CN108680339A - 一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置及其工作方法，包括通过压裂总管线连接成循环回路的可视化裂缝模拟平板、压裂液泵、压裂液罐，以及通过支管线连入压裂液罐的出料口和压裂液泵之间的压裂总管线的混砂液罐，裂缝模拟平板外部为长方体容器，内部由两块平板分隔形成三层，平板之间为模拟压裂裂缝，平板与长方体容器的器壁之间为储层模拟空间，平板的外表面上具有应力模拟驱动装置，平板的壁面上具有多个滤失孔眼，长方体容器的出液口位于储层模拟空间的底部并于压裂液罐的循环进料口连接；井筒的一端与压裂总管线连接，另一端位于压裂裂缝内部，表面分布射孔孔眼。该装置完善了滤失功能，实现裂缝闭合与重新开启，提高实验结果的准确性。

Description

一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种模拟可视化裂缝装置，属于油气田开发技术领域。

背景技术

水力压裂是一种非常复杂的油气井增产改造工艺。水力压裂增产原理为，利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的排量将压裂液泵入井内，在井底憋起高压。当泵注压力克服井壁附近地应力达到岩石抗张强度后，会在井底产生裂缝；接着泵入压裂液与支撑剂的混合液，利用支撑剂的支撑作用防止裂缝完全闭合，在地层中形成具有导流能力的一定长度的填砂裂缝，提供储层流体渗流通道。压裂用支撑剂通常为粒径为0.1～1.5mm的石英砂或陶粒颗粒。若该渗流通道能形成远高于储层渗流能力的高导流能力是增产的关键。而裂缝的导流能力取决于支撑剂粒径、密度等物理性质以及支撑剂在裂缝中形成的充填形态(砂堤)。因为如果裂缝中无支撑剂充填，在储层闭合应力的作用下裂缝将快速闭合成为无效裂缝，所以支撑剂在裂缝内的沉降速度及最终的铺置状态对压裂增产效果影响较大。

专利号为ZL201210038946.8的发明专利中提出了一种模拟支撑剂在裂缝中铺置的实验装置，考虑了在不同裂缝宽度、裂缝壁面系数、砂比、裂缝内摩阻等方面下支撑剂在人工裂缝中的铺置情况。但未给出裂缝闭合后支撑剂在裂缝壁面的嵌入及挤压破碎与裂缝失效情况的模拟。而实际石油开采中，往往会遇到初始压裂无效或失效而需要重复进行压裂的情况，需要针对同一储层进行再次或者2次以上的压裂，以期在因储层初始应力状态改变而可能诱导产生新的裂缝，从而提高生产能力。另外，实际操作中不可避免存在部分压裂液透过裂缝渗透到储层，而支撑剂则在裂缝中运移和沉降，但该文件中携砂液由混砂液罐泵入裂缝，再由裂缝回到混砂液罐形成循环回路，这种循环回路与实际压裂施工情况不一致，而且存在支撑剂离开裂缝返回到混砂液罐的情况，其测定模拟的支撑剂在储层中的铺置规律与实际有出入。

发明内容

针对现有技术不能模拟重复压裂、实验结果不够准确，本发明提供一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置及其工作方法。

本发明的技术方案：(以下内容同权利要求)

一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置，其特征在于包括可视化裂缝模拟平板、压裂液泵、压裂液罐和混砂液罐，压裂液罐的出料口、压裂液泵、可视化裂缝模拟平板以及压裂罐的循环进料口通过压裂总管线连接成循环回路，所述混砂液罐通过支管线连入所述压裂总管线，所述支管线的一端连接混砂液罐的出料口，另一端连入所述压裂液罐的出料口和压裂液泵之间的压裂总管线；

所述可视化裂缝模拟平板的外部为透明的长方体容器，内部由两块透明的平板分隔形成三层，至少一块所述平板的壁面上具有多个滤失孔眼，其中平板之间为模拟压裂裂缝，具有滤失孔眼的所述平板与所述长方体容器的器壁之间为储层模拟空间，长方体容器的出液口位于储层模拟空间的底部并与所述压裂液罐的循环进料口连接，所述平板的外表面上具有应力模拟驱动装置；

还包括进料的井筒，所述井筒一端通过所述压裂总管线连接于所述压裂液泵，另一端位于所述压裂裂缝内部，所述井筒在裂缝内部的表面分布射孔孔眼。

所述长方体容器的出液口与所述压裂液罐的循环进料口之间的所述压裂总管线上具有排液泵。

所述压裂液罐和混砂液罐的出料口分别具有开关。

所述滤失孔眼具有孔眼开关，所述滤失孔眼可开合的个数为0～16个/cm²，孔径为0～1.2mm。

所述井筒为垂直或水平，每个所述射孔孔眼直径为1-20mm，孔眼相位为0-180°，孔眼密度为8-96个/m。

包括应力传感器，位于所述壁面的外表面上。

所述应力模拟驱动装置为多个，均匀分布在所述平板的壁面的外表面的底部。

至少一块所述平板的壁面包括模拟岩性储层的人工裂缝壁面，所述人工裂缝壁面叠加在所述平板的壁面的内表面。

一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置的工作方法，其特征在于采用上述的装置，根据段塞式压裂工艺，包括以下步骤：

(1)按现场施工中裂缝的三维尺寸，计算实验所需压裂液粘度、支撑剂量、压裂液体积、混砂液体积、实验排量、射孔孔眼数量和段塞时间，并设计段塞式压裂工艺的压裂泵注程序；

(2)根据步骤(1)所计算出的所需支撑剂量、压裂液体积，准备压裂材料，配置压裂液以及混砂液，将作为前置液的压裂液和作为支撑剂段塞的混砂液分别倒入压裂液罐和混砂液罐中，混砂液和作为顶替液的压裂液备用；

(3)根据实际压裂储层滤失系数，计算并设置滤失孔眼直径与数量，安装平板与井筒，启动应力模拟驱动装置闭合裂缝；

(4)根据所述压裂泵注程序，依次泵入前置液-混砂液-顶替液，其中所述前置液的泵注程序按照前置液-支撑剂段塞-前置液或者继续支撑剂段塞-前置液；

(5)首先启动压裂液泵、打开压裂液罐，自所述井筒向裂缝内泵入一部分前置液，当裂缝内压力达到所述应力模拟驱动装置施加的作用力的限定值时，所述裂缝的壁面在压力作用下向两侧移动，裂缝开启，当所需量的前置液完毕后，关闭压裂液罐，打开混砂液罐，将所需量的支撑剂段塞泵入裂缝，关闭混砂液罐，再打开压裂液罐，继续泵注一部分前置液后关闭压裂液罐，或者循环支撑剂段塞-前置液直到所有的前置液泵注完毕；

(6)分别将混砂液和顶替液倒入混砂液罐和压裂液罐，首先打开混砂液罐，将混砂液泵入裂缝，混砂液泵注完毕后，再打开压裂液罐，泵入顶替液后，所述顶替液将井筒中残留的混砂液泵入裂缝中，关闭压裂液罐和压裂液泵，完成一个完整的压裂施工过程；

(7)随着压裂液流入裂缝，液体不断滤失到长方体容器的储层模拟空间内，当液面高度达到所述长方体容器高度的50～80％时，打开长方体容器的出液口和排液泵，排出滤失液至所述压裂液罐；

(8)跟踪支撑剂在裂缝中的运移轨迹，计算支撑剂的垂直沉降速度及水平运移速度，记录在可视化裂缝中支撑剂运动规律与沉降所形成的砂堤的形态；

(9)改变步骤(1)中的实验参数重复上述步骤，研究段塞式压裂工艺的支撑剂运移与铺置规律。

一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置的工作方法，采用上述的装置，根据间歇式压裂工艺，包括以下步骤：

(1)按现场施工中裂缝的三维尺寸，计算实验所需压裂液粘度、支撑剂量、压裂液体积、混砂液体积、实验排量和射孔孔眼数量，并设计间歇式压裂工艺的压裂泵注程序；

(2)根据步骤(1)所计算出的所需支撑剂量、压裂液体积，准备压裂材料，配置压裂液与混砂液，将作为前置液的压裂液以及混砂液分别倒入压裂液罐和混砂液罐中，将作为顶替液的压裂液备用；

(3)根据实际压裂储层滤失系数，计算并设置放射孔眼和滤失孔眼直径与数量，安装平板壁面与井筒，启动应力模拟驱动装置闭合裂缝；

(4)根据压裂泵注程序，按照间歇式工艺的过程依次泵入前置液-混砂液-顶替液，首先启动压裂液泵、打开压裂液罐，自所述井筒向裂缝内泵入前置液，当裂缝内压力达到所述应力模拟驱动装置施加的作用力的限定值时，所述裂缝壁面在压力作用下向两侧移动，裂缝开启；

(5)当前置液泵注完毕后，关闭压裂液罐，打开混砂液罐，将混砂液泵入所述裂缝；

(6)当混砂液泵注完毕后，关闭混砂液罐，将作为顶替液的压裂液倒入压裂液罐，打开压裂液罐，向所述裂缝中继续泵入顶替液，所述顶替液将井筒中残留的混砂液泵入裂缝中，关闭压裂液罐和压裂液泵；

(7)随着压裂液流入裂缝，液体不断滤失到长方体容器的储层模拟空间内，当液面高度达到所述长方体容器高度的50～80％时，打开长方体容器的出液口和排液泵，排出滤失液至所述压裂液罐；

(8)任支撑剂在裂缝中自由沉降，跟踪支撑剂在人工裂缝中的运移轨迹，计算支撑剂的垂直沉降速度及水平运移速度，记录在可视化裂缝中支撑剂运动规律与沉降所形成的砂堤的形态；

(9)裂缝在应力模拟驱动装置作用下逐渐闭合，当裂缝完全闭合后，关闭所述长方体容器的出液口和排液泵；

(10)当所述压裂液泵停止10-30min后，重新启动试验仪器，重复前置液-混砂液-顶替液的泵注程序，完成一个完整的压裂施工过程；

(11)改变步骤(1)中的实验参数，重复步骤(1)-(10)，研究间歇式压裂工艺的支撑剂运移与铺置规律。

本发明的有益技术效果：

本发明的一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置，改进了可视化裂缝模拟平板的结构，在平板的壁面的外表面上设置了应力模拟驱动装置作用于平板使裂缝闭合，模拟储层闭合应力；同时完善了裂缝的滤失功能，平板的外部增设了长方体容器容纳平板，储层模拟空间收集裂缝壁面的滤失液体模拟储层。模拟时，在应力模拟驱动装置的作用下平板相向运动直到裂缝闭合，随着压裂液或混砂液从压裂液罐/混砂液罐泵入进料的井筒中，再从井筒表面的放射孔眼泵入裂缝内时，裂缝内压力逐渐增大，直到达到应力模拟驱动装置的闭合应力的限定值时裂缝开启。部分压裂液会穿过滤失孔眼滤失、流入并存储在储层模拟空间内，需要时打开出液口，滤失液排出至压裂液罐内；而支撑剂和另一部分压裂液则停留在裂缝内运移和沉降。当停止泵入压裂液和混砂液，裂缝内压力降低，平板则在闭合应力作用下逐渐相向运动，裂缝重新闭合。

1、通过应力模拟驱动装置实现裂缝的闭合与重新开启，从而能够模拟支撑剂在裂缝壁面的嵌入情况与破碎规律，有利于评价支撑剂材料的性能，对重复压裂机理及重复压裂支撑剂铺置规律的研究具有一定的指导意义。

2、通过长方体容器以及压裂液罐和混砂液罐优化了滤失过程，形成了由压裂液罐/混砂液罐-压裂液泵-井筒-裂缝-储层模拟空间-压裂液罐的循环回路，使模拟实验更加贴近压裂现场施工过程，极大的提高了模拟实验结果的准确性。另外压裂液罐可以存储前置液和顶替液，混砂液罐可以用于存储混砂液或低砂比的支撑剂段塞或另一种压裂液，从而满足不同工艺中压裂液和混砂液的存放要求，有利于脉冲式压裂工艺、混合压裂液压裂工艺、段塞式压裂工艺以及间歇式压裂工艺的探索与研发。

注：脉冲压裂工艺，即交替注入纯压裂液与混砂液，交替时间0～5min的一种压裂工艺。混合压裂液压裂工艺：即一次压裂施工中多次更换压裂液类型，充分发挥不同性质的液体作用的一种压裂工艺。段塞式压裂工艺：在压裂过程中，遵循前置液—混砂液—顶替液的基本压裂泵注过程的基础上，在前置液阶段加入1个或多个支撑剂段塞打磨裂缝壁面与测试储层性质，所述的支撑剂段塞即体积分数为1～10％的支撑剂与前置液组成的低砂比混砂液；整个压裂过程可概括为：首先泵入压裂液作为前置液，然后加入支撑剂段塞，紧随一段前置液进行中顶，根据需要循环多次段塞-中顶的过程，随后泵入混砂液与顶替液，完成一个完整的压裂施工过程。间歇式压裂工艺，压裂过程泵注程序为前置液-混砂液-顶替液，停泵，前置液-混砂液-顶替液，停泵，循环该过程2～n次。

优选的，在连接长方体容器的出液口与压裂液罐的循环进料口的压裂总管线上具有排液泵，有利于及时将滤失液体排出，防止可视化裂缝平板中的积液过多而引起缝内高压，导致平板变形和不利于装置密封。

通过压裂液罐和混砂液罐各自的出料口的开关来改变泵入裂缝的压裂液类型。

优选的，通过孔眼开关调整滤失孔眼大小和数量从而调节裂缝滤失系数，优选的滤失孔眼的个数为0～16个/cm²，孔径为0～1.2mm。

优选的，所述的井筒类型为垂直井筒或水平井筒，表面均匀或分簇分布射孔孔眼，孔眼直径1～20mm，孔眼相位0～180°，孔眼密度8～96个/m，并可通过旋转开关的方式来调节井筒孔眼数量和孔眼尺寸。

优选的，所述平板的壁面的外表面安装应力传感器，从而测试压裂过程中壁面任意一点处的应力变化。

优选的，所述应力模拟驱动装置，均匀分布在平板的壁面上。

优选的，至少一块所述平板的壁面为模拟岩性储层的人工裂缝壁面，用于模拟不同岩性储层壁面对支撑剂运动规律的影响。

所述长方体容器的外表面绘制了标准的网格和刻度，利于观察内部滤失液的情况以及支撑剂分布情况。最小刻度0.1～10mm；长度1～1000cm，宽度0.1～20cm，高度1～100cm。所述平板组件与上盖之间用密封条和螺柱密封。

附图说明

图1是本发明的实施例的一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置的整体结构示意图；

图2是本发明的实施例的可视化裂缝模拟平板的俯视图；

附图标记：1-压裂液罐；21-压裂液搅拌机；22-混砂液搅拌机；3-混砂液罐；41-压裂液罐开关；42-混砂液罐开关；51-压裂液泵；52-排液泵；6-长方体容器；7-储层模拟空间；8-壁面卡槽；9-应力模拟驱动装置；10-滤失孔眼；11-孔眼开关；12-井筒；131-压裂总管线；132-支管线；14-平板；15-压裂裂缝；16-可视化裂缝模拟平板；17-循环进料口；18-出液口。

具体实施方式

为了充分公开本发明的内容，下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做详细的说明。

以下实施例中所选用的井筒12为垂直井筒，井筒12半径可以为0.1～15cm，本实施例为3cm，井筒12的表面分簇射孔孔眼，孔眼直径1～20mm，孔眼密度16～48个/m，孔眼相位0～90°，孔眼相位代表两个孔眼间的角度，由于本实施例使用的是螺旋射孔，因此存在孔眼相位为0°的情况。所用支撑剂为陶粒支撑剂，粒径20～100目。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置包括压裂液罐1、混砂液罐3、压裂液泵51、可视化裂缝模拟平板16以及排液泵52。其中，压裂液罐1的出料口、压裂液泵51、可视化裂缝模拟平板16以及排液泵52、压裂液罐的循环进料口17通过压裂总管线131连接形成循环回路，混砂液罐3的出料口通过支管线132与位于压裂液泵51与压裂液罐1的出料口之间的压裂总管线131连接。压裂液罐1和混砂液罐3通过三通接头分别与压裂液泵1连接。整个装置的循环回路为压裂液罐1/混砂液罐3-压裂液泵51-井筒12-压裂裂缝15-出液口18-排液泵52-压裂液罐1，与实际模拟过程中的循环回路相似，使得模拟测试结果更准确。

如图2所示，所述可视化裂缝模拟平板16的外部为透明的长方体容器6，所述长方体容器6为透明的空心的，内部具有两块透明的平板14，两块平板14的壁面面对面平行设置形成二者之间的压裂裂缝15，用于模拟支撑剂在裂缝中的嵌入情况，仅在一块平板14的壁面上具有多个滤失孔眼10，这块平板14与长方体容器6之间为储层模拟空间7，模拟储层，在一侧设置滤失孔眼是为了方便在未设置滤失孔眼10的这侧平板14观察实验；当然，也可以在两块平板14上均设置滤失孔眼10，那么压裂液会通过两块平板14上的滤失孔眼10向两侧滤失，则两块平板14分别与对应的长方体容器6的壁面之间形成储层模拟空间7，所述储层模拟空间7的底部具有出液口18，所述出液口18与所述压裂液罐1的循环进料口17连接。还包括进料的井筒12，所述井筒12垂直分布，一端与连接所述压裂液泵51的压裂总管线51连接，另一端位于所述压裂裂缝15内部，所述井筒12位于所述压裂裂缝15内的表面分布射孔孔眼。

如图2所示，每块平板14的外表面上具有多个应力模拟驱动装置9模拟储层闭合应力，分别作用于所述平板14。在每块平板14的壁面的外表面上安装有应力传感器，测试压裂过程中平板14的壁面任意一点处的应力变化。开启应力模拟驱动装置9，当压裂裂缝15内压力低于应力模拟驱动装置9的闭合应力的限定值时，平板14在应力模拟驱动装置9的作用下彼此靠拢至裂缝宽度为0，此时压裂裂缝15闭合；随着泵入压裂液，当裂缝内压力达到闭合应力的限定值时，压裂裂缝15重新开启。因而上述装置能够模拟重复压裂情况下支撑剂铺置规律和支撑剂在裂缝壁面嵌入与破碎情况。

如图1所示，所述压裂液罐1与混砂液罐3的结构相同，中心分别安装压裂液搅拌机21和混砂液搅拌机22，内壁面设置测位仪实时观察罐内的液面位置，所述罐体顶部设置填料口，采用螺纹密封；侧面设置出料口，所述压裂液罐1与混砂液罐3侧面的出料口处具有压裂液罐开关41和混砂液罐开关42，通过两个开关的关闭改变泵入压裂裂缝15中的压裂液类型。压裂液罐1的侧面具有循环进料口17，与连接排液泵52的压裂总管线131连接，在必要时，压裂液罐1接收滤失液体。当滤失液体的液面达到长方体容器6的一定高度时，开启排液泵52，滤失液体自长方体容器6的出液口18经循环进料口17泵入压裂液罐1，及时排出容器中收集的滤失液体，防止可视化裂缝平板16中的储层模拟空间7内的积液过多而引起缝内高压，导致平板变形和不利于装置密封。

所述滤失孔眼10可通过孔眼开关11调整孔眼大小或关闭孔眼，从而调节裂缝滤失系数。本实施例中，所述滤失孔眼10的个数为0～16个/cm²，孔径为0.1～1.2mm，小于混砂液中的支撑剂的粒径，避免支撑剂通过滤失孔眼10流出缝隙。并且长方体容器6的出液口18不与压裂裂缝15直接连通，位于储层模拟空间7的底端，使得支撑剂仅在压裂裂缝15内运移和沉降，出液口18仅流出压裂液，模拟工况中的情况与实际压力工况相同，使模拟结果更准确。

所述长方体容器6的材质选用透明的、具有一定强度的刚性材料；长度为800cm，宽度15cm，高度80cm。表面绘制标准的网格并标注刻度，最小刻度10mm。所述平板14的长度和高度与长方体容器6基本相同，所述平板14与上盖之间用密封条与螺柱密封。所述平板14的壁面厚度可以为1～8cm，本实施例为5cm。平板14的材质选用相对塑软的、具有一定强度的、透明的材料，使能够模拟支撑剂在壁面的嵌入作用，并且不受井筒12的影响闭合。

混砂液罐3和压裂液罐1的直径40cm，高度80cm，侧面设置的出料口位置距罐底20cm，压裂液罐1的循环进料口17位置高于出料口40cm。所述的压裂液泵液泵51和排液泵52的扬程0～100MPa；这两个泵的出口处均安装电磁流量计，控制泵流量。

实施例2

本实施的结构与实施1不同在于壁面，本实施例的壁面包括模拟真实岩层的人工制作的壁面，用于模拟真实岩性储层壁面对支撑剂运动规律的影响。在具有滤失孔眼10的平板14的两端设置有壁面卡槽8，用于安装人工制作的裂缝壁面。

实施例3

采用实施例2中的一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置的工作方法，根据段塞式压裂工艺，包括步骤如下：

(1)根据相似原理，按现场施工中裂缝的三维尺寸，计算实验所需压裂液粘度20mPa·s、支撑剂量0.15m³、压裂液体积2.1m³、实验排量0.05～0.06m³/min和射孔孔眼数量16个/m，以及段塞时间4.2min，并设计段塞式压裂泵注程序，如表1所示；

(2)根据步骤(1)所计算出的所需支撑剂量、压裂液体积准备活性水压裂液和30/50以及20/40陶瓷支撑剂并配置压裂液与混砂液，将作为前置液的压裂液和作为支撑剂段塞的混砂液分别倒入压裂液罐1和混砂液罐3内，其中作为支撑剂段塞的混砂液中的压裂液与前置液的压裂液相同，支撑剂占前置液的体积分数为5％；

(3)安装实验井筒12与平板14和人工岩性壁面，开启应力模拟驱动装置9使压裂裂缝15闭合，根据实际压裂储层的滤失系数计算滤失孔眼直径0.5mm，数量为1个/cm²，并对应的孔眼开关11；

(4)按照图1所示，连接压裂总管线131和支管线132与压裂液罐1、压裂液泵51、可视化裂缝模拟平板16、排液泵52以及混砂液罐3，形成循环回路；

(5)根据表1的具体参数，依次泵入前置液-混砂液-顶替液，其中所述前置液的泵注中按照前置液-支撑剂段塞-前置液-支撑剂段塞-前置液的程序，启动压裂液搅拌机21、电磁流量计、应力传感器，启动压裂液泵51；

(6)打开压裂液罐开关41，使作为前置液的压裂液流入可视化裂缝模拟平板16的压裂裂缝15内，逐渐调节压裂液泵51的泵压与排量，当压裂裂缝15内压力达到所述应力模拟驱动装置9施加的作用力的限定值时，压裂裂缝15开启，当0.50m³前置液完毕后，关闭压裂液罐开关41，打开混砂液罐开关42，将0.10m³的低砂比的混砂液作为前置液的支撑剂段塞泵入裂缝，关闭混砂液罐开关42，再打开压裂液罐开关41，继续泵注0.15m³前置液中顶后关闭压裂液罐1，继续循环1次泵入支撑剂段塞-前置液后关闭压裂液罐1；

(7)分别将顶替液和混砂液倒入压裂液罐1和混砂液罐3，然后打开混砂液罐3，将5中不同砂比的混砂液依次泵入压裂裂缝15，混砂液泵注完毕后，再打开压裂液罐1，泵入0.05m³顶替液，所述顶替液将井筒12中的混砂液泵入裂缝，关闭压裂液罐1和压裂液泵51，完成一个完整的压裂施工过程；

(8)随着压裂液流入压裂裂缝15，液体不断滤失到长方体容器6的储层模拟空间7内，当液面高度达到长方体容器6的高度的50～80％时，开启出液口18和排液泵52排出多余液体至压裂液罐1，并调节排液泵52的排量至接近液体滤失速度；

(9)跟踪支撑剂在人工裂缝中的运移轨迹，计算支撑剂的垂直沉降速度及水平运移速度，用高速摄像机记录在可视化裂缝中支撑剂运动规律与沉降所形成的砂堤的形态；

(10)重复上述步骤，通过改变压裂液粘度、支撑剂粒径、砂比、排量、段塞时间等实验参数，研究段塞式压裂工艺的支撑剂运移与铺置规律；

(11)关闭实验设备，整理实验仪器，记录实验数据，清洗可视化裂缝装置，清理打扫实验室。

表1.段塞式压裂泵注程序

实施例4

采用实施例2中的一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置的工作方法，根据间歇式压裂工艺，包括步骤如下：

(1)根据相似原理，按现场施工中裂缝的三维尺寸，计算实验所需压裂液粘度20mPa·s、支撑剂量0.3m³、压裂液体积4.5m³、实验排量0.05～0.06m³/min和射孔孔眼数量16个/m，并设计间歇式压裂液工艺的压裂泵注程序，如表2所示；

(2)根据步骤(1)所计算出的所需支撑剂量、压裂液体积，准备胍胶压裂液和30/50以及20/40陶瓷支撑剂，配置压裂液与混砂液，将作为前置液的压裂液以及混砂液分别倒入压裂液罐1和混砂液罐3中，将作为顶替液的压裂液备用；

(3)安装井筒12与平板14和人工岩性壁面，启动应力模拟驱动装置9使压裂裂缝15闭合，根据实际压裂储层的滤失系数计算滤失孔眼10的直径0.5mm，数量为1个/cm²，并对应的调整孔眼开关11；

(4)连接压总裂管线131和支管线132与压裂液罐1、压裂液泵51、可视化裂缝模拟平板16、排液泵52以及混砂液罐3，形成循环回路；

(5)启动压裂液搅拌机21、电磁流量计、应力传感器，启动压裂液泵51；

(6)根据表2的具体参数，按照间歇式工艺的过程依次泵注前置液、混砂液与顶替液，首先打开压裂液罐开关41，自所述井筒12向裂缝15内泵入压裂液作为前置液；

(7)逐渐调节压裂液泵51泵压与排量，当压裂裂缝15内压力达到所述应力模拟驱动装置9施加的作用力的限定值时，压裂裂缝15顺利开启；

(8)当1.5m³前置液泵注完毕后，关闭压裂液罐开关41，打开混砂液搅拌机22以及混砂液罐开关42，将5种不同砂比、不同量的混砂液泵入压裂裂缝15；

(9)当混砂液泵注完毕后，关闭混砂液罐3，将作为顶替液的0.05m³压裂液倒入压裂液罐1，打开压裂液罐开关41，向所述压裂裂缝15中继续泵入顶替液，将井筒12中残留的混砂液泵入裂缝15中后关闭压裂液罐1，关闭压裂液泵51；

(10)随着压裂液流入压裂裂缝15，液体不断滤失到长方体容器6的储层模拟空间7内，当液面高度达到长方体容器6的高度的50～80％时，开启压裂排液泵52排出多余液体至压裂液罐1，并调节泵排量至接近液体滤失速度；

(11)任支撑剂在裂缝中自由沉降，跟踪支撑剂在压裂裂缝15中的运移轨迹，计算支撑剂的垂直沉降速度及水平运移速度，用高速摄像机记录在压裂裂缝15中支撑剂运动规律与沉降所形成的砂堤的形态；

(12)压裂裂缝15在应力模拟驱动装置9的闭合应力作用下逐渐闭合，当压裂裂缝15完全闭合后，关闭长方体容器6的出液口18和排液泵52；

(13)具体参数如表2所示，压裂液泵51停止15min后重新启动实验仪器，通过改变砂比循环前置液-混砂液-顶替液泵注过程两次，完成一个完整的压裂施工过程；

(14)然后改变压裂液粘度、支撑剂粒径、排量、停泵时机、间歇时间等实验参数重复上，研究间歇式压裂工艺的支撑剂运移与铺置规律；

(15)关闭实验设备，整理实验仪器，记录实验数据，清洗可视化裂缝装置。清理打扫实验室。

表2.间歇式压裂泵注程序

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置，其特征在于包括可视化裂缝模拟平板、压裂液泵、压裂液罐和混砂液罐，压裂液罐的出料口、压裂液泵、可视化裂缝模拟平板以及压裂罐的循环进料口通过压裂总管线连接成循环回路，所述混砂液罐通过支管线连入所述压裂总管线，所述支管线的一端连接混砂液罐的出料口，另一端连入所述压裂液罐的出料口和压裂液泵之间的压裂总管线；

所述可视化裂缝模拟平板的外部为透明的长方体容器，内部由两块透明的平板分隔形成三层，至少一块所述平板的壁面上具有多个滤失孔眼，其中平板之间为模拟压裂裂缝，具有滤失孔眼的所述平板与所述长方体容器的器壁之间为储层模拟空间，长方体容器的出液口位于储层模拟空间的底部并与所述压裂液罐的循环进料口连接，所述平板的外表面上具有应力模拟驱动装置；

还包括进料的井筒，所述井筒一端通过所述压裂总管线连接于所述压裂液泵，另一端位于所述压裂裂缝内部，所述井筒在裂缝内部的表面分布射孔孔眼。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述长方体容器的出液口与所述压裂液罐的循环进料口之间的所述压裂总管线上具有排液泵。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述压裂液罐和混砂液罐的出料口分别具有开关。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述滤失孔眼具有孔眼开关，所述滤失孔眼可开合的个数为0～16个/cm²，孔径为0～1.2mm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述井筒为垂直或水平，每个所述射孔孔眼直径为1-20mm，孔眼相位为0-180°，孔眼密度为8-96个/m。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于包括应力传感器，位于所述壁面的外表面上。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述应力模拟驱动装置为多个，均匀分布在所述平板的壁面的外表面的底部。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于至少一块所述平板的壁面包括模拟岩性储层的人工裂缝壁面，所述人工裂缝壁面叠加在所述平板的壁面的内表面。

9.一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置的工作方法，其特征在于采用权利要求1-8任一所述的装置，根据段塞式压裂工艺，包括以下步骤：

(1)按现场施工中裂缝的三维尺寸，计算实验所需压裂液粘度、支撑剂量、压裂液体积、混砂液体积、实验排量、射孔孔眼数量和段塞时间，并设计段塞式压裂工艺的压裂泵注程序；

(2)根据步骤(1)所计算出的所需支撑剂量、压裂液体积，准备压裂材料，配置压裂液以及混砂液，将作为前置液的压裂液和作为支撑剂段塞的混砂液分别倒入压裂液罐和混砂液罐中，混砂液和作为顶替液的压裂液备用；

(3)根据实际压裂储层滤失系数，计算并设置滤失孔眼直径与数量，安装平板与井筒，启动应力模拟驱动装置闭合裂缝；

(4)根据所述压裂泵注程序，依次泵入前置液-混砂液-顶替液，其中所述前置液的泵注程序按照前置液-支撑剂段塞-前置液或者继续支撑剂段塞-前置液；

(5)首先启动压裂液泵、打开压裂液罐，自所述井筒向裂缝内泵入一部分前置液，当裂缝内压力达到所述应力模拟驱动装置施加的作用力的限定值时，所述裂缝的壁面在压力作用下向两侧移动，裂缝开启，当所需量的前置液完毕后，关闭压裂液罐，打开混砂液罐，将所需量的支撑剂段塞泵入裂缝，关闭混砂液罐，再打开压裂液罐，继续泵注一部分前置液后关闭压裂液罐，或者循环支撑剂段塞-前置液直到所有的前置液泵注完毕；

(6)分别将混砂液和顶替液倒入混砂液罐和压裂液罐，首先打开混砂液罐，将混砂液泵入裂缝，混砂液泵注完毕后，再打开压裂液罐，泵入顶替液后，所述顶替液将井筒中残留的混砂液泵入裂缝中，关闭压裂液罐和压裂液泵，完成一个完整的压裂施工过程；

(7)随着压裂液流入裂缝，液体不断滤失到长方体容器的储层模拟空间内，当液面高度达到所述长方体容器高度的50～80％时，打开长方体容器的出液口和排液泵，排出滤失液至所述压裂液罐；

(8)跟踪支撑剂在裂缝中的运移轨迹，计算支撑剂的垂直沉降速度及水平运移速度，记录在可视化裂缝中支撑剂运动规律与沉降所形成的砂堤的形态；

(9)改变步骤(1)中的实验参数重复上述步骤，研究段塞式压裂工艺的支撑剂运移与铺置规律。

10.一种模拟裂缝闭合与滤失的可视化裂缝装置的工作方法，其特征在于采用权利要求1-8任一所述的装置，根据间歇式压裂工艺，包括以下步骤：

(1)按现场施工中裂缝的三维尺寸，计算实验所需压裂液粘度、支撑剂量、压裂液体积、混砂液体积、实验排量和射孔孔眼数量，并设计间歇式压裂工艺的压裂泵注程序；

(2)根据步骤(1)所计算出的所需支撑剂量、压裂液体积，准备压裂材料，配置压裂液与混砂液，将作为前置液的压裂液以及混砂液分别倒入压裂液罐和混砂液罐中，将作为顶替液的压裂液备用；

(3)根据实际压裂储层滤失系数，计算并设置放射孔眼和滤失孔眼直径与数量，安装平板壁面与井筒，启动应力模拟驱动装置闭合裂缝；

(4)根据压裂泵注程序，按照间歇式工艺的过程依次泵入前置液-混砂液-顶替液，首先启动压裂液泵、打开压裂液罐，自所述井筒向裂缝内泵入前置液，当裂缝内压力达到所述应力模拟驱动装置施加的作用力的限定值时，所述裂缝壁面在压力作用下向两侧移动，裂缝开启；

(5)当前置液泵注完毕后，关闭压裂液罐，打开混砂液罐，将混砂液泵入所述裂缝；

(6)当混砂液泵注完毕后，关闭混砂液罐，将作为顶替液的压裂液倒入压裂液罐，打开压裂液罐，向所述裂缝中继续泵入顶替液，所述顶替液将井筒中残留的混砂液泵入裂缝中，关闭压裂液罐和压裂液泵；

(7)随着压裂液流入裂缝，液体不断滤失到长方体容器的储层模拟空间内，当液面高度达到所述长方体容器高度的50～80％时，打开长方体容器的出液口和排液泵，排出滤失液至所述压裂液罐；

(8)任支撑剂在裂缝中自由沉降，跟踪支撑剂在人工裂缝中的运移轨迹，计算支撑剂的垂直沉降速度及水平运移速度，记录在可视化裂缝中支撑剂运动规律与沉降所形成的砂堤的形态；

(9)裂缝在应力模拟驱动装置作用下逐渐闭合，当裂缝完全闭合后，关闭所述长方体容器的出液口；

(10)当所述压裂液泵停止10-30min后，重新启动试验仪器，重复前置液-混砂液-顶替液的泵注程序，完成一个完整的压裂施工过程；

(11)改变步骤(1)中的实验参数，重复步骤(1)-(10)，研究间歇式压裂工艺的支撑剂运移与铺置规律。