CN107420096B - 水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其外井筒与内井筒通过螺纹连接，外井筒上设置至少三层割缝，内井筒上设置至少三层通孔。还涉及一种实验方法，确定内井筒的第一通孔层对准外井筒的第一割缝层，向内井筒注入压裂液，压裂液通过该层通孔和割缝打开岩层的第一层裂缝；使内井筒旋转移动，待内井筒的第二通孔层对准外井筒的第二割缝层后，继续向内井筒注入压裂液，压裂液通过该层通孔和割缝打开岩层的第二层裂缝；继续使内井筒旋转移动，待内井筒的第三通孔层对准外井筒的第三割缝层后，继续向内井筒注入压裂液，压裂液通过该层通孔和割缝打开岩层的第三层裂缝。本发明可实现在井口压力不泄压的情况下无限极地压裂岩层。

Description

水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法

技术领域

本发明属于油气田开发技术领域，具体涉及一种水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法。

背景技术

我国页岩油气、煤层气、致密油气等非常规油气藏分布广泛，远景储量巨大，高效开发此类油气藏是石油工业长期关注的焦点。非常规油气藏具有低孔低渗的特点，高效开发此类非常规油气藏需要大规模的水力压裂作业，旨在储层形成具有高导流能力的多条甚至网状裂缝，从而改善油气运移条件。

多级水力压裂是常用于水平井中的一种压裂完井方式，它能在同一储层中的不同位置形成多条水力裂缝，进而增加非常规油气藏油气泄油体积和减小油气运移的阻力。然而，多级水力裂缝之间的应力干扰以及多个裂缝之间的沟通情况关系到油田水力压裂施工的成功率和水力裂缝的有效率，直接影响后续油气藏的开采速率和经济效益。目前，国内外科研院所正在积极寻求表征多裂缝间相互作用的力学机理，通过室内物理模拟方法研究裂缝间的应力干扰，以及有效利用这种干扰形成复杂裂缝网络。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，包括外井筒和内井筒，所述外井筒的内表面上设置螺纹，所述内井筒的外表面上设置螺纹，所述内井筒设置在所述外井筒的内部，二者之间通过螺纹配合连接；该实验装置还包括电机和定位外壳，所述电机设置在所述定位外壳的内部，所述内井筒的一端与所述电机连接，所述外井筒的一端与所述定位外壳连接；所述外井筒上设置至少三层割缝，所述内井筒上设置至少三层通孔。

优选的是，所述外井筒的一端设置井口，所述外井筒的另一端设置凸台，所述凸台的外表面上设置螺纹。

在上述任一方案中优选的是，所述内井筒的内腔由圆形空心井筒和棱形空心井筒组成，所述圆形空心井筒与所述棱形空心井筒之间设置封闭端。

在上述任一方案中优选的是，所述圆形空心井筒的开口端与所述外井筒的井口连通。

在上述任一方案中优选的是，所述电机上设置电机轴，所述电机轴为棱形，所述电机轴与所述棱形空心井筒配合连接。

在上述任一方案中优选的是，所述定位外壳的底部设置两个对称的限位平台，所述定位外壳的连接部位设置螺纹，所述限位平台与所述连接部位之间形成收容腔。定位外壳既可以固定电机，又可以与外井筒螺纹连接，起到密封的作用。

在上述任一方案中优选的是，所述定位外壳的连接部位与所述外井筒一端的凸台螺纹连接。

在上述任一方案中优选的是，所述电机固定在所述定位外壳底部的两个限位平台之间。

在上述任一方案中优选的是，所述收容腔内安装遥控电路板和电池。遥控电路板可以实现电机的开启、关闭以及正反转功能。

在上述任一方案中优选的是，所述收容腔内容纳电机、电机轴和内井筒的棱形空心井筒部分。

在上述任一方案中优选的是，所述棱形空心井筒的长度为内井筒旋转移动的距离、电机轴与棱形空心井筒的最小配合长度、电机轴与棱形空心井筒封闭端的最小间隙三者之和。

电机轴与内井筒的棱形空心井筒部分配合以带动内井筒在外井筒内部旋转移动。电机轴的长度大于内井筒的最大移动距离，电机轴与棱形空心井筒的初始配合长度最短为2mm，以保证扭矩的传递，并且保证电机轴顶部与棱形空心井筒的封闭端至少有1mm的间隙。电机为小型低速转机，可以通过电机转动时间控制其转过的圈数，进而控制所打开的岩层的位置。电机的开启、关闭以及正反转都可以通过遥控远程控制，电机转动的时间可以通过计时器确定。

在上述任一方案中优选的是，所述外井筒上设置三层割缝，所述内井筒上设置三层通孔。通孔用于沟通内井筒的内部与外井筒的割缝，也即沟通内井筒的内部与地层。相邻两个割缝层之间的螺纹密封可用于模拟现场的封隔器或者可钻桥塞。

在上述任一方案中优选的是，所述三层割缝自凸台向井口方向依次布置，分别为第一割缝层、第二割缝层和第三割缝层；所述三层通孔自圆形空心井筒与棱形空心井筒之间的封闭端向圆形空心井筒的开口端方向依次布置，分别为第一通孔层、第二通孔层和第三通孔层。

在上述任一方案中优选的是，所述割缝的宽度（H）不小于0.5mm；所述通孔的高度（h）不小于0.5mm。即H≥0.5mm，h≥0.5mm。

在上述任一方案中优选的是，每层均设置两条割缝，两条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）大于等于90º且小于180º。即90º≤α＜180º。

在上述任一方案中优选的是，每层均设置三条割缝，三条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）大于等于60º且小于120º。即60º≤α＜120º。

在上述任一方案中优选的是，每层均设置四条割缝，四条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）大于等于45º且小于90º。即45º≤α＜90º。

在上述任一方案中优选的是，每层均设置两个通孔，两个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）大于等于90º且小于180º。即90º≤β＜180º。

在上述任一方案中优选的是，每层均设置三个通孔，三个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）大于等于60º且小于120º。即60º≤β＜120º。

在上述任一方案中优选的是，每层均设置四个通孔，四个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）大于等于45º且小于90º。即45º≤β＜90º。

在上述任一方案中优选的是，相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a≥0.1mm，b≥1，h≥0.5mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

在上述任一方案中优选的是，相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a≥0.1mm，b≥1，h≥0.5mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

本发明的技术方案需要密封，而密封是通过通孔与割缝之间的多圈螺纹实现的，因此在设计通孔与通孔之间、割缝与割缝之间、通孔与割缝之间的距离时需要考虑密封问题，以确保压裂某一层时其他层处于密封状态。

本发明的技术方案需要综合考虑外井筒上相邻割缝层之间的距离、同一割缝层中割缝所对应的圆心角的大小、内井筒上相邻通孔层之间的距离、同一通孔层中通孔所对应的圆心角的大小等各个参数，才能够实现依次打开不同的岩层裂缝。

本发明还提供一种水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验方法，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：根据实验要求，在外井筒上设置割缝，在内井筒上设置通孔；将外井筒、内井筒、电机和电机外壳组装在一起，形成水平井多级水力压裂的物理模拟实验装置；检查实验装置，确保密封良好；

步骤二：在外井筒的割缝内填充海绵；将实验装置固定在模具内，向模具内浇筑预先配制好的水泥浆料，待水泥浆料凝固后，从模具内取出混凝土试件，将其作为岩心试件；将外井筒一端的井口与压裂设备连接，即可启动模拟实验；

步骤三：通过遥控方式确定内井筒的初始位置，即内井筒的第一通孔层对准外井筒的第一割缝层；向内井筒内注入压裂液，压裂液通过该层通孔和该层割缝打开岩心试件的第一层裂缝；

步骤四：通过遥控方式开启电机，使内井筒向定位外壳的收容腔内旋转移动，待内井筒的第二通孔层对准外井筒的第二割缝层后，继续向内井筒内注入压裂液，压裂液通过该层通孔和该层割缝打开岩心试件的第二层裂缝；

步骤五：通过遥控方式开启电机，继续使内井筒向定位外壳的收容腔内旋转移动，待内井筒的第三通孔层对准外井筒的第三割缝层后，继续向内井筒内注入压裂液，压裂液通过该层通孔和该层割缝打开岩心试件的第三层裂缝。

优选的是，所述实验装置为上述任一种水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置。

本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法，是在真三轴水力压裂设备的基础上，设计一种能够进行水力压裂的双层井筒，可以通过遥控与内井筒连接的电机来控制内井筒在外井筒内旋转移动，进而沟通外井筒的割缝和内井筒上与割缝相对应的通孔，以实现打开不同的岩层。将外井筒固结在岩心内部，采用遥控方式控制电机带动内井筒运动到不同位置就可以压裂不同的岩层，这样即可实现在井口压力不泄压的情况下无限极地压裂岩层。

本发明中，外井筒的割缝形状可以根据实验所模拟的完井方式来设置，若模拟水平井射孔完井时，可以在割缝内填充纸片或者海绵片等液体很容易渗透的材料，并沿着外井筒径向延伸出去一定长度来模拟通孔效果。若模拟不同的通孔方式，可以通过改变割缝与外井筒顶面之间的夹角模拟螺旋射孔，可以通过改变割缝内填充物的角度模拟定向射孔。

与现有技术相比，本发明存在如下有益效果：（1）可以在井口不泄压的情况下实现多种形式的多级压裂；（2）打开不同岩层进行压裂的操作过程简单，只需通过遥控方式控制电机即可；（3）多级压裂只需在一个井筒内完成；（4）在室内实验条件下，能够更真实的模拟现场压裂情况，给现场施工提供更可靠的参考；（5）通过改变外井筒割缝的角度和形状可以模拟螺旋射孔、定向射孔以及裸眼完井后压裂的情形。

附图说明

图1为按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的一优选实施例的整体结构示意图；

图2为按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的剖面示意图；

图3为按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的外井筒结构示意图；

图4为按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的外井筒剖面示意图；

图5为按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的内井筒结构示意图；

图6为按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的内井筒剖面示意图；

图7为按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的电机结构示意图；

图8为按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的定位外壳结构示意图；

图9为按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的定位外壳剖面示意图；

图10为按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的定位外壳的另一剖面示意图；

图11为按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的图1所示实施例的岩心试件示意图。

图中标注说明：1-外井筒，2-内井筒，3-电机，4-定位外壳，5-割缝，6-通孔，7-井口，8-凸台，9-圆形空心井筒，10-棱形空心井筒，11-封闭端，12-开口端，13-电机轴，14-限位平台，15-连接部位，16-收容腔，17-岩心试件。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

如图1-11所示，按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置的一实施例，其包括外井筒1和内井筒2，所述外井筒1的内表面上设置螺纹，所述内井筒2的外表面上设置螺纹，所述内井筒2设置在所述外井筒1的内部，二者之间通过螺纹配合连接；该实验装置还包括电机3和定位外壳4，所述电机3设置在所述定位外壳4的内部，所述内井筒2的一端与所述电机3连接，所述外井筒1的一端与所述定位外壳4连接；所述外井筒1上设置三层割缝5，所述内井筒2上设置三层通孔6。通孔用于沟通内井筒的内部与外井筒的割缝，也即沟通内井筒的内部与地层。相邻两个割缝层之间的螺纹密封可用于模拟现场的封隔器或者可钻桥塞。

所述外井筒1的一端设置井口7，所述外井筒1的另一端设置凸台8，所述凸台8的外表面上设置螺纹。所述内井筒2的内腔由圆形空心井筒9和棱形空心井筒10组成，所述圆形空心井筒9与所述棱形空心井筒10之间设置封闭端11，所述圆形空心井筒9的开口端12与所述外井筒1的井口7连通。

所述电机3上设置电机轴13，所述电机轴13为棱形，所述电机轴13与所述棱形空心井筒10配合连接。所述定位外壳4的底部设置两个对称的限位平台14，所述定位外壳4的连接部位15设置螺纹，所述限位平台14与所述连接部位15之间形成收容腔16，定位外壳既可以固定电机，又可以与外井筒螺纹连接，起到密封的作用。所述定位外壳4的连接部位15与所述外井筒1一端的凸台8螺纹连接；所述电机3固定在所述定位外壳4底部的两个限位平台14之间。所述收容腔16内安装遥控电路板和电池，遥控电路板可以实现电机的开启、关闭以及正反转功能；所述收容腔16内容纳电机3、电机轴13和内井筒的棱形空心井筒10部分。所述棱形空心井筒的长度为内井筒旋转移动的距离、电机轴与棱形空心井筒的最小配合长度、电机轴与棱形空心井筒封闭端的最小间隙三者之和。

电机轴与内井筒的棱形空心井筒部分配合以带动内井筒在外井筒内部旋转移动。电机轴的长度大于内井筒的最大移动距离，电机轴与棱形空心井筒的初始配合长度最短为2mm，以保证扭矩的传递，并且保证电机轴顶部与棱形空心井筒的封闭端至少有1mm的间隙。电机为小型低速转机，可以通过电机转动时间控制其转过的圈数，进而控制所打开的岩层的位置。电机的开启、关闭以及正反转都可以通过遥控远程控制，电机转动的时间可以通过计时器确定。

所述三层割缝自凸台向井口方向依次布置，分别为第一割缝层、第二割缝层和第三割缝层；所述三层通孔自圆形空心井筒与棱形空心井筒之间的封闭端向圆形空心井筒的开口端方向依次布置，分别为第一通孔层、第二通孔层和第三通孔层。

所述割缝的宽度（H）为0.5mm，所述通孔的高度（h）为0.5mm，即H=0.5mm，h=0.5mm。

每层均设置两条割缝，两条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于90º，即α=90º。每层均设置两个通孔，两个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于100º，即β=100º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.1mm，b=1，h=0.5mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.1mm，b=1，h=0.5mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

本实施例的技术方案需要密封，而密封是通过通孔与割缝之间的多圈螺纹实现的，因此在设计通孔与通孔之间、割缝与割缝之间、通孔与割缝之间的距离时需要考虑密封问题，以确保压裂某一层时其他层处于密封状态。

本实施例还提供一种水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验方法，该实验方法使用了上述水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：根据实验要求，在外井筒1上设置割缝5，在内井筒1上设置通孔6；将外井筒1、内井筒2、电机3和电机外壳4组装在一起，形成水平井多级水力压裂的物理模拟实验装置；检查实验装置，确保密封良好；

步骤二：在外井筒1的割缝5内填充海绵；将实验装置固定在模具内，向模具内浇筑预先配制好的水泥浆料，待水泥浆料凝固后，从模具内取出混凝土试件，将其作为岩心试件17；将外井筒1一端的井口7与压裂设备连接，即可启动模拟实验；

步骤三：通过遥控方式确定内井筒2的初始位置，即内井筒2的第一通孔层对准外井筒1的第一割缝层；向内井筒2内注入压裂液，压裂液通过该层通孔和该层割缝打开岩心试件17的第一层裂缝；

步骤四：通过遥控方式开启电机3，使内井筒2向定位外壳4的收容腔16内旋转移动，待内井筒2的第二通孔层对准外井筒1的第二割缝层后，继续向内井筒2内注入压裂液，压裂液通过该层通孔和该层割缝打开岩心试件17的第二层裂缝；

步骤五：通过遥控方式开启电机3，继续使内井筒2向定位外壳4的收容腔16内旋转移动，待内井筒2的第三通孔层对准外井筒1的第三割缝层后，继续向内井筒2内注入压裂液，压裂液通过该层通孔和该层割缝打开岩心试件17的第三层裂缝。

本实施例的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法，是在真三轴水力压裂设备的基础上，设计一种能够进行水力压裂的双层井筒，可以通过遥控与内井筒连接的电机来控制内井筒在外井筒内旋转移动，进而沟通外井筒的割缝和内井筒上与割缝相对应的通孔，以实现打开不同的岩层。将外井筒固结在岩心内部，采用遥控方式控制电机带动内井筒运动到不同位置就可以压裂不同的岩层，这样即可实现在井口压力不泄压的情况下无限极地压裂岩层。

与现有技术相比，本实施例存在如下有益效果：（1）可以在井口不泄压的情况下实现多种形式的多级压裂；（2）打开不同岩层进行压裂的操作过程简单，只需通过遥控方式控制电机即可；（3）多级压裂只需在一个井筒内完成；（4）在室内实验条件下，能够更真实的模拟现场压裂情况，给现场施工提供更可靠的参考。

实施例二：

按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

所述割缝的宽度（H）为0.5mm，所述通孔的高度（h）为0.8mm，即H=0.5mm，h=0.8mm。

每层均设置两条割缝，两条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于120º，即α=120º。每层均设置两个通孔，两个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于120º，即β=120º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.2mm，b=2，h=0.8mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.2mm，b=2，h=0.8mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

实施例三：

按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

所述割缝的宽度（H）为0.5mm，所述通孔的高度（h）为0.5mm，即H=0.5mm，h=0.5mm。

每层均设置两条割缝，两条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于150º，即α=150º。每层均设置两个通孔，两个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于90º，即β=90º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.5mm，b=3，h=0.5mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.5mm，b=3，h=0.5mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

实施例四：

按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

所述割缝的宽度（H）为0.8mm，所述通孔的高度（h）为1.0mm，即H=0.8mm，h=1.0mm。

每层均设置两条割缝，两条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于90º，即α=90º。每层均设置两个通孔，两个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于150º，即β=150º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.1mm，b=4，h=1.0mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.1mm，b=4，h=1.0mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

实施例五：

按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

所述割缝的宽度（H）为0.5mm，所述通孔的高度（h）为0.5mm，即H=0.5mm，h=0.5mm。

每层均设置三条割缝，三条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于60º，即α=60º。每层均设置三个通孔，三个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于70º，即β=70º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.1mm，b=1，h=0.5mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.1mm，b=1，h=0.5mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

实施例六：

按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例二相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

所述割缝的宽度（H）为0.5mm，所述通孔的高度（h）为0.8mm，即H=0.5mm，h=0.8mm。

每层均设置三条割缝，三条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于90º，即α=90º。每层均设置三个通孔，三个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于120º，即β=120º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.2mm，b=2，h=0.8mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.2mm，b=2，h=0.8mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

实施例七：

按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例三相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

所述割缝的宽度（H）为0.5mm，所述通孔的高度（h）为0.5mm，即H=0.5mm，h=0.5mm。

每层均设置三条割缝，三条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于110º，即α=110º。每层均设置三个通孔，三个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于60º，即β=60º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.5mm，b=3，h=0.5mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.5mm，b=3，h=0.5mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

实施例八：

按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例四相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

所述割缝的宽度（H）为0.8mm，所述通孔的高度（h）为1.0mm，即H=0.8mm，h=1.0mm。

每层均设置三条割缝，三条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于60º，即α=60º。每层均设置三个通孔，三个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于110º，即β=110º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.1mm，b=4，h=1.0mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.1mm，b=4，h=1.0mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

实施例九：

按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

所述割缝的宽度（H）为0.5mm，所述通孔的高度（h）为0.5mm，即H=0.5mm，h=0.5mm。

每层均设置四条割缝，四条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于45º，即α=45º。每层均设置四个通孔，四个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于50º，即β=50º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.1mm，b=1，h=0.5mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.1mm，b=1，h=0.5mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

实施例十：

按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例二相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

所述割缝的宽度（H）为0.5mm，所述通孔的高度（h）为0.8mm，即H=0.5mm，h=0.8mm。

每层均设置四条割缝，四条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于60º，即α=60º。每层均设置四个通孔，四个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于60º，即β=60º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.2mm，b=2，h=0.8mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.2mm，b=2，h=0.8mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

实施例十一：

按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例三相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

所述割缝的宽度（H）为0.5mm，所述通孔的高度（h）为0.5mm，即H=0.5mm，h=0.5mm。

每层均设置四条割缝，四条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于80º，即α=80º。每层均设置四个通孔，四个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于45º，即β=45º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.5mm，b=3，h=0.5mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.5mm，b=3，h=0.5mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

实施例十二：

按照本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法的另一实施例，其各部件之间的连接关系、工作原理、有益效果等均与实施例四相同，不同的是各个参数之间的合理设计，具体如下：

所述割缝的宽度（H）为0.8mm，所述通孔的高度（h）为1.0mm，即H=0.8mm，h=1.0mm。

每层均设置四条割缝，四条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角（α）等于45º，即α=45º。每层均设置四个通孔，四个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角（β）等于80º，即β=80º。

相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a=0.1mm，b=4，h=1.0mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

相邻两个通孔层之间的距离L´=L+ab，其中，L≥2ab+h，a=0.1mm，b=4，h=1.0mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

本领域技术人员不难理解，本发明的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置及其方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，包括外井筒和内井筒，所述外井筒的内表面上设置螺纹，所述内井筒的外表面上设置螺纹，所述内井筒设置在所述外井筒的内部，二者之间通过螺纹配合连接，其特征在于：还包括电机和定位外壳，所述电机设置在所述定位外壳的内部，所述内井筒的一端与所述电机连接，所述外井筒的一端与所述定位外壳连接；所述外井筒上设置至少三层割缝，所述内井筒上设置至少三层通孔，外井筒的一端设置井口，所述外井筒的另一端设置凸台，所述凸台的外表面上设置螺纹，内井筒的内腔由圆形空心井筒和棱形空心井筒组成，所述圆形空心井筒与所述棱形空心井筒之间设置封闭端，所述圆形空心井筒的开口端与所述外井筒的井口连通，所述电机上设置电机轴，所述电机轴为棱形，所述电机轴与所述棱形空心井筒配合连接，所述棱形空心井筒的长度为内井筒旋转移动的距离、电机轴与棱形空心井筒的最小配合长度、电机轴与棱形空心井筒封闭端的最小间隙三者之和。

2.如权利要求1所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：所述定位外壳的底部设置两个对称的限位平台，所述定位外壳的连接部位设置螺纹，所述限位平台与所述连接部位之间形成收容腔。

3.如权利要求2所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：所述定位外壳的连接部位与所述外井筒一端的凸台螺纹连接。

4.如权利要求2所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：所述电机固定在所述定位外壳底部的两个限位平台之间。

5.如权利要求2所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：所述收容腔内安装遥控电路板和电池。

6.如权利要求5所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：所述收容腔内容纳电机、电机轴和内井筒的棱形空心井筒部分。

7.如权利要求1所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：所述外井筒上设置三层割缝，所述内井筒上设置三层通孔。

8.如权利要求7所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：所述三层割缝自凸台向井口方向依次布置，分别为第一割缝层、第二割缝层和第三割缝层；所述三层通孔自圆形空心井筒与棱形空心井筒之间的封闭端向圆形空心井筒的开口端方向依次布置，分别为第一通孔层、第二通孔层和第三通孔层。

9.如权利要求8所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：所述割缝的宽度不小于0.5mm；所述通孔的高度不小于0.5mm。

10.如权利要求9所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：每层均设置两条割缝，两条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角大于等于90°且小于180°。

11.如权利要求10所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：每层均设置三条割缝，三条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角大于等于60°且小于120°。

12.如权利要求10所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：每层均设置四条割缝，四条割缝均布在割缝层上；所述割缝形成的圆弧所对应的圆心角大于等于45°且小于90°。

13.如权利要求10所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：每层均设置两个通孔，两个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角大于等于90°且小于180°。

14.如权利要求10所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：每层均设置三个通孔，三个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角大于等于60°且小于120°。

15.如权利要求10所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：每层均设置四个通孔，四个通孔均布在通孔层上；所述通孔形成的圆弧所对应的圆心角大于等于45°且小于90°。

16.如权利要求10所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：相邻两个割缝层之间的距离L≥2ab+h，其中，a≥0.1mm，b≥1，h≥0.5mm，式中，a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

17.如权利要求10所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，其特征在于：相邻两个通孔层之间的距离L′＝L+ab，其中，L≥2ab+h，a≥0.1mm，b≥1，h≥0.5mm，式中，L为相邻两个割缝层之间的距离，mm；a为螺距，mm；b为密封所需的螺纹圈数；h为通孔的高度，mm。

18.一种水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验方法，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：根据实验要求，在外井筒上设置割缝，在内井筒上设置通孔；将外井筒、内井筒、电机和电机外壳组装在一起，形成水平井多级水力压裂的物理模拟实验装置；所述实验装置为权利要求1-17中任一项所述的水平井多级水力逐层压裂的物理模拟实验装置，检查实验装置，确保密封良好；

步骤二：在外井筒的割缝内填充海绵；将实验装置固定在模具内，向模具内浇筑预先配制好的水泥浆料，待水泥浆料凝固后，从模具内取出混凝土试件，将其作为岩心试件；将外井筒一端的井口与压裂设备连接，即能够启动模拟实验；

步骤三：通过遥控方式确定内井筒的初始位置，即内井筒的第一通孔层对准外井筒的第一割缝层；向内井筒内注入压裂液，压裂液通过该层通孔和该层割缝打开岩心试件的第一层裂缝；

步骤四：通过遥控方式开启电机，使内井筒向定位外壳的收容腔内旋转移动，待内井筒的第二通孔层对准外井筒的第二割缝层后，继续向内井筒内注入压裂液，压裂液通过该层通孔和该层割缝打开岩心试件的第二层裂缝；

步骤五：通过遥控方式开启电机，继续使内井筒向定位外壳的收容腔内旋转移动，待内井筒的第三通孔层对准外井筒的第三割缝层后，继续向内井筒内注入压裂液，压裂液通过该层通孔和该层割缝打开岩心试件的第三层裂缝。

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