模拟压裂、返排及采气过程支撑剂运移与展布规律的装置的制作方法

本实用新型属于页岩体积压裂室内实验评价技术领域，具体涉及一种模拟压裂、返排及采气过程支撑剂运移与展布规律的装置。

背景技术：

页岩储层天然裂缝和水平层理发育、储层脆性强，体积压裂过程中易形成复杂裂缝，压裂液和支撑剂在复杂裂缝中存在分流效应，导致支撑剂在复杂裂缝中的运移和展布规律异于常规压裂裂缝。支撑剂在复杂裂缝中的运移和展布规律，对于页岩体积压裂设计、施工和压后产能评估及支撑剂的选择具有重要的指导作用。因此，进行复杂裂缝支撑剂运移与展布规律的评价研究，对于页岩气压裂具有重要指导意义。

支撑剂运移与展布评价实验仪器方面，国内外进行了大量的实验仪器设计与研发工作，相应的进行了大量的实验研究。国外对于支撑剂运移与展布评价仪器研究相对较早，构建了不同的实验仪器类型以满足实验需求，实验仪器的类型主要包括以下4个方面：(1)实验仪器以平面单裂缝为主，主要用于研究常规裂缝条件下的支撑剂运移和展布模拟；(2)实验材质以有机玻璃为主，其他材料还包括混凝土、岩石露头；(3)实验系统的裂缝模拟模块尺度相对较小，其中最小的尺度为30.0cm，最大的裂缝尺度为150.0cm；(4)构建的复杂裂缝支撑剂运移与展布评价系统，复杂裂缝为正交裂缝，裂缝尺度较小。国内进行支撑剂运移与展布评价仪器的研究时间较短，相应的实验仪器类型较少，中国石油大学(华东)、西南石油大学、西安石油大学等进行了实验仪器的研究，其中中国石油大学(华东)温庆志教授构建了国内的首套支撑剂运移与展布评价仪器，后期西南石油大学和西安石油大学构建了裂缝形态固定、含有单条次级裂缝的支撑剂运移与展布评价系统。

现有模拟装置主要存在如下问题：(1)只能模拟压裂过程中支撑剂运移与展布规律，无法模拟压裂后液体返排和页岩采气过程中的支撑剂运移情况，功能单一；(2)现有的裂缝模拟块在实验前压裂裂缝就已经预设形成，裂缝宽度固定不变对支撑剂的运移产生了重要影响，实验过程中支撑剂向裂缝前端滑移直接影响实验结果的准确性；(3)现有的裂缝模拟块主要采用有机玻璃组成外框，无法承受高流体压力，承压能力差。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种模拟压裂、返排及采气过程支撑剂运移与展布规律的装置，以模拟支撑剂在压裂、返排及采气过程中的运移与展布规律，功能更全面，能为页岩体积压裂设计、施工和压裂效果评价提供理论参考。

本实用新型所述的模拟压裂、返排及采气过程支撑剂运移与展布规律的装置，包括压裂裂缝模拟模块、支撑剂自动添加模块、分别通过管路与水源以及支撑剂自动添加模块连接的混液模块和通过管路与混液模块连接的液体回收罐，所述装置还包括控制系统、压裂过程混合液注入螺杆泵、返排过程混合液注入螺杆泵和采气过程气体注入模块；所述控制系统通过控制信号线分别与支撑剂自动添加模块、混液模块、压裂过程混合液注入螺杆泵、返排过程混合液注入螺杆泵、采气过程气体注入模块电连接。

所述压裂裂缝模拟模块包括入口井筒、裂缝模拟块和n个出口井筒，所述入口井筒具有混合液流入口、混合液射出口、返排液流出口和排气清洗口，所述n个出口井筒都具有回收液流入口、回收液流出口和返排采气注入口，入口井筒通过混合液射出口与裂缝模拟块连接，出口井筒通过回收液流入口与裂缝模拟块连接。

所述压裂过程混合液注入螺杆泵的入口通过安装有第一流量阀门的管路与混液模块连接、出口通过管路与混合液流入口连接，排气清洗口上安装有排气清洗阀门；所述返排过程混合液注入螺杆泵的入口通过安装有第二流量阀门的管路与混液模块连接，所述返排过程混合液注入螺杆泵的出口通过管路与具有n+1个分支的第一接头的一个分支连接，所述第一接头的另外n个分支分别通过安装有第三流量阀门的管路与n个返排采气注入口连接；所述采气过程气体注入模块通过管路与具有n+1个分支的第二接头的一个分支连接，所述第二接头的另外n个分支分别通过安装有第四流量阀门的管路与n个返排采气注入口连接；所述n个回收液流出口分别通过安装有第五流量阀门的管路与液体回收罐连接，液体回收罐通过安装有第六流量阀门的管路与返排液流出口连接。

所述压裂过程混合液注入螺杆泵与混合液流入口之间的管路上安装有第一压力计和第一流量计；所述返排过程混合液注入螺杆泵与第一接头之间的管路上安装有返排总流量阀门；所述第一接头的n个分支与n个返排采气注入口之间的管路上都安装有第二压力计和第二流量计；所述采气过程气体注入模块与所述第二接头之间的管路上安装有采气总压力计和采气总流量计，所述第二接头的n个分支与n个返排采气注入口之间的管路上都安装有第三压力计和第三流量计；所述n个回收液流出口与液体回收罐之间的管路上都安装有第四压力计和第四流量计；所述液体回收罐与返排液流出口之间的管路上安装有第五压力计和第五流量计。

所述采气过程气体注入模块包括氮气瓶和与氮气瓶连接的气体注入泵，所述气体注入泵通过管路与所述第二接头的一个分支连接，所述控制系统通过控制信号线与该气体注入泵电连接。

所述裂缝模拟块由多个平板裂缝块与多个裂缝分支接头相间连接构成，可以模拟复杂裂缝。

所述平板裂缝块包括平直的两块第一硅胶板、平直的两块第一密封垫板和平直的两块第一钢板，第一钢板的端部设置有平板连接法兰、上下边缘开设有多个螺钉孔，第一钢板的表面沿长度方向间隔均匀的开设有多个长条形观测孔，长条形观测孔内安装有机玻璃窗；所述两块第一钢板相对平行设置且中间留有空隙，两块第一硅胶板相对平行设置在该空隙中，两块第一密封垫板设置在两块第一硅胶板之间，其中一块第一密封垫板位于上部、另一块第一密封垫板位于下部，中间形成压裂裂缝，螺钉穿过所述螺钉孔将两块第一钢板、第一硅胶板以及第一密封垫板紧固，使所述压裂裂缝处于闭合状态。

所述裂缝分支接头为三通结构，整体呈倒“ト”形，包括平直的第二硅胶板、具有α弯折角的第三硅胶板、具有180°-α弯折角的第四硅胶板、两块呈倒“ト”形且夹角为α的第二密封垫板、平直的第二钢板、具有α弯折角的第三钢板和具有180°-α弯折角的第四钢板；第二、第三、第四钢板的端部都设置有与平板连接法兰相同的分支连接法兰，第二、第三、第四钢板的上下边缘开设有多个螺钉孔，第二、第三、第四钢板的表面沿长度方向间隔均匀的开设有多个长条形观测孔，长条形观测孔内安装有机玻璃窗；第二钢板、第三钢板、第四钢板相对设置且中间留有空隙，第二硅胶板、第三硅胶板、第四硅胶板相对设置在该空隙中，两块第二密封垫板设置在第二、第三、第四硅胶板之间，其中一块第二密封垫板位于上部、另一块第二密封垫板位于下部，中间形成压裂裂缝，螺钉穿过螺钉孔将第二、第三、第四钢板和第二、第三、第四硅胶板以及两块第二密封垫板紧固，使所述压裂裂缝处于闭合状态。

所述有机玻璃窗上设置有刻度线，方便实验不同阶段确定支撑剂的展布高度，所述有机玻璃窗安装有强光源，利用强光照射，可以清楚的观测支撑剂在裂缝中的运移和展布情况。

所述入口井筒包括外井筒和套在外井筒内的内井筒，所述内井筒的上端通过调节柱与外井筒的扣盘连接，旋转调节柱能使内井筒相对于外井筒转动，所述混合液流入口、混合液射出口开设在外井筒的侧壁上，外井筒的侧壁上对应于混合液流入口的位置设置有与管路配合的第一连接法兰，外井筒的侧壁上对应于混合液射出口的位置设置有与所述平板连接法兰配合的第二连接法兰，所述外井筒的下端焊接有与内井筒内腔连通的返排液流出管和排气清洗管，所述返排液流出口为返排液流出管的端口，所述排气清洗口为排气清洗管的端口；所述内井筒的侧壁上开设有将混合液流入口与内井筒内腔连通的入口孔眼和将内井筒内腔与混合液射出口连通的出口孔眼。

所述回收液流入口、返排采气注入口开设在出口井筒的侧壁上，出口井筒的侧壁上对应于回收液流入口的位置设置有与所述分支连接法兰配合的第三连接法兰，出口井筒的侧壁上焊有与出口井筒内腔连通的返排采气管，所述返排采气注入口为返排采气管的端口，所述出口井筒的上端连接有与出口井筒内腔连通的回收管，所述回收液流出口为回收管的端口，所述出口井筒的下端开设有与出口井筒内腔连通的清洗液流出口，该清洗液流出口上安装有清洗液阀门。

本实用新型与现有技术相比具有如下效果：

(1)本实用新型能模拟支撑剂在压裂过程中、返排过程中及采气过程中的运移与展布规律，功能更全面，为页岩体积压裂设计、施工和压裂效果评价提供了理论参考，对于后续的支撑裂缝导流能力评估和产能评估至关重要。

(2)利用硅胶板的弹性作用和钢板与螺钉的拉伸闭合作用，裂缝模拟块可施加一定的预应力，压裂裂缝中无流体或支撑剂时，由于预应力和钢板对硅胶板的挤压作用，压裂裂缝处于闭合状态，实验过程中依靠流体压力形成压裂裂缝，更真实的模拟了页岩压裂裂缝扩展过程，支撑剂在该压裂裂缝中的运移和展布更加接近真实地层，实验结果的准确性更高。

(3)钢板与有机玻璃相比能承受更高流体压力，承压能力强，有机玻璃窗方便了实验过程中对支撑剂的运移观测。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为入口井筒的结构示意图。

图3为入口井筒中的内井筒侧壁开设有出口孔眼的部分展开后的示意图。

图4为平板裂缝块的主视图。

图5为图4的俯视图。

图6为图4的左视图。

图7为裂缝分支接头的俯视图。

图8为出口井筒的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细说明。

如图1至图8所示的模拟压裂、返排及采气过程支撑剂运移与展布规律的装置，包括压裂裂缝模拟模块、支撑剂自动添加模块1、分别通过管路与水源以及支撑剂自动添加模块1连接的混液模块2、通过管路与混液模块2连接的液体回收罐3、控制系统4、压裂过程混合液注入螺杆泵5、返排过程混合液注入螺杆泵6和采气过程气体注入模块；采气过程气体注入模块包括氮气瓶15和与氮气瓶15连接的气体注入泵16；控制系统4通过控制信号线分别与支撑剂自动添加模块1、混液模块2、压裂过程混合液注入螺杆泵5、返排过程混合液注入螺杆泵6和气体注入泵16电连接。

压裂裂缝模拟模块包括入口井筒7、裂缝模拟块8和三个出口井筒9。

如图2、图3所示，入口井筒7包括外井筒70和套在外井筒70内的内井筒75，外井筒的外径为10.0cm、内径为9.0cm、高度为70.0cm，内井筒75的外径为8.9cm、内径为8.0cm、高度为65.0cm，内井筒75的上端通过调节柱10与外井筒70的扣盘76连接，旋转调节柱10能使内井筒75相对于外井筒70转动，外井筒70的侧壁上开设有混合液流入口71和混合液射出口72，外井筒75的侧壁上对应于混合液流入口71的位置设置有与管路配合的第一连接法兰77，第一连接法兰77上开设有便于安装橡胶密封圈的凹槽，外井筒75的侧壁上对应于混合液射出口72的位置设置有第二连接法兰78，第二连接法兰78上开设有便于安装橡胶密封圈的凹槽，外井筒75的下端焊接有与内井筒内腔连通的返排液流出管11和排气清洗管12，返排液流出管11的端口形成返排液流出口73，排气清洗管12的端口形成排气清洗口74，排气清洗口74上安装有排气清洗阀门62；内井筒75的侧壁上开设有将混合液流入口71与内井筒内腔连通的入口孔眼751和将内井筒内腔与混合液射出口72连通的出口孔眼752，出口孔眼752有6类，分别为如图3所示的长条形槽孔(宽度12.0mm、高度45.0cm)、3个直径为8.0mm的孔眼、5个直径为8.0mm的孔眼、3个直径为10.0mm的孔眼、5个直径为10.0mm的孔眼和3个直径为12.0mm的孔眼，旋转调节柱10可以调节与混合液射出口72对应的出口孔眼752的类型，使其满足实验要求。

如图4至图7所示，裂缝模拟块8由两个平板裂缝块81与两个裂缝分支接头82相间连接构成，具有一个入口和三个出口，入口安装入口井筒7，三个出口分别安装前述三个出口井筒9。另外，利用不同数量的平板裂缝块81、裂缝分支接头82也可根据需要组装成其他形式的复杂裂缝模拟块。

平板裂缝块81包括平直的两块第一硅胶板811、平直的两块第一密封垫板812和平直的两块第一钢板813，第一钢板813的高度为60.0cm、长度为200.0cm、厚度为20.0mm，第一硅胶板811的高度为60.0cm、长度为200.0cm、厚度为2.0mm(也可以是4.0mm、5.0mm、6.0mm、8.0mm等)，第一密封垫板812的长度为200.0cm、高度为50.0mm，厚度为1.0mm(也可以是2.0mm、3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm等)，利用不同厚度的第一硅胶板811与第一密封垫板812可以形成不同的裂缝宽度。第一钢板813的端部设置有可与第二连接法兰78配合的平板连接法兰814，平板连接法兰814上开设有便于安装橡胶密封圈的凹槽，第一钢板813的上下边缘各开设有20个直径为20.0mm的螺钉孔815，第一钢板813的表面沿长度方向每间隔10.0cm开设一个高度为50.0cm、宽度为1.5cm的长条形观测孔(总计19个长条形观测孔)，长条形观测孔内安装有机玻璃窗816，有机玻璃窗816上设置有刻度线，并安装有强光源；两块第一钢板813相对平行设置且中间留有空隙，两块第一硅胶板811相对平行设置在该空隙中，两块第一密封垫板812设置在两块第一硅胶板811之间，其中一块第一密封垫板812位于上部、另一块第一密封垫板812位于下部，中间形成压裂裂缝，螺钉穿过螺钉孔815将两块第一钢板813、第一硅胶板811以及第一密封垫板812紧固，使压裂裂缝处于闭合状态。

裂缝分支接头82为三通结构，整体呈倒“ト”形，包括平直的第二硅胶板821、具有30°弯折角的第三硅胶板822、具有150°弯折角的第四硅胶板823、两块呈倒“ト”形且夹角为30°的第二密封垫板824、平直的第二钢板825、具有30°弯折角的第三钢板826和具有150°弯折角的第四钢板827；第二、第三、第四钢板的高度、厚度与第一钢板813相同，长度根据实际需要确定，第二、第三、第四硅胶板的高度、厚度与第一硅胶板811的高度、厚度相同，长度根据实际需要确定，第二密封垫板824的高度、厚度与第一密封垫板812的高度、厚度相同，长度根据实际需要确定。第二、第三、第四钢板的端部都设置有与平板连接法兰814相同的分支连接法兰828，分支连接法兰828上开设有便于安装橡胶密封圈的凹槽，第二、第三、第四钢板的上下边缘开设有多个20.0mm的螺钉孔，第二、第三、第四钢板的表面沿长度方向每间隔10.0cm开设一个高度为50.0cm、宽度为1.5cm的长条形观测孔，长条形观测孔内安装有机玻璃窗，有机玻璃窗上设置有刻度线，并安装有强光源，其中所有弯折处都开设有长条形观测孔，并安装有机玻璃窗。第二钢板825、第三钢板826、第四钢板827相对设置且中间留有空隙，第二硅胶板821、第三硅胶板822、第四硅胶板823相对设置在该空隙中，两块第二密封垫板824设置在第二、第三、第四硅胶板之间，其中一块第二密封垫板824位于上部、另一块第二密封垫板824位于下部，中间形成压裂裂缝，螺钉穿过螺钉孔将第二、第三、第四钢板和第二、第三、第四硅胶板以及两块第二密封垫板紧固，使压裂裂缝处于闭合状态。平板连接法兰814与分支连接法兰828对应连接实现平板裂缝块81与裂缝分支接头82的连接，第二连接法兰78与平板连接法兰814对应连接实现入口井筒7与平板裂缝块81的连接。

如图8所示，出口井筒9的高度为70cm，外径为60mm，内径为50mm，出口井筒9的侧壁上开设有回收液流入口91，同时焊有与出口井筒内腔连通的返排采气管13，返排采气管13的端口形成返排采气注入口93，出口井筒9的侧壁上对应于回收液流入口91的位置设置有与分支连接法兰828配合的第三连接法兰94，第三连接法兰94上开设有便于安装橡胶密封圈的凹槽，出口井筒9的上端连接有与出口井筒内腔连通的回收管14，回收管14的端口形成回收液流出口92，出口井筒9的下端开设有与出口井筒内腔连通的清洗液流出口96，该清洗液流出口96上安装有清洗液阀门95，分支连接法兰828与第三连接法兰94对应连接实现裂缝分支接头82与出口井筒9的连接。

压裂过程混合液注入螺杆泵5的入口通过安装有第一流量阀门61的管路与混液模块2连接，压裂过程混合液注入螺杆泵5的出口通过安装有第一压力计41和第一流量计51的管路与入口井筒7的混合液流入口71连接；返排过程混合液注入螺杆泵6的入口通过安装有第二流量阀门63的管路与混液模块2连接，返排过程混合液注入螺杆泵6的出口通过安装有返排总流量阀门60的管路与具有四个分支的第一接头64的一个分支连接，第一接头64的另外三个分支分别通过安装有第三流量阀门65、第二压力计42、第二流量计52的管路与三个出口井筒9的返排采气注入口93连接；气体注入泵16通过安装有采气总压力计46和采气总流量计56的管路与具有四个分支的第二接头66的一个分支连接，第二接头66的另外三个分支分别通过安装有第四流量阀门67、第三压力计43、第三流量计53的管路与三个出口井筒9的返排采气注入口93连接；三个出口井筒9的回收液流出口92分别通过安装有第五流量阀门68、第四压力计44、第四流量计54的管路与液体回收罐3连接，液体回收罐3通过安装有第六流量阀门69、第五压力计45、第五流量计55的管路与入口井筒7的返排液流出口73连接。

上述装置主要用于页岩压裂改造和压后排采过程中支撑剂的运移和展布规律实验测试，主要模拟页岩压裂成缝阶段、压裂支撑剂泵入阶段、压后压裂液返排阶段和页岩气排采阶段。可评价次级裂缝角度、支撑剂粒径、加沙浓度、注入排量、裂缝宽度、分支裂缝条数等对裂缝分支处支撑剂分流体积的影响，明确支撑剂进入裂缝后的展布尺寸和展布规律，探索次级裂缝角度和次级裂缝条数、压裂液粘度、注入排量等对支撑裂缝长度和沙堤前缘角度的影响；也可进行页岩压裂过程中支撑剂优选评价、评价不同密度、类型和粒径的支撑剂的展布性能，从而优选相应的支撑剂，为页岩支撑剂优选和优化提供数据支撑剂。

其实验测试主要包括以下步骤：

(1)打开连接水源的阀门，将实验用水添加至混液模块2中，将压裂液相关材料加入混液模块2中搅拌均匀。

(2)在进行压裂过程模拟时，关闭第二流量阀门63、返排总流量阀门60、三个第三流量阀门65、三个第四流量阀门67、排气清洗阀门62和第六流量阀门69，打开第一流量阀门61和三个第五流量阀门68；通过控制系统4打开压裂过程混合液注入螺杆泵5，将压裂过程混合液注入螺杆泵调至方案设计的实验排量；调节三个第五流量阀门68使从三个出口井筒9内流出的液体流量达到实验方案设计的流量；打开强光源，待各部分流量稳定后，依据实验方案，利用控制系统4控制支撑剂自动添加模块1进行支撑剂添加，压裂过程中适时观测支撑剂在裂缝中的运移情况。压裂过程结束后，关闭压裂过程混合液注入螺杆泵5、第一流量阀门61和三个第五流量阀门68，利用强光源和有机玻璃窗的刻度尺进行支撑剂的展布观测，评价支撑剂在裂缝中的展布形状。

(3)如果后续要进行返排过程模拟，则需关闭第一流量阀门61、排气清洗阀门62、三个第四流量阀门67和三个第五流量阀门68，打开第二流量阀门63、返排总流量阀门60、三个第三流量阀门65和第六流量阀门69，通过控制系统4打开返排过程混合液注入螺杆泵6，将返排过程混合液注入螺杆泵调至方案设计的实验排量；调节三个第三流量阀门65使流入三个出口井筒9内的液体流量达到实验方案设计的流量；打开强光源，适时观测支撑剂在裂缝中特别是支撑裂缝尖端和入口井筒位置处的支撑剂运移和展布情况，同时记录相关管线的流量计、压力计数据；返排过程结束后，关闭返排过程混合液注入螺杆泵6、第二流量阀门63、返排总流量阀门60、三个第三流量阀门65和第六流量阀门69，利用有机玻璃窗的刻度尺确定分支前主裂缝、分支后主次裂缝和裂缝分支接头的支撑高度，确定裂缝中的支撑剂高度变化规律。

(4)如果后续要进行页岩采气过程模拟，则需关闭第一流量阀门61、第二流量阀门63、返排总流量阀门60、三个第三流量阀门65、三个第五流量阀门68和第六流量阀门69，打开排气清洗阀门62和三个第四流量阀门67，打开氮气瓶15的阀门，打开气体注入泵16，依据采气总流量计56的流量数据，通过控制系统4调节气体注入泵16的注入速度，使总流量达到实验方案设计值；调节三个第四流量阀门67，使相应的管路上的第三流量计53达到实验方案设计值，打开强光源，记录相关的流量、压力数据，适时记录和观测支撑裂缝尖端和入口井筒附近的支撑剂运移和展布情况；页岩采气过程结束后，关闭气体注入泵16，关闭排气清洗阀门62和三个第四流量阀门67，关闭氮气瓶15的阀门；利用有机玻璃窗的刻度尺确定分支前主裂缝、分支后主次裂缝和分支接头的支撑高度，确定裂缝中的支撑剂高度变化规律。

(5)实验完成后，对上述装置中的各个模块、管路等进行清洗。

上述装置还可以用于进行页岩压裂暂堵剂的性能评价工作，在实验流体形成的裂缝长度超过分支裂缝接头后，压裂液中添加暂堵剂材料，暂堵剂材料在主裂缝尖端聚集，从而评价暂堵剂材料对次级裂缝扩展的影响，评价实验暂堵剂的性能，评价暂堵剂对页岩裂缝分支的影响。