CN107893652A - 干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置及方法。本发明模拟干热岩高压高温生成环境，通过设计多级活塞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，同时在真三轴高压斧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，利用该装置可以实现三轴围压条件对岩石水力压裂‑声发射‑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；本发明的有益效果是：具有升温保温效果好，密封部分更换简单、维护方便，声发射内嵌部位可以根据探头大小要求进行调节等优势，此外整个装置还具有操作方便、防维护周期短等特点；属干热岩增强型地热系统水力压裂测试装置检测方面的重要技术创新。

Description

干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种地热压裂模拟实验装置，特别涉及一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置及方法。

背景技术

地热资源是一种新型、清洁的可再生能源，是目前可以有效解决传统化石燃料，解决能源短缺和空气污染的绿色新能源之一。世界范围内对地热资源的开发和利用日益关注，目前冰岛、美国、印尼、菲律宾、日本等国都已经先期开展了地热在发电方面的有效利用，优化了国家的能源结构。其中，地热资源按其产出条件可分为水热型和干热岩型。水热性地热资源通常位于浅层，温度一般小于150℃，而大量的地热能储存于深部干热岩地热资源中，所以深部干热岩也被称为增强型地热资源。干热岩本身是一种没有水（或含有少量水而不能流动）的高温岩体，很少存在孔隙或裂隙，渗透性能极差，其温度范围很广，介于150~650℃之间，主要是变质岩或结晶岩类岩体。因此，只有借助外部水力压裂等储层改造技术才可以实现地热资源的商业化有效开发。

目前干热岩增强型地热系统的改造模式主要以水力压裂、化学刺激和热刺激以及这几种技术的联合使用为主。其中水力压裂法是增强热地热系统最常见的储层改造方法，通过对压裂井注入高压流体，可以实现对干热岩地热储层的破裂，在地下建立人工地热储层，并加速注入水和周围岩体的热交换速率，扩大储层换热面积。水力压裂后，还需另外在裂缝改造区域钻生产井，实现热流体循环提取，而采出的低温流体还可以再次回注到压裂井当中，再次充当压裂液介质。

传统认识和分析水力压裂的手段主要采取数值模拟方法和室内试验方法。数值模拟法主要包括有限元法、边界元法和离散元法等，并在此基础上衍生出扩展有限元法、无单元法、近场动力学法等，数值模拟的方法主要优势是成本低廉，可以改变条件循环反复计算，但是有时数值模型难以反映储层的真实情况，且计算工作量大，对研究人员理论背景要求高。室内试验方法主要以真三轴水力压裂为主，岩样尺寸主要为矩形体或者正方体，并多采用带颜色或者添有荧光粉的压裂液来分析水力压裂后的裂缝形态及范围尺寸，或者采用声发射等实验监测方法对裂缝形态进行三维定位解释，实验方法的优势是可以直观分析水力裂缝形态。但是，上述水力压裂物理实验设备主要是满足高压测试环境为主，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。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置及方法。

本发明提到一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其技术方案是：包括压力控制系统（1）、高压压裂泵（2）、压裂液注入腔（3）、支撑剂注入腔（4）、混合装置（5）、样品水力压裂腔（6）、多级活塞（7）、水力压裂腔保温层（8）、水力压裂腔加热层（9）、耐高温高压多孔板（12）、液压伺服控制系统（17）、高压管线（18）、流量监测表（19）、热流体储集设备（23），所述压力控制系统（1）连接高压压裂泵（2），所述的压裂液注入腔（3）和支撑剂注入腔（4）的一端连接高压压裂泵（2），另一端连接混合装置（5），液体混合后被送入样品水力压裂腔（6），所述样品水力压裂腔（6）外侧设有水力压裂腔加热层（9），在水力压裂腔加热层（9）外侧设有水力压裂腔保温层（8）；

所述样品水力压裂腔（6）的由耐高温高压多孔板（12）组成，在样品水力压裂腔（6）的底部和两个侧壁上设有多级活塞（7），并在样品水力压裂腔（6）内装有模拟岩石试件，在样品水力压裂腔（6）的顶部设有可插入耐高压金属管模拟压裂井筒的小孔；在样品水力压裂腔（6）的顶部和两侧分别通过高压管线连接液压伺服控制系统（17），在样品水力压裂腔（6）的底部连接热流体储集设备（23）。

上述的样品水力压裂腔（6）内安设有温度传感器（10），并通过数据线连接到温度数据采集系统（11）。

上述的液压伺服控制系统（17）通过液压控制器（16）和控制阀（13）连接到样品水力压裂腔（6）内腔。

上述的耐高温高压多孔板（12）上均匀分布有多个流体排出小孔（2-2），且在耐高温高压多孔板（12）中部设有多个声发射探头腔（2-1）。

上述的声发射探头腔（2-1）的直径大于流体排出小孔（2-2）的直径。

上述的样品水力压裂腔（6）的底部设有八组活塞（3-1）。

声发射探头（20）通过声发射探头腔（2-1）连接到样品水力压裂腔（6）内腔，外侧连接到声发射监测系统（21）。

温度监测系统（22）通过数据线连接到样品水力压裂腔（6）内腔。

样品水力压裂腔（6）的外侧设有胶套，胶套与耐高温高压多孔板（12）之间存有空腔，注入液体实现压力包裹作用，液压包逐渐膨胀后对模拟岩石试件施加载荷，且压裂后流体可以通过耐高温高压多孔板（12）上的小孔顺着凹槽流入到热流体储集设备（23）中。

本发明提到的一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置的使用方法，包括以下步骤：

(1) 根据实验要求，选择不同组分的水泥、石英砂、粘土、水材料，并混合搅拌倒入模具当中，模拟岩石试件在模具内放置72小时后拆模，然后并放入恒温恒湿箱内养护；

(2) 将模拟岩石试件放入样品水力压裂腔（6）内，利用液压伺服控制系统（17）施加三向应力，首先施加垂向应力，然后利用高压管线分别连接样品水力压裂腔（6），同时在管线上安装压力表（14）、控制阀（13）及放空阀（15），模拟地应力状态；

(3) 通过加热装置逐渐增加样品水力压裂腔（6）内的温度，并利用温度传感器监测温度变化，当温度达到设定温度时停止，并保持恒温2小时；

(4) 当样品水力压裂腔（6）内达到设计温度和压力时，利用钻孔机钻入小孔，插入耐高压金属管模拟压裂井筒，并利用密封圈和密封胶进行密封处理；

(5) 配置水基压裂液，考虑到清水或一般性水基压裂液易在高温环境下气化，水力压裂实验中所采用的压裂液应采用磁化流体或盐类或者碱类压裂液，并在高温高压条件下测试其实际流变性；

(6) 利用高压管线连接样品水力压裂腔（6）与混合装置（5），同时连接高压压裂泵（2），启动液压伺服控制系统（17）和热流体储集设备（23）；

(7) 施加孔眼压力，开始水力压裂，启动高压压裂泵（2），以恒定速率往样品水力压裂腔（6）中泵入模拟压裂液，逐渐压裂实验试样，同时利用压力表记录孔眼压力大小及变化规律，利用声发射设备记录水力裂缝的起裂及扩展动态，热流体储集设备（23）采集流出热流体的实时流量和温度，在压力下降稳定后，关闭高压压裂泵（2）；

(8) 此时应当继续保持压力环境和热流体储集设备（23）开启，并继续让热流体流出，当热流体实时温度或者流量低于设定界限后，认为整个干热岩水力压裂模拟结束，此时再依次关闭控制阀（13），打开放空阀并卸载围压；然后依次关闭声发射设备、压力表；

(9) 取出实验试样，观察拍照记录裂缝最终形态，并对压后岩样钻取标准岩芯，并切割薄片，通过扫描电镜对裂缝表面进行微观分析，分析水力压裂裂缝和热应力产生的裂缝。

本发明的有益效果是：（1）本装置可以有效模拟水力裂缝在干热岩储层中的裂缝起裂与扩展情况，并且模拟注入方式、地应力状态等不同条件下对水力裂缝起裂和扩展的影响；

（2）本装置采用了多孔钢板镂空设计来提取干热岩热交换后的热流体， 同时采用热流体储集设备储存热流体，同时通过温度和流量计对热流体进行实施测量，从而可以精确计算干热岩水力压裂换热效率；

（3）利用多个活塞施加环压，可以更加准确模拟分层地应力环境；

（4）整个设备组装拆卸方便，实验后便于观察、清洗，系统各部件具有良好的耐压密封性。

附图说明

图1是本发明的模拟实验装置的结构示意图；

图2是多孔耐高温高压钢板的示意图；

图3是多级活塞的示意图；

图4是水力压裂腔的俯视示意图；

上图中：压力控制系统1、高压压裂泵2、压裂液注入腔3、支撑剂注入腔4、混合装置5、样品水力压裂腔6、多级活塞7、水力压裂腔保温层8、水力压裂腔加热层9、温度传感器10、温度数据采集系统11、耐高温高压多孔板12、控制阀13、压力表14、放空阀15、液压控制器16、液压伺服控制系统17、高压管线18、流量监测表19、声发射探头20、声发射监测系统21、温度监测系统22、热流体储集设备23；声发射探头腔2-1、流体排出小孔2-2；活塞3-1、注入井眼4-1、高强度螺栓4-2。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，参照附图1和4，本发明提到一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其技术方案是：包括压力控制系统1、高压压裂泵2、压裂液注入腔3、支撑剂注入腔4、混合装置5、样品水力压裂腔6、多级活塞7、水力压裂腔保温层8、水力压裂腔加热层9、耐高温高压多孔板12、液压伺服控制系统17、高压管线18、流量监测表19、热流体储集设备23，所述压力控制系统1连接高压压裂泵2，所述的压裂液注入腔3和支撑剂注入腔4的一端连接高压压裂泵2，另一端连接混合装置5，液体混合后被送入样品水力压裂腔6，所述样品水力压裂腔6外侧设有水力压裂腔加热层9，在水力压裂腔加热层9外侧设有水力压裂腔保温层8；

所述样品水力压裂腔6的由耐高温高压多孔板12组成，在样品水力压裂腔6的底部和两个侧壁上设有多级活塞7，并在样品水力压裂腔6内装有模拟岩石试件，在样品水力压裂腔6的顶部设有可插入耐高压金属管模拟压裂井筒的小孔；在样品水力压裂腔6的顶部和两侧分别通过高压管线连接液压伺服控制系统17，在样品水力压裂腔6的底部连接热流体储集设备23。

上述的样品水力压裂腔6内安设有温度传感器10，并通过数据线连接到温度数据采集系统11。

上述的液压伺服控制系统17通过液压控制器16和控制阀13连接到样品水力压裂腔6内腔。

上述的耐高温高压多孔板12上均匀分布有多个流体排出小孔2-2，且在耐高温高压多孔板12中部设有四个声发射探头腔2-1。

上述的声发射探头腔2-1的直径大于流体排出小孔2-2的直径。

上述的样品水力压裂腔6的底部设有八组活塞3-1。

声发射探头20通过声发射探头腔2-1连接到样品水力压裂腔6内腔，外侧连接到声发射监测系统21。

温度监测系统22通过数据线连接到样品水力压裂腔6内腔。

样品水力压裂腔6的外侧设有胶套，胶套与耐高温高压多孔板12之间存有空腔，注入液体实现压力包裹作用，液压包逐渐膨胀后对模拟岩石试件施加载荷，且压裂后流体可以通过耐高温高压多孔板12上的小孔顺着凹槽流入到热流体储集设备23中。

参照附图4，样品水力压裂腔6的顶部设有注入井眼4-1，水力压裂腔加热层4-2、水力压裂腔保温层4-3、多孔耐高温高压钢板4-4、高强度螺栓4-5

另外，需要说明的是：

多级活塞采用8缸式活塞作为加载单元；加热层为单层5000W硅胶加热系统，位于水力压裂试样的四周和底部，并直接与加载单元贴合，同时通过比例-积分-微分控制器进行温度调节；作为优选，环压加载在多孔耐高温高压钢板，高温高压钢板采用镂空设计便于热流体流出，并预留声发射探头腔，所选材质为优质四氟材料；作为优选，温度传感器、流量监测表、压力表、声发射探头等上述信息采集设备所记录到的温度、流量、压力和声发射数据应同时且实时的传输到计算中；本实验的孔眼应在三轴应力条件下钻取，同时压裂模拟管柱应保持绝对垂直，压裂模拟管柱可以根据要求进行射孔处理，同时压裂模拟管柱材料应采用奥氏体铬镍不锈钢、螺纹碳钢等耐高温、高压材料；作为优选，进行水力压裂的高压泵应可以具备提供0.0001L/min~25L/min之间量程的注入流量，同时误差值应控制在±0.5%以内；应在水力压裂试样的8个表面都贴有温度传感器，保证水力压裂腔内满足干热岩原位高温环境，同时误差值应控制在±0.5℃%以内；另外，应适当向压裂液中加入聚乙二醇、盐类或者碱类物质。

本发明提到的一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置的使用方法，包括以下步骤：

(1) 根据实验要求，选择不同组分的水泥、石英砂、粘土、水材料，并混合搅拌倒入模具当中，模拟岩石试件在模具内放置72小时后拆模，然后并放入恒温恒湿箱内养护；

(2) 将模拟岩石试件放入样品水力压裂腔（6）内，利用液压伺服控制系统（17）施加三向应力，首先施加垂向应力，然后利用高压管线分别连接样品水力压裂腔（6），同时在管线上安装压力表（14）、控制阀（13）及放空阀（15），模拟地应力状态；

(3) 通过加热装置逐渐增加样品水力压裂腔（6）内的温度，并利用温度传感器监测温度变化，当温度达到设定温度时停止，并保持恒温2小时；

(4) 当样品水力压裂腔（6）内达到设计温度和压力时，利用钻孔机钻入小孔，插入耐高压金属管模拟压裂井筒，并利用密封圈和密封胶进行密封处理；

(5) 配置水基压裂液，考虑到清水或一般性水基压裂液易在高温环境下气化，水力压裂实验中所采用的压裂液应采用磁化流体或盐类或者碱类压裂液，并在高温高压条件下测试其实际流变性；

(6) 利用高压管线连接样品水力压裂腔（6）与混合装置（5），同时连接高压压裂泵（2），启动液压伺服控制系统（17）和热流体储集设备（23）；

(7) 施加孔眼压力，开始水力压裂，启动高压压裂泵（2），以恒定速率往样品水力压裂腔（6）中泵入模拟压裂液，逐渐压裂实验试样，同时利用压力表记录孔眼压力大小及变化规律，利用声发射设备记录水力裂缝的起裂及扩展动态，热流体储集设备（23）采集流出热流体的实时流量和温度，在压力下降稳定后，关闭高压压裂泵（2）；

(8) 此时应当继续保持压力环境和热流体储集设备（23）开启，并继续让热流体流出，当热流体实时温度或者流量低于设定界限后，认为整个干热岩水力压裂模拟结束，此时再依次关闭控制阀（13），打开放空阀并卸载围压；然后依次关闭声发射设备、压力表；

(9) 取出实验试样，观察拍照记录裂缝最终形态，并对压后岩样钻取标准岩芯，并切割薄片，通过扫描电镜对裂缝表面进行微观分析，分析水力压裂裂缝和热应力产生的裂缝。

实施例2，本发明与实施例1不同之处是：采用磁化水作为压裂液，以提高压裂液沸点，另外，加热层采用绕丝线圈的电加热装置进行加热，加热最高温度上限为250℃。

模拟岩石试件采用干热岩样品，可以为不同类型的大尺寸岩石（0.3m×0.3m×0.3m），如花岗岩、碳酸盐、砂岩等，也可以通过人工通过水泥或者石膏等其他材料混合组成，其核心岩石力学性质（如抗压强度、抗压强度、杨氏模量、泊松比）等和油层物理参数（如孔隙度、渗透率等）应满足实验基本要求，人工制样需要进行恒温恒湿养护。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：包括压力控制系统（1）、高压压裂泵（2）、压裂液注入腔（3）、支撑剂注入腔（4）、混合装置（5）、样品水力压裂腔（6）、多级活塞（7）、水力压裂腔保温层（8）、水力压裂腔加热层（9）、耐高温高压多孔板（12）、液压伺服控制系统（17）、高压管线（18）、流量监测表（19）、热流体储集设备（23），所述压力控制系统（1）连接高压压裂泵（2），所述的压裂液注入腔（3）和支撑剂注入腔（4）的一端连接高压压裂泵（2），另一端连接混合装置（5），液体混合后被送入样品水力压裂腔（6），所述样品水力压裂腔（6）外侧设有水力压裂腔加热层（9），在水力压裂腔加热层（9）外侧设有水力压裂腔保温层（8）；

所述样品水力压裂腔（6）的由耐高温高压多孔板（12）组成，在样品水力压裂腔（6）的底部和两个侧壁上设有多级活塞（7），并在样品水力压裂腔（6）内装有模拟岩石试件，在样品水力压裂腔（6）的顶部设有可插入耐高压金属管模拟压裂井筒的小孔；在样品水力压裂腔（6）的顶部和两侧分别通过高压管线连接液压伺服控制系统（17），在样品水力压裂腔（6）的底部连接热流体储集设备（23）。

2.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：所述的样品水力压裂腔（6）内安设有温度传感器（10），并通过数据线连接到温度数据采集系统（11）。

3.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：所述的液压伺服控制系统（17）通过液压控制器（16）和控制阀（13）连接到样品水力压裂腔（6）内腔。

4.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：所述的耐高温高压多孔板（12）上均匀分布有多个流体排出小孔（2-2），且在耐高温高压多孔板（12）中部设有多个声发射探头腔（2-1）。

5.根据权利要求4所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：所述的声发射探头腔（2-1）的直径大于流体排出小孔（2-2）的直径。

6.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：所述的样品水力压裂腔（6）的底部设有八组活塞（3-1）。

7.根据权利要求5所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：声发射探头（20）通过声发射探头腔（2-1）连接到样品水力压裂腔（6）内腔，外侧连接到声发射监测系统（21）。

8.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：温度监测系统（22）通过数据线连接到样品水力压裂腔（6）内腔。

9.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：样品水力压裂腔（6）的外侧设有胶套，胶套与耐高温高压多孔板（12）之间存有空腔，注入液体实现压力包裹作用，液压包逐渐膨胀后对模拟岩石试件施加载荷，且压裂后流体可以通过耐高温高压多孔板（12）上的小孔顺着凹槽流入到热流体储集设备（23）中。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置的使用方法，其特征是包括以下步骤：

(1) 根据实验要求，选择不同组分的水泥、石英砂、粘土、水材料，并混合搅拌倒入模具当中，模拟岩石试件在模具内放置72小时后拆模，然后并放入恒温恒湿箱内养护；

(2) 将模拟岩石试件放入样品水力压裂腔（6）内，利用液压伺服控制系统（17）施加三向应力，首先施加垂向应力，然后利用高压管线分别连接样品水力压裂腔（6），同时在管线上安装压力表（14）、控制阀（13）及放空阀（15），模拟地应力状态；

(3) 通过加热装置逐渐增加样品水力压裂腔（6）内的温度，并利用温度传感器监测温度变化，当温度达到设定温度时停止，并保持恒温2小时；

(4) 当样品水力压裂腔（6）内达到设计温度和压力时，利用钻孔机钻入小孔，插入耐高压金属管模拟压裂井筒，并利用密封圈和密封胶进行密封处理；

(5) 配置水基压裂液，考虑到清水或一般性水基压裂液易在高温环境下气化，水力压裂实验中所采用的压裂液应采用磁化流体或盐类或者碱类压裂液，并在高温高压条件下测试其实际流变性；

(6) 利用高压管线连接样品水力压裂腔（6）与混合装置（5），同时连接高压压裂泵（2），启动液压伺服控制系统（17）和热流体储集设备（23）；

(7) 施加孔眼压力，开始水力压裂，启动高压压裂泵（2），以恒定速率往样品水力压裂腔（6）中泵入模拟压裂液，逐渐压裂实验试样，同时利用压力表记录孔眼压力大小及变化规律，利用声发射设备记录水力裂缝的起裂及扩展动态，热流体储集设备（23）采集流出热流体的实时流量和温度，在压力下降稳定后，关闭高压压裂泵（2）；

(8) 此时应当继续保持压力环境和热流体储集设备（23）开启，并继续让热流体流出，当热流体实时温度或者流量低于设定界限后，认为整个干热岩水力压裂模拟结束，此时再依次关闭控制阀（13），打开放空阀并卸载围压；然后依次关闭声发射设备、压力表；

(9) 取出实验试样，观察拍照记录裂缝最终形态，并对压后岩样钻取标准岩芯，并切割薄片，通过扫描电镜对裂缝表面进行微观分析，分析水力压裂裂缝和热应力产生的裂缝。