[发明专利]一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，它包括导流室腔(11)、液压油储存空腔(14)、温度控制窗口(7)、液压油进出及控制窗口(8)、位移计(6)、密封夹持杆(1)和(9)；所述导流室腔由改造的岩心夹持器构成，导流室腔为环形结构，导流室腔(11)侧面包裹有橡胶圈(12)，橡胶圈的最右端向内有一环形突出(13)，且整个导流室腔(11)四周设有刻度(5)，刻度(5)为长直线，延伸至夹持器两端外侧；导流室腔(11)非橡胶圈部分是内螺纹，依然标有刻度(5)；

导流室腔向外是液压油储存空腔(14)，空腔内有电阻丝(10)，空腔外壁有液压油进出及控制窗口(8)、温度控制窗口(7)；穿过上下端空腔正中间部分各有一个与空腔隔绝的小圆柱形孔道(6)，内端与导流室腔相通，用来安装位移接收器；

导流室腔两端是活动的密封夹持杆(1)、(9)，右端的出口端密封夹持杆(1)内部有导流孔(3)、温度监测孔(2)、压力监测孔(4)，左端的入口端密封夹持杆(9)只有压力监测孔(4)；两段夹持杆上都有长段外螺纹(1-2)、(9-2)，内端面上都有环形橡胶圈(1-33)、(9-33)，包裹端面外围；入口端密封夹持杆(9)有4圈阵列排布的导流孔，由内向外的4圈阵依次设有1个导流孔、6个导流孔、12个导流孔、18个导流孔，端面(9-3)由外围到圆心呈阶梯状收缩，整个端面成凹形，且凹面底部距平面很小；出口端密封夹持杆(1)内侧端面(1-3)有一条螺旋形导流槽(1-32)向圆心收缩直至形成一个圆心导流孔(1-31)，导流槽每一级槽两端都有与外围环形橡胶圈平齐的隔挡(1-34)，整个端面也呈凹形，凹面底部距平面很小；

导流室腔出口端装有尾部监测装置，尾部监测装置分为流量监测装置及出砂监测装置，流量监测装置主要是流量计；出砂监测装置分为弯管部分及声波检测部分，声波检测部分与计算机相连；

裂缝由两块半圆柱体岩心(19)、(20)模拟，两半圆柱岩心侧面顶端中心部分各装有一个位移发射器(22)，圆柱岩心左右平面上标有刻度(5)；

岩心装入夹持器之前有一个橡胶套筒(15)，套筒上下侧面中心部分各有一个圆形开口(17)，套筒侧面有开口及丝扣(16)，套筒内部也标有刻度(5)。

2.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，所述的环形导流室腔非橡胶圈部分有内螺纹，两段密封夹持杆上有配套长段外螺纹，夹持杆旋入的长短能适应岩心长短的变化。

3.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，所述的裂缝是由两块半圆柱体大理石模拟，大理石按照以下加工方法制备：

(1)长度为70mm-300mm之间，直径为50mm的整块圆柱体大理石，然后经过自然水平破裂，保证岩心破裂面整体在一个水平面上，且接触面凹凸不平；

(2)该大理石材料与页岩的密度、硬度相近，且润湿性相同。

4.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，实验过程中测量裂缝缝宽的变化主要通过穿过岩心夹持器侧面的位移接收器及岩心侧面中心上装的位移发射器来测量，然后减去岩心直径，即为裂缝缝宽。

5.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，出口端密封夹持杆导流槽槽面两端都有与外围密封环形橡胶圈平齐的隔挡，整个端面呈凹形，内凹程度很小。

6.根据权利要求1所述一种模拟页岩气压后单缝返排的实验装置，其特征在于，入口端密封夹持杆外3圈导流孔分别与中心导流孔恰好在一条直径上或接近一条直线上。

7.一种利用如权利要求1所述装置模拟页岩气压后单缝返排的实验方法，其特征在于，其包括步骤如下：

(1)先将大理石岩心烘干称重，质量为m₁；

(2)将不同粒径大小的支撑剂按一定的铺砂浓度铺在裂缝指定区域，以实现裂缝的有效缝宽以及模拟压裂作业时不同粒径支撑剂的沉降规律，加入的支撑剂总量除以裂缝接触面积即为裂缝的初始有效缝宽；

(3)铺好支撑剂的岩心在岩心橡胶套筒按刻度对齐固定好后按环形导流室腔内刻度塞入环形导流室腔，直至最右端不能动为止，将两段密封夹持杆旋入环形的导流室腔以实现密封；

(4)看岩心夹持器放位移接收器的孔与岩心上的位移发射器是否在一条直线上，是的话将位移接收器装入岩心夹持器侧面，否的话重新装入岩心及橡胶套筒；

(5)打开数据控制与采集系统，包括计算机、位移计、温度计、压力计、流量计及出砂监测装置，记录最开始数据；

(6)打开液压与温控装置给岩心加压加温，直到达到压力与温度要求且稳定，同时通过位移计记录缝宽的变化直至位移计显示的缝宽不变；

(7)打开泵组向环形导流室腔注入压裂液，同时记录岩心两端的压力差、温度、流量、缝宽(位移计)的变化，并记录出砂的最小流速；并继续增大流体流速，记录出砂量；

(8)阶段实验结束后，启动泄压装置、关闭温控装置以及所有数据采集与控制装置；旋出位移接收器，取出岩心；

(9)观察岩心裂缝面上的支撑剂嵌入情况及支撑剂破裂情况，做好统计；然后对裂缝壁面每个区域的支撑剂取样进行筛分称重，并做好记录；

(10)将裂缝壁面的支撑剂处理干净后再次将岩心进行称重，质量为m₂；

(11)改变岩心的长度，做同样的处，即改变缝长，重复上述实验；

(12)将液压泵改为气体泵，重复上述实验。