一种水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统技术领域
本实用新型涉及真三轴水力压裂裂缝起裂和扩展规律的物理模拟实验技术，尤其
涉及一种水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统。
背景技术
水力压裂是油气田增产改造的关键技术之一。随着以页岩气和致密油为代表的非
常规油气资源的开采，水平井分段分簇压裂技术已经得到大规模应用。近年来，又涌现出了
多井同步压裂等新技术，大大改善了储层改造效果。水平井分段压裂是指根据储层的物性
特征针对水平井段不同位置地层进行分段压裂，用多压裂段数来增大裂缝与地层的接触面
积，获得较高的初始产量和提高采收率。同步压裂技术是指对多口水平井同时进行压裂施
工，目的是利用井间连通的优势来增大水力裂缝的密度和复杂程度。真三轴水力压裂模拟
实验系统是研究水力裂缝起裂和扩展规律的有效手段。其是模拟油田水力压裂过程，将流
体通过高压泵组注入岩样中预制模拟井筒并在井筒底部产生憋压，当流体压力超过岩石的
抗张强度时，发生破裂并继续扩展。
目前，国内外众多学者对水力裂缝起裂扩展规律进行了大量实验研究，但现有技
术方案仅能够实现对单井单段压裂的物理模拟，无法对水平井分段压裂过程中段间裂缝干
扰等相关问题开展实验研究。中国发明专利(CN 104563993 A)公布了一种页岩水平井分段
压裂模拟实验方法。具体是在水平井筒内充填无声破碎剂浆体，利用分割件控制模拟的水
平井分段数，通过无声破碎剂浆体配制的先后顺序控制充填段裂缝的起裂顺序。无声破碎
剂浆体多使用经高温煅烧以氧化钙为主体的无机化合物，掺入适量外加剂共同粉磨制成的
具备高膨胀性能的非爆破性破碎用粉状材料，在其失水膨胀固化过程中，形成高压作用于
岩样，产生裂缝。
但是在目前的研究中主要存在以下两点问题：1)发明专利(CN 104563993 A)中的
方法所采用的无声破碎剂浆体是以形成固体过程挤压岩样产生裂缝，即对裂缝的作用力仅
集中在裂缝形成点，并不会随裂缝扩展而移动，因此无法研究动态作用力水力压裂过程中
流体作用下的对裂缝形成和扩展规律的影响；2)并且目前针对分段压裂或同步压裂的研究
较少，无法从理论实验中总结出多条裂缝的缝间干扰对裂缝形成和扩展形态的影响规律。
因此目前的实验系统与实际矿场水压致裂的原理存在本质的区别，实验结论无法为矿产实
践提供有效的指导。
实用新型内容
本实用新型提供一种水平井分段压裂或同步模拟实验系统，能够在模拟实际矿场
水压致裂的前提下研究流体作用力对裂缝形成和扩展规律的影响，为矿产提供更加有效的
指导；在实现分段压裂模拟时减少可注液管的移动距离，节约实验系统安装所需空间；实现
认识裂缝扩展规律并研究水平井分段压裂的段间裂缝干扰现象和同步压裂产生的井间裂
缝干扰增加裂缝复杂程度的作用机理。
本实用新型提供一种水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统，用于对立方体人
工岩样进行压裂模拟，包括：压裂模拟组件、应力加载装置和裂缝监测装置，压裂模拟组件
包括模拟井筒和注液管；模拟井筒位于人工岩样内部，模拟井筒的筒底封闭，且模拟井筒的
筒口位于人工岩样的外部；模拟井筒的筒壁上开设有至少两个沿模拟井筒轴向排列的模拟
射孔。
注液管一端封闭，另一端与供液管线连接，注液管的外径与模拟井筒的内径相匹
配，以使注液管套设在模拟井筒内，注液管的管壁上开设有至少两个沿注液管轴向排列的
出液孔，相邻出液孔之间的孔距与模拟射孔之间的孔距不相同。
注液管在模拟井筒内沿轴向移动时，至多一个出液孔与模拟射孔位置相对并连
通，以使流入注液管内的压裂液通过与出液孔相连通的模拟射孔进入人工岩样。
应力加载装置为三个，每个应力加载装置对应一个与人工岩样的外立面垂直的方
向，且不同压裂模拟组件所对应的方向彼此垂直。
裂缝监测装置的传感器安设在人工岩样的表面。
可选的，压裂模拟组件为一个时，完成水平井分段压裂模拟实验；压裂模拟组件为
两个时，完成水平井同步压裂模拟实验，两个压裂模拟组件均设置在人工岩样的同一外立
面侧，每个压裂模拟组件均包括一根模拟井筒与一根注液管。
可选的，模拟井筒的筒壁上开设有由模拟井筒的筒底至筒口依次设置的第一级压
裂段模拟射孔、第二级压裂段模拟射孔和第三级压裂段模拟射孔。注液管的管壁上开设有
由注液管的管底至管口依次设置的第一级压裂段出液孔、第二级压裂段出液孔和第三级压
裂段出液孔。
可选的，每个压裂模拟组件还包括位置调节装置，位置调节装置包括螺纹接头、平
板、丝杠和四个支撑柱，螺纹接头具有内螺纹孔，且螺纹接头具有和注液管端部连接的端
面。
支撑柱对称固定在平板上，丝杠一端固定在平板上，丝杠另一端和螺纹接头的内
螺纹孔旋合。
可选的，丝杠端部的活动范围位于螺纹接头的内螺纹孔之内。
可选的，人工岩样表面设有顶板，位置调节装置设置在顶板上，顶板上还设有用于
使模拟井筒穿过的中心孔。
可选的，注液管的管口还设有转接头，转接头与螺纹接头抵接。
可选的，第一级压裂段出液孔、第二级压裂段出液孔和第三级压裂段出液孔的两
侧均设有密封圈。
可选的，裂缝监测装置为声发射裂缝监测装置。
可选的，两个压裂模拟组件分别为第一压裂模拟组件和第二压裂模拟组件，第一
压裂模拟组件的第一模拟井筒和第二压裂模拟组件的第二模拟井筒上具有相同数量和间
距的模拟射孔。
本实用新型提供一种水平井分段压裂或同步模拟实验系统，通过以液体为压裂介
质，能够在模拟实际矿场水压致裂的前提下研究流体作用力对裂缝形成和扩展规律的影
响，为矿产提供更加有效的指导；通过合理设计模拟射孔孔眼距离和出液孔孔眼位置，在实
现分段压裂模拟时减少可注液管的移动距离，节约实验系统安装所需空间；通过分段设置
模拟射孔，两个模拟井筒同步压裂，实现认识裂缝扩展规律并研究水平井分段压裂的段间
裂缝干扰现象和同步压裂产生的井间裂缝干扰增加裂缝复杂程度的作用机理。
附图说明
图1是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的结构示意
图；
图2是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的模拟井筒的
结构示意图；
图3是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的模拟井筒和
人工岩样的结构示意图；
图4是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的注液管的结
构示意图；
图5是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的位置调节装
置的结构示意图；
图6是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的螺纹接头的
结构示意图；
图7是本实用新型提供的图6的右视图；
图8是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的顶板的结构
示意图；
图9是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的分段压裂模
拟实验中注液管与模拟井筒相对位置示意图；
图10是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的同步压裂
模拟实验的第一种位置关系示意图；
图11是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的同步压裂
模拟实验的第二种位置关系示意图；
图12是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的同步压裂
模拟实验的第三种位置关系示意图；
图13是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的同步压裂
模拟实验的第四种位置关系示意图。
附图标记说明：
1-压裂模拟组件； 2-人工岩样；
11-模拟井筒； 12-注液管；
13-应力加载装置； 14-裂缝监测装置；
15-供液管线； 16-位置调节装置；
111-模拟射孔； 112-第一模拟井筒；
113-第二模拟井筒； 121-出液孔；
122-转接头； 123-密封圈；
161-螺纹接头； 162-平板；
163-丝杠； 164-支撑柱；
21-顶板； 211-中心孔；
1111-第一级压裂段模拟射孔； 1112-第二级压裂段模拟射孔；
1113-第三级压裂段模拟射孔； 1211-第一级压裂段出液孔；
1212-第二级压裂段出液孔； 1213-第三级压裂段出液孔。
具体实施方式
图1是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的结构示意
图，图2是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的模拟井筒的结构
示意图，图3是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的模拟井筒和
人工岩样的结构示意图，图4是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系
统的注液管的结构示意图，图5是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验
系统的位置调节装置的结构示意图，图6是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂
模拟实验系统的螺纹接头的结构示意图，图7是本实用新型提供的图6的右视图，图8是本实
用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的顶板的结构示意图，图9是本实
用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的注液管相对于模拟井筒位置示
意图，图10是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的同步压裂模拟
实验的第一种位置关系示意图，图11是本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟
实验系统的同步压裂模拟实验的第二种位置关系示意图，图12是本实用新型提供的水平井
分段压裂或同步压裂模拟实验系统的同步压裂模拟实验的第三种位置关系示意图，图13是
本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统的同步压裂模拟实验的第四
种位置关系示意图。
如图1-13所示，本实用新型提供一种水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统，
用于对立方体人工岩样2进行压裂模拟，包括：压裂模拟组件1、应力加载装置13和裂缝监测
装置14，压裂模拟组件1包括模拟井筒11和注液管12；模拟井筒11位于人工岩样2内部，模拟
井筒11的筒底封闭，且模拟井筒11的筒口位于人工岩样2的外部；模拟井筒11的筒壁上开设
有至少两个沿模拟井筒11轴向排列的模拟射孔111。
注液管12一端封闭，另一端与供液管线15连接，注液管12的外径与模拟井筒11的
内径相匹配，以使注液管12套设在模拟井筒11内，注液管12的管壁上开设有至少两个沿注
液管12轴向排列的出液孔121，相邻出液孔121之间的孔距与模拟射孔111之间的孔距不相
同。
注液管12在模拟井筒11内沿轴向移动时，至多一个出液孔121与模拟射孔111位置
相对并连通，以使流入注液管12内的压裂液通过与出液孔121相连通的模拟射孔111进入人
工岩样2。
应力加载装置13为三个，每个应力加载装置13对应一个与人工岩样2的外立面垂
直的方向，且不同压裂模拟组件1所对应的方向彼此垂直。
裂缝监测装置14的传感器安设在人工岩样2的表面。
需要说明的是，该水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统通过在人工岩样2外
立面设置压裂模拟组件1，真实模拟在此方向的压裂过程。压裂模拟实验开始后，三个应力
加载装置13分别从不同的方向对人工岩样2外部加载应力，应力加载装置13优选为液压活
塞。同时压裂液通过高压泵经过供液管线15注入注液管12内，通过注液管12的管壁上的出
液孔121流经模拟井筒11的模拟射孔111进入人工岩样2，应力加载装置13和高压压裂液体
对人工岩样2同时作用，内外同时加压使人工岩样2内部产生憋压，当压裂液体的压力超过
岩体的抗张强度时，在岩体内部发生破裂。压裂液体会随着裂缝延展流动，即压裂作用力会
随着裂缝延伸，因此裂缝不断扩展。通过裂缝监测装置14监测裂缝的形成和扩展形态。压裂
液优选使用水体，能更加真实模拟实际矿场的作业环境。
在上述基本实验过程基础上，还可通过调节注液管12在模拟井筒11内的伸入位
置，调整不同出液孔121与模拟射孔111相互对应，完成分段压裂模拟实验。并且，还可通过
在每个压裂模拟组件1中优选设置两个压裂模拟组件1，即设置两组模拟井筒11和注液管
12，分别研究这两组模拟井筒11和注液管12形成的裂缝之间的互相影响，实现两个模拟井
筒11同步压裂模拟实验。通过分段压裂模拟实验和同步压裂模拟实验能够真实模拟油气井
压裂过程，为矿产实践提供有效的指导。
优选的，上述的人工岩样2为300mm×300mm×300mm的立方体。模拟井筒11的总长
度为250mm，外径为15mm，内径为10mm。注液管12总长度为250mm，外径为9mm，内径为2mm。供
液管线15外径为3mm，内径为1mm。模拟射孔111和出液孔121的孔径均为2mm。
具体的，压裂模拟组件1为一个时，完成水平井分段压裂模拟实验；压裂模拟组件1
为两个，完成水平井同步压裂模拟实验，两个压裂模拟组件1均设置在人工岩样2的同一外
立面侧，每个压裂模拟组件1均包括一根模拟井筒11与一根注液管12。
需要说明的是，当每个压裂模拟组件1均包括一个模拟井筒11与一个注液管12，即
可完成分段压裂模拟实验。当设置两个压裂模拟组件1时，所包括两个模拟井筒11与两个注
液管12，既可以通过单组注液完成分段压裂模拟实验，也可以通过两组同时注液，完成同步
压裂模拟实验，研究两口井间裂缝的缝间干扰以及增加裂缝复杂程度的作用机理。
具体的，模拟井筒11的筒壁上开设有由模拟井筒11的筒底至筒口依次设置的第一
级压裂段模拟射孔1111、第二级压裂段模拟射孔1112和第三级压裂段模拟射孔1113；注液
管12的管壁上开设有由注液管12的管底至管口依次设置的第一级压裂段出液孔1211、第二
级压裂段出液孔1212和第三级压裂段出液孔1213。
需要说明的是，通过分别设置第一级压裂段模拟射孔1111、第二级压裂段模拟射
孔1112、第三级压裂段模拟射孔1113和第一级压裂段出液孔1211、第二级压裂段出液孔
1212、第三级压裂段出液孔1213，可完成三级压裂模拟实验。如图9所示，当进行第一级压裂
模拟实验时，注液管12相对于模拟井筒11的位置如图中由上至下第一根注液管12的位置，
此时仅第一级压裂段模拟射孔1111与第一级压裂段出液孔1211相对应连通，其余孔均错位
设置，故注入的压裂液仅能通过第一级压裂段模拟射孔1111进入人工岩样2。当进行第二级
压裂模拟实验，注液管12相对于模拟井筒11的位置如图中由上至下第二根注液管12的位
置，此时注液管12相对于模拟井筒11向外移动一段距离，致使仅有第二级压裂段模拟射孔
1112与第二级压裂段出液孔1212相对应连通，其余孔均错位设置，故注入的压裂液仅能通
过第二级压裂段模拟射孔1112进入人工岩样2。当进行第三级压裂模拟实验，与第二级压裂
模拟实验类似，注液管12相对于模拟井筒11的位置如图中由上至下第三根注液管12的位
置，此时注液管12相对于模拟井筒11向外继续移动一段距离，致使仅有第三级压裂段模拟
射孔1113与第三级压裂段出液孔1213相对应连通，其余孔均错位设置，故注入的压裂液仅
能通过第三级压裂段模拟射孔1113进入人工岩样2。通过分段压裂模拟实验，可研究模拟井
筒11不同压裂段之间的裂缝干扰现象和水力裂缝的扩展规律。
需要说明的是，上述三级分段压裂模拟实验可根据实验需要安排其完成的先后顺
序，并不局限于其名称所限定的顺序。
优选的，上述的第一级压裂段模拟射孔1111、第二级压裂段模拟射孔1112和第三
级压裂段模拟射孔1113距离模拟井筒11筒口分别为200mm、150mm和100mm。第一级压裂段出
液孔1211、第二级压裂段出液孔1212和第三级压裂段出液孔1213距离注液管12管口分别为
225mm、185mm和145mm。在进行第二级压裂模拟实验和第三级压裂模拟实验时，注液管12相
对于模拟井筒11外移的距离均为10mm。
具体的，每个压裂模拟组件1还包括位置调节装置16，位置调节装置16包括螺纹接
头161、平板162、丝杠163和四个支撑柱164，螺纹接头161具有内螺纹孔，且螺纹接头161具
有和注液管12端部连接的端面。
支撑柱164对称固定在平板162上，丝杠163一端固定在平板162上，丝杠163另一端
和螺纹接头161的内螺纹孔旋合。
具体的，丝杠163端部的活动范围位于螺纹接头161的内螺纹孔之内。
需要说明的是，通过螺纹接头161在丝杠163上活动，限定注液管12在模拟井筒11
内的位置。通过平板162和支撑柱164相互配合，应力加载装置13抵接在平板162表面，平板
162用以向人工岩样2表面传递应力加载装置13的应力。丝杠163端部的活动范围位于螺纹
接头161的内螺纹孔之内，即螺纹接头161仅限定在丝杠163上活动。该位置调节装置16用以
调节并固定注液管12的位置，防止压裂液在人工岩样2内压力过高，注液管12退出模拟井筒
11或两者位置发生偏差，造成出液孔121和模拟射孔111无法对应连通。
优选的，上述平板162为300mm×300mm×40mm的铝板。支撑柱164优选为四个，相对
于平板162对称设置，其直径为80mm。丝杠163直径为20mm，为外螺纹结构。如图6和7所示，螺
纹接头161为“T”型结构，中心通孔直径为20mm，为内螺纹结构。
具体的，人工岩样2表面设有顶板21，位置调节装置16设置在顶板21上，顶板21上
还设有用于使模拟井筒11穿过的中心孔211。
具体的，注液管12的管口还设有转接头122，转接头122与螺纹接头161抵接。
需要说明的是，人工岩样2表面的顶板21是为保证人工岩样2表面受力均匀，而注
液管12的管口设置转接头122也是为通过与螺纹接头161抵接而保证注液管12不会被液体
压力推出模拟井筒11。
优选的，顶板21为300mm×300mm×25mm的铝板，中心孔211直径为25mm。
具体的，第一级压裂段出液孔1211、第二级压裂段出液孔1212和第三级压裂段出
液孔1213的两侧均设有密封圈123。
需要说明的是，由于注液管12的外径和模拟井筒11的内径之间会预留有注液管12
套入时所需空间，根据上述优选的注液管12外径和模拟井筒11内径可以看出，两者之间相
差1mm，为防止压裂液通入后，沿此缝隙渗入相邻模拟射孔111，故在每个出液孔121两侧均
设置密封圈123。优选的，密封圈123厚度大于1mm。
具体的，裂缝监测装置14为声发射裂缝监测装置。
需要说明的是，声发射裂缝监测装置由传感器、前置放大器、数据采集处理系统和
记录分析显示系统四个部分组成。声发射裂缝监测装置中传感器接收采集来自声发射源的
声波信号，即声发射信号，此声发射信号反应了人工岩样2内部裂缝的形态。接收的声发射
信号经前置放大器放大后，并由信号采集处理系统对声发射信号做处理后，由记录显示系
统进行记录、分析和显示，从而直观的分析裂缝的形成和扩展形态。
具体的，两个压裂模拟组件1分别为第一压裂模拟组件和第二压裂模拟组件，第一
压裂模拟组件的第一模拟井筒112和第二压裂模拟组件的第二模拟井筒113上具有相同数
量和间距的模拟射孔111。
需要说明的是，通过设置第一模拟井筒112和第二模拟井筒113完成两个模拟井筒
11同步压裂模拟实验，本水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统共有四种位置关系。如
图10所示，图示出为第一种位置关系，第一模拟井筒112和第二模拟井筒113两者位于人工
岩样2内部深度相同，两者的第一级压裂段模拟射孔1111、第二级压裂段模拟射孔1112和第
三级压裂段模拟射孔1113均各自相互对应。如图11所示，第二种位置关系为第一模拟井筒
112和第二模拟井筒113两者位于人工岩样2内部深度不同，两者的第一级压裂段模拟射孔
1111、第二级压裂段模拟射孔1112和第三级压裂段模拟射孔1113均各自相互对应。如图12
所示，第三种位置关系为第一模拟井筒112和第二模拟井筒113两者位于人工岩样2内部深
度相同，两者的第一级压裂段模拟射孔1111、第二级压裂段模拟射孔1112和第三级压裂段
模拟射孔1113均各自相互错开设置。如图13所示，第四种位置关系为第一模拟井筒112和第
二模拟井筒113两者位于人工岩样2内部深度不同，两者的第一级压裂段模拟射孔1111、第
二级压裂段模拟射孔1112和第三级压裂段模拟射孔1113均各自相互错开设置。
通过上述四种位置关系的设置，可以探究模拟井筒11深度和模拟射孔111是否相
对应两个因素对裂缝形成扩展的影响。故通过设置四种位置关系能够分别模拟不同(或相
同)深度的两口水平井，压裂段相对和交错分布等压裂改造方案下裂缝的扩展规律。
本实用新型提供的水平井分段压裂或同步压裂模拟实验系统，通过以液体为压裂
介质，压裂施力点可随液体在裂缝中流动而改变位置，实现研究动态作用力对裂缝形成及
扩展规律的研究，模拟实际矿场水压致裂情况，为矿产提供更加有效的指导；通过合理设计
模拟射孔111孔眼距离和出液孔121孔眼位置，在分段压裂时减少可注液管12的移动距离，
减少实验系统所需安装空间；通过分段设置模拟射孔111，两个模拟井筒11同步压裂，能实
现认识裂缝扩展规律并研究分段压裂的模拟射孔111和同步压裂模拟井筒11引起的缝间干
扰对裂缝形成和扩展形态的影响。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限
制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当
理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部
技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新
型各实施例技术方案的范围。