CN107991216B - 一种高温应力下流体裂隙渗流模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温应力下流体裂隙渗流模拟装置，包括注入系统、压力控制系统、高温岩芯夹持器和温度控制系统，所述的模型系统为可加环压的高温模型，主要构件为高温岩心夹持器，高温岩心夹持器包括岩心室，岩心室进出口两端均安装防渗隔板，进出口端防渗隔板上部与紫铜筒之间分别通过注入堵头与产出堵头来密封。紫铜筒外为筒体，筒体外为围压腔，接有温度计量器和压力计量器，高温夹持器外接环压泵，环压泵外两侧分别外接压力变送器和排空阀门；本发明可实现流体在不同温度不同应力状态下裂隙渗流物理模拟，实现干热岩储层中裂隙在外部高温高压作用下的演化过程的动态变化特征分析，解决干热岩所储能源开采工程实际问题。

Description

一种高温应力下流体裂隙渗流模拟装置

技术领域

本发明涉及一种高温岩石裂隙渗流模拟装置，具体涉及一种研究高温应力下干热岩的裂隙演化过程的模拟装置。

背景技术

干热岩作为清洁能源是地热能中最具有潜力的部分也是地热能的未来。虽然干热岩无处不在，且受外界环境影响很小，然而其开发的具体工程技术却并未完全成熟。对于干热岩的开采而言，其关键技术在于储层的激发。干热岩储层的激发是指向储层注入高压流体使得热储原有裂隙扩展沿伸因而达到增大储层换热性能的目的。储层的激发并不是干热岩资源开发工程的最终目的，如何通过储层激发达到理想的热提取效果才是干热岩工程的关键。储层激发的关键技术在于创建新的裂隙渗流通道和渗流途径。而对于储层的管理需要对压力，流量，温度等参数的进行控制以达到长期热提取的目的。目前，国际上很多干热岩开发的工程储层激发体积已远远超0.1km³的目标，然而热储的有效换热面积距离产业化的要求还有不小的差距，其主要原因在于激发过程中对裂隙演化的控制技术还未完全成熟。

就目前而言，目前国内外学者对于裂隙的发育和演化研究偏重于石油工程和采矿工程，室内实验也侧重于油页岩、页岩气、低渗透油气田发开发、提高采油率方面，很少有侧重干热岩的裂隙渗流的研究，且裂隙演化和裂隙渗流的模拟试验仪器也较少。而影响干热岩裂隙演化的因素很多，如泵注压力大小、温度变化、渗流液体性质、地层力学和物理性质、地应力分布特征、施工规模、以及裂缝中流体流动特征等等，虽然现有技术手段和理论提供了压力和温度等参数在岩石裂隙演化效果的预测，但很少涉及干热岩方面，预测效果也很难达到预期。

而在高温高压条件下的岩石裂隙渗流室内模拟实验中，作为储层条件下的岩芯分析研究基础设备—岩芯夹持器，岩芯主要由胶套进行包裹并作为试验反应的场所。但目前的仪器较难满足干热岩开发的需要。一方面由于胶筒本身的耐热性较差，常规的岩芯夹持器往往只能局限于测定温度在180℃以下的岩石裂隙渗流实验，而由于干热岩的温度一般大于200℃，现在有岩芯夹持器很难承受这样的温度；其次，由于地层压力较大，试验中往往也需要施加相应的较大的围压进行模拟。但胶套在较高的温度和应力作用下极易产生裂解，不仅无法进行试验，且由于围压液体通过胶套裂解产生的缝隙与渗流过程所注入的液体相混合，使得仪器难以清理而造成损耗。最后，由于干热岩裂隙渗流往往需要较长的时间，且由于裂隙的变化，使得夹持器内岩芯室的体积也随之发生膨胀或收缩，此时岩芯室若难以随之发生形变则易产生泄露使得试验失败。因而如何保证仪器在长时间的运行下能保持较高的精度及密封性变得至关重要。但目前的夹持器所采用的材料及结构均难以保证上述要求。因而，急需提出新的夹持器结构以克服目前存在的问题以促进干热岩研究的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温应力下流体裂隙渗流模拟装置，用来预测岩石裂隙演化的过程以及分析各种参数对于裂隙渗流的影响。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种高温应力下流体裂隙渗流模拟装置，包括注入系统、压力控制系统、高温岩芯夹持器和温度控制系统，所述高温岩芯夹持器包括岩芯室、热层加、紫铜套、隔热夹层、橡胶套、外壳、注入堵头、产出堵头、防渗隔板、调节堵头和固定堵头，岩芯室两端有防渗隔板，注入端的防渗隔板左侧安装有注入堵头，注入端的防渗隔板与注入堵头，上均开有一小孔，用于温度计量器三的探头进入岩体内部，注入端的防渗隔板与注入堵头以及岩芯的交界面处有一密封螺栓,产出端的防渗隔板右侧安装有产出堵头，岩芯室、注入堵头和产出堵头均被紫铜套包裹在内，并紧密贴合；所述紫铜套的外围与加热层紧密贴合，加热层外设置隔热夹层，加热层和隔热夹层共同组成保温装置，并由螺母固定，隔热夹层外面套有橡胶套，橡胶套外侧为围压腔，围压腔是外壳和橡胶套之间的环形空腔，在外壳上有气压计量接口、加热接口和加压接口；保温装置两侧连接调节堵头，调节堵头上安装有堵头调节组件，通过堵头调节组件使调节堵头与高温岩芯夹持器两侧的固定堵头紧密相连。

注入系统包括注入泵、与注入泵连通的活塞式中间容器、气瓶、减气阀和控制阀门，所述活塞式中间容器外部连接温度计量器一，内部设有活塞，出口端外接压力计量器一，并通过连通阀门一与岩芯夹持器上的入口以及控制阀门相连，控制阀门的另一侧与减气阀的出口侧相连，减气阀的入口侧与气瓶以及压力计量器二相连。

所述压力控制系统包括压力变送器，差压变送器，排气阀门，回压泵，回压阀，积液瓶，回压缓冲容器，环压泵，四个连通阀门，和固液分离器，固液分离器的入口端连通高温岩芯夹持器的出口端，固液分离器的出口端通过回压阀分别连接回压缓冲容器和积液瓶，积液瓶下部设置天平，天平与温度控制系统的数据收集板相连，积液瓶另一端与回压泵相连，环压泵与排气阀门以及连通阀门三相连，连通阀门三与高温岩芯夹持器上的加压接口相连接，高温岩芯夹持器进出口均设有压力变送器，压力变送器的另一端连接数据采集板，两个进出口端的压力变送器与高温岩芯夹持器相连的一端分别外连两个连通阀门二和连通阀门五，两个连通阀门二和连通阀门五间设有差压变送器，同时有一个连通阀门四与差压变送器并联，压力计量器三一端与高温岩芯夹持器上的气压计量接口相连，另一端与数据采集板相连。

温度控制系统包括数据处理器和数据收集板，四个温度计量器，温度计量器二的一端连接入口，另一端连接数据收集板，温度计量器四的一端连接出口，另一端连接数据收集板，温度计量器三的一端连接岩体内部的探头，另一端连接数据收集板，数据收集板一侧与整个模拟装置中所有的温度计量器以及压力计量器相连，另一侧与数据处理器相连，温度计量器一置于注入系统的活塞式中间容器的外部。

位于高温岩芯夹持器内部的产出堵头与注入堵头为多层隔热结构，在其与紫铜套连接的部分与水孔连接的部分之间有一层隔热石棉，注入堵头上有一个贯穿小孔，温度计量器三的探头测量时穿过小孔。

密封螺栓在被拧紧时会挤压密封铜套使其变形，变形后的密封铜套会紧密贴合密封螺栓的内孔和探头线，同时在岩石孔内使用高温密封胶将岩石孔内密封。

本发明提供的高温应力下流体裂隙渗流模拟装置，工作过程如下：

1)通过劈裂装置将直径为50mm、长度为300mm的圆柱体花岗岩样沿轴向劈裂产生贯通的裂隙以模拟天然裂隙。并且在圆柱侧面钻取一个小孔，随后将岩石材料放置在模拟系统中的高温岩芯夹持器中，并进行压紧、密封处理。具体密封操作为先将温度计量器的探头穿过密封铜套，堵头等部件伸入岩石断面的小孔内，然后在孔内涂抹高温胶，静止一段时间待高温胶凝固后将防渗隔板以及堵头压紧岩石，并拧紧密封螺栓。

2)接通电源，打开注入泵，注入泵通过管道将清水注入到活塞式中间容器中，清水在活塞式中间容器中加热控温到预设温度后后打开活塞式中间容器，清水流出活塞式中间容器，进入管道，这时候打开控制阀门，清水通过控制阀门流入连通阀门，此时打开气瓶和减气阀，通过电脑的精确控制，当气瓶的输出压力达到设定温度时将控制阀门打开，用压力驱动清水进水高温岩芯夹持器，而在此之前高温岩芯夹持器的内的岩石需要进行岩芯加热处理，使得模拟的岩芯温度接近真实地层的干热岩温度，清水在压力的驱动下进入花岗岩样的裂隙中的裂隙中，在渗流过程中通过外设的压力变送器和差压变送器将数据传入电脑，并通过电脑对环压泵产生的闭合压力作用的围压腔内的压力达到精确的控制并对高温岩芯夹持器进出口处的压力和压差参数进行精确计量。在高温岩芯夹持器内进行的裂隙渗流过程的温度由温度计量器计量，计量位置维高温岩芯夹持器的进出口端。在完成裂隙渗流演化后产生的固液气残余物通过导管进入固液分离器进行固液气分离，废气通过安装在固液分离器上的排空阀门排出，固体废弃物遗留在分离器内，液体通过导管进入积液瓶，用积液瓶下的天平称量出废气液的质量，从而算出体积参数，在出液出渣的过程中，由于高温岩芯夹持器内的压力降低而产生倒吸现象，这时应该打开回压控制系统，控制岩芯夹持器出口外的压力。

3)在模拟实验结束后将所得的温度、压力、注入泵注入压力、出渣量、出液量等等参数传入电脑然后进行裂隙渗流分析。

与现有技术相比，本发明提供的高温应力下流体裂隙渗流模拟装置其优势在于：

1.本发明所采用的加热方式为加热层直接连接紫铜套，从而使得加热速度更快，同时施加围压的流体与加热系统隔离，防止流体被加热时膨胀，从而造成围压不稳定的情况，使得测试结果更加精确。

2.本发明所采用的堵头为多层隔热结构，防止流体通过堵头时被加热而造成注入时的实际温度比测量时高，从而造成的误差问题。使得结果更加精确。

3.本发明所采用的加热装置为使用加热层对紫铜套进行直接加热，从而加热速率更快，同时使用温度传感器的探头直接进入岩体内部进行测量，使得温度测量结果更加精确。

4.本发明提供得装置实现各装置及配件各成体系，通过相同孔径得管道相互连接，使得设备的拆卸、运输、更换、维修、组装更加方便。

5.本发明提供的装置对于压力和温度得控制更加精确，且温度调控范围更大，各主要设备外均安装温度计量器和压力计量器并将实时数据传入电脑，实现实时数据监控，高温岩芯夹持器岩芯室外的筒体采用紫铜材料可承受的温度更大，模型系统的工作温度可达350℃，在密封性上，在围压腔两侧与注入堵头和产出堵头之间设置有调节堵头，并通过堵头调节组件来连接调节堵头，因此该模型系统的密封性优良。

6.另外在压力和温度控制和测量方面，活塞式中间容器、高温岩芯夹持器上安装均温度计量器和压力计量器、各电组件连接的电源控制开关和压力变送器以及回压缓冲容器上天平都连接数据收集板，通过数据采集板将数据传入电脑，并通过电脑来精确控制，模拟地层真实温度和压力条件。

7.本发明提供的装置可根据实验要求进行裂隙渗流模拟的参数的变量控制，实现裂隙渗流因素控制模拟、渗流机制模拟等多种物理模拟，提高装置利用效率和利用范围。

附图说明

图1为本发明提供的一种高温应力下流体裂隙渗流模拟装置的结构示意图；

图2为本发明提供可加环压的高温模型结构示意图。

图3为本发明提供的注入堵头与产出堵头的结构剖面图。

图中：1-注入泵，2-数据处理器，3-数据收集板，4-气瓶，5-减气阀，6-控制阀门，7-压力变送器，8-差压变送器，9-高温岩芯夹持器，10-固液分离器，11-回压阀，12-积液瓶，13-天平，14-温度计量器一，15-活塞式中间容器，16-活塞，17-连通阀门一，18-环压泵，19-排空阀门，20-回压泵，21-回压缓冲容器，22-压力计量器，23-入口，24-固定堵头，25-调节堵头，26-围压腔，27-加热层，28-外壳，29-气压计量接口，30-螺母，31-紫铜套，32-橡胶套，33-加热接口，34-加压接口，35-出口，36-堵头调节组件，37-产出堵头，38-岩芯室，39-隔热夹层，40-注入堵头，41-密封螺栓，42-防渗隔板，43-隔热石棉，44-连通阀门二，45-连通阀门三，46-温度计量器二，47-温度计量器三，48-温度计量器四，49-压力计量器二，50-连通阀门四，51-连通阀门五，52-压力计量器三；53-密封铜套，54-高温密封胶，55-压力计量器四

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2和图3所示，本发明包括注入系统、压力控制系统、高温岩芯夹持器和温度控制系统，所述高温岩芯夹持器9包括岩芯室38、热层加27、紫铜套31、隔热夹层39、橡胶套32、外壳28、注入堵头40、产出堵头37、防渗隔板42、调节堵头25和固定堵头24，岩芯室38两端有防渗隔板42，注入端的防渗隔板42左侧安装有注入堵头40，注入端的防渗隔板42与注入堵头40，上均开有一小孔，用于温度计量器三47的探头进入岩体内部，注入端的防渗隔板42与注入堵头40以及岩芯的交界面处有一密封螺栓41,产出端的防渗隔板42右侧安装有产出堵头37，岩芯室38、注入堵头40和产出堵头37均被紫铜套31包裹在内，并紧密贴合；所述紫铜套31的外围与加热层27紧密贴合，加热层27外设置隔热夹层39，加热层27和隔热夹层39共同组成保温装置，并由螺母30固定，隔热夹层39外面套有橡胶套32，橡胶套32外侧为围压腔26，围压腔26是外壳28和橡胶套32之间的环形空腔，在外壳28上有气压计量接口29、加热接口33和加压接口34；保温装置两侧连接调节堵头25，调节堵头25上安装有堵头调节组件36，通过堵头调节组件36使调节堵头25与高温岩芯夹持器9两侧的固定堵头24紧密相连。

注入系统包括注入泵1、与注入泵1连通的活塞式中间容器15、气瓶4、减气阀5和控制阀门6，所述活塞式中间容器15外部连接温度计量器一14，内部设有活塞16，出口端外接压力计量器一22，并通过连通阀门一17与岩芯夹持器9上的入口23以及控制阀门6相连，控制阀门6的另一侧与减气阀5的出口侧相连，减气阀5的入口侧与气瓶4以及压力计量器二49相连。

所述压力控制系统包括压力变送器7，差压变送器8，排气阀门19，回压泵20，回压阀11，积液瓶12，回压缓冲容器21，环压泵18，四个连通阀门(44，45，50，51)和固液分离器10，固液分离器10的入口端连通高温岩芯夹持器9的出口端35，固液分离器10的出口端通过回压阀11分别连接回压缓冲容器21和积液瓶12，积液瓶12下部设置天平13，天平13与温度控制系统的数据收集板3相连，积液瓶12另一端与回压泵20相连，环压泵18与排气阀门19以及连通阀门三45相连，连通阀门三45与高温岩芯夹持器9上的加压接口34相连接，高温岩芯夹持器9进出口均设有压力变送器7，进出口外的压力变送器7通过三个连通阀门44，50，51和差压变送器8连接，进出口端的压力变送器7分别外连两个连通阀门二44和连通阀门二51，两个连通阀门二44和连通阀门五51间设有差压变送器8，在差压变送器8两端也连接一个连通阀门四50，压力计量器三53一端与高温岩芯夹持器9上的气压计量接口29相连，另一端与数据采集板2相连。

温度控制系统包括数据处理器2和数据收集板3，五个温度计量器，温度计量器二46的一端连接入口23，另一端连接数据收集板3，温度计量器四48的一端连接出口35，另一端连接数据收集板3，温度计量器三47的一端连接岩体内部的探头，另一端连接数据收集板3，数据收集板3一侧与整个模拟装置中所有的温度计量器以及压力计量器相连，另一侧与数据处理器2相连。

位于高温岩芯夹持器9内部的产出堵头37与注入堵头40为多层隔热结构，在其与紫铜套连接的部分与水孔连接的部分之间有一层隔热石棉43，注入堵头31上有一个贯穿小孔，温度计量器三47的探头测量时穿过小孔。

密封螺栓41在被拧紧时会挤压密封铜套53使其变形，变形后的密封铜套53会紧密贴合密封螺栓41的内孔和探头线，同时在岩石孔内使用高温密封胶54将岩石孔内密封。

Claims (3)

1.一种高温应力下流体裂隙渗流模拟装置，其特征在于：包括注入系统、压力控制系统、高温岩芯夹持器和温度控制系统，所述高温岩芯夹持器(9)包括岩芯室(38)、加热层(27)、紫铜套(31)、隔热夹层(39)、橡胶套(32)、外壳(28)、注入堵头(40)、产出堵头(37)、防渗隔板(42)、调节堵头(25)和固定堵头(24)，岩芯室(38)两端有防渗隔板(42)，注入端的防渗隔板(42)左侧安装有注入堵头(40)，注入端的防渗隔板(42)与注入堵头(40)上均开有一小孔，用于温度计量器三(47)的探头进入岩体内部，注入端的防渗隔板(42)与注入堵头(40)以及岩芯的交界面处有一密封螺栓(41)，产出端的防渗隔板(42)右侧安装有产出堵头(37)，岩芯室(38)、注入堵头(40)和产出堵头(37)均被紫铜套(31)包裹在内，并紧密贴合；所述紫铜套(31)的外围与加热层(27)紧密贴合，加热层(27)外设置隔热夹层(39)，加热层(27)和隔热夹层(39)共同组成保温装置，并由螺母(30)固定，隔热夹层(39)外面套有橡胶套(32)，橡胶套(32)外侧为围压腔(26)，围压腔(26)是外壳(28)和橡胶套(32)之间的环形空腔，在外壳(28)上有气压计量接口(29)、加热接口(33)和加压接口(34)；保温装置两侧连接调节堵头(25)，调节堵头(25)上安装有堵头调节组件(36)，通过堵头调节组件(36)使调节堵头(25)与高温岩芯夹持器(9)两侧的固定堵头(24)紧密相连；

注入系统包括注入泵(1)、气瓶(4)、减气阀(5)、连通阀门一(17)、控制阀门(6)和与注入泵(1)连通的活塞式中间容器(15)，所述活塞式中间容器(15)外部连接温度计量器一(14)，内部设有活塞(16)，出口端外接压力计量器一(22)，并通过连通阀门一(17)与高温岩芯夹持器(9)上的入口(23)以及控制阀门(6)相连，控制阀门(6)的另一侧与减气阀(5)的出口侧相连，减气阀(5)的入口侧与气瓶(4)以及压力计量器二(49)相连；

所述压力控制系统包括压力变送器(7)，差压变送器(8)，排气阀门(19)，回压泵(20)，回压阀(11)，积液瓶(12)，回压缓冲容器(21)，环压泵(18)，固液分离器(10)和四个连通阀门(44，45，50，51)，固液分离器(10)的入口端连通高温岩芯夹持器(9)的出口端(35)，固液分离器(10)的出口端通过回压阀(11)分别连接回压缓冲容器(21)和积液瓶(12)，积液瓶(12)下部设置天平(13)，天平(13)与温度控制系统的数据收集板(3)相连，积液瓶(12)另一端与回压泵(20)相连，环压泵(18)与排气阀门(19)以及连通阀门三(45)相连，连通阀门三(45)与高温岩芯夹持器(9)上的加压接口(34)相连接，高温岩芯夹持器(9)进出口均设有压力变送器(7)，压力变送器(7)的另一端连接数据收集板(3)，两个进出口端的压力变送器(7)与高温岩芯夹持器(9)相连的一端分别外连连通阀门五(51)和两个连通阀门二(44)，连通阀门五(51)和两个连通阀门二(44)间设有差压变送器(8)，同时有一个连通阀门四(50)与差压变送器(8)并联，压力计量器三(52)一端与高温岩芯夹持器(9)上的气压计量接口(29)相连，另一端与数据收集板(3)相连；

温度控制系统包括数据处理器(2)和数据收集板(3)，四个温度计量器(14，46，47，48)，温度计量器二(46)的一端连接入口(23)，另一端连接数据收集板(3)，温度计量器四(48)的一端连接出口端(35)，另一端连接数据收集板(3)，温度计量器三(47)的一端连接岩体内部的探头，另一端连接数据收集板(3)，数据收集板(3)一侧与整个模拟装置中所有的温度计量器以及压力计量器相连，另一侧与数据处理器(2)相连，温度计量器一(14)置于注入系统的活塞式中间容器(15)的外部。

2.根据权利要求1所述的一种高温应力下流体裂隙渗流模拟装置，其特征在于：位于高温岩芯夹持器(9)内部的产出堵头(37)与注入堵头(40)为多层隔热结构，在与紫铜套连接的部分与水孔连接的部分之间有一层隔热石棉(43)，注入堵头(40)上有一个贯穿小孔，温度计量器三(47)的探头测量时穿过小孔。

3.根据权利要求1所述的一种高温应力下流体裂隙渗流模拟装置，其特征在于：密封螺栓(41)在被拧紧时会挤压密封铜套(53)使其变形，变形后的密封铜套(53)会紧密贴合密封螺栓(41)的内孔和探头线，同时在岩石孔内使用高温密封胶(54)将岩石孔内密封。