微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法及装置

1.本发明属于油气藏水力压裂开发技术领域，尤其涉及一种微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法及装置。


背景技术：

2.我国非常规油气资源储量巨大，水力压裂是目前高效开发非常规油气资源最常用的储层改造工艺。通过水平井 多级压裂进行大规模体积压裂可以在非常规储层中形成大量水力裂缝，大幅增加储层泄流面积，形成大量具有高导流能力的油气运移通道，从而极大改善非常规油气开采条件，提高采收率。
3.随着水力压裂在非常规油气领域的成功应用以及非常规油气开采难度的逐年增加，对水力压裂裂缝扩展机理的研究方法提出了更高的要求。为了通过实验研究为现场的压裂设计和施工方案提供有力且可靠的技术支撑，水力压裂的室内实验在模拟真实地层地应力状态的基础上需要提供更多可视化、定量化、多元化的实验方法，传统的水力压裂实验难以准确监测水力裂缝的动态扩展路径、与天然裂缝或天然缝洞的交互作用以及采用暂堵工艺后裂缝的动态扩展路径，实验结束后难以对水力裂缝的形态进行定量化分析，难以通过实验结果准确的追溯水力裂缝起裂和扩展过程。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法及装置，旨在解决现有技术中的微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法无法直观反应水力裂缝的定量化动态变化参数的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法，包括：
6.制作开设有注液孔和预置裂缝的实验样品；
7.设计所述注液孔和预置裂缝的参数，并模拟水力裂缝扩展的复杂工况；
8.在所述实验样品上预置多条不同形态的天然裂缝，并模拟裂缝体中水力裂缝的起裂和扩展；
9.在所述实验样品上预置多条不同形态的天然缝洞，并模拟缝洞体中水力裂缝的起裂和扩展；
10.在所述预置裂缝的尖端填充暂堵剂，并模拟暂堵转向压裂的工况。
11.在本发明的实施例中，所述设计所述注液孔和预置裂缝的参数，并模拟水力裂缝扩展的复杂工况的步骤包括：
12.当预置裂缝的数量为一条时，获取所述水力裂缝的形态参数；
13.比对多个实验样品中不同预置裂缝形态下水力裂缝的裂缝起裂和扩展图像；
14.根据比对结果评估预置裂缝的形态参数、三向应力关系和注入流量大小对裂缝起裂和扩展的影响。
15.在本发明的实施例中，所述设计所述注液孔和预置裂缝的参数，并模拟水力裂缝扩展的复杂工况的步骤包括：
16.当预置裂缝的数量为多条时，控制对实验样品中多个注液孔的注液次序，以模拟密切割压裂裂缝群起裂和扩展的复杂工况；
17.设计实验样品中多条预置裂缝的形态参数，获取在密切割压裂工况下裂缝群的扩展形态和多条水力裂缝间的相互干扰规律。
18.在本发明的实施例中，所述在所述实验样品上预置多条不同形态的天然裂缝，并模拟裂缝体中水力裂缝的起裂和扩展的步骤包括：
19.根据储层中实际工况设计预置裂缝与天然裂缝之间的交互关系；
20.当所述天然裂缝与所述水力裂缝的预计扩展路径不相交时，获取天然裂缝影响下的应力场对水力裂缝扩展的影响规律；
21.当所述天然裂缝与所述水力裂缝的预计扩展路径相交时，获取天然裂缝与水力裂缝之间的交互作用影响规律。
22.在本发明的实施例中，所述在所述实验样品上预置多条不同形态的天然缝洞，并模拟在缝洞体中水力裂缝的起裂和扩展的步骤包括：
23.根据储层中实际工况设计预置裂缝与天然缝洞之间的交互关系；
24.当所述天然缝洞与所述水力裂缝的预计扩展路径不相交时，获取天然缝洞影响下的应力场对水力裂缝扩展的影响规律；
25.当所述天然缝洞与所述水力裂缝的预计扩展路径相交时，获取天然缝洞与水力裂缝之间的交互作用规律。
26.在本发明的实施例中，在所述在预置裂缝的尖端填充暂堵剂，并模拟暂堵转向压裂工况的步骤包括：
27.根据储层中实际工况和暂堵工艺设计暂堵剂在缝内的形态参数；
28.根据所述暂堵剂的形态参数在预置裂缝尖端填充对应类型和形态的暂堵剂；
29.实验后获取相应暂堵工艺下水力裂缝的转向扩展规律。
30.在本发明的实施例中，还提出一种微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置，如上所述的微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法采用该模拟装置进行，所述微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置包括：
31.外釜体，内部形成有密闭圆柱形空间，所述外釜体的顶部透明设置，所述圆柱形空间内设置有用于放置样品的样品座，所述样品座底部开设有注液孔；
32.图像采集组件，沿轴向安装于所述外釜体的上方并用于采集所述外釜体内样品在压裂过程中的动态图像；
33.侧向围压液压缸和垂向围压液压缸，在同一平面内分别沿x向、y向和z向对所述样品施加载荷；
34.流体注入泵，与所述注液孔通过管道连接并用于从底部对所述样品进行注液。
35.在本发明的实施例中，所述外釜体包括外筒、安装于所述外筒顶端和底端的上顶盖和底座板以及安装于所述上顶盖上的玻璃压板，所述上顶盖中心开设有便于观察外釜体内部的视窗口，所述玻璃压板为环形板状结构，且所述玻璃压板的内侧壁沿周向形成用于嵌设视窗玻璃的安装槽，所述视窗玻璃同轴覆盖所述视窗口。
36.在本发明的实施例中，所述样品座包括圆形底盘和安装于所述圆形底盘中心处的样品台，所述圆形底盘上开设有导向孔，所述圆形底盘和所述底座板同轴设置并通过导向轴导向连接，所述导向轴的底端安装于所述底板座上，所述导向轴的顶端贯穿并锁紧于所述导向孔内。
37.在本发明的实施例中，所述可视化岩板动态断裂实验装置还包括两端分别抵接所述视窗玻璃和所述样品的玻璃堵头以及安装于所述样品座上的错位加载板组，所述玻璃堵头、所述样品以及所述样品台共同组成矩形柱体，所述样品的外侧壁密封套设有密封橡胶套，所述错位加载板组为四个错位加载板卡接围合而成的矩形框架结构，所述错位加载板组的内侧与所述密封橡胶套的外侧壁密封紧贴。
38.通过上述技术方案，本发明实施例所提供的微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法具有如下的有益效果：
39.在模拟的过程中，首先制作开设有注液孔和预置裂缝的实验样品；获取注液孔和预置裂缝的参数，并模拟水力裂缝扩展的复杂工况；在实验样品上预置多条不同形态的天然裂缝，并模拟裂缝体中水力裂缝的起裂和扩展；在实验样品上预置多条不同形态的天然缝洞，并模拟缝洞体中水力裂缝的起裂和扩展；在预置裂缝的缝尖端填充暂堵剂，并模拟暂堵转向压裂工况；本发明可实现实验样品在真实储层地应力条件下水力裂缝动态扩展的可视化监测，真实记录裂缝的动态扩展过程，为水力压裂室内实验研究提供了新方法，切实推动了水力压裂实验向精细化和定量化方向的进步，极大拓展了水力压裂实验的研究方法。
40.本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
41.附图是用来提供对本发明的理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
42.图1是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法的流程示意图；
43.图2是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置的装配结构示意图；
44.图3是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置的部分结构示意图；
45.图4是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置的局部剖视示意图；
46.图5是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置中错位加载板组的结构示意图；
47.图6是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置中样品座的结构示意图；
48.图7是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置中底座板的结构示意图；
49.图8是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置中实验样品的结构示意图；
50.图9是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法中实验样品的预置裂缝形态参数示意图；
51.图10是本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法中实验样品的应力加载示意图；
52.图11是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法中实验样品的天然裂缝的位置和形态示意图；
53.图12是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法中实验样品的天然缝洞的位置和形态示意图；
54.图13是真实岩板中水力裂缝与天然缝洞交互作用的扫描电镜图；
55.图14是根据本发明一实施例的实验样品中暂堵剂填充位置和填充形态示意图；
56.图15是根据本发明一实施例的暂堵剂填充后的实验样品扫描电镜图；
57.图16是根据本发明一实施例中微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法中多条水力裂缝相互干扰的形态示意图。
58.附图标记说明
59.60.具体实施方式
61.以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
62.下面参考附图描述根据本发明的微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法。
63.如图1所示，在本发明的实施例中，提供一种微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法，包括：
64.步骤s10：制作开设有注液孔和预置裂缝的实验样品；
65.步骤s20：设计注液孔和预置裂缝的参数，并模拟水力裂缝扩展的复杂工况；
66.步骤s30：在实验样品上预置多条不同形态的天然裂缝，并模拟裂缝体中水力裂缝的起裂和扩展；
67.步骤s40：在实验样品上预置多条不同形态的天然缝洞，并模拟缝洞体中水力裂缝的起裂和扩展；
68.步骤s50：在预置裂缝的尖端填充暂堵剂，并模拟暂堵转向压裂工况。
69.需要说明的是，实验前样品中原本存在的裂缝称之为预置裂缝，目的是对实验过程中由水压撑开的裂缝的起裂位置和方向进行引导。实验后由于水压撑开的裂缝称为水力裂缝。文中为对两种裂缝进行区别，可分别成为预置裂缝和水力裂缝。
70.其中，在微观可视化岩板水力压裂室内模拟实验中的实验样品尺寸较小，设计注入排量范围为0～20ml/min；围压加载范围为0～20mpa；根据相似理论可模拟国内大部分非常规储层的地应力状态和压裂施工参数。具体地，所用实验样品为矩形薄片状，样品的边长在50mm～70mm之间，样品厚度在 3mm～20mm之间，样品的材质可以为井下岩心、露头岩样、人造岩样、以及其他材料切割而成的样品，只要尺寸满足上述要求即可。
71.本发明可实现实验样品在真实储层地应力条件下水力裂缝动态扩展的可视化监测，真实记录裂缝的动态扩展过程，基于可视化素材的后处理可以获取更多关于水力裂缝的可视化、定量化、动态化参数，包括：1)裂缝扩展路径的动态记录，2)裂缝缝宽的定量化动态变化记录，3)裂缝动态扩展过程中流体的流动特征，4)颗粒矿物和岩性界面以及天然裂缝与水力裂缝的交互作用，5)缝尖的真实受力和变形特征。
72.本发明提供了模拟真实储层地应力条件下水力裂缝的五种形式，涵盖了常规裂缝扩展实验、水力裂缝与天然裂缝交互作用实验、水力裂缝与天然缝洞交互作用实验、暂堵后水力裂缝扩展实验、多条水力裂缝相互干扰实验，为水力压裂室内实验研究提供了新方法，
切实推动了水力压裂实验向精细化和定量化方向的进步，极大拓展了水力压裂实验的研究方法。
73.在本发明的实施例中，所述设计注液孔和预置裂缝的参数，并模拟水力裂缝扩展的复杂工况的步骤包括：
74.当预置裂缝的数量为一条时，获取水力裂缝的形态参数；
75.比对多个实验样品中不同预置裂缝形态下水力裂缝的裂缝起裂和扩展图像；
76.根据比对结果评估预置裂缝的形态参数、三向应力关系和注入流量大小对裂缝起裂和扩展的影响。
77.进一步地，在该模拟方法的步骤中，实验样品制作在满足上述尺寸和材料条件下主要考虑2个要素：样品注液孔位置和样品预置裂缝形态。
78.其中，水力裂缝扩展实验的注液孔可设置于样品中部或者边缘，见图9 中左侧的两幅图，注液孔设置于中部时可模拟双翼缝的扩展但裂缝扩展路径相对较短；注液孔设置于边缘时用于模拟单翼缝的扩展且裂缝扩展路径相对较长，有利于观察水力裂缝远端形态。
79.样品加工时可选择预置或不预置裂缝，预置裂缝可以起到控制裂缝起裂位置和引导裂缝起裂方向的作用，预置裂缝的形态参数包括缝长l、缝宽w 和偏转角θ，其中缝长l一般控制在5mm～20mm之间，缝宽w一般控制在 0.1mm～3mm之间，偏转角θ可设置为-90～90
°
之间，见图9中最右侧的图。不同缝长可用于研究相同注入条件下缝尖应力条件对裂缝起裂和扩展的影响；不同缝宽可用于研究缝尖形态(曲率)对裂缝起裂和扩展的影响；不同偏转角可用于研究不同起裂方向对裂缝起裂和扩展的影响。
80.在本发明的实施例中，所述设计注液孔和预置裂缝的参数，并模拟水力裂缝扩展的复杂工况的步骤包括：
81.当预置裂缝的数量为多条时，控制对实验样品中多个注液孔的注液次序，以模拟密切割压裂裂缝群起裂和扩展的复杂工况；
82.设计实验样品中多条预置裂缝的形态参数，获取在密切割压裂工况下裂缝群的扩展形态和多条水力裂缝间的相互干扰规律。
83.在石油工程中，密切割压裂可以直观理解为多条裂缝同时或逐次起裂扩展。密切割压裂工况下多条裂缝我们形象的称之为“裂缝群”。
84.该步骤的模拟实验方法主要用于模拟现场压裂过程中的缝间干扰问题。在现场压裂过程中，在不同的压裂设计方案下，经常会出现多条裂缝在一定空间范围内同时扩展的情况，在这种情况下，裂缝之间会产生诱导应力(也就是每条缝都会把地层撑开，这个撑开的力体现在地层岩石的变形中就是诱导应力)，诱导应力会使得多条水力裂缝相互挤压，使得裂缝扩展路径和方向发生变化。在实验中这一过程被简化，通过控制预置裂缝的参数和注液孔注液次序来模拟不同工况，并通过模拟多裂缝竞争扩展的复杂工况来优化施工参数，为现场的压裂施工提供参考。
85.实验样品制作：实验样品制作在满足常规裂缝扩展实验制样要求的基础上需要钻取多个注液孔和预置裂缝，主要考虑3个要素：注液孔位置及数量、预置天然裂缝形态、实验过程中多个注液孔同时或依次注液。
86.为充分观察多条水力裂缝相互干扰过程，一般将注液孔设置于实验样品的边缘，
使每条水力裂缝都有充分的扩展空间；受实验样品尺寸的限制，注液孔一般设置2～10个，见图16所示的左侧图片。
87.样品加工时每个注液孔可选择预置或不预置裂缝，预置裂缝的形态参数包括缝长l、缝宽w和偏转角θ，裂缝形态参数控制范围与常规裂缝扩展实验制样要求一致，设置不同裂缝形态参数可用研究不同工况下水力裂缝间的相互干扰现象，见图16所示的右侧图片。
88.根据实验方案设计，可以通过对样品座底部多个注液孔接头接通或封闭操作，实现多个注液孔同时或依次注液，满足复杂工况下水力裂缝相互干扰的室内模拟实验。
89.在本发明的实施例中，在实验样品上预置多条不同形态的天然裂缝，并模拟裂缝体中水力裂缝的起裂和扩展的步骤包括：
90.根据储层中实际工况设计预置裂缝与天然裂缝之间的交互关系；
91.当天然裂缝与水力裂缝的预计扩展路径不相交时，获取天然裂缝影响下的应力场对水力裂缝扩展的影响规律；
92.当天然裂缝与水力裂缝的预计扩展路径相交时，获取天然裂缝与水力裂缝之间的交互作用影响规律。
93.实验样品制作：实验样品制作在满足常规裂缝扩展实验制样要求的基础上主要考虑2个要素：天然裂缝预置的位置和预置的天然裂缝形态。
94.天然裂缝可预置于实验样品中的任一位置，一块实验样品中可根据需要预置多条位置、形态不一的天然裂缝，天然裂缝与水力裂缝的交角α可设置为0～90
°
。
95.在样品中预置与水力裂缝预计扩展路径不相交的天然裂缝，在实验过程中，加载预定载荷后，天然裂缝的存在会使样品出现非均匀的变形，进而形成非均匀的应力场，在水力裂缝扩展的过程中，非均匀应力场会影响水力裂缝的扩展方向和路径，可用于研究天然裂缝影响下的应力场对水力裂缝扩展的影响。
96.在样品中预置与水力裂缝预计扩展路径相交的天然裂缝，实验过程中水力裂缝会有2个或以上个扩展路径，此时随着地应力条件和天然裂缝与水力裂缝交角α的变化，水力裂缝会选择不同的方向扩展。可用于研究水力裂缝与天然裂缝的交互作用。结合上述两种预置天然裂缝的方法便可模拟真实地层复杂裂缝体中水力裂缝的扩展过程。图9中从左到右依次展示了天然裂缝可以预置的位置、预置天然裂缝的可选形态、预置单一天然裂缝与水力裂缝呈30
°
夹角。实验样品的应力加载如图10所示，其中，σh是最大水平主应力，σh是最小水平主应力，σv是上覆应力。本实验主要研究影响σh和σh对裂缝扩展方向和路径的影响。σh≥σh,理论上水力裂缝沿σh方向扩展，因此水力裂缝一般垂直于σh，预置天然裂缝会与水力裂缝呈一定夹角。
97.实验目的是通过模拟裂缝体中水力裂缝的起裂和扩展对不同产状的裂缝体进行针对性施工参数优化，为现场的压裂施工提供参考。
98.预置天然裂缝的长度一般大于5mm，最长不穿透实验样品，天然裂缝的宽度一般控制在0.1～3mm之间，如图11所示，天然裂缝的形态可以是直线型、折线型、曲线型或其他不规则形状。
99.在本发明的实施例中，在实验样品上预置多条不同形态的天然缝洞，并模拟在缝洞体中水力裂缝的起裂和扩展的步骤包括：
100.根据储层中实际工况设计预置裂缝与天然缝洞之间的交互关系；
101.当天然缝洞与水力裂缝的预计扩展路径不相交时，获取天然缝洞影响下的应力场对水力裂缝扩展的影响规律；
102.当天然缝洞与水力裂缝的预计扩展路径相交时，获取天然缝洞与水力裂缝之间的交互作用规律。
103.实验样品制作：实验样品制作在满足常规裂缝扩展实验制样要求的基础上主要考虑2个要素：天然缝洞预置的位置和天然缝洞的形态。
104.天然缝洞可预置于实验样品中的任一位置，一块实验样品中可根据需要预置多条位置、形态不一的天然缝洞。
105.如图13所示，在样品中预置与水力裂缝预计扩展路径不相交的天然缝洞，在实验过程中，加载预定载荷后，天然缝洞的存在会使样品出现非均匀的变形，进而形成非均匀的应力场，在水力裂缝扩展的过程中，非均匀应力场会影响水力裂缝的扩展方向和路径，可用于研究天然缝洞影响下的应力场对水力裂缝扩展的影响。
106.在样品中预置与水力裂缝预计扩展路径相交的天然缝洞，实验过程中水力裂缝与缝洞体相遇后会暂时停止扩展，先把高压流体充满缝洞体，随着缝洞体内压力的升高，水力裂缝会从缝洞体的薄弱点重新起裂并扩展，随着地应力条件和缝洞体形状的变化，水力裂缝会选择不同的路径扩展。可用于研究水力裂缝与天然缝洞的交互作用；结合上述两种预置天然裂缝的方法便可模拟真实地层复杂缝洞体中水力裂缝的扩展过程。
107.图11的左侧和中间的图片展示了天然缝洞可以预置的位置，图11最右边的图片展示了预置天然缝洞的可选形态。
108.实验目的是通过模拟缝洞体中水力裂缝的起裂和扩展对不同产状的缝洞体进行针对性施工参数优化，为现场的压裂施工提供参考。
109.预置天然缝洞长轴的长度d1一般控制在0.5～20mm之间，不穿透实验样品，天然缝洞形态可以是圆形、椭圆形或其他不规则形状，见图12最右边的图。
110.在本发明的实施例中，在所述预置裂缝的尖端填充暂堵剂，并模拟暂堵转向压裂工况的步骤包括：
111.根据储层中实际工况和暂堵工艺设计暂堵剂在缝内的形态参数；
112.根据所述暂堵剂的形态参数在预置裂缝尖端填充对应类型和形态的暂堵剂；
113.实验后获取相应暂堵工艺下水力裂缝的转向扩展规律。
114.水力压裂现场施工过程中，会存在裂缝形态单一导致裂缝波及范围小，储层改造效果差的结果。因此为了增加裂缝扩展路径的复杂度，增加裂缝波及范围，会在裂缝扩展一段距离后，加入暂堵剂，使得裂缝难以沿原有方向继续扩展，而是从已有裂缝面的薄弱处进行转向扩展。该实验方法便是用于模拟这一油田现场施工方案，观察裂缝在不同暂堵条件下的扩展规律。实验目的是通过模拟暂堵转向压裂工况来优化泵注参数、优选暂堵剂类型、优选暂堵剂填充量，为现场的压裂施工提供参考。
115.实验样品制作：暂堵实验样品需要在预置裂缝尖端填充暂堵剂，在上述三种实验样品制作的基础之上，将暂堵剂填充于裂缝尖端完成样品制作。实验样品制作主要考虑3个要素：暂堵剂类型、暂堵剂填充量、暂堵剂填充形状。
116.暂堵剂可填充于任一缝、洞内。暂堵剂类型可分为颗粒类和化学类，两种类型现阶段常用的代表性暂堵剂分别是细砂和聚合物。而暂堵剂的填充量取决于所填充缝、洞的形
状和填充长度。对于裂缝，暂堵剂一般填充于缝尖 3mm～20mm范围内；对于孔洞，暂堵剂一般填满。
117.暂堵剂填充形状一般是针对裂缝而言，根据实验需要，在预置裂缝的狭小空间内，暂堵剂可以填充为矩形、梯形、三角形、半圆形、半椭圆形等，填充高度为2～样品厚度之间，见图14所示。
118.在本发明的实施例中，还提出一种微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置，如上的微观可视化岩板水力压裂室内模拟方法采用该模拟装置进行，如图2至图4所示，该微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置包括：
119.外釜体，内部形成有密闭圆柱形空间，外釜体的顶部透明设置，圆柱形空间内设置有用于放置样品的样品座，样品座底部开设有注液孔；
120.图像采集组件，沿轴向安装于外釜体的上方并用于采集外釜体内样品在压裂过程中的动态图像；
121.侧向围压液压缸和垂向围压液压缸，在同一平面内分别沿x向、y向和 z向对样品施加载荷；
122.流体注入泵，与注液孔通过管道连接并用于从底部对样品进行注液。
123.在实验的过程中，首先将制备好的实验样品8放置于外釜体内的样品座 10上，通过流体注入泵40的管道从底部对样品8进行注入压裂液；同时侧向围压液压缸和垂向围压液压缸在x方向、y方向和z方向三个方向对样品8施加载荷，从而实现实验样品8模拟真实储层地应力条件；并且，本发明通过图像采集组件24可实现实验样品8在真实储层地应力条件下水力裂缝动态扩展的可视化监测，真实记录裂缝的动态扩展过程，为水力压裂室内实验研究提供了新方法，切实推动了水力压裂实验向精细化和可视化方向的进步。并且，本装置设计结构可靠，可以研究国内大部分非常规储层三向地应力状态和压裂施工方案下水力裂缝在复杂缝网和复杂缝洞体中的起裂和扩展过程，为非常规储层压裂改造领域的产、学结合开拓了新的思路。此外，本发明所使用实验样品对材质和尺寸的要求较为宽松，实验人员可通过所获取的岩石样本选择实验架的配套组件，可以满足现场可获取的所有尺寸岩心的水力压裂模拟实验。若无法获得真实岩心，实验人员还可挑选力学性能相似的其他材料进行实验。
124.在本发明的实施例中，如图3所示，外釜体包括外筒7、安装于外筒7 顶端和底端的上顶盖2和底座板12以及安装于上顶盖2上的玻璃压板1，上顶盖2中心开设有便于观察外釜体内部的视窗口，玻璃压板1为环形板状结构，且玻璃压板1的内侧壁沿周向形成用于嵌设视窗玻璃3的安装槽15，视窗玻璃3同轴覆盖视窗口。上顶盖2上开设有吊环安装螺孔23以用于安装吊环。
125.进一步地，在玻璃压板1外缘开有等间隔分布有顶盖连接螺孔，除与上顶盖2通过螺栓紧固连接外，多余的顶盖连接螺孔可以安装高速摄像机支架，高速摄像机摄像头正对视窗玻璃3，可以完整记录实验样品8憋压、起裂、裂缝扩展过程，所记录的影像资料可用于后处理分析。同时，外筒7与上顶盖2、玻璃压板1、视窗玻璃3、底座板12组合形成内部密闭圆柱形空间，用于放置岩样及其余用于固定、加载和密封的组件，底座板12下方安装有支撑架50，上顶盖2上方安装有高速摄像组件。在上顶盖2上沿周向开设有多个玻璃压板连接螺孔，在玻璃压板1上开设有顶盖连接螺孔，采用螺栓或螺钉等依次穿过玻璃压板连接螺孔和顶
盖连接螺孔以将玻璃压板1和上顶盖 2可拆卸连接起来。
126.并且，外釜体内部为圆柱形中空空间且内部形成圆形空腔，在外釜体的外部切有4个相互垂直的矩形平面并开有螺孔，用于安装4个互相垂直且活塞杆均朝向外釜体轴线的液压缸，4个液压缸安装于同一水平面，可以在该水平面内提供两个互相垂直(x，y)方向载荷的加载和卸载。底座板12下表面开有螺孔，用于安装活塞杆重合于外釜体轴线的液压缸，可以提供垂直于上述平面(z)方向载荷的加载和卸载。在外筒7的底部端壁上开设有多个底座板连接螺孔，以通过紧固件将外筒7和底座板12连接起来。在玻璃压板1上开设有第二外筒体连接螺孔，以将玻璃压板1和外筒7连接起来。
127.进一步地，如图7所示，底座板12包括底座本体和设置于底座本体中心处的底座圆台1，底座圆台1的中心处开设有供垂向围压液压缸13的活塞杆贯穿的垂向围压液压缸13活塞杆孔124；在底座本体的外缘间隔均匀开设有多个第一外筒体连接螺孔125，以通过紧固件与外筒7体端壁连接；在底座圆台1的外缘还间隔均匀开设有多个垂向围压液压缸13安装螺孔126，以将垂向围压液压缸13的缸筒安装于底座圆台1的底部。在底座圆台1上开设有注液管入口1，流体注入泵40的连接管道通过注液管入口1对样品8进行注液。
128.此外，视窗玻璃3为一圆柱形透明钢化玻璃板，嵌于玻璃压板1内部；玻璃压板1为一环形柱状金属板，玻璃压板1上开设有便于观察的视窗孔，在玻璃压板1的底面安装有led灯带4，实验过程中可为外釜体内部空间补充光线，便于观测。
129.在本发明的实施例中，如图6所示，样品座10包括圆形底盘101和安装于圆形底盘101中心处的样品台104，圆形底盘101的外周缘沿径向对称开设有多个矩形槽102。
130.在本发明的实施例中，圆形底盘101上开设有导向孔103，圆形底盘101 和底座板12同轴设置并通过导向轴11导向连接，导向轴11的顶端安装于底板座上，导向轴11的顶端贯穿并锁紧于导向孔103内。
131.具体地，样品座10的圆形底盘101上嵌有矩形实验样品台104；样品台 104表面平整，在垂直于上表面方向开有多个直径小于2mm的样品注液孔 81，每个样品注液孔81通过下方的接头或丝堵可单独开启或封闭；圆形底盘101外缘开有对称分布的4个矩形槽102，避免在加、卸载过程中样品座 10沿z方向的运动与x，y方向的液压缸活塞杆的活塞运动相互干涉；在底座圆台1上设置有用于安装导向轴11的安装孔1，在圆形底盘101还开有多个中心对称的圆形导向孔103，与固定于底板座上的导向轴11配合，确保样品座10沿z方向运动的过程中不偏转。
132.在本发明的实施例中，如图2和图3所示，微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置还包括两端分别抵接视窗玻璃3和样品8的玻璃堵头5，玻璃堵头5、样品8以及样品台104共同组成矩形柱体，样品8的外侧壁密封套设有密封橡胶套。其中，玻璃堵头5为一立方体状透明玻璃块，玻璃堵头5的上表面与视窗玻璃3接触，下表面压于实验样品8上方；玻璃堵头5的高度可视实验样品8的厚度进行调整，玻璃堵头5的截面尺寸与实验样品8一致。
133.其中，样品8和样品台104之间均密封放置有透明密封片，样品8、透明密封片以及样品台104的形状大小一致。
134.在本发明的实施例中，如图5所示，还包括安装于样品座10上的错位加载板组9，错位加载板组9为四个错位加载板91卡接围合而成的矩形框架结构，错位加载板组9的内侧与密封橡胶套的外侧壁密封紧贴。其中，错位加载板91为一l形金属零件，错位加载板91的短
端开设有限位销孔92，错位加载板91的长端开设有限位槽93，4个错位加载板91分别放置于实验样品8的4个边，通过销钉、限位销孔92和限位槽93的配合对实验样品8 进行限位，避免在加载过程中实验样品8出现错位、受力不均匀的现象。
135.进一步地，外釜体的圆柱形中空空间内部自上而下依次是玻璃压板1、实验样品8、样品座10，实验样品8与玻璃压板1和样品座10之间均放置有密封用透明密封片，在实现密封实验样品8上下表面的同时保证可视性；在玻璃堵头5、实验样品8和样品座10上的样品台104所组成的矩形柱体外侧放置有密封橡胶套，密封橡胶套的内表面与矩形柱体外表面紧密贴合。密封橡胶套的外部安装有错位加载板91，与x，y方向的液压缸活塞杆配合为实验样品8施加均匀的载荷，施加载荷的同时压紧密封橡胶套，实现实验样品8所在空间的完全密封。
136.此外，在底板座的底部设置有中空结构的支撑架50，方便对下部组件进行操作，高度大于垂向围压液压缸的高度。
137.在本发明的实施例中，还包括用于驱动侧向围压液压缸6和垂向围压液压缸13动作的围压泵组30，侧向围压液压缸6的数量为两个且活塞杆分别在同一平面内沿x向和y向贯穿外筒7的侧壁并抵接错位加载板91的外侧壁，垂向围压液压缸13的活塞杆沿z向贯穿底座板12并抵接样品座10。其中，围压泵组30包括3个三向围压加载泵和1个流体注入泵40，其中3 个围压加载泵分别通过管线与x，y方向的4个液压缸和z方向的1个液压缸相连，流体注入泵40与样品座10底部的注液孔105接头通过管线连接。
138.采用如上所述的微观可视化岩板水力压裂室内模拟装置进行模拟实验时，如下以实施例作为说明，以更加明确的了解该模拟装置的操作步骤。
139.水力裂缝与天然缝洞交互作用实验流程
140.步骤一：将侧向围压液压缸6、垂向围压液压缸13和流体注入泵40组装完成，其中流体注入泵40通过管线与样品座10底部选定注液孔105下部的接头连接，其余注液孔105底部用丝堵密封；
141.步骤二：将透明密封片放置于样品座10的矩形样品台104上，并润湿，其中与样品台104注液孔105对应位置开孔；
142.步骤三：将准备好的水力裂缝与天然缝洞交互作用的实验样品放置于透明密封片上，样品、透明密封片和样品台104的尺寸应保持一致，且三者的开孔位置一一对应，保障流体通道的通畅；
143.步骤四：将用于密封实验样品上表面的透明密封片放置于样品上方并润湿，将橡胶密封套自上而下套在样品和样品台104外侧，完成密封件的装配；
144.步骤五：将错位加载板91套在橡胶密封套外侧，使其内侧边角分别于橡胶密封套外侧边角对齐；
145.步骤六：选取与实验样品尺寸一致且高度合适的玻璃堵头5放置于样品上方，并保证玻璃堵头5下方有10mm以上嵌入到橡胶密封套中；
146.步骤七：安装上顶盖2和嵌入了视窗玻璃3的玻璃压板1，使用螺栓对其进行紧固连接，并通过玻璃压板1上多余的螺孔安装高速摄像机支架和高速摄像机，高速摄像机摄像头正对视窗玻璃3，打开led灯带4以补充光源；
147.步骤八：开启侧向围压液压缸6和垂向围压液压缸13，对实验样品施加三向围压，
尽量保持三向围压平衡加载，避免实验前在实验样品内造成应力集中；
148.同时注液
149.步骤九：将样品座10底部所有注液孔105接头全部接通，开启流体注入泵40，注入预先调配的实验流体，同时打开高速摄像机，对实验过程进行完整的记录；
150.步骤十：水力裂缝穿透实验样品后，试验结束。试验结束后先关闭流体注入泵40，关闭高速摄像机，操作侧向围压液压缸6和垂向围压液压缸13 进行卸载，卸载后从实验架上部一次拆除高速摄像机架、玻璃压板1、上顶盖2，依次取出玻璃堵头5、错位加载板91、密封件和压后的实验样品；
151.步骤十一：将压后的实验样品放置于显微镜下，观察裂缝形态、缝尖形态等并进行后处理分析；
152.步骤十二：通过高清位图的像素分析，1)研究裂缝动态扩展过程中的路径和缝宽变化，定量化分析裂缝动态扩展特征；2)结合流体中加入的示踪剂研究裂缝动态扩展过程中流体的流动特征。
153.依次注液
154.步骤九：按照实验方案接通样品座10底部第一个注液孔105，开启流体注入泵40，注入预先调配的实验流体，同时打开高速摄像机，对实验过程进行完整的记录；
155.步骤十：水力裂缝穿透实验样品后，关闭流体注入泵40，按照实验方案接通样品座10底部下一个注液孔105，进行实验。
156.步骤十一：重复步骤十，当所有注液孔105依次接通并完成实验后，关闭注入泵组，操作侧向围压液压缸6和垂向围压液压缸13进行卸载，卸载后从实验架上部一次拆除高速摄像机架、玻璃压板1、顶盖，依次取出玻璃堵头5、错位加载板91、密封件和压后的实验样品；
157.步骤十二：将压后的实验样品放置于显微镜下，观察裂缝形态、缝尖形态等并进行后处理分析；
158.步骤十三：通过高清位图的像素分析，1)研究裂缝动态扩展过程中的路径和缝宽变化，定量化分析裂缝动态扩展特征；2)结合流体中加入的示踪剂研究裂缝动态扩展过程中流体的流动特征。
159.在本发明的描述中，需要理解的是，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
160.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
161.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
162.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。