平均灰度，为序号，为散斑点数；

在通过数字图像方法对采集及存储的数字图像内所有点进行匹配处理分析之后，可以获取压裂岩石表面这些点变形前后空间几何位置，获得测量区域的位移场分布，在对位移场进行求导后可以得到广义主应变场，基本公式为：

式中：，，，为方向上横向广义应变，为方向上纵向广义应变，为广义剪应变。