CN105756645A - 页岩中裂缝扩展的物理模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩中裂缝扩展的物理模拟系统及方法，该系统包括钻机、密封机以及机床，共同用于将采集到的页岩加工成压裂试样；真三轴物理模拟试验机，其对压裂试样进行模拟三向地应力的加载；水力压裂伺服泵压控制系统，其给压裂试样提供压裂液以模拟水力压裂过程；声发射三维空间定位监测设备，其对模拟水力压裂过程进行实时监测；工业CT机，其对水力压裂前后的压裂试样进行断面扫描。本页岩中裂缝扩展的物理模拟系统科用于研究水力压裂过程中各向异性的页岩裂缝起裂、扩展与延伸规律，进而较准确地判别裂缝信息，为压裂施工设计提供高精度的基础数据，为现场压裂施工提供技术支持，进而达到增产的目的。

Description

页岩中裂缝扩展的物理模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及页岩气储层压裂改造增产技术领域，尤其涉及一种页岩中裂缝扩展的物理模拟系统及方法。

背景技术

页岩气是一种以游离或吸附状态藏身于页岩层或泥岩层中的非常规天然气。我国的页岩气资源丰富，随着开采技术的进步以及国家对开采的补贴支持，对页岩气的开发利用将进入快速发展时期。国外的页岩气的开采发展的比较早，主要的开采技术包括水平井技术、多层压裂技术、清水压裂技术以及重复压裂技术等，我国的页岩气开采目前还处于起步阶段。

页岩的各向异性特性对压裂施工具有重要影响。储层中的有机页岩在形成过程中具有层理、片理等特征，组成的矿物结晶颗粒具有不同大小以及不同的组合方式，造成页岩中具有不同层次的结构构造和这些结构构造的定向排列，所以有机页岩具有明显的强度和弹性各向异性。

现有技术中，一方面，目前的研究主要是针对岩石各向异性参数开展的，而且更多的是直接通过力学设备对岩石(例如边坡岩)的各向异性参数进行力学测试，并未对岩石进行水力压裂物理模拟的方法进行研究。段靓靓等从横观各向同性理论出发，对现场采集的岩样进行室内单轴压缩试验和巴西劈裂试验，对岩石的各向异性参数进行了研究，探讨了弹性模量、抗压强度和抗拉强度随岩层倾角变化的规律。

另一方面，目前的研究主要是针对砂岩和碳酸盐岩开展的。席道瑛等在MTS伺服压机上对不同饱和状态的砂岩、大理岩标本进行了垂直层理和平行层理两个方向的正弦波加载试验，研究了饱和岩石的各向异性及非线性粘弹性行为。但由于砂岩和碳酸盐岩不像页岩层理那么不发育，各向异性特征也没有页岩明显，所以对它们的研究结果无法直接应用于页岩的研究中。所以目前仍没有针对深层层状各向异性页岩储层进行物理模拟试验的方法。

综上所述，亟需形成一套基于各向异性页岩储层特征的水力压裂裂缝扩展的物理模拟系统及模拟方法，以便更好地了解在水力压裂施工中，页岩储层各向异性对裂缝起裂以及裂缝扩展与延伸规律的影响，达到增产的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一套基于各向异性页岩储层特征的水力压裂裂缝扩展的物理模拟系统及模拟方法。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种页岩中裂缝扩展的物理模拟系统，包括：钻机，其在待模拟的页岩试样的预定位置处预制模拟井眼；密封机，其采用密封材料对放入所述模拟井眼中的模拟射孔套管与所述模拟井眼之间的缝隙进行密封；机床，其在多个加载板的端面上预制监测孔；真三轴物理模拟试验机，其对放入其三轴加载室内的压裂试样进行模拟三向地应力的加载，所述压裂试样为被加载板夹持的经过所述钻机和密封机处理后的待模拟的页岩试样；水力压裂伺服泵压控制系统，其给所述压裂试样提供压裂液以模拟水力压裂过程；声发射三维空间定位监测设备，其对所述模拟水力压裂过程进行实时监测；工业CT机，其对水力压裂前后的压裂试样进行断面扫描。

优选地，还包括切割机，其将采集到的页岩加工成设定尺寸的立方体形，以作为所述待模拟的页岩试样。

优选地，每个加载板的端面上沿对角线方向预制有两个监测孔，且在所述页岩试样的与模拟水平最大地应力方向和垂向应力方向垂直的表面上分别放置各个加载板。

本申请的实施例还提供了一种页岩中裂缝扩展的物理模拟方法，包括：步骤一、在待模拟的页岩试样的预定位置处预制模拟井眼，将模拟射孔套管放入所述模拟井眼中，采用密封材料对所述模拟射孔套管与所述模拟井眼之间的缝隙进行密封，并且在多个加载板的端面上预制监测孔，用加载板夹持经过处理后的待模拟的页岩试样以得到压裂试样；步骤二、将所述压裂试样放入真三轴物理模拟试验机的三轴加载室内进行模拟三向地应力加载；步骤三、利用水力压裂伺服泵压控制系统给所述压裂试样提供压裂液以模拟水力压裂过程，同时利用声发射三维空间定位监测设备对所述模拟水力压裂过程进行实时监测；步骤四、对水力压裂前后的压裂试样进行裂缝形态的描述。

优选地，在进行步骤一之前还包括：将采集到的页岩加工成设定尺寸的立方体形，以作为所述待模拟的页岩试样。

优选地，在每个加载板的端面上沿对角线方向预制两个监测孔，且在所述压裂试样的与模拟水平最大地应力方向和垂向应力方向垂直的表面上分别放置各个加载板。

优选地，将声发射三维空间定位监测设备的声发射探头置于所述加载板的监测孔内且与所述加载板接触。

优选地，所述裂缝形态的描述包括：利用工业CT机对水力压裂前后的试样进行多断面扫描，对压裂前后的裂缝形态进行描述；对水力压裂后的压裂试样进行剖切，直接观测剖切后的试样并对裂缝形态进行描述；根据声发射三维空间定位监测设备的记录数据对水力压裂过程中裂缝的产生与扩展进行分析，并通过与所述断面扫描和所述直接观测得到的结果进行对比对裂缝形态进行描述。

优选地，在对所述裂缝形态的描述步骤之后还包括将水力压裂过程中的模拟参数与现场参数进行对比验证的步骤，具体为：将水力压裂物理模拟过程中的水力压裂泵压曲线与现场泵压曲线进行对比验证；将直接观测水力压裂后剖切试样得到的裂缝描述和声发射三维空间定位监测设备的记录数据与现场微地震监测事件进行对比验证。

优选地，所述密封材料为环氧树脂。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

通过应用页岩中裂缝扩展的物理模拟系统进行模拟试验建立了一套适用于各向异性页岩储层的水力压裂物理模拟方法。并将直接观测、采用声发射三维空间定位监测设备进行实时监测以及利用工业CT机对断面进行扫描分析等多种手段相结合，对压裂裂缝起裂、扩展与延伸形态进行表征，能够较准确地判别裂缝信息，为压裂施工设计提供高精度的基础数据，为现场压裂施工提供技术支持，进而达到增产的目的。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，为并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例的页岩中裂缝扩展的物理模拟系统的结构示意图；

图2为本申请实施例的页岩中裂缝扩展的物理模拟方法的流程示意图；

图3为本申请实施例的制备中的压裂试样示意图；

图4为本申请实施例的加载板结构示意图；

图5(a)为本申请实施例的在一个加载板端面上的监测孔的布置示意图，图5(b)为本申请实施例的页岩试样与加载板的装配示意图；

图6为对压裂后的页岩试样进行工业CT断面扫描的示意图；

图7为对压裂后的页岩试样进行剖切观测的示意图；

图8为利用声发射三维空间定位监测设备对水力压裂模拟过程的监测示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1为本申请实施例的页岩中裂缝扩展的物理模拟系统的结构示意图，该模拟系统主要包括：切割机11、钻机12、密封机13、机床14、真三轴物理模拟试验机15、声发射三维空间定位监测设备16、水力压裂伺服泵压控制系统17以及工业CT机18。

切割机11，将采集到的页岩加工成设定尺寸的立方体形待模拟页岩试样。钻机12，在待模拟的页岩试样的预定位置处预制模拟井眼。密封机13，采用密封材料对放入模拟井眼中的模拟射孔套管与模拟井眼之间的缝隙进行密封。机床14，在多个加载板的端面上预制监测孔。真三轴物理模拟试验机15，对放入其三轴加载室内的压裂试样进行模拟三向地应力的加载，其中压裂试样为被加载板夹持的经过钻机和密封机处理后的待模拟的页岩试样。声发射三维空间定位监测设备16，其对模拟水力压裂过程进行实时监测。水力压裂伺服泵压控制系统17，其给压裂试样提供压裂液以模拟水力压裂过程。工业CT机18，其对水力压裂前后的页岩试样进行断面扫描。

利用上述的页岩中裂缝扩展的物理模拟系统进行试验，具体的试验方法如图2所示。图2为本申请实施例的页岩中裂缝扩展的物理模拟方法的流程示意图，下面同时参考图1和图2来说明该系统的工作流程。

在利用页岩中裂缝扩展的物理模拟系统进行模拟试验之前，为保证试验结果更加可靠，首先需要按照下述要求对试样进行制备。

本申请实施例中对页岩试样的采集的要求是：采集的页岩区块需具有代表性，必须是天然页岩，最好采集页岩露头岩芯(参见图1中的a)。采样的页岩需外观新鲜、完整，且无肉眼可见的天然裂缝。为了便于之后的模拟三向地应力的加载，可以在试样采集时就根据其应力的方向做相应的标记。

本申请实施例中对试样尺寸的要求是：采用切割机11将页岩试样加工成立方体形的标准压裂试样，并保证一定的端面平整度。具体地，所采用的电脑自动岩石切割机的刀盘直径大于500mm，对不规则页岩试样的端面进行加工时，保证端面的不平整度小于0.2mm。考虑到设备的规格，为了获得理想的试验效果，将试样加工成300mm×300mm×300mm的立方体(参见图1中的b)

需要注意的是，在对采样的页岩进行运输以及进行加工时都应避免对试样造成内部结构的损伤。经过上述加工处理的页岩试样即可作为待模拟的页岩试样。

接下来继续对待模拟的页岩试样进行预加工处理，主要是预制模拟套管及射孔，具体包括预制模拟井眼、预置模拟射孔套管、环空封固以及预制监测孔。

水力压裂的实际生产作业过程是，利用地面高压泵组，将高粘度液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗涨强度时，在井底附近地层产生裂缝。继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝。

井眼的作用相当于上述过程中的井。一般采用钻机12在待模拟的页岩试样上沿垂直于页岩试样层理面的一端面上的中心位置，进行井眼的预制。在本申请的实施例中，采用具有金刚石钻头的立式钻机进行钻孔，金刚石钻头的外径为24mm，加工出的井眼的外径小于30mm，经过上述加工处理的井眼即可作为模拟井眼(参见图1中的c)。

套管是压裂过程中用来隔离地层、支撑油以及气井井壁的钢管，主要用来保证钻井过程的顺利进行和完井后整个油井的正常运行，以及防止作业中的有毒材料渗入地层污染环境以及地下水。所以在预制好井眼之后需要将预先加工好的模拟射孔套管放入模拟井眼中。

具体地，预先将模拟射孔套管的一端加工成射孔形状，用于伸入井眼内注入压裂液；在模拟射孔套管的另一端内加工内螺纹，形成接头，用于与水力压裂伺服泵压控制系统的出液管相连接。在本申请的实施例中，模拟射孔套管是内径为15mm，外径为20mm的高强度的不锈钢套管。

一般情况下，预制的模拟井眼的尺寸会大于预制的模拟射孔套管的尺寸，也就是说，在两者之间会存在缝隙。为避免压裂液从壁面处透出，需要采用密封材料对缝隙进行密封处理，即环空封固。具体为，利用密封机13将密封材料注入到模拟射孔套管与模拟井眼之间的缝隙中(参见图1中的d)。在本申请的实施例中，采用环氧树脂作为密封材料。环氧树脂的附着能力强，特别是对金属材料，同时具有较好的耐热性和电绝缘性。

图3为本申请实施例的制备中的压裂试样示意图。从图中可以看出，页岩试样的表面光滑完整无裂纹，模拟井眼位于试样一端面的中心位置。

至此已经完成压裂试样制备过程中的对页岩试样的加工，这时可以利用工业CT机18先行对压裂前的页岩试样进行断面扫描，主要记录岩石试样内部的天然裂缝。这样在压裂后再对同一块页岩试样进行扫描时，可以对压裂试验后形成的人工裂缝与压裂前的天然裂缝的相互沟通的情况进行统计与分析，以获得有关裂缝扩展的规律。

对水力压裂物理模拟过程进行实时监测是本申请的实施例所要解决的问题之一。由于水力压裂过程发生于压裂试样的内部，所以根据压裂后的表面裂纹无法准确判断试样内部的裂缝的起裂位置以及延伸方向。在本申请的实施例中，通过采集裂缝形成过程中发出的声信号并对声信号进行分析，来定位三维空间的裂缝信息，进而判断裂缝的起裂位置与延伸方向。

声发射三维空间定位监测设备16可以对声发射事件进行监测和记录，所以将其应用于水力压裂过程的实时监测。具体地，利用声发射三维空间定位监测设备的声发射探头对页岩试样开裂时产生的声发射信号进行接收，进而可以监测到整个页岩试样空间内的声发射事件的分布，声发射事件数量的多少与压裂裂缝的大小和多少相关。再根据声发射事件的分布的疏密程度就可以进行裂缝形态与走向的判定，而且这种判定通常为采用相应的程序得出的实时信息。

为了有效地接收水力压裂过程中的声发射信号，需要对声发射探头进行布置。在本申请的实施例中，通过在加载板上布置监测孔的方式安装声发射探头。

具体的，加载板是模拟试验过程中作为传力柱的部件，其结构如图4所示。在进行水力压裂模拟试验时，压裂试样的每一个表面上都配置有一个加载板，对于每个加载板，其一个端面紧靠试样端面，另一个端面与千斤顶连接，将外力传递到试样端面。由于声发射信号的传递需要固体介质，且声发射探头内置高精度压电陶瓷垫片，不具有抗压性，所以在本申请的实施例中借助加载板来传导声发射信号。

页岩试样、加载板以及声发射探头在装配时应满足，试样需与加载板紧密接触，声发射探头需放置在加载板的监测孔内，并与加载板紧密接触。将经过上述加工步骤得到的页岩试样作为压裂试样用于水力压裂物理模拟过程(参见图1中的e)。

在加载板的端面上预制放置声发射探头的监测孔的步骤可采用机床完成，按照设定的孔径参数，满足设定的加工精度及位置要求，监测孔的位置应根据声发射探头的布置形式来确定。

在本申请的实施例中，采用八只声发射探头，其中，在分别紧贴立方体压裂试样的垂直于垂向应力方向的上下表面的两个加载板上各放置两只声发射探头，在分别紧贴立方体压裂试样的垂直于模拟水平最大地应力方向的两个相对表面的加载板上各放置两只声发射探头，且在每个加载板端面上探头沿对角线方向放置。图5(a)为本申请实施例的在一个加载板端面上的监测孔的布置示意图，可以看出，声发射探头是沿端面的对角线进行放置的。

需要注意的是，每两个相对的加载板上的探头呈非对称布置。图5(b)为本申请实施例的页岩试样与加载板的装配示意图。如图5(b)所示，A方向为垂向应力方向，B方向为模拟最大水平地应力方向，C方向为模拟最小水平地应力方向。加载板51与加载板52是垂直于模拟水平最大地应力方向的两个相对放置的加载板，其中加载板51上的监测孔沿逆时针的对角线布置，加载板52上的监测孔沿顺时针的对角线布置，呈非对称的形式。

真三轴物理模拟试验机15在进行水力压裂的模拟之前启动，用于模拟地层三向地应力的加载，该步骤可以恢复页岩在原始地层中的应力条件。试验时将压裂试样放入真三轴物理模拟试验机的三轴加载室内进行模拟三向地应力的加载。

具体地，模拟三向地应力的大小需要结合具体的示范工程进行设定。在本申请的实施例中，设定三向地应力分别为，σ_v＝20MPa，σ_H＝19.51MPa，σ_h＝16.98MPa，水平地应力差异系数为0.15。

水力压裂的过程是从启动水力压裂伺服泵压控制系统17开始的。水力压裂伺服泵压控制系统17相当于水力压裂的实际生产作业过程中的高压泵组，主要用于提供压裂液。试验时将水力压裂伺服泵压控制系统的高压出液软管与模拟射孔套管的内螺纹接头进行可靠地连接。水力压裂伺服泵压控制系统17的排量及压力等可以结合具体的示范工程进行设定。例如在本申请的实施例中，排量设定为1.0ml/s，压力设定为30MPa。

需要说明的是，在启动水力压裂伺服泵压控制系统17时需要同时启动声发射三维空间定位监测设备16，这样才能对水力压裂的过程进行完整的记录，进一步判断在泵压为何值时试样发生了破裂以及定位破裂发生的位置。

为了对页岩储层进行更细致全面的研究，本申请实施例建立了完备的裂缝形态描述机制，包括在物理模拟过程中的数据监测以及物理模拟过程后的裂缝形态的分析。具体的，利用工业CT机在压裂前后对页岩试样进行多断面扫描、对压裂后页岩试样(参见图1中的f)进行剖切并直接观测以及利用声发射三维空间定位监测设备对水力压裂的模拟过程进行实时监测来综合获得压裂前后的裂缝形态的描述。

首先利用工业CT机18对水力压裂前后的页岩试样进行多断面扫描，并对压裂前后的裂缝形态进行对比。其中，对压裂前的页岩试样的断面扫描在水力压裂之前进行。

工业CT机18可以在不对试样进行破坏的前提下对页岩试样进行整体扫描，从而获得试样的断面信息，进一步根据断面信息对裂缝形态进行描述。采用工业CT机进行断面扫描主要是因为相比于普通的CT机，工业CT机的可选能量范围宽、射线穿透能力强、检测效率高、适应工件范围广，以及工业CT机具有工件平移加旋转扫描的功能，可以通过射线源与探测器的升降实现扫描层的定位，并且安全防护措施更加可靠。

在本申请的实施例中，采用的是CD系列工业CT机对压裂前后的页岩试样进行扫描。其中，在对压裂后的页岩试样进行断面扫描之前，可采用保鲜膜对压后试样进行包裹，因为工业CT为大型特殊设备，需要专门运送试样到特定的场所做CT断面扫锚，用保鲜膜对压后试样包裹以防止压裂液的蒸发。

图6为对压裂后的页岩试样进行工业CT断面扫描的示意图。通过对图6的分析可知，第一层断面和第二层断面上分布有沿层理面的贯穿裂缝和与层理面近似垂直的水压裂缝，第四层和第五层中部位置分布有与层理面正交的压裂缝，且裂缝沿水平最大主应力方向延伸。

在完成试样的断面扫描之后，将压裂后的页岩试样进行剖切，直观观测剖切后的页岩试样的裂缝形态并采用高清相机拍照记录，如图7所示。所谓剖切，主要是指采用人工方式将压裂后的页岩试样按照水压压裂所形成的裂缝的痕迹进行打开。图7为对压裂后的页岩试样进行剖切观测的示意图。通过对图7的分析可知，压裂裂缝主要集中于试样的下方，尤其以图7中左下角处的试样压裂最为严重。

接下来继续根据声发射三维空间定位监测设备的记录数据，进一步分析水力压裂过程中裂缝产生与扩展，如图8所示。

图8为利用声发射三维空间定位监测设备对水力压裂模拟过程的监测示意图。声发射三维空间定位监测设备的记录数据主要为水力压裂物理模拟过程中的声发射事件。声发射事件是指由布置在页岩试样的四个表面的八只声发射探头通过一定的计算算法判定的起裂点位置。每监测到一次记录一次，最后得到整个压裂过程的三维空间事件分布。具体在图8中，图中的一个点即为记录的一次声发射事件，即起裂点位置。通过分析可知，声发射事件主要分布在模拟射孔套管射孔的出水位置与靠近后面的位置，这与压裂后观测到的水力压裂裂缝相一致，也与通过CT断面扫描所得到的结论一致。

利用工业CT机对水力压裂前后的页岩试样进行多断面扫描，主要得到的是压裂前后试样的裂缝在不同断面的分布形态，其中，还可以对压裂试验后形成的人工裂缝与压裂前的天然裂缝的相互沟通的情况进行统计与分析，以获得有关裂缝扩展的规律；对压裂后试样进行剖切，对压裂裂缝形态进行直接观测并利用高清相机进行拍照记录，主要得到的是压裂后试样的裂缝的直观形态；利用声发射三维空间定位监测设备对模拟的全过程进行监测，能够得到对水力压裂的整个模拟过程的记录信息。三种方式相辅相成，互相验证。并且通过对比三种分析结果可知，三种验证手段都得出了相同的结论，即水力压裂的裂缝主要集中在试样中、后部位。采用工业CT扫描和压后直接观测验证了声发射三维空间定位监测方法的有效性，证明本申请实施例中所建立的页岩中裂缝扩展的真三轴水力压裂物理模拟方法是有效且可行的。

进一步地，可以将实际作业现场的压裂泵压曲线与现场压裂微震裂缝信息用于与上述试验结果进行对比，以进一步验证室内水力压裂泵压曲线与现场泵压曲线的同异性以及根据压裂后的剖切试样得到的裂缝描述和室内声发射监测事件与现场微地震监测事件的一致性。最后，基于上述的试验步骤建立一套适用于页岩特征的水力压裂物理模拟试验方法。

通过对上述试验的分析结果获得了如下的裂缝形态描述，水力压裂过程中，裂缝起裂垂直于水平最小地应力方向，沿水平最大地应力方向延伸扩展，在延伸过程中沟通层理面，形成相互交叉的网络裂缝。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种页岩中裂缝扩展的物理模拟系统，包括：

钻机，其在待模拟的页岩试样的预定位置处预制模拟井眼；

密封机，其采用密封材料对放入所述模拟井眼中的模拟射孔套管与所述模拟井眼之间的缝隙进行密封；

机床，其在多个加载板的端面上预制监测孔；

真三轴物理模拟试验机，其对放入其三轴加载室内的压裂试样进行模拟三向地应力的加载，所述压裂试样为被加载板夹持的经过所述钻机和密封机处理后的待模拟的页岩试样；

水力压裂伺服泵压控制系统，其给所述压裂试样提供压裂液以模拟水力压裂过程；

声发射三维空间定位监测设备，其对所述模拟水力压裂过程进行实时监测；

工业CT机，其对水力压裂前后的压裂试样进行断面扫描。

2.根据权利要求1所述的物理模拟系统，其特征在于，还包括：

切割机，其将采集到的页岩加工成设定尺寸的立方体形，以作为所述待模拟的页岩试样。

3.根据权利要求1所述的物理模拟系统，其特征在于，

每个加载板的端面上沿对角线方向预制有两个监测孔，且在所述页岩试样的与模拟水平最大地应力方向和垂向应力方向垂直的表面上分别放置各个加载板。

4.一种页岩中裂缝扩展的物理模拟方法，包括：

步骤一、在待模拟的页岩试样的预定位置处预制模拟井眼，将模拟射孔套管放入所述模拟井眼中，采用密封材料对所述模拟射孔套管与所述模拟井眼之间的缝隙进行密封，并且在多个加载板的端面上预制监测孔，用加载板夹持经过处理后的待模拟的页岩试样以得到压裂试样；

步骤二、将所述压裂试样放入真三轴物理模拟试验机的三轴加载室内进行模拟三向地应力加载；

步骤三、利用水力压裂伺服泵压控制系统给所述压裂试样提供压裂液以模拟水力压裂过程，同时利用声发射三维空间定位监测设备对所述模拟水力压裂过程进行实时监测；

步骤四、对水力压裂前后的压裂试样进行裂缝形态的描述。

5.根据权利要求4所述的物理模拟方法，其特征在于，在进行步骤一之前还包括：将采集到的页岩加工成设定尺寸的立方体形，以作为所述待模拟的页岩试样。

6.根据权利要求4所述的物理模拟方法，其特征在于，在步骤一中，

在每个加载板的端面上沿对角线方向预制两个监测孔，且在所述压裂试样的与模拟水平最大地应力方向和垂向应力方向垂直的表面上分别放置各个加载板。

7.根据权利要求6所述的物理模拟方法，其特征在于，将声发射三维空间定位监测设备的声发射探头置于所述加载板的监测孔内且与所述加载板接触。

8.根据权利要求4所述的物理模拟方法，其特征在于，所述裂缝形态的描述包括：

利用工业CT机对水力压裂前后的试样进行多断面扫描，对压裂前后的裂缝形态进行描述；

对水力压裂后的压裂试样进行剖切，直接观测剖切后的试样并对裂缝形态进行描述；

根据声发射三维空间定位监测设备的记录数据对水力压裂过程中裂缝的产生与扩展进行分析，并通过与所述断面扫描和所述直接观测得到的结果进行对比对裂缝形态进行描述。

9.根据权利要求8所述的物理模拟方法，其特征在于，在对所述裂缝形态的描述步骤之后还包括将水力压裂过程中的模拟参数与现场参数进行对比验证的步骤，具体为：

将水力压裂物理模拟过程中的水力压裂泵压曲线与现场泵压曲线进行对比验证；

将直接观测水力压裂后剖切试样得到的裂缝描述和声发射三维空间定位监测设备的记录数据与现场微地震监测事件进行对比验证。

10.根据权利要求4所述的物理模拟方法，其特征在于，所述密封材料为环氧树脂。