CN109611085B - 水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置及其模拟方法，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，本发明针对目前真三轴水力压裂物理模拟测试装置无法较真实模拟射孔层段、射孔数及无法对大致相同的岩样进行不同压裂施工参数下的裂缝延伸形态模拟测试，导致与现场实际存在一定出入的问题，设计出一种水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置，能对不同射孔层段、射孔数、压裂施工参数、大致相同的力学性质及裂缝发育程度岩样进行不同参数下重复压裂实验，更准确的测试某一参数对压裂裂缝延伸形态的影响，为煤系储层压裂裂缝形态准确研究奠定基础。

Description

水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置及其模拟方法

技术领域

本发明涉及水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟技术领域，特别是涉及水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置及其模拟方法。

背景技术

煤层气作为一种清洁、高效能源，我国经过近四十年的勘探开发，勘探开发深度已经延伸到2000米左右。勘探开发深度的增加，深部煤层及其围岩的致密砂岩中都可能含有甲烷气体，进行煤层气和围岩层中致密砂岩中气体的开发是目前开发深部煤系气储层的主要方式之一。深部煤系气储层埋藏深、所受应力大导致原始状态下的渗透率都比较低，要想获得工业性气流，进行水力压裂是提高其导流能力的主要方式。

在煤系储层中进行水力压裂时，煤层可能与开发的致密砂岩层直接接触，也可能与围岩致密砂岩层之间存在一定的距离，由于煤层与围岩致密砂岩层的岩石力学性质、裂隙发育程度等差异性，导致其水力压裂时煤层与围岩致密砂岩层的裂缝延伸形态可能存在较大差异。即使对单一煤层段进行压裂，煤层段内煤的变形破坏程度、裂隙发育程度等的差异性也可能引起水力压裂时裂缝起裂、延伸等变化规律的差异，最终影响着压裂改造效果。为了研究水力压裂过程中裂缝在非均质性煤层段、煤层与其他岩层合层压裂时裂缝延伸变化规律及裂缝延伸形态，国内外研究者通过研制真三轴水力压裂物理模拟实验装置对压裂过程中裂缝延伸形态进行研究，其基本做法是通过制作较大尺度的立方体煤块或用相似材料制作成较大尺寸的立方体，在实验样品中间钻一小孔，模拟储层及所受的应力状态，进行不同压裂液、不同加载围压、不同施工排量等条件下实验，通过压裂液颜色来确定其裂缝形态。采用原始煤样或相似模拟材料，制作样品所需时间及制样过程相对比较复杂，耗时较长；同时，由于是在材料上钻出的一个小孔，无法较真实的模拟现场压裂时的从射孔孔眼进入压裂层这一过程，可能导致模拟结果与实际存在一定的出入。而且压裂后煤样无法再重复使用，无法改变某一实验条件进行重复性实验，导致某一参数对裂缝延伸形态的影响无法较准确的测试。采用压裂模拟软件FracproPT、mayer等进行模拟，更多的是一种规律性的认识，与实际存在一定的出入。为了较准确的模拟现场水力压裂射孔层段、水力压裂的某一参数如施工排量、压裂液、压裂液量，以及应力条件、单一煤层或煤层与砂岩合压等不同条件下水力压裂裂缝延伸规律及形态，亟需研制一种水力压裂裂缝延伸形态模拟测试装置，能满足上述要求。

所以本发明提供一种新的方案来解决此问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置及其模拟方法。

其解决的技术方案是：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。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，所述加压隔板外缘包裹密封橡皮套。

优选的，所述固定托盘呈半圆形，其直径与横向杆长度相等。

优选的，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。

利用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，包括如下步骤：

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。

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1. 本发明能够在综合岩性、水平或垂直地应力状态下对现场压裂施工时主要裂缝的延伸生长进行模拟，并绘制三维裂隙模型，以此来对压裂裂缝延伸规律的研究提供一种简单易行的方法；

2.本发明经过调整环压、轴压的大小以及反复的实验对比，并结合现场地应力环境，来寻找出一种有利于压裂现场裂缝延伸的最佳压裂方案，从而对压裂施工的准确实施提供了有力保证；

3.本发明对不同射孔层段、射孔数、压裂施工参数、大致相同的力学性质及裂缝发育程度岩样进行不同参数下重复压裂实验，更准确的测试某一参数对压裂裂缝延伸形态的影响，为煤系储层压裂裂缝形态准确研究奠定基础。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中煤/岩模拟组件的结构示意图。

图3为本发明中模拟室的结构示意图。

图4为本发明中轴压加载组件的结构示意图。

图5为本发明中环压加载组件的结构示意图。

图6a为本发明中井筒压裂模拟组件的结构示意图。

图6b为本发明中射孔封堵器的结构示意图。

图6c为本发明中井筒压裂模拟组件的局部结构示意图。

图7为本发明的局部结构示意图。

图中：100-煤/岩模拟组件，101-固定杆，102-固定托盘，103-纵向杆，104-横向杆，105-第一固定环，106-第二固定环，107-插销，108-模拟室，109-第一转动环，200-轴压加载组件，201-第一手摇式加压泵，202-第一管道，203-第一储液槽，204-第二管道，205-第一阀门，206-第二阀门，207-加压隔板，208-水压腔，209-模拟腔，210-收缩弹簧，211-第三转动环，212-变压腔，300-环压加载组件，301-第二手摇式加压泵，302-第三管道，303-第二储液槽连接，304-第三阀门，305-第四管道，306-多通阀门，307-第四阀门，308-注水管，309-加压环，310-第二转动环，400-井筒压裂模拟组件，401-射孔封堵器，402-模拟井筒，403-第三手摇式加压泵，404-射孔，405-注墨管，406-第三储液槽连接，407-加压阀门，408-滑动环，409-挡片，410-弧形轴套，411-第五管道，412-第五阀门。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至附图7对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

如图1所示，水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置，包括煤/岩模拟组件100、轴压加载组件200、环压加载组件300和井筒压裂模拟组件400。

如图2所示，煤/岩模拟组件100包括壳体和多个模拟层，壳体包括底座、固定杆101和固定托盘102，底座包括两根平行设置的纵向杆103，两根纵向杆103的中心通过一根横向杆104固定连接，纵向杆103、横向杆104的中心顶部均设置有第一固定环105，固定杆101套设在第一固定环105上，位于纵向杆103正上方的固定杆101顶部设置第二固定环106，第二固定环106内设置插销107，固定托盘102水平焊接在位于横向杆104正上方的固定杆101顶部，固定托盘102呈半圆形，其直径与横向杆104长度相等。模拟层包括用于放置模拟材料的模拟室108，本发明以5组模拟室层位为例，各层位的模拟材料配比参数如下表1所示，其中各个材料单位均为KG。

表1

层位模拟	配比号	砂	石膏	石灰	水	煤粉
							模拟层1（泥岩层）	846	18	1.8	2.7	1.125	--
模拟层2（泥岩、煤交互层）	746	15.75	2.7	4.05	1.125	--
							模拟层3（煤层）	--	--	--	--	--	22.5
模拟层4（砂岩、煤交互层）	737	15.75	20.25	4.725	1.125	--
							模拟层5（砂岩层）	837	18	3.15	3.15	1.125	--

如图3所示，模拟室108为顶部开口、底部和侧壁为镂空式网格的半圆环柱体结构，镂空式网格设计的目的在于实现裂缝在模拟室108中的垂直方向上的生长与延伸。多个模拟室108叠摞设置在固定托盘102上，每个模拟室108均通过转动组件与插销107转动连接。转动组件包括设置在模拟室108的外侧弧面侧壁两端的第一转动环109，且每一端的第一转动环109分别在外侧弧面侧壁顶部、底部各设置一个。

如图4所示，轴压加载组件200包括第一手摇式加压泵201，第一手摇式加压泵201的进口通过第一管道202连接第一储液槽203，第一手摇式加压泵201的出口通过第二管道204连接变压腔212，第一管道202、第二管道204上分别设置第一阀门205、第二阀门206；变压腔212设置在模拟层的顶部，且变压腔212为与模拟层尺寸相同的半圆环柱体结构，变压腔212的外侧弧面侧壁两端设置第三转动环211，第三转动环211套设在插销107上。变压腔212内部设置加压隔板207，加压隔板207将变压腔212分为上部的水压腔208和下部的模拟腔209，加压隔板207外缘包裹密封橡皮套，以保证加压、卸压过程中上部水压腔208的水不会进入下部模拟腔209内。水压腔208内部设置收缩弹簧210，收缩弹簧210顶端与水压腔208顶部连接，收缩弹簧210底端与加压隔板207连接，水压腔208与第二管道204连通。当第一手摇式加压泵201向水压腔208注水加压时，收缩弹簧210受压处于拉伸状态，加压隔板207在水压作用下向下移动，挤压模拟腔209内的模拟材料；卸压时，旋出第一手摇式加压泵201从水压腔208内抽水，加压隔板207在收缩弹簧210的收缩作用下进行恢复初始位置。

如图5所示，环压加载组件300包括第二手摇式加压泵301，第二手摇式加压泵301的进口通过第三管道302与第二储液槽连接303，第三管道302上设置第三阀门304，第二手摇式加压泵301的出口通过第四管道305连接多通阀门306的进口，第四管道305上设置第四阀门307，多通阀门306的出口通过注水管308连通加压环309，使用过程中，关闭第四阀门307、打开第三阀门304，并旋出第二手摇式加压泵301，第二手摇式加压泵301从第二储液槽内进行抽水，关闭第三阀门304、打开第四阀门307，并旋进第二手摇式加压泵301，第二手摇式加压泵301通过第四管道305上将水注入多通阀门306内，通阀门多个出口向不同模拟层的加压环309内进行注水，通过对多通阀门306的出口选择性开启可实现不同模拟层的差异性环压加载。注水管308上设置有压力表，压力表可在环压加载时显示任意时刻的环压大小，加压环309为弧形空心板结构，加压环309内侧壁与模拟室108的弧面侧壁匹配扣合，加压环309外侧臂采用钢制耐压材料制成，加压环309内侧壁采用弹性材料制成，具体使用时，可选择弹性较好的橡胶材料。加压环309的两端中部设置的第二转动环310，同一端的第二转动环310夹设在第一转动环109之间，且第二转动环与第一转动环109同轴套设在插销107上。

如图6a所示，井筒压裂模拟组件400，包括压裂井筒和多个射孔封堵器401，压裂井筒包括模拟井筒402和第三手摇式加压泵403，模拟井筒402为设置在固定托盘102上的半圆柱体结构，且模拟井筒402的弧面侧壁与模拟室108的内侧弧面侧壁相匹配，多个射孔封堵器401叠落套设在模拟井筒402上，如图6b所示，射孔封堵器401包括沿模拟井筒402轴向平行设置的两个滑动环408，且两个滑动环408的间距与模拟室108的厚度相等，两个滑动环408之间设置与模拟井筒402弧面侧壁相匹配的挡片409，挡片409的上下两端均设置有与滑动环408滑动配合的弧形轴套410，如图6c所示，模拟井筒402的弧面侧壁上纵向均匀开设多行射孔404，且每行射孔404均被不同的射孔封堵器401遮挡；第三手摇式加压泵403固定设置在模拟井筒402的顶部，第三手摇式加压泵403的进口通过第五管道411与装有墨水的第三储液槽连接406，第五管道411上设置第五阀门412，第三手摇式加压泵403的出口通过注墨管405与模拟井筒402连通，注墨管405上设置加压阀门407。模拟室108、变压腔212、模拟井筒402、射孔封堵器401均为透明有机玻璃材料制成，方便对模拟实验进行观测。

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206，打开第一阀门205，旋出第一手摇式加压泵201从第一储液槽203内部进行抽水，旋出第一手摇式加压泵201至最外侧，即抽取完成后，关闭第一阀门205，打开第二阀门206，旋进第一手摇式加压泵201向变压水压腔208内注入加压后的水，水压腔208内部水压驱使加压隔板207向下移动，挤压下部模拟腔209内部的模拟材料。其中水压腔208内部预先抽离空气，使加压隔板207在下降过程中完全依靠水压加载，模拟腔209内部的模拟材料与模拟层最顶部的模拟室108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201，加压隔板207在收缩弹簧210的作用下回缩复位，以实现变压腔212的反复加压。

2）进行环压加载操作：

关闭第四阀门307，打开第三阀门304，旋出第二手摇式加压泵301从第二储液槽内部进行抽水，抽取完成后，关闭第三阀门304，打开第四阀门307，旋进第二手摇式加压泵301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，多通阀门306向各个加压环309内部注入加压后的水，加压环309内侧壁受水压向外形变，挤压模拟室108内部的模拟材料。

3）进行压裂模拟操作：

关闭加压阀门407，打开第五阀门412，旋出第三手摇式加压泵403从第三储液槽内部抽取墨水,抽液完成后，关闭第五阀门412，打开加压阀门407，缓慢旋进第三手摇式加压泵403向模拟井筒402中注入加压后的墨水，第三手摇式加压泵403的上部有压力表可实时记录模拟井筒402内的压力，由于单一次的旋出第三手摇式加压泵403所抽取的水量在完全旋入模拟井筒402时可能无法对模拟井筒402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402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403下部的加压阀门407，并打开第五阀门412，即可旋出第三手摇式加压泵403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108的外部边缘时，停止旋进第三手摇式加压泵403。旋转套于模拟井筒402上的多组的射孔封堵器401可实现不同模拟室108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407并旋出第三手摇式加压泵403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。如图7所示，拔出其中任意一根插销107，并从上至下依次拆卸模拟室108外侧的加环压，并将加压环309缓慢绕插销107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309全部旋出后，以模拟井筒402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。

综上所述，本发明针对目前真三轴水力压裂物理模拟测试装置无法较真实模拟射孔层段、射孔数及无法对大致相同的岩样进行不同压裂施工参数下的裂缝延伸形态模拟测试，导致与现场实际存在一定出入的问题，设计出一种水力压裂煤系储层裂缝延伸形态模拟装置，能对不同射孔层段、射孔数、压裂施工参数、大致相同的力学性质及裂缝发育程度岩样进行不同参数下重复压裂实验，更准确的测试某一参数对压裂裂缝延伸形态的影响，为煤系储层压裂裂缝形态准确研究奠定基础。

以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此；对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、数据的替换，都应当落在本发明保护范围之内。

Claims (7)

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。

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