基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置及试验方法，其通过温度调节装置调节岩石试样的温度以模拟地热开采过程中断层的温度；通过法向加载装置对岩石试样的顶面施加静态或者动态的法向力，以模拟地热开采过程中断层所承受的静态或者动态的法向力；通过剪切加载装置在剪切方向对下剪切箱施加相对上剪切箱运动或者运动趋势的剪切力，以模拟地热开采过程中断层所承受的剪切力；通过变频渗流加载装置将水从橡胶皮套位于剪切方向的一侧对应岩石试样节理面的位置注入，以模拟地热开采时对断层节理面的注水过程。从而能够准确地模拟地热开采过程中岩石节理面滑移的力学行为；从而提供准确、全面的试验数据以供后续研究。

【技术实现步骤摘要】
基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置及试验方法
本专利技术涉及地热开采的岩石力学试验
，特别涉及一种基于地热开采的热流固耦合岩石节理面剪切渗流试验装置及试验方法。
技术介绍
干热岩(简称HDR)是一种不含水或蒸汽的热岩体，温度150℃以上，其中蕴含着巨大的地热资源，可用于发电和热水利用。目前，往深部含热源地层(干热岩)注水进行热交换是地热开采过程中普遍采用的技术。2017年韩国浦项发生里氏5.4级破坏性地震，带来严重损失，科学杂志随后相继报道此地震很可能由于地热开采时往地下注水引发，此报道引起了岩石力学和地球物理界众多学者关注，随后对注水是否诱导断层滑移进行了相关的试验和模拟研究，相关结果间接表明浦项地震的产生与当地地热开采活动相关，即注水过程中诱发极限应力状态下的断层面发生了失稳滑移，并诱发地震。目前，对于地层注水诱发地震已经慢慢被地震学界研究者接受，瞬间或周期性载荷作用在断层上，将会引起断层应力状态的调整，在特定载荷振幅和频率下，会触发断层失稳滑移，诱发地震或工程灾害，上述科学问题的核心本质即变频渗流诱发断层滑移问题，如图1所示为简化的变频渗流诱发断层滑移力学模型的示意图。渗流弱化了断层节理面的剪切强度，节理面的剪切过程时刻改变渗流的流路，进而影响渗流的流态以及溶质的运移，两者的相互作用使岩石节理面剪切强度的判定和节理裂隙中流体的流动变得尤为复杂。若能通过试验将变频渗流扰动下岩石节理面的剪切滑移特性和节理内流体的流动之间的关系、岩石节理面滑移过程如何影响流体流动、以及流体流动如何降低节理面剪切强度的问题研究清楚，将对实际的地热开采具有重要的指导意义。而现有的单纯的岩石节理面常法向力或常法向刚度作用下的剪切测试、动力扰动下的剪切测试、节理裂隙渗流测试和常法向力作用下的剪切-渗流测试等试验方法，由于考虑的影响因素较少（例如在试验中没有模拟并考虑岩石温度变化、节理面粗糙度以及变频渗流等对岩石节理面滑移的影响），因而无法准确地模拟地热开采过程中岩石节理面滑移的力学行为并提供准确的试验数据，所以很难准确解释上述问题，也无法准确地测定剪切渗流对岩石节理面的影响。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提出一种基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置及试验方法，旨在准确地模拟地热开采过程中岩石节理面滑移的力学行为并提供准确的试验参数。为实现上述目的，本专利技术提出一种基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置，包括：上剪切箱，所述上剪切箱内部限定有上下两端敞开的第一容纳腔；下剪切箱，所述下剪切箱内部限定有上端敞开的第二容纳腔，下剪切箱的上端与上剪切箱的下端活动对接，且下剪切箱可相对上剪切箱在剪切方向上移动，所述第一腔室和第二腔室围成用于容纳于岩石试样的空间，岩石试样四周密封包覆固定有橡胶皮套，岩石试样节理面的边缘与上剪切箱和下剪切箱的接触面平齐；法向加载装置，用于对岩石试样的顶面施加静态或者动态的法向力；剪切加载装置，用于在剪切方向对下剪切箱施加相对上剪切箱运动或者运动趋势的剪切力；温度调节装置，用于调节岩石试样的温度；变频渗流加载装置，用于将水从橡胶皮套位于剪切方向的一侧对应岩石试样节理面的位置注入，并流经岩石试样节理面后，从橡胶皮套位于剪切方向的另一侧对应岩石试样节理面的位置流出；第一温度传感器、第一水压传感器和第一流量传感器，分别用于检测即将流入橡胶皮套的水的温度、水压和流量数据；第二温度传感器、第二水压传感器和第二流量传感器，分别用于检测水流出橡胶皮套时的温度、水压和流量数据；位移传感器，用于监测岩石试样节理面的滑移位移数据；以及数据采集系统，用于采集并记录第一温度传感器、第一水压传感器、第一流量传感器、第二温度传感器、第二水压传感器、第二流量传感器和位移传感器检测到的数据。本专利技术还提出一种基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验方法，包括步骤：S1、制备岩石试样并对岩石试样的节理面进行三维扫描；S2、进行试样和试验装置的安装；S3、根据试验需求，通过温度调节装置将岩石试样的温度调节至所需大小；S4、采用单一变量法，通过法向加载装置对岩石试样顶面的施加压力、通过剪切加载装置对下剪切箱施加剪切力、通过变频渗流加载装置注水；S5、通过数据采集系统采集并记录第一温度传感器、第一水压传感器、第一流量传感器、第二温度传感器、第二水压传感器、第二流量传感器和位移传感器分别检测到的数据。本专利技术技术方案将岩石试样以节理面边缘与上剪切箱和下剪切箱的接触面平齐的方式装于上剪切箱和下剪切箱内部所形成的空间内。试验过程中，通过温度调节装置调节岩石试样的温度以模拟地热开采过程中断层（即岩石断层）的温度；通过法向加载装置对岩石试样的顶面施加静态或者动态的法向力，以模拟地热开采过程中断层所承受的静态或者动态的法向力；通过剪切加载装置在剪切方向对下剪切箱施加相对上剪切箱运动或者运动趋势的剪切力，以模拟地热开采过程中断层所承受的剪切力；通过变频渗流加载装置将水从橡胶皮套位于剪切方向的一侧对应岩石试样节理面的位置注入，并流经岩石试样节理面后，从橡胶皮套位于剪切方向的另一侧对应岩石试样节理面的位置流出，以模拟地热开采时对断层节理面的注水过程。从而能够准确地模拟地热开采过程中岩石节理面滑移的力学行为；同时，通过第一温度传感器、第一水压传感器和第一流量传感器分别检测即将流入橡胶皮套的水的温度、水压和流量数据；通过第二温度传感器、第二水压传感器和第二流量传感器分别检测水流出橡胶皮套时的温度、水压和流量数据；通过位移传感器检测岩石试样节理面的滑移位移数据，以提供准确、全面的试验数据。进而有利于将变频渗流扰动下岩石节理面的剪切滑移特性和节理内流体的流动之间的关系、岩石节理面滑移过程如何影响流体流动、以及流体流动如何降低节理面剪切强度的问题研究清楚。附图说明图1为简化的变频渗流诱发断层滑移力学模型的示意图；图2为本专利技术试验装置的示意图；图3为上剪切箱、下剪切箱和压板的分解示意图；图4为上剪切箱、下剪切箱和压板的配合示意图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明，若本专利技术实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，若本专利技术实施例中有涉及“第一”或者“第二”等的描述，则该“第一”或者“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置，其特征在于，包括：/n上剪切箱，所述上剪切箱内部限定有上下两端敞开的第一容纳腔；/n下剪切箱，所述下剪切箱内部限定有上端敞开的第二容纳腔，下剪切箱的上端与上剪切箱的下端活动对接，且下剪切箱可相对上剪切箱在剪切方向上移动，所述第一腔室和第二腔室围成用于容纳于岩石试样的空间，岩石试样四周密封包覆固定有橡胶皮套，岩石试样节理面的边缘与上剪切箱和下剪切箱的接触面平齐；/n法向加载装置，用于对岩石试样的顶面施加静态或者动态的法向力；/n剪切加载装置，用于在剪切方向对下剪切箱施加相对上剪切箱运动或者运动趋势的剪切力；/n温度调节装置，用于调节岩石试样的温度；/n变频渗流加载装置，用于将水从橡胶皮套位于剪切方向的一侧对应岩石试样节理面的位置注入，并流经岩石试样节理面后，从橡胶皮套位于剪切方向的另一侧对应岩石试样节理面的位置流出；/n第一温度传感器、第一水压传感器和第一流量传感器，分别用于检测即将流入橡胶皮套的水的温度、水压和流量数据；/n第二温度传感器、第二水压传感器和第二流量传感器，分别用于检测水流出橡胶皮套时的温度、水压和流量数据；/n位移传感器，用于监测岩石试样节理面的滑移位移数据；以及/n数据采集系统，用于采集并记录第一温度传感器、第一水压传感器、第一流量传感器、第二温度传感器、第二水压传感器、第二流量传感器和位移传感器检测到的数据。/n...

【技术特征摘要】
1.基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置，其特征在于，包括：
上剪切箱，所述上剪切箱内部限定有上下两端敞开的第一容纳腔；
下剪切箱，所述下剪切箱内部限定有上端敞开的第二容纳腔，下剪切箱的上端与上剪切箱的下端活动对接，且下剪切箱可相对上剪切箱在剪切方向上移动，所述第一腔室和第二腔室围成用于容纳于岩石试样的空间，岩石试样四周密封包覆固定有橡胶皮套，岩石试样节理面的边缘与上剪切箱和下剪切箱的接触面平齐；
法向加载装置，用于对岩石试样的顶面施加静态或者动态的法向力；
剪切加载装置，用于在剪切方向对下剪切箱施加相对上剪切箱运动或者运动趋势的剪切力；
温度调节装置，用于调节岩石试样的温度；
变频渗流加载装置，用于将水从橡胶皮套位于剪切方向的一侧对应岩石试样节理面的位置注入，并流经岩石试样节理面后，从橡胶皮套位于剪切方向的另一侧对应岩石试样节理面的位置流出；
第一温度传感器、第一水压传感器和第一流量传感器，分别用于检测即将流入橡胶皮套的水的温度、水压和流量数据；
第二温度传感器、第二水压传感器和第二流量传感器，分别用于检测水流出橡胶皮套时的温度、水压和流量数据；
位移传感器，用于监测岩石试样节理面的滑移位移数据；以及
数据采集系统，用于采集并记录第一温度传感器、第一水压传感器、第一流量传感器、第二温度传感器、第二水压传感器、第二流量传感器和位移传感器检测到的数据。


2.如权利要求1所述的基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置，其特征在于：岩石试样顶面铺设压板，所述压板与上剪切箱的内围相适，并可沿上剪切箱法向运动，法向加载装置的驱动端与压板相抵，法向力的频率范围为0~40Hz，动态振幅为0~500kN。


3.如权利要求1所述的基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置，其特征在于：温度调节装置包括设于上剪切箱、下剪切箱和/或压板的内的加热电阻和冷却管路，加热电阻通电后通过上剪切箱、下剪切箱和/或压板将热量传递给岩石试样；使冷媒经冷却管路的入口流入并经出口流出，可通过上剪切箱、下剪切箱和/或压板将冷量传递给岩石试样。


4.如权利要求1所述的基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置，其特征在于：橡胶皮套在剪切方向一侧对应节理面的位置设有通连橡胶皮套的内部空间的进水口，橡胶皮套在剪切方向另一侧对应节理面的位置并与橡胶皮套的内...

【专利技术属性】
技术研发人员：党文刚，叶皆显，黄林冲，刘建坤，马建军，陈俊鹏，朱豪杰，杨清玥，罗哲楷，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44