[发明专利]水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置及其模拟方法

权利要求书

1.水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置，其特征在于：包括煤/岩模拟组件、轴压加载组件、环压加载组件和井筒压裂模拟组件；

所述煤/岩模拟组件包括壳体和多个模拟层，壳体包括底座、固定杆和固定托盘，底座包括两根平行设置的纵向杆，两根纵向杆的中心通过一根横向杆固定连接，纵向杆、横向杆的中心顶部均设置有第一固定环，所述固定杆套设在第一固定环上，位于纵向杆正上方的固定杆顶部设置第二固定环，第二固定环内设置插销，固定托盘水平焊接在位于横向杆正上方的固定杆顶部；所述模拟层包括用于放置模拟材料的模拟室，模拟室为顶部开口、底部和侧壁为镂空式网格的半圆环柱体结构，多个模拟室叠摞设置在固定托盘上，每个模拟室均通过转动组件与插销转动连接；

所述轴压加载组件包括第一手摇式加压泵，第一手摇式加压泵的进口通过第一管道连接第一储液槽，第一手摇式加压泵的出口通过第二管道连接变压腔，第一管道、第二管道上分别设置第一阀门、第二阀门；所述变压腔设置在模拟层的顶部，且变压腔为与模拟层尺寸相同的半圆环柱体结构，变压腔内部设置加压隔板，加压隔板将变压腔分为上部的水压腔和下部的模拟腔，所述水压腔内部设置收缩弹簧，收缩弹簧顶端与水压腔顶部连接，收缩弹簧底端与加压隔板连接，水压腔与第二管道连通；

所述环压加载组件包括第二手摇式加压泵，第二手摇式加压泵的进口通过第三管道与第二储液槽连接，第三管道上设置第三阀门，第二手摇式加压泵的出口通过第四管道连接多通阀门的进口，第四管道上设置第四阀门，多通阀门的出口通过注水管连通加压环，注水管上设置有压力表，加压环为弧形空心板结构，加压环内侧壁与模拟室的弧面侧壁匹配扣合，加压环内侧壁采用弹性材料制成；

所述井筒压裂模拟组件，包括压裂井筒和多个射孔封堵器，压裂井筒包括模拟井筒和第三手摇式加压泵，所述模拟井筒为设置在固定托盘上的半圆柱体结构，且模拟井筒的弧面侧壁与模拟室的内侧弧面侧壁相匹配，多个射孔封堵器叠落套设在模拟井筒上，射孔封堵器包括沿模拟井筒轴向平行设置的两个滑动环，且两个滑动环的间距与模拟室的厚度相等，两个滑动环之间设置与模拟井筒弧面侧壁相匹配的挡片，挡片的上下两端均设置有与滑动环滑动配合的弧形轴套，模拟井筒的弧面侧壁上纵向均匀开设多行射孔，且每行射孔均被不同的射孔封堵器遮挡；第三手摇式加压泵固定设置在模拟井筒的顶部，第三手摇式加压泵的进口通过第五管道与装有墨水的第三储液槽连接，第五管道上设置第五阀门，第三手摇式加压泵的出口通过注墨管与模拟井筒连通，注墨管上设置加压阀门。

2.如权利要求1所述水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置，其特征在于：所述转动组件包括设置在模拟室的外侧弧面侧壁两端的第一转动环，且每一端的第一转动环分别在外侧弧面侧壁顶部、底部各设置一个。

3.如权利要求2所述水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置，其特征在于：所述加压环的两端中部设置的第二转动环，同一端的第二转动环夹设在第一转动环之间，且第二转动环与第一转动环同轴套设在插销上。

4.如权利要求1所述水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置，其特征在于：所述加压隔板外缘包裹密封橡皮套。

5.如权利要求1所述水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置，其特征在于：所述固定托盘呈半圆形，其直径与横向杆长度相等。

6.如权利要求1-5任一所述水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置，其特征在于：所述模拟室、变压腔、模拟井筒、射孔封堵器均为透明有机玻璃材料制成。

7.一种应用于根据权利要求1-6任一所述水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置的模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）进行轴压加载操作：

关闭第二阀门，打开第一阀门，旋出第一手摇式加压泵从第一储液槽内部进行抽水，旋出第一手摇式加压泵至最外侧，即抽取完成后，关闭第一阀门，打开第二阀门，旋进第一手摇式加压泵向变压水压腔内注入加压后的水，水压腔内部水压驱使加压隔板向下移动，挤压下部模拟腔内部的模拟材料；其中水压腔内部预先抽离空气，使加压隔板在下降过程中完全依靠水压加载，模拟腔内部的模拟材料与模拟层最顶部的模拟室内所装填的模拟材料一致；待加载完毕后，旋出第一手摇式加压泵，加压隔板在收缩弹簧的作用下回缩复位，以实现变压腔的反复加压；

2）进行环压加载操作：

关闭第四阀门，打开第三阀门，旋出第二手摇式加压泵从第二储液槽内部进行抽水，抽取完成后，关闭第三阀门，打开第四阀门，旋进第二手摇式加压泵并观察压力表，压力表规格量程选择0-20MPa，当压力表示数达到预先设定的围压值时停止加压，多通阀向各个加压环内部注入加压后的水，加压环内侧壁受水压向外形变，挤压模拟室内部的模拟材料；

3）进行压裂模拟操作：

关闭加压阀门，打开第五阀门，旋出第三手摇式加压泵从第三储液槽内部抽取墨水,抽液完成后，关闭第五阀门，打开加压阀门，缓慢旋进第三手摇式加压泵向模拟井筒中注入加压后的墨水，第三手摇式加压泵的上部有压力表可实时记录模拟井筒内的压力，由于单一次的旋出第三手摇式加压泵所抽取的水量在完全旋入模拟井筒时可能无法对模拟井筒内形成所需的目标压力，故需要多次反复地抽取储液槽内的液体，并累积地注入到模拟井筒内，故需要在模拟井内不卸压状态下反复进行抽液、排液加压，则在第二次抽液时关闭第三手摇式加压泵下部的加压阀门，并打开第五阀门，即可旋出第三手摇式加压泵来实现墨水的抽注；重复上述操作，并时刻观测透明有机玻璃内部裂缝延伸状况，待从外部观测到裂缝生长延伸至模拟室的外部边缘时，停止旋进第三手摇式加压泵；旋转套于模拟井筒上的多组的射孔封堵器可实现不同模拟室层位的孔口的开启与闭合，即实现不同层位水压制裂；

4）卸载模拟操作：

关闭所有安全阀门，静置8-12小时后，打开加压阀门并旋出第三手摇式加压泵卸载压力，为观测不同煤/岩模拟层间的裂缝穿透状况，同时，为避免拆卸过程新生扰动裂缝对原始压裂裂缝造成影响，故采用旋出的方式进行压裂后的裂缝统计观察；拔出其中任意一根插销，并从上至下依次拆卸模拟室外侧的加环压，并将加压环缓慢绕插销旋出，旋出角度为30°-120°，具体角度根据实际模拟需求而定；

5）建立三维裂隙图：

待加压环全部旋出后，以模拟井筒下部中心点位置为坐标原点，建立三维立体坐标系，用刻度尺量取上部每一条裂缝的关键节点的X、Y、Z的坐标，即裂缝的转折点坐标，根据各裂缝关键节点坐标在AutoCAD软件上重绘三维裂隙图；

6）模拟分析：

通过改变目标压裂层选择、环压大小、轴压大小来研究压裂过程中裂缝延伸生长规律，从而对应结合现场垂向应力、水平应力、以及压裂层位深度的关键因素对现场压裂施工进行分析。