多场加载下高/低温岩体强化传热与动力扰动试验方法技术

本发明专利技术公开了一种多场加载下高/低温岩体强化传热与动力扰动试验方法，其主要是利用加热模块对干热岩加热成为高温岩体，对高温岩体注入低温流体，高温岩体受低温诱导热应力以及注入流体相态变化的作用孔隙结构发生变化；利用制冷模块对天然气水合物制冷获得低温天然气水合物，然后对低温天然气水合物注入高温流体，注热过程冷岩体受热膨胀，水合物升温分解导致孔隙结构变化，在此实现储层增产过程中多场作用对岩体的强化传热及动力扰动分析测试。解决了热源与冷源以及力学条件的低干扰加载问题，建立了多物理场加载下温度场/化学场

【技术实现步骤摘要】
多场加载下高/低温岩体强化传热与动力扰动试验方法


[0001]本专利技术涉及非常规地质能源中受温度、应力以及化学反应加载条件的储层改造过程，特别涉及一种用于多物理场加载条件下高/低温岩体强化传热与动力扰动测试的试验方法。

技术介绍

[0002]受能源结构优化的影响，地热能、天然气水合物等非常规地质能源越来越受到关注。干热岩储层虽具有丰富的地热资源，但埋深大与低孔低渗使得其高温热能难以提取至地面。已有研究表明，向高温岩石中注入低温流体可促进干热岩的缝网形成，进而提升后续增强型地热系统开发效果。类似的，天然气水合物储层具有低温高压特征，若要加速天然气开采速度通常需采用注热或降压方法。可见，干热岩与天然气水合物储层均涉及温度促进下的储层增产改造。
[0003]现阶段针对干热岩与天然气水合物的储层增产改造措施大多关注于一系列增产措施下岩石的损伤裂隙分布(包括热应力致裂或水力压裂导致的裂缝)。却很少关注裂缝破坏前岩石的换热规律以及动力响应规律。
[0004]然而高低温岩体在温度促进下的储层增产过程中，多物理场的加载(例如：向干热岩注冷过程中低温流体受热发生相变，岩体受低温诱导热致裂作用孔隙结构发生变化；向低温天然气水合物注热过程中岩体受热膨胀，水合物升温分解导致孔隙结构变化)对岩体的换热与动力扰动直接影响着岩体损伤致裂。看来，要想通过温度促进非常规岩体(具体讲就是高或低温岩体)的储层增产，明确高低温岩石的高效改造方案与致裂机理，就需要首先探索多物理场作用下高低温岩体的换热与动力扰动规律。目前对于多物理场加载下高低温岩石强化换热与动力扰动的研究鲜有报道。
[0005]此外，现有技术缺少对热源与冷源以及力学条件的低干扰加载，也无法有效建立多物理场加载下温度场/化学场(相变)
→
应力场
→
损伤场间的联系。

技术实现思路

[0006]为了探索多物理场作用下高低温岩体的换热与动力扰动规律，为制定高低温岩石的高效改造方案以及明确致裂机理提供依据，本专利技术提出一种多场加载下高/低温岩体强化传热与动力扰动试验方法，建立了多物理场加载下温度场/ 化学场(相变)
→
应力场
→
损伤场间的联系，解决了高温、低温及力学低干扰加载的技术问题，实现了相变、热应力、化学反应及孔隙结构变化对岩体强化换热与动力扰动测试分析的技术效果。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0008]一种多场加载下高/低温岩体强化传热与动力扰动试验方法，其特征在于，它包括高温岩体强化传热与动力扰动测试和低温岩体强化传热与动力扰动测试两种试验方法；其中：
[0009]所述的高温岩体强化传热与动力扰动测试试验方法如下：
[0010]第一步：获取待试验岩样的物理力学参数
[0011]1.1:切割多个圆柱体岩样(比如花岗岩)，分为两组，一组用来确定岩石的基本物性参数，一组作为待试验岩样；
[0012]1.2:通过单轴压缩、三轴压缩、渗透率测试等试验确定岩石的基本物性参数，包括：渗透率、孔隙度、导热系数、抗拉抗压强度、杨氏模量、泊松比等；
[0013]1.3:对待试验岩样端面进行钻孔处理，为控制注入流体的注入位置以及换热面积固定试验岩样的钻孔直径和深度，并对钻孔后待试验岩样开展CT扫描，获得岩石的成像与孔隙度分布结果；
[0014]第二步：试验装置模块的制作
[0015]所述的试验装置模块包括岩样加热模块和低温流体注入模块，其中：所述岩样加热模块从上到下依次由上金属板、保温材料、加热片和下金属板叠加而成；所述的低温流体注入模块包括保温壳体和低温流体注入管道，低温流体注入管道穿过保温壳体从保温壳体上部露出后伸入岩样的钻孔中并采取耐压密封措施；
[0016]第三步：试验准备
[0017]3.1:依次将岩样加热模块、待试验岩样和低温流体注入模块从上至下叠加安装在单轴压缩试验仪的上下压头之间，岩样加热模块和低温流体注入模块由单轴压缩试验仪在垂向上提供压力；
[0018]3.2：将热成像仪放置在岩样一侧；将应力应变片贴在待试验岩样岩石表面不同位置处，并与应力应变仪连接；
[0019]3.3：设定岩样加热模块的加热温度，选择低温注入流体(水、液态CO2、液态N2)，并设定低温流体温度，打开轴向压力控制单元，设定加载轴压σ
V
；
[0020]3.4：利用保温板扣在组装后的加热模块、待试验岩样和低温流体注入模块上，实现三者组合体与外界隔热；
[0021]第四步：开展高温岩石(也叫干热岩)注冷过程强化传热与动力扰动测试
[0022]4:1：利用岩样加热模块对待试验岩样进行加热，通过热像仪观察岩体表面温度至均匀分布后，向待试验岩样钻孔中注入低温流体；
[0023]由于在低温流体注入过程中涉及多物理场对岩石的力学扰动作用，所述多物理场包括：低温注入流体与高温岩石温差导致的热应力、低温流体在高温作用下的相态变化以及低温流体与高温岩石长期作用下的化学反应，因此在注入低温流体过程中，需要：
[0024]通过在岩样表面上布置的应力应变片记录不同时刻不同位置处岩体的力学扰动情况，结合岩样表面不同位置处的应力演化，分析低温注入流体在干热岩内运移过程中导致的动力扰动规律；通过放置的热成像仪记录不同时刻岩样表面温度场的分布，结合岩石表面不同位置处温度场的分布与演化，分析注冷过程中低温流体相变及岩体孔隙结构变化对强化传热的影响规律；
[0025]第五步：开展高温岩石(干热岩)注冷后的损伤测试
[0026]在对高温干热岩结束注冷过程强化传热与动力扰动测试后，从测试装置中取下岩样后开展CT扫描，获得增渗改造后的成像与孔隙度分布结果，并与第一步中获得的CT扫描结果进行对比，分析干热岩注冷后裂隙与孔隙的分布规律；
[0027]第六步：更换待试验岩样，分别改变轴向压力、岩石温度、注入流体类型、注入流体
温度、注入流速、岩石类型，重复上述步骤二至五，从而获得不同轴压条件、岩石温度、注入流体、注入温度、注入流速以及岩石类型注冷增产过程中岩体强化传热、应力应变规律及裂隙孔隙分布规律。
[0028]进一步：为了实现岩样加热模块各组件的紧密配合，所述岩样加热模块的上金属板、保温材料、加热片和下金属板通过插接方式叠加成一体。具体讲，就是在金属板、保温材料、加热片上均设有插孔，在下金属板上表面设有与插孔对应的插条，下金属板的插条依次穿过加热片、保温材料、上金属板将各组件叠加在一起。
[0029]进一步：为了防止实验过程中，加热模块、待试验岩样和低温流体注入模块发生错位，所述的岩样加热模块的上金属板上表面设成U型模式，所述的低温流体注入模块的底部设成倒U型模式。
[0030]进一步：低温流体的类型包括水、液态CO2或液态N2，注入温度选择
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80℃、
ꢀ‑
40℃、
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20℃、0℃或20℃)、注入流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多场加载下高温岩体强化传热与动力扰动试验方法，其特征在于，所述的高温岩体强化传热与动力扰动测试试验方法如下：第一步：获取待试验岩样的物理力学参数1.1:切割多个圆柱体岩样，分为两组，一组用来确定岩石的基本物性参数，一组作为待试验岩样；1.2:通过单轴压缩、三轴压缩和渗透率测试确定岩石的基本物性参数；1.3:对待试验岩样端面进行钻孔处理，所有岩样的直径和深度都是相同的，并对钻孔后待试验岩样开展CT扫描，获得岩石的成像与孔隙度分布结果；第二步：试验装置模块的制作所述的试验装置模块包括岩样加热模块和低温流体注入模块，其中：所述岩样加热模块从上到下依次由上金属板、保温材料、加热片和下金属板叠加而成；所述的低温流体注入模块包括保温壳体和低温流体注入管道，低温流体注入管道穿过保温壳体从保温壳体上部露出后伸入岩样的钻孔中并采取耐压密封措施；第三步：试验准备3.1:依次将岩样加热模块、待试验岩样和低温流体注入模块从上至下叠加安装在单轴压缩试验仪的上下压头之间，岩样加热模块和低温流体注入模块由单轴压缩试验仪在垂向上提供压力；3.2：将热成像仪放置在岩样一侧；将应力应变片贴在待试验岩样岩石表面不同位置处，并与应力应变仪连接；3.3：设定岩样加热模块的加热温度，选择低温注入流体，并设定低温流体温度，打开轴向压力控制单元，设定加载轴压；3.4：利用保温板扣在组装后的加热模块、待试验岩样和低温流体注入模块上，实现三者组合体与外界隔热；第四步：开展高温岩石注冷过程强化传热与动力扰动测试4:1：利用岩样加热模块对待试验岩样进行加热，通过热像仪观察岩体表面温度至均匀分布后，向待试验岩样钻孔中注入低温流体；通过在岩样表面上布置的应力应变片记录不同时刻不同位置处岩体的力学扰动情况，结合岩样表面不同位置处的应力演化，分析低温注入流体在干热岩内运移过程中导致的动力扰动规律；通过放置的热成像仪记录不同时刻岩样表面温度场的分布，结合岩石表面不同位置处温度场的分布与演化，分析注冷过程中低温流体相变及岩体孔隙结构变化对强化传热的影响规律；第五步：开展高温岩石注冷后的损伤测试在对高温干热岩结束注冷过程强化传热与动力扰动测试后，从测试装置中取下岩样后开展CT扫描，获得增渗改造后的成像与孔隙度分布结果，并与第一步中获得的CT扫描结果进行对比，分析干热岩注冷后裂隙与孔隙的分布规律；第六步：更换待试验岩样，分别改变轴向压力、岩石温度、注入流体类型、注入流体温度、注入流速、岩石类型，重复上述步骤二至五，从而获得不同轴压条件、岩石温度、注入流体、注入温度、注入流速以及岩石类型注冷增产过程中岩体强化传热、应力应变规律及裂隙孔隙分布规律。
2.如权利要求1所述的多场加载下高温岩体强化传热与动力扰动试验方法，其特征在于，所述岩样加热模块的上金属板、保温材料、加热片和下金属板通过插接方式叠加成一体。3.如权利要求2所述的多场加载下高温岩体强化传热与动力扰动试验方法，其特征在于，在金属板、保温材料、加热片上均设有插孔，在下金属板上表面设有与插孔对应的插条，下金属板的插条依次穿过加热片、保温材料、上金属板将各组件叠加在一起。4.如权利要求1所述的多场加载下高温岩体强化传热与动力扰动试验方法，其特征在于，所述的岩样加热模块的上金属板上表面设成U型模式，所述的低温流体注入模块的底部设成倒U型模式。5.如权利要求1
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4任一所述的多场...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，王春光，王增林，李景营，李凤名，曲占庆，林学增，王平平，王东，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：