超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置及方法。通过气源供应系统和气源增压设备注入超临界CO2，通过设计活塞装置来对岩芯施加精确应力，并采用耐压耐温多孔板来保持干热岩流体的渗透性，并通过导流槽外接到流体采集室，同时内部嵌入可调节声发射探头来监测水力压裂过程中裂缝扩展时的声发射事件。本发明专利技术的有益效果是：利用该装置可以实现围压条件对岩石水力压裂‑应变‑声发射‑渗透率‑热能采收效率等信息的一体化采集，研究干热岩水力裂缝的起裂与扩展情况；可以实时监测水力裂缝在高温高压环境条件下的起裂行为和扩展延伸形态，同时可以对热能开采率进行计算。

Experimental device and method of enhanced geothermal system for supercritical CO2 fluid fracturing

The present invention relates to an experimental device and method of a supercritical CO2 fluid fracturing enhanced geothermal system. Supercritical CO2 through the air supply system and air pressure equipment of injection, through the design of the piston device to accurate stress applied to the core, and adopts the high temperature porous plate to maintain the permeability of dry rock fluid, and through the guide groove to fluid collection chamber, and embedded within the adjustable acoustic monitoring of hydraulic fracturing process extended emission probe of the acoustic emission event. The invention has the advantages that the device can realize the integration of information acquisition on the recovery efficiency of hydraulic fracturing of rock permeability thermal strain AE confining pressure conditions of hot dry rock fracture initiation and propagation; real-time monitoring of hydraulic fracture in high temperature and high pressure environment under the condition of Crack Initiation Behavior and the extended form, can be used to calculate the heat extraction rate.

【技术实现步骤摘要】
超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置及方法
本专利技术涉及一种物理模拟实验装置及方法，特别涉及一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置及方法，主要是利用超临界CO2作为压裂液介质进行干热岩压裂的物理模拟实验。
技术介绍
干热岩一般是指深部在3000m以下，温度在150~350℃的高温结晶质岩石，其放出的巨大热能可以作为常规化石能源的有效补充，同时没有温室气体排放，所以其勘探开发受到了世界各国政府的普遍关注。深部高温干热岩开发被称为增强型地热系统，按利用形式可以分为高温岩体型和火山型，并且一般需要通过压裂的方式对储层改造。另外，干热岩的开发还包括化学刺激和热刺激等其他技术以及这几种技术的联合使用。常规干热岩压裂介质主要是水，水作为携热介质可以与干热岩进行热交换，有效将热量带出到地表，同时冷却水可以作为压裂液二次利用。但是，水力压裂范围通常有限性，渗流区域相对封闭，并且水基压裂液容易产生储层伤害和造成水资源短缺。为此，利用超临界CO2开发地热具有重要研究价值。当CO2的温度和压力分别处于31.1℃和7.38MPa以上时，CO2将达到超临界状态。超临界CO2性质介于气体和液体之间，既有气体的低粘度和易扩散性，也有液体的高密度和溶解性好的特点，具有超强的流动、渗透和传递性能，可以代替清水作为压裂液。另外，超临界CO2具有弱酸性，可以溶解管道和地层中的沉淀和结垢物质。其次，注入井中的超临界CO2密度大于生产井中的超临界CO2密度，可在储层产生较大的驱动力，可降低对循环泵功率的要求；另外，向干热岩储层注入超临界CO2可以实现碳埋存。同时，在开发地热温度大于374℃（水的临界温度）的干热岩储层时，不存在常规地热开采系统（以水作为携热介质）的二氧化硅溶解问题，所以可采用双循环式发电系统。目前对于超临界CO2流体压裂岩石的理论和实验方面的研究主要应用于页岩气储层。针对干热岩的超临界流体压裂实验装置和方法研究都较少。对于利用超临界CO2流体压裂干热岩来说，目前的研究存在如下不足：（1）无法有效模拟干热岩的生成环境；（2）不能有效控制CO2的相态，保证超临界CO2压裂流体的生成；（3）不能实时分析超临界CO2压裂过程干热岩储层水力裂缝形态，并可以分析干热岩压裂前后的渗透率动态变化和评估超临界流体压裂开发效果。总体来看，针对干热岩水力压裂物理模拟的高温高压实验装置和实验研究方法仍不成熟，因此建立干热岩水力压裂物理模拟实验装置具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置及方法，可以实时监测水力裂缝在高温高压环境条件下的起裂行为和扩展延伸形态，同时可以对热能开采率进行计算。本专利技术提到的一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置，其技术方案是：包括超临界CO2流体生成设备、压裂主体装置和超临界CO2流体压裂信息收集系统；其中，超临界CO2流体生成设备主要由气体增压器（3）、CO2气源供应系统（4）、循环冷却箱（5）、CO2流体循环加热室（6）和保温压裂管汇（7）组成，CO2气源供应系统（4）通过循环冷却箱（5）连接到气体增压器（3），气体增压器（3）通过高压管线进入、CO2流体循环加热室（6），高压压裂泵（2）同时将CO2流体循环加热室（6）的CO2流体和支撑剂注入腔（8）的支撑剂送入压裂液和支撑剂混合装置（9），所述循环冷却箱（5）和CO2流体循环加热室（6）依次用以设置满足超临界CO2流体的生成温度和压力条件；所述压裂主体装置主要由超临界CO2流体改造腔（25）、压裂腔电阻加热系统（26）、压裂腔保温层（27）组成，且超临界CO2流体改造腔（25）内设有耐高温高压多孔钢板，超临界CO2流体改造腔（25）外侧设有多组应力模拟装置，用来对超临界CO2流体改造腔施加不同的水平应力；压裂管柱（14）安装在超临界CO2流体改造腔（25）内腔的干热岩样品内，并且，顶部通过注入孔（22）连接超临界CO2流体生成设备，通过出气孔（23）排出。超临界CO2流体压裂信息收集系统包括，声发射探头（12）、流量计（15）、压力表（19）、应变片（30），通过各部件同步工作和实时记录数据并输出到计算机，并实现试样加温和保温和控制压裂进程。优选的，上述干热岩样品的每个表面贴有应变片（30），用以监测压裂过程中的岩石变形，同时所述干热岩样品与耐高温高压多孔钢板贴合，且耐高温高压多孔钢板的每面可以至少镶嵌4个声发射腔，并可以将声发射探头（12）放入其中，用以实时评估裂缝形态。优选的，上述耐高温高压多孔钢板的每面还设有至少4个电位测试腔，并可以将电位测试电极放入其中，用以实时评估流体的流动方向；且所述耐高温高压传压板为多孔镂空设计，在压裂腔底部流有流体流动的凹槽，热流体可通过压裂腔凹槽流到热量计量系统（16）之中。优选的，上述干热岩样品采用花岗岩、碳酸盐、砂岩或者通过人工通过水泥或者石膏混合组制成，实验前应当取相似材料进行不少于5组的岩石力学抗压、抗拉、断裂韧性和孔隙度及渗透率测试，其核心岩石力学性质和油层物理参数应满足实验基本要求，人工制样需要进行恒温恒湿养护。优选的，上述应力模拟装置设置有多组，在超临界CO2流体改造腔（25）的两侧分别设有多级活塞（11），所述多级活塞（11）分别连接液压控制器（24），通过多级活塞施加应力直接加载到耐高温高压多孔钢板上，然后再通过耐高温高压多孔钢板加载到干热岩样品上。本专利技术提到的一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置的使用方法，包括以下步骤：（1）选取制作干热岩样品的花岗岩、碳酸盐、砂岩或者通过人工通过水泥或者石膏混合制成干热岩样品；（2）切割成0.3×0.3×0.3m标准立块体，人工制成的干热岩样品需要在恒温恒湿养护后放入超临界CO2流体改造腔（25）；（3）开启加热装置，以恒温升高模式将干热岩样品加热至理想温度，同时利用温度传感器监测超临界CO2流体改造腔内温度，并保持恒温时间2小时以上；（4）开启应力模拟装置，通过耐高温高压多孔钢板对干热岩试样施加多向应力，并在应力和高温条件下钻取孔眼，下入用于模拟的压裂管柱（14），并进行密封处理；（5）启动CO2气源供应系统，打开循环冷却箱（5）、气体增压器（3）、CO2流体循环加热室（6），生产超临界CO2流体；（6）配置支撑剂并和超临界CO2流体在压裂液和支撑剂混合装置（9）内混合，连接保温压裂管汇（7）并开启高压压裂泵（2）；（7）打开声发射和电位测试系统，利用声发射监测系统（21）收集水力压裂时的声发射信号，利用电位系统分析流体的流动规律，注入压裂液进行水力压裂测试；通过压力计测试实时泵压变化，利用热流体储集设备收集流出的热流体，并采用温度和流量传感器记录实时流量和温度；（8）关闭高压压裂泵（2），通过流量和温度采集结果计算干热岩样品采出流体热量；（9）关闭超临界CO2流体生成设备，直接注入高纯度CO2，测试干热岩样品压裂前后的渗透率变化；（10）待干热岩样品恢复到室温后取出，分析超临界CO2压裂裂缝宏观形态，同时对裂缝进行割缝处理，通过扫描电镜分析微观裂缝形态。优选的，上述超临界CO2流体生成设备进入压裂液和支撑剂混合装置（9）之前需要具有的温度是31.1℃和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置，其特征是：包括超临界CO2流体生成设备、压裂主体装置和超临界CO2流体压裂信息收集系统；其中，超临界CO2流体生成设备主要由气体增压器（3）、CO2气源供应系统（4）、循环冷却箱（5）、CO2流体循环加热室（6）和保温压裂管汇（7）组成，CO2气源供应系统（4）通过循环冷却箱（5）连接到气体增压器（3），气体增压器（3）通过高压管线进入、CO2流体循环加热室（6），高压压裂泵（2）同时将CO2流体循环加热室（6）的CO2流体和支撑剂注入腔（8）的支撑剂送入压裂液和支撑剂混合装置（9），所述循环冷却箱（5）和CO2流体循环加热室（6）依次用以设置满足超临界CO2流体的生成温度和压力条件；所述压裂主体装置主要由超临界CO2流体改造腔（25）、压裂腔电阻加热系统（26）、压裂腔保温层（27）组成，且超临界CO2流体改造腔（25）内设有耐高温高压多孔钢板，超临界CO2流体改造腔（25）外侧设有多组应力模拟装置，用来对超临界CO2流体改造腔施加不同的水平应力；压裂管柱（14）安装在超临界CO2流体改造腔（25）内腔的干热岩样品内，并且，顶部通过注入孔（22）连接超临界CO2流体生成设备，通过出气孔（23）排出；超临界CO2流体压裂信息收集系统包括，声发射探头（12）、流量计（15）、压力表（19）、应变片（30），通过各部件同步工作和实时记录数据并输出到计算机，并实现试样加温和保温和控制压裂进程。...

【技术特征摘要】
1.一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置，其特征是：包括超临界CO2流体生成设备、压裂主体装置和超临界CO2流体压裂信息收集系统；其中，超临界CO2流体生成设备主要由气体增压器（3）、CO2气源供应系统（4）、循环冷却箱（5）、CO2流体循环加热室（6）和保温压裂管汇（7）组成，CO2气源供应系统（4）通过循环冷却箱（5）连接到气体增压器（3），气体增压器（3）通过高压管线进入、CO2流体循环加热室（6），高压压裂泵（2）同时将CO2流体循环加热室（6）的CO2流体和支撑剂注入腔（8）的支撑剂送入压裂液和支撑剂混合装置（9），所述循环冷却箱（5）和CO2流体循环加热室（6）依次用以设置满足超临界CO2流体的生成温度和压力条件；所述压裂主体装置主要由超临界CO2流体改造腔（25）、压裂腔电阻加热系统（26）、压裂腔保温层（27）组成，且超临界CO2流体改造腔（25）内设有耐高温高压多孔钢板，超临界CO2流体改造腔（25）外侧设有多组应力模拟装置，用来对超临界CO2流体改造腔施加不同的水平应力；压裂管柱（14）安装在超临界CO2流体改造腔（25）内腔的干热岩样品内，并且，顶部通过注入孔（22）连接超临界CO2流体生成设备，通过出气孔（23）排出；超临界CO2流体压裂信息收集系统包括，声发射探头（12）、流量计（15）、压力表（19）、应变片（30），通过各部件同步工作和实时记录数据并输出到计算机，并实现试样加温和保温和控制压裂进程。2.根据权利要求1所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置，其特征是：所述干热岩样品的每个表面贴有应变片（30），用以监测压裂过程中的岩石变形，同时所述干热岩样品与耐高温高压多孔钢板贴合，且耐高温高压多孔钢板的每面可以至少镶嵌4个声发射腔，并可以将声发射探头（12）放入其中，用以实时评估裂缝形态。3.根据权利要求2所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置，其特征是：所述耐高温高压多孔钢板的每面还设有至少4个电位测试腔，并可以将电位测试电极放入其中，用以实时评估流体的流动方向；且所述耐高温高压传压板为多孔镂空设计，在压裂腔底部流有流体流动的凹槽，热流体可通过压裂腔凹槽流到热量计量系统（16）之中。4.根据权利要求1所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置，其特征是：所述干热岩样品采用花岗岩、碳酸盐、砂岩或者通过人工通过水泥或者石膏混合组制成，实验前应当取相似材料进行不少于5组的岩石力学抗压、抗拉、断裂韧性和孔隙度及渗透率测试，其核心岩石力学性质和油层物理参数应满足实验基本要求，人工制样需要进行恒温恒湿养护。5.根据权利要求1所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置，其特征是：所述应力模拟装置设置有多组，在超临界CO2流体改造腔（25）的两侧分别设有多级活塞（11），所述多级活塞（11）分别连接液压控制器（24），通过多级活塞施加应力直接加载到耐高温高压多孔钢板上，然后再通过耐高温高压多孔钢板加载到干热岩样品上。6.一种如权利要求1-5中任一项所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置的使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：时贤，倪红坚，蒋恕，王鹏，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37