可视的岩石水力压裂平面问题的物理实验系统及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010089625.5 (22)申请日 2020.02.12 (71)申请人 山东大学 地址 250061 山东省济南市历下区经十路 17923号 (72)发明人 段抗王路超张强勇李雪剑 周新宇 (74)专利代理机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 37221 代理人 赵敏玲 (51)Int.Cl. G09B 23/40(2006.01) (54)发明名称 一种可视的岩石水力压裂平面问题的物理 实验系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种可视的岩石水力压裂平 面问题的物理。

2、实验系统及方法， 包括地应力加载 及控制系统； 水力伺服泵压系统； 裂缝表面观测 系统； 内部变形与应力监测系统； 地应力加载及 控制系统用于向试样施加围压以模拟储层地应 力； 水力伺服泵压系统用于向试样中泵入压裂 液； 裂缝表面观测系统用于监测和记录压裂过程 中的裂缝动态演化过程并对裂缝的演化过程进 行分析处理； 内部变形与应力监测系统用于监测 水力裂缝扩展过程中试样内部的诱导应力演化 规律和试样变形特性。 此系统及方法可以解决上 述岩石水力压裂物理实验存在的问题， 对于发现 多簇压裂新现象， 揭示缝间岩石力学响应和竞争 机制具有理论分析和数值模拟不可替代的重要 作用。 权利要求书2页 说明。

3、书7页 附图5页 CN 111223376 A 2020.06.02 CN 111223376 A 1.一种可视的岩石水力压裂平面问题的物理实验系统， 其特征在于， 包括地应力加载 及控制系统； 水力伺服泵压系统； 裂缝表面观测系统； 内部变形与应力监测系统； 所述地应力加载及控制系统用于向试样施加围压以模拟储层地应力； 所述水力伺服泵压系统用于向试样中泵入压裂液； 所述裂缝表面观测系统用于监测和记录压裂过程中的裂缝动态演化过程并对裂缝的 演化过程进行分析处理； 所述内部变形与应力监测系统用于监测水力裂缝扩展过程中试样内部的诱导应力演 化规律和试样变形特性。 2.如权利要求1所述的一种可视的岩。

4、石水力压裂平面问题的物理实验系统， 其特征在 于， 所述的地应力加载及控制系统由应力加载实验平台、 反力传递系统、 对试样施压的液压 加载器、 电液伺服压力机、 加载伺服系统控制箱和计算机组成； 所述的应力加载实验平台包 括反力架所围成的正方形实验区， 在所述反力架内安装有两个压板， 两个压板与反力架形 成试样放置室， 且形成试样放置室的反力架侧壁上安装水平钻井； 实验时， 将试样紧靠在反 力架预留井筒口两侧， 试样另外两侧放置方形压板； 所述的加载伺服系统控制箱一端与计 算机相连， 另一端与电液伺服压力机连接， 液压加载器通过控制线路与电液伺服压力机相 连接， 由液压加载器通过反力传递系统对。

5、应力加载实验平台施加模拟的竖向地应力和最大 水平地应力。 3.如权利要求2所述的可视化的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统， 其特征 在于， 在所述方形压板上开设有测量元件预留孔， 用于放置试件测量元件。 4.如权利要求1所述的可视化的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统， 其特征 在于， 所述的水力伺服泵压系统由液压源伺服阀、 注液阀门、 水泵、 泵压控制系统和计算机 组成； 其中泵压控制系统与计算机连接， 由计算机记录泵压时间曲线； 泵压控制系统控制 液压源伺服阀， 液压源伺服阀与水泵连接， 水泵通过泵注管线与试样上的模拟井筒相连接， 泵注管线上安装有注液阀门， 以此来控制压裂液流动。

6、。 5.如权利要求1所述的可视化的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统， 其特征 在于， 所述的裂缝表面观测系统由高速摄像机、 计算机和移动装置组成， 所述的高速摄像机 固定在移动装置上， 通过移动装置将高速摄像机移动到试件上方合适位置后， 高速摄像机 通过控制线路与计算机相连接， 计算机用于监测和记录压裂过程中的裂缝动态变化过程并 对裂缝的演化过程进行分析处理。 6.如权利要求1所述的可视化的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统， 其特征 在于， 所述的内部变形与应力监测系统由试样表面及内部的微型压力盒、 应变花、 光栅多点 位移传感器和计算机组成； 其中微型压力盒、 应变花、 光栅多点。

7、位移传感器与计算机相连接 并用于监测储层岩石内部的诱导应力演化规律和岩体变形特性， 最后通过计算机实现对数 据的实时记录、 存储和分析。 7.如权利要求1所述的可视化的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统， 其特征 在于， 所述的试样为一个矩形薄板结构， 在其一侧设有模拟井筒。 8.一种利用权利要求1-7任一所述的物理模拟实验系统进行水力压裂实验的实验方 法， 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 制作试样并且安装整个实验系统； 权利要求书 1/2 页 2 CN 111223376 A 2 步骤2： 将泵注管线与水力伺服泵压系统相连接； 然后启用裂缝表面观测系统， 利用摄 像机移动装置将摄。

8、像机移动到可以清晰捕捉试样完整表面处并开启内部变形与应力监测 系统； 将配置好的压裂液装入水力伺服泵压系统中的水泵中， 然后在计算机上输入相应编 号， 最后通过泵压控制系统和液压源伺服泵按设定排量向试样中泵入压裂液； 在水力压裂 实验开始， 计算机将显示泵压时间曲线， 当观察到泵压时间曲线达到峰值之后瞬间降 低， 一段时间后曲线随时间推移稳定在某个压力值附近时， 水力压裂物理模拟实验结束； 步骤3： 实验结束后， 拆除整个装置； 步骤4： 水力压裂物理模拟实验结束后， 观察实验后试样表面水力裂缝形态及走势并利 用相机对试样进行拍摄记录； 对试样进行剖切观察， 同时使用相机对剖切后试样进行拍摄 。

9、记录； 利用泵压-时间曲线分析水力裂缝形态， 分析水力裂缝的起裂及扩展机理； 基于多组 对比实验分析不同加载参数对于水力裂缝形态及扩展的影响； 利用高速摄像机捕捉到的裂 缝扩展的完整过程， 基于DIC数字图像相关技术进一步分析裂缝几何形态演化规律及不同 加载参数对于水力裂缝形态及扩展的影响； 利用试样内部及底面布设的测量元件， 分析水 力裂缝扩展过程中储层岩石内部的诱导应力演化规律和岩体变形特性； 通过在压裂液中添 加红色示踪剂， 便于观察模型体表面的水力裂缝和内部的水力运移通道。 9.如权利要求8所述的实验方法， 其特征在于， 步骤1的具体过程如下； 按照实验设计加工模拟井筒并在模拟井筒上等。

10、间距预置多个射孔， 将模拟井筒在模具 中固定好， 浇筑配比好的类岩石材料， 然后进行试样的养护； 试样养护完成后， 在试样四周 设置密封圈并将试样置于试样放置室中紧靠反力架预留井筒口两侧， 使出露试样的模拟井 筒进入反力架预留模拟井筒孔中； 试样另外两侧放置方形压板并在方形压板的预留孔中安 装好测量元件； 在方形压板两侧连接反力传递系统， 在反力传递系统的另一端与液压加载 器相连； 在试样上表面覆盖高强度钢化玻璃， 试样的上、 下表面与有机玻璃和基座之间需通 过玻璃胶进行密封， 防止压裂过程中压裂液的漏失； 通过地应力加载及控制系统对试样施 加围压以模拟储层地应力。 10.如权利要求8所述的实。

11、验方法， 其特征在于， 步骤3的具体过程如下； 关闭水力伺服泵压系统， 将压裂液泵注管线与水力伺服泵压系统断开； 关闭裂缝表面 观测系统， 停止裂缝动态变化的信息记录； 关闭内部变形与应力监测系统， 停止岩石内部的 诱导应力演化规律和岩体变形特性有关信息的记录； 关闭地应力加载及控制系统， 停止模 拟地应力的加载； 拆走试样两侧的方形压板和密封圈， 然后将方形压板预留孔中的测量元 件取走并剪断内置测量元件的连接线； 移走试样和上覆玻璃并将试样中残留的压裂液收集 处理； 将扁平千斤顶、 方形压板、 测量元件、 应力加载实验平台及有关线路清理干净后进行 养护处理。 权利要求书 2/2 页 3 CN。

12、 111223376 A 3 一种可视的岩石水力压裂平面问题的物理实验系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种可视的岩石水力压裂多裂缝同步扩展平面问题的物理模拟实验 系统及其实验方法。 背景技术 0002 水平井分段多簇同步压裂技术目前已成为增强型地热系统开发和低渗透油气增 产的关键技术。 通过在同一压裂段内进行多簇射孔， 一次性压开多个裂缝， 进而增大储层改 造体积， 降低压裂时间和施工成本。 多簇压裂的设计目的是同时形成一系列密集且沿最大 主应力方向延伸的多条水力裂缝网络来增加流体交换效率。 因此水力裂缝扩展的几何形态 是评价储层改造效果的关键。 0003 由于现阶段对现场储层水力压。

13、裂多裂缝同步扩展过程中的裂缝具体几何形态及 其扩展规律的了解极为有限， 发明人发现目前此项技术在应用中还存在以下几个方面的问 题： 0004 1、 现场作业表明， 水平井多簇水力压裂的效果往往不是十分明显。 实测数据显示， 有30甚至更多的裂缝未到达设计生产效果。 一般认为， 多裂缝同步扩展过程中， 邻近裂缝 之间的相互干扰导致部分裂缝失去扩展稳定性。 0005 2、 除一些特殊情况外， 现场水力裂缝的实际形态是无法直接观察到的。 现场生产 采用的微地震等裂缝监测手段存在精度低和多解性问题， 尚难以全面真实捕捉裂缝的扩展 路径和几何形态。 0006 3、 在实际扩展过程中， 水力裂缝的起裂、 。

14、延伸、 转向和贯通受到岩性、 地层条件、 地 应力水平和压裂参数等多因素影响。 特别地， 对于多裂缝同步扩展问题， 一个显著的现象即 为应力阴影效应。 对于考虑相互影响的多裂缝同步扩展时诱导应力场的演化规律及其同多 裂缝延伸和贯通之间的互动响应机制目前仍缺乏准确认识。 0007 4、 目前开展的室内水力压裂实验对于裂缝的扩展规律通常采用声发射、 表面观 察、 试样剖切观察、 CT断面扫描等技术来分析水力裂缝的几何形态。 但上述方法仅能获取最 终静止状态的水力裂缝几何形态， 基于最终的裂缝形态推测其扩展过程和机理， 存在很大 的不确定性。 尤其是应力阴影效应影响到裂缝的闭合， 导致裂缝宽度是动态。

15、变化的， 压裂结 束后的破坏试件难以反映裂缝宽度变化。 0008 5、 目前开展的室内水力压裂实验主要研究的是单裂缝的扩展演化形态和地应力 差、 围压、 压裂液黏度等影响因素的作用规律， 几乎没有开展过多裂缝同步扩展演化形态和 相互影响过程方面的实验研究。 0009 6、 基于原岩开展的水力压裂实验难以监测压裂过程中岩石内部的力学响应， 限制 了对于裂缝扩展机理的分析与研究。 发明内容 0010 本发明为克服上述现有技术的不足， 提供了一种可视的岩石水力压裂多裂缝同步 说明书 1/7 页 4 CN 111223376 A 4 扩展平面问题的物理模拟实验系统及其实验方法。 开展基于类岩石材料的可。

16、视化物理实 验， 利用内置传感器监测水力裂缝扩展诱导的缝间岩石应力扰动和变形规律。 借鉴地质力 学模型实验技术， 设计水力压裂可视化物理实验系统， 通过数字图像分析和预置传感器从 全局把握岩石的整体变形特征和破坏规律。 此系统及方法可以解决上述岩石水力压裂物理 实验存在的问题， 对于发现多簇压裂新现象， 揭示缝间岩石力学响应和竞争机制具有理论 分析和数值模拟不可替代的重要作用。 0011 为实现上述目的， 本发明采用如下技术方案： 0012 第一方面， 本发明提出了一种可视的岩石水力压裂多裂缝同步扩展平面问题的物 理模拟实验系统， 该实验系统主要包括4个子系统： 地应力加载及控制系统； 水力伺。

17、服泵压 系统； 裂缝表面观测系统； 内部变形与应力监测系统； 0013 所述地应力加载及控制系统用于向试样施加围压以模拟储层地应力； 0014 所述水力伺服泵压系统用于向试样中泵入压裂液； 0015 所述裂缝表面观测系统用于监测和记录压裂过程中的裂缝动态演化过程并对裂 缝的演化形态进行分析处理； 0016 所述内部变形与应力监测系统用于监测水力裂缝扩展过程中试样内部的诱导应 力演化规律和变形特性。 0017 作为进一步的技术方案， 所述的地应力加载及控制系统由应力加载实验平台、 反 力传递系统、 对试样施压的液压加载器、 电液伺服压力机、 加载伺服系统控制箱和计算机组 成； 0018 所述的应。

18、力加载实验平台包括反力架所围成的正方形实验区， 在所述反力架内安 装有两个压板， 两个压板与反力架形成试样放置室， 且形成试样放置室的反力架侧壁上安 装模拟井筒； 实验时， 将试样紧靠在反力架预留井筒口两侧， 试样另外两侧放置方形压板； 0019 所述的加载伺服系统控制箱一端与计算机相连， 另一端与电液伺服压力机连接， 液压加载器通过控制线路与电液伺服压力机相连接， 由液压加载器通过反力传递系统对应 力加载实验平台施加模拟的竖向地应力和最大水平地应力。 0020 更近一步地， 在所述方形压板上开设有测量元件预留孔， 用于放置微型压力盒、 应 变花、 光栅多点位移传感器等测量元件。 0021 作。

19、为进一步的技术方案， 所述的水力伺服泵压系统由液压源伺服阀、 注液阀门、 水 泵、 泵压控制系统和计算机组成； 其中泵压控制系统一端通过控制线缆与计算机连接， 由计 算机记录泵压时间曲线， 泵压控制系统的另一端连接液压源伺服阀， 液压源伺服阀通过 控制导线与水泵连接， 水泵通过泵注管线与试样上的模拟井筒相连接， 泵注管线上安装有 注液阀门， 以此来控制压裂液流动。 0022 作为进一步的技术方案， 所述的裂缝表面观测系统由高速摄像机、 计算机、 和移动 装置组成。 其中把高速摄像机固定在摄像机移动装置上， 通过摄像机移动装置将高速摄像 机移动到试件上方合适位置后， 将高速摄像机通过控制线路与计。

20、算机相连接， 计算机用于 监测和记录压裂过程中的裂缝动态变化过程并对裂缝的演化过程进行分析处理。 0023 作为进一步的技术方案， 所述的内部变形与应力监测系统由试样表面及内部的微 型压力盒、 应变花、 光栅多点位移传感器等测量元件， 计算机组成。 其中微型压力盒、 应变 花、 光栅多点位移传感器等测量元件与计算机相连接并用于监测储层岩石内部的诱导应力 说明书 2/7 页 5 CN 111223376 A 5 演化规律和岩体变形特性， 最后通过计算机实现对数据的实时记录、 存储和分析。 0024 第二方面， 本发明还提出了一种可视的岩石水力压裂多裂缝同步扩展平面问题的 物理模拟实验系统进行水力。

21、压裂实验的实验方法， 包括以下步骤： 0025 步骤1： 可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验前的 准备； 0026 按照实验设计加工模拟井筒并在模拟井筒等间距预置多个射孔， 将模拟井筒以及 部分内置的传感器在模具中固定好， 浇筑配比好的类岩石材料， 然后进行试样的养护； 试样 养护完成后， 在试样四周设置密封圈并将试样置于试样放置室中紧靠反力架预留井筒口两 侧， 使出露试样的模拟井筒进入反力架预留模拟井筒孔中； 试样另外两侧放置方形压板并 在方形压板的预留孔中安装好测量元件； 在方形压板两侧连接反力传递系统， 在反力传递 系统的另一端与液压加载器相连； 在试样上表面覆盖。

22、高强度钢化玻璃， 试样的上、 下表面与 有机玻璃和基座之间需通过玻璃胶进行密封， 防止压裂过程中压裂液的漏失； 通过地应力 加载及控制系统对试样施加围压以模拟储层地应力。 0027 步骤2： 可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验的实 施 0028 首先将泵注管线与水力伺服泵压系统相连接； 然后启用裂缝表面观测系统和内部 变形与应力监测系统， 利用摄像机移动装置将摄像机移动到可以清晰捕捉试样完整表面处 并开启内部变形与应力监测系统。 将配置好的压裂液装入水力伺服泵压系统中的水泵中， 然后在计算机上输入相应编号， 最后通过泵压控制系统和液压源伺服泵按设定排量向试样 中泵入压裂。

23、液。 在水力压裂实验开始， 计算机将显示泵压时间曲线， 当观察到泵压时间 曲线达到峰值之后瞬间降低， 一段时间后曲线随时间推移稳定在某个压力值附近时， 水力 压裂物理模拟实验结束； 0029 步骤3： 可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验后的 处理 0030 实验结束后， 关闭水力伺服泵压系统， 将压裂液泵注管线与水力伺服泵压系统断 开； 关闭裂缝表面观测系统， 停止裂缝动态变化的信息记录； 关闭内部变形与应力监测系 统， 停止岩石内部的诱导应力演化规律和岩体变形特性有关信息的记录； 关闭地应力加载 及控制系统， 停止模拟地应力的加载； 拆走试样两侧的方形压板和密封圈， 。

24、然后将方形压板 预留孔中的测量元件取走并剪断内置测量元件的连接线； 移走试样和上覆玻璃并将试样中 残留的压裂液收集处理； 将扁平千斤顶、 方形压板、 微型压力盒等测量元件、 应力加载实验 平台及有关线路清理干净后进行养护处理； 0031 步骤4： 可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验的数 据处理及分析 0032 水力压裂物理模拟实验结束后， 观察实验后试样表面水力裂缝形态及走势并利用 相机对试样进行拍摄记录； 对试样进行剖切观察， 同时使用相机对剖切后试样进行拍摄记 录； 利用泵压-时间曲线分析水力裂缝形态， 分析水力裂缝的起裂及扩展机理； 基于多组对 比实验分析不同加载。

25、参数对于水力裂缝形态及扩展的影响； 利用高速摄像机捕捉到的裂缝 扩展的完整过程， 基于DIC数字图像相关技术进一步分析裂缝几何形态演化规律及不同加 载参数对于水力裂缝形态及扩展的影响； 利用试样内部及底面布设的微型压力盒、 光栅多 说明书 3/7 页 6 CN 111223376 A 6 点位移传感器、 应变花等测量元件， 分析水力裂缝扩展过程中储层岩石内部的诱导应力演 化规律和岩体变形特性； 通过在压裂液中添加红色示踪剂， 便于观察模型体表面的水力裂 缝和内部的水力运移通道。 0033 该技术方案与现有技术方案相比， 具有以下有益效果： 0034 (1)采用高速摄像机捕捉多裂缝扩展的完整过程。

26、， 基于DIC数字图像相关技术分析 多裂缝几何形态实时动态演化规律； 0035 (2)可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题物理模拟实验系统， 可开 展多因素影响下的水力压裂物理模拟实验； 0036 (3)可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题物理模拟实验系统， 可以 开展原岩试样及类岩石试样的可视化物理模型实验； 0037 (4)通过内置多种传感器可以监测裂缝扩展过程中储层岩石内部的诱导应力和变 形特征。 0038 (5)可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题物理模拟实验系统通过电 液伺服压力机对液压加载器的自动推进和推出来实现应力加载， 提高了岩样加载速度与精 确性。 0。

27、039 (6)在符合水力压裂平面问题的前提下， 可通过结合不同尺寸的方形压板， 实现对 不同尺寸的岩样进行水力压裂平面问题的可视化物理模拟实验。 0040 (7)传统的大系统无法直观动态监测试样内裂缝的扩展演化形态， 本发明利用极 限理念， 对实验试样进行平面地应力加载并将试样尺寸平面化， 在近似二维平面条件下利 用摄像机动态监测试样内多裂缝同步扩展的演化形态。 试样尺寸设计应尽可能符合极限状 态， 即试样的长度和宽度皆为高度的数倍， 类似于薄板状。 附图说明 0041 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解， 本申请的示 意性实施例及其说明用于解释本申请， 并不构成对本申。

28、请的不当限定。 0042 图1为可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统的 整体结构示意图； 0043 图2为图1实验系统的简图； 0044 图3为图2的俯视示意图； 0045 图4a和图4b为可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题物理模拟实验 用的试样示意图； 0046 图5为图1中裂缝表面观测系统的结构示意图； 0047 图6为图1中水力伺服泵压系统的结构示意图； 0048 图7为图1中地应力加载及控制系统的结构示意图； 0049 图8为方形压板的结构示意图。 0050 图中符号说明： 1-地应力加载及控制系统； 2-水力伺服泵压系统； 3-内部变形与应 力监测。

29、系统； 4-裂缝表面观测系统； 5-反力架； 6-方形压板； 7-水力裂缝； 8-高速摄像机； 9- 液压加载器； 10-反力传递系统； 11-内置传感器； 12- 模拟井筒； 13-基座； 14-压裂试样； 15- 计算机； 16-控制导线； 17-摄像机移动装置； 18-泵压控制系统； 19-液压源伺服阀； 20-水泵； 说明书 4/7 页 7 CN 111223376 A 7 21-注液阀门； 22-泵注管线； 23-加载伺服系统控制箱； 24-电液伺服压力机； 25-应力加载实 验平台； 26-测量元件预留孔； 27-射孔。 具体实施方式 0051 应该指出， 以下详细说明都是例示性的。

30、， 旨在对本申请提供进一步的说明。 除非另 有指明， 本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通 常理解的相同含义。 0052 需要注意的是， 这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式， 而非意图限制根 据本申请的示例性实施方式。 如在这里所使用的， 除非本发明另外明确指出， 否则单数形式 也意图包括复数形式， 此外， 还应当理解的是， 当在本说明书中使用术语 “包含” 和/或 “包 括” 时， 其指明存在特征、 步骤、 操作、 器件、 组件和/或它们的组合； 0053 正如背景技术所介绍的， 现有技术在应用中还存在以下几方面的问题： 0054 1、 现场作业表明，。

31、 水平井多簇水力压裂的效果往往不是十分明显。 实测数据显示， 有30甚至更多的裂缝未到达设计生产效果。 一般认为， 多裂缝同步扩展过程中， 邻近裂缝 之间的相互干扰导致部分裂缝失去扩展稳定性。 0055 2、 除一些特殊情况外， 现场水力裂缝的实际形态是无法直接观察到的。 现场生产 采用的微地震等裂缝监测手段存在精度低和多解性问题， 尚难以全面真实捕捉裂缝的扩展 路径和几何形态。 0056 3、 在实际扩展过程中， 水力裂缝的起裂、 延伸、 转向和贯通受到岩性、 地层条件、 地 应力水平和压裂参数等多因素影响。 特别地， 对于多裂缝同步扩展问题， 一个显著的现象即 为应力阴影效应。 对于考虑相。

32、互影响的多裂缝同步扩展时诱导应力场的演化规律及其同多 裂缝延伸和贯通之间的互动响应机制目前仍缺乏准确认识。 0057 4、 目前开展的室内水力压裂实验对于裂缝的扩展规律通常采用声发射、 表面观 察、 试样剖切观察、 CT断面扫描等技术来分析水力裂缝的几何形态。 但上述方法仅能获取最 终静止状态的水力裂缝几何形态， 基于最终的裂缝形态推测其扩展过程和机理， 存在很大 的不确定性。 尤其是应力阴影效应影响到裂缝的闭合， 导致裂缝宽度是动态变化的， 压裂结 束后的破坏试件难以反映裂缝宽度变化。 0058 5、 目前开展的室内水力压裂实验主要研究的是单裂缝的扩展演化形态和地应力 差、 围压、 压裂液黏。

33、度等影响因素的作用规律， 几乎没有开展过多裂缝同步扩展演化形态和 相互影响过程方面的实验研究。 0059 6、 基于原岩开展的水力压裂实验难以监测压裂过程中岩石内部的力学响应， 限制 了对于裂缝扩展机理的分析与研究。 0060 为了解决如上的技术问题， 本申请提出了一种可视化及多裂缝同步扩展的岩石水 力压裂平面问题的物理模拟实验系统及方法。 如图1， 图2和图3所示， 本实施例提出的可视 化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统包括用于向试样施加 围压以模拟储层地应力的地应力加载及控制系统； 用于向试样中泵入压裂液的水力伺服泵 压系统； 用于监测和记录压裂过程中的裂缝动态演化。

34、过程并对裂缝的演化过程进行分析处 理的裂缝表面观测系统； 用于监测水力裂缝扩展过程中试样内部的诱导应力演化规律和试 样变形特性的内部变形与应力监测系统。 说明书 5/7 页 8 CN 111223376 A 8 0061 其中， 如图4a和图4b所示， 可视化的岩石水力压裂平面问题物理模拟实验所用试 样的长度、 宽度与厚度的比值超过X倍， 比值应当符合平面应力加载的极限状态， 因此对试 样施加的是模拟竖直地应力和最大水平地应力， 在近似平面状态下动态的观察水力裂缝的 扩展形态； 沿试样的长度方向， 在试样的一侧设有模拟井筒12， 具体见附图4a中的右侧。 0062 如图5所示， 所述的裂缝表面。

35、观测系统由高速摄像机8、 计算机15和摄像机移动装 置17组成。 其中把高速摄像机8固定在摄像机移动装置17上， 通过摄像机移动装置17将高速 摄像机8移动到试件上方合适位置后， 通过控制线路将高速摄像机与计算机15相连接， 计算 机用于监测和记录压裂过程中的裂缝动态变化过程并对裂缝的演化过程进行分析处理。 0063 上述所述的摄像机移动装置17包括一个可移动的安装支架， 高速摄像机8 安装在 安装支架上， 且通过该支架的移动可以实现摄像机位置的调整。 0064 如图6所示， 所述的水力伺服泵压系统由液压源伺服阀19、 注液阀门21、 水泵20、 泵 压控制系统18、 计算机15组成； 其中泵。

36、压控制系统18一端通过控制线缆与计算机15连接， 由 计算机15记录泵压时间曲线， 泵压控制系统18 另一端连接液压源伺服阀19， 液压源伺服 阀19通过控制导线与水泵20连接， 水泵20通过泵注管线与试样上的模拟井筒12相连接， 泵 注管线上安装有注液阀门， 以此来控制压裂液流动。 0065 结合图7和图8， 所述的地应力加载及控制系统由应力加载实验平台， 反力传递系 统， 对试样施压的液压加载器， 电液伺服压力机,加载伺服系统控制箱， 计算机组成。 0066 其中应力加载实验平台是由反力架5所围成的正方形实验区， 其中在反力架5的一 个侧板上预留模拟井筒口； 且该侧板与相邻的侧板、 以及位。

37、于正方形实验区内的两个方形 压板6共同构成一个试样放置室， 如图3所示， 在图3中反力架5的右侧板、 前侧板和位于正方 形实验区内的两个方形压板6共同构成一个试样放置室。 实验时， 将试样紧靠在反力架预留 井筒口两侧， 试样另外两侧放置方形压板。 0067 进一步的， 在所述方形压板6上开设有测量元件预留孔， 用于放置微型压力盒、 应 变花、 光栅多点位移传感器等测量元件； 其中， 微型压力盒、 光栅多点位移传感器以及应变 花等测量元件分别与内部变形与应力监测系统连接。 其中加载伺服系统控制箱一端与计算 机相连， 另一端与电液伺服压力机连接， 液压加载器通过控制线路与电液伺服压力机相连 接， 。

38、液压加载器的另一端与反力传递系统相连， 反力传递系统连接方形压板， 液压加载器通 过反力传递系统对应力加载实验平台施加模拟的竖向地应力和最大水平地应力。 0068 上述的方形压板也可以换成是矩形压板， 不限于本实施例中公开的方形压板。 本 实施例中的反力传递系统为一个反力传递架， 如图2所示。 0069 本实施例所用的试样为尺寸为150cm150cm10cm(长度宽度厚度) 的混凝 土类岩石材料实验模型体， 沿模拟井筒等间距预置四个射孔， 通过模拟井筒注入恒定排量 压裂液， 模拟储层岩石多簇水力裂缝扩展的平面力学问题。 本实验需在试样上表面覆盖高 强度钢化玻璃， 在试样的上、 下表面与有机玻璃。

39、和基座之间需通过玻璃胶进行密封， 防止压 裂过程中压裂液的漏失。 0070 利用可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验系统进 行水力压裂实验的实验方法， 包括以下步骤： 0071 步骤1： 可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验前的 准备； 说明书 6/7 页 9 CN 111223376 A 9 0072 按照实验设计加工模拟井筒， 并在模拟井筒等间距预置多个射孔27， 将模拟井筒 在模具中固定好， 浇筑配比好的类岩石材料， 然后进行试样的养护； 试样养护完成后， 在试 样四周设置密封圈并将试样置于试样放置室中紧靠反力架预留井筒口两侧， 使出露试样的 。

40、模拟井筒进入反力架预留模拟井筒孔中； 试样另外两侧放置方形压板并在方形压板的预留 孔中安装好测量元件； 在方形压板两侧连接反力传递系统， 在反力传递系统的另一端与液 压加载器相连； 在试样上表面覆盖高强度钢化玻璃， 试样的上、 下表面与有机玻璃和基座之 间需通过玻璃胶进行密封， 防止压裂过程中压裂液的漏失； 通过地应力加载及控制系统对 试样施加围压以模拟储层地应力。 0073 步骤2： 可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验的实 施 0074 首先将泵注管线与水力伺服泵压系统相连接； 然后启用裂缝表面观测系统， 利用 摄像机移动装置将摄像机移动到可以清晰捕捉试样完整表面处并。

41、开启内部变形与应力监 测系统。 将配置好的压裂液装入水力伺服泵压系统中的水泵中， 然后在计算机上输入相应 编号， 最后通过泵压控制系统和液压源伺服泵按设定排量向试样中泵入压裂液。 在水力压 裂实验开始， 计算机将显示泵压时间曲线， 当观察到泵压时间曲线达到峰值之后瞬间 降低， 一段时间后曲线随时间推移稳定在某个压力值附近时， 水力压裂物理模拟实验结束； 0075 步骤3： 可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验后的 处理 0076 实验结束后， 关闭水力伺服泵压系统， 将压裂液泵注管线与水力伺服泵压系统断 开； 关闭裂缝表面观测系统， 停止裂缝动态变化的信息记录； 关闭内部。

42、变形与应力监测系 统， 停止岩石内部的诱导应力演化规律和岩体变形特性有关信息的记录； 关闭地应力加载 及控制系统， 停止模拟地应力的加载； 拆走试样两侧的方形压板和密封圈， 然后将方形压板 预留孔中的测量元件取走并剪断内置测量元件的连接线； 移走试样和上覆玻璃并将试样中 残留的压裂液收集处理； 将扁平千斤顶、 方形压板、 微型压力盒等测量元件、 应力加载实验 平台及有关线路清理干净后进行养护处理； 0077 步骤4： 可视化及多裂缝同步扩展的岩石水力压裂平面问题的物理模拟实验的数 据处理及分析 0078 水力压裂物理模拟实验结束后， 观察实验后试样表面水力裂缝形态及走势并利用 相机对试样进行拍。

43、摄记录； 对试样进行剖切观察， 同时使用相机对剖切后试样进行拍摄记 录； 利用泵压-时间曲线分析水力裂缝形态， 分析水力裂缝的起裂及扩展机理； 基于多组对 比实验分析不同加载参数对于水力裂缝形态及扩展的影响； 利用高速摄像机捕捉到的裂缝 扩展的完整过程， 基于DIC数字图像相关技术进一步分析裂缝几何形态演化规律及不同加 载参数对于水力裂缝形态及扩展的影响； 利用试样内部及底面布设的微型压力盒、 光栅多 点位移传感器、 应变花等测量元件， 分析水力裂缝扩展过程中储层岩石内部的诱导应力演 化规律和岩体变形特性； 通过在压裂液中添加红色示踪剂， 便于观察模型体表面的水力裂 缝和内部的水力运移通道。 。

44、0079 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。 说明书 7/7 页 10 CN 111223376 A 10 图1 图2 说明书附图 1/5 页 11 CN 111223376 A 11 图3 图4a 图4b 说明书附图 2/5 页 12 CN 111223376 A 12 图5 图6 说明书附图 3/5 页 13 CN 111223376 A 13 图7 说明书附图 4/5 页 14 CN 111223376 A 14 图8 说明书附图 5/5 页 15 CN 111223376 A 15 。