一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统技术方案

本发明专利技术提供一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统，其特征在于：包括主应力加载器、主机框架、高温加热箱、试样夹具、工作平台、伺服高压泵和高压脉电机；所述试样夹具用于夹持岩石试样；所述高温加热箱设置在主机框架内部，用于对试样夹具内岩石试样的高温加载与保温；所述主应力加载器通过测力组件和压头组件对试样夹具内岩石试样提供真三向应力；所述试样夹具由压板组装而成，所述压板包括用于联合致裂、地热注采的常规压板，以及用于渗流模拟试验的渗流压板；所述试验系统的工作平台下设有伺服高压泵和高压脉电机。本发明专利技术为高温真三向下岩石联合致裂、地热注采和岩石试样各向异性渗流特性提供了新的试验与研究手段。手段。手段。

【技术实现步骤摘要】
一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统


[0001]本专利技术属于岩石力学与工程
，特别是涉及一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统。

技术介绍

[0002]近年来，地热资源作为一种储量巨大的清洁可再生能源受到了各国的广泛关注。而干热岩作为高温地热资源的代表，从上世纪70年代就开始被尝试进行开发并用以发电。干热岩的开发一般是通过钻井在深部储层进行水力压裂，形成裂隙网络。然后进行注采，通过流体流动进行热量提取。因此，干热岩开发涉及到水力压裂，注水采热与渗流过程。
[0003]然而在目前全世界范围内的干热岩开发中，均存在水力压裂效率低，压裂裂缝难以定向生成的问题。并在且在干热岩开采研究中，目前就局限数值模拟手段，缺少模拟真实高温高压环境下的裂隙热储注采的室内试验。在干热岩开发中，水力压裂试验有助于揭示裂缝起裂机制与规律。而模拟真实环境下的裂隙热储注采试验和渗流试验，有助于探究地热开采过程中的关键影响因素。
[0004]为此，一些单位研发了水力压裂设备，如重庆大学的“真三向状态下煤岩水压致裂试验方法(CN102735547 A)”,中国科学院武汉岩土力学研究所“一种可实现水压致裂试验的真三向压力装置(CN102621000A)”，重庆大学“一种真三向水力压裂试验装置和水力压裂试验方法(CN111257129 A)”。但是以上设备均是在中低温状态下(<150℃)对岩石试样进行单一的水力压裂。而传统的水力压裂效率低，难以控制方向。因此，现有设备与方法缺乏联合致裂的技术，难以满足工程和研究需要。关于地热开采研究目前局限于数值模拟，未见有关模拟真实环境下的裂隙热储注采试验与设备。而对于大型试样的三向渗流，目前已有技术存在密封困难，变形测量不准确的缺陷。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统，能够在高温高压真三向条件下中对岩石试样进行液氮冷冲击致裂、高压脉冲致裂及水力压裂的联合致裂试验。并可通过压裂后的岩石试样或预制裂隙相似材料试样进行真实环境下的地热注采试验。同时，依据本专利技术及其变形，还可对大型岩石试样进行三向渗流试验。为高温高压真三向下岩石定向起裂机理与规律的探究提供一种研究手段，并为地热注采研究和岩石渗流各向异性研究提供了新的试验方法，弥补了数值模拟研究的不足。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统，包括主应力加载器、主机框架、高温加热箱、试样夹具、工作平台、伺服高压泵和高压脉电机；所述试样夹具用于夹持岩石试样；所述高温加热箱设置在主机框架内部，用于对试样夹具内岩石试样的高温加载与保温；所述主应力加载器通过测力组件和压头组件对试样夹具内岩石试样提供真三向应力；所述试样夹具由压板组装而成，所述压
板包括用于联合致裂、地热注采的常规压板，以及用于渗流模拟试验的渗流压板，所述试验系统的工作平台下设有伺服高压泵和高压脉电机，所述伺服高压泵和高压脉冲电机用以对岩石试样进行联合致裂试验时提供高压水、液氮和高压脉冲电流。
[0007]进一步地，所述主应力加载器由σ1方向加载器、σ2方向加载器、σ3方向加载器组成；所述σ1方向加载器包括第一σ1方向加载器、第二σ1方向加载器，二者呈水平对称布置，分别固装在主机框架左右两侧；所述σ2方向加载器包括第一σ2方向加载器、第二σ2方向加载器，二者呈水平布置，其中第一σ2方向加载器可拆卸的设置在主机框架正前方，所述第二σ2方向加载器固装在主机框架正后方；所述σ3方向加载器包括第一σ3方向加载器、第二σ3方向加载器，其中第一σ3方向加载器固装在主机框架上方，而第二σ3方向加载器通过加载器反力架和横向刚性板固装在试验系统的内下部。
[0008]进一步地，所述试验系统的工作平台上设有导轨，所述第一σ2方向加载器下部设置滑轮，第一σ2方向加载器拆卸后可通过电机驱动第一σ2方向加载器沿工作平面的导轨移动，所述试验系统还包括设置在工作平台一侧的试样起重机，所述试样起重机可通过导轨移动，在试验前后通过机械臂可将岩石试样从高温加热箱内取出或送入高温加热箱内，所述导轨末端设置有限位块。
[0009]进一步地，所述高温加热箱固装在主机框架形成的试验系统加载仓内部，该高温加热箱包括加热箱前箱板以及加热箱主箱体，所述加热箱主箱体为上下左右后方五块箱板固装而成，所述加热箱前箱板通过扣锁与加热箱主箱体进行封装，所述高温加热箱上下左右前后六块箱板上均设置有矩形通口，用以压头组件的穿入；所述高温加热箱箱体上设有穿过加热箱箱体的声发射探头，所述高温加热箱外侧设有冷却环管，用于高温加热箱外部结构的降温保护。
[0010]进一步地，所述压头组件的压块上设有耐高温的环形橡胶套，所述压头组件的压头中用于连接伺服高压泵和高压脉冲电机的上压头内部设置有多个“L”型管道埋设孔，所述管道埋设孔分别用于埋设高压水/液氮管，注、出水管，以及高压脉冲电极接口，所述高压水/液氮管、注水管和出水管在竖直方向为螺旋形设置，具有压缩回弹能力。
[0011]进一步地，所述试样夹具的压板包括σ3方向上压板、σ3方向下压板、σ1方向左压板、σ1方向右压板、σ2方向前压板、σ2方向后压板；所述σ1方向左/右压板内设置有σ2方向LVDT传感器通孔，σ2方向前/后压板内设置有σ1方向LVDT传感器通孔，σ3方向上压板设置有封隔器通孔用以封隔器与高压脉冲电极线路的穿出，σ3方向下压板中心设置定位插销孔。
[0012]进一步地，所述σ3方向上压板和σ3方向下压板为双层阶梯形状，其接触岩石试样的内表面和接触压头的外表面均为矩形，中间层面为同心矩形的阶梯面，中间层面包括中间平面以及用于中间平面与内表面过渡连接的圆弧曲面；所述σ3方向上压板和σ3方向下压板内表面的长度和宽度均分别小于岩石试样长度和宽度10mm；所述σ3方向上压板和σ3方向下压板接触压头的外表面的长度＝岩石试样长度+σ1方向左压板全厚+σ1方向右压板全厚，其宽度＝岩石试样宽度+σ2方向前压板全厚+σ2方向后压板全厚；
[0013]所述σ2方向前压板和σ2方向后压板接触岩石试样的内表面为矩形，其内表面的长度和宽度均分别小于岩石试样长度和高度10mm，所述σ2方向前压板和σ2方向后压板接触压头的外表面为矩形，其长度小于岩石试样长度10mm，其高度＝岩石试样高度+σ3方向上压板全厚+σ3方向下压板全厚
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σ3方向上压板3101矩形侧面厚
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σ3方向下压板3102矩形侧面厚
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10mm；所述σ2方向前压板和σ2方向后压板在上下侧面留有宽度d的矩形平面，压板内表面与上下侧面通过圆弧曲面过渡连接；
[0014]所述σ1方向左压板和σ1方向右压板形状、设置方式与σ2方向前压板和σ2方向后压板设置相同，压板长度为小于岩石试样宽度10mm。
[0015]进一步地，所述σ1方向左压板、σ1方向右压板、σ2方向前压板和σ2方向后压板的侧面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统，其特征在于：包括主应力加载器、主机框架、高温加热箱、试样夹具、工作平台、伺服高压泵和高压脉电机；所述试样夹具用于夹持岩石试样；所述高温加热箱设置在主机框架内部，用于对试样夹具内岩石试样的高温加载与保温；所述主应力加载器通过测力组件和压头组件对试样夹具内岩石试样提供真三向应力；所述试样夹具由压板组装而成，所述压板包括用于联合致裂、地热注采的常规压板，以及用于渗流模拟试验的渗流压板；所述试验系统的工作平台下设有伺服高压泵和高压脉电机，所述伺服高压泵和高压脉冲电机用以对岩石试样进行联合致裂试验时提供高压水、液氮和高压脉冲电流。2.根据权利要求1所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统，其特征在于：所述主应力加载器由σ1方向加载器、σ2方向加载器、σ3方向加载器组成；所述σ1方向加载器包括第一σ1方向加载器、第二σ1方向加载器，二者呈水平对称布置，分别固装在主机框架左右两侧；所述σ2方向加载器包括第一σ2方向加载器、第二σ2方向加载器，二者呈水平布置，其中第一σ2方向加载器可拆卸的设置在主机框架正前方，所述第二σ2方向加载器固装在主机框架正后方；所述σ3方向加载器包括第一σ3方向加载器、第二σ3方向加载器，其中第一σ3方向加载器固装在主机框架上方，而第二σ3方向加载器通过加载器反力架和横向刚性板固装在试验系统的内下部。3.根据权利要求2所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统，其特征在于：所述试验系统的工作平台上设有导轨，所述第一σ2方向加载器下部设置滑轮，第一σ2方向加载器拆卸后可通过电机驱动第一σ2方向加载器沿工作平面的导轨移动，所述试验系统还包括设置在工作平台一侧的试样起重机，所述试样起重机可通过导轨移动，在试验前后通过机械臂可将岩石试样从高温加热箱内取出或送入高温加热箱内，所述导轨末端设置有限位块；所述高温加热箱固装在主机框架形成的试验系统加载仓内部，该高温加热箱包括加热箱前箱板以及加热箱主箱体，所述加热箱主箱体为上下左右后方五块箱板固装而成，所述加热箱前箱板通过扣锁与加热箱主箱体进行封装，所述高温加热箱上下左右前后六块箱板上均设置有矩形通口，用以压头组件的穿入；所述高温加热箱箱体上设有穿过加热箱箱体的声发射探头，所述高温加热箱外侧设有冷却环管，用于高温加热箱外部结构的降温保护。4.根据权利要求1所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统，其特征在于：所述压头组件的压块上设有耐高温的环形橡胶套，所述压头组件的压头中用于连接伺服高压泵和高压脉冲电机的上压头内部设置有多个“L”型管道埋设孔，所述管道埋设孔分别用于埋设高压水/液氮管，注、出水管，以及高压脉冲电极接口，所述高压水/液氮管、注水管和出水管在竖直方向为螺旋形设置，具有压缩回弹能力。5.根据权利要求1所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统，其特征在于：所述试样夹具的压板包括σ3方向上压板、σ3方向下压板、σ1方向左压板、σ1方向右压板、σ2方向前压板、σ2方向后压板；所述σ1方向左/右压板内设置有σ2方向LVDT传感器通孔，σ2方向前/后压板内设置有σ1方向LVDT传感器通孔，σ3方向上压板设置有封隔器通孔用以封隔器与高压脉冲电极线路的穿出，σ3方向下压板中心设置定位插销孔。6.根据权利要求5所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验系统，其特征在于：所述σ3方向上压板和σ3方向下压板...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘造保，王凯旋，冯涛，朱宝全，王川，吴名，徐建宇，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：