CN110530760B - 一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置及方法，包括：储液箱，用于储存表面活性剂水溶液；储气瓶，用于储存供应产生泡沫的气体；泡沫发生器，用于产生泡沫；裂缝模拟装置，所述裂缝模拟装置透明，内设通道用于模拟具有热流的地层裂缝；模拟地缝裂缝的通道的宽度及倾斜角度均可调；模拟地缝裂缝的通道内设置有加热板，加热板上设置有若干的热电偶；记录仪，用于记录热电偶采集的数据。本发明能够模拟开展不同宽度和倾斜角度的裂缝通道中不同参数的泡沫压裂液的多相流动与对流换热特性研究。

Description

一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构 演变的实验装置及方法

技术领域

本发明属于油气田开发技术领域以及泡沫液模拟实验研究技术领域，特别涉及一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置及方法。

背景技术

泡沫是气体(分散相)在液体(连续相)中高度集中的分散物，由于它的质量轻、比表面积大，因而被广泛的应用于日常生活和工业生产当中；包括食物、化妆品、清洁、表面处理、建筑材料、泡沫分馏法处理废水和去除重金属、以及自然资源的提取等。另外，水泡沫流作为制冷剂应用于各种类型的热交换器中，通过改变泡沫流的速度和质量分数来实现改变加热面的传热系数的变化，泡沫流在很小的质量流量就可以达到很高的传热量，这是其他制冷剂所不能达到的。

除了上述有利的条件外，泡沫的排液、液膜破裂、气体扩散使得泡沫在实践中的运用变得十分复杂。正因为如此，目前关于泡沫流变性和传热特性的研究都是基于直管或者变径管，而对于泡沫裂缝流变性和传热特性的研究还有待于继续进一步的深入研究，泡沫流变性的室内研究还不全面，需要考虑泡沫在裂缝中的流变性。现在对于泡沫在管流状态下的传热特性和多项流动特性评价已经相当完善，但是对其流变性的研究仍存在一定缺陷。目前为止，很少有进行过泡沫压裂液在裂缝中流变性和传热特性的室内研究。泡沫流体在裂缝中的流动与管流必然存在很大差异，所以关于完善泡沫流变性和多项流动特性的评价研究，有待进行。并且对于泡沫这种两相复杂流体，其流量与压差的测定也存在着一定的问题。

目前泡沫更重要的运用是在石油压裂技术中，由于化石能源的消耗殆尽和能源价格的不断提高，都迫使新的节能技术的发展，水泡沫等多相体系的应用可以为这一领域开辟新的技术前景。水泡沫具有较大的相接触面和较小的表面张力，因而被广泛的应用于驱油试验中。当前，泡沫压裂液技术是低渗油气藏高效开发的一项重要措施，对提高我国油气产量，保证国家能源安全具有重要战略意义。然而，在压裂施工中，由于地层温度普遍高于泡沫压裂液的整体温度，压裂液会吸收地层热量，流体内部会发生不均匀的热传递，泡沫液中的气体发生膨胀，进而泡沫结构会发生改变，其多相流动特性也会发生相应的变化。目前，国内外对这种复杂非均质的泡沫液在地层裂缝中的对流换热与结构演变机制的了解还不够清楚，未能较好地预测出换热条件下泡沫压裂液到达地层时的多相流动特性，常会出现压裂效果差，甚至失败。

鉴于上述裂缝中泡沫流体的换热特性和多相流动特性等未知因素制约了低压、低渗透油气田的开采效率，因此一些模拟储层裂缝新型实验装置在不断研发和改进之中，以便于提高低压、低渗透油田的开采效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置，包括：

储液箱，用于储存表面活性剂水溶液；

储气瓶，用于储存供应产生泡沫的气体；

泡沫发生器，用于产生泡沫；所述泡沫发生器的进液口通过第一管道与所述储液箱的出液口相连通，所述泡沫发生器的进气口通过第二管道与所述储气瓶的出气口相连通；其中，第一管道上设置有液体调节阀和泵，第二管道上设置有气体调节阀；

裂缝模拟装置，所述裂缝模拟装置透明，内设通道用于模拟具有热流的地层裂缝；所述泡沫发生器的气泡出口与所述裂缝模拟装置的通道入口相连通；模拟地缝裂缝的通道的宽度及倾斜角度均可调；模拟地缝裂缝的通道内设置有加热板，加热板上设置有若干的热电偶，热电偶用于测量加热板的温度；记录仪，用于记录热电偶采集的数据。

本发明的进一步改进在于，第一管道上沿液体流动的方向，依次设置有流量调节阀、恒流泵和流量计；第二管道上沿气体流动的方向，依次设置有压力表、流量调节阀和流量计。

本发明的进一步改进在于，所述裂缝模拟装置为透明的有机玻璃板通道。

本发明的进一步改进在于，还包括支架；所述有机玻璃板通道安装在所述支架上，所述支架用于调节所述有机玻璃板通道的倾斜角度。

本发明的进一步改进在于，还包括：调节螺栓和垫片，用于调节所述有机玻璃板通道的宽度。

本发明的进一步改进在于，还包括：加热电极，用于加热加热板；电压表，用于测量加热用电压；电流表，用于测量加热用电流。

本发明的进一步改进在于，还包括：高速摄像机，用于拍摄泡沫流动形态；PIV图像测速仪，用于测量泡沫瞬态速度场和全场速度场；热成像仪，用于测量模拟裂缝通道壁面温度场分布；电脑，用于对泡沫的换热特性和多项流动特性进行定量化分析；所述电脑内加载有由图像分析软件组成的图像分析系统。

本发明的进一步改进在于，所述加热板由三层组成，从最下层到最上层依次为有机玻璃层、绝热层和不锈钢板层。

本发明的进一步改进在于，储液箱也存储有配置好的VES-CO₂泡沫压裂液；泡沫发生器能够产生不同直径的泡沫。

本发明的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验方法，基于本发明的实验装置，包括以下步骤：

通过储液箱为泡沫发生器提供表面活性剂水溶液；通过储气瓶为泡沫发生器提供产生泡沫的气体；通过泡沫发生器产生泡沫；产生的泡沫流入裂缝模拟装置，通过加热板加热；并记录数据，开始记录数据的时间大于等于5分钟；记录加热板不同位置的热电偶采集温度，确定在该热流密度条件下，加热板的温度分布，观察受热后泡沫空间结构变化，研究换热特性；

改变泡沫质量分数，改变泡沫发生器产生泡沫的直径，改变裂缝模拟装置的通道宽度及倾斜角度，改变加热板的加热功率，开展在不同的热流边界条件下泡沫液在裂缝模拟通道中的换热特性研究。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种模拟泡沫液在裂缝通道中的对流换热与几何结构演变特性的装置，通过本发明的装置可模拟了解泡沫液在地层裂缝中的换热和多相流动特性；通过调节模拟裂缝装置的通道的宽度和倾斜角度，能够开展不同宽度和倾斜角度的裂缝通道中不同参数的泡沫压裂液的多相流动与对流换热特性研究；通过改变加热板的加热功率，可探索系统不同热流边界下，泡沫液在地层裂缝中的换热和多相流动特性，旨在提高低压、低渗透油田的开采效率。

本发明中，流量调节阀用于调节泡沫和气体流量，恒流泵用于输送表面活性剂水溶液，流量计测量气、液质量流量；其中，选择恒流泵有以下特点：易于清洗和清洁，只需简单更换泵管或清洗泵管就可重新工作；液体只接触泵管，泵体其他任何部件不受污染及接触；可输送剪切敏感的流体及各种化学性质的液体(匹配相应化学性质的软管)；无密封件，无阀门，无接缝，液体无处可渗漏，设备维护低；具有体积小、重量轻、结构简单、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。适合实验室的实验研究。可实现定时、恒量、变量输送，自灌能力；很好的自吸、单向阀门功能——非虹吸，可干转并自吸，可防止倒流现象。

本发明中，通过调节模拟裂缝上有机玻璃板的螺栓和密封带厚度来改变实验装置裂缝的宽度，能够开展不同宽度和倾斜角度的裂缝通道中不同参数的泡沫压裂液的多相流动与对流换热特性研究。

本发明中，通过改变加热电极加热功率，可探索系统不同热流边界下，泡沫液在地层裂缝中的换热和多相流动特性。通过改变装置的输入电压和电流，可改变系统装置的加热功率，用于模拟地层的不同热流；热成像仪用于测量泡沫压裂液的不均匀温度场。

具体的，在装置中设置可改变倾斜角度的模拟地层裂缝压裂液流动的有机玻璃板通道，泡沫液从裂缝装置入口的均匀孔眼进入模拟裂缝通道，然后通过裂缝通道流入换热平板装置，运用高速摄像机记录泡沫液流动形态，追踪单个和多个气泡的运动轨迹和结构演变。借助于图像分析软件组成的图像分析系统，以及PIV测速系统可对裂缝中泡沫间相互作用、多相流动与换热特性进行研究。

本发明中，模拟地层热流的加热金属光滑板内置于有机玻璃板内侧，直接将热量传输给流体，避免了热量的损失。

本发明的实验方法，立足于气泡尺度层次，在装置中利用泡沫发生器不同内置结构产生不同尺度的泡沫，在泡沫发生器前端设置流量调节阀调节泡沫的质量分数，通过不同厚度的密封带和垫圈来调节裂缝宽度和倾斜角度，用于模拟地层裂缝的不同尺寸和布局。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中，模拟裂缝的有机玻璃板通道平面示意图；

图3是图2中裂缝加热侧壁面的剖面A处示意图；

图4是图3中B处的局部放大示意图；

图1至图4中，1-储液箱；2-流量调节阀；3-恒流泵；4-流量计；5-泡沫发生器；6-压力表；7-储气瓶；8-电脑；9-记录仪；10-电流表；11-电压表；12-热电偶；13-有机玻璃板通道；14-加热板；15-热电偶线；16-加热电极；17-调节螺栓；18-绝热层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图4，本发明实施例的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变特性的实验装置，包括：用于储存供应产生泡沫的气体的储气瓶7，用于储存VES表面活性剂水溶液的储液箱1，用于模拟具有热流的地层裂缝的透明的有机玻璃板通道13，用于分别调节泡沫和气体流量的流量调节阀2，用于输送表面活性剂水溶液的恒流泵3，测量气、液质量流量的流量计，用于产生泡沫的泡沫发生器5，用于测量裂缝壁面及流体温度的热电偶12若干个，用于采集热电偶温度的记录仪9，用于对采集温度进行汇总分析的电脑8，拍摄泡沫流动形态的高速摄像机，测量气泡瞬态速度场、全场速度场的PIV图像测速仪，用于测量裂缝壁面温度场分布的热成像仪，由以上各部件共同组成透明的、具有热流输入的小型裂缝实验装置。本发明中，通过恒流泵3和储气瓶7将液体与气体同时送入泡沫发生器5；在泡沫发生器5中产生的泡沫流入用于模拟裂缝的透明的有机玻璃板通道13，在通道中观察实验现象，并取得实验值，通过流量调节阀2来调节泡沫流量及质量分数，通过流量计4来测量气体与液体的流量；通过电流表10与电压表11来测量并计算系统的加热功率，通过热电偶12来测量裂缝加热壁面的温度，通过数据记录仪9来记录系统测量数据，并对其进行定量和定性分析。

本发明实施例的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置的工作过程，包括：将按一定比例配置好的VES-CO₂泡沫压裂液储存于储液箱1中，然后经恒流泵3输送到泡沫发生器5中，将产生泡沫的气体储存于储气瓶7中，在一定的压力下可以将气体输送到泡沫发生器5中，在泡沫发生器5中产生泡沫被输送到模拟裂缝的有机玻璃板通道13中，在有机玻璃板通道13中观察实验现象，通过在其上布置的热电偶12来测量加热面的温度分布，分析温度场变化引起泡沫结构、流动特性等多因素的变化，并取得实验值。通过流量调节阀2及恒流泵3相结合来调节泡沫流量及质量分数，气体与液体的流量通过流量计4来测量。在质量分数一定的条件下，通过调节加热电极16(恒热流装置)来改变系统电流与电压，电流与电压通过电流表10与电压表11来测量，进而来改变系统的加热功率，在不同的热流边界条件下通过热电偶12来测量裂缝壁面不同位置的温度，然后通过数据记录仪9来记录加热面温度的测量数据，并对其进行定量和定性分析，在泡沫发生器5中产生的泡沫通过末端管连接裂缝入口全贴合的不锈钢管的孔眼进入模拟裂缝装置的有机玻璃板通道，在透明测观察泡沫液流过裂缝装置时的瞬态流动形态，并利用高速摄像机拍下其流动过程中的瞬态形状，借助于高速摄像机与图像分析软件组成的图像分析系统，以及PIV测速系统记录下泡沫气泡流过通道时的速度场分布，了解泡沫气泡在通道内加热面上受热时速度场对温度场变化的影响，利用采集到的数据运用电脑8对裂缝中泡沫的换热特性和多项流动特性进行定量化分析。在一组实验完成以后，通过裂缝支架改变裂缝13的倾斜角度，重复上述实验步骤。通过调节螺栓17和垫片用于控制裂缝宽度及防止液体渗漏。加热板14由三层组成，从最下层到最上层依次为有机玻璃层，绝热层、不锈钢板三部分(如图3所示)，这三部分构成使得绝热层18减少系统热量的散热损失，提高实验的准确性，恒热流加热装置直接通过加热板将热量传给泡沫液。在改变某一参数下，开始记录数据时间不低于5分钟，目的是系统的热力平衡处于稳定状态，对于数据计算，通过多次测量求平均值，并重复上述的实验步骤。

本发明的工作实验原理包括：在泡沫发生器5中产生的泡沫通过裂缝孔眼进入模拟裂缝装置的有机玻璃板通道13，通过观察泡沫流过模拟裂缝装置时的流动形态，并利用高速摄像机拍下其流动过程中的瞬态形状，借助于高速摄像机与图像分析软件组成的图像分析系统，以及PIV测速系统，再对裂缝中泡沫的换热特性和多项流动特性进行分析。优选的，设置测量加热电流和电压的仪表，用于对采集温度进行汇总分析的电脑，拍摄泡沫流动形态的高速摄像机，测量气泡瞬态速度场、全场速度场的PIV图像测速仪，用于测量裂缝壁面温度场分布的热成像仪，由以上各部件共同组成透明的、具有热流输入的小型裂缝实验装置。

本发明的装置中，设置有可改变倾斜角度的模拟地层裂缝压裂液流动的有机玻璃板通道13，泡沫液从通道入口的均匀孔眼进入模拟裂缝通道内，然后通过裂缝通道流过布置在裂缝通道内的加热板14(可以是加热光滑不锈钢板)，运用高速摄像机记录泡沫液流动形态，追踪单个和多个气泡的运动轨迹和结构演变。借助于图像分析软件组成的图像分析系统，以及PIV测速系统可对裂缝中泡沫间相互作用、多相流动与换热特性进行研究。

本发明中，模拟地层热流的加热板14(可以是加热金属光滑板)内置于有机玻璃板内侧，直接将热量传输给流体，避免了热量的损失。

本发明中，裂缝装置入口的孔眼，采用与裂缝入口全贴合的不锈钢管，在管道上均匀布置孔眼，保证换热裂缝入口流体均匀，从而保证实验的有效性和准确性。

本发明的实验装置，立足于气泡尺度层次，在装置中利用泡沫发生器不同的内置结构产生不同尺度的泡沫，在泡沫发生器前端设置流量调节阀调节泡沫的质量分数，通过不同厚度的密封带和垫圈来调节裂缝宽度和倾斜角度，用于模拟地层裂缝的不同尺寸和布局。本发明，通过改变装置的输入电压和电流，可改变系统装置的加热功率，用于模拟地层的不同热流；设置的热成像仪用于测量泡沫压裂液的不均匀温度场。

综上所述，本发明针对泡沫压裂液在裂缝中的换热特性与多相流动特性研究不足，提供一种模拟泡沫液在裂缝通道中的对流换热与几何结构演变特性的装置，通过本发明的装置可了解泡沫液在地层裂缝中的换热和多相流动特性；通过调节模拟裂缝上有机玻璃板的螺栓和密封带厚度来改变实验装置裂缝的宽度，能够开展不同宽度和倾斜角度的裂缝通道中不同参数的泡沫压裂液的多相流动与对流换热特性研究；通过改变装置加热功率，可探索系统不同热流边界下，泡沫液在地层裂缝中的换热和多相流动特性，旨在提高低压、低渗透油田的开采效率。

本发明实施例的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验方法，基于本发明上述的实验装置，包括以下步骤：

实验之初，先确定一定的泡沫质量分数，将一定浓度(一般为0.5％)的表面活性剂溶液储存于一定体积的储液箱中，保证在整个实验过程中有足够的表面活性剂溶液可用，同时保证压裂液通过裂缝时流体均匀一致的流动，在泡沫发生器的前端和恒流泵间安装一个流量计，距离恒流泵有一段距离，避免泵影响流量计的使用效果，用以矫正恒流泵的流量，恒流泵的出口与溶液侧流量计间通过管连接，流量计与泡沫发生器第一个进液口相连接，泡沫发生器的另一个进气接口与气体侧流量计相连接，气体与表面活性剂溶液在泡沫发生器接触后产生实验所需的泡沫液，气体侧流量计与储气瓶的出口通过管连接，在储气瓶的出口安装一压力表与流量调节阀，来检测储气瓶出口压力变化及调节泡沫质量分数以满足实验要求。泡沫发生器的末端管连接裂缝入口全贴合的不锈钢管，在管道上布置大小相等均匀的孔眼，保证裂缝入口流体在通道内加热面上分布均匀，从而确保实验过程的的有效性和实验数据的准确性。产生的泡沫压裂液经发生器末端被输送到裂缝入口全贴合的不锈钢管，经均匀的孔眼流入到裂缝通道中，待液体充满整个裂缝通道，开启恒热流加热装置，加热裂缝内经直布置的不绣钢板，使得热量直接传给泡沫液，同时在不锈钢板的外侧布置有保温层，减少热量散失损失，确保实验数据的有效性与正确性，同时使所得数据有一定的代表性。待泡沫压裂液通过模拟裂缝通道时，开启恒热流加热装置对不锈钢板进行加热，开始记录数据时间不低于5分钟，因为在5分钟以后泡沫液热力性能才能趋于稳定的状态，在接下来的时段利用采集加热面的温度装置时刻记录加热面不同位置的热电偶温度，确定在该热流密度条件下，加热面的温度分布。同时利用PIV速度测速仪确定泡沫压裂液气泡速度场，通过有机玻璃透明侧观察压裂液受热后气泡空间结构变化，并利用高速摄像机拍摄泡沫液气泡瞬态流动形态，及气泡结构捕捉，并进行汇总。待在某一压裂液质量分数下取得有效数据之后，通过调节流量调节阀及恒流泵改变泡沫质量分数，通过改变输入电流电压改变加热装置的输入功率，开展在不同的热流边界条件下泡沫液在裂缝通道中的换热特性研究。

本发明实验方法中，通过调节垫圈的厚度和螺栓螺丝的拧入深度达到改变裂缝宽度的目的，展开裂缝在不同宽度下对泡沫液传热的影响机制研究，裂缝的宽度对泡沫的传热强化必然有着紧密的联系，较窄的裂缝易引起传热的脉动作用，具有强化传热特性，改变裂缝的宽度可以定量和定性的细化研究这种传热强化界限，便于日后在工程实践中具有一定的指导意义。改变裂缝宽度后，重复上述的实验步骤，将得到的实验数同样利用传热理论进行分析比较，得出不同裂缝宽度下泡沫压裂液的传热特性和多项流动特性。

本发明模拟实验方法中，通过支架装置改变裂缝的倾斜角度，泡沫液在流动的过程中有着复杂机制，例如排液、气泡扩散聚合、液膜的破裂等皆会影响泡沫的传热机制。在重力的影响下泡沫的排液是不可避免的，泡沫的排液会影响气泡间接触角和配位数的变化，对泡沫能量的变化也会存在很大的影响，开展不同倾角下的研究有利于准确的把握换热装置在不同几何结构形态下对泡沫液传热的影响机制。通过改变泡沫发生器内置结构改变泡沫压裂液中气泡的尺寸，在其他量不变的情况下，透过透明裂缝装置观察气泡大小对加热面温度分布的影响，分别重复上述实验步骤，并对得到的温度场通过传热理论进行分析，将在加热面上通过记录仪采集到的温度分布通过计算机进行数据处理分析。对数据进行定量分析，将得到的结果绘制成图表的形式，使其结果在工程实践中具有一定的代表性。

本发明实验中，选择恒流泵有以下特点：易于清洗和清洁，只需简单更换泵管或清洗泵管就可重新工作；液体只接触泵管，泵体其他任何部件不受污染及接触；可输送剪切敏感的流体及各种化学性质的液体(匹配相应化学性质的软管)；无密封件，无阀门，无接缝，液体无处可渗漏，设备维护低；具有体积小、重量轻、结构简单、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。适合实验室的实验研究。可实现定时、恒量、变量输送，自灌能力；很好的自吸、单向阀门功能——非虹吸，可干转并自吸，可防止倒流现象。

综上所述，本发明公开了一种研究泡沫液在裂缝通道中的对流换热与几何结构演变特性的装置，以油气田开发中常用的VES-CO₂泡沫压裂液为研究介质，借助于高速摄像机与图像分析软件组成的图像分析系统、PIV图像测速仪、高压高精度恒流泵、流量调节阀、热成像仪等组成小型透明矩形裂缝换热实验装置，并利用热成像仪记录泡沫流体在裂缝壁面处的温度场，然后比较流体速度矢量(位移)场、温度场、对流换热系数等的分布规律，利用泡沫扫描仪(Foamscan HP)或高速摄像机观测由泡沫薄膜和Plateau边界区组成的多气泡之间的结构、泡沫尺寸等随热流大小的定量变化规律；在不同的热流边界下，记录泡沫结构由于吸热而发生的变化。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置，其特征在于，包括：

储液箱(1)，用于储存表面活性剂水溶液；

储气瓶(7)，用于储存供应产生泡沫的气体；

泡沫发生器(5)，用于产生泡沫；所述泡沫发生器(5)的进液口通过第一管道与所述储液箱(1)的出液口相连通，所述泡沫发生器(5)的进气口通过第二管道与所述储气瓶(7)的出气口相连通；其中，第一管道上设置有液体调节阀和泵，第二管道上设置有气体调节阀；

裂缝模拟装置，所述裂缝模拟装置透明，内设通道用于模拟具有热流的地层裂缝；所述泡沫发生器(5)的泡沫出口与所述裂缝模拟装置的通道入口相连通；模拟地缝裂缝的通道的宽度及倾斜角度均可调；模拟地缝裂缝的通道内设置有加热板(14)，加热板(14)上设置有若干的热电偶(12)，热电偶(12)用于测量加热板(14)的温度；

记录仪(9)，用于记录热电偶(12)采集的数据；其中，热电偶(12)通过热电偶线(15)与记录仪(9)相连接；

其中，所述裂缝模拟装置的通道入口全贴合设置有不锈钢管，不锈钢管均匀设置有孔眼；所述泡沫发生器中产生的泡沫通过末端管连接所述裂缝模拟装置的通道入口全贴合的不锈钢管的孔眼进入模拟裂缝装置通道；

所述加热板(14)由三层组成，从最下层到最上层依次为有机玻璃层、绝热层(18)和不锈钢板层。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置，其特征在于，第一管道上沿液体流动的方向，依次设置有流量调节阀(2)、恒流泵(3)和流量计(4)；第二管道上沿气体流动的方向，依次设置有压力表(6)、流量调节阀(2)和流量计(4)。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置，其特征在于，所述裂缝模拟装置为透明的有机玻璃板通道(13)。

4.根据权利要求3所述的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置，其特征在于，还包括支架；

所述有机玻璃板通道(13)安装在所述支架上，所述支架用于调节所述有机玻璃板通道(13)的倾斜角度。

5.根据权利要求3所述的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置，其特征在于，还包括：调节螺栓(17)和垫片，用于调节所述有机玻璃板通道(13)的宽度。

6.根据权利要求1所述的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置，其特征在于，还包括：

加热电极(16)，用于加热加热板14；

电压表(11)，用于测量加热用输入电压；

电流表(10)，用于测量加热用输入电流。

7.根据权利要求1所述的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置，其特征在于，还包括：

高速摄像机，用于拍摄泡沫流动形态；

PIV图像测速仪，用于测量泡沫瞬态速度场和全场速度场；

热成像仪，用于测量模拟裂缝通道壁面温度场分布；

电脑(8)，用于对泡沫的换热特性和多项流动特性进行定量化分析；所述电脑(8)内加载有由图像分析软件组成的图像分析系统。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验装置，其特征在于，储液箱(1)也存储有配置好的VES-CO₂泡沫压裂液；泡沫发生器(5)能够产生不同直径的泡沫。

9.一种用于模拟研究泡沫压裂液在裂缝通道中换热与几何结构演变的实验方法，其特征在于，基于权利要求1至8中任一项所述的实验装置，包括以下步骤：

通过储液箱(1)向泡沫发生器(5)输入表面活性剂水溶液；通过储气瓶(7)向泡沫发生器(5)输入产生泡沫的气体；通过泡沫发生器(5)产生泡沫；产生的泡沫流入裂缝模拟装置，通过加热板(14)加热；并记录数据，开始记录数据的时间大于等于5分钟；记录加热板(14)不同位置的热电偶(12)采集温度，确定在该热流密度条件下，加热板(14)的温度分布，观察受热后泡沫空间结构变化，研究换热特性；

待在某一质量分数下取得有效数据之后，改变泡沫质量分数，改变泡沫发生器(5)产生泡沫的直径，改变裂缝模拟装置的通道宽度及倾斜角度，改变加热板(14)的加热功率，开展在不同的热流边界条件下泡沫液在裂缝模拟通道中的换热特性研究。

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