CN109138996B - 网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气田开发领域，具体公开了一种网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置，旨在解决现有的模拟装置无法实现地应力条件下裂缝的扩展规律和裂缝动态缝宽变化规律模拟的问题。该网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置通过将横向平板和纵向平板分别可滑动地设置在装置底座上，且通过活动密封连接结构在横向模拟裂缝与纵向模拟裂缝相互交叉的节点部位处进行连接，能够实现水力压裂过程中横向模拟裂缝和纵向模拟裂缝的动态缝宽变化规律的模拟；同时，在装置主体的网格内设置有加压装置，加压装置通过加压杆能够对与之相邻的横向模拟裂缝和纵向模拟裂缝施加应力以模拟地应力，进而能够实现地应力条件下裂缝真实扩展规律的模拟。

Description

网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置

技术领域

本发明属于油气田开发领域，具体涉及一种水力压裂裂缝动态扩展模拟装置。

背景技术

在水力压裂领域，裂缝动态扩展过程是否满足施工要求对水力压裂成功造缝起着至关重要的作用。在压裂过程中，水力裂缝形态是一个动态变化过程，但是目前缺乏有效的手段对裂缝扩展过程进行监测；同时，支撑剂在裂缝动态扩展过程中的运移和沉降也是裂缝形成较高导流能力通道的一个重点，所以裂缝动态扩展过程及动态扩展过程中支撑剂的运移规律是评价水力压裂效率的关键所在。

现有用于模拟水力压裂裂缝动态扩展过程的的模拟装置，一般包括间隔设置的两块平板以及将两块平板连接在一起的连接件，两块平板之间的间隙即为所模拟的裂缝。由于结构所限，现有的模拟装置只能模拟单一直缝，而且平板固定设置无法移动，不能够实现应力的传导，因此无法施加地应力场模拟真实地层水力压裂的缺陷，也不能进行缝宽变化规律的模拟。

发明内容

本发明提供了一种网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置，旨在解决现有的模拟装置无法实现地应力条件下裂缝的扩展规律和裂缝动态缝宽变化规律模拟的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置，包括装置底座和装置主体，所述装置主体为主要由至少两条横向模拟裂缝和至少两条纵向模拟裂缝相互交叉构成的网格结构，装置主体还包括在横向模拟裂缝和纵向模拟裂缝的端部设置的用于将裂缝端部封闭的伸缩密封件以及设置在横向模拟裂缝与纵向模拟裂缝相互交叉的节点部位处的活动密封连接结构；所述横向模拟裂缝包括间隔分布的两块横向平板，所述纵向模拟裂缝包括间隔分布的两块纵向平板，所述横向平板和纵向平板均可滑动地设置在装置底座上；所述装置主体的网格内设置有加压装置，所述加压装置上设置有四根分别与相邻的横向模拟裂缝和纵向模拟裂缝一一对应的加压杆，所述加压杆的端部与各自对应的横向平板或纵向平板相贴。

进一步的是，所述横向模拟裂缝和纵向模拟裂缝均为三条以上。

进一步的是，所述横向模拟裂缝的两块横向平板相互平行，所述纵向模拟裂缝的两块纵向平板相互平行。

进一步的是，所述横向平板和纵向平板均为透明玻璃平板。

进一步的是，所述加压装置为液压泵。

进一步的是，所述加压杆的端部上设置有施压锥台，所述施压锥台的小端面与加压杆的端部连接，施压锥台的大端面与所对应的横向平板或纵向平板相贴。

进一步的是，每个活动密封连接结构包括四个活动连接头，所述活动连接头相邻的两个侧面上分别设置有连接槽；所述横向平板和纵向平板各自的两端上均设有平板连接部，四个活动连接头分别设置在横向模拟裂缝与纵向模拟裂缝相互交叉的节点部位的四个内角位置处，端部相邻的横向平板和纵向平板各自端部上的平板连接部分别嵌入在对应的活动连接头两侧的连接槽中，且横向平板和纵向平板均能够随各自的平板连接部沿着所在的连接槽相对于活动连接头滑动。

进一步的是，该网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置还包括压裂液注入裂缝，所述压裂液注入裂缝与其中一条横向模拟裂缝或其中一条纵向模拟裂缝连通。

本发明的有益效果是：通过将横向平板和纵向平板分别可滑动地设置在装置底座上，且通过活动密封连接结构在横向模拟裂缝与纵向模拟裂缝相互交叉的节点部位处进行连接，能够实现水力压裂过程中横向模拟裂缝和纵向模拟裂缝的动态缝宽变化规律的模拟；同时，在装置主体的网格内设置有加压装置，加压装置通过加压杆能够对与之相邻的横向模拟裂缝和纵向模拟裂缝施加应力以模拟地应力，进而能够实现地应力条件下裂缝真实扩展规律的模拟，所得结果更贴合工程实际。采用透明玻璃平板作为横向平板和纵向平板，利于实现正交体积裂缝下支撑剂运移及沉降规律的研究评价。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图；

图2是活动连接头的俯视结构示意图；

图3是活动连接头的侧视结构示意图；

图4是横向平板一种实施方式的实施结构示意图；

图中标记为：装置主体100、横向模拟裂缝110、横向平板111、纵向模拟裂缝120、纵向平板121、活动连接头130、连接槽131、压裂液注入裂缝140、加压装置200、加压杆210、施压锥台220。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置，包括装置底座和装置主体100，装置主体100为主要由至少两条横向模拟裂缝110和至少两条纵向模拟裂缝120相互交叉构成的网格结构，装置主体100还包括在横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120的端部设置的用于将裂缝端部封闭的伸缩密封件以及设置在横向模拟裂缝110与纵向模拟裂缝120相互交叉的节点部位处的活动密封连接结构；横向模拟裂缝110包括间隔分布的两块横向平板111，纵向模拟裂缝120包括间隔分布的两块纵向平板121，横向平板111和纵向平板121均可滑动地设置在装置底座上；装置主体100的网格内设置有加压装置200，加压装置200上设置有四根分别与相邻的横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120一一对应的加压杆210，加压杆210的端部与各自对应的横向平板111或纵向平板121相贴。

利用该网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置做模拟实验时，首先使所有横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120处于闭合状态，一般将裂缝宽度调节至0.001m；然后，向其中一条横向模拟裂缝110或纵向模拟裂缝120中注入压裂液，当压裂液到达第一个节点部位时，在不同应力条件下，裂缝扩展路径不一致，可能穿过相交的裂缝或者沿相交的裂缝扩展；在常规水力压裂试验中，裂缝总是趋于垂直于最小主应力方向扩展，但当存在天然裂缝及缝网发育状态下，裂缝发育往往呈现更复杂的状态；此后，当压裂液到达每一个节点部位时，裂缝扩展路径均由缝网静压力和当前所处的应力状态决定；通过装置主体100网格内的加压装置200加载应力一定，当水力压裂实验开始后，缝网静压力通过横向平板111和纵向平板121由对应的加压杆210传递给加压装置200，通过加压装置200上的传感器可以记录不同裂缝内的缝网静压力，同时记录裂缝宽度变化。

其中，装置底座为该模拟装置的主要安装和支撑载体，其上侧通常设有滑动连接结构；优选将横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120正交设置，且使各横向模拟裂缝110相互平行，使各纵向模拟裂缝120也相互平行；这样可使得所构成的装置主体100能够满足体积压裂特点，实现正交体积裂缝的模拟，利于模拟水力裂缝正交天然裂缝情况下裂缝扩展规律及缝网发育状况。通常可在横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120上分别设置裂缝宽度检测装置，用于实时监测所在横向模拟裂缝110或纵向模拟裂缝120的裂缝宽度变化；裂缝宽度检测装置可以为多种，例如：位移传感器，其通常与该模拟装置的控制***电联接。横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120均为两条时，所构成的装置主体100俯视呈“口”字形结构；横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120均为三条时，所构成的装置主体100俯视呈“田”字形结构；为了使模拟结果更接近于真实结果，优选使横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120均为三条以上。

相对设置的两块横向平板111之间的间隙为横向模拟裂缝110的缝隙，相对设置的两块纵向平板121之间的间隙为纵向模拟裂缝120的缝隙；为了提高模拟效果，优选使横向模拟裂缝110的两块横向平板111相互平行，并使纵向模拟裂缝120的两块纵向平板121相互平行；横向平板111和纵向平板121上通常设置连接部，用于与活动密封连接结构连接；通常以间隔设置的两块横向平板111作为一个横向模拟裂缝段，当横向模拟裂缝110为两条时，每条横向模拟裂缝110包括一个横向模拟裂缝段；当横向模拟裂缝110为三条时，每条横向模拟裂缝110包括两个横向模拟裂缝段；当横向模拟裂缝110为四条或四条以上时，每条横向模拟裂缝110包括三个或三个以上横向模拟裂缝段；同理，通常以间隔设置的两块纵向平板121作为一个纵向模拟裂缝段，当纵向模拟裂缝120为两条时，每条纵向模拟裂缝120包括一个纵向模拟裂缝段；当纵向模拟裂缝120为三条时，每条纵向模拟裂缝120包括两个纵向模拟裂缝段；当纵向模拟裂缝120为四条或四条以上时，每条纵向模拟裂缝120包括三个或三个以上纵向模拟裂缝段。

横向平板111和纵向平板121可以由多种材料制成，通常采用强度较高的材料进行制作；优选采用透明玻璃平板作为横向平板111和纵向平板121，以利于实现对裂缝网络***支撑剂沉降规律的实时观测，若再将横向模拟裂缝110与纵向模拟裂缝120正交设置，即可实现正交体积裂缝下支撑剂运移及沉降规律的研究评价。

横向平板111和纵向平板121在装置底座上的可滑动安装方式可以为多种，例如：通过在装置底座上设置滑槽并在横向平板111和纵向平板121底部设置与滑槽匹配的凸起进行可滑动连接、通过在装置底座上设置滑轨并在横向平板111和纵向平板121底部设置与滑轨匹配的滑槽进行可滑动连接、通过滑动连接件进行连接等；优选的，使横向平板111和纵向平板121均通过滑块可滑动地设置在装置底座上。

伸缩密封件用于将横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120的端部封闭，伸缩密封件可以为多种，例如：波纹板、柔性密封件、卷帘等等。活动密封连接结构用于连接在横向模拟裂缝110与纵向模拟裂缝120相互交叉的节点部位处，并且不限制横向平板111和纵向平板121在装置底座上的滑动；活动密封连接结构可为多种，例如：活动密封连接结构为分别设置在横向模拟裂缝110与纵向模拟裂缝120相互交叉的节点部位的四个内角位置处的波纹板、或是分别设置在横向模拟裂缝110与纵向模拟裂缝120相互交叉的节点部位的四个内角位置处的柔性密封件、或是分别设置在横向模拟裂缝110与纵向模拟裂缝120相互交叉的节点部位的四个内角位置处的卷帘，又例如：活动密封连接结构包括设置在横向模拟裂缝110与纵向模拟裂缝120相互交叉的节点部位的连接桩、连接桩内设置有分别与横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120连通的内腔、且横向平板111和纵向平板121分别与连接桩滑动连接。

加压装置200能够提供压力并由加压杆210进行传递施压给横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120，以模拟真实地应力条件；加压装置200可以为多种，例如：液压泵、液压缸、气压缸、弹簧伸缩装置等等；加压装置200内通常还设置有传感器，缝网静压力可通过横向平板111和纵向平板121由对应的加压杆210传递给加压装置200内的传感器，并由传感器反馈给与加压装置200电联接的控制***；再如图1所示，具有四根加压杆210的加压装置200可实现对所在网格内四个方向的应力加载，分别对与之对应的横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120施加应力，实现不同地应力条件下裂缝扩展规律的模拟，以准确模拟原始地层条件下裂缝的扩展过程。

为了减小加压杆210作用在横向平板111和纵向平板121上单位面积压力的大小，再如图1所示，在加压杆210的端部上设置有施压锥台220，施压锥台220的小端面与加压杆210的端部连接，施压锥台220的大端面与所对应的横向平板111或纵向平板121相贴。通过设置施压锥台220能够增大与横向平板111或纵向平板121相贴的面积，在减小平板单位面积承受压力大小的同时，能够提升施加压力或缝网静压传递的均匀性。

作为本发明的一种优选方案，结合图1、图2、图3和图4所示，每个活动密封连接结构包括四个活动连接头130，活动连接头130相邻的两个侧面上分别设置有连接槽131；横向平板111和纵向平板121各自的两端上均设有平板连接部，四个活动连接头130分别设置在横向模拟裂缝110与纵向模拟裂缝120相互交叉的节点部位的四个内角位置处，端部相邻的横向平板111和纵向平板121各自端部上的平板连接部分别嵌入在对应的活动连接头130两侧的连接槽131中，且横向平板111和纵向平板121均能够随各自的平板连接部沿着所在的连接槽131相对于活动连接头130滑动。

其中，主要由四个活动连接头130构成的活动密封连接结构将相互交叉的横向模拟裂缝110和纵向模拟裂缝120连接在一起，不仅能够保证横向模拟裂缝110与纵向模拟裂缝120相互连通，而且能够保证横向平板111或纵向平板121与活动连接头130连接的密封性；另外，能够在保证横向平板111和纵向平板121滑动灵活度的同时，还能够加强装置主体100的结构强度。活动连接头130的一个侧面上通常设有一个或多个连接槽131，且连接槽131沿所对应裂缝的法线方向设置，即沿所对应裂缝的裂缝宽度方向设置；为了保证装置主体100整体结构的稳定性，结合图2和图3所示，每个侧面上设置多个连接槽131，且使活动连接头130两侧的连接槽131彼此错位。通常在活动连接头130上设有分别与两侧连接槽131相对应的两个刻度线或两个刻度尺，用以读取横向平板111或纵向平板121移动的距离，进而计算出裂缝宽度的大小变化。

为了便于压裂液注入，再如图1所示，该模拟装置还包括压裂液注入裂缝140，压裂液注入裂缝140与其中一条横向模拟裂缝110或其中一条纵向模拟裂缝120连通。进行模拟实验时，一般将压裂液由压裂液注入裂缝140端部的裂缝开口注入。

利用本发明所提供的网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置，能够实现模拟原始地应力情况下水力压裂裂缝的动态扩展过程，监测缝宽随压裂过程的动态变化，模拟正交体积裂缝的形成，有效评价支撑剂支撑裂缝及运移沉降的规律。

Claims (6)

1.网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置，其特征在于：包括装置底座和装置主体(100)，所述装置主体(100)为主要由至少两条横向模拟裂缝(110)和至少两条纵向模拟裂缝(120)相互交叉构成的网格结构，装置主体(100)还包括在横向模拟裂缝(110)和纵向模拟裂缝(120)的端部设置的用于将裂缝端部封闭的伸缩密封件以及设置在横向模拟裂缝(110)与纵向模拟裂缝(120)相互交叉的节点部位处的活动密封连接结构；

所述横向模拟裂缝(110)包括间隔分布的两块横向平板(111)，所述纵向模拟裂缝(120)包括间隔分布的两块纵向平板(121)，所述横向平板(111)和纵向平板(121)均可滑动地设置在装置底座上；所述装置主体(100)的网格内设置有加压装置(200)，所述加压装置(200)上设置有四根分别与相邻的横向模拟裂缝(110)和纵向模拟裂缝(120)一一对应的加压杆(210)，所述加压杆(210)的端部上设置有施压锥台(220)，所述施压锥台(220)的小端面与加压杆(210)的端部连接，施压锥台(220)的大端面与所对应的横向平板(111)或纵向平板(121)相贴；

每个活动密封连接结构包括四个活动连接头(130)，所述活动连接头(130)相邻的两个侧面上分别设置有连接槽(131)；所述横向平板(111)和纵向平板(121)各自的两端上均设有平板连接部，四个活动连接头(130)分别设置在横向模拟裂缝(110)与纵向模拟裂缝(120)相互交叉的节点部位的四个内角位置处，端部相邻的横向平板(111)和纵向平板(121)各自端部上的平板连接部分别嵌入在对应的活动连接头(130)两侧的连接槽(131)中，且横向平板(111)和纵向平板(121)均能够随各自的平板连接部沿着所在的连接槽(131)相对于活动连接头(130)滑动。

2.如权利要求1所述的网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置，其特征在于：所述横向模拟裂缝(110)和纵向模拟裂缝(120)均为三条以上。

3.如权利要求1所述的网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置，其特征在于：所述横向模拟裂缝(110)的两块横向平板(111)相互平行，所述纵向模拟裂缝(120)的两块纵向平板(121)相互平行。

4.如权利要求3所述的网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置，其特征在于：所述横向平板(111)和纵向平板(121)均为透明玻璃平板。

5.如权利要求1所述的网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置，其特征在于：所述加压装置(200)为液压泵。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的网格可视化水力压裂裂缝动态扩展模拟装置，其特征在于：还包括压裂液注入裂缝(140)，所述压裂液注入裂缝(140)与其中一条横向模拟裂缝(110)或其中一条纵向模拟裂缝(120)连通。

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