CN110805429A - 一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置及其导流测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，包括可视化流动模拟单元(100)、可视化夹持控温单元(200)、可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元(300)、供液单元(400)、控压和控流量单元(500)、自支撑压裂液与通道压裂液分离器(600)和图像采集单元(700)。此外，基于该动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，本发明还公开了一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置的导流测定方法。本发明能够在高泵注压力与排量下，直观地观察到模拟裂缝内不同液体性质、不同施工参数的自支撑压裂液体系的流动与相变现象，进而研究其影响规律。

Description

一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置及其导流测定方法

技术领域

本发明涉及石油开采领域，尤其属于采油采气增产措施工艺领域，特别是涉及一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置及其导流测定方法。

背景技术

目前，在石油开采领域，面对目前体积压裂技术存在的滑溜水携带石英砂运移距离有限、加砂粒径极小、通常无法连续作业的技术难题。目前研发出一种全新的水力压裂工艺措施：液体自支撑压裂技术。

对于液体自支撑压裂技术，其技术原理为：利用不混相的自支撑压裂液(常温下不含固相，为具有良好流动能力的液体，具有独特的热敏感性，被加热至一定温度时产生自支撑固相)与通道压裂液(常温下同样为不含固相且流动性良好的液体。通道压裂液与自支撑压裂液呈非互溶、非混相状态，具有降低自支撑压裂液滤失、控制自支撑压裂液在裂缝内分布的功能，以保证形成具有高导流能力的自支撑裂缝)将地层压开(或同时配合常规压裂液等)，利用自支撑压裂液所具有的特殊的热敏性质，在形成的裂缝中受地层的加热作用后，形成具有良好强度的自支撑固相，以支撑裂缝；同时，通过控制通道压裂液的液体性质与施工参数，控制形成自支撑固相在裂缝中的分布，以形成高导流能力的自支撑裂缝，达到提高油气井产能的目标。这一技术配合体积压裂技术使用时，可有效提高体积压裂后的有效改造体积，自支撑固相可在裂缝最深处形成与裂缝尺寸相匹配的大粒径支撑颗粒，大幅提高压后油气井的产量。

根据自支撑压裂技术的原理，自支撑压裂形成具有一定形状与尺寸的自支撑固相的过程中，受到自支撑压裂液与通道压裂液(合并称为自支撑压裂液体系)的配方、两相液体比例、施工注液排量等参数的复杂影响，会导致形成具有不同形状和尺寸的自支撑固相。而不同形状和尺寸的自支撑固相，所形成的自支撑裂缝的导流能力差异极大。

因此，为了保证自支撑压裂技术的施工效果，对自支撑压裂液的流动、自支撑固相分布规律与自支撑裂缝的导流能力开展研究，具有必要性。

目前，自支撑压裂液体系的流动过程分为以下几个步骤：

1、自支撑压裂液与通道压裂液从不同的地面液罐中经过地面流动管线流动至混砂车(流动管线为地面低压3寸左右粗管线)；

2、进入混砂车后从混砂车出口处的吸液泵(转速可达1450转/分钟) 经过高速剪切后流出；

3、经过压裂车后经由压裂撬管汇接至井口；

4、经过井口采油树进入套管、油管或油管套管混合注入(根据具体施工设计)；

5、经过射孔带进入地层裂缝。

因此，自支撑压裂液体系的各流动过程，决定了自支撑压裂液在地层裂缝内的流动形态与自支撑固相的最终分布形态。为真实模拟自支撑压裂工艺过程，需要对整个施工过程进行全程模拟研究。

根据水力压裂基本原理，在裂缝压开后自支撑压裂液以一定的排量与压力泵注地层裂缝过程中，地层裂缝的张开宽度与地层内静压力动态正相关，而裂缝内流体的静压力决定于施工排量及液体滤失速度。在施工的后期，自支撑压裂液逐渐被地层加热升温发生相变形成自支撑固相，由于压裂液的滤失与停止注液导致裂缝宽度不断减小，最终将自支撑固相挤压固定至裂缝的某一具体位置。因此，为了保证研制的实验装置可模拟自支撑固相固化后的分布形态与导流能力大小，裂缝宽度需要根据模拟裂缝内的静压力动态调节。同时整体装置需要具备在150℃温度下耐10MPa压力时仍不泄露液体的能力。

因为压裂技术需要在大排量高泵压下泵注压裂液将自支撑裂缝压开，因此实验设备必须达到实际压裂施工时的液体的注入速度才可真实模拟液体流动的剪切情况，同时注液排量需要根据设计排量与注液速度的要求进行准确调整，这对注液与控制设备提出了较高的要求。最后，由于压裂施工排量大、液量大，因此自支撑压裂工艺模拟要求长时间进行注液与相变现象观察，设计可循环连续进行实验观察的实验装置将大大降低人力，降低实验成本，提高实验效率。

但是，目前还没有一种技术，能够解决以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置及其导流测定方法。

为此，本发明提供了一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，包括可视化流动模拟单元、可视化夹持控温单元、可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元、供液单元、控压和控流量单元、自支撑压裂液与通道压裂液分离器和图像采集单元，其中：

可视化流动模拟单元，用于模拟自支撑压裂液体在地层裂缝空间内的流动分布过程和固化过程；

可视化夹持控温单元，与可视化流动模拟单元相连，用于对可视化流动模拟单元内的自支撑压裂液和通道压裂液进行加热，形成自支撑固相；

供液单元，与可视化流动模拟单元相连，用于向控压和控流单元输出自支撑压裂液和通道压裂液；

控压和控流单元，与供液单元，相连接，用于向可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元提供自支撑压裂液和通道压裂液；

可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元，与控压和控流单元相连接，用于模拟注液管线井筒和混砂车对由自支撑压裂液与通道压裂液组成的混合液的输送过程，将控压和控流单元输送过来的由自支撑压裂液与通道压裂液组成的混合液，输送给可视化流动模拟单元；

自支撑压裂液与通道压裂液分离器，与可视化流动模拟单元相连接，用于对可视化流动模拟单元流出的自支撑压裂液与通道压裂液的混合液进行分离，然后将分离获得的自支撑压裂液与通道压裂液，分别返回输送给供液单元；

图像采集单元，用于实时拍摄采集自支撑压裂液在可视化流动模拟单元内的流动分布过程和固化过程，及在可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元内的流动过程。

其中，可视化流动模拟单元，具体包括：横向分布的主体框架；

主体框架的正面开口，并且其中部具有一个中间空腔；

中间空腔内用于放置横向垂直分布的模拟移动裂缝滑块；

主体框架的正面开口上覆盖设置有钢化玻璃；

主体框架与一个背框的正面固定连接；

主体框架的顶部左右两端，分别开有一个注液孔和流出孔；

中间空腔的左边，设置有一个注入端内腔，注入端内腔与注液孔相连通；

中间空腔的右边，设置有流出端内腔，流出端内腔与流出孔相连通；

中间空腔前端左侧边缘，与注入端内腔前端右侧边缘之间，具有一个第一模拟射孔带斜坡面；

中间空腔前端右侧边缘，与流出端空腔前端左侧边缘之间，具有一个第一平行裂缝面；

注液孔，与液体注入管相连通；

流出孔，与液体流出管相连通。

其中，液体注入管和液体流出管，分别连接与压力变送器的一个测量端；

液体注入管和液体流出管上，还分别安装有一个流入与流出控制开关；

第一模拟射孔带斜坡面是形状为右边靠前，左边靠后的斜面；

第一平行裂缝面与主体框架的正面相互平行；

钢化玻璃的上下两侧，分别具有一个钢化玻璃固定架；

钢化玻璃固定架，与主体框架的正面固定连接。

其中，主体框架的正面在多个安装孔的内侧，设置有一圈方形的凹槽，该凹槽内嵌入有前端面方形密封圈；

主体框架的背面，设置有一圈方形的凹槽，该凹槽用于嵌入后端面方形密封圈。

其中，背框的背面左右两端，分别安装有一个纵向分布的固定可调旋钮架；

每个固定可调旋钮架的中心位置以及与该位置对应的背框上，具有一个纵向分布的可调旋钮连接螺纹孔；

该可调旋钮连接螺纹孔，与纵向分布的可调旋钮螺纹连接。

其中，可视化夹持控温单元，其是用于油浴加热控温的装置，其具体包括中空透明的可视化油浴槽；

可视化油浴槽内预先存储有油浴油；

可视化油浴槽内的油浴油中，安装有U形的加热管(具体可以为常见的电加热管)；

主体框架以及钢化玻璃，位于油浴油中；

可视化油浴槽的顶部开口；

可视化油浴槽的油浴油中，放入油浴搅拌器的搅拌桨；

可视化油浴槽的右边，设置有一个可视化平板夹持固定支架；

可视化平板夹持固定支架上安装有三个机械爪，用于抓取可视化流动模拟单元；

注液孔，与供液单元相连通；

供液单元，具体包括两个螺杆泵和两个液桶；

两个液桶分别用于盛放自支撑压裂液与通道压裂液；

两个液桶的出液口，分别与两个螺杆泵的入液口相连通；

每个液桶内侧顶部，安装有配液搅拌器；

控压和控流单元，与供液单元相连接，用于向可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元提供自支撑压裂液和通道压裂液；

控压和控流单元具体包括两个流量计、两个耐震压力表和两个单流阀；

每个螺杆泵的出液口所连接的液体输出支路管道上，分别安装有一个流量计、一个耐震压力表和一个单流阀；

两条液体输出支路管道在汇流后，与可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元中的模拟运输输入管相连通；

可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元具体包括模拟运输输入管；

模拟运输输入管的一端，与控压和控流单元中的两条液体输出支路管道的一端相连通；

模拟运输输入管的另一端，通过密封接头，与

串接在一起的两根模拟地面集输可视化管线(通过密封接头和模拟地面集输可视化弯头串接在一起)的一端相连通；

串接在一起的两根模拟地面集输可视化管线的另一端，通过两个密封接头以及位于两个密封接头之间的连接管道上的模拟混砂车剪切泵，与模拟压裂管线的一端相连通；

模拟压裂管线的另一端，通过密封接头和模拟井口可视化弯头，与模拟套管和油管管线的一端相连通；

模拟套管和油管管线的另一端，与可视化流动模拟单元中的液体注入管相连通；

模拟地面集输可视化管线、模拟压裂管线、模拟套管和油管管线、模拟地面集输可视化弯头以及模拟井口可视化弯头的流入端和流出端，分别与一个管路压降压力变送器的两端接头相连接。

其中，自支撑压裂液与通道压裂液分离器，具体包括中空的分离器壳体；

分离器壳体的左右两端，分别具有通道压裂液流出口和混合液流入口；

混合液流入口，通过中空的液体流出管，与可视化流动模拟单元中主体框架上的流出孔相连通；

分离器壳体的底部具有自支撑压裂液流出口；

分离器壳体内安装有一个高转速的离心机；

通道压裂液流出口，通过中空的连接管道，与供液单元中用于存储通道压裂液的液桶顶部相连通；

自支撑压裂液流出口，通过中空的连接管道，与供液单元中用于自支撑压裂液的液桶顶部相连通；

图像采集单元，具体包括多个摄像机；

每个摄像机的左右两侧分别设置有至少一个补光灯。

此外，本发明还提供了一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置的导流测定方法，包括以下步骤：

第一步，将可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元中的各组件水平放置，以及通过可视化夹持控温单元中的可视化平板夹持固定支架，将可视化流动模拟单元在可视化夹持控温单元中的可视化油浴槽内垂直放置，保证油浴油将可视化流动模拟单元浸没；

第二步，开启可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元、供液单元、控压和控流量单元和自支撑压裂液与通道压裂液分离器；

第三步，分别在供液单元中的两个液桶内倒入配置好的自支撑压裂液与通道压裂液，分别用配液搅拌器进行充分搅拌后，盖上液桶盖，以免液体挥发，然后，开启用于存储通道压裂液的液桶对应的双路变频器，控制该液桶对应的螺杆泵缓慢启动，接着，快速设定通道压裂液排量为V_通。

第四步，迅速开启用于存储自支撑压裂液的液桶对应的双路变频器，控制该液桶对应的螺杆泵快速启动，并根据对应流量计的读数，控制自支撑压裂液的排量为V_自；

第五步，保持自支撑压裂液与通道压裂液的注入达到1min后，迅速同时停止自支撑压裂液与通道压裂液的注入，保持油浴油的温度T_地与液压控制器P_地的压力保持不变，此时同时采用摄像机对拍摄区域同步连续进行录制，记录可视化流动模拟单元中自支撑压裂液相变的过程与自支撑裂缝的宽度变化，直至自支撑压裂液全部相变完成；

第六步，将供液单元中用于存储通道压裂液的液桶内的通道压裂液，更换为清水，并通过控制对应的螺杆泵以5m³/h驱替清水，此时记录可视化流动模拟单元上的压力变送器的压差P_缝。

第七步、根据预设的计算公式，计算获得不同排量下自支撑裂缝的渗透率以及导流能力。

其中，在第七步中，在不同排量下，自支撑裂缝的渗透率的计算公式为：

在公式(1)中：k为支撑剂充填层液测渗透率；

W_f为支撑剂充填层的厚度；

P_缝为压差；

μ为测试液体黏度；

Q为液体流量；

L为自支撑压裂液流动规律的装置的长度。

其中，在第七步中，在不同排量下，自支撑裂缝的导流能力的计算公式为：

在公式(2)中：kW_f为支撑剂充填层液测导流能力，μm²·cm；

P_缝为压差，kPa；

μ为测试液体黏度，mPa·s。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提出了一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置及其导流测定方法，其能够在高泵注压力与排量下，直观地观察到模拟射孔带、模拟裂缝内不同液体性质、不同施工参数的自支撑压裂液体系的流动与相变现象，进而研究其影响规律。

对于本发明，通过动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，可以在高泵压与大排量下模拟自支撑压裂液体系在各相关设备(地面直流动管线、弯流动管线、混砂车、直压裂管线、采油树、套管(油管)、射孔带、地层裂缝) 内的流动过程进行全程模拟，记录全程压降与液体形态变化。然后对地层裂缝内的温度与压力条件变化进行模拟，根据压力动态改变缝宽从而将自支撑固相固定在裂缝原处，形成具有一定分布规律的高导流自支撑裂缝，并测定其导流能力。最后，通过改变自支撑压裂液与通道压裂液的各项液体性质、采用不同的施工参数进行多次反复实验，可指导自支撑压裂液的配方优化与自支撑压裂工艺设计。

附图说明

图1本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置的整体结构示意图；

图2为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的可视化流动模拟单元的正视图；

图3a为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的可视化流动模拟单的俯视图；

图3b为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的可视化流动模拟单元的主体部分的立体结构示意图；

图4为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的可视化流动模拟单元的左视图；

图5a为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中主体框架的正图；

图5b为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中主体框架的立体结构示意图；

图6本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中主体框架的后视图；

图7本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中背框背框的后视图；

图8a为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的模拟移动裂缝滑块的俯视图；

图8b为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的模拟移动裂缝滑块的立体结构示意图；

图9为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的前端面方形密封圈的正视图；

图10为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的后端面方形密封圈的正视图；

图11为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的O 型密封圈的正视图；

图12为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的可视化夹持控温单元的结构示意图；

图13为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元的结构示意图；

图14为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的供液单元的结构示意图；

图15为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的控压和控流量单元的结构示意图；

图16为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的自支撑压裂液与通道压裂液分离器的结构示意图；

图17为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中的图像采集单元的结构示意图；

图18本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中图像采集单元具有的摄像机所拍摄的图片，反映了自支撑压裂液体系在可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元的管流现象，其中，图18a为模拟地面集输可视化管线的管流现象，图18b我模拟压裂管线的管流现象，图18c模拟套管和油管管线中的管流现象；

图19为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中图像采集单元具有的摄像机所拍摄的图片，反映了自支撑压裂液体系在可视化可变缝宽模拟裂缝内的流动现象；

图20为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置中图像采集单元具有的摄像机所拍摄的图片，反映了自支撑固相在可视化可变缝宽模拟裂缝内的流动现象。

图21为本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，所测量获得的自支撑裂缝在各闭合应力下的导流能力示意图；

图中：1为主体框架、2为注液孔、3为流出孔、为4固定可调旋钮架、 5为可调旋钮；

6为固定销、7为钢化玻璃、8为背框、9为模拟移动裂缝滑块、10为前端面方形密封圈；

11为后端面方形密封圈、12为O型密封圈、13为注入端内腔、14为流出端内腔、151为第一模拟射孔带斜坡面，152为第二模拟射孔带斜坡面；

161为第一平行裂缝面，162为第二平行裂缝面，17为钢化玻璃固定架；

18为电动液压泵泵头、19为耐震压力表、20为调压阀、21为液压油流入单向阀、22为液压油流出单向阀；

23为油浴搅拌器，24为加热管，25为可视化油浴槽，26为油浴油， 27为可视化平板夹持固定支架；

43为流入和流出控制开关，44为压力变送器；

50为补光灯，49为摄像机；

36为双路变频器，37为配液搅拌器、38为液桶、39为螺杆泵、40为流量计、41为耐震压力表、42为单流阀；

45为混合液流入口、46为通道压裂液流出口、47为自支撑压裂液流出口、487为离心机。

28为管路压降压力变送器、29为模拟地面集输可视化管线、30为模拟压裂管线、31为模拟套管和油管管线、32为模拟地面集输可视化弯头、 33为模拟井口可视化弯头、34为密封接头、35为模拟混砂车剪切泵。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

对于本发明，首先需要说明的是，在进行自支撑压裂施工时，要使形成的自支撑裂缝达到较高的导流能力，关键在于让自支撑压裂液形成稳定有效的支撑，而自支撑压裂液体系的流动形态分布决定了相变后的自支撑固相的分布特征，所以研究自压裂液体系在不同液体配方和不同施工参数下的流动分布规律，对于优化自支撑压裂液配方与自支撑压裂工艺设计参数十分必要。

而经过系统调研，目前可以直接进行自支撑压裂液分布规律的可视化物理模拟实验装置寥寥无几，特别是可以模拟出炮眼对自支撑压裂液的流动分布规律影响的实验装置是没有的。同时，由于压裂技术需要在大排量高泵压下泵注大量压裂液，因此以高泵注压力与大排量进行自支撑压裂液体系注液模拟时，其内部液体压力将大幅上升，因此研发具有良好耐压性能的可视化模拟自支撑压裂液流动分布规律的实验装置，具有重要意义。正因为压裂技术需要在大排量高泵压下泵注压裂液，将自支撑裂缝压开，因此实验设备必须达到实际压裂施工时的液体的注入速度，才可真实模拟液体流动的剪切情况，同时注液排量需要根据设计排量与注液速度的要求进行准确调整，这对注液与控制设备提出了较高的要求。在施工的后期，自支撑压裂液逐渐被地层加热升温发生相变而形成自支撑固相，由于压裂液的滤失与停止注液导致裂缝宽度不断减小，最终将自支撑固相挤压固定至裂缝的某一具体位置。因此，为了保证研制的实验装置可模拟自支撑固相固化后的分布情况，裂缝宽度需要根据模拟裂缝内的静压力动态调节。因此，本专利进行了如下的发明。

参见图1至图21所示，本发明提供的一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，包括可视化流动模拟单元100、可视化夹持控温单元200、可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300、供液单元400、控压和控流量单元 500、自支撑压裂液与通道压裂液分离器600和图像采集单元700，其中：

可视化流动模拟单元100，其具有可模拟地层裂缝空间内自支撑压裂液体系流动分布规律的流动空间，用于模拟自支撑压裂液体在地层裂缝空间内的流动分布过程和固化过程；

可视化夹持控温单元200，与可视化流动模拟单元100相连，用于对可视化流动模拟单元100内的自支撑压裂液和通道压裂液进行加热，形成自支撑固相；

供液单元400，与可视化流动模拟单元100相连，用于向控压和控流单元500输出自支撑压裂液和通道压裂液。

控压和控流单元500，与供液单元400，相连接，用于向可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300提供自支撑压裂液和通道压裂液；

可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300，与控压和控流单元500 相连接，用于模拟注液管线井筒和混砂车对由自支撑压裂液与通道压裂液组成的混合液的输送过程，将控压和控流单元500输送过来的由自支撑压裂液与通道压裂液组成的混合液，输送给可视化流动模拟单元100(具体通过液体注入管101和注液孔2，向主体框架1内部提供自支撑压裂液和通道压裂液)；

自支撑压裂液与通道压裂液分离器600，与可视化流动模拟单元100 相连接，用于对可视化流动模拟单元100流出的(具体从流出孔3以及液体流出管102流出)自支撑压裂液与通道压裂液的混合液，进行分离，然后将分离获得的自支撑压裂液与通道压裂液，分别返回输送给供液单元 400(具体分别输送给用于盛放自支撑压裂液与通道压裂液的两个液桶25)；

图像采集单元700，用于实时拍摄采集自支撑压裂液在可视化流动模拟单元100内的流动分布过程(包括动态流动和静态分布)和固化过程，以及在可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300内的流动过程，进而获得自支撑压裂液体模拟在地层裂缝空间内的流动分布过程和固化过程。

在本发明中，具体实现上，可视化流动模拟单元100，其可以称为可视化可变缝宽模拟自支撑压裂液分布流动平板及压力测定单元，具体包括：

横向分布的主体框架1；

主体框架1的正面开口(即顶面完全敞开)，并且其中部具有一个中间空腔1000(该中间空腔，前后两端都开口，具有前后贯通的通孔，只有四周方向的腔壁)；

中间空腔1000内用于放置横向垂直分布的模拟移动裂缝滑块9；

主体框架1的正面开口上覆盖设置有钢化玻璃7(中间空腔1000被遮盖在钢化玻璃7内侧)；

主体框架1与一个背框8的正面固定连接。

主体框架1的顶部左右两端，分别开有一个注液孔2和流出孔3；

中间空腔1000的左边，设置有一个注入端内腔13(与中间空腔1000 相互间隔)，注入端内腔13与注液孔2相连通；

需要说明的是，注入端内腔13与注液孔3相通，可提供自支撑压裂液的流入通道。

中间空腔1000的右边，设置有流出端内腔14(与中间空腔1000相互间隔)，流出端内腔14与流出孔3相连通；

需要说明的是，流出端内腔14与流出孔3相连通，可提供自支撑压裂液的流体流出通道。

中间空腔1000前端左侧边缘，与注入端内腔13前端右侧边缘之间，具有一个第一模拟射孔带斜坡面151；

中间空腔1000前端右侧边缘，与流出端空腔14前端左侧边缘之间，具有一个第一平行裂缝面161。

具体实现上，注液孔2，与液体注入管101相连通；

流出孔3，与液体流出管102相连通。

在本发明中，具体实现上，液体注入管101和液体流出管102，分别连接与压力变送器44的一个测量端。

具体实现上，液体注入管101和液体流出管102上，还分别安装有一个流入与流出控制开关43(例如一个球阀或者电磁阀)。

需要说明的是，压力变送器44的两个测量端，分别连接可视化流动模拟单元100的液体流入端与流出端上，压力变送器的实验数据可以被传送至外部的电脑上，通过软件上进行记录。可视化流动模拟单元100两端的压力数据变化被时时刻刻记录下来。流入与流出控制开关43可控制自支撑压裂液与通道压裂液的流入与流出，如图2所示。

在本发明中，具体实现上，第一模拟射孔带斜坡面151为一个钢面，其是形状为右边靠前，左边靠后的斜面，用以模拟锥形的射孔带内自支撑压裂液体系的流动形态。

在本发明中，具体实现上，第一平行裂缝面161为一个钢面，其与主体框架1的正面(即前端面)相互平行。

在本发明中，具体实现上，钢化玻璃7的上下两侧，分别具有一个钢化玻璃固定架17；

钢化玻璃固定架17，与主体框架1的正面固定连接。

具体实现上，钢化玻璃固定架17为L型的固定架。

具体实现上，钢化玻璃固定架17与主体框架1的正面之间，具体连接结构为：主体框架1的正面上下两侧分别具有多个间隔分布的安装孔1001；

钢化玻璃固定架17上与安装孔1001相对应的位置，具有螺纹孔；

多个垂直分布的螺丝，分别与前后对应的螺纹孔和安装孔螺纹连接。

具体实现上，主体框架1的正面(即前端面)在多个安装孔1001的内侧，设置有一圈方形的凹槽，该凹槽内嵌入有前端面方形密封圈10。

在本发明中，具体实现上，主体框架1与背框8之间，通过六根螺栓固定连接。

具体实现上，主体框架1的背面，设置有一圈方形的凹槽，该凹槽用于嵌入后端面方形密封圈11。

在本发明中，具体实现上，背框8的背面左右两端，分别安装有一个纵向分布的固定可调旋钮架4；

每个固定可调旋钮架4的中心位置以及与该位置对应的背框8上，具有一个纵向分布的可调旋钮连接螺纹孔(该可调旋钮连接螺纹孔纵向前后贯通背框8和固定可调旋钮架4)；

该可调旋钮连接螺纹孔，与纵向分布的可调旋钮5螺纹连接(可调旋钮5的前部外壁具有外螺纹)。

也就是说，固定可调旋钮架4中间加工有可调旋钮5匹配转动的螺纹，可调旋钮可以在背框8的后侧进行转动，调整其前端部伸入到位于背框8 前方的中间腔体1000的长度。

具体实现上，背框8的后侧，在两个固定可调旋钮架4的左右两侧的位置，分别具有一个固定销连接螺纹孔；

固定销连接螺纹孔垂直贯通背框8；

每个固定销连接螺纹孔与一个固定销6螺纹连接。

因此，固定销6可以在背框8的后侧进行转动，调整其前端部伸入到位于背框8前方的中间腔体1000的长度。

在本发明中，具体实现上，模拟移动裂缝滑块9后端四周，具有环绕分布的嵌入槽；

嵌入槽中嵌入有O型密封圈12；

模拟移动裂缝滑块9后端，通过O型密封圈12，与中间空腔1000的四周侧壁相接触。

因此，模拟移动裂缝滑块9通过O型密封圈12，被固定在主体框架1 的中间空腔10上，模拟移动裂缝滑块9的后侧面与伸入到中间空腔10的可调旋钮5的前端部、固定销6的前端部垂直相接触，其中，通过转动两根可调旋钮5，可实现模拟移动裂缝滑块9在中间空腔10内部，沿着纵向方向的前后移动，以及通过固定销6，可保证模拟移动裂缝滑块9在中间空腔10的稳定(即进行水平纵向支撑)。

需要说明的是，对于本发明，通过模拟移动裂缝滑块9在中间空腔10 内部，沿着纵向方向的前后移动，从而能够对模拟裂缝在纵向方向上的宽度调整，从而可以模拟不同裂缝宽度对自支撑压裂液流动分布的影响。

需要说明的是，炮眼指的是：通过射孔弹在井筒对应深处利用射孔弹引爆，并进入地层，使得井筒与地层裂缝进行联通，形成油气从地层向井筒内流动的通道，其形状为圆筒状，直径在1～10CM的范围内，长度1CM～数米之间。

本发明根据实际井筒与裂缝的尺寸，对实验装置的对应部分进行了等比例缩减。由于模拟炮眼处的流动截面积相比于井筒与裂缝小太多，为了模拟实际炮眼的剪切情况，因此将炮眼尺寸设定为与实际地层内的炮眼相符合。

在本发明中，射孔带是射孔弹射穿井筒壁面后穿过地层，在地层中所形成的流动通道。本专利中的射孔带，根据射孔带的形状与角度，加工了对应的形状，以模拟自支撑压裂液在其中的流动过程。

需要说明的是，水力压裂，简称压裂，是指在高压下通过注入压裂液将岩石压开并产生裂缝的过程，产生的裂缝长度范围在数十米至数百米的范围、高度数米至数十米、宽度在二十毫米以内，

在本专利的装置中，利用加工好的钢化玻璃，并通过密封圈实现端面密封，内部形成一个平行的裂缝通道，进而实现模拟裂缝对液体流动的剪切作用。

具体实现上，参见图8所示，模拟移动裂缝滑块9的前端左侧，具有第二模拟射孔带斜坡面152，与第一模拟射孔带斜坡面151的右端相接；

模拟移动裂缝滑块9的前端右侧，具有第二平行裂缝面162，与第一平行裂缝面161的右端相接。

需要说明的是，第二模拟射孔带斜坡面152同样是一个钢面，其是形状为右边靠前，左边靠后的斜面，用以模拟锥形的射孔带内自支撑压裂液体系的流动形态。第二平行裂缝面162同样为一个钢面，其与主体框架1 的正面(即前端面)相互平行。

在本发明中，具体实现上，钢化玻璃7的材质为高强度钢化防火玻璃，在180℃温度下不变形、不炸裂，耐内部10MPa的流体压力。

在本发明中，具体实现上，上端面方形密封圈10、下端面方形密封圈 11以及O型密封圈12的材质为含氟或聚四氟橡胶等耐有机、耐强酸碱材料。

在本发明中，具体实现上，主体框架1、固定可调旋钮架4、可调旋钮 5、固定销6、背框8、模拟移动裂缝滑块9的材质均为渗碳钢，加工后采取3次淬火进行强化，且在表面进行磷化处理，具有防水、耐有机溶剂、耐强酸、抗强碱的优良性能。

在本发明中，具体实现上，参见图5所示，中间空腔1000位于移动裂缝滑块9的后端平面、主体框架1和背框8之内的空间，形成有液压油内腔；

液压油内腔，通过设置有液压油流入单向阀21和调压阀20的连接管道，与中空的液压油容器180的顶部中间位置相连通(需要说明的是，背框8上具有开口)；

液压油容器180内，预先注入有液压油；

液压油容器180的顶部左右两端，分别通过两根设置有液压油流出单向阀22的连接管道，与液压油内腔相连通(背框8上具有开口)；

液压油容器180的右侧壁上还安装有耐震压力表19和液压泵泵头18。

对于本发明，对于可视化流动模拟单元100，其内部有两个腔体，分别是主体框架1、模拟移动裂缝滑块9的前端平面与钢化玻璃7的后端平面所形成的可供自支撑压裂液体系高速流动的耐10Mpa液压的第一腔体。以及由移动裂缝滑块9的后端平面、主体框架1和背框8所形成的液压油内腔(即第二腔体)。这一液压油内腔的压力可由液压泵泵头18、耐震压力表19、调压阀20、液压油流入单向阀21、液压油流出单向阀22所组成的液压控制系液压油而调节。这一液压油控制系统，可通过电能设定液压油内腔中的压力，并在实验过程中保证设定压力的稳定。当自支撑压裂液体系被高速泵(即液压泵泵头18)注至第一腔体时，第一腔体内部开始出现液压，当此时液压小于液压油内腔(即第二腔体)的内压时，模拟裂缝处于闭合形态。而第一腔体压力大于液压油内腔(即第二腔体)的内压时，模拟裂缝宽度会逐渐增加，进而模拟裂缝压力不断降低，当两个腔体的压力相等时，模拟裂缝滑块不再移动，裂缝达到动态平衡。而自支撑固相在第一腔体内部受热固化后，由于停止泵送液体，因此第一腔体内部压力下降，模拟裂缝滑块会向钢化玻璃7的方向，向前移动，导致裂缝宽度减小，并最终将自支撑固相挤压固定在模拟裂缝壁面(即钢化玻璃7的后端平面) 上。此时通过调节液压泵(即液压泵泵头18)的压力，可调节施加在自支撑固相的受挤压应力，进而模拟地层闭合应力下自支撑固相的受压状态。此时再以不同的排量泵送原油或气体，即可模拟出此时裂缝的导流能力，进而可模拟出不同自支撑压裂液配方与自支撑压裂工艺的效果，如图3所示。

基于以上技术方案，对于本发明，这些基本构件组合在一起，将形成一个具有耐10MPa液体压力的可模拟射孔带、平行裂缝空间内自支撑压裂液体系流动分布规律的流动空间，同时此流动空间配有加热控温系统(即可视化夹持控温单元200)，可提供模拟地层的加热条件，使不同分布的自支撑压裂液产生相变形成自支撑固相，并且实验过程中可根据模拟裂缝内流体压力变化动态改变裂缝宽度。

在本发明中，具体实现上，可视化夹持控温单元200，其是用于油浴加热控温的装置，其具体包括中空透明的可视化油浴槽25；

可视化油浴槽25内预先存储有油浴油26；

可视化油浴槽25内的油浴油26中，安装有U形的加热管24(具体可以为常见的电加热管)；

主体框架1以及钢化玻璃7，位于油浴油26中，也就是说，可视化流动模拟单元100的主体部分，位于油浴油26，从而可以让可视化夹持控温单元200，对可视化流动模拟单元100内流入的自支撑压裂液和通道压裂液进行加热，形成自支撑固相。

具体实现上，可视化油浴槽25的顶部开口；

可视化油浴槽25的油浴油26中，放入油浴搅拌器23的搅拌桨。

具体实现上，可视化油浴槽25的右边，设置有一个可视化平板夹持固定支架27；

可视化平板夹持固定支架27上安装有三个机械爪(钢爪)，用于抓取可视化流动模拟单元100。

需要说明的是，对于本发明，可视化夹持控温单元200，其配有U型大功率的加热管24，可迅速将可视化油浴槽25内的油浴油26加热至设定温度，同时配合油浴搅拌器23，可将加热管24产生的热量均匀传递给可视化油浴槽25内的油浴油26(即加热油)。同时其配备精准数显控温装置，可保持实验温度的温度。

具体实现上，可视化油浴槽25的材质为钢化防火玻璃，尺寸长达2m，具有耐温200℃的性能，且透光性好，不影响内部模拟炮眼、射孔带、裂缝平板的现象观察。可视化平板夹持固定支架27上配有三个大尺寸的钢爪，可夹持模拟地层裂缝空间的可视化流动模拟单元100至水平、垂直等各角度，从而进行不同角度的地层裂缝内的自支撑压裂工艺模拟(如图12 所示)。

具体实现上，油浴油21(即加热油)可以选用二甲基硅油，耐温250 ℃，无色透明，便于实验现象的观察。

在本发明中，具体实现上，注液孔2，分别通过两条中空的连接管道，与预先存储自支撑压裂液的容器以及预先存储通道压裂液的容器相连通。根据用户的需要，可以在两条连接管道上，分别安装液体泵(水泵)。

在本发明中，具体实现上，注液孔2，可以与供液单元400相连通；

供液单元，用于向控压和控流单元500输出自支撑压裂液和通道压裂液。

具体实现上，供液单元400，具体包括两个螺杆泵35和两个液桶38；

两个液桶38分别用于盛放自支撑压裂液与通道压裂液；

两个液桶38的出液口，分别与两个螺杆泵35的入液口相连通。

每个液桶38内侧顶部，安装有配液搅拌器37；

具体实现上，两个螺杆泵35，与同一个双路变频器36相连接。

具体实现上，螺杆泵35，是变频泵，具体是具有变频功能的螺杆泵，双路变频器36指的是用于控制变频泵的控制器。

其中，双路变频器36可以是欣捷思牌的G600型号的变频器，具有漏电保护和接地功能，保证安全，所用电压为380V，电流20A。双路变频器 36通过内部的结构可以控制变频螺杆泵的转速，来实现排量调节的作用。

螺杆泵35，可以是欣捷思牌的G70-1型号的大排量螺杆泵，去流量大于20m/h，扬程大于100m。变频螺杆泵在本专利的作用是，模拟地面压裂泵车注液的大排量与泵压。

需要说明的是，对于本发明的供液单元400，大排量的螺杆泵35，每台都可稳定提供自支撑压裂液以最大20m3/h的排量进行流动，两个液桶 38的容量达到0.5m3，分别用来盛放自支撑压裂液与通道压裂液，并分别通过支架与蝶阀安装在两台大排量的螺杆泵(是变频泵)35的入液口上方，以快速提供足够的实验液体；

其中，配液搅拌器37可提供高速稳定的搅拌，以便两种液体在液桶 38内的配制；双路变频器36通过分别控制两台大排量的螺杆泵35的频率，以控制泵的转速，来灵敏调节排量，进而模拟不同排量(注液速度)下自支撑压裂液的流动分布形态，如图14所示。

在本发明中，具体实现上，控压和控流单元500，与供液单元400相连接，用于向可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300提供自支撑压裂液和通道压裂液；

控压和控流单元500具体包括两个流量计40、两个耐震压力表41和两个单流阀42；

每个螺杆泵35的出液口所连接的液体输出支路管道260上，分别安装有一个流量计40、一个耐震压力表41和一个单流阀42；

两条液体输出支路管道260在汇流后，与可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300中的模拟运输输入管301相连通。

需要说明的是，对于本发明，在控压和控流单元中，两根管线(即液体输出支路管道260)上的流量计40，可分别读取自支撑压裂液与通道压裂液流入可视化模拟裂缝的排量；耐震压力表41可以读取管路的压力，为整条管路的摩阻计算提供实验参数，同时起到安全压力预警作用；单流阀 42的作用主要为限制每条管路的流体流向只能向右，避免两种液体排量与压力不同而造成的液体返流现象，如图15所示。

在本发明中，具体实现上，参见图13所示，可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300用于模拟注液管线井筒和混砂车对由自支撑压裂液与通道压裂液组成的混合液的输送过程，将控压和控流单元500输送过来的由自支撑压裂液与通道压裂液组成的混合液，输送给可视化流动模拟单元100(具体通过液体注入管101和注液孔2，向主体框架1内部提供自支撑压裂液和通道压裂液)；

可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300具体包括模拟运输输入管 301；

模拟运输输入管301的一端，与控压和控流单元500中的两条液体输出支路管道260的一端相连通；

模拟运输输入管301的另一端，通过密封接头34，与

串接在一起的两根模拟地面集输可视化管线29(通过密封接头34和模拟地面集输可视化弯头32串接在一起)的一端相连通；

串接在一起的两根模拟地面集输可视化管线29的另一端，通过两个密封接头34以及位于两个密封接头34之间的连接管道上的模拟混砂车剪切泵35，与模拟压裂管线30的一端相连通；

模拟压裂管线30的另一端，通过密封接头34和模拟井口可视化弯头33，与模拟套管和油管管线31的一端相连通；

模拟套管和油管管线31的另一端，与可视化流动模拟单元100中的液体注入管101相连通。

具体实现上，模拟地面集输可视化管线29、模拟压裂管线30、模拟套管和油管管线31、模拟地面集输可视化弯头32以及模拟井口可视化弯头 33的流入端和流出端，分别与一个管路压降压力变送器28的两端接头相连接。

需要说明的是，对于本发明，可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元 300由若干个管路压降压力变送器28、两根模拟地面集输可视化管线29、一根模拟压裂管线30、一根模拟套管和油管管线31、一个模拟地面集输可视化弯头32、一个模拟井口可视化弯头33、若干高压密封接头34、一台模拟混砂车剪切泵35所组成。该单元各组件的先后顺序与管径的直径、角度等完全根据实际压裂液流动过程而设计。同样，模拟可视化地层模拟裂缝的高度也根据这一原则进行了匹配设计。对于管径的设计原则主要参考内径的截面积，各组件之间的内截面积之比与现场所用各设备保持一致。因此在室内实验时参考地面集输管线与模拟地面集输可视化管线29的截面积之比等比例缩小实验排量，在各实验组件中的自支撑压裂液的流动现象、流动速度(剪切速率)与现场设备则可保持一致，得到的实验数据与现象则具有足够的还原度。

其中，模拟地面集输可视化管线29、模拟压裂管线30、模拟套管和油管管线31、模拟地面集输可视化弯头32、模拟井口可视化弯头33的材质均为耐酸碱、耐有机材料腐蚀的无色透明有机玻璃，且厚度大于2CM，可承受内部10MPa的流体压力。

其中，管路压降压力变送器28的两端接头分别与各组件的流入端与流出端保持连接，实验过程中可不断测定压降数据并传输至电脑进行储存。

其中，高压的密封接头34的材质为耐腐蚀加厚纯铜三通，并通过耐高压快速接头与各连接组件相连，具有耐10MPa压力不刺漏的性能。

其中，模拟混砂车剪切泵35采用与混砂车一致的离心泵，其配有变频控制器，其转速可根据具体现场所用的混砂车上的变频泵速率进行调节，其调节范围在500～5000转之间，如图13所示。

在本发明中，具体实现上，自支撑压裂液与通道压裂液分离器600，与可视化流动模拟单元100相连接，用于对可视化流动模拟单元100流出的(具体从流出孔3以及液体流出管102流出)的自支撑压裂液与通道压裂液的混合液，进行分离，然后将分离获得的自支撑压裂液与通道压裂液，分别返回输出给供液单元400(具体分别输送给用于盛放自支撑压裂液与通道压裂液的两个液桶38)；

具体实现上，自支撑压裂液与通道压裂液分离器600，具体包括中空的分离器壳体6000；

分离器壳体6000的左右两端，分别具有通道压裂液流出口46和混合液流入口45；

混合液流入口45，通过中空的液体流出管102，与可视化流动模拟单元100中主体框架1上的流出孔3相连通；

分离器壳体6000的底部具有自支撑压裂液流出口47；

分离器壳体6000内安装有一个高转速的离心机48；

通道压裂液流出口46，通过中空的连接管道，与供液单元400中用于存储通道压裂液的液桶38顶部(顶部开有进液口)相连通；

自支撑压裂液流出口47，通过中空的连接管道，与供液单元400中用于自支撑压裂液的液桶38顶部(顶部开有进液口相连通。

具体实现上，离心机48，可以采用新乡北方滤器厂生产的SYF-Q系列油水分离设备，该设备处理量可达到:1～20m³/h，工作温度范围在0～ 50℃之间。离心机可以利用其内高速的转动，将自支撑压裂液与通道压裂液迅速两相分离，并在分离后重新各自流入对应的液桶，以保证实验泵注液体的连续进行。

对于本发明，需要说明的是，自支撑压裂液与通道压裂液分离器600 内部有一台高转速的离心机48，转速可达8000转/分钟。根据斯托克斯原理，因自支撑压裂液与通道压裂液存在密度差异与界面张力差异，使自支撑压裂液体系注入自支撑压裂液与通道压裂液分离器600后，被快速加速，通道压裂液迅速上浮并最终从通道压裂液流出口46流出，并回到用于存储通道压裂液的液桶38(即图1中位于前方的液桶，具体通过液桶顶部的进液口)中，而自支撑压裂液快速下沉并从自支撑压裂液流出口34流回到用于存储自支撑压裂液的液桶38(即图1中位于后方的液桶，具体通过液桶顶部的进液口)中。进一步地，利用此装置，两相液体的分离率可达97％以上，可保证实验连续进行2小时以上(无油水分离器，则单次实验只能进行10min)，可满足长时间大排量的模拟实验对液量的要求，如图16所示。

在本发明中，具体实现上，图像采集单元700，具体包括多个(不限于两个)摄像机49；

每个摄像机49的左右两侧分别设置有至少一个补光灯50。

需要说明的是，对于本发明，图像采集单元700，作为图像采集单元，具体可以包括2台无频闪高功率的补光灯50与高速、高像素的摄像机49，在实验中，透过透明的可视化油浴槽20和透明的钢化玻璃7，可以清楚拍摄并记录，在可视化流动模拟单元100内部的自支撑压裂液体系的动态流动、静态分布情况(如图17所示)。

基于以上本发明提供的实验装置，本发明还提供了一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置的导流测定方法，所述方法用于上述所述的装置，具体包括以下步骤：

第一步，将可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300中的各组件水平放置，以及通过可视化夹持控温单元200中的可视化平板夹持固定支架 27，将可视化流动模拟单元100(即可视化动态缝宽模拟自支撑压裂液流动规律的装置)在可视化夹持控温单元200中的可视化油浴槽25内垂直放置，保证油浴油26将可视化流动模拟单元10浸没；

在第一步中，具体实现上，需要保持可视化流动模拟单元100(即可视化动态缝宽模拟自支撑压裂液流动规律的装置)中模拟裂缝(即模拟移动裂缝滑块9)的前后的底端在同一水平面。

第二步，开启可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300、供液单元 400、控压和控流量单元500和自支撑压裂液与通道压裂液分离器600；

在第二步中，需要设置可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300中的启模拟混砂车剪切泵35的转速，以及可视化油浴槽25内油浴油26的温度，以及液压控制器的压力为P_地。

需要说明的是，在本发明中，电动液压泵泵头18、耐震压力表19、调压阀20、液压油流入单向阀21和液压油流出单向阀22，共同组成了液压控制器，通过调压阀20控制电动液压泵头18的工作(液压油流出，此时液压油流入单向阀21开启)，或者控制电动液压泵头18的停止(液压油缓慢流回，此时液压油流出单向阀22开启))，以控制输出的液压压力，并实时地显示在耐震压力表上，以方便控制。

需要说明的是，在第二步中，开启所有控制、检测、拍摄、油水分离装置的电源，确保所有设备都可安全良好地运转。开启模拟混砂车剪切泵 35的开关，并设定模拟混砂车剪切泵35的转速为S(S根据需要模拟的实际混砂车吸液泵排量来确定)。设置可视化油浴槽25内油浴油26的温度为 T_地(此温度根据需要模拟地层裂缝的温度而确定)、液压控制器的压力为 P_地(此压力根据需要模拟地层裂缝的温度而确定)。

第三步，分别在供液单元400中的两个液桶38内倒入配置好的自支撑压裂液与通道压裂液，分别用配液搅拌器37进行充分搅拌后，盖上液桶盖，以免液体挥发，然后，开启用于存储通道压裂液的液桶38对应的双路变频器36，控制该液桶38对应的螺杆泵39缓慢启动，接着，快速设定通道压裂液排量为V_通(V_通为当次施工时通道压裂液的最大排量按截面积的折算排量)。

第四步，迅速开启用于存储自支撑压裂液的液桶38对应的双路变频器 36，控制该液桶38对应的螺杆泵39，快速启动，并根据对应流量计40的读数，控制自支撑压裂液的排量为V_自(V_自为该段设计的自支撑压裂液，按照按截面积的折算排量)；

第五步，保持自支撑压裂液与通道压裂液的注入达到1min后，迅速同时停止自支撑压裂液与通道压裂液的注入，保持油浴油的温度T地与液压控制器P地的压力保持不变，此时同时采用摄像机对拍摄区域同步连续进行录制，记录可视化流动模拟单元100中自支撑压裂液相变的过程与自支撑裂缝的宽度变化，直至自支撑压裂液全部相变完成；

在第五步中，具体实现上，可以同时用多部补光灯对需要摄像的装置进行补光，照度需要达到1000mcd以上，两部高速摄像机需要以短于 1/1000s的快门速度对拍摄区域同步连续进行录制，记录本发明的装置内自支撑压裂液相变的过程与自支撑裂缝的宽度变化，直至自支撑压裂液全部相变完成。

第六步，将供液单元400中用于存储通道压裂液的液桶38内的通道压裂液，更换为清水，并通过控制对应的螺杆泵39以5m³/h驱替清水，此时记录可视化流动模拟单元100上的压力变送器44的压差P_缝。

第七步、根据预设的计算公式，计算获得不同排量下自支撑裂缝的渗透率以及导流能力。

在第七步中，具体实现上，在不同排量下，自支撑裂缝的渗透率的计算公式为：

在公式(1)中：k为支撑剂充填层液测渗透率，μm²；

W_f为支撑剂充填层的厚度，cm；

P_缝为压差，kPa；

μ为测试液体黏度，mPa·s；

Q为液体流量，cm³/min。

L为自支撑压裂液流动规律的装置的长度，cm。

在第七步中，具体实现上，在不同排量下，自支撑裂缝的导流能力的计算公式为：

在公式(2)中：kW_f为支撑剂充填层液测导流能力，μm²·cm；

P_缝为压差，kPa；

μ为测试液体黏度，mPa·s；

此外，本发明提供的动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置的导流测定方法，还包括以下步骤：

第八步、改变液压控制器的P_地压力，重复执行第六步和第七步，即可测定出不同模拟地层闭合应力的自支撑裂缝的导流能力。

需要说明的是，对于本发明，实验可变参数如下：自支撑压裂液与通道压裂液的种类与配方、可视化注液管线、井筒、混砂车模拟单元各组件的放置角度、可视化平板夹持角度、油浴油的设置温度T_地、模拟混砂车剪切泵的转速S、液压泵的设定压力P_地、自支撑压裂液与通道压裂液的排量比例N。在实验结束后将不同参数的自支撑裂缝的导流能力分别进行统计，进而以最佳导流能力为优化指标，即可指导自支撑压裂液的配方优化与自支撑压裂工艺设计。

此外，本发明的方法，还可以包括以下步骤：

第九步，改变实验中变换液体种类或配方和实验结束后，用清洗溶剂清洗两个液桶，并将桶内清洗溶剂以10m3/h的排量分别快速泵送，通过全套流动装置后泵入废液桶。再用清水清洗两个液桶3次，同样将清水泵送通过全套流动装置后泵送至废液桶。

为了更加清楚地理解本发明，下面就本发明的具体组装过程，进行说明如下：

1、前端面方形密封圈10、后端面方形密封圈11分别安装进主体框架 1的前端与后端的内槽中。将O型密封圈12塞入模拟移动裂缝滑块9后端对应的嵌槽中。

2、将装配好O型密封圈的模拟移动裂缝滑块9，平行于主体框架1 的前后端面，装入主体框架1的中间内腔中。将背框背框8通过螺丝安装在主体框架1后侧。

3、将两个固定可调旋钮架4安装在背框背框8的对应孔位上，之后将可调旋钮5通过固定可调旋钮架4内部的螺纹，在拧入过程中保持两根可调旋钮5同时转动，以保证可调旋钮5前端部接触的模拟移动裂缝滑块9 平行于主体框架1的前端面(即正面)移动。以及将固定销6拧入背框背框8上的对应孔位中，使其同时与模拟移动裂缝滑块9的后侧面接触。

4、将钢化玻璃7通过钢化玻璃固定架7安装在对应的位置；

5、最后将注液孔2与流出孔3连接对应尺寸的管线(即自支撑压裂液与通道压裂液的混合液的输入管线以及输出管线，具体为液体注入管 101和液体流出管102)，完成可视化流动模拟单元100的安装。

6、接着，按照图12～17所示，继续安装可视化夹持控温单元200、可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300、供液单元400、控压和控流量单元500、自支撑压裂液与通道压裂液分离器600和图像采集单元700内的组成部件，最终组装获得本发明的实验装置。

为了更加清楚地理解本发明，下面结合具体实施例进行说明如下：

自支撑压裂液体在本发明的研究装置内的流动过程如下：

首先，自支撑压裂液与通道压裂液分别装入两个液桶，以自支撑压裂液注入排量5m3/h，通道压裂液注入排量10m3/h、油浴温度150℃，设置电动液压泵恒定压力为40MPa。此时开始实验，首先，自支撑压裂液与通道压裂液分别以不同的变频螺杆泵被驱替经过可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元300中的模拟地面集输可视化管线、模拟地面集输可视化弯头、模拟混砂车剪切泵、模拟井口可视化弯头、模拟套管和油管管线，此时由高速摄像机拍摄记录下的分布形态如图18所示(白色的点状或粒装颗粒为自支撑压裂液)。之后自支撑压裂液体系通过注液孔进入可视化流动模拟单元100中的空腔之后，在流体压力的作用下通过模拟射孔带斜坡、流出端平面，在此过程中自支撑压裂液受到射孔带剪切与平行空间的剪切后其分布形态如图19所示(透明浅色液体为自支撑压裂液)。之后待自支撑压裂液固化形成自支撑固相后的分布形态如图20所示(深色非透明块状为自支撑压裂液、深色非透明块状为自支撑固相),此时测得自支撑裂缝的在各闭合应力下的导流能力如图21所示。

与现有技术相比较，本发明提供的动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置及其导流测定方法，具有以下的有益技术效果：

1、根据不同该实验参数，本发明的装置可以直观可视化地观察到自支撑压裂液在地面直流动管线、弯流动管线、混砂车、直压裂管线、采油树、套管(油管)、射孔带、地层裂缝内的流动与分布现象。

2、本发明的装置具有独特设计的模拟射孔带流动空间，可以模拟射孔带对自支撑压裂液的分布影响；

3、本发明的装置可以实现在不同地层温度、压力、注液排量下，模拟的不同密度、表面张力、粘度的自支撑压裂液体系在不同宽度的裂缝内的流动现象，进而优化自支撑压裂液和通道压裂液的配方与施工参数和工艺。

4、裂缝宽度根据裂缝内压力动态可调，可模拟真实地层内自支撑固相的分布形态，并测定对应实验参数下自支撑裂缝的导流能力。

5、本发明的装置可实测不同闭合应力下自支撑裂缝的导流能力，得到至关重要的实验结论。

6、本发明的装置可注入强酸或强碱性流体、腐蚀性有机溶剂、适用面广。可模拟自支撑压裂液与不同种类通道压裂液的流动现象。

7、本发明的装置采用端面密封，内部流体压力可达10MPa，满足高注入压力与大排量泵注的要求，更加接近现场模拟施工条件。

8、本发明的装置各组件加工相对简单，可操作性强。

9、本发明的装置组件可拆洗、方便组装、操作简单、实用性强。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提出了一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置及其导流测定方法，其能够在高泵注压力与排量下，直观地观察到模拟射孔带、模拟裂缝内不同液体性质、不同施工参数的自支撑压裂液体系的流动与相变现象，进而研究其影响规律。

对于本发明，通过动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，可以在高泵压与大排量下模拟自支撑压裂液体系在各相关设备(地面直流动管线、弯流动管线、混砂车、直压裂管线、采油树、套管(油管)、射孔带、地层裂缝) 内的流动过程进行全程模拟，记录全程压降与液体形态变化。然后对地层裂缝内的温度与压力条件变化进行模拟，根据压力动态改变缝宽从而将自支撑固相固定在裂缝原处，形成具有一定分布规律的高导流自支撑裂缝，并测定其导流能力。最后，通过改变自支撑压裂液与通道压裂液的各项液体性质、采用不同的施工参数进行多次反复实验，可指导自支撑压裂液的配方优化与自支撑压裂工艺设计。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，其特征在于，包括可视化流动模拟单元(100)、可视化夹持控温单元(200)、可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元(300)、供液单元(400)、控压和控流量单元(500)、自支撑压裂液与通道压裂液分离器(600)和图像采集单元(700)，其中：

可视化流动模拟单元(100)，用于模拟自支撑压裂液体在地层裂缝空间内的流动分布过程和固化过程；

可视化夹持控温单元(200)，与可视化流动模拟单元(100)相连，用于对可视化流动模拟单元(100)内的自支撑压裂液和通道压裂液进行加热，形成自支撑固相；

供液单元(400)，与可视化流动模拟单元(100)相连，用于向控压和控流单元(500)输出自支撑压裂液和通道压裂液；

控压和控流单元(500)，与供液单元(400)，相连接，用于向可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元(300)提供自支撑压裂液和通道压裂液；

可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元(300)，与控压和控流单元(500)相连接，用于模拟注液管线井筒和混砂车对由自支撑压裂液与通道压裂液组成的混合液的输送过程，将控压和控流单元(500)输送过来的由自支撑压裂液与通道压裂液组成的混合液，输送给可视化流动模拟单元(100)；

自支撑压裂液与通道压裂液分离器(600)，与可视化流动模拟单元(100)相连接，用于对可视化流动模拟单元(100)流出的自支撑压裂液与通道压裂液的混合液进行分离，然后将分离获得的自支撑压裂液与通道压裂液，分别返回输送给供液单元(400)；

图像采集单元(700)，用于实时拍摄采集自支撑压裂液在可视化流动模拟单元(100)内的流动分布过程和固化过程，及在可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元(300)内的流动过程。

2.如权利要求1所述的动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，其特征在于，可视化流动模拟单元(100)，具体包括：横向分布的主体框架(1)；

主体框架(1)的正面开口，并且其中部具有一个中间空腔(1000)；

中间空腔(1000)内用于放置横向垂直分布的模拟移动裂缝滑块(9)；

主体框架(1)的正面开口上覆盖设置有钢化玻璃(7)；

主体框架(1)与一个背框(8)的正面固定连接；

主体框架(1)的顶部左右两端，分别开有一个注液孔(2)和流出孔(3)；

中间空腔(1000)的左边，设置有一个注入端内腔(13)，注入端内腔(13)与注液孔(2)相连通；

中间空腔(1000)的右边，设置有流出端内腔(14)，流出端内腔(14)与流出孔(3)相连通；

中间空腔(1000)前端左侧边缘，与注入端内腔(13)前端右侧边缘之间，具有一个第一模拟射孔带斜坡面(151)；

中间空腔(1000)前端右侧边缘，与流出端空腔(14)前端左侧边缘之间，具有一个第一平行裂缝面(161)；

注液孔(2)，与液体注入管(101)相连通；

流出孔(3)，与液体流出管(102)相连通。

3.如权利要求2所述的动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，其特征在于，液体注入管(101)和液体流出管(102)，分别连接与压力变送器(44)的一个测量端；

液体注入管(101)和液体流出管(102)上，还分别安装有一个流入与流出控制开关(43)；

第一模拟射孔带斜坡面(151)是形状为右边靠前，左边靠后的斜面；

第一平行裂缝面(161)与主体框架(1)的正面相互平行；

钢化玻璃(7)的上下两侧，分别具有一个钢化玻璃固定架(17)；

钢化玻璃固定架(17)，与主体框架(1)的正面固定连接。

4.如权利要求3所述的动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，其特征在于，主体框架(1)的正面在多个安装孔(1001)的内侧，设置有一圈方形的凹槽，该凹槽内嵌入有前端面方形密封圈(10)；

主体框架(1)的背面，设置有一圈方形的凹槽，该凹槽用于嵌入后端面方形密封圈(11)。

5.如权利要求1所述的动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，其特征在于，背框(8)的背面左右两端，分别安装有一个纵向分布的固定可调旋钮架(4)；

每个固定可调旋钮架(4)的中心位置以及与该位置对应的背框(8)上，具有一个纵向分布的可调旋钮连接螺纹孔；

该可调旋钮连接螺纹孔，与纵向分布的可调旋钮(5)螺纹连接。

6.如权利要求1所述的动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，其特征在于，可视化夹持控温单元(200)，其是用于油浴加热控温的装置，其具体包括中空透明的可视化油浴槽(25)；

可视化油浴槽(25)内预先存储有油浴油(26)；

可视化油浴槽(25)内的油浴油(26)中，安装有U形的加热管(24)(具体可以为常见的电加热管)；

主体框架(1)以及钢化玻璃(7)，位于油浴油(26)中；

可视化油浴槽(25)的顶部开口；

可视化油浴槽(25)的油浴油(26)中，放入油浴搅拌器(23)的搅拌桨；

可视化油浴槽(25)的右边，设置有一个可视化平板夹持固定支架(27)；

可视化平板夹持固定支架(27)上安装有三个机械爪，用于抓取可视化流动模拟单元(100)；

注液孔(2)，与供液单元(400)相连通；

供液单元(400)，具体包括两个螺杆泵(39)和两个液桶(38)；

两个液桶(38)分别用于盛放自支撑压裂液与通道压裂液；

两个液桶(38)的出液口，分别与两个螺杆泵(39)的入液口相连通；

每个液桶(38)内侧顶部，安装有配液搅拌器(37)；

控压和控流单元(500)，与供液单元(400)相连接，用于向可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元(300)提供自支撑压裂液和通道压裂液；

控压和控流单元(500)具体包括两个流量计(40)、两个耐震压力表(41)和两个单流阀(42)；

每个螺杆泵(39)的出液口所连接的液体输出支路管道(260)上，分别安装有一个流量计(40)、一个耐震压力表(41)和一个单流阀42；

两条液体输出支路管道(260)在汇流后，与可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元(300)中的模拟运输输入管(301)相连通；

可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元(300)具体包括模拟运输输入管(301)；

模拟运输输入管(301)的一端，与控压和控流单元(500)中的两条液体输出支路管道(260)的一端相连通；

模拟运输输入管(301)的另一端，通过密封接头(34)，与

串接在一起的两根模拟地面集输可视化管线(29)的一端相连通；

串接在一起的两根模拟地面集输可视化管线(29)的另一端，通过两个密封接头(34)以及位于两个密封接头(34)之间的连接管道上的模拟混砂车剪切泵(35)，与模拟压裂管线(30)的一端相连通；

模拟压裂管线(30)的另一端，通过密封接头(34)和模拟井口可视化弯头(33)，与模拟套管和油管管线(31)的一端相连通；

模拟套管和油管管线(31)的另一端，与可视化流动模拟单元(100)中的液体注入管(101)相连通；

模拟地面集输可视化管线(29)、模拟压裂管线(30)、模拟套管和油管管线(31)、模拟地面集输可视化弯头(32)以及模拟井口可视化弯头(33)的流入端和流出端，分别与一个管路压降压力变送器(28)的两端接头相连接。

7.如权利要求1所述的动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置，其特征在于，自支撑压裂液与通道压裂液分离器((600))，具体包括中空的分离器壳体((6000))；

分离器壳体(6000)的左右两端，分别具有通道压裂液流出口(46)和混合液流入口(45)；

混合液流入口(45)，通过中空的液体流出管(102)，与可视化流动模拟单元(100)中主体框架(1)上的流出孔(3)相连通；

分离器壳体(6000)的底部具有自支撑压裂液流出口(47)；

分离器壳体(6000)内安装有一个高转速的离心机(48)；

通道压裂液流出口(46)，通过中空的连接管道，与供液单元(400)中用于存储通道压裂液的液桶(38)顶部相连通；

自支撑压裂液流出口(47)，通过中空的连接管道，与供液单元(400)中用于自支撑压裂液的液桶(38)顶部相连通；

图像采集单元(700)，具体包括多个摄像机(49)；

每个摄像机(49)的左右两侧分别设置有至少一个补光灯(50)。

8.一种如权利要求1-7任一项动态裂缝自支撑压裂工艺研究装置的导流测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元(300)中的各组件水平放置，以及通过可视化夹持控温单元(200)中的可视化平板夹持固定支架(27)，将可视化流动模拟单元(100)在可视化夹持控温单元(200)中的可视化油浴槽(25)内垂直放置，保证油浴油(26)将可视化流动模拟单元(10)浸没；

第二步，开启可视化注液管线井筒和混砂车模拟单元(300)、供液单元(400)、控压和控流量单元(500)和自支撑压裂液与通道压裂液分离器(600)；

第三步，分别在供液单元(400)中的两个液桶(38)内倒入配置好的自支撑压裂液与通道压裂液，分别用配液搅拌器(37)进行充分搅拌后，盖上液桶盖，以免液体挥发，然后，开启用于存储通道压裂液的液桶(38)对应的双路变频器(36)，控制该液桶(38)对应的螺杆泵(39)缓慢启动，接着，快速设定通道压裂液排量为V_通；

第四步，迅速开启用于存储自支撑压裂液的液桶(38)对应的双路变频器(36)，控制该液桶(38)对应的螺杆泵(39)快速启动，并根据对应流量计(40)的读数，控制自支撑压裂液的排量为V_自；

第五步，保持自支撑压裂液与通道压裂液的注入达到1min后，迅速同时停止自支撑压裂液与通道压裂液的注入，保持油浴油的温度T_地与液压控制器P_地的压力保持不变，此时同时采用摄像机对拍摄区域同步连续进行录制，记录可视化流动模拟单元(100)中自支撑压裂液相变的过程与自支撑裂缝的宽度变化，直至自支撑压裂液全部相变完成；

第六步，将供液单元(400)中用于存储通道压裂液的液桶(38)内的通道压裂液，更换为清水，并通过控制对应的螺杆泵(39)以5m³/h驱替清水，此时记录可视化流动模拟单元(100)上的压力变送器(44)的压差P_缝；

第七步、根据预设的计算公式，计算获得不同排量下自支撑裂缝的渗透率以及导流能力。

9.如权利要求8所述的导流测定方法，其特征在于，在第七步中，在不同排量下，自支撑裂缝的渗透率的计算公式为：

在公式(1)中：k为支撑剂充填层液测渗透率；

W_f为支撑剂充填层的厚度；

P_缝为压差；

μ为测试液体黏度；

Q为液体流量；

L为自支撑压裂液流动规律的装置的长度。

10.如权利要求8所述的导流测定方法，其特征在于，在第七步中，在不同排量下，自支撑裂缝的导流能力的计算公式为：

在公式(2)中：kW_f为支撑剂充填层液测导流能力；

P_缝为压差；

μ为测试液体黏度。

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