CN116006148A - 煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置和实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置和实验方法，岩样制样模具包括固定架和活动架，固定架和活动架活动连接并围成带有开口的制样模具内腔，活动架能相对固定架运动，并调整岩板厚度；压裂井筒自开口伸入制样模具并被制样原料，即相似材料混合物浇筑于岩板内并通过其注入压裂液对多层岩样压裂，多层岩样包括多个沿岩板厚度方向依次层叠设置的岩板；井筒夹持器位于开口处，岩样制样模具和压裂井筒均和井筒夹持器可拆卸连接，井筒夹持器用于带动压裂井筒沿岩板厚度方向运动。本发明可实现不同岩性、不同厚度组合地层在不同压裂位置进行压裂，应用场景更加广泛，并且能保证压裂井筒不偏离制样模具内腔中心线。

Description

煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置和实验方法

技术领域

本发明属于水平井压裂实验技术领域，尤其涉及一种水平井分段压裂物理模拟的实验装置和实验方法。

背景技术

低渗碎软煤层分布广泛，约占我国煤炭资源总量的60％，煤层气含量高，资源总量大，因此碎软煤层的煤层气开发是国内煤层气开发的研究重点。然而，低渗碎软煤层由于煤岩弹性模量低，地层软，天然割理裂缝发育，对碎软煤储层直接水力压裂改造效果不理想，易形成复杂的裂缝网络。碎软煤塑性强，单条裂缝张开程度有限，形成的裂缝宽而短，易砂堵，砂比难以提升，裂缝最终有效支撑率低，裂缝长度延伸难度大。碎软煤结构破碎，压裂后形成的裂缝易发生垮塌，产生的煤粉会对裂缝通道造成堵塞，从而降低裂缝导流能力。煤岩具有较强的塑性，与压裂常用的石英砂支撑剂易发生镶嵌，进一步降低压裂改造效果。然而，不同地质因素、应力条件及压裂施工参数下的裂缝扩展机理尚未明确。

因此，通过实验室内物理模拟方法研究不同地质因素、应力条件及压裂施工参数下的裂缝扩展机理，可为低渗碎软煤层顶板水平井分段分簇压裂方案设计提供参考。目前提出的水力压裂物理模拟实验方法多为直接在产层进行水平井分段分簇压裂(CN107620585B、CN107420096B、CN107461181B、CN109162687B)。现有的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验的岩板为常规模具制成的300×300×300mm立方体。且常规模具只能制作一种规格尺寸(300×300×300mm)的岩板。当研究由不同岩性、不同厚度的岩板组合成的多层岩样时，常规模具则不能满足要求，而且常规模具无法固定井筒位置，在制样过程中，只能靠手持井筒，将制样原料填入常规模具过程中容易出现井筒偏离模具中心的情况，而井筒是否居中会直接影响水力压裂物理模拟实验的精度，尤其是水平井压裂模拟实验的成败。导致现有实验方法只能模拟单层压裂，无法研究由不同岩性、不同厚度的岩板组合成的多层岩样，不同地层组合的试样制作、制样过程中如何使井筒居中是目前存在的难题。如何最大化利用水力能量尚未出现有效地解决方法。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种水平井分段压裂物理模拟的实验装置和实验方法，旨在解决现有技术无法研究由不同岩性、不同厚度的岩板组合成的多层岩样，不同地层组合的试样制作、制样过程中如何使井筒居中的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置，所述煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置包括：岩样制样模具，包括固定架和活动架，所述固定架和所述活动架活动连接并围成带有开口的制样模具内腔，所述活动架能相对所述固定架运动，并调整所述制样模具内腔的岩板厚度；压裂井筒，自所述开口伸入制样模具内腔内，所述压裂井筒用于被填入的制样原料浇筑于岩板内并通过注入压裂液对多层岩样压裂，所述多层岩样包括多个沿所述岩板厚度方向依次层叠设置的所述岩板；井筒夹持器，位于所述开口处，所述岩样制样模具和所述压裂井筒均和所述井筒夹持器可拆卸连接，所述井筒夹持器用于带动所述压裂井筒沿所述岩板厚度方向运动。

在本发明实施例中，所述固定架包括：支撑板，和所述活动架沿所述岩板厚度方向相对设置；两个固定侧板，沿所述岩板厚度方向延伸并相对间隔设置，所述支撑板沿垂直于所述岩板厚度的方向延伸，且所述支撑板的两端分别垂直连接两个所述固定侧板；底部组件，垂直支撑于所述支撑板、所述固定侧板和所述活动架的底部，所述底部组件包括透明防磨板、网格标尺板和安装板，所述安装板开设有安装槽，所述透明防磨板和所述网格标尺板依次层叠卡接于所述安装槽内，所述安装槽对应所述开口设置。

在本发明实施例中，所述活动架包括：活动平板，和所述支撑板沿所述岩板厚度方向相对设置；垂直板，设置于所述活动平板的端部并和所述活动平板垂直连接，两个所述垂直板沿所述岩板厚度方向延伸并用于和两个所述固定侧板面接触。

在本发明实施例中，所述煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置还包括：紧固架，安装于所述固定侧板，所述紧固架开设有第一螺纹孔；紧固杆，沿所述岩板厚度方向延伸，所述活动平板对应所述第一螺纹孔开设有第二螺纹孔，所述紧固杆穿过所述第一螺纹孔并伸入所述第二螺纹孔，所述紧固杆用于沿所述岩板厚度方向抵紧所述活动平板。

在本发明实施例中，所述紧固架包括：连接杆，两端分别连接两个所述固定侧板，所述垂直板设置有避让所述连接杆的避让缺口；安装块，安装于所述连接杆，且所述安装块的尺寸大于所述连接杆的尺寸，所述第一螺纹孔开设于所述安装块。

在本发明实施例中，所述煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置包括至少两个间隔设置的紧固架；和/或，所述活动平板的外表面设置有向所述紧固架凸出的加强台，所述第二螺纹孔开设于所述加强台。

在本发明实施例中，所述固定侧板上远离所述底部组件的一侧设置有刻度标尺，所述刻度标尺沿所述岩板厚度方向延伸。

在本发明实施例中，所述压裂井筒包括封堵组和外井筒，所述外井筒开设有两组射孔簇，两组所述射孔簇之间的相位角为一百二十度，所述射孔簇包括多个沿所述外井筒延伸方向间隔设设置的向下射孔孔眼，所述封堵组包括多个长度不同的膨胀管，所述膨胀管用于穿设于所述外井筒内并封堵所述向下射孔孔眼；和/或，所述井筒夹持器包括滑杆和导向杆，所述固定架开设有沿所述岩板厚度方向延伸的滑槽，所述滑杆和所述滑槽滑动接触配合，所述导向杆开设有供所述压裂井筒穿过的导向槽，所述导向杆和所述导向槽均沿所述岩板厚度方向延伸，所述导向杆一端和所述固定架固定连接，所述导向杆的另一端和所述活动架活动连接。

本发明还提出一种煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验方法，所述实验方法包括：

将所述井筒夹持器和所述压裂井筒从所述岩样制样模具拆下，根据预设尺寸调节所述活动架，采用所述岩样制样模具进行煤板和底板制作；

将所述压裂井筒、所述井筒夹持器和所述岩样制样模具连接，根据预设顶板厚度调节所述压裂井筒位置，使所述压裂井筒居中，根据预设顶板厚度调节所述活动架，采用所述岩样制样模具进行顶板制作；

将所述顶板、所述煤板和所述底板依次从上向下依次层叠连接，并形成多层岩样；

采用所述压裂井筒进行分段封堵法，使所述多层岩样分段压裂，在压裂过程中记录压裂数据、泵注压力曲线，当所述注液泵中压裂液注完时停止实验并保存压裂数据，沿裂缝面剖切所述多层岩样，根据压裂数据、泵注压力曲线以及裂缝剖面分析裂缝扩展机理。

在本发明实施例中，所述采用所述压裂井筒进行分段封堵法，使所述多层岩样分段压裂包括：

将所述多层岩样放入真三轴水力压裂设备的样品加载腔中，分别组装所述真三轴水力压裂设备侧面加载围压的千斤顶和顶部的轴压顶盖，接着将所述真三轴水力压裂设备的主压力仓密封并连接油压管线；

将所述真三轴水力压裂设备的三向应力同时加载到三向应力最小值，所述三向应力包括垂直于所述多层岩样方向的垂向应力、平行于所述压裂井筒方向的最小水平主应力、平行于所述多层岩样另一方向的最大水平主应力；

将所述最小水平主应力、所述最大水平应力和所述垂向应力中未达到设置应力值的应力增大到设置应力值，完成应力加载后，将所述多层岩样静置预设时长，使所述多层岩样内部达到应力平衡。

在压裂液中注入带色染料作为示踪剂，用注液泵将压裂液吸入，将所述注液泵的注液管与所述压裂井筒连接，采用所述注液泵向所述压裂井筒注高压压裂液。

通过上述技术方案，本发明实施例所提供的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置具有如下的有益效果：

岩板的指定厚度确定后，可根据岩板厚度相对固定架移动活动架，使制样模具内腔的岩板厚度和指定厚度匹配，通过开口向制样模具内腔内填充制样原料。在不需要压裂井筒浇筑于岩板内的情况下，可将井筒夹持器和压裂井筒相对岩样制样模具拆卸，在需要将压裂井筒浇筑于岩板内的情况下，可将井筒夹持器安装于岩样制样模具，并使压裂井筒和井筒夹持器连接。通过相对岩样制样模具带动井筒夹持器运动，调整压裂井筒相对岩样制样模具的位置至指定位置，使压裂井筒和制样模具内腔的中心线平行，使压裂井筒始终保持居中且无需手持压裂井筒，可避免制样原料填入制样模具内腔过程中，压裂井筒偏离制样模具内腔中心线的情况，避免水力压裂物理模拟实验因压裂井筒偏移而造成实验失败的情况。在采用岩样制样模具制作完成其中一层岩板，并完成岩板脱模后，可根据另一层岩板的指定厚度，使制样模具内腔的岩板厚度和指定厚度匹配，在多层岩样制作完成后，可层叠形成复合地层的多层岩样，制作效果更好，并可模拟不同压裂位置。本发明可实现不同岩性、不同厚度组合地层在不同压裂位置进行压裂，应用场景更加广泛，通过研究不同地质因素、应力条件及压裂施工参数下的裂缝扩展机理，可为低渗碎软煤板顶板水平井压裂方案设计提供参考；并且能保证压裂井筒不偏离制样模具内腔中心线，提高了水平井分段压裂物理模拟的实验精确性。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例中煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例中煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置的岩样制样模具结构示意图；

图3是根据本发明一实施例中煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置的井筒夹持器、压裂井筒结构示意图；

图4是根据本发明一实施例中煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置的压裂井筒结构示意图；

图5是根据本发明一实施例中煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置的压裂井筒分段压裂过程中的结构示意图；

图6是根据本发明另一实施例中煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置的岩样制样模具结构示意图；

图7是根据本发明再一实施例中煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置的岩样制样模具结构示意图；

图8是根据本发明一实施例中多层岩样配合压裂井筒的结构示意图；

图9是根据本发明一实施例中煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置的底部组件结构示意图；

图10是根据本发明一实施例中煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验方法的流程示意图。

附图标记说明

标号     名称                   标号        名称

100      煤层顶板水平井分段压   21          膨胀管

         裂物理模拟的实验装置

1        岩样制样模具           2           压裂井筒

11       固定架                 22          外井筒

111      支撑板                 221         射孔簇

112      固定侧板               23          阻流环

1121     滑槽                   3           井筒夹持器

1122     刻度标尺               31          滑杆

113      底部组件               32          导向杆

1131     网格标尺板             321         导向槽

1132     透明防磨板             4           紧固架

1133     安装板                 41          连接杆

12       活动架                 42          安装块

121      活动平板               5           紧固杆

122      加强台                 200         多层岩样

123      垂直板                 210         煤板

1231     避让缺口               220         底板

13       制样模具内腔           230         顶板

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

下面参考附图描述根据本发明的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置。

如图1至图7所示，在本发明的实施例中，煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置100包括岩样制样模具1、压裂井筒2和井筒夹持器3；岩样制样模具1包括固定架11和活动架12，固定架11和活动架12活动连接并围成带有开口的制样模具内腔13，活动架12能相对固定架11运动，并调整制样模具内腔13的岩板厚度；压裂井筒2自开口伸入制样模具内腔13内，压裂井筒2用于被填入的制样原料浇筑于岩板内并通过注入压裂液对多层岩样200压裂，多层岩样200包括多个沿岩板厚度方向依次层叠设置的岩板；井筒夹持器3位于开口处，岩样制样模具1和压裂井筒2均和井筒夹持器3可拆卸连接，井筒夹持器3用于带动压裂井筒2沿岩板厚度方向运动。可以理解地，本实施例中的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置100主要应用于多层岩样200的制作，多层岩样200可包括多层依次层叠设置的岩板，多个岩板可为顶板230、煤板210和底板220。

当确定岩板的指定厚度确定后，可根据岩板厚度相对固定架11移动活动架12，使制样模具内腔13的岩板厚度和指定厚度匹配，通过开口向制样模具内腔13内填充制样原料。在不需要压裂井筒2浇筑于岩板内的情况下，可将井筒夹持器3和压裂井筒2相对岩样制样模具1拆卸，在需要将压裂井筒2浇筑于岩板内的情况下，可将井筒夹持器3安装于岩样制样模具1，并使压裂井筒2和井筒夹持器3连接。通过相对岩样制样模具1带动井筒夹持器3运动，调整压裂井筒2相对岩样制样模具1的位置至指定压裂位置，使压裂井筒2和制样模具内腔13的中心线平行，使压裂井筒2始终保持居中且无需手持压裂井筒2，可避免制样原料填入制样模具内腔13过程中，压裂井筒2偏离制样模具内腔13中心线的情况，避免水力压裂物理模拟实验因压裂井筒2偏移而造成实验失败的情况。在采用岩样制样模具1制作完成其中一层岩板，并完成岩板脱模后，可根据另一层岩板的指定厚度，使制样模具内腔13的岩板厚度和指定厚度匹配，在多层岩样200制作完成后，可层叠形成复合地层的多层岩样200，制作效果更好，并可模拟不同压裂位置。本实施例可实现不同岩性、不同厚度组合地层在不同压裂位置进行压裂，应用场景更加广泛，通过研究不同地质因素、应力条件及压裂施工参数下的裂缝扩展机理，可为低渗碎软煤板210顶板230水平井压裂方案设计提供参考；并且能保证压裂井筒2不偏离制样模具内腔13中心线，提高了水平井分段压裂物理模拟的实验精确性。

如图1、图6和图7所示，固定架11包括支撑板111、两个固定侧板112和底部组件113；支撑板111和活动架12沿岩板厚度方向相对设置；两个固定侧板112沿岩板厚度方向延伸并相对间隔设置，支撑板111沿垂直于岩板厚度的方向延伸，且支撑板111的两端分别垂直连接两个固定侧板112；底部组件113垂直支撑于支撑板111、固定侧板112和活动架12的底部，底部组件113包括透明防磨板1132、网格标尺板1131和安装板1133，安装板1133开设有安装槽，透明防磨板1132和网格标尺板1131依次层叠卡接于安装槽内，安装槽对应开口设置。

本实施例中的岩板厚度方向为图1中的前后方向，开口位于制样模具内腔13的上端，压裂井筒2沿上下方向延伸，两个固定侧板112沿左右方向相对设置。当岩板厚度确定后，可先将底部组件113、两个固定侧板112和支撑板111用螺丝固定，然后将活动架12移动到预定位置，并通过刻度标尺1122和网格标尺板1131对活动架12校准，由于岩样制样模具1的尺寸通常较大，需采用上部的刻度标尺1122和下部的网格标尺1131共同使用，校准岩板的尺寸，能避免岩板平行度不够、组合岩板时困难等情况，然后将活动架12相对固定架11固定，将井筒夹持器3固定在岩样制样模具1顶端的开口处，并将压裂井筒2固定在井筒夹持器3上。如图9所示，透明防磨板1132、网格标尺板1131和安装板1133沿上下方向依次层叠设置，且透明防磨板1132的外表面和安装槽的槽口平齐，透明防磨板1132可采用透明钢化玻璃，网格标尺板1131可采用网格钢尺，安装板1133可采用钢板，可提高底部组件113的使用稳定性。本实施例中的支撑板111为U型板，固定侧板112为L型板，固定侧板112包括固定板和连接板，固定板和连接板垂直连接，且连接板和安装板1133面接触，并能通过螺钉、螺栓等连接件连接。

在一实施例中，活动架12包括活动平板121和垂直板123；活动平板121和垂直板123可以一体成型，也可以采用分体结构；活动平板121和支撑板111沿岩板厚度方向相对设置；垂直板123设置于活动平板121的端部并和活动平板121垂直连接，两个垂直板123沿岩板厚度方向延伸并用于和两个固定侧板112面接触。本实施例中的活动架12和支撑板111形状、尺寸相同，均为U型板，垂直板123位于活动平板121的左右两端，本实施例中通过垂直板123可增大活动架12和固定架11的连接面积，并能保证制样模具内腔13的垂直度。

如图1所示，煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置100还包括紧固架4和紧固杆5；紧固架4安装于固定架11，紧固架4开设有第一螺纹孔；紧固杆5沿岩板厚度方向延伸，活动平板121对应第一螺纹孔开设有第二螺纹孔，紧固杆5穿过第一螺纹孔并伸入第二螺纹孔，紧固杆5用于沿岩板厚度方向抵紧活动平板121。通过在刻度标尺1122和网格标尺板1131对活动架12和压裂井筒2校准，可通过转动紧固杆5使紧固杆5和第一螺纹孔、第二螺纹孔螺纹连接，使紧固杆5将固定架11和活动架12相对固定连接，使活动架12紧固于固定架11。

在本发明实施例中，紧固架4包括连接杆41和安装块42；连接杆41两端分别连接两个固定侧板112，垂直板123设置有避让连接杆41的避让缺口1231；安装块42安装于连接杆41，且安装块42的尺寸大于连接杆41的尺寸，第一螺纹孔开设于安装块42。本实施例中的连接杆41左右两端可通过螺钉、螺栓等连接件和固定侧板112连接，垂直板123对应连接杆41开设的避让缺口1231尺寸大于连接杆41的截面尺寸，从而方便固定架11和活动架12之间的调整和拆装。本实施例中通过在连接杆41的中部设置安装块42，从而增大紧固杆5和紧固架4之间的配合面积。

在本发明实施例中，煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置100包括至少两个间隔设置的紧固架4；并且活动平板121的外表面设置有向紧固架4凸出的加强台122，第二螺纹孔开设于加强台122。如图1所示，本实施例中的两个紧固架4沿上下方向间隔设置，加强台122对应安装块42设置，且加强台122的形状和安装块42的形状相匹配。本实施例中可通过多个紧固架4、紧固杆5对活动架12和固定架11进行紧固，提高了活动架12和固定架11之间的连接稳定性。

在本发明实施例中，固定侧板112上远离底部组件113的一侧设置有刻度标尺1122，刻度标尺1122沿岩板厚度方向延伸。本实施例中的刻度标尺1122位于固定侧板112的上端，网格标尺板1131位于固定侧板112的下端，通过上下两端的刻度标尺1122和网格标尺对活动架12和压裂井筒2进行校准，提高了活动架12校准的便利性和精确性。

如图2至图5所示，压裂井筒2包括封堵组和外井筒22，外井筒22开设有两组射孔簇，两组射孔簇之间的相位角为一百二十度，射孔簇包括多个沿外井筒22延伸方向间隔设设置的射孔簇221，封堵组包括多个长度不同的膨胀管21，膨胀管21用于穿设于外井筒22内并封堵射孔簇221。

现有技术中的压裂井筒2多为螺旋射孔压裂井筒2或定向射孔压裂井筒2，压裂效果不佳；两组射孔簇之间的相位角为一百二十度，120°相位角双侧向下射孔孔眼221既可节约水力能量与操作成本，有效造缝，又能避免煤粉产生与运移造成的压裂失效，有效改造体积大，裂缝延伸好。本实施例中的膨胀管21可采用石油膨胀管21，石油膨胀管21管材具有高强度、高延伸率、低回弹，应用极广，效果良好。节约大量的原材料。借鉴修井中广泛应用、效果良好的膨胀管21技术，本实施例的压裂井筒2采用膨胀管21对不压裂井段的向下射孔孔眼221进行封堵，从而实现分段压裂的目的。封堵组为不同长度的膨胀管21，封堵法外井筒22相互配合实现分段压裂，实验时压裂某一段时，通过液压的方式使膨胀管21直径增大，从而将膨胀管21固定在外井筒22内壁上，将其他段的射孔簇221封闭，使压裂液只能通过当前压裂段的射孔簇221沿射孔簇进入岩板进行压裂。如图5所示，在一实施例中，压裂第一段、第二段、第三段时压裂井筒2剖面示意图，从压裂井筒2底部到井口的方向分别设置有第一段、第二段、第三段，通过不同长度的膨胀管2依次对第一段、第二段、第三段进行压裂。

如图4所示，采用120°相位角双侧向下射孔孔眼221，外井筒22由45号钢管切削而成，外径14mm，内径10mm。外井筒22由位于井口处的井口圆管和连接于井口圆管下端的井下空心圆管组成，井口圆管长30mm，井下空心圆管长250mm，井口圆管分为2段，1段外径18mm，厚度20mm，两侧切平，长16mm，作为扳手紧固的着力点；另一段外径14mm，厚10mm，外壁车有螺纹，用于连接注液管。井下空心圆管由3段长度均为80mm的水平井段和长度为10mm的井底密封块组成，压裂井筒2上设计阻流环23分节分段，阻流环23为外径18mm、厚度10mm的钢制圆盘。阻流环23能有助于分段压裂，防止压裂液窜流，避免段间干扰。6个直径2mm的射孔簇221按照120°相位角均匀分布在外井筒22上，任意相邻的两个射孔簇221之间的间距为40mm，射孔簇221的簇长2mm，由纸缠绕细铁丝卷成的纸筒并插入外井筒22做成。

并且，本实施例中的井筒夹持器3包括滑杆31和导向杆32，固定架11开设有沿岩板厚度方向延伸的滑槽1121，滑杆31和滑槽1121滑动接触配合，导向杆32开设有供压裂井筒2穿过的导向槽321，导向杆32和导向槽321均沿岩板厚度方向延伸，导向杆32一端和固定架11固定连接，导向杆32的另一端和活动架12活动连接。

固定侧板112的顶部设置活动滑槽1121，滑杆31与螺钉配合，用于带动压裂井筒2的滑动；支撑板111和活动架12的顶部设置有螺纹孔，可固定井筒夹持器3。

本实施例中的井筒夹持器3呈“十字架”型，可通过螺母和垫片与压裂井筒2顶部连接，用于固定压裂井筒2。“十字架”型井筒夹持器3通过螺钉与岩样制样模具1连接，平行于紧固杆5方向的导向杆32可采用钢条，钢条中部挖出300mm长的导向槽321，滑杆31的两端通过螺钉与岩样制样模具1的滑槽1121连接，可在岩样制样模具1左右两固定侧板112顶端的滑槽1121移动，带动压裂井筒2在导向槽321中滑动。

在一实施例中，岩样制样模具1整体由5块钢板组成，各板的边缘打出螺纹口，通过螺钉将各板固定，形成300×300×300mm的制样模具内腔13。岩样制样模具1顶部设置井筒夹持器3。制作岩板时，岩样制样模具1前端的支撑板111用螺丝固定，活动架12顶部中心设置一个螺纹孔，与井筒夹持器3上的活动螺钉连接。岩样制样模具1左右两个固定侧板112的顶部黏贴有300mm规格的钢尺，其刻度范围与模具内腔平齐；底部组件113中央有网格标尺板1131。

如图4、图8以及图10所示，本发明还提出一种煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验方法，实验方法包括：

步骤S1，将井筒夹持器3和压裂井筒2从岩样制样模具1拆下，根据预设尺寸调节活动架12，采用岩样制样模具1进行煤板210和底板220制作；

步骤S2，将压裂井筒2、井筒夹持器3和岩样制样模具1连接，根据预设压裂井筒2位置调节压裂井筒2位置，使压裂井筒2居中，根据预设顶板厚度调节活动架12，采用岩样制样模具1进行顶板230制作；

步骤S3，将顶板230、煤板210和底板220依次从上向下依次层叠连接，并形成多层岩样200；

步骤S4，采用压裂井筒2进行分段封堵法，使多层岩样200分段压裂，通过不同长度膨胀管21依次对第一段、第二段、第三段进行压裂。在压裂过程中记录压裂数据、泵注压力曲线，当注液泵中压裂液注完时停止实验并保存压裂数据，沿裂缝面剖切多层岩样200，根据压裂数据、泵注压力曲线以及裂缝剖面分析裂缝扩展机理。

根据物性分析和岩石力学参数测试结果对煤板210的相似材料进行配比优选，其中，碎粒煤的弹性模量7GPa，泊松比0.33；砂岩顶、底板220的弹性模量53GPa，泊松比0.24；泥岩顶底板220的弹性模量21GPa，泊松比0.3。煤板210的制样原料及制样原料配比为碎粒煤：水泥：石英砂：水＝4:3:1:1.6。砂岩顶、底板220的制样原料及制样原料配比为水泥：石英砂：水＝1:1:0.45；泥岩顶、底板220的制样原料及制样原料配比为水泥：石英砂：黏土：水＝1:3:0.08:0.8。其中，水泥为325水泥，石英砂为40-80目石英砂，黏土由高岭石和蒙脱石按1:1的比例混合而成。

本实施例在煤板210的邻近层顶板230进行压裂，使裂缝垂向扩展进入煤板210，从而对煤板210进行间接压裂改造，现有实验方法大多模拟单层压裂，本实施例可模拟多层复合地层的压裂。顶板230间接压裂能够避免在低渗碎软煤板210中直接压裂的诸多问题，煤板210改造体积大，裂缝延伸效果好；降低了压裂施工压力，提高了安全性；后期排采期间，煤粉产出量降低，保障了排采的连续性，增产效果明显。

其中煤板210制作流程为：

①煤样准备。将构造煤击碎并用3cm、的筛子进行筛分，将粒径粒径<3cm的煤粒，以模拟碎粒煤，将粒径<3cm的煤粒放置在容器中备用；

②量取。按照各岩板所确定的配比，用电子秤称取各种材料；

③拌匀。把材料倒入搅拌机中进行搅拌，直至搅拌均匀；

④模具准备。按照预设尺寸组装好岩样制样模具1，将岩样制样模具1清理干净，并在岩样制样模具1的制样模具内腔13表层涂抹一层油以便煤板与模具更容易分离；

⑤填料成型。将搅拌均匀的混合物装入制样模具内腔13中并用铲子抹平表面；

⑥养护3天。标注试件编号和制作日期，放在干燥通风处等待试样凝固，每天浇少量水以防止试样龟裂成缝。

⑦拆模。将试样从模具中取出。

⑧养护4周。将取出的试样放在干燥通风处待试件的力学参数趋于稳定，每天浇少量水防止试样龟裂成缝。

同理按照上面的操作步骤来进行顶板230以及底板220的制作，顶板230制作时需要将压裂井筒2浇筑在顶板230中。

其中，顶板230制作：

①材料准备。根据顶板230制作需求准备石英砂、水泥、黏土，或者准备高岭石和蒙脱石；

②量取。按照所确定的配比，用电子秤称取各种材料；

③拌匀。把材料倒入搅拌机中进行搅拌，直至搅拌均匀；

④用钳子将硬铁丝剪成长2cm的小段，用剪刀将A4纸剪成2cm宽的纸条，用纸条将小段铁丝缠成纸筒用于模拟向下射孔孔眼221，将纸筒插入外井筒22的射孔孔眼。

⑤模具准备。按照设计的岩板尺寸组装好岩样制样模具1，将准备好的压裂井筒2固定在井筒夹持器3上，安装好井筒夹持器3，使压裂井筒2固定在预设位置，将岩样制样模具1清理干净，并在制样模具内腔13表层涂抹一层油以便顶板230与模具更容易分离；

⑥填料成型。将搅拌均匀的混合物装入模具中，然后用铲子抹平表面；

⑦养护3天。标注试件编号和制作日期，放在干燥通风处等待试样凝固，每天浇少量水防止试样龟裂成缝。

⑧拆模。将试样从模具中取出。

⑨养护4周。将取出的试样放在干燥通风处待试件的力学参数趋于稳定，每天浇少量水防止试样龟裂成缝。

将顶板230、煤板210和底板220依次从上向下依次层叠连接，并形成多层岩样200的制作流程。

①调制环氧树脂胶。用电子天平按照重量比3：1称取环氧树脂胶的A、B胶，用搅拌棒搅拌均匀，放置在小烧杯中备用；

②准备岩板。将养护干燥的顶板230、煤板210、底板220进行组合，用钢尺量好尺寸，合计295mm。

③涂胶。将配置好的环氧树脂胶用刮板均匀的涂抹在顶板230、煤岩交界处，依次放上岩板进行粘接，然后用重物压好，再次用钢尺量好尺寸，高300mm。

本实施例中的通过岩样制样模具1制作多层岩样200，并将压裂井筒2浇筑在顶板230中，能进行间接分段压裂，在产层的邻近层进行压裂，使裂缝垂向扩展进入煤板210，从而对煤板210进行间接压裂改造，可充分利用水力能量，根据压裂数据、泵注压力曲线以及裂缝剖面分析裂缝扩展机理能精确研究不同岩性、不同厚度的岩板组合成的多层岩样200。

采用压裂井筒2进行分段封堵法，使多层岩样200分段压裂包括：

将多层岩样200放入真三轴水力压裂设备的样品加载腔中，分别组装真三轴水力压裂设备侧面加载围压的千斤顶和顶部的轴压顶盖，接着将真三轴水力压裂设备的主压力仓密封并连接油压管线；

将真三轴水力压裂设备的三向应力同时加载到三向应力最小值，三向应力包括垂直于多层岩样200方向的垂向应力、平行于压裂井筒2方向的最小水平主应力、平行于多层岩样200另一方向的最大水平主应力，其中，三向应力最小值可通过对比垂向应力、最小水平主应力和最大水平主应力三个值的设置应力值大小，将最小的设置应力值作为三向应力最小值；

将最小水平主应力、最大水平应力和垂向应力中未达到设置应力值的应力增大到设置应力值，完成应力加载后，将多层岩样200静置预设时长，使多层岩样200内部达到应力平衡。

在压裂液中注入带色染料作为示踪剂，用注液泵将压裂液吸入，将注液泵的注液管与压裂井筒2连接，采用注液泵向压裂井筒2注高压压裂液，依次对压裂井筒2的第一段、第二段、第三段进行压裂。

本实施例中的多层岩样200为三层岩板，具体将三层岩板放入真三轴水力压裂设备的样品加载腔中，分别组装真三轴水力压裂设备侧面加载围压的千斤顶和顶部的轴压顶盖，接着将真三轴水力压裂设备的主压力仓用螺栓密封，连接油压管线。

在模拟三向应力时，在垂直于三层岩板方向加垂向应力，沿着平行于压裂井筒2的方向加载最小水平主应力，沿平行于岩板的另一方向加载最大水平主应力。

为避免应力不平衡加载，先将三向应力同时加载到三向应力最小值，然后最小水平主应力、最大水平应力和垂向应力中未达到设置应力值的应力增大到设置应力值，完成三向应力加载。在完成应力加载后静置30分钟使试样内部达到应力平衡。

为了更好地观察水力裂缝延伸规律，在压裂液中加入一定量的绿色染料作为压裂液的示踪剂。用注液泵将压裂液吸入泵内，将注液管与压裂井筒2连接，并给注液泵加上泵压。采用计算机液压伺服泵注系统向模拟压裂井筒2中泵注高压液体。

按照顺序依次进行压裂井筒2的第一段、第二段和第三段压裂。压裂第一段前，通过膨胀管21使压裂井筒2第一段的向下射孔孔眼221保持开启，同时使第二段和第三段的向下射孔孔眼221密封。

准备完后，在控制页面设置排量并运行，按设计的恒定排量进行注液压裂，开始压裂多层岩样并记录压裂数据，观察泵注压力曲线，当注液泵中液体即将注完时停止实验并保存压裂数据。

压裂第二段前，通过膨胀管21使压裂井筒2第二段的向下射孔孔眼221保持开启，同时使第一段和第三段的向下射孔孔眼221密封，按照上述实验方法进行压裂。

压裂第三段前，通过膨胀管21使压裂井筒2第三段的向下射孔孔眼221保持开启，同时使第一段和第二段的向下射孔孔眼221密封，按照上述实验方法进行压裂。

三段压裂完成后先放空泵压，后缓慢卸除围压，拆卸压裂设备并取出试样。沿着裂缝面剖切多层岩样，观察裂缝形态和示踪剂分布情况，分析裂缝扩展规律。

在一实施例中，压裂井筒2距顶板230与煤板210之间的交界面25mm。采用岩样制样模具1，分别制作厚度为175mm的砂岩顶板230、厚度为75mm的煤板210和厚度为45mm的砂岩底板220，预留5mm作为地层间上下地层界面的厚度，即胶水凝固后的厚度。

在另一实施例中，压裂井筒2在顶板230与煤板210之间的交界面附近，压裂井筒2采用120°相位角双侧向下射孔孔眼221，分别制作厚度为145mm的泥岩顶板230、厚度为75mm的煤板210和厚度为70mm的泥岩底板220，预留5mm作为地层间上下地层界面的厚度，即胶水凝固后的厚度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置，其特征在于，所述煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置(100)包括：

岩样制样模具(1)，包括固定架(11)和活动架(12)，所述固定架(11)和所述活动架(12)活动连接并围成带有开口的制样模具内腔(13)，所述活动架(12)能相对所述固定架(11)运动，并调整所述制样模具内腔(13)的岩板厚度；

压裂井筒(2)，自所述开口伸入制样模具内腔(13)内，所述压裂井筒(2)用于被填入的制样原料浇筑于岩板内并通过注入压裂液对多层岩样(200)压裂，所述多层岩样(200)包括多个沿所述岩板厚度方向依次层叠设置的所述岩板；

井筒夹持器(3)，位于所述开口处，所述岩样制样模具(1)和所述压裂井筒(2)均和所述井筒夹持器(3)可拆卸连接，所述井筒夹持器(3)用于带动所述压裂井筒(2)沿所述岩板厚度方向运动。

2.根据权利要求1所述的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置，其特征在于，所述固定架(11)包括：

支撑板(111)，和所述活动架(12)沿所述岩板厚度方向相对设置；

两个固定侧板(112)，沿所述岩板厚度方向延伸并相对间隔设置，所述支撑板(111)沿垂直于所述岩板厚度方向延伸，且所述支撑板(111)的两端分别垂直连接两个所述固定侧板(112)；

底部组件(113)，垂直支撑于所述支撑板(111)、所述固定侧板(112)和所述活动架(12)的底部，所述底部组件(113)包括透明防磨板(1132)、网格标尺板(1131)和安装板(1133)，所述安装板(1133)开设有安装槽，所述透明防磨板(1132)和所述网格标尺板(1131)依次层叠卡接于所述安装槽内，所述安装槽对应所述开口设置。

3.根据权利要求2所述的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置，其特征在于，所述活动架(12)包括：

活动平板(121)，和所述支撑板(111)沿所述岩板厚度方向相对设置；

垂直板(123)，设置于所述活动平板(121)的端部并和所述活动平板(121)垂直连接，两个所述垂直板(123)沿所述岩板厚度方向延伸并用于和两个所述固定侧板(112)面接触。

4.根据权利要求3所述的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置，其特征在于，所述煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置(100)还包括：

紧固架(4)，安装于所述固定侧板(112)，所述紧固架(4)开设有第一螺纹孔；

紧固杆(5)，沿所述岩板厚度方向延伸，所述活动平板(121)对应所述第一螺纹孔开设有第二螺纹孔，所述紧固杆(5)穿过所述第一螺纹孔并伸入所述第二螺纹孔，所述紧固杆(5)用于沿所述岩板厚度方向抵紧所述活动平板(121)。

5.根据权利要求4所述的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置，其特征在于，所述紧固架(4)包括：

连接杆(41)，两端分别连接两个所述固定侧板(112)，所述垂直板(123)设置有避让所述连接杆(41)的避让缺口(1231)；

安装块(42)，安装于所述连接杆(41)，且所述安装块(42)的尺寸大于所述连接杆(41)的尺寸，所述第一螺纹孔开设于所述安装块(42)。

6.根据权利要求4所述的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置，其特征在于，所述煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置(100)包括至少两个间隔设置的紧固架(4)；

和/或，

所述活动平板(121)的外表面设置有向所述紧固架(4)凸出的加强台(122)，所述第二螺纹孔开设于所述加强台(122)。

7.根据权利要求2至6中任意一项所述的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置，其特征在于，所述固定侧板(112)上远离所述底部组件(113)的一侧设置有刻度标尺(1122)，所述刻度标尺(1122)沿所述岩板厚度方向延伸。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置，其特征在于，所述压裂井筒(2)包括封堵组和外井筒(22)，所述外井筒(22)开设有两组射孔簇，两组所述射孔簇之间的相位角为一百二十度，所述射孔簇包括多个沿所述外井筒(22)延伸方向间隔设置的向下射孔孔眼(221)，所述封堵组包括多个长度不同的膨胀管(21)，所述膨胀管(21)用于穿设于所述外井筒(22)内并封堵所述向下射孔孔眼(221)；

和/或，

所述井筒夹持器(3)包括滑杆(31)和导向杆(32)，所述固定架(11)开设有沿所述岩板厚度方向延伸的滑槽(1121)，所述滑杆(31)和所述滑槽(1121)滑动接触配合，所述导向杆(32)开设有供所述压裂井筒(2)穿过的导向槽(321)，所述导向杆(32)和所述导向槽(321)均沿所述岩板厚度方向延伸，所述导向杆(32)一端和所述固定架(11)固定连接，所述导向杆(32)的另一端和所述活动架(12)活动连接。

9.一种应用于权利要求1至8中任意一项煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验装置的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验方法，其特征在于，所述实验方法包括：

将所述井筒夹持器(3)和所述压裂井筒(2)从所述岩样制样模具(1)拆下，根据预设尺寸调节所述活动架(12)，采用所述岩样制样模具(1)进行煤板(210)和底板(220)制作；

将所述压裂井筒(2)、所述井筒夹持器(3)和所述岩样制样模具(1)连接，根据预设顶板厚度调节所述压裂井筒(2)位置，使所述压裂井筒(2)居中，根据预设顶板厚度调节所述活动架(12)，采用所述岩样制样模具(1)进行顶板(230)制作；

将所述顶板(230)、所述煤板(210)和所述底板(220)依次从上向下依次层叠连接，并形成多层岩样(200)；

采用所述压裂井筒(2)进行分段封堵法，使所述多层岩样(200)分段压裂，在压裂过程中记录压裂数据、泵注压力曲线，当所述注液泵中压裂液注完时停止实验并保存压裂数据，沿裂缝面剖切所述多层岩样(200)，根据压裂数据、泵注压力曲线以及裂缝剖面分析裂缝扩展机理。

10.根据权利要求9所述的煤层顶板水平井分段压裂物理模拟的实验方法，其特征在于，所述采用所述压裂井筒(2)进行分段封堵法，使所述多层岩样(200)分段压裂包括：

将所述多层岩样(200)放入真三轴水力压裂设备的样品加载腔中，分别组装所述真三轴水力压裂设备侧面加载围压的千斤顶和顶部的轴压顶盖，接着将所述真三轴水力压裂设备的主压力仓密封并连接油压管线；

将所述真三轴水力压裂设备的三向应力同时加载到三向应力最小值，所述三向应力包括垂直于所述多层岩样(200)方向的垂向应力、平行于所述压裂井筒(2)方向的最小水平主应力、平行于所述多层岩样(200)另一方向的最大水平主应力；

将所述最小水平主应力、所述最大水平应力和所述垂向应力中未达到设置应力值的应力增大到设置应力值，完成应力加载后，将所述多层岩样(200)静置预设时长，使所述多层岩样(200)内部达到应力平衡；

在压裂液中注入带色染料作为示踪剂，用注液泵将压裂液吸入，将所述注液泵的注液管与所述压裂井筒(2)连接，采用所述注液泵向所述压裂井筒(2)注高压压裂液。

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