CN116153177A - 一种长裂缝多角度裂缝模拟装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种长裂缝多角度裂缝模拟装置及系统，所述裂缝模拟装置包括底座、底板、伸缩杆和裂缝模型本体，其中，所述底座固定设置在地面上，所述底板水平设置在所述底座上且底板与底座形成铰接；所述裂缝模型本体沿底板的长度方向固定设置在底板上且与底板垂直，所述裂缝模型本体包括两个以上的裂缝模型和连接相邻两个裂缝模型的万向膨胀节，裂缝模型本体呈具有一定长度的弯曲或直线形态；所述伸缩杆一端与底座连接，另一端与所述底板连接以推动底板相对底座转动，使模拟裂缝本体相对地面倾斜。所述长裂缝多角度裂缝模拟系统包括所述裂缝模拟装置。本发明具有能够模拟不同形态、不同走向、不同倾斜角度的裂缝、能够真实还原地层裂缝等优点。

Description

一种长裂缝多角度裂缝模拟装置及系统

技术领域

本发明涉及裂缝模拟装备技术领域，具体地，涉及一种长裂缝多角度裂缝模拟装置及系统。

背景技术

水平井分段体积压裂是页岩气高效开发的关键技术，而携砂液体系中压裂支撑剂是填充裂缝主要介质，它具有保持储层较高的导流能力，为页岩气流向井筒提供高速通道，因此压裂支撑剂在裂缝内的分布形态是影响压裂效果的重要因素。

为研究压裂支撑剂在裂缝内的分布形态，目前国内外常采用室内实验装置进行模拟研究，我国实验室所使用的评价装置对地层裂缝的研究基本还停留在短裂缝模拟上，实验装置模拟裂缝形态上也多为单裂缝、双裂缝或者多分支裂缝，对于地层存在的楔形裂缝、裂缝与地面存在倾角、裂缝走向弯曲等因素很少考虑到，导致由此得到的实验分析数据与实际情况存在相对较大误差，因此需要设计一种能够模拟地层长裂缝，并能够实现裂缝形态变化、裂缝多角度变化的评价装置，以更贴合地层实际情况，对地层裂缝展开研究。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够模拟不同形态、不同走向、不同倾斜角度裂缝的长裂缝多角度裂缝模拟装置。又如，本发明的另一目的在于提供一种能够模拟不同形态、不同走向、不同倾斜角度裂缝的长裂缝多角度裂缝模拟系统。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种长裂缝多角度裂缝模拟装置，所述模拟装置包括底座、底板、伸缩杆和裂缝模型本体，其中，

所述底座固定设置在地面上，所述底板水平设置在所述底座上且底板与底座形成铰接；

所述裂缝模型本体沿底板的长度方向固定设置在底板上且与底板垂直，所述裂缝模型本体包括两个以上的裂缝模型和连接相邻两个裂缝模型的万向膨胀节，所述裂缝模型本体呈具有一定长度的弯曲或直线形态；

所述伸缩杆一端与所述底座连接，另一端与所述底板连接以推动底板相对底座转动，使模拟裂缝本体相对地面倾斜。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述底板可为矩形结构，矩形一侧的长边与底座形成铰接，所述铰接通过合页方式实现。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述裂缝模型可包括平板裂缝模型、不规则裂缝模型中至少一种。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述平板裂缝模型和不规则裂缝模型均可包括箱体、两块夹板、支撑条和螺栓，其中，

所述箱体前后两侧为开口结构，所述两块夹板设置在箱体内且分别与箱体左右两侧平行，所述两块夹板能够彼此配合构成模拟裂缝通道；

所述支撑条固定设置在箱体的两侧外壁上，所述螺栓一端作用在两块夹板上，另一端作用在支撑条上。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述两块夹板中每块夹板的两端都可设置有向同一侧突出的弯折部，其中，两块夹板通过所述弯折部实现配合。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述一块夹板上的弯折部上可设置有凹槽，另一块夹板上的弯折部可设置有与所述凹槽配合的突出部；

在所述凹槽中还可设置有弹簧，所述突出部上还可设置有弹簧柱。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，在平板裂缝模型中，所述支撑条可交叉设置在箱体外侧，所述螺栓的一端抵靠在夹板上，通过调节螺栓在支撑条上的旋进长度来调节两块夹板之间的间距。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，在所述不规则裂缝模型中，所述支撑条可竖直或平行设置在箱体的外侧，所述螺栓的一端与夹板固定连接，通过旋进旋出螺栓，控制两块夹板之间的距离。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述夹板可为透明材质，所述夹板可为注塑成不规则裂缝形状的透明有机玻璃板或玻璃平板。

本发明的另一方面一种长裂缝多角度裂缝模拟系统，所述模拟系统可包括如权利要求1～9中任意一项所述的长裂缝多角度裂缝模拟装置。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述模拟裂缝本体的长度可为10～30m，所述模拟裂缝本体相对地面的倾斜角度可为0～90°。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述模拟装置还可包括进口井筒和出口井筒，所述进口井筒和出口井筒分别与裂缝模型本体的两端连通以向裂缝模型本体中泵注支撑剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

(1)本发明通过调整裂缝模型中模拟裂缝的宽度和角度，可以模拟不同形态的裂缝，如楔形裂缝，平板裂缝；采用不规则裂缝模型设计，可以模拟真实储层中的裂缝形态，还原度更高；

(2)本发明模拟裂缝之间采用万向膨胀节连接，可以实现裂缝模型之间的角度变化，实现裂缝转向，用于模拟地层裂缝走向变化；同时采用伸缩杆，实现裂缝模型的倾角变化，模拟支撑剂在不同倾角裂缝中的运移；

(3)本发明裂缝模型可以根据实验需求组装成长度较长的长裂缝(10～30米)，更贴近储层中主裂缝为长裂缝的真实情况，能消除短裂缝模拟装置中支撑剂运移沉降受进口、出口端的影响，能提高实验现象观察清晰度，并能减少因短裂缝模拟装置尺寸小，提取实验数据可能存在的误差。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明的一个示例性实施例的长裂缝多角度裂缝模拟装置的结构示意图；

图2示出了图1另一侧的结构示意图；

图3示出了根据本发明的另一个示例性实施例的长裂缝多角度裂缝模拟装置的结构示意图；

图4示出了图1或图3中裂缝模型一个示例性实施例的结构示意图；

图5示出了图4中裂缝模型一个示例性实施例的侧视图(不规则裂缝模型)；

图6示出了图4中裂缝模型一个示例性实施例的侧视图(平板裂缝模型)；

图7示出了图4中裂缝模型的右视图；

图8示出了图7中A处的放大示意图；

图9示出了根据本发明的一个示例性实施例的板夹的结构示意图；

图10示出了根据本发明的一个示例性实施例的板夹的俯视图(平板裂缝模型)；

图11示出了根据本发明的一个示例性实施例的板夹的俯视图(平板裂缝模型模拟楔形裂缝)；

图12示出了根据本发明的一个示例性实施例的多个裂缝模型组装后的结构示意图。

附图标记说明：

1-底座、2-底板、3-伸缩杆、4-裂缝模型、5-支撑板、6-合页、13-进口井筒、14-出口井筒、17-万向膨胀节、18-弹簧、19-弹簧柱、20-箱体、21-密封橡胶、22-夹板、23-螺栓、24-支撑条、25-弯折部。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的长裂缝多角度裂缝模拟装置及系统。

在本发明的第一示例性实施例中，长裂缝多角度裂缝模拟装置主要包括底座、底板、伸缩杆和裂缝模型本体。

其中，底座固定设置在地面或平面上，起支撑底板的作用。底板水平设置在底座上且底板与底座形成铰接以使底板能够相对底座转动。这里，铰接可通过合页或转轴或轴承方式实现。

裂缝模型本体沿底板的长度方向固定安装在底板上且与底板呈垂直设置。裂缝模型本体可包括两个以上的裂缝模型和连接相邻两个裂缝模型的万向膨胀节。这里，通过设置万向膨胀节能够使相邻两个裂缝模型形成弯曲形态，根据实验需求设置多个裂缝模型，从而使裂缝模型本体呈具有一定长度的弯曲形态或直线形态或部分弯曲部分直线形态，以使模拟的长裂缝更接近地层实际情况。

伸缩杆的一端与所述底座连接，另一端穿过底座的上端面与所述底板未与铰座连接的一侧连接以推动底板相对底座转动，从而带动模拟裂缝本体相对地面倾斜。例如，这里伸缩杆可为液压油缸，其一端连接底座，另一端穿过底座的上端面连接在底板未与底座铰接一侧的下端面，通过控制伸缩杆的长度，来控制模拟裂缝的倾斜角度。

在本示例性实施例中，所述底板可为矩形结构，位于矩形一侧的长边可与底座形成铰接，所述铰接通过合页方式实现。

在本示例性实施例中，所述裂缝模型可包括平板裂缝模型、不规则裂缝模型中至少一种。

在本示例性实施例中，所述平板裂缝模型和不规则裂缝模型均可包括箱体、两块夹板、支撑条和螺栓。

其中，箱体为扁平结构，箱体前后两个侧面为开口或上面设置有开口结构。所述两块夹板彼此相对设置在箱体内且分别与箱体左右两个侧平行设置。所述两块夹板能够彼此配合构成模拟裂缝通道；所述支撑条固定设置在箱体的两侧外壁上，所述螺栓一端作用在两块夹板上，另一端作用在支撑条上。所述裂缝模型两端的端面处设有密封橡胶，用于密封箱体与夹板之间的孔隙。

在本示例性实施例中，进一步地，所述两块夹板中每块夹板的两端都可设置有向同一侧突出的弯折部，其中，两块夹板通过所述弯折部实现配合。

在本示例性实施例中，进一步地，所述一块夹板上的弯折部上可设置有凹槽，另一块夹板上的弯折部可设置有与所述凹槽配合的突出部。在所述凹槽中还可设置有弹簧，所述突出部上还可设置有弹簧柱，方便螺栓旋出时两块夹板分离开。这里，所述弯折部的宽度可以沿着夹板的长度方向逐步变短，这样当两块夹板嵌合在一起时可以模拟楔形裂缝，同时将楔形裂缝设置在进口井筒附近，更能还原真实储层中井筒附近的裂缝形态。

根据不同的实验需求，平板裂缝模型与不规则裂缝模型可自由组合，形成不同形态的裂缝。

在本示例性实施例中，在平板裂缝模型中，所述支撑条可交叉设置在箱体外侧，所述螺栓的一端抵靠在夹板上，通过调节螺栓在支撑条上的旋进长度来调节两块夹板之间的间距，从而实现调节裂缝的宽度，以此来形成平行的裂缝或楔形裂缝。

在本示例性实施例中，在所述不规则裂缝模型中，所述支撑条可竖直或平行设置在箱体的外侧，所述螺栓的一端与夹板固定连接。支撑条的竖直或平行设计加大了螺栓在夹板上的设置密度。通过旋进旋出螺栓，控制两块夹板之间的距离，可以使夹板之间形成不规则的裂缝形态。

在本示例性实施例中，所述夹板可为透明材质，所述夹板可为注塑成不规则裂缝形状的透明有机玻璃板或玻璃平板。具体来讲，根据实验需求，平板裂缝模型中，所述夹板为玻璃等透明材质，方便观察实验过程中支撑剂的运移沉降规律；在不规则裂缝模型中，夹板可采用铜板、铝板等易加工变形的材质，在螺栓的作用下，两块夹板可以很方便的形成不规则形状的裂缝；夹板也可使用事先注塑成不规则裂缝形状的透明有机玻璃板，方便观察实验过程中支撑剂的运移沉降规律。

图1示出了本发明的一个示例性实施例的长裂缝多角度裂缝模拟装置的结构示意图；图2示出了图1另一侧的结构示意图；图3示出了根据本发明的另一个示例性实施例的长裂缝多角度裂缝模拟装置的结构示意图；图4示出了图1或图3中裂缝模型一个示例性实施例的结构示意图；图5示出了图4中裂缝模型一个示例性实施例的侧视图(不规则裂缝模型)；图6示出了图4中裂缝模型一个示例性实施例的侧视图(平板裂缝模型)；图7示出了图4中裂缝模型的右视图；图8示出了图7中A处的放大示意图；图9示出了根据本发明的一个示例性实施例的板夹的结构示意图；图10示出了根据本发明的一个示例性实施例的板夹的俯视图(平板裂缝模型)；图11示出了根据本发明的一个示例性实施例的板夹的俯视图(平板裂缝模型模拟楔形裂缝)；图12示出了根据本发明的一个示例性实施例的多个裂缝模型组装后的结构示意图。

在本发明的第二示例性实施例中，如图1～12中所示，长裂缝多角度裂缝模拟装置主要包括底座1、底板2、伸缩杆3和裂缝模型本体。

其中，如图1中所示，底座1固定设置在地面或平面上，起支撑底板2的作用。底板2水平设置在底座1上且底板2与底座1形成铰接以使底板2能够相对底座1转动。这里，铰接可通过合页或转轴或轴承方式实现。

裂缝模型本体沿底板2的长度方向固定安装在底板2上且与底板2呈垂直设置。裂缝模型本体可包括两个以上的裂缝模型4和连接相邻两个裂缝模型的万向膨胀节17。这里，通过设置万向膨胀节17能够使相邻两个裂缝模型4形成弯曲形态，在裂缝模型4的一侧或两侧设有支撑板5，防止裂缝模型4在倾斜过程中发生倾倒。根据实验需求设置多个裂缝模型4，从而使裂缝模型本体呈具有一定长度的弯曲形态或直线形态或部分弯曲部分直线形态，以使模拟的长裂缝更接近地层实际情况。

伸缩杆3的一端与所述底座连接，另一端穿过底座1的上端面与所述底板2未与底座1铰接的一侧连接以推动底板2相对底座1转动，从而带动模拟裂缝本体相对地面倾斜。例如，这里伸缩杆可为液压油缸，其一端连接底座，另一端穿过底座的上端面连接在底板未与底座铰接一侧的下端面，通过控制伸缩杆的长度，来控制模拟裂缝的倾斜角度。这里，所述模拟裂缝本体的长度可为10～30m，所述模拟裂缝本体相对地面的倾斜角度可为0～90°。

在本示例性实施例中，如图2中所示，所述底板2可为矩形结构，位于矩形一侧的长边可与底座1形成铰接，所述铰接通过合页6方式实现。这里，底座1可以为图1中的框架形状，也可以为图3中的支架形状，伸缩杆3可根据底座1和底板2的不同采用本领域常规技术手段。

在本示例性实施例中，所述裂缝模型4可包括平板裂缝模型、不规则裂缝模型中至少一种。

在本示例性实施例中，如图4～7中所示，所述平板裂缝模型和不规则裂缝模型均可包括箱体20、两块夹板22、支撑条24和螺栓23。

其中，箱体20为扁平结构，箱体20前后两个侧面为开口或上面设置有开口结构。所述两块夹板22彼此相对设置在箱体20内且分别与箱体20的左右两侧平行设置。所述两块夹板22能够彼此配合构成模拟裂缝通道；所述支撑条24固定设置在箱体20的两侧外壁上，所述螺栓23一端作用在两块夹板22上，另一端作用在支撑条24上。这里，裂缝模型4两端的端面处设有密封橡胶21，用于密封箱体20与夹板22之间的孔隙。

在本示例性实施例中，如图7～10中所示，进一步地，所述两块夹板22中每块夹板22的两端都可设置有向同一侧突出的弯折部25，其中，两块夹板22通过所述弯折部25实现配合。进一步地，所述一块夹板上的弯折部25上可设置有凹槽，另一块夹板上的弯折部25可设置有与所述凹槽配合的突出部。在所述凹槽中还可设置有弹簧18，所述突出部上还可设置有弹簧柱19，方便螺栓旋出时两块夹板分离开。这里，如图11中所示，所述弯折部25的宽度可以沿着夹板的长度方向逐步变短，这样当两块夹板嵌合在一起时可以模拟楔形裂缝，同时将楔形裂缝设置在进口井筒附近，更能还原真实储层中井筒附近的裂缝形态。

根据不同的实验需求，如图12中所示，平板裂缝模型与不规则裂缝模型可自由组合，形成不同形态的裂缝。

在本示例性实施例中，如图6中所示，在平板裂缝模型中，所述支撑条24可交叉设置在箱体20左右平面外侧(即图7中箱体左右两个侧面)，所述螺栓23的一端抵靠在夹板上，通过调节螺栓23在支撑条24上的旋进长度来调节两块夹板之间的间距，从而实现调节裂缝的宽度，以此来形成平行的裂缝或楔形裂缝。

在本示例性实施例中，如图5中所示，在所述不规则裂缝模型中，所述支撑条24可竖直或平行设置在箱体20左右平面外侧，所述螺栓23的一端与夹板固定连接。支撑条24的竖直或平行设计加大了螺栓23在夹板上的设置密度。通过旋进旋出螺栓23，控制两块夹板之间的距离，可以使夹板之间形成不规则的裂缝形态。

在本示例性实施例中，所述夹板可为透明材质，所述夹板可为注塑成不规则裂缝形状的透明有机玻璃板或玻璃平板。具体来讲，根据实验需求，平板裂缝模型中，所述夹板为玻璃等透明材质，方便观察实验过程中支撑剂的运移沉降规律；在不规则裂缝模型中，夹板可采用铜板、铝板等易加工变形的材质，在螺栓的作用下，两块夹板可以很方便的形成不规则形状的裂缝；夹板也可使用事先注塑成不规则裂缝形状的透明有机玻璃板，方便观察实验过程中支撑剂的运移沉降规律。

在本发明的第三示例性实施例中，长裂缝多角度裂缝模拟系统可包括上述第一示例性实施例或第二示例性实施例所述的长裂缝多角度裂缝模拟装置。

在本示例性实施例中，所述模拟裂缝本体的长度可为10～30m，所述模拟裂缝本体相对地面的倾斜角度可为0～90°。

在本示例性实施例中，如图1中所示，所述模拟装置还可包括进口井筒13和出口井筒14，所述进口井筒13和出口井筒14分别与裂缝模型本体的两端连通以向裂缝模型本体中泵注支撑剂。具体来讲，在裂缝模型本体首尾处的裂缝模型4上分别设有进口井筒13和出口井筒14，通过向裂缝模型4泵入支撑剂等模拟压裂液在裂缝中的携砂过程，研究在不同施工参数下支撑剂运移沉降规律和砂堤形成过程。

综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

(1)本发明通过调整裂缝模型中模拟裂缝的宽度和角度，可以模拟不同形态的裂缝，如楔形裂缝，平板裂缝；采用不规则裂缝模型设计，可以模拟真实储层中的裂缝形态，还原度更高；

(2)本发明模拟裂缝之间采用万向膨胀节连接，可以实现裂缝模型之间的角度变化，实现裂缝转向，用于模拟地层裂缝走向变化；同时采用伸缩杆，实现裂缝模型的倾角变化，模拟支撑剂在不同倾角裂缝中的运移；

(3)本发明裂缝模型可以根据实验需求组装成长度较长的长裂缝(10～30米)，更贴近储层中主裂缝为长裂缝的真实情况，能消除短裂缝模拟装置中支撑剂运移沉降受进口、出口端的影响，能提高实验现象观察清晰度，并能减少因短裂缝模拟装置尺寸小，提取实验数据可能存在的误差。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (12)

1.一种长裂缝多角度裂缝模拟装置，其特征在于，所述模拟装置包括底座、底板、伸缩杆和裂缝模型本体，其中，

所述底座固定设置在地面上，所述底板水平设置在所述底座上且底板与底座形成铰接；

所述裂缝模型本体沿底板的长度方向固定设置在底板上且与底板垂直，所述裂缝模型本体包括两个以上的裂缝模型和连接相邻两个裂缝模型的万向膨胀节，所述裂缝模型本体呈具有一定长度的弯曲或直线形态；

所述伸缩杆一端与所述底座连接，另一端与所述底板连接以推动底板相对底座转动，使模拟裂缝本体相对地面倾斜。

2.根据权利要求1所述的长裂缝多角度裂缝模拟装置，其特征在于，所述底板为矩形结构，矩形一侧的长边与底座形成铰接，所述铰接通过合页方式实现。

3.根据权利要求1所述的长裂缝多角度裂缝模拟装置，其特征在于，所述裂缝模型包括平板裂缝模型、不规则裂缝模型中至少一种。

4.根据权利要求3所述的长裂缝多角度裂缝模拟装置，其特征在于，所述平板裂缝模型和不规则裂缝模型均包括箱体、两块夹板、支撑条和螺栓，其中，

所述箱体前后两侧为开口结构，所述两块夹板彼此相对设置在箱体内且分别与箱体左右两侧平行设置，所述两块夹板能够彼此配合构成模拟裂缝通道；

所述支撑条固定设置在箱体的两侧外壁上，所述螺栓一端作用在两块夹板上，另一端作用在支撑条上。

5.根据权利要求4所述的长裂缝多角度裂缝模拟装置，其特征在于，所述两块夹板中每块夹板的两端都设置有向同一侧突出的弯折部，其中，两块夹板通过所述弯折部实现配合。

6.根据权利要求5所述的长裂缝多角度裂缝模拟装置，其特征在于，所述一块夹板上的弯折部上设置有凹槽，另一块夹板上的弯折部设置有与所述凹槽配合的突出部；

在所述凹槽中还设置有弹簧，所述突出部上还设置有弹簧柱。

7.根据权利要求4所述的长裂缝多角度裂缝模拟装置，其特征在于，在平板裂缝模型中，所述支撑条交叉设置在箱体外侧，所述螺栓的一端抵靠在夹板上，通过调节螺栓在支撑条上的旋进长度来调节两块夹板之间的间距。

8.根据权利要求4所述的长裂缝多角度裂缝模拟装置，其特征在于，在所述不规则裂缝模型中，所述支撑条竖直或平行设置在箱体的外侧，所述螺栓的一端与夹板固定连接，通过旋进旋出螺栓，控制两块夹板之间的距离。

9.根据权利要求4所述的长裂缝多角度裂缝模拟装置，其特征在于，所述夹板为透明材质，所述夹板为注塑成不规则裂缝形状的透明有机玻璃板或玻璃平板。

10.一种长裂缝多角度裂缝模拟系统，其特征在于，所述模拟系统可包括如权利要求1～9中任意一项所述的长裂缝多角度裂缝模拟装置。

11.根据权利要求10所述的长裂缝多角度裂缝模拟系统，其特征在于，所述模拟裂缝本体的长度为10～30m，所述模拟裂缝本体相对地面的倾斜角度为0～90°。

12.根据权利要求10所述的长裂缝多角度裂缝模拟系统，其特征在于，所述模拟装置还包括进口井筒和出口井筒，所述进口井筒和出口井筒分别与裂缝模型本体的两端连通以向裂缝模型本体中泵注支撑剂。

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