本發(fā)明屬于油田水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置領(lǐng)域，涉及縫網(wǎng)壓裂攜砂物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

頁(yè)巖油氣水力壓裂施工是一項(xiàng)系統(tǒng)的增產(chǎn)工藝技術(shù)措施，通過水力壓裂在地層3000米～4000米之間壓開裂縫形成導(dǎo)流通道從而將無法產(chǎn)出的油氣通過井筒采出。我國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層既包含豐富的海相頁(yè)巖氣，也包含大量的陸相和海陸過渡相頁(yè)巖氣區(qū)塊，構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)烈，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同頁(yè)巖物性及施工條件下壓裂后形成不同的裂縫形態(tài)，包括單條裂縫、復(fù)雜裂縫和網(wǎng)狀縫網(wǎng)裂縫。在水力壓裂施工過程中一方面地層裂縫不斷擴(kuò)展，一方面支撐劑由壓裂液攜帶進(jìn)入裂縫，支撐劑在裂縫中的分布、擴(kuò)展、沉降、回流直接影響到裂縫的鋪砂濃度和導(dǎo)流能力，從而影響裂縫閉合后有效導(dǎo)流能力和頁(yè)巖氣產(chǎn)量。通過物理模擬實(shí)驗(yàn)建立裂縫物理模型，在實(shí)驗(yàn)室模擬分析支撐劑在裂縫中的分布、擴(kuò)展、沉降、回流是目前最直接有效的分析評(píng)價(jià)方法。

針對(duì)以上特點(diǎn)，與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層形成的雙翼平面裂縫不同，頁(yè)巖儲(chǔ)層形成的是網(wǎng)狀縫網(wǎng)裂縫，支撐劑顆粒沉降主要受縫網(wǎng)裂縫復(fù)雜程度的影響。在頁(yè)巖儲(chǔ)層中，尤其是脆性頁(yè)巖中，由于壓裂時(shí)形成的裂縫呈縫網(wǎng)特征，裂縫高度非常有限，并且縫網(wǎng)裂縫復(fù)雜程度越高，單條裂縫的高度越小、寬度越窄。目前實(shí)驗(yàn)室通過物理模型進(jìn)行支撐劑實(shí)驗(yàn)分析時(shí)采用雙翼平面裂縫，裂縫形態(tài)不符合頁(yè)巖儲(chǔ)層實(shí)際，支撐劑的分布、擴(kuò)展、沉降、回流仍然只能反映常規(guī)砂巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)而并不能有效體現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)裂縫的特征。目前的主要物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置在主裂縫之外沒有有效的次裂縫，或者僅有一級(jí)次裂縫，次裂縫的數(shù)量設(shè)計(jì)不符合縫網(wǎng)裂縫特征，裂縫長(zhǎng)度單一、寬度單一、角度單一，無法模擬在不同次裂縫下支撐劑的運(yùn)移，也無法觀察在不同寬度的裂縫內(nèi)支撐劑的沉降等情況。另外玻璃材質(zhì)物理模型內(nèi)壁面光滑度均衡單一也不符合儲(chǔ)層內(nèi)部裂縫內(nèi)壁面的真實(shí)情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種符合頁(yè)巖油氣水力壓裂實(shí)際情況的縫網(wǎng)壓裂攜砂物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

縫網(wǎng)壓裂攜砂物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括儲(chǔ)液罐、砂罐、水罐、輸送泵、記錄裝置和實(shí)驗(yàn)裝置本體，其特征在于，還包括位于實(shí)驗(yàn)裝置本體上的主裂縫面板、位于主裂縫面板上的n條一級(jí)次裂縫面板、位于一級(jí)次裂縫面板上的m條二級(jí)次裂縫面板和位于二級(jí)次裂縫面板上至少一條三級(jí)次裂縫面板，n和m均為自然數(shù)且n≥m≥1，各級(jí)裂縫面板內(nèi)部設(shè)置有中空腔隙和控制中空腔隙開閉的開關(guān)；砂罐中的支撐劑和水罐中的水混合形成攜砂液，由輸送泵加壓打入主裂縫面板腔隙內(nèi)，進(jìn)而進(jìn)入不同級(jí)數(shù)的次裂縫，最后由主裂縫面板出口經(jīng)循環(huán)管路進(jìn)入儲(chǔ)液罐；記錄裝置實(shí)時(shí)記錄支撐劑在不同裂縫組合形態(tài)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

進(jìn)一步地，為模擬地層裂縫內(nèi)壁面的復(fù)雜粗糙形態(tài)，在裂縫面板空腔內(nèi)壁采用不規(guī)則溶蝕，形成不同規(guī)則形態(tài)的凹凸內(nèi)壁面，支撐劑的運(yùn)移和沉降受不規(guī)則凹凸內(nèi)壁面摩擦阻力影響在垂直方向受到的摩擦阻力越大，越會(huì)減弱重力作用下的沉降速度，支撐劑沉降速度減弱，水平方向運(yùn)移時(shí)間延長(zhǎng)距離增加。不規(guī)則凹凸內(nèi)壁面在水平方向也會(huì)對(duì)向前移動(dòng)的支撐劑產(chǎn)生摩擦阻力，水平方向阻力越大，移動(dòng)速度減弱，運(yùn)移時(shí)間縮短，運(yùn)移距離減小。由于整個(gè)裂縫面板空腔內(nèi)壁采用不規(guī)則溶蝕，所形成的摩擦阻力隨機(jī)無規(guī)則分布，更加符合地層裂縫真實(shí)情況。

進(jìn)一步地，各級(jí)次裂縫面板與其上級(jí)裂縫面板的角度可以通過連接處的鉸鏈進(jìn)行調(diào)節(jié)，模擬支撐劑由主裂縫進(jìn)入一級(jí)次裂縫或者進(jìn)入下級(jí)次裂縫時(shí)裂縫角度的改變對(duì)運(yùn)移規(guī)律的影響，通過連接角度的改變來進(jìn)行液體流向的調(diào)整，對(duì)比分析液體在進(jìn)入下級(jí)次裂縫時(shí)的速度和方向?qū)χ蝿┑倪\(yùn)移、沉降規(guī)律的影響。

進(jìn)一步地，所述記錄裝置為高精度攝像機(jī)，精確實(shí)時(shí)記錄和對(duì)比分析每一節(jié)點(diǎn)支撐劑在縫網(wǎng)裂縫中的運(yùn)移位置、沉降堆積。

進(jìn)一步地，所述輸送泵為柱塞泵，將支撐劑與液體混合后加壓打入主裂縫面板內(nèi)腔隙，進(jìn)而進(jìn)入不同級(jí)別的次級(jí)裂縫。

進(jìn)一步地，主裂縫面板的中空腔隙長(zhǎng)度為1.5～2.0m、寬度為3.2～6.4mm，一級(jí)次裂縫面板的中空腔隙長(zhǎng)度為1.0～1.8m、寬度為0.8～6.4mm，二級(jí)次裂縫面板的中空腔隙長(zhǎng)度為0.5～1.0m、寬度為0.4～1.2mm，三級(jí)次裂縫面板的中空腔隙長(zhǎng)度為0.5～1.5m、寬度為0.2～0.6mm。

進(jìn)一步地，3≤m≤5，2≤n≤4。

進(jìn)一步地，一級(jí)次裂縫面板與主裂縫面板的連接角度以15°～30°為基礎(chǔ)，按照30°增量依次連接；二級(jí)次裂縫面板與主裂縫面板的連接角度以15°～45°為基礎(chǔ)，按照30°增量依次連接；三級(jí)次裂縫面板以90°～120°角度與二級(jí)次裂縫相連。

本發(fā)明主要可以取得以下有益效果：

(1)裂縫面板的長(zhǎng)度和高度代表頁(yè)巖地層裂縫的長(zhǎng)度和高度，裂縫面板空腔可以按照不同的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)不同的寬度，這樣本發(fā)明可以在長(zhǎng)、寬、高三維尺寸上模擬分析頁(yè)巖地層水力壓裂所形成的縫網(wǎng)裂縫中支撐劑的分布、擴(kuò)展、沉降、回流規(guī)律。

(2)設(shè)計(jì)一級(jí)次裂縫n條，每條一級(jí)次裂縫分別以不同的長(zhǎng)度、寬度和角度與主裂縫相連，可以模擬在z條一級(jí)次裂縫(z≤n)存在的縫網(wǎng)裂縫形態(tài)下不同長(zhǎng)度、寬度和連接角度的一級(jí)次裂縫對(duì)支撐劑的分布、擴(kuò)展、沉降、回流影響規(guī)律。

(3)設(shè)計(jì)二級(jí)次裂縫m條，二級(jí)次裂縫分別以不同的長(zhǎng)度、寬度和角度與一級(jí)次裂縫相連，可以模擬在w條二級(jí)次裂縫(w≤m)存在的縫網(wǎng)裂縫形態(tài)下支撐劑的分布、擴(kuò)展、沉降、回流規(guī)律。

(4)設(shè)計(jì)至少一條三級(jí)次裂縫，可以模擬在有三級(jí)次裂縫存在的縫網(wǎng)裂縫形態(tài)下支撐劑的分布、擴(kuò)展、沉降、回流規(guī)律。

(5)通過裂縫面板旋鈕開關(guān)實(shí)現(xiàn)攜砂液運(yùn)移通道的控制，本發(fā)明可以在n條一級(jí)次裂縫、m條二級(jí)次裂縫和至少一條三級(jí)次裂縫的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上自由選擇組合縫網(wǎng)裂縫中次裂縫的級(jí)數(shù)，每級(jí)次裂縫的條數(shù)以及相應(yīng)的角度和寬度，可以實(shí)驗(yàn)?zāi)M多種不同裂縫組合形態(tài)下支撐劑的分布、擴(kuò)展、沉降、回流。

(6)裂縫面板空腔內(nèi)表面的不規(guī)則溶蝕，形成不同規(guī)則形態(tài)的凹凸內(nèi)壁面，更為接近地層裂縫實(shí)際情況，提高了物理模擬實(shí)驗(yàn)的精確度。

(7)本發(fā)明突破了常規(guī)雙翼主裂縫模擬實(shí)驗(yàn)的限制，支撐劑的分布、擴(kuò)展、沉降、回流符合頁(yè)巖油氣地層實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為真實(shí)可靠。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的縫網(wǎng)壓裂攜砂物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：1-主裂縫面板，2-一級(jí)次裂縫面板a，3-一級(jí)次裂縫面板b，4-一級(jí)次裂縫面板c，5-一級(jí)次裂縫面板d，6-二級(jí)次裂縫面板x，7-二級(jí)次裂縫面板y，8-二級(jí)次裂縫面板z，9-三級(jí)次裂縫面板，10-開關(guān)，11-儲(chǔ)液罐，12-砂罐，13-水罐，14-柱塞泵。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的縫網(wǎng)壓裂攜砂物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括儲(chǔ)液罐11、砂罐12、水罐13、柱塞泵14、記錄裝置和實(shí)驗(yàn)裝置本體，還包括位于實(shí)驗(yàn)裝置本體上的主裂縫面板1,位于主裂縫面板1上的4條一級(jí)次裂縫面板a、b、c、d，位于一級(jí)次裂縫面板上的3條二級(jí)次裂縫面板x、y、z，和位于二級(jí)次裂縫面板上一條三級(jí)次裂縫面板，各級(jí)裂縫面板內(nèi)部設(shè)置有中空腔隙和控制中空腔隙開閉的開關(guān)10；砂罐12中的支撐劑和水罐13中的水混合形成攜砂液，由柱塞泵14加壓打入主裂縫面板1腔隙內(nèi)，進(jìn)而進(jìn)入不同級(jí)數(shù)的次裂縫，最后由主裂縫面板1經(jīng)循環(huán)管路進(jìn)入儲(chǔ)液罐11；記錄裝置實(shí)時(shí)記錄支撐劑在不同裂縫組合形態(tài)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。裂縫面板由透明強(qiáng)質(zhì)塑膠材料制作，內(nèi)部設(shè)置不同寬度的中空腔隙模擬不同寬度的地層裂縫。

針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層水力壓裂縫網(wǎng)裂縫形態(tài)在主裂縫面板之外設(shè)計(jì)四條一級(jí)次裂縫面板，其與主裂縫面板的連接角度以15°～30°為基礎(chǔ)，按照30°增量依次連接，無論是主裂縫面板還是次裂縫面板，在其內(nèi)部設(shè)置流動(dòng)空腔模擬地層裂縫，不同的空腔寬度代表不同的裂縫寬度，這樣四條一級(jí)次裂縫面板采用不同的空腔長(zhǎng)度和寬度來模擬頁(yè)巖地層四條不同寬度和長(zhǎng)度的一級(jí)次裂縫與主裂縫連接情況，其長(zhǎng)度從1.0米～1.8米，寬度從0.8毫米～6.4毫米不等。

針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層水力壓裂縫網(wǎng)裂縫形態(tài)在一級(jí)次裂縫面板之外設(shè)計(jì)三條二級(jí)次裂縫面板，其與主裂縫面板的連接角度以15°～45°為基礎(chǔ)，按照30°增量依次連接，無論是主裂縫面板還是次裂縫面板，在其內(nèi)部設(shè)置流動(dòng)空腔模擬地層裂縫，不同的空腔寬度代表不同的裂縫寬度，這樣三條二級(jí)次裂縫面板采用不同的空腔長(zhǎng)度和寬度來模擬頁(yè)巖地層三條不同寬度和長(zhǎng)度的二級(jí)次裂縫與一級(jí)次裂縫連接情況，其長(zhǎng)度從0.5米～1.0米，寬度從0.4毫米～1.2毫米不等。

針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層水力壓裂縫網(wǎng)裂縫形態(tài)在二級(jí)次裂縫面板之外設(shè)計(jì)一條三級(jí)次裂縫面板，以90°～120°角度與二級(jí)次裂縫相連，模擬頁(yè)巖地層一條長(zhǎng)度1.6米，寬度0.3毫米的三級(jí)次裂縫。

各級(jí)裂縫面板在連接處設(shè)置開關(guān)10控制攜砂液的進(jìn)入，在實(shí)驗(yàn)過程中可以關(guān)閉任一裂縫面板也可以打開任一面板從而模擬分析不同級(jí)數(shù)和不同裂縫個(gè)數(shù)下支撐劑的實(shí)驗(yàn)情況。實(shí)驗(yàn)過程中砂罐12中的支撐劑和水罐13中的水混合形成攜砂液，由柱塞泵14加壓打入主裂縫面板1腔隙內(nèi)，進(jìn)而進(jìn)入不同級(jí)數(shù)的次裂縫，最后由主裂縫面板1左端出口經(jīng)循環(huán)管路進(jìn)入儲(chǔ)液罐11。由于設(shè)置了不同角度和數(shù)量的多級(jí)次裂縫，可以模擬分析不同組合縫網(wǎng)裂縫狀態(tài)下支撐劑的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，支撐劑由壓裂液攜帶進(jìn)入縫網(wǎng)裂縫內(nèi)通道，從而實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)縫網(wǎng)裂縫下支撐劑分布、擴(kuò)展、沉降、回流規(guī)律分析。

本實(shí)施方案通過開關(guān)10的控制可實(shí)驗(yàn)?zāi)M48種不同組合縫網(wǎng)裂縫形態(tài)下支撐劑的分布、擴(kuò)展、沉降、回流，在僅開啟一級(jí)次裂縫情況下可以實(shí)驗(yàn)?zāi)M16種不同的裂縫組合情況，在開啟二級(jí)次裂縫和三級(jí)次裂縫情況下可以模擬32種不同的裂縫組合情況。

本發(fā)明在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了使用驗(yàn)證，模擬不同角度，具有三級(jí)次裂縫的縫網(wǎng)裂縫中支撐劑的運(yùn)移、沉降規(guī)律，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)砂巖雙翼平面裂縫模擬裝置相比，本發(fā)明更符合頁(yè)巖油氣地層水力壓裂所形成的縫網(wǎng)裂縫真實(shí)情況。