CN107859484B - 模拟热力射流破岩的实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟热力射流破岩的实验系统及方法，该实验系统包括：包括：注入系统、模型系统、测量系统和控制器；其中，模型系统包括：具有相对的上盖和下盖的地层模拟釜、穿设在上盖上的燃烧喷射机构和通过下盖与地层模拟釜连通的泄压机构；其中，燃烧喷射机构设置有反应腔与反应腔连通的喷嘴，反应腔连通有点火设备；注入系统包括：增压机构，氧化剂供应机构和燃料供应机构；测量系统包括：压力传感器和温度传感器，压力传感器和温度传感器与控制器电性连接。本发明针对热力射流钻井技术，提供相配套的模拟热力射流破岩的实验系统及方法。

Description

模拟热力射流破岩的实验系统及方法

技术领域

本发明涉及能源开采技术领域，特别涉及一种模拟热力射流破岩的实验系统及方法。

背景技术

由于世界经济的发展需要，石油资源的需求量逐渐增大，石油与天然气资源仍然在我国能源战略中占据重要地位。此外，地热能作为一种储量丰富的清洁能源，可用于发电、取暖、辅助采油等。我国地热资源丰富，但目前主要开发中浅层地热资源，深部地热资源亟待开发。但是深部地层岩石的硬度高，可钻性差，并且随着井深的增加，钻井机械能和水力能沿程损失大，能量的有效利用率低。因此，亟需开发一种适合深层硬地层的高效钻井新技术，以实现油气和地热资源的可持续发展。

目前，一种常见的钻井技术为水射流钻井技术，其工作原理是：利用高压水射流冲击岩石，使岩石裂解破碎。但是，对于例如花岗岩等需要较高冲击力破碎的硬地层，水射流钻井技术的破岩效果并不理想。

另外一种钻井技术为岩石热裂解钻井技术，其工资原理是：通过高温介质作用使岩石内部产生非均匀膨胀应力，使岩石破碎。但是在深井钻进中，通常需要钻遇不同性质的岩层，如果某一地层存在难以裂解的岩石，热裂解钻井效率将大大降低。

此外，另一种钻井技术为热力射流钻井技术，该技术结合了高压水射流钻井和热裂解钻井技术的优势，能够很好地解决深井硬地层破岩效率低，井底能量不足等关键问题。工作时，通过高压射流冲击井底岩石的同时，利用热裂解效应高效破碎岩石，提高钻进效率。另外，该热力射流钻井技术配合使用连续油管钻井技术，无需更换钻头，大大节省了起下钻的时间，降低了管柱的磨损。同时，热力射流破岩的能量利用率高，在深井硬地层中的采用非接触式破岩有望提高钻井速度。

综上，对热力射流技术的研究具有重要意义，但是目前热力射流技术只停留在理论阶段，还没有可以用于研究热力射流的实验系统，使其真正得以应用。

因此，非常有必要以高压水射流和热裂解技术为基础，为进一步研究热力射流钻井的可行性，设计一套新型模拟热力射流破岩的实验系统及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟热力射流破岩的实验系统及方法，能够针对热力射流钻井技术，提供相配套的模拟实验系统及方法，以利于进一步研究热力射流钻井的可行性。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种模拟热力射流破岩的实验系统，其包括：

包括：注入系统、模型系统、测量系统和控制器；其中，

所述模型系统包括：具有相对的上盖和下盖的地层模拟釜、穿设在所述上盖上的燃烧喷射机构和通过所述下盖与所述地层模拟釜连通的泄压机构；其中，所述地层模拟釜内用于容纳岩样，所述燃烧喷射机构设置有反应腔，以及与所述反应腔连通且与所述岩样相正对的喷嘴，所述反应腔连通有点火设备；

所述注入系统包括：能对所述地层模拟釜进行增压的增压机构，能向所述反应腔供入氧化剂的氧化剂供应机构和能向所述反应腔供入燃料的燃料供应机构；

所述测量系统包括：用于分别测量所述喷嘴附近的压力信号和温度信号的压力传感器和温度传感器，所述压力传感器和温度传感器与所述控制器电性连接。

在一个优选的实施方式中，所述增压机构包括：通过管路连通的燃料气瓶、燃料气体增压泵、第一缓冲罐、第一流量计；

所述氧化剂供应机构包括：通过管路连通的氧化剂气瓶、氧化剂气体增压泵、第二缓冲罐、第二流量计；

所述燃料供应机构包括：管路连通的氮气瓶、氮气增压泵、第三缓冲罐。

在一个优选的实施方式中，所述地层模拟釜包括：通过可拆卸连接的上盖、釜体和下盖，所述上盖中设置有用于穿设所述喷嘴的接口，所述喷嘴与所述上盖之间通过可拆卸连接的方式配合。

在一个优选的实施方式中，所述釜体的内部设置有冷却机构，所述冷却机构为围绕釜体内壁盘绕的冷水盘管，所述冷水盘管具有循环冷水进口和循环冷水出口，在所述釜体上可以设置有用于设置所述循环冷水进口的第一开口和用于设置所述循环冷水出口的第二开口。

在一个优选的实施方式中，在所述釜体上开设有可视窗口，所述可视窗口上的介质为蓝宝石玻璃，所述可视窗口的顶端高度和所述喷嘴齐平。

在一个优选的实施方式中，所述地层模拟釜内设置有岩样定位装置，其包括：底盘和固定在所述底盘上的夹持部，所述底盘的底部设置有能带动所述岩样定位装置移动的升降机构。

在一个优选的实施方式中，所述泄压机构包括：压力泄出机构和流体泄出机构，其中压力泄出机构包括：与所述模拟地层釜相连通的安全阀，所述流体泄出机构包括：与所述模拟地层釜依次连通的冷却器和背压阀。

在一个优选的实施方式中，所述测量系统还包括有用于设置所述压力传感器或温度传感器的测量盘，所述测量盘上设置有一个中心探头和至少一个外围探头，其中，所述中心探头与所述喷嘴相正对，所述外围探头分布在所述中心探头的外围。

一种模拟热力射流破岩的实验系统的实验方法，包括：

利用增压泵向缓冲罐内增压至第一预定压力以上；

向反应腔内注入氧化剂，启动点火设备，然后向所述反应腔内注入燃料，与所述氧化反应生成水和二氧化碳；

调节背压阀压力至第二预定压力以上，该第二预定压力小于所述第一预定压力；

向地层模拟釜内增压，使得所述水和二氧化碳均处于超临界态；

停止向所述地层模拟釜内进行增压，处于超临界态的水和二氧化碳从热力反应腔下部的喷嘴喷出，形成热力射流。

在一个优选的实施方式中，还包括：依次关闭燃料供应和氧化剂，对所述缓冲罐和地层模拟釜进行泄压。

本发明的特点和优点是：本发明所提出的模拟热力射流破岩的实验系统和方法，在高压水射流技术和热裂解技术的基础上，形成了高温高速的超临界射流。该系统利用点火设备点火，简单易操作，燃料和氧化剂无需预热至自燃温度，更符合实际钻井情况。通过控制器远程控制流量计开关等关键阀门，可操作性强并保证安全性。该系统可以模拟高温高压条件下的热力射流生成过程，燃料、氧化剂注入参数，环境压力等因素对热力射流性质及破岩效果的影响，客观真实地反映井下实际钻井情况。模拟热力射流破岩的实验系统和方法能够为低成本开发深部硬地层资源的新型钻井方法的研究提供基础。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

图1是本申请实施方式中一种模拟热力射流破岩的实验系统的结构示意图；

图2是本申请实施方式中一种模拟热力射流破岩的实验系统中测量盘的结构示意图；

图3是本申请实施方式中一种模拟热力射流破岩的实验系统岩样定位装置的结构示意图；

图4是本申请实施方式中一种模拟热力射流破岩的实验方法的步骤流程图。

附图标记说明：

1：燃料气瓶；2：增压泵；3：氮气瓶；4：缓冲罐；5：流量计；6：反应腔；7：点火设备；8：地层模拟釜；9：安全阀；10：冷却器；11：氧化剂气瓶；12：循环冷水进口；13：循环冷水出口；14：冷水盘管；15：背压阀；16：岩样；17：测量盘；18：中心探头；19：外围探头；20：岩样定位装置；21：底盘。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种模拟热力射流破岩的实验系统及方法，能够针对热力射流钻井技术，提供相配套的模拟实验系统及方法，以利于进一步研究热力射流钻井的可行性。具体的，本发明以研究热力射流生成、流场和破岩为目的而设计的一套模拟实验系统。研究在燃料、氧化剂注入参数、喷射距离、环境压力等因素对热力射流的影响规律，客观真实地模拟热力射流钻井过程中井下流场和冲蚀破岩等实际情况。

请参阅图1至图3，本申请实施方式中提供一种模拟热力射流破岩的实验系统，该模拟热力射流破岩的实验系统可以包括：注入系统、模型系统、测量系统和控制器；其中，所述模型系统包括：具有相对的上盖和下盖的地层模拟釜8、穿设在所述上盖上的燃烧喷射机构和通过所述下盖与所述地层模拟釜8连通的泄压机构；其中，所述地层模拟釜8内用于容纳岩样16，所述燃烧喷射机构设置有反应腔6，以及与所述反应腔6连通且与所述岩样16相正对的喷嘴，所述反应腔6连通有点火设备7；所述注入系统包括：能对所述地层模拟釜8进行增压的增压机构，能向所述反应腔6供入氧化剂的氧化剂供应机构和能向所述反应腔6供入燃料的燃料供应机构；所述测量系统包括：用于分别测量所述喷嘴附近的压力信号和温度信号的压力传感器和温度传感器，所述压力传感器和温度传感器与所述控制器电性连接。

在本实施方式中，该模拟实验系统主要包括：注入系统、模型系统、测量系统以及控制器等。

其中，模型系统是生成热力射流的核心模块，主要包括：地层模拟釜8、燃烧喷射机构和泄压机构。

其中，所述地层模拟釜8可以采用三段式连接，即上盖、下盖与釜体通过可拆卸连接。具体的，上盖与釜体之间可以通过法兰连接的方式固定，以保证连接位置的密封性和牢固性。进一步的，该法兰之间可以通过螺栓固定。下盖与釜体之间可以通过法兰连接的方式固定，以保证连接位置的密封性和牢固性。进一步的，该法兰之间可以通过卡箍连接，以便于后续进行拆卸和装配。

该地层模拟釜8可以采用不锈钢制作，可耐压50MPa，可承受最高温度1000℃。釜体内压力具体通过不易与其他其他发生化学反应的惰性气体或类似性质的气体进行增压。例如，可以采用氮气增压。在釜体上部设置有举升机构，用于提升釜体或者上盖。具体的，该举升机构可以为电动的螺杆举升机，举升时可以使用手动控制电机来提升釜体或者上盖。在釜体的内部设置有冷却机构，具体的，该冷却机构可以为冷水盘管14的形式，该冷水盘管14可以围绕釜体内壁盘绕，所述冷水盘管14具有循环冷水进口12和循环冷水出口13，在所述釜体上可以设置有用于设置所述循环冷水进口12的第一开口和用于设置所述循环冷水出口13的第二开口。使用时，冷水从循环冷水进口12进入流经冷水盘管14后吸收釜体内壁的热量后从冷水循环冷水出口13流出，从而降低釜体内壁的温度，防止地层模拟釜8内温度过高。

在一个实施方式中，为了观察釜体内的实验情况，可以在釜体上开设可视窗口。该可视窗口上的介质为透明度高且耐高温高压的材质，例如可以使用蓝宝石玻璃作为承压介质。具体的，该可视窗口的顶端高度可以和喷嘴的高度齐平，使得在外部可以使用摄像机监控釜体内的点火和破岩情况。所述可视窗口可以为一个，也可以为两个，具体的，本申请并部作具体的限定。该可视窗口的形状可以为长条形，当然还可以为其他形状，本申请在此并不作具体的限定。

在一个具体的实施方式中，该可视窗口的尺寸为：10mm(宽)×100mm(长)，耐温1000℃，耐压50MPa，分别分布在釜体两侧。具体的，该可视窗口的尺寸可以根据岩样16的尺寸作适应性地选择，具体的，本申请在此并不作具体的限定。

在本实施方式中，上盖上设置有用于安装喷嘴的接口，内部的喷嘴和上盖之间通过可拆卸方式连接。釜体上可以带有测温和测压接口，可以测量地层模拟釜8使用过程中的压力P、温度T。在本实施方式中，所有接口均可以采用金属硬密封，以保证密封位置的耐压性和可靠性。

在本实施方式中，在该地层模拟釜8内设置有岩样定位装置20。该岩样定位装置20用于夹持岩样16。为了防止岩样16在热力射流作用下出现跳动，可以将该岩样16夹持装置底部固定在地层模拟釜8的底面。

如图3所示，该岩样定位装置20可以包括底盘21和固定在该底盘21上的夹持部。该夹持部形成有一容纳腔用于和岩样16相匹配。具体的，当岩样16为正方体时，该容纳腔也可以呈正方形。所述夹持部可以通过焊接的方式固定在底盘21上。该底盘21的底部可以设置有升降机构，通过控制所述升降机构的控制电机，可以调节岩样16到喷嘴处的高度距离。进一步的，为了精确确定升降机构带动岩样16移动的距离，可以通过位移传感器获取位移信号，该位移传感器可以与控制器电性连接，其能够将获取的位移信号实时传给控制器。

具体使用时，岩样定位装置20的夹持部中放入加工的不同岩样16进行破岩效果研究。将岩样定位装置20的底盘21固定在地层模拟釜8的底面，防止岩样16在热力射流作用下出现跳动。在实验过程中，通过调节岩样定位装置20与反应腔6之间的距离，得到不同注入参数条件下热力射流对不同种类岩石的破岩效果。

在本实施方式中，燃烧喷射机构设置有反应腔6与所述反应腔6连通且与所述岩样16相正对的喷嘴。所述喷嘴位于所述反应腔6的下部。所述反应腔6连通有点火设备7。具体的，该点火设备7采用电子火花塞，把高压导线送来的脉冲高压电放电，击穿火花塞两电极间空气，产生电火花以此引燃反应腔6内的混合气体。当燃料和氧化剂在该反应腔6内反应后，通过控制地层模拟釜8内的压力，可以将反应后的产物处于超临界态后从喷嘴喷出。

泄压机构主要包括压力泄出机构和流体泄出机构。其中，可以通过设置与所述地层模拟釜8连通的安全阀9泄出地层模拟釜8中的压力。该安全阀9与控制器电性连通，并且可以在控制器内设定有安全压力，该安全压力的上限可以为50MPa。实验时，当地层模拟釜8内的压力达到该安全压力的上限时，控制器向安全阀9发送开启信号，所述安全阀9进行泄压。

该流体泄出机构主要用于将地层模拟釜8中实验产生的流体，包括气体和液体泄出。该流体泄出机构包括与地层模拟釜8连通的排出通道以及设置在该排出通道中的冷却器10和背压阀15。其中，所述冷却器10始终处于开启状态，用于降低地层模拟釜8的排出的流体的温度，防止高温流体直接通过排出通道向外排出，形成安全隐患。

背压阀15是一种设定开启压力小于安全阀9的一种阀门，其也是起到安全保护的作用，当压力达到设定开启压力时，进行泄压。此实验设备中，直接与缓冲罐4和地层模拟釜8连通的为安全阀9，压力超过50MPa泄压，起到安全防护的作用。在排出通道中的为背压阀15，在实验过程中设定压力值可以为23MPa、25MPa、30MPa等，但要低于50MPa。

注入系统按照单纯的部件分可以包括：注入增压泵2、高压调压阀、高压气动阀、储气罐、高压管阀件等。

注入系统按照实现功能的不同包括：能对所述地层模拟釜8进行增压的增压机构，能向所述反应腔6供入氧化剂的氧化剂供应机构和能向所述反应腔6供入燃料的燃料供应机构。

其中，燃料供应机构可以包括：通过管路连通的燃料气瓶1、燃料气体增压泵2、第一缓冲罐4、第一流量计5。其中，该燃料气瓶1中用于存储燃料气体。具体的，该燃料可以为甲烷。其中，燃料气体增压泵2使用高压空气作为驱动气源，其最高压力50MPa，最高流量84L/min，增压比为1:100。实验时，可以利用高压空气作为动力源，对于增压易燃易爆气体安全可靠。此外，所述燃料供应机构的管线上还可以设置有控制阀以及防倒流的单向阀等，以及与所述缓冲罐4连通的安全阀9，当缓冲罐4内压力达到安全设定压力时，该安全阀9打开进行泄压。

氧化剂供应机构可以包括：通过管路连通的氧化剂气瓶11、氧化剂气体增压泵2、第二缓冲罐4、第二流量计5。其中，该氧化剂气瓶11用于存储氧化剂气体，具体的，该氧化剂可以为氧气。此外，所述氧化剂供应机构的管线上还可以设置有控制阀以及防倒流的单向阀等，以及与所述缓冲罐4连通的安全阀9，当缓冲罐4内压力达到安全设定压力时，该安全阀9打开进行泄压。

增压机构可以包括：通过管路连通的氮气瓶3、氮气增压泵2、第三缓冲罐4等。此外，该增压机构的管线上还可以设置有控制阀以及防倒流的单向阀等。

其中，缓冲罐4的作用是在釜内点火实验前通过增压泵2泵入建立高压，至35MPa以上。燃料、氧化剂和氮气相同，都要提前建立初始压力，第一缓冲罐4、第二缓冲罐4、第三缓冲罐4可以为相同的结构，相同的级别。在每个缓冲罐4上可以安装有压力测量探头，通过数字表确定实时的压力值。当压力达到安全压力上限50MPa时，与缓冲罐4连通的安全阀9打开，进行泄压，保证系统安全。

测量系统包括：用于分别测量所述喷嘴附近的压力信号和温度信号的压力传感器和温度传感器。所述压力传感器和温度传感器与所述控制器电性连接。其中，所述压力传感器可以采用耐高温耐冲击的材料制成。

如图2所示，所述测试系统可以设置有用于设置所述压力传感器或温度传感器的测量盘17。该测量盘17既可以测量压力，通过更换传感器，还可以测量火焰热通量和温度分布，也可以更换探头测量压力。在一个具体的实施方式中，该测量盘17包括一个中心探头18和至少一个外围探头19。所述探头上可以设置有温度或压力传感器，或者所述探头也可以为具有感测温度或压力的探头，具体的本申请在此并不作具体的限定。其中，所述中心探头18与所述喷嘴相正对，所述外围探头19分布在所述中心探头18的外围。当所述测量盘17的探头沿着平面方向分布多个，且该测量盘17安装在底部能够升降的升降机构上时，可以实现测量距离喷嘴的轴向距离和径向距离。在实验过程中，调节测试盘与喷嘴之间的距离，得到不同注入参数条件下整个热力射流喷射面的温度和压力分布。后续可以从该温度和压力分布信息中选取出温度和压力进行后续热力射流破岩。

在一个具体的实施方式中，所述中间探头可以为一个，所述外围探头19的个数可以为4个。其中，探头的测试孔直径可以为1mm，测试盘的直径可以120mm，测试盘可承受温度为1000℃。所述温度传感器的温度测量量程为0～1500℃，测量误差≤1℃，可承受压力50MPa。由控制器设定、接收后保存。

在本实施方式中，所述控制器用于和压力传感器、温度传感器等电性连接，接收压力传感器和温度传感器采集的压力和温度数据，并进行实时保存。

此外，该实验系统还可以设置有实验配套组件，例如控制柜组成：总电源、燃料增压泵2电源、氧气增压泵2电源、冷却循环泵电源、所有流量显示仪表、所有检测压力显示仪表、所有检测温度显示仪表、热通量显示仪表、所有气体调节阀、电动升降电源、升降点动按钮、点火按钮、急停按钮等。

请结合参阅图1和图4，本申请基于上述一种模拟热力射流破岩的实验系统，还提供了一种试验方法，该方法可以包括如下步骤：

步骤S10：利用增压泵2向缓冲罐4内增压至第一预定压力以上；

步骤S12：向反应腔6内注入氧化剂，启动点火设备7，然后向所述反应腔6内注入燃料，与所述氧化反应生成水和二氧化碳；

步骤S14：调节背压阀15压力至第二预定压力以上，该第二预定压力小于所述第一预定压力；

步骤S16：向地层模拟釜8内增压，使得所述水和二氧化碳均处于超临界态；

步骤S18：停止向所述地层模拟釜8内进行增压，处于超临界态的水和二氧化碳从热力反应腔6下部的喷嘴喷出，形成热力射流。

在本实施方式中，当热力射流结束后，该方法还可以包括：依次关闭燃料供应和氧化剂，对所述缓冲罐4和地层模拟釜8进行泄压。

其中，所述第一预定压力可以为：35兆帕；所述第二预定压力可以为：23兆帕。此外，所述第一预定压力小于安全压力上限50兆帕，所述第二预定压力大于22兆帕，小于所述第一预定压力。

在本实施方式中，所述地层模拟釜8内设置有冷却机构，当所述地层模拟釜8内增压至第一预定压力时，可以开启冷却机构对底层模拟釜进行冷却，对底层模拟釜泄压结束后，可以关闭该冷却机构。

在一个具体的实施场景下：实验准备阶段：分别在燃料气瓶1、氧化剂气瓶11和氮气瓶3内备好充足的气源。开始试验，利用增压泵2分别向燃料、氧化剂和氮气对应的缓冲罐4内增压至35MPa。从循环冷水进口12向釜内冷水盘管14注入循环冷水对地层模拟釜8内壁进行冷却。打开氧化剂流量计5，向反应腔6内注入氧气，启动电火花点火，然后注入燃料使燃料和氧化剂在反应腔6内反应生成水和二氧化碳。观察反应腔6下部喷嘴处温度变化。调节背压阀15至22MPa以上，打开氮气流量计5向地层模拟釜8内注入氮气快速增压。当地层模拟釜8内压力达到7.3MPa时，反应产物中的二氧化碳变为超临界态。当地层模拟釜8内压力达到22MPa时，反应产物中的水变为超临界态。地层模拟釜8内压力达到背压阀15设定压力值后，关闭计量氮气的流量计5。此时高温高速的超临界水和二氧化碳射流从反应腔6喷嘴喷射出来，形成热力射流。实验结束后，依次关闭计量燃料、氧气的流量计5，对地层模拟釜8和缓冲罐4进行泄压，最后关闭循环冷却水。

在本实施方式中，在进行破岩前，可以先通过测量系统，先确定喷嘴处形成热力射流后不同位置的温度和压力等实验条件，根据优选出的实验条件设计相应的实验。

整体上，与现有技术相比，本发明提供的技术方案主要具备以下优点和特点：

本发明所提出的模拟热力射流破岩的实验系统和方法，在高压水射流技术和热裂解技术的基础上，形成了高温高速的超临界射流。该系统利用点火设备点火，简单易操作，燃料和氧化剂无需预热至自燃温度，更符合实际钻井情况。通过控制器远程控制流量计5开关等关键阀门，可操作性强并保证安全性。该系统可以模拟高温高压条件下的热力射流生成过程，燃料、氧化剂注入参数，环境压力等因素对热力射流性质及破岩效果的影响，客观真实地反映井下实际钻井情况。模拟热力射流破岩的实验系统和方法能够为低成本开发深部硬地层资源的新型钻井方法的研究提供基础。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种模拟热力射流破岩的实验系统，其特征在于，包括：注入系统、模型系统、测量系统和控制器；其中，

所述模型系统包括：具有相对的上盖和下盖的地层模拟釜、穿设在所述上盖上的燃烧喷射机构和通过所述下盖与所述地层模拟釜连通的泄压机构；其中，所述地层模拟釜内用于容纳岩样，所述燃烧喷射机构设置有反应腔，以及与所述反应腔连通且与所述岩样相正对的喷嘴，所述反应腔连通有点火设备；

所述注入系统包括：能对所述地层模拟釜进行增压的增压机构，能向所述反应腔供入氧化剂的氧化剂供应机构和能向所述反应腔供入燃料的燃料供应机构；

所述测量系统包括：用于分别测量所述喷嘴附近的压力信号和温度信号的压力传感器和温度传感器，所述压力传感器和温度传感器与所述控制器电性连接。

2.如权利要求1所述的模拟热力射流破岩的实验系统，其特征在于，

所述增压机构包括：通过管路连通的燃料气瓶、燃料气体增压泵、第一缓冲罐、第一流量计；

所述氧化剂供应机构包括：通过管路连通的氧化剂气瓶、氧化剂气体增压泵、第二缓冲罐、第二流量计；

所述燃料供应机构包括：管路连通的氮气瓶、氮气增压泵、第三缓冲罐。

3.如权利要求1所述的模拟热力射流破岩的实验系统，其特征在于，所述地层模拟釜包括：通过可拆卸连接的上盖、釜体和下盖，所述上盖中设置有用于穿设所述喷嘴的接口，所述喷嘴与所述上盖之间通过可拆卸连接的方式配合。

4.如权利要求3所述的模拟热力射流破岩的实验系统，其特征在于，所述釜体的内部设置有冷却机构，所述冷却机构为围绕釜体内壁盘绕的冷水盘管，所述冷水盘管具有循环冷水进口和循环冷水出口，在所述釜体上可以设置有用于设置所述循环冷水进口的第一开口和用于设置所述循环冷水出口的第二开口。

5.如权利要求3所述的模拟热力射流破岩的实验系统，其特征在于，在所述釜体上开设有可视窗口，所述可视窗口上的介质为蓝宝石玻璃，所述可视窗口的顶端高度和所述喷嘴齐平。

6.如权利要求1所述的模拟热力射流破岩的实验系统，其特征在于，所述地层模拟釜内设置有岩样定位装置，其包括：底盘和固定在所述底盘上的夹持部，所述底盘的底部设置有能带动所述岩样定位装置移动的升降机构。

7.如权利要求1所述的模拟热力射流破岩的实验系统，其特征在于，所述泄压机构包括：压力泄出机构和流体泄出机构，其中压力泄出机构包括：与所述模拟地层釜相连通的安全阀，所述流体泄出机构包括：与所述模拟地层釜依次连通的冷却器和背压阀。

8.如权利要求1所述的模拟热力射流破岩的实验系统，其特征在于，所述测量系统还包括有用于设置所述压力传感器或温度传感器的测量盘，所述测量盘上设置有一个中心探头和至少一个外围探头，其中，所述中心探头与所述喷嘴相正对，所述外围探头分布在所述中心探头的外围。

9.一种基于权利要求1至8任一所述的模拟热力射流破岩的实验系统的实验方法，其特征在于，包括：

利用增压泵向缓冲罐内增压至第一预定压力以上；

向反应腔内注入氧化剂，启动点火设备，然后向所述反应腔内注入燃料，所述燃料与所述氧化剂反应生成水和二氧化碳；

调节背压阀压力至第二预定压力以上，该第二预定压力小于所述第一预定压力；

向地层模拟釜内增压，使得所述水和二氧化碳均处于超临界态；

停止向所述地层模拟釜内进行增压，处于超临界态的水和二氧化碳从热力反应腔下部的喷嘴喷出，形成热力射流。

10.如权利要求9所述的模拟热力射流破岩的实验系统的实验方法，其特征在于，还包括：依次关闭燃料供应和氧化剂，对所述缓冲罐和地层模拟釜进行泄压。