缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统及方法

1.本技术涉及石油气勘探技术领域，尤其涉及一种缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统及方法。


背景技术：

2.碳酸盐岩缝洞型油藏是主要油气藏类型之一，资源潜力大，前景广阔。酸化压裂是碳酸盐岩油藏增产的重要措施，在现场得到了广泛应用。碳酸盐岩储层常发育有裂缝和溶洞,在酸化压裂的过程中，发育的裂缝和孔隙可能会对压裂的水力裂隙的走向和复杂程度产生很大的影响。因此对缝洞型碳酸盐岩酸化压裂过程中裂缝走向以及发展情况的研究对于优化碳酸盐岩的酸化压裂，从而更好地达到增产的目的，对现场生产具有很好的指导意义。
3.目前，龚迪光等(龚迪光,曲占庆,李建雄,等.基于abaqus平台的水力裂缝扩展有限元模拟研究[j].岩土力学,2016,37(5):1512-1520.)采用abaqus研究了水平应力差、注水速度和液体粘度对水力压裂过程的影响；刘国威等(刘国威,李庆斌,梁国贺.动力水力压裂的相场模拟方法[j].岩石力学与工程学报,2017,36(6):1400-1412.)提出了相场模拟方法，为水力压裂提供了一种新的数值模拟方法；姚池等(姚池,赵明,杨建华,等.基于改进刚体弹簧方法的二维水压致裂模型[j].岩石力学与工程学报,2017,36(9):2169-2176.)提出了改进刚体弹簧方法模拟各向同性岩体水压致裂过程，并研究了biot系数对水力压裂的影响；严成增等(严成增,郑宏,孙冠华,等.基于fdem-flow研究地应力对水力压裂的影响[j].岩土力学,2016,37(1):237-246.)采用有限元离散元耦合数值模拟方法fdem研究了地应力对水力压裂的影响。
[0004]
上述研究均是在在数值模拟方面对水力压裂过程、裂纹扩展机理和水力压裂影响因素的研究，实际上裂缝的扩展还与注入的材料(例如粘性液体或气体)，注射速率，岩层的孔隙率、岩层结构等均有关系，因此需要采用室内试验进行进一步的验证。常规的室内试验方式通常采用玻璃管模型、蚀刻平板模型、浇筑不规则模型等，但是上述样件均为二维结构，与实际的岩层结构差别较大从而导致几何相似准则无法满足、复杂配置关系忽略，最终导致模拟过程严重失真，模拟结果缺乏指导性，同时现有的模型在制作过程中难以控制，实验过程灵活性差。


技术实现要素：

[0005]
本技术实施例提供一种缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统及方法，通过建立实际的缝洞型碳酸盐岩裂缝的三维模型，模拟真实岩层环境，克服了二维模拟在表征尺度和代表性上的局限性，通过本技术的实验系统进行实验可以从不同方向对缝洞样品施加不同的压力，模拟不同地层环境的地应力情况进行水力压裂实验，缝洞样品可重复制作，对照实验误差小，方便研究缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理，数据可信度高，实验操作灵活度高。
[0006]
本技术实施例提供一种缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，包括缝洞样品、加压夹持组件、夹持组件和摄像组件：
[0007]
所述缝洞样品包括至少一条模拟裂缝，以及一个模拟洞穴，所述模拟洞穴与所述模拟裂缝相连通；
[0008]
所述加压夹持组件，包括实验台，设置于所述实验台上的沿第一方向夹持所述缝洞样品且向所述缝洞样品加压的第一夹具组，沿第二方向夹持所述缝洞样品且向所述缝洞样品加压第二夹具组；所述第一方向与所述第二方向垂直，且所述第一方向垂直所述实验台；
[0009]
所述透明夹持组件，包括透明且相对设置的前夹板和后夹板，所述第一方向和所述第二方向所成的平面与所述前夹板平行，所述前夹板和所述后夹板通过多个连接件可拆卸连接，所述缝洞样品设置于所述前夹板和所述后夹板之间，以夹持所述缝洞样品，所述后夹板上开设有灌浆孔，所述灌浆孔与所述缝洞样品上的所述模拟洞穴相连通；
[0010]
摄像组件，包括位移机构和摄像机，所述摄像机设置于所述位移机构上，以使所述摄像机于所述缝洞样品周围移动，所述摄像机监测所述模拟裂缝在加压过程中的扩展情况。
[0011]
可选的，所述第一夹具组包括：
[0012]
垂直设置于所述实验台上的支架、与所述支架滑动连接且沿所述第一方向移动的移动座、设置于所述实验台上的下夹具、以及设置于所述移动座上且与所述下夹具相对设置的上夹具，所述缝洞样品设置于所述上夹具和所述下夹具之间；
[0013]
所述支架包括与所述第一方向平行的导杆和螺杆，所述螺杆与所述实验台转动连接，所述移动座上设置有导向孔和螺孔，所述导杆穿过所述导向孔与所述移动座滑动连接，所述螺杆通过所述螺孔与所述移动座螺接，所述螺杆相对所述实验台转动，带动所述移动座在所述第一方向上移动。
[0014]
可选的，所述上夹具包括叠设的上限位板和上抵板，所述上限位板和所述上抵板可拆卸式连接，所述上抵板朝向所述下夹具设置，且所述上抵板上可拆卸的设置有上压板，所述上压板部分伸入至所述前夹板和后夹板之间与所述缝洞样品抵接；
[0015]
所述下夹具包括叠设的下限位板和下抵板，所述下限位板和所述下抵板可拆卸式连接，所述下抵板朝向所述上夹具设置，且所述下抵板上可拆卸的设置有下压板，所述下压板部分伸入至所述前夹板和后夹板之间与所述缝洞样品抵接，配合所述上压板以向所述缝洞样品施加所述第一方向上的压力。
[0016]
可选的，所述第二夹具组包括：增压气管，以及与所述增压气管连通的充气泵；
[0017]
其中，所述增压气管与所述移动座固定连接，所述增压气管包括进气口、第一增压充气口和第二增压充气口，所述第一增压口连通第一增压气囊，所述第二增压口连通第二增压气囊，所述第一增压气囊和所述第二增压气囊沿所述第二方向排列，所述缝洞样品设置于所述第一增压气囊和所述第二增压气囊之间；所述充气泵设置于所述实验台上，且所述充气泵的出气口与所述增压气管进气口连通，以向所述第一增压气囊和所述第二增压气囊充气向所述缝洞样品施加所述第二方向上的压力。
[0018]
可选的，所述透明夹持组件中，所述前夹板和所述后夹板连接后具有一容纳空间，所述第一增压气囊和所述第二增压气囊位于所述容纳空间内。
[0019]
可选的，所述上夹具上设置有对应所述第一增压充气口和所述第二增压充气口的两限位通孔。
[0020]
可选的，还包括显示控制终端；所述第一夹具组上设置有第一压力传感器，第一压力传感器与所述显示控制终端点连接；所述第二夹具组中所述增压气管上设置有流量压力传感器和控制阀门，所述流量压力传感器和所述控制阀门与所述显示控制终端电连接。
[0021]
可选的，所述充气泵为氮气泵，所述第一增压气囊和所述第二增压气囊的材料为橡胶。
[0022]
可选的，所述第一夹具组还包括测微计，所述测微计包括测量示数件和与所述测量示数件滑动连接的标尺，所述标尺设置于所述实验台上与所述第一方向平行，所述测量示数件与所述移动座固定连接。
[0023]
此外，本技术实施例还提供一种缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验方法，采用上述实施例所述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，所述缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验方法具体包括以下步骤：
[0024]
运用现场ct点云数据建立待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝尺寸、分布的密度及空间展布特征的三维模型，采用三维打印技术获得实体裂缝模型；
[0025]
将熔融状态的有色蜡注入实体裂缝模型中，记录所述有色蜡注入体积为a，有色蜡冷却固化后，拆除所述实体裂缝模型，获得待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模，修整所述待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模，使所述待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模的表层与ct电云数据相对应，并记录上述修整过程中使用和回收的有色蜡，并记录使用体积为b；
[0026]
取样品岩料，研磨，获得样品岩料粉末，将所述样品岩料粉末与至少一种环氧树脂、以及附加剂混合均匀，得到样品岩料预制物；将修整后的待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模采用一固定夹具固定在一样品模具中，采用所述样品岩料预制物填充满所述样品模具，同时保持所述待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模在所述样品模具中的位置，待填充至所述样品模具中的所述样品岩料预制物固化后，拆除所述固定夹具并做好标记，获得待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的实体模型；
[0027]
在所述实体模型上钻取模拟洞穴，加热所述实体模型使有色蜡流出，回收有色蜡，使得回收的所述有色蜡的体积为与a和b之和相匹配，使用有机溶剂冲洗所述实体模型内残余的有色蜡，获得所述缝洞样品；
[0028]
将所述缝洞样品安装至所述缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，通过所述灌浆孔向所述缝洞样品中的裂缝内灌注带有示踪剂的填充液，并对所述缝洞样品施加所述第一方向和所述第二方向上不同大小的压力，采用所述摄像组件监测所述缝洞样品中裂缝扩展的过程和情况，并记录相应数据。
[0029]
本发明有益效果至少包括：
[0030]
本发明通过建立缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验方法，有效模拟了实际缝洞型碳酸盐岩裂缝水力压裂过程，真实的展现了充注液体的压力、流速、充满度，洞穴的开孔位置、开孔尺寸，以及不同地应力等参数与裂缝开度、裂缝扩展走向之间的变化，进而获得实际裂缝配置条件下采用不同的充注方式、开孔位置、不同地应力条件下对应的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展的变化规律，以达到对缝洞型碳酸盐岩裂缝的扩展的机理的探究，实现实际开采过程中不同材料层之间采用水力压裂的方式时，对应的裂缝扩展情况的
有效控制。
[0031]
本发明的缝洞型碳酸盐岩储层油气充注的物理模拟方法及实验装置具有如下优势：1、通过建立实际的缝洞型碳酸盐岩裂缝的三维模型，对模型在预设位置上进行开孔，模拟实地场景进行水压裂实验，克服了以岩心蚀刻和玻璃蚀刻物理模拟在表征尺度和代表性上的局限性；2、可以从不同方向对缝洞样品施加不同的压力，模拟不同地层环境的地应力情况，使得模拟环境更为真实；3、缝洞样品可重复制作，对照实验误差小，方便研究缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理，数据可信度高，前夹板和后甲板均为可拆卸透明结构，方便使用高速摄像机进行裂缝扩展情况的捕捉，实验操作灵活度高，方便研究不同条件下研究缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。
[0033]
图1是本技术实施例提供的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统的结构示意图；
[0034]
图2是本技术实施例提供的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统的结构示意图；
[0035]
图3是本技术实施例提供的摄像组件的结构示意图；
[0036]
图4是本技术实施例提供的第二夹具组的结构示意图；
[0037]
图5是本技术实施例提供的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统的部分结构示意图；
[0038]
图6是本技术实施例提供的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统的部分结构示意图。
[0039]
附图标记：
[0040]
缝洞样品-10、实验台-201、第一方向-f1、第二方向-f2、第三方向-f3；
[0041]
前夹板-301、后夹板-302、连接件-303、灌浆孔-304、容纳空间-k；
[0042]
摄像机-401、x向滑轨-4021、y向滑轨-4022、调节座-4023、驱动电机-4024、升降台-4025、相机角度调节机构-4026；
[0043]
移动座-202、导杆-2031、螺杆-2032、固定板-2033、转盘-2034、上限位板-2041a、上抵板-2042a、上压板-2043a、下限位板-2041b、下抵板-2042b、下压板-2043b、测量示数件-2061、标尺-2062；
[0044]
增压气管-2051、进气口-2051a、第一增压充气口-2051b、第二增压充气口-2051c、充气泵-2052、第一增压气囊-2053a、第二增压气囊-2053b、导管2054、出气口-2055；
具体实施方式
[0045]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0046]
本技术实施例提供一种缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统及方法。以下分别进行详细说明。需说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。另外，在本技术的描述中，术语“包括”是指“包括但不限于”。用语第一、第二、第三等仅仅作为标示使用，并没有强加数字要求或建立顺序。本发明的各种实施例可以以一个范围的型式存在；应当理解，以一范围型式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本发明范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所数范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
[0047]
本技术实施例提供一种缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，如图1～图6所示，包括缝洞样品10、加压夹持组件、夹持组件和摄像组件：
[0048]
所述缝洞样品10包括至少一条模拟裂缝，以及一个模拟洞穴，所述模拟洞穴与所述模拟裂缝相连通；
[0049]
所述加压夹持组件，包括实验台201，设置于所述实验台201上的沿第一方向f1夹持所述缝洞样品10且向所述缝洞样品10加压的第一夹具组，沿第二方向f2夹持所述缝洞样品10且向所述缝洞样品10加压第二夹具组；所述第一方向f1与所述第二方向f2垂直，且所述第一方向f1垂直所述实验台201；
[0050]
所述透明夹持组件，包括透明且相对设置的前夹板301和后夹板302，所述第一方向f1和所述第二方向f2所成的平面与所述前夹板301平行，所述前夹板301和所述后夹板302通过多个连接件303可拆卸连接，所述缝洞样品10设置于所述前夹板301和所述后夹板302之间，以夹持所述缝洞样品10，所述后夹板302上开设有灌浆孔304，所述灌浆孔304与所述缝洞样品10上的所述模拟洞穴相连通；
[0051]
摄像组件，包括位移机构和摄像机401，所述摄像机401设置于所述位移机构上，以使所述摄像机401于所述缝洞样品10周围移动，所述摄像机401监测所述模拟裂缝在加压过程中的扩展情况。
[0052]
具体地，缝洞样品10的主体材料为碳酸盐粉末，具体可以取实际的岩心粉碎的粉末或贝壳粉，混合环氧树脂和附加剂，所述附加剂为硬化剂，其中，主体材料、环氧树脂和附加剂的质量比可以为100:10～20:1～1.5。
[0053]
具体地，缝洞样品10的形状优选规整的立方体结构或圆柱结构，具体可以根据实际情况进行调整，同时更换合适的透明夹持组件。
[0054]
具体地，所述加压夹持组件中第一夹具组和第二夹具组的加压方式可以相同，也可以不同，例如可以采用类似千斤顶的加压方式，也可以采用气囊充气加压的方式进行加压，实现模拟地层应力环境。
[0055]
具体地，如图5和图6所示，所述透明夹持组件中，所述前夹板301和所述后夹板302沿第三方向f3排列，所述第三方向f3与所述第一方向f1和所述第二方向f2所成的平面垂直，所述前夹板301和所述后夹板302通过多个连接件303可拆卸连接，所述连接件303为螺
钉和螺母，所述螺钉贯穿所述前夹板301和所述后夹板302，并通过螺母紧固，所述缝洞样品10设置于所述前夹板301和所述后夹板302之间，通过调整所述前夹板301和所述后夹板302之间的间距夹持所述缝洞样品10；
[0056]
所述后夹板302上开设有灌浆孔304，所述灌浆孔304与所述缝洞样品10上的所述模拟洞穴相连通，所述灌浆孔304用于向所述缝洞样品10的洞穴内灌注带有示踪剂的压力液；
[0057]
所述前夹板301和所述后夹板302的材质可以为钢化玻璃，所述前夹板301和所述后夹板302的形状可以根据实际待测缝洞样品10的形状进行调整。
[0058]
具体地，如图1和图2所示，所述实验台201为水平的台面，其还可以配置倾角调整机构进行水平度的调节，以适应不同的实验环境。
[0059]
具体地，如图3所示，摄像组件中所述位移机构包括与所述实验台201平行的x向滑轨4021和y向滑轨4022，所述x向滑轨4021沿所述y向滑轨4022的延伸方向往复滑动，所述x滑轨上设置有调节座4023，所述调节座4023于所述x向滑轨4021上沿所述x向滑轨4021的延伸方向往复滑动，所述调节座4023上设置有垂直所述实验台201的高度调节结构，所述高度调节结构包括驱动电机4024和升降台4025，所述升降台4025包括齿条，所述齿条与一齿轮啮合，所述齿轮通过所述驱动电极带动转动，所述驱动电机4024转动带动所述升降台4025在所述第一方向f1上往复移动；所述升降台4025上设置有相机角度调节机构4026，所述相机角度调节机构4026即目前市售相机三脚架上的角度调节机构，实现摄像机401的仰角和俯视角的拍摄。
[0060]
具体地，所述摄像机401用于拍摄待测缝洞样品10在实验过程中裂缝的扩展情况，所述摄像机401为高速摄像机。
[0061]
具体地，所述摄像组件设置于所述实验台201上，且靠近所述前压板。
[0062]
本发明的缝洞型碳酸盐岩储层油气充注的物理模拟方法及实验装置具有如下优势：1、通过建立实际的缝洞型碳酸盐岩裂缝的三维模型，对模型在预设位置上进行开孔，模拟实地场景进行水压裂实验，克服了以岩心蚀刻和玻璃蚀刻物理模拟在表征尺度和代表性上的局限性；2、可以从不同方向对缝洞样品10施加不同的压力，模拟不同地层环境的地应力情况，使得模拟环境更为真实；3、缝洞样品10可重复制作，对照实验误差小，方便研究缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理，数据可信度高，前夹板301和后甲板均为可拆卸透明结构，方便使用高速摄像机401进行裂缝扩展情况的捕捉，实验操作灵活度高，方便研究不同条件下研究缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理。
[0063]
在一实施例中，如图1所示，所述第一夹具组包括：
[0064]
垂直设置于所述实验台201上的支架、与所述支架滑动连接且沿所述第一方向f1移动的移动座202、设置于所述实验台201上的下夹具、以及设置于所述移动座202上且与所述下夹具相对设置的上夹具，所述缝洞样品10设置于所述上夹具和所述下夹具之间；
[0065]
所述支架包括与所述第一方向f1平行的导杆2031和螺杆2032，所述螺杆2032与所述实验台201转动连接，所述移动座202上设置有导向孔和螺孔，所述导杆2031穿过所述导向孔与所述移动座202滑动连接，所述螺杆2032通过所述螺孔与所述移动座202螺接，所述螺杆2032相对所述实验台201转动，带动所述移动座202在所述第一方向f1上移动。
[0066]
具体地，如图1和图2所示，所述导杆2031和螺杆2032均可以为钢结构，所述导杆
2031可以设置两根，所述螺杆2032可以位于两根所述导杆2031之间，四根所述导杆2031远离所述实验台201的一端均连接至一固定板2033上，所述固定板2033远离所述实验台201的一侧面转动连接有一转盘2034，所述转盘2034的中心与所述螺杆2032的一端固定连接，所述转盘2034转动，带动所述螺杆2032转动，进而带动所述移动座202在所述导杆2031上沿所述第一方向f1往复移动。
[0067]
在一实施例中，如图6所示，所述上夹具包括叠设的上限位板2041a和上抵板2042a，所述上限位板2041a和所述上抵板2042a可拆卸式连接，所述上抵板2042a朝向所述下夹具设置，且所述上抵板2042a上可拆卸的设置有上压板2043a，所述上压板2043a部分伸入至所述前夹板301和后夹板302之间与所述缝洞样品10抵接；
[0068]
所述下夹具包括叠设的下限位板2041b和下抵板2042b，所述下限位板2041b和所述下抵板2042b可拆卸式连接，所述下抵板2042b朝向所述上夹具设置，且所述下抵板2042b上可拆卸的设置有下压板2043b，所述下压板2043b部分伸入至所述前夹板301和后夹板302之间与所述缝洞样品10抵接，配合所述上压板2043a以向所述缝洞样品10施加所述第一方向f1上的压力。
[0069]
具体地，所述上限位板2041a和所述上抵板2042a可拆卸式连接的具体方式为，所述上抵板2042a上设置有贯穿的上通孔，所述上限位板2041a上设置有对应所述上通孔的上螺孔，螺钉穿多过所述上通孔与所述上螺孔螺接，该连接方式中螺钉至少设置两枚。
[0070]
具体地，所述下限位板2041b和所述下抵板2042b可拆卸式连接的具体方式为：所述下抵板2042b上设置有贯穿的下通孔，所述下限位板2041b上设置有对应所述下通孔的下螺孔，螺钉穿多过所述下通孔与所述下螺孔螺接，该连接方式中螺钉至少设置两枚。
[0071]
具体地，所述上抵板2042a上可拆卸的设置有上压板2043a，具体的设置方式为上抵板2042a上设置有上条形凹槽，所述上压板2043a上设置有与所述上条形凹槽相匹配的上凸起，所述上凸起滑至所述上条形凹槽内，实现所述上压板2043a和所述上抵板2042a在所述第一方向f1上的卡接。
[0072]
具体地，所述下抵板2042b上可拆卸的设置有下压板2043b，具体的设置方式为下抵板2042b上设置有下条形凹槽，所述下压板2043b上设置有与所述下条形凹槽相匹配的下凸起，所述下凸起滑至所述下条形凹槽内，实现所述下压板2043b和所述下抵板2042b在所述第一方向f1上的卡接。
[0073]
具体地，所述上压板2043a的抵接面至所述上凸起的端面的距离(即上压板2043a的厚度)可调，可以根据待测的缝洞样品10的尺寸，调整不同的上压板2043a的厚度，提升实验系统的灵活度。
[0074]
具体地，所述下压板2043b的抵接面至所述下凸起的端面的距离(即下压板2043b的厚度)可调，可以根据待测的缝洞样品10的尺寸，调整不同的下压板2043b的厚度，提升实验系统的灵活度。
[0075]
在一实施例中，如图4所示，所述第二夹具组包括：增压气管2051，以及与所述增压气管2051连通的充气泵2052；
[0076]
其中，所述增压气管2051与所述移动座202固定连接，所述增压气管2051包括进气口2051a、第一增压充气口2051b和第二增压充气口2051c，所述第一增压口连通第一增压气囊2053a，所述第二增压口连通第二增压气囊2053b，所述第一增压气囊2053a和所述第二增
压气囊2053b沿所述第二方向f2排列，所述缝洞样品10设置于所述第一增压气囊2053a和所述第二增压气囊2053b之间；所述充气泵2052设置于所述实验台201上，且所述充气泵2052的出气口与所述增压气管2051进气口2051a连通，以向所述第一增压气囊2053a和所述第二增压气囊2053b充气向所述缝洞样品10施加所述第二方向f2上的压力。
[0077]
具体地，所述充气泵2052为氮气泵。
[0078]
具体地，所述增压气管2051为y型导气管，包括进气口2051a、第一增压充气口2051b和第二增压充气口2051c，所述第一增压充气口2051b和所述第二增压充气口2051c朝向相同，所述进气口2051a与所述充气泵2052的出气口2055通过导管2054连通。
[0079]
具体地，所述第一增压气囊2053a和所述第二增压气囊2053b均为柔性气囊，所述第一增压气囊2053a和所述第二增压气囊2053b的材料为橡胶，采用该技术方案使得实验系统的加压更均匀。
[0080]
承上述实施例，所述透明夹持组件中，所述前夹板301和所述后夹板302连接后具有一容纳空间k，所述第一增压气囊2053a和所述第二增压气囊2053b位于所述容纳空间k内。
[0081]
承上述实施例，如图6所示，所述上夹具上设置有对应所述第一增压充气口2051b和所述第二增压充气口2051c的两限位通孔。
[0082]
具体地，所述限位通孔的直径略大于所述第一增压充气口2051b的直径，所述第一增压充气口2051b的直径和所述第二增压充气口2051c的直径相同。
[0083]
在一实施例中，还包括显示控制终端(未示出)；所述第一夹具组上设置有第一压力传感器，第一压力传感器与所述显示控制终端点连接；所述第二夹具组中所述增压气管2051上设置有流量压力传感器和控制阀门，所述流量压力传感器和所述控制阀门与所述显示控制终端电连接。
[0084]
具体地，所述显示控制终端为计算机。
[0085]
具体地，所述摄像机401与所述显示控制终端可以通讯连接，例如，蓝牙连接或数据线连接。
[0086]
具体地，所述第一压力传感器可以设置于所述上压板2043a或所述下压板2043b的抵接面上。
[0087]
上述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统中，显示控制终端可以记录实验过程中加压的压力、摄像机401拍摄到的裂缝扩展的过程，并记录实时数据。
[0088]
承上述实施例，如图1所示，所述第一夹具组还包括测微计，所述测微计包括测量示数件2061和与所述测量示数件2061滑动连接的标尺2062，所述标尺2062设置于所述实验台201上与所述第一方向f1平行，所述测量示数件2061与所述移动座202固定连接。
[0089]
可以理解的是，在本实施例中，采用上述技术方案，通过设置测微计起到限位作用，防止在第一方向f1上加压速度过快，压裂所述缝洞样品10。
[0090]
在使用上述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统进行实验的过程中，先调整好模型，开启摄像机401，确定灌注液体的流速后，向所述样品的裂缝中灌注带有示踪剂的液体，使液体在裂缝内充满度达到最大，实验过程处于摄像机401监控下，同时向所述缝洞样品10施加第一方向f1和第二方向f2的压力，调整灌注液体的流速和压力，观察裂缝的扩展方向，为验证实验数据的可靠性，可针对同一裂缝模型，制作多个缝洞样品
10，调整各项参数进行多次实验，用以比较实验结果差异性。
[0091]
本技术的实验方法通过高速摄像机获取缝洞样品10变形过程中的每一帧图像，应用数字图像相关法(digitalimagecorrelationdic)，计算获取模拟裂缝处的变形信息，获得缝洞样品10在实验过程中的全场应力应变分析，得到裂缝动态扩展过程中，整个三维应力场或变形场的分布特征，方便研究不同条件下研究缝洞型碳酸盐岩裂缝在水力压裂的情况下的扩展机理。
[0092]
数字图像相关法的基本原理是，对变形前图像中的感兴趣区域进行网格划分，将每个子区域当作刚性运动，再针对每个子区域，通过一定的搜索方法按预先定义的相关函数来进行相关计算，在变形后图像中寻找与该子区域的互相关系数为最大值的区域，即该子区域在变形后的位置，进而获得该子区域的位移。对全部子区域进行计算，即可获得全场的变形信息。
[0093]
本技术的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统采用该方法能够有效容差，对实验环境要求宽松，并且具有全场测量、抗干扰能力强、测量精度高的优点。
[0094]
此外，本技术实施例还提供一种缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验方法，采用上述实施例所述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，所述缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验方法具体包括以下步骤：
[0095]
s1、运用现场ct点云数据建立待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝尺寸、分布的密度及空间展布特征的三维模型，采用三维打印技术获得实体裂缝模型；
[0096]
具体地，现场ct点云数据的获取可以通过井震标定和三维地震资料，依靠相干体和分频技术实地测量获得。
[0097]
具体地，可以通过数据组合成像获得裂缝的发育密度、尺寸等参数。
[0098]
s2、将熔融状态的有色蜡注入实体裂缝模型中，记录所述有色蜡注入体积为a，有色蜡冷却固化后，拆除所述实体裂缝模型，获得待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模，修整所述待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模，使所述待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模的表层与ct电云数据相对应，并记录上述修整过程中使用和回收的有色蜡，并记录使用体积为b；
[0099]
具体地，修整所述待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模具体为人工操作，用雕刻工具手工修模，去除分模线、填补表层孔隙，确保裂缝的蜡模的表层与ct电云数据的匹配性。
[0100]
s3、取样品岩料，研磨，获得样品岩料粉末，将所述样品岩料粉末与至少一种环氧树脂、以及附加剂混合均匀，得到样品岩料预制物；将修整后的待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模采用一固定夹具固定在一样品模具中，采用所述样品岩料预制物填充满所述样品模具，同时保持所述待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模在所述样品模具中的位置，待填充至所述样品模具中的所述样品岩料预制物固化后，拆除所述固定夹具并做好标记，获得待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的实体模型；
[0101]
具体地，所述样品岩料粉末、环氧树脂和附加剂的质量比可以为100:10～20:1～1.5。
[0102]
具体地，样品模具的内模可以为立方体或圆柱体，具体可以根据实验需求进行选择。
[0103]
s4、在所述实体模型上钻取模拟洞穴，所述模拟洞穴与所述模拟裂缝相连通；加热所述实体模型使有色蜡流出，回收有色蜡，使得回收的所述有色蜡的体积为与a和b之和相
匹配，使用有机溶剂冲洗所述实体模型内残余的有色蜡，获得所述缝洞样品10；
[0104]
s5、将所述缝洞样品10安装至所述缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，通过所述灌浆孔304向所述缝洞样品10中的裂缝内灌注带有示踪剂的填充液，并对所述缝洞样品10施加所述第一方向f1和所述第二方向f2上不同大小的压力，采用所述摄像组件监测所述缝洞样品10中裂缝扩展的过程和情况，并记录相应数据。具体地，所述带有示踪剂的填充液为水力压裂所使用的液体，具体黏度、流速根据实际情况进行调整；
[0105]
具体地，对所述缝洞样品10施加所述第一方向f1和所述第二方向f2上不同大小的压力是模拟不同材料的地层的地应力环境，以便研究裂缝扩展的机理。
[0106]
具体地，所述后夹板302上的灌浆孔304与所述模拟洞穴开口一一对应；
[0107]
具体地，不同的缝洞样品10对应设置有不同的后夹板302。
[0108]
s6、根据所述摄像组件获得的所述相应数据，采用数字图像相关法进行所述模拟裂缝的三维应力场或变形场的分布特征提取。可以理解的是，本发明通过建立缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验方法，有效模拟了实际缝洞型碳酸盐岩裂缝水力压裂过程，真实的展现了充注液体的压力、流速、充满度，洞穴的开孔位置、开孔尺寸，以及不同地应力等参数与裂缝开度、裂缝扩展走向之间的变化，进而获得实际裂缝配置条件下采用不同的充注方式、开孔位置、不同地应力条件下对应的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展的变化规律，以达到对缝洞型碳酸盐岩裂缝的扩展的机理的探究，实现实际开采过程中不同材料层之间采用水力压裂的方式时，对应的裂缝扩展情况的有效控制。
[0109]
综上，本发明通过建立缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验方法，有效模拟了实际缝洞型碳酸盐岩裂缝水力压裂过程，真实的展现了充注液体的压力、流速、充满度，洞穴的开孔位置、开孔尺寸，以及不同地应力等参数与裂缝开度、裂缝扩展走向之间的变化，进而获得实际裂缝配置条件下采用不同的充注方式、开孔位置、不同地应力条件下对应的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展的变化规律，以达到对缝洞型碳酸盐岩裂缝的扩展的机理的探究，实现实际开采过程中不同材料层之间采用水力压裂的方式时，对应的裂缝扩展情况的有效控制。
[0110]
本发明的缝洞型碳酸盐岩储层油气充注的物理模拟方法及实验装置具有如下优势：1、通过建立实际的缝洞型碳酸盐岩裂缝的三维模型，对模型在预设位置上进行开孔，模拟实地场景进行水压裂实验，克服了以岩心蚀刻和玻璃蚀刻物理模拟在表征尺度和代表性上的局限性；2、可以从不同方向对缝洞样品10施加不同的压力，模拟不同地层环境的地应力情况，使得模拟环境更为真实；3、缝洞样品10可重复制作，对照实验误差小，方便研究缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理，数据可信度高，前夹板301和后甲板均为可拆卸透明结构，方便使用高速摄像机401进行裂缝扩展情况的捕捉，实验操作灵活度高，方便研究不同条件下研究缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理。
[0111]
以上对本技术实施例所提供的一种缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。

技术特征：
1.一种缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，其特征在于，包括缝洞样品、加压夹持组件、夹持组件和摄像组件：所述缝洞样品包括至少一条模拟裂缝，以及一个模拟洞穴，所述模拟洞穴与所述模拟裂缝相连通；所述加压夹持组件，包括实验台，设置于所述实验台上的沿第一方向夹持所述缝洞样品且向所述缝洞样品加压的第一夹具组，沿第二方向夹持所述缝洞样品且向所述缝洞样品加压第二夹具组；所述第一方向与所述第二方向垂直，且所述第一方向垂直所述实验台；所述夹持组件，包括透明且相对设置的前夹板和后夹板，所述第一方向和所述第二方向所成的平面与所述前夹板平行，所述前夹板和所述后夹板通过多个连接件可拆卸连接，所述缝洞样品设置于所述前夹板和所述后夹板之间，以夹持所述缝洞样品，所述后夹板上开设有灌浆孔，所述灌浆孔与所述缝洞样品上的所述模拟洞穴相连通；摄像组件，包括位移机构和摄像机，所述摄像机设置于所述位移机构上，以使所述摄像机于所述缝洞样品周围移动，所述摄像机监测所述模拟裂缝在加压过程中的扩展情况。2.如权利要求1所述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，其特征在于，所述第一夹具组包括：垂直设置于所述实验台上的支架、与所述支架滑动连接且沿所述第一方向移动的移动座、设置于所述实验台上的下夹具、以及设置于所述移动座上且与所述下夹具相对设置的上夹具，所述缝洞样品设置于所述上夹具和所述下夹具之间；所述支架包括与所述第一方向平行的导杆和螺杆，所述螺杆与所述实验台转动连接，所述移动座上设置有导向孔和螺孔，所述导杆穿过所述导向孔与所述移动座滑动连接，所述螺杆通过所述螺孔与所述移动座螺接，所述螺杆相对所述实验台转动，带动所述移动座在所述第一方向上移动。3.如权利要求2所述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，其特征在于，所述上夹具包括叠设的上限位板和上抵板，所述上限位板和所述上抵板可拆卸式连接，所述上抵板朝向所述下夹具设置，且所述上抵板上可拆卸的设置有上压板，所述上压板部分伸入至所述前夹板和后夹板之间与所述缝洞样品抵接；所述下夹具包括叠设的下限位板和下抵板，所述下限位板和所述下抵板可拆卸式连接，所述下抵板朝向所述上夹具设置，且所述下抵板上可拆卸的设置有下压板，所述下压板部分伸入至所述前夹板和后夹板之间与所述缝洞样品抵接，配合所述上压板以向所述缝洞样品施加所述第一方向上的压力。4.如权利要求2所述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，其特征在于，所述第二夹具组包括：增压气管，以及与所述增压气管连通的充气泵；其中，所述增压气管与所述移动座固定连接，所述增压气管包括进气口、第一增压充气口和第二增压充气口，所述第一增压口连通第一增压气囊，所述第二增压口连通第二增压气囊，所述第一增压气囊和所述第二增压气囊沿所述第二方向排列，所述缝洞样品设置于所述第一增压气囊和所述第二增压气囊之间；所述充气泵设置于所述实验台上，且所述充气泵的出气口与所述增压气管进气口连通，以向所述第一增压气囊和所述第二增压气囊充气向所述缝洞样品施加所述第二方向上的压力。5.如权利要求4所述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，其特征在
于，所述透明夹持组件中，所述前夹板和所述后夹板连接后具有一容纳空间，所述第一增压气囊和所述第二增压气囊位于所述容纳空间内。6.如权利要求4所述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，其特征在于，所述上夹具上设置有对应所述第一增压充气口和所述第二增压充气口的两限位通孔。7.如权利要求4所述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，其特征在于，还包括显示控制终端；所述第一夹具组上设置有第一压力传感器，第一压力传感器与所述显示控制终端点连接；所述第二夹具组中所述增压气管上设置有流量压力传感器和控制阀门，所述流量压力传感器和所述控制阀门与所述显示控制终端电连接。8.如权利要求4所述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，其特征在于，所述充气泵为氮气泵，所述第一增压气囊和所述第二增压气囊的材料为橡胶。9.如权利要求2所述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，其特征在于，所述第一夹具组还包括测微计，所述测微计包括测量示数件和与所述测量示数件滑动连接的标尺，所述标尺设置于所述实验台上与所述第一方向平行，所述测量示数件与所述移动座固定连接。10.一种缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验方法，其特征在于，采用权利要求1～9所述的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，所述缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验方法具体包括以下步骤：运用现场ct点云数据建立待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝尺寸、分布的密度及空间展布特征的三维模型，采用三维打印技术获得实体裂缝模型；将熔融状态的有色蜡注入实体裂缝模型中，记录所述有色蜡注入体积为a，有色蜡冷却固化后，拆除所述实体裂缝模型，获得待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模，修整所述待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模，使所述待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模的表层与ct电云数据相对应，并记录上述修整过程中使用和回收的有色蜡，并记录使用体积为b；取样品岩料，研磨，获得样品岩料粉末，将所述样品岩料粉末与至少一种环氧树脂、以及附加剂混合均匀，得到样品岩料预制物；将修整后的待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模采用一固定夹具固定在一样品模具中，采用所述样品岩料预制物填充满所述样品模具，同时保持所述待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的蜡模在所述样品模具中的位置，待填充至所述样品模具中的所述样品岩料预制物固化后，拆除所述固定夹具并做好标记，获得待测缝洞型碳酸盐岩中裂缝的实体模型；在所述实体模型上钻取模拟洞穴，加热所述实体模型使有色蜡流出，回收有色蜡，使得回收的所述有色蜡的体积为与a和b之和相匹配，使用有机溶剂冲洗所述实体模型内残余的有色蜡，获得所述缝洞样品；将所述缝洞样品安装至所述缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统，通过所述灌浆孔向所述缝洞样品中的裂缝内灌注带有示踪剂的填充液，并对所述缝洞样品施加所述第一方向和所述第二方向上不同大小的压力，采用所述摄像组件监测所述缝洞样品中裂缝扩展的过程和情况，并记录相应数据；根据所述摄像组件获得的所述相应数据，采用数字图像相关法进行所述模拟裂缝的三维应力场或变形场的分布特征提取。

技术总结
本申请公开了一种缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统及方法，本申请的缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理可视化压裂实验系统包括缝洞样品、加压夹持组件、夹持组件和摄像组件；加压夹持组件增压模拟不同地层环境的地应力情况，夹持组件夹持缝洞样品，缝洞样品为根据现场ct点云数据建立的三维实体模型，通过高速摄像机多角度捕捉模拟裂缝在水力压裂过程中的扩展图像，采用DIC进行全场应力或变形的分布特征分析。本申请能够有效模拟不同地层环境的地应力情况下进行水力压裂实验的过程，缝洞样品可重复制作，三维实体模型精准度高，DIC分析结果精确，误差小，方便研究缝洞型碳酸盐岩裂缝扩展机理，实验系统组装简单，上样方便，操作灵活。操作灵活。操作灵活。


技术研发人员：常鑫 王兴义 魏凯 万洋辉 郭印同 冒海军
受保护的技术使用者：长江大学
技术研发日：2022.12.14
技术公布日：2023/7/22