复杂裂缝模拟试验装置、试验方法及裂缝壁面制备方法

技术领域

本发明涉及页岩油气压裂加砂模拟试验技术领域，具体来讲，涉及一种复杂裂缝模拟试验装置、试验方法及裂缝壁面制备方法。

背景技术

水力压裂是目前国内构建页岩油气储层复杂裂缝网络的主要技术之一。页岩储层内部矿物组分差异以及不连续界面(层理、天然裂缝)的广泛分布使其具有强烈的非均质性，造成压裂后裂缝展布和形态差别很大。裂缝壁面的形态和粗糙度也各不相同，并直接影响压裂后支撑剂在裂缝系统内的运移和展布，进而影响后续气井产能。现有的裂缝模拟方法大多把压裂形成的裂缝看作平直缝，制作的支撑剂运移装置无法模拟真实裂缝断面形态起伏和粗糙度差异带来的支撑剂运移和铺置变化。因此，有必要研究模拟迂曲和粗糙裂缝的方法及实验装置，为优化支撑剂类型及比例等参数提供技术支撑。

研究页岩储层压裂后复杂缝网内支撑剂沉降运移规律的方法主要包括数值模拟方法和物理模拟法两大类型。其中物理模拟方法相比数值模拟方法可更直观地观察支撑剂的沉降运移规律。水力压裂工艺最初主要应用在常规砂岩储层，压裂裂缝形态以单一平面裂缝为主，因此构建的裂缝模拟装置的裂缝形态多为单一平面裂缝，其裂缝形态和尺寸就相对固定。随着页岩油气藏勘探开发的兴起，针对复杂压裂裂缝，国内外学者开展了大量的支撑剂运移与展布评价实验仪器的研究，其中裂缝模拟装置主要针对正交复杂裂缝和分支复杂裂缝，不同装置模拟的裂缝形态和尺寸差异大。裂缝模拟装置的材质决定了实验仪器的整体性能和实验参数，不透明的材质如岩石、混凝土试件等只能观测支撑剂最终在压裂裂缝中的展布情况，采用相对较少。透明材质(有机玻璃)为裂缝模拟装置的首选，采用此类材料可以实时、方便地观测支撑剂在压裂裂缝中的运移、展布情况，进而掌握不同阶段支撑剂在裂缝中的运移规律。现有仪器的压裂裂缝模拟装置的尺寸差异较大，从几十厘米到几米不等。若采用小尺寸裂缝模拟装置，实验过程中支撑剂极易穿过裂缝，因而导致实验注入排量小，无法进行大排量测试，与现场情况差异大。从现有情况来看，压裂裂缝模拟装置尺寸越大，实验获得的支撑剂在裂缝中的运移和展布实验结果与实际情况更接近，但实验难度也越大。现有的可视化支撑剂沉降运移实验装置可以一定程度上模拟在裂缝不同位置处注入携砂液时，支撑剂在水力裂缝内支撑剂沉降运移规律，具体的，在裂缝注入端设置不同的孔眼，孔眼与管线相连接，管线与泵相连接，通过调整不同孔眼开启，实现携砂液在裂缝不同位置注入。水力裂缝宽度恒定，主裂缝与分支缝通过铰链固定，可在主裂缝上设置不同逼近角的分支缝以模拟逼近角对携砂液运移规律影响。总的来说，现有的以有机玻璃为代表的可视化裂缝模拟系统模拟的裂缝壁面大都是均质平整面，没有考虑裂缝表面的迂曲和粗糙度。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种复杂裂缝模拟试验装置、试验方法及裂缝壁面制备方法，用以解决现有技术中存在的模拟裂缝壁面无法还原真实裂缝壁面所具有的迂曲和粗糙度进而无法准确模拟支撑剂的沉降和分布规律的技术难题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种复杂裂缝模拟试验装置，所述试验装置可包括试验台、搅拌输送单元、裂缝单元、数据采集单元和控制单元，其中，裂缝单元安装在试验台上，搅拌输送单元与裂缝单元通过管路连通，搅拌输送单元包括搅拌罐和输送泵，输送泵设置在搅拌罐的下方并通过管路与搅拌罐连通，搅拌罐能够将支撑剂混合搅拌并利用输送泵沿管路泵送至裂缝单元中进行沉降运移试验；数据采集单元与控制单元连接，数据采集单元包括运移监测模块和参数测量模块，运移监测模块安装在试验台上，运移监测模块能够对支撑剂在裂缝单元中的运移和铺置情况进行监控；参数测量模块安装在搅拌输送单元与裂缝单元之间的管路中，参数测量模块能够测量管路中的流量及压力参数；控制单元能够接收数据采集单元采集的数据并对所述试验装置进行控制。

可选择地，所述裂缝单元可包括常规裂缝模块，常规裂缝模块包括主裂缝、若干条分支裂缝和若干条三级裂缝，若干条分支裂缝分别与主裂缝的侧壁连接，若干条三级裂缝与若干条分支裂缝中的一条或多条连接，所述搅拌输送单元中的支撑剂能够沿管路被先后输送至主裂缝、若干条分支裂缝和若干条三级裂缝中进行沉降运移试验。

可选择地，所述裂缝单元还可包括微裂缝模块，微裂缝模块与所述常规裂缝模块连接，所述常规裂缝模块中的支撑剂能够被输送至微裂缝模块中进行沉降运移试验；微裂缝模块的裂缝缝宽尺寸范围为0.05mm～1mm。

可选择地，所述常规裂缝模块及微裂缝模块中的裂缝壁面的粗糙度范围可为5μm～9.5μm。

本发明另一方面提供了一种复杂裂缝模拟试验方法，所述试验方法可采用如上所述的复杂裂缝模拟试验装置，所述试验方法可包括在所述试验台上安装所述裂缝单元，通过所述管路连接所述搅拌输送单元与所述裂缝单元，在所述管路中安装所述参数测量模块，在所述试验台上安装所述运移监测模块，将所述参数测量模块和所述运移监测模块分别与所述控制单元连接；向所述搅拌输送单元和裂缝单元中输入清水进行密封性试验；向所述搅拌罐中输入携砂液与支撑剂，搅拌形成支撑剂悬浮液后开启所述输送泵，将支撑剂输入至所述裂缝单元中，通过所述参数测量模块测量所述裂缝单元中的压力和流量参数并传输至所述控制单元，所述运移监测模块监测所述裂缝单元中支撑剂的运移和铺置情况并在所述控制单元中显示，所述控制单元调节所述裂缝单元中的压力和流量参数，在所述裂缝单元的出口处收集支撑剂悬浮液进行支撑剂粒度分析。

本发明再一方面提供了一种裂缝壁面的制备方法，所述制备方法可用于制备如上所述的复杂裂缝模拟试验装置中所述裂缝单元的裂缝壁面，所述制备方法可包括确定压裂裂缝壁面粗糙度值的分布范围；制备预设尺寸厚度的透明有机玻璃板，根据所需裂缝宽度在单块或两块有机玻璃板表面上3D雕刻，形成模拟的迂曲裂缝断面；准备预设粒径的磨料，将磨料装入喷砂机，调整喷砂机的压力参数，对3D雕刻后的玻璃板进行喷砂处理，得到预设粗糙度的裂缝壁面。

可选择地，所述确定压裂裂缝壁面粗糙度值的分布范围可包括切割页岩制备若干块岩板，利用三轴应力系统对若干块岩板加压制备人工裂缝，使用三维激光表面轮廓仪扫描压裂后的若干块岩板的表面，采集裂缝表面三维坐标数据，进行3D数字化立体成像，分析每块岩板表面的几何形态；根据下式计算得到每块岩板的粗糙度值：

其中，n为岩板表面选定的测量长度，z(x)为表面高度差值函数；再根据每块岩板的粗糙度值确定压裂裂缝壁面粗糙度值的近似分布范围。

可选择地，所述预设粒径的磨料可包括目数为20～200的5种不同粒径的喷砂磨料。

可选择地，所述制备方法还可包括使用三维激光表面轮廓仪对喷砂后的玻璃板进行扫描，得到喷砂后的玻璃板的3D粗糙面图像，并计算得到喷砂后的玻璃板的粗糙度值；选择属于所述压裂裂缝壁面粗糙度值的分布范围中的玻璃板的粗糙面图像，通过数据拟合得到模拟的裂缝断面粗糙度与喷砂粒径和喷砂压力的关系式。

可选择地，可根据所述模拟的裂缝断面粗糙度与喷砂粒径和喷砂压力的关系式，可通过控制所述磨料的粒径和所述喷砂机的压力参数制备不同粗糙度的裂缝壁面。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

1、本发明提供的一种考虑裂缝迂曲和粗糙的复杂裂缝模拟试验装置、试验方法及裂缝壁面制备方法可通过控制在透明有机玻璃表面喷砂的粒径、压力、角度等参数可以实现模拟裂缝表面粗糙度的差异化设计与加工，可以实现不同迂曲度、裂缝壁面粗糙度、天然裂缝逼近角等因素影响下支撑剂沉降运移规律研究，能更真实的反应实际地层内支撑剂沉降运移规律。

2、本发明的复杂裂缝模拟试验装置模拟的裂缝更接近真实的压裂裂缝表面形态；试验装置由若干模块构成一个系统，形成不同的缝宽组合，可以模拟大尺寸的裂缝，也可以模拟微裂缝，可根据试验需要对各模块进行增减和更换；各裂缝模块均为透明材料制成，可观察支撑剂的运移与铺置过程；结构一体化，操作简单，承压，整个实验流程均可实现电脑实时监控；可以实现模拟不同实验参数(浓度、粘度、流率、粒径、裂缝尺寸/迂曲/粗糙度)下的支撑剂运移与分布；拆卸简单、清洗方便，模型可重复使用。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置结构主视图。

图2示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中裂缝单元俯视图。

图3(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的大迂曲裂缝壁面立体图。

图3(b)示出了图3(a)的黑白立体图。

图4示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的大迂曲裂缝壁面主视图。

图5示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的大迂曲裂缝壁面俯视图。

图6(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的粗糙裂缝壁面立体图。

图6(b)示出了图6(a)的黑白立体图。

图7示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的粗糙裂缝壁面主视图。

图8示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的粗糙裂缝壁面俯视图。

图9(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一分支裂缝的裂缝壁面立体图。

图9(b)示出了图9(a)的黑白立体图。

图10示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一分支裂缝的裂缝壁面主视图。

图11示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一分支裂缝的裂缝壁面俯视图。

图12(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二和第三分支裂缝的裂缝壁面立体图。

图12(b)示出了图12(a)的黑白立体图。

图13示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二和第三分支裂缝的裂缝壁面主视图。

图14示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二和第三分支裂缝的裂缝壁面俯视图。

图15(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一三级裂缝的裂缝壁面立体图。

图15(b)示出了图15(a)的黑白立体图。

图16示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一三级裂缝的裂缝壁面主视图。

图17示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一三级裂缝的裂缝壁面俯视图。

图18(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二三级裂缝的裂缝壁面立体图。

图18(b)示出了图18(a)的黑白立体图。

图19示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二三级裂缝的裂缝壁面主视图。

图20示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二三级裂缝的裂缝壁面俯视图。

附图标记说明：

1、试验台，2、搅拌输送单元，21、搅拌罐，22、输送泵，3、裂缝单元，31、常规裂缝模块，311、主裂缝，3111、第一主裂缝段，3112、第二主裂缝段，312、第一分支裂缝，313、第二分支裂缝，314、第三分支裂缝，315、第一三级裂缝，316、第二三级裂缝，32、微裂缝模块，4、数据采集单元，41、运移监测模块，411、摄像头，412、显微摄像系统，42、参数测量模块，421、流量计，422、压力传感器，5、控制单元，51、计算机，52、显示器。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的复杂裂缝模拟试验装置、试验方法及裂缝壁面制备方法。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

相关技术中，水力压裂工艺最初主要应用在常规砂岩储层，压裂裂缝形态以单一平面裂缝为主，因此构建的裂缝模拟装置的裂缝形态多为单一平面裂缝，其裂缝形态和尺寸就相对固定，裂缝模拟方法大多把压裂形成的裂缝看作平直缝，制作的支撑剂运移装置模拟的裂缝壁面大都是均质平整面，无法模拟真实裂缝断面形态起伏和粗糙度差异带来的支撑剂运移和铺置变化。

基于此，本发明提供了一种复杂裂缝模拟试验装置、试验方法及裂缝壁面制备方法，其中所述试验装置包括试验台、搅拌输送单元、裂缝单元、数据采集单元和控制单元，裂缝单元安装在试验台上，搅拌输送单元与裂缝单元通过管路连通，搅拌输送单元包括搅拌罐和输送泵，输送泵设置在搅拌罐的下方并通过管路与搅拌罐连通，搅拌罐能够将支撑剂混合搅拌并利用输送泵沿管路泵送至裂缝单元中进行沉降运移试验；数据采集单元与控制单元连接，数据采集单元包括运移监测模块和参数测量模块，运移监测模块安装在试验台上，运移监测模块能够对支撑剂在裂缝单元中的运移和铺置情况进行监控；参数测量模块安装在搅拌输送单元与裂缝单元之间的管路中，参数测量模块能够测量管路中的流量及压力参数；控制单元能够接收数据采集单元采集的数据并对所述试验装置进行控制。

本发明提供的一种考虑裂缝迂曲和粗糙的复杂裂缝模拟试验装置、试验方法及裂缝壁面制备方法可通过控制在透明有机玻璃表面喷砂的粒径、压力、角度等参数可以实现模拟裂缝表面粗糙度的差异化设计与加工，可以实现不同迂曲度、裂缝壁面粗糙度、天然裂缝逼近角等因素影响下支撑剂沉降运移规律研究，能更真实的反应实际地层内支撑剂沉降运移规律。本发明的复杂裂缝模拟试验装置模拟的裂缝更接近真实的压裂裂缝表面形态；试验装置由若干模块构成一个系统，形成不同的缝宽组合，可以模拟大尺寸的裂缝，也可以模拟微裂缝，可根据试验需要对各模块进行增减和更换；各裂缝模块均为透明材料制成，可观察支撑剂的运移与铺置过程；结构一体化，操作简单，承压，整个实验流程均可实现电脑实时监控；可以实现模拟不同实验参数(浓度、粘度、流率、粒径、裂缝尺寸/迂曲/粗糙度)下的支撑剂运移与分布；拆卸简单、清洗方便，模型可重复使用。

示例性实施例1

本示例性实施例提供了一种复杂裂缝模拟试验装置。

图1示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置结构主视图；

图2示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中裂缝单元俯视图；

图3(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的大迂曲裂缝壁面立体图；图3(b)示出了图3(a)的黑白立体图；图4示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的大迂曲裂缝壁面主视图；图5示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的大迂曲裂缝壁面俯视图；图6(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的粗糙裂缝壁面立体图；图6(b)示出了图6(a)的黑白立体图；图7示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的粗糙裂缝壁面主视图；图8示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中主裂缝的粗糙裂缝壁面俯视图；图9(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一分支裂缝的裂缝壁面立体图；图9(b)示出了图9(a)的黑白立体图；图10示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一分支裂缝的裂缝壁面主视图；图11示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一分支裂缝的裂缝壁面俯视图；图12(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二和第三分支裂缝的裂缝壁面立体图；图12(b)示出了图12(a)的黑白立体图；图13示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二和第三分支裂缝的裂缝壁面主视图；图14示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二和第三分支裂缝的裂缝壁面俯视图；图15(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一三级裂缝的裂缝壁面立体图；图15(b)示出了图15(a)的黑白立体图；图16示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一三级裂缝的裂缝壁面主视图；图17示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第一三级裂缝的裂缝壁面俯视图；图18(a)示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二三级裂缝的裂缝壁面立体图；图18(b)示出了图18(a)的黑白立体图；图19示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二三级裂缝的裂缝壁面主视图；图20示出了本发明示例性实施例的复杂裂缝模拟试验装置中第二三级裂缝的裂缝壁面俯视图。

如图1至图20中所示，本示例性实施例所述的复杂裂缝模拟试验装置可包括试验台1、搅拌输送单元2、裂缝单元3、数据采集单元4和控制单元5，其中，裂缝单元3安装在试验台1上，搅拌输送单元2可通过管路与裂缝单元3连通，搅拌输送单元2可包括搅拌罐21和输送泵22，输送泵22可通过管路连接在搅拌罐21的下方，搅拌罐21中可以加入一定比例的携砂液和支撑剂，携砂液和支撑剂可以在搅拌罐21中进行混合搅拌，形成支撑剂悬浮液，再在输送泵22的泵送下由搅拌罐21的下端出口经过输送泵22和管路被输送至裂缝单元3中，支撑剂悬浮液可以在裂缝单元3中进行沉降运移试验。

这里，输送泵22可选用柱塞泵，柱塞泵排量可调，其流量范围可为1～160mL/min，可提供最大1.0MPa的压力；柱塞泵的电机可具有变频功能，可实现手动流量控制或电脑流量控制；输送泵22也可不限于选用柱塞泵，也可根据试验需求选择其他类型的泵，泵的参数也可任意选择，本发明对此不作具体限定。

搅拌罐21上可设有带刻度的透明窗口(图中未示出)，搅拌罐21的顶部可安装有搅拌叶片(图中未示出)，可通过调节搅拌叶片的转速实现不同速率的搅拌，可通过容器的透明窗口观察支撑剂在液体中的悬浮状态，可通过容器刻度值计量容器内液体体积的变化。

数据采集单元4可与控制单元5通过线缆相连接，数据采集单元4可以包括运移监测模块41和参数测量模块42，运移监测模块41可以设置在试验台1上，运移监测模块41可以对裂缝单元3中支撑剂的运移和铺置状态进行实时监测，并将采集到的图像画面传输至控制单元5中，控制单元5可以实时显示裂缝单元3中的图像画面。

参数测量模块42可以安装在搅拌输送单元2与裂缝单元3之间的管路中，可以对管路中输送的支撑剂悬浮液的流量及压力参数进行测量，并将测量得到的流量及压力参数传输到控制单元5中，由控制单元5进行参数显示；在本发明的另一个实施例中，参数测量单元42也可以同时安装在裂缝单元3中，例如，可以被安装在裂缝的侧壁中的不同位置以及裂缝的出口处，可用于测量裂缝中不同位置处的压力值，以及支撑剂悬浮液从裂缝出口处流出的流量值。

控制单元5可以收集参数测量模块42和运移监测模块41所分别测量的数据，一方面可以对测量数据进行显示，以便于操作人员进行读取，另一方面操作人员可以根据所读取的测量数据通过控制单元5对管路及裂缝单元3中的各处参数进行控制调节，以随时满足试验过程的需求。

在本实施例中，裂缝单元3可以包括常规裂缝模块31，常规裂缝模块31可以包括主裂缝311、若干条分支裂缝和若干条三级裂缝，其中若干条分支裂缝可以分别连接在主裂缝311的侧壁的不同位置，若干条三级裂缝可以与若干条分支裂缝中的一条或多条连接；主裂缝311、若干条分支裂缝和若干条三级裂缝相互连通，搅拌输送单元2中的支撑剂悬浮液可以通过管路被先后输送至主裂缝311、若干条分支裂缝和若干条三级裂缝中进行沉降运移试验。

可选择地，若干条分支裂缝可以包括三条分支裂缝，具体可为第一分支裂缝312、第二分支裂缝313和第三分支裂缝314，其中，第一分支裂缝312的逼近角(即第一分支裂缝312与主裂缝311之间的夹角)的角度可为30°，第二分支裂缝313和第三分支裂缝314的逼近角(即第二分支裂缝313和第三分支裂缝314与主裂缝311之间的夹角)都可为45°，且第一分支裂缝312与第二分支裂缝313安装在主裂缝311的同侧，第二分支裂缝313和第三分支裂缝314分别安装在主裂缝311的两侧。

可选择地，若干条三级裂缝可以包括第一三级裂缝315和第二三级裂缝316，具体地，第一三级裂缝315可连接在第二分支裂缝313的侧壁上，且第一三级裂缝315的逼近角(即第一三级裂缝315与第二分支裂缝313之间的夹角)可为60°；第二三级裂缝316可连接在第三分支裂缝314的侧壁上，且第二三级裂缝316的逼近角(即第二三级裂缝316与第三分支裂缝314之间的夹角)可为45°。

可选择地，主裂缝311可以包括第一主裂缝段3111和第二主裂缝段3112，具体地，第一主裂缝段3111和第二主裂缝段3112可通过接头首尾对接形成主裂缝311，第一分支裂缝312可与第一主裂缝段3111连接，第二分支裂缝313和第三分支裂缝314可与第二主裂缝段3112连接；第一主裂缝段3111模拟的裂缝形式可为大迂曲裂缝面，第二主裂缝段3112模拟的裂缝形式可为不同粗糙度裂缝面；第一主裂缝段3111和第二主裂缝段3112均可根据试验需要更换相应参数的各种裂缝模型模块。

需要说明的是，上述分支裂缝和三级裂缝的数量、分支裂缝在主裂缝上的连接位置及逼近角、三级裂缝在分支裂缝上的连接位置及逼近角、主裂缝包括的主裂缝段的数量及尺寸均可以根据实际试验需求进行任意调整和选择，本发明对此不作具体限定。上述主裂缝、分支裂缝和三级裂缝的壁面可同时存在不同的迂曲度和粗糙度，可模拟复杂缝网系统中分支缝存在不同缝宽、逼近夹角等情况。

在本实施例中，裂缝单元3还可以包括微裂缝模块32，这里，微裂缝模块32可为玻璃微刻蚀裂缝模型，微裂缝模块32可以和常规裂缝模块31连接，常规裂缝模块31中的支撑剂悬浮液可以被输送至微裂缝模块32中进行沉降运移试验，具体地，微裂缝模块32可以和第二主裂缝段3112的末端连接，搅拌输送单元2中的支撑剂悬浮液可以依次经过第一主裂缝段3111和第二主裂缝段3112后进入微裂缝模块32中，微裂缝模块32中的裂缝尺寸范围可以为0.05mm～1mm。

这里，本示例性实施例中可以具体包括以下三种不同尺寸规格的微裂缝模块，具体可为：

第一微裂缝模块：长200mm×宽100mm×厚15mm，缝宽0.8mm～1.0mm，耐压1.0MPa；

第二微裂缝模块：长100mm×宽100mm×厚5mm，缝宽0.3mm～0.5mm，耐压1.0MPa；

第三微裂缝模块：长100mm×宽100mm×厚5mm，缝宽0.05mm～0.1mm，耐压1.0MPa。

但本发明不限于此，微裂缝模块32的裂缝的尺寸、缝宽范围及耐压参数也可根据实际试验需求进行任意选择和调整，不限于上述三种尺寸规格及0.05mm～1mm的缝宽范围限定，本发明对此不作具体限定。

在本实施例中，主裂缝311、分支裂缝以及三级裂缝的裂缝壁面都可以为大迂曲裂缝或粗糙裂缝，微裂缝模块32的裂缝壁面也可为粗糙裂缝，主裂缝311、分支裂缝、三级裂缝以及微裂缝模块的裂缝壁面的粗糙度范围可以为5μm～9.5μm；其粗糙度范围也可以不受该范围限定，可根据实际试验需求进行任意选择和调整，本发明对此不作具体限定。

上述常规裂缝模块31和微裂缝模块32中的裂缝可均为可视化，裂缝可采用透明有机玻璃(亚克力板)或高清玻璃片等透明材料雕刻或刻蚀而成。

在本实施例中，运移检测模块41可包括摄像头411和显微摄像系统412，其中，摄像头411的数量可以有多个，多个摄像头411可分别安装在试验台1上的不同位置，可通过调整每个摄像头411的角度使其分别对准主裂缝311、各个分支裂缝和各个三级裂缝，每个裂缝中的支撑剂沉降和运移的状态均可由对应的摄像头进行拍摄，摄像头可将所拍摄的实时画面图像传输至控制单元5进行显示；显微摄像系统412可安装在试验台1上，使其可对准微裂缝模块32，显微摄像系统412可对微裂缝模块32中的支撑剂沉降和运移的状态进行拍摄，从而获取微裂缝模块32的实时画面，也可将拍摄的实时画面图像传输至控制单元5进行显示。摄像头411的数量、安装位置和拍摄角度均可根据实际试验需求进行调整，本发明对此不作具体限定。

参数测量模块42可包括流量计421和压力传感器422，流量计421和压力传感器422均可安装在搅拌输送单元2和裂缝单元3之间的管路中，可对搅拌输送单元2和裂缝单元3之间的管路中的压力和流量参数进行测量，并可将测得的压力和流量参数传输至控制单元5中进行显示；但本发明不限于此，压力传感器也可根据需要安装在裂缝单元中的不同位置，以对裂缝中不同位置的压力参数进行测量；流量计也可根据需要安装在裂缝的出口处，以测量从裂缝中流出的支撑剂悬浮液的流量参数，本发明对压力传感器和流量计的安装位置和数量不做具体限定。

在本实施例中，控制单元5可包括计算机51和显示器52，控制单元5可与数据采集单元4连接，摄像头411和显微摄像系统412拍摄的裂缝中的实时画面可被计算机51接收并在显示器52中显示，压力传感器和流量计测得的试验装置中各处的压力和流量数据也可传输至计算机51中并在显示器52中显示。

计算机51可自动采集并存储压力、流量、图像等数据，可生成各模型试验过程的流量曲线、压力曲线并控制摄像头和显微摄像系统对试验现象进行拍照与录像。

数据采集单元4和控制单元5所采用的一个配置实例如下：

流量计：金属管浮子流量计，数字显示，量程0～20L/h，精度等级1.5；

压力传感器：量程0～1.0MPa，数字显示，精度0.01MPa；

摄像头：焦距2.8-12mm，CMOS像素200万；

显微摄像系统：放大倍数3-280倍，CCD像素2100万；

数据采集与监控计算机：商用办公台式电脑整机，20寸显示器2个。

以上配置的型号及参数均可根据试验需求进行任意选择调整，本发明对此不作具体限定。

示例性实施例2

本示例性实施例提供了一种复杂裂缝模拟试验方法。

本示例性实施例所述的复杂裂缝模拟试验方法可采用示例性实施例1中所述的复杂裂缝模拟试验装置。

本示例性实施例所述的复杂裂缝模拟试验方法可包括如下步骤：

①根据模拟参数，配置携砂液。

②根据所模拟的裂缝特征，通过管路连接试验系统的各个模块，包括在试验台上安装裂缝单元，选择满足试验所需的迂曲度和粗糙度的裂缝模块用接头连接起来，形成满足试验要求的三维裂缝系统；将搅拌输送单元与裂缝单元通过管路连接，在管路中安装参数测量模块(流量计和压力传感器)，同时可根据试验需求将流量计和压力传感器安装在裂缝单元中的指定位置；在试验台上安装运移监测模块，即将摄像头和显微摄像系统安装在试验台上并对准所要监测的裂缝模块；将运移监测模块和参数测量模块分别与控制单元连接。

③检查装置清洁度及密封性，在试验装置中注入清水进行密封性试验。向搅拌罐中注入清水(例如清水体积可为2000mL)；打开各设备的电源开关，调节输送泵的流量，向裂缝模型中各部位依次注入清水(例如注入流速可为100ml/min)，观察控制单元计算机屏幕上试验装置各个监测点的压力、流量和图像，确保试验系统正常；排出清水，关停输送泵。若清洁度不够则清理后再进行试验；若装置不密封，需把相应裂缝模块取下重新紧固；若清洁且密封，则放空清水后进行支撑剂沉降运移试验。

④根据试验要求在混砂模块将携砂液与支撑剂以一定比例在搅拌罐种搅拌(例如搅拌罐转速可为300r/min)均匀形成支撑剂悬浮液。

开启输送泵，调节泵的排量使输送泵以一定的速率向裂缝单元中注入支撑剂悬浮液，同时通过控制单元计算机实时显示裂缝单元不同部位的压力、流量和支撑剂分布情况；在裂缝单元不同出口处取样收集悬浮液样品进行支撑剂粒度分析。

观察并摄录试验装置裂缝模块中支撑剂沉降运移及铺砂状态，记录试验现象。

若需开展微观试验，则待支撑剂悬浮液流入微裂缝模块后开启显微摄像系统，可通过显微镜观测不同粒径支撑剂在微观裂缝模型中的分布特征并通过显微摄像头摄像。

从裂缝单元流出的液体通过试验台的废液过滤槽过滤后得到分离的支撑剂和滤液供二次使用。

试验结束后，清洗试验装置，根据实验需求更换裂缝模块后，准备下一组试验。

本发明所述携砂液可为具有一定粘度的常规携砂液，可包括胍胶溶液、纤维素溶液、聚丙烯酰胺溶液中的一种或多种，溶液粘度在50mPa.s以内。本发明所述支撑剂为粒径70～400目之间的一种或多种粒径组合陶粒或石英砂支撑剂。试验过程中可采用不同粘度、不同支撑剂浓度分别观察支撑剂铺砂状况。

示例性实施例3

本示例性实施例提供了一种裂缝壁面的制备方法。

本示例性实施例所述的裂缝壁面的制备方法可用于如示例性实施例1中所述的复杂裂缝模拟试验装置中裂缝单元中的裂缝壁面的制备。

本示例性实施例所述的裂缝壁面的制备方法可包括如下步骤：

S1：确定压裂裂缝壁面迂曲度和粗糙度值的分布范围

1)岩板制备

通过野外人工取得页岩露头进行切割加工，制备得到一批次包含若干数量的岩板(例如岩板数量可为13块)。

2)人工压缝

利用三轴应力系统分别对每一块岩板加压使之破裂形成人工裂缝面。通过调整真三轴物模实验参数，可获得系列的裂缝壁面迂曲度和粗糙度数据，可进一步确定压裂裂缝壁面迂曲度值和粗糙度的近似分布范围。

3)三维扫描

使用三维激光表面轮廓仪扫描每一块压裂后的岩板表面，采集裂缝表面三维坐标数据，通过插值法进行3D数字化，获取压裂后岩板两个表面的三维数据计算表面特征参数，并进行3D数字化立体成像，对岩板表面的几何形态进行分析。

4)迂曲度计算

应用激光扫描仪附带的数据处理系统，根据式1建立压裂后每一块岩板壁面迂曲度的量化表征。

裂缝迂曲度是指裂缝沿表面曲线迂曲的行为，用τ表示，裂缝轨迹和表面长分别用L

由此得到页岩储层压裂裂缝壁面迂曲度样本数据和分布范围。下表所列的数据为本示例性实施例所述的裂缝壁面的制备方法中可能出现的其中一种统计实例的数据，重复采用本示例性实施例的制备方法，则可能出现与下表不同的统计数据。

表1岩板迂曲度扫描计算结果表

在裂缝模型设计时，采用三维软件绘制压裂岩板模型图，根据前述实测的压裂裂缝迂曲度值域范围，设定模型所需的裂缝迂曲度值，通过调整裂缝壁面长度，形成模型不同迂曲度值的裂缝壁面。

5)粗糙度计算

应用激光扫描仪附带的数据处理系统，根据式2建立压裂后每一块岩板粗糙壁面的量化表征。

粗糙度是表面上微小起伏的高度差值的平均值，用Ra表示，单位μm，式2中n为岩板表面选定的测量长度，z(x)为表面高度差值函数；粗糙度值越小代表表面越光滑，反之越粗糙。

由此得到页岩储层压裂裂缝壁面粗糙度样本数据和粗糙度分布范围，下表所列的数据为本示例性实施例所述的裂缝壁面的制备方法中可能出现的其中一种统计实例的数据，重复采用本示例性实施例的制备方法，则可能出现与下表不同的统计数据。

表2 3D重构裂缝起伏度统计表

根据上表的统计数据，重构的岩板裂缝粗糙度在5～9.5μm之间，平均值6.9μm，与原始裂缝面的起伏度偏差在-2.0～+2.5之间。

S2：准备不同粒径磨料

例如，准备目数为20～200目的5种不同粒径的喷砂磨料，也可根据试验需求选择其他粒径的磨料。

S3：3D雕刻有机玻璃板形成裂缝断面

准备透明有机玻璃(例如规格为10cm×10cm×4cm)，根据需要模拟的裂缝宽度在有机玻璃表面进行3D雕刻，形成具有不同迂曲度的裂缝断面。

S4：喷砂处理

分别把每种粒径的磨料装入喷砂机，调整喷砂机喷砂压力参数，对被处理的有机玻璃板进行喷砂处理，得到具有不同粗糙度的裂缝壁面。

S5：喷砂后有机玻璃裂缝面扫描与三维重构

把其中一种粒径磨料喷砂后的有机玻璃板在3D扫描仪上进行扫描，得到其喷砂后的3D粗糙面图像，计算得到其粗糙度值。再分别使用其他4种目数的磨料，重复步骤S2、S3、S4、S5，可以得到不同目数磨料喷砂后的有机玻璃模拟裂缝表面的粗糙度值。

S6：建立模拟裂缝粗糙度与喷砂粒径和喷砂压力的关系式

取其中属于S1中所述粗糙度值范围内的喷砂图像，通过数据拟合得到模拟的裂缝断面粗糙度与喷砂粒径和喷砂压力的关系式。

S7：实验用模拟裂缝喷砂参数确定

依据S6中得到的关系式，可在后续按照需求设计不同粗糙度的模拟裂缝壁面，并通过控制砂粒粒径和喷砂压力实现在有机玻璃上模拟不同粗糙度的裂缝壁面。

综上所述，本发明提供的一种考虑裂缝迂曲和粗糙的复杂裂缝模拟试验装置、试验方法及裂缝壁面制备方法可通过控制在透明有机玻璃表面喷砂的粒径、压力、角度等参数可以实现模拟裂缝表面粗糙度的差异化设计与加工，可以实现不同迂曲度、裂缝壁面粗糙度、天然裂缝逼近角等因素影响下支撑剂沉降运移规律研究，能更真实的反应实际地层内支撑剂沉降运移规律。本发明的复杂裂缝模拟试验装置模拟的裂缝更接近真实的压裂裂缝表面形态；试验装置由若干模块构成一个系统，形成不同的缝宽组合，可以模拟大尺寸的裂缝，也可以模拟微裂缝，可根据试验需要对各模块进行增减和更换；各裂缝模块均为透明材料制成，可观察支撑剂的运移与铺置过程；结构一体化，操作简单，承压，整个实验流程均可实现电脑实时监控；可以实现模拟不同实验参数(浓度、粘度、流率、粒径、裂缝尺寸/迂曲/粗糙度)下的支撑剂运移与分布；拆卸简单、清洗方便，模型可重复使用。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。