一种预应力下支撑剂裂隙渗流模拟试验装置

技术领域

本发明属于裂隙岩体渗流技术领域，具体涉及一种预应力下支撑剂裂隙渗流模拟试验装置。

背景技术

在石油、天然气、低煤层气渗透油气井开采过程中，常通过水力压裂的方式实现岩体的增透增渗，同时会在压裂液中添加支撑剂以防止裂隙闭合。为提高开采效率，需要对带有支撑剂的溶液在裂隙中的移动进行研究。现有技术中，用于模拟带有支撑剂的压裂液在裂隙中移动的装置，多集中在研究固定裂隙开度，且开度与地面垂直条件下的支撑剂移动情况，但是在实际中，裂隙的开度并非固定，且裂隙面倾角也会随着应力场的变化而发生变化。

发明内容

本发明拟提供一种预应力下支撑剂裂隙渗流模拟试验装置，不仅能模拟带有支撑剂的压裂液在移动时裂隙的应力变化，还能实现不同裂隙倾角的模拟，从而能真实地模拟带有支撑剂的压裂液在裂隙中渗流的情况。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种预应力下支撑剂裂隙渗流模拟试验装置，包括注入组件、裂隙组件和固定组件，所述注入组件用于将带有支撑剂的压裂液注入到裂隙组件内，所述裂隙组件用于模拟带有裂隙的岩体在注入液体后的反应，所述固定组件不仅能实现裂隙组件的支撑固定，还能调整裂隙组件的倾斜角度；所述裂隙组件包括上下相对设置的上裂隙板和下裂隙板，所述上裂隙板和下裂隙板的左端前后延伸设置有用于支撑剂注入的缺口，所述上裂隙板能上下移动，且在上裂隙板上加载有来自固定组件的预应力，所述下裂隙板能左右移动，且在下裂隙板上加载有来着固定组件的切应力。

作为上述方案的优选，所述固定组件包括设置在下裂隙板下方的下承压板，所述下承压板的下方设置有高度可调的支撑组件，所述下承压板的上方通过支撑螺栓设置有上承压板，所述上承压板位于上裂隙板的上方，且上承压板与上裂隙板之间设置有若干预应力弹簧，所述下承压板的右侧设置有一排能抵在上裂隙板右侧面上的抵紧螺栓，所述下承压板的右侧还设置有用于实现下裂隙板向右移动时切应力模拟的切力组件。

进一步优选，所述切力组件包括切力弹簧，所述切力弹簧的一端抵在下裂隙板的右侧面上，所述切力弹簧的另一端套在位于下承压板与下裂隙板之间的导向柱上，且导向柱与下裂隙板之间留有距离。

进一步优选，所述支撑组件包括设置在下承压板与地面之间且呈矩形分布的四根支撑杆，所述支撑杆包括固定套管，所述固定套管内设置有能在固定套管内上下移动的伸缩棒，所述伸缩棒外设置有紧固套管，所述紧固套管的下端设置有内螺纹，所述固定套管的上端外侧设置有与内螺纹相匹配的外螺纹，所述紧固套管与伸缩棒之间设置有橡胶管，所述橡胶管上端与紧固套管的上端之间设置有垫片，当将紧固套管拧紧在固定套管上时，会挤压橡胶管，从而实现伸缩棒的长度固定。

进一步优选，所述下承压板为矩形板，所述支撑杆设置在下承压板的四个拐角处，所述支撑杆的上下两端均设置有两个相对设置的夹头，所述夹头内设置有球状凹槽，位于下端的两个球状凹槽内夹紧有固定在地面上的球头螺栓，位于上端的两个球状凹槽内夹紧有能固定在下承压板拐角处的球头夹紧件。

进一步优选，所述注入组件包括通过支撑柱设置在地面上的压裂液箱，所述压裂液箱上设置有注液管，所述注液管的末端与缺口平行设置，且设置有多个用于向缺口注入液体出液孔，所述注液管上设置有能带动液体流动的水泵，所述注液管上还设置用于向注液管内添加支撑剂的支撑剂注入管，所述支撑剂注入管的上端设置有向液体内定量加入支撑剂的支撑剂加入组件，所注液管的末端设置有能固定在固定组件左端且用于保证注液管内液体注入到缺口内的注液固定管。

进一步优选，所述支撑剂加入组件包括支撑剂储料罐，所述支撑剂储料罐的下端设置有支撑剂螺旋输送器，所述支撑剂螺旋输送器的一端与支撑剂储料罐的下端连通，另一端与支撑剂注入管的上端连通。

进一步优选，所述注液固定管的右端设置有供上裂隙板和下裂隙板伸入的矩形槽，且上裂隙板能在矩形槽内上下移动，所述上裂隙板的左端上方插装有前后延伸的密封凸条，所述密封凸条的上端外套有一圈上下密封圈，所述矩形槽的上壁面向上设置有供密封凸条插入且能上下移动的密封条凹槽，且上下密封圈位于密封条凹槽内，所述矩形槽的前后侧壁上设置有用于保证下裂隙板与矩形槽下壁面紧密接触的卡条，所述卡条的下端与下裂隙板的上端接触，所述卡条的上端通过微弹簧抵在上裂隙板上。

进一步优选，所述下裂隙板顶面的前后两侧均设置有左右延伸的凸起，所述凸起的上端外套有左右密封圈，所述上裂隙板的底面对应凸起的位置处设置有密封凹槽，所述左右密封圈位于密封凹槽内。

进一步优选，所述下裂隙板的下方设置有位于固定组件内的底板，所述底板上左右间隔设置有若干根前后延伸的滚柱。

本发明的有益效果：由于固定组件能实现裂隙组件的倾斜角度，使得本装置能实现不同倾角裂隙中带有支撑剂的压裂液的渗流模拟，同时通过加载在上裂隙板上的预应力和加载在下裂隙板上的切应力，且在本申请中，在压裂液渗流时，会导致上下裂隙板的移动，从而导致能改变上下裂隙板受到的应力情况，因此本申请不仅渗流时的初始应力场，还能模拟渗流过程中应力改变的情况，从而使得本申请能真实地模拟带有支撑剂的压裂液在裂隙中渗流的情况。

附图说明

图1为本发明的立体示意图一。

图2为本发明的立体示意图二。

图3为本发明的结构示意图。

图4为图3的左视图。

图5为本发明中支撑杆的示意图。

图6为本发明中注液固定管的示意图。

图7为图3中N的放大图。

图8为图1中M的放大图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1-图8所示，一种预应力下支撑剂裂隙渗流模拟试验装置，主要由注入组件A、裂隙组件B和固定组件C组成，其中注入组件A用于将带有支撑剂的压裂液注入到裂隙组件B内，裂隙组件B用于模拟带有裂隙的岩体在注入液体后的反应，固定组件C不仅能实现裂隙组件的支撑固定，还能调整裂隙组件的倾斜角度。

裂隙组件B的具体结构包括上下相对设置的上裂隙板1和下裂隙板2，在上裂隙板1和下裂隙板2的左端均前后延伸设置有用于支撑剂注入的缺口，上裂隙板1能上下移动，且在上裂隙板1上加载有来自固定组件的预应力，下裂隙板2能左右移动，且在下裂隙板2上加载有来着固定组件的切应力。

固定组件C的具体结构包括设置在下裂隙板2下方的下承压板3，且下承压板3的下方设置有高度可调的支撑组件。在下承压板3的上方通过支撑螺栓5设置有上承压板4，且上承压板4位于上裂隙板1的上方。为实现上裂隙板上预应力的加载，在上承压板4与上裂隙板1之间设置有若干预应力弹簧6，且预应力弹簧可根据需要设置不同数量和选择不同规格的弹簧，在本实施例中，在上承压板4与上裂隙板1之间均匀设置有18根预应力弹簧。为防止上裂隙板的左右移动，在下承压板3的右侧设置有一排能抵在上裂隙板1右侧面上的抵紧螺栓7。

同时为方便下裂隙板左右移动时，具有初始的剪切力，在下承压板3的右侧还设置有用于实现下裂隙板2向右移动时切应力模拟的切力组件。切力组件的具体结构包括切力弹簧8，且切力弹簧8的一端抵在下裂隙板2的右侧面上，切力弹簧8的另一端套在位于下承压板3与下裂隙板2之间的导向柱9上，同时为保证下裂隙板能左右移动，导向柱9与下裂隙板2之间留有距离。为方便改变导向柱与下裂隙板之间的距离，导向柱与由下承压板右端向左延伸设置的螺栓，且为实现切力弹簧的压缩，还可在该螺栓上设置有用于调整切力弹簧压缩量的螺母。

上述的支撑组件具体结构包括设置在下承压板3与地面之间且呈矩形分布的四根支撑杆10，且四根支撑杆下端之间的距离大于上端之间的距离，即支撑杆向内倾斜支撑在下承压板上，通过对四根支撑杆不同高度的调节，能够实现裂隙组件相对地面0到90°之间任意角度的调节。为实现支撑杆的伸缩调节，支撑杆10包括固定套管10a，在固定套管10a内设置有能在固定套管10a内上下移动的伸缩棒10b。为实现伸缩棒伸缩后的固定，在伸缩棒10b外套有紧固套管10c，在紧固套管10c的下端设置有内螺纹，对应地在固定套管10a的上端外侧设置有与内螺纹相匹配的外螺纹，在紧固套管10c与伸缩棒10b之间设置有橡胶管10d，当将紧固套管10c拧紧在固定套管10a上时，会挤压橡胶管10d，从而实现伸缩棒10b的长度固定。为防止紧固套管的上端直接与橡胶管发生摩擦，在橡胶管10d上端与紧固套管10c的上端之间设置有垫片10e。

在本实施例中，下承压板3为矩形板，同时支撑杆10设置在下承压板3的四个拐角处。为实现支撑杆的安装，在支撑杆10的上下两端均设置有两个相对设置的夹头11，且上下两端的夹头错位设置。在夹头11内设置有球状凹槽11a，位于下端的两个球状凹槽11a内夹紧有固定在地面上的球头螺栓12。位于上端的两个球状凹槽11a内夹紧有能固定在下承压板3拐角处的球头夹紧件13。其中球头夹紧件13包括两个夹紧支撑件13a，两个夹紧支撑件13a分别固定在形成下承压板3拐角的任一侧面上，且两个夹紧支撑件13a相互固定。为实现夹紧支撑件的功能，夹紧支撑件13a包括位于球状凹槽内的球头和固定在下承压板上的固定部，且固定部与球头之间通过连接部连接，连接部包括用于实现两个夹紧支撑件13a相互固定的第一连接部和沿着第一连接部延伸的第二连接部，球头设置在第二连接部的端头上。

注入组件A的具体结构包括通过支撑柱14设置在地面上的压裂液箱15，在压裂液箱15上设置有注液管16，注液管16的末端与缺口平行设置，且设置有多个用于向缺口注入液体出液孔。为方便注液管内液体的流动，在注液管16上设置有水泵17。为实现支撑剂的添加，在注液管16上还设置有支撑剂注入管18，同时在支撑剂注入管18的上端设置有向液体内定量加入支撑剂的支撑剂加入组件。为保证注液管16内液体能准确注入到缺口内，在注液管16的末端设置有固定在固定组件左端的注液固定管19，最好是，注液固定管的上端通过螺栓固定在上承压板上，注液固定管的下端通过螺栓固定在下承压板上。

上述的支撑剂加入组件包括支撑剂储料罐20，在支撑剂储料罐20的下端设置有支撑剂螺旋输送器21，即支撑剂螺旋输送器21的一端与支撑剂储料罐20的下端连通，另一端与支撑剂注入管18的上端连通，通过支撑剂螺旋输送器实现一定量的液体内加入固定量的支撑剂。

由于在注液管的末端设置有注液固定管，为保证注液时的密封，在注液固定管19的右端设置有供上裂隙板1和下裂隙板2伸入的矩形槽19a，且上裂隙板1能在矩形槽19a内上下移动。为保证上裂隙板在上下移动时上裂隙板上端与矩形槽之间的密封，在上裂隙板1的左端上方插装有前后延伸的密封凸条1a，且密封凸条1a的上端外套有一圈上下密封圈，同时在矩形槽19a的上壁面向上设置有供密封凸条1a插入且能上下移动的密封条凹槽19b，并且上下密封圈始终位于密封条凹槽19b内。在本实施例中，在上裂隙板靠近左端的位置处设置有到位凸起1c，在安装后，到位凸起的左侧面刚好抵在注液固定管的右侧面上，从而能防止抵紧螺栓在安装时过度压装上下密封圈，从而导致上裂隙板无法正常上下移动。

为保证下裂隙板下端与矩形槽之间的密封，在矩形槽19a的前后侧壁上设置有用于保证下裂隙板2与矩形槽19a下壁面紧密接触的卡条22，卡条22的下端与下裂隙板的上端接触，卡条22的上端通过微弹簧23抵在上裂隙板1上，通过压缩的微弹簧，保证下裂隙板下端始终与矩形槽的下内壁接触。

为保证上裂隙板与下裂隙板前后两侧之间的密封，在下裂隙板2顶面的前后两侧均设置有左右延伸的凸起2a，同时在上裂隙板1的底面对应凸起2a的位置处设置有密封凹槽1b，在凸起2a的上端外套有左右密封圈，且左右密封圈始终位于密封凹槽内。

在本实施例中，卡条设置为门型，且卡条的上端对应微弹簧安装的位置处设置有小凹坑。由于下裂隙板能向右移动，因此为方便卡条的固定，在矩形槽的左右侧壁上竖直设置有用卡条插入的卡条凹槽，同时卡条的两端中任一端水平设置有能卡入到卡条凹槽的延伸段。为方便密封条凹槽和两个卡条凹槽的加工，在矩形槽内设置有一圈凹槽，其中位于矩形槽上内壁的则为密封条凹槽，位于矩形槽前后内壁的为卡条凹槽，同时为保证密封，在卡条凹槽和位于矩形槽下内壁的凹槽内均填充有密封条，且密封条的截面为圆形。

为减少下裂隙板向右移动时的摩擦力，在下裂隙板2的下方设置有位于固定组件内的底板24，同时在底板24上左右间隔设置有若干根前后延伸的滚柱24a，且滚柱的上端与下裂隙板的底面接触。

为更好地观察带有支撑剂的压裂液的移动，上下承压板均采用透明材质，如有机玻璃，同时本装置最好配备有高速摄像仪。为方便压裂液的回收，在下承压板内设置有压裂凹槽3a，上裂隙板和下裂隙板均设置在压裂凹槽内，同时在压裂凹槽的右端设置有收集槽3b，且收集槽通过收集管与外界连通。