CN109870350B - 一种防漏液高温高压水压致裂系统和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防漏液高温高压水压致裂系统和试验方法。致裂系统中的夹持器包括夹持器筒体，夹持器筒体上部在夹持器筒体内壁与铜套外壁之间套设上预紧外套，夹持器筒体下部在夹持器筒体内壁与铜套外壁之间套设下预紧外套，下预紧外套朝向铜套限位凸台上端面的限位端面上周向分布预紧压缩弹簧；在上预紧外套卡住铜套上部的情况下，预紧压缩弹簧压缩后向铜套提供轴向预紧张力；高温加热后预紧压缩弹簧提供的预紧力大于岩芯相对于铜套的沿轴向的静摩擦力，避免铜套发生轴向回缩或褶皱软化引起破裂，杜绝了漏液。本发明针对小型岩样，密封材料及结构满足高温高压环境，可研究高温条件下完整岩芯和含天然裂隙岩芯的水压致裂起裂压力及裂缝扩展特性。

Description

一种防漏液高温高压水压致裂系统和试验方法

技术领域

本发明涉及一种防漏液高温高压水压致裂系统和试验方法，属于干热岩地热开采领域。

背景技术

干热岩(HDR)指的是赋存在地面以下3-10km、温度150-650℃且内部不存在或少量存在流体的高温岩石(主要为变质类和结晶类岩体)，干热岩具有致密、低渗透的特点，普通开采难以实现，增强型地热系统(EGS)是目前干热岩能源开发工程的主要技术，随着地热项目的推动，EGS系统的基础研究及其工程应用等一系列问题，成为近年来国内外研究的新兴热点。

人工储流层建造是EGS系统最关键的步骤，其要求载热流体和高温岩体之间要有足够大的热交换面积，目前，在高温岩体人工储流层的建造中，一般采用巨型水压致裂技术，在高温高压状态下的水压致裂工程是一个极其复杂的多相介质多场耦合的问题，其核心科学问题是在热力耦合作用下高温高压岩体的破裂力学行为，包括温度、压力、岩石岩性、岩石均质性等对水压致裂起裂和裂缝扩展规律的影响，必须通过实验研究，掌握热力耦合作用下高温高压岩体水压致裂的特性和规律，为高温岩体地热开采工程中储留层的建造工程提供理论依据和指导，但目前针对地热研究的相关试验设备研制较少。

当前国内外对于水压致裂装置的研制主要针对石油领域和煤层气开发领域，使用温度多为200-300℃，而地热开发的压裂和石油领域的压裂有着本质不同，主要体现在地热领域的压裂面临着高温(0-600℃)、高压(0-60MPa)环境，高温高压下试验装置的传压介质选择、加热方式、密封结构等问题一直是技术难题。一方面，水压致裂装置的隔离铜套在高温条件下(尤其300℃以上)的延展性呈非线性增大，铜套非常容易发生褶皱破裂并引发漏液，导致实验失败；另一方面，已有的水压致裂装置多针对大型岩样，且单次试验操作繁琐、成本较高。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种防漏液高温高压水压致裂系统和试验方法，能够避免隔离铜套因高温高压发生褶皱破裂导致漏液，操作简单、成本较低，且有利于研究不同条件下的岩石水压致裂的起裂压力及裂缝扩展规律。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种防漏液高温高压水压致裂系统，包括夹持器，所述夹持器包括竖直设置的夹持器筒体，所述夹持器筒体内与其同轴设有一铜套，夹持器筒体壁中设有可从外部向夹持器筒体与铜套之间的围压腔注压力油的围压注油孔，一上压头与夹持器筒体同轴从上方插入铜套中，一下堵头与夹持器筒体同轴从下方插入铜套中，上压头、下堵头与铜套围成的空间中设有岩芯，

所述夹持器筒体上部在夹持器筒体内壁与铜套外壁之间套设一上预紧外套，铜套与上预紧外套通过轴向卡接结构配合卡接在一起；所述夹持器筒体下部在夹持器筒体内壁与铜套外壁之间套设一下预紧外套，且铜套下端环绕外周表面设有限位凸台，所述下预紧外套朝向限位凸台上端面的限位端面上周向分布设有预紧压缩弹簧，预紧压缩弹簧的两端分别顶住限位端面和限位凸台上端面；

所述上压头从上至下包括压头上部、压头本体和深入铜套的压头下部，压头下部径向尺寸大于压头中部的径向尺寸，一上密封预紧套从上方套入上压头且其下端沿轴向顶住压头下部，所述上密封预紧套的下端面设有一密封圈Ⅰ，且上密封预紧套的下部外周表面与铜套内表面紧密贴合；一预紧螺栓与上压头轴向平行穿过螺旋紧固套设在压头上部的上预紧压帽并顶住上密封预紧套的上端面；一上封头套在上密封预紧套上且通过连接螺栓连接到夹持器筒体的上端面，所述上压头中沿其轴向贯通设有进水管路；

所述下堵头包括堵头下部和深入铜套的堵头上部，堵头上部径向尺寸大于堵头下部径向尺寸，一下预紧内套从下方套入下堵头且其上端沿轴向顶住堵头上部，所述下预紧内套的上端面设有一密封圈Ⅱ，且下预紧内套的外周表面与铜套内表面紧密贴合；一下封头套在堵头下部上且通过连接螺栓连接到夹持器筒体的下端面；所述下堵头中沿其轴向贯通设有渗流出水通道，所述夹持器筒体与上封头、下封头相连接的部位皆设有密封结构；

所述上压头上端面与一伺服液压试验机的压力部件接触，所述进水管路外接至恒压恒流注液装置，渗流出水通道通过回水管连接至水回收箱，夹持器筒体外包覆有一外部加热结构，所述围压注油孔通过输油管线外接至注油装置。

优选的，所述恒压恒流注液装置包括恒压恒流双缸泵，恒压恒流双缸泵的进水口与水容器相连，恒压恒流双缸泵的出水口通过出水管与进水管路连接，且出水管上设有用于监测压力的压力表Ⅱ。

优选的，所述注油装置为恒压恒流单缸注油泵；外部加热结构为电加热器，且输油管线上设有用于监测围压的压力表Ⅰ。

作为一个优选的方案，所述夹持器筒体的筒体下部内径大于夹持器筒体的筒体上部外径。可以容纳具有更大面积限位端面的下预紧外套和更大端面尺寸的限位凸台，从而可以根据需要安装足以提供更大预紧力的大直径弹簧，也可以在限位端面上安装更多数量的预紧压缩弹簧，为铜套提供更大的预紧效果，以满足不同的使用要求。

优选的，所述轴向卡接结构包括设在铜套上端外周的限位凸块和与其轴向配合设在上预紧外套内圈下部的卡块。安装过程中施加预紧力时，当铜套上表面与夹持器筒体上端面平齐时，将上预紧外套从上方置于夹持器筒体内壁与铜套外壁之间，置入时使铜套上端外周的限位凸块与上预紧外套内圈的卡块互相错开，置入后旋转上预紧外套使卡块沿轴向卡住限位凸块避免铜套整体沿轴向向下移动。此时预紧压缩弹簧处于压缩状态并对限位凸台上端面施加向下的预紧力，从而对铜套预紧。

进一步的，所述下预紧外套的内圈环绕分布设有多个凸齿，当下预紧外套套在铜套上时，各凸齿均顶住铜套的外圈表面。分布设置的多个凸齿一方面可以定位下预紧外套的位置，避免其定位后出现相对于铜套沿径向的滑动；另一方面，安装下预紧外套时，凸齿可以与限位凸块错开保证下预紧外套能从铜套上方自上而下套在铜套上。

作为一个优选的方案，所述上封头背对夹持器筒体的上端面环绕上密封预紧套设有环形槽Ⅰ，一端面设有密封环的上封压帽套在上密封预紧套上并嵌入环形槽Ⅰ中，且上封压帽通过螺钉与上封头连接。设有密封环的上封压帽可以提供更好的密封，有效避免压力油从上封头与密封预紧套之间渗出。

作为一个优选的方案，所述下封头背对夹持器筒体的下端面环绕下堵头设有环形槽Ⅱ，一端面设有密封环的下密封压紧环嵌入环形槽Ⅱ中，且下密封压紧环通过螺钉与下封头连接。包含密封环的下密封压紧环可以进一步提供更好的密封，有效避免压力油从下封头与下堵头之间渗出。

预紧压缩弹簧为高劲度系数弹簧，共八根，常温下八根预紧压缩弹簧压缩后的合力值为铜套提供轴向的预紧张力，使铜套处于弹性变形阶段；高温加热后，预紧压缩弹簧继续提供轴向预紧力，且轴向预紧力的合力值大于岩芯表面与铜套内表面之间的静摩擦力，从而能够避免铜套在高温受热后发生延展和褶皱变形破裂，杜绝了漏液现象的发生。

本发明还公开的防漏液高温高压水压致裂试验方法包括如下步骤：

A、制备圆柱形花岗岩岩芯，在岩芯上表面中心钻一沉孔；

B、将下预紧外套和预紧压缩弹簧从下方置入夹持器筒体内，再将铜套沿夹持器筒体轴向从下往上置入夹持器筒体内，置入过程中使限位凸块与凸齿错开保证铜套从下预紧外套中直接穿过直至预紧压缩弹簧的两端分别顶住下预紧外套的限位端面和限位凸台上端面，此时预紧压缩弹簧处于自然伸长状态，为了使预紧压缩弹簧可以提供向下的预紧张力，将辅助安装环通过表面的定位凸台与铜套限位凸台下端面的定位凹槽对接从而将辅助安装环配合置于铜套的下部且同时置入夹持器筒体中，再用压力机从下方顶住辅助安装环的下端面并向上施压使辅助安装环和铜套沿轴向向上移动压缩预紧压缩弹簧，当铜套上表面与夹持器筒体上端面平齐且辅助安装环的下端面与夹持器筒体下端面平齐时，将上预紧外套从上方置于夹持器筒体内壁与铜套外壁之间，置入时使铜套上端外周的限位凸块与上预紧外套内圈的卡块互相错开，置入后旋转上预紧外套使卡块沿轴向卡住限位凸块避免铜套整体沿轴向向下移动，此时预紧压缩弹簧处于压缩状态并对限位凸台上端面施加向下的预紧力，从而对铜套预紧；完成预紧过程后撤掉辅助安装环；

C、下预紧内套和下封头依次从下方套入下堵头上，并将装配好的夹持器筒体、上下预紧外套和铜套整体通过连接螺栓安装在下封头上；

D、将岩芯从上方置入铜套内，将外部套有上密封预紧套的上压头置入铜套并压住岩芯，将上预紧压帽螺旋紧固套设在压头上部，并使预紧螺栓与上压头轴向平行穿过上预紧压帽再顶住上密封预紧套的上端面从而压紧上密封预紧套下端面的密封圈Ⅰ，上封头套在上密封预紧套上且通过连接螺栓连接到夹持器筒体的上端面，上压头中的进水管路一端插入岩芯上表面中心的沉孔中，另一端连接到恒压恒流双缸泵上；将夹持器筒体整体置于外部加热结构内；

E、用伺服液压试验机压住上压头并加载提供轴压，将围压注油孔与恒压恒流单缸注油泵连接，用恒压恒流单缸注油泵将耐高温硅油注入围压腔内加载一定的围压，轴压、围压交替加载至试验目标值；

F、达到所需要的应力环境后，利用外部加热结构对岩芯进行外加热至试验设定温度，这个过程通过压力表对围压保持跟踪并及时调节，避免热应力使围压波动；

G、温度及应力环境达到试验设定要求后，用恒压恒流双缸泵通过进水管路向岩芯注压力水对试样进行压裂，并记录试验过程中压力随时间变化的曲线；

H、试验结束后拆卸夹持器并进行下一组试验即可。

相对于现有技术，本发明具有如下优势：

(1)本发明针对小型岩样(φ50*100mm)，单次试验一人即可进行，操作方便，单次试验成本较低。

(2)本发明设计严谨，在夹持器筒体与上封头、下封头相连接的部位皆设有石墨密封圈，且在伸入铜套的上压头、下堵头上设置了多道密封，密封结构合理，且具有耐高温的特点，在高温高压试验条件下也能保证密封有效；

常温下，在上预紧外套卡住铜套上部的情况下，预紧压缩弹簧压缩后顶住铜套的限位凸台为铜套提供轴向的预紧张力，使铜套处于弹性变形阶段；高温加热后，预紧压缩弹簧继续为铜套提供轴向预紧拉力，且其提供的轴向预紧力的合力值大于岩芯表面与铜套内表面之间的静摩擦力，从而可以避免铜套在高温受热后发生延展和褶皱变形破裂，杜绝了漏液现象的发生、保证了试验成功率。

(3)经实际试验，本发明试验温度为室温至400℃，试验温度下耐压60MPa，能够耐高温高压，能够很容易监测得到岩芯的起裂压力，有利于研究热力耦合作用下高温高压岩体的破裂力学行为，包括温度、压力、岩石岩性、岩石均质性等对水压致裂起裂压力及裂缝扩展规律的影响；进而有利于掌握热力耦合作用下高温高压岩体水压致裂的特性和规律，为高温岩体地热开采工程中储留层的建造工程提供理论依据和指导。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是本发明包含的防漏液高温高压水压致裂夹持器的结构示意图；

图3是图2中的上压头示意图；

图4是图2中的夹持器筒体示意图；

图5是图2中的上预紧外套的示意图；

图6是图2中的铜套示意图；

图7是图2中的下预紧外套及预紧压缩弹簧安装示意图；

图8是图2中的下堵头示意图；

图9是本发明安装时用到的辅助安装环的示意图；

图10是分别在200℃、360℃、450℃的试验温度下监测到的压力水压力随时间变化的曲线；

图中，1.上压头；1-1.出口插块；1-2.进水管路；1-3.压头上部；1-4.压头本体；1-5.压头下部；2.上预紧压帽；3.上密封预紧套；3-1.密封圈Ⅰ，4.预紧螺栓；5.上封压帽；6.上封头；8.石墨密封圈；

9.夹持器筒体；9-1.筒体上部；9-2.筒体下部；9-3.围压注油孔；10.上预紧外套；10-1.卡块；10-2.旋转定位孔；11.下预紧外套；11-1.限位端面；11-2.弹簧安装孔；11-3.凸齿；12.铜套；12-1.限位凸块；12-2.限位凸台；13.岩芯；14.预紧压缩弹簧；15.辅助安装环，15-1.定位凸台；

16.下预紧内套；16-1.密封圈Ⅱ；17.下堵头；17-1.渗流出水通道；17-2.堵头上部；17-3.堵头下部；18.下封头；19.下密封压紧环；

20.恒压恒流双缸泵；20-1.压力表Ⅱ，21.恒压恒流单缸注油泵；22.伺服液压试验机；23.外部加热结构；24.回水管；25.压力表Ⅰ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图所示，一种防漏液高温高压水压致裂系统，包括夹持器，所述夹持器包括竖直设置的夹持器筒体9，所述夹持器筒体9内与其同轴设有一铜套12，夹持器筒体9壁中设有可从外部向夹持器筒体9与铜套12之间的围压腔注压力油的围压注油孔9-3，一上压头1与夹持器筒体9同轴从上方插入铜套12中，一下堵头17与夹持器筒体9同轴从下方插入铜套12中，上压头1、下堵头17与铜套12围成的空间中设有岩芯13，

所述夹持器筒体9上部在夹持器筒体9内壁与铜套12外壁之间套设一上预紧外套10，铜套12与上预紧外套10通过轴向卡接结构配合卡接在一起；所述夹持器筒体9下部在夹持器筒体9内壁与铜套12外壁之间套设一下预紧外套11，且铜套12下端环绕外周表面设有限位凸台12-2，所述下预紧外套11朝向限位凸台12-2上端面的限位端面11-1上周向分布设有预紧压缩弹簧14，预紧压缩弹簧14一端固定在限位端面11-1上的弹簧安装孔11-2内，且预紧压缩弹簧14的两端分别顶住限位端面11-1和限位凸台12-2上端面；

所述上压头1从上至下包括压头上部1-3、压头本体1-4和深入铜套12的压头下部1-5，压头下部1-5径向尺寸大于压头中部的径向尺寸，一上密封预紧套3从上方套入上压头1且其下端沿轴向顶住压头下部1-5，所述上密封预紧套3的下端面设有一密封圈Ⅰ3-1，且上密封预紧套3的下部外周表面与铜套12内表面紧密贴合；一预紧螺栓4与上压头1轴向平行穿过螺旋紧固套设在压头上部1-3的上预紧压帽2并顶住上密封预紧套3的上端面，上密封预紧套3、上预紧压帽2和预紧螺栓4共同作用可压紧密封圈Ⅰ3-1；一上封头6套在上密封预紧套3上且通过连接螺栓连接到夹持器筒体9的上端面；所述上压头1中沿其轴向贯通设有进水管路1-2；

所述下堵头17包括堵头下部17-3和深入铜套12的堵头上部17-2，堵头上部17-2径向尺寸大于堵头下部17-3径向尺寸，一下预紧内套16从下方套入下堵头17且其上端沿轴向顶住堵头上部17-2，所述下预紧内套16的上端面设有一密封圈Ⅱ16-1，且下预紧内套16的外周表面与铜套12内表面紧密贴合；一下封头18套在堵头下部17-3上且通过连接螺栓连接到夹持器筒体9的下端面；所述下堵头17中沿其轴向贯通设有渗流出水通道17-1，下堵头17和岩芯13接触的端面设有散射状渗流槽；所述夹持器筒体9与上封头6、下封头18相连接的部位皆设有密封结构；

所述上压头1上端面与伺服液压试验机22的压力部件接触，进水管路1-2外接至恒压恒流注液装置，渗流出水通道17-1通过回水管24连接至水回收箱，夹持器筒体9外包覆有一外部加热结构23，所述围压注油孔9-3通过输油管线外接至注油装置。

上述的恒压恒流注液装置包括恒压恒流双缸泵20，恒压恒流双缸泵20的进水口与水容器相连，恒压恒流双缸泵20的出水口通过出水管与进水管路1-2连接，且出水管上设有用于监测压力的压力表Ⅱ20-1。

注油装置为恒压恒流单缸注油泵21；外部加热结构23为电加热器，且输油管线上设有用于监测围压的压力表Ⅰ25。

上述铜套12制作时是用模具整体浇筑成型，且能重复利用、重复浇筑。

作为一个优选的方案，所述夹持器筒体9的筒体下部9-2内径大于夹持器筒体9的筒体上部9-1外径。可以容纳具有更大面积限位端面11-1的下预紧外套11和更大端面尺寸的限位凸台12-2，从而可以根据需要安装足以提供更大预紧力的大直径弹簧，也可以在限位端面11-1上安装更多数量的预紧压缩弹簧14，为铜套12提供更大的预紧效果，以满足不同的使用要求。

优选的，所述轴向卡接结构包括设在铜套12上端外周的限位凸块12-1和与其轴向配合设在上预紧外套10内圈下部的卡块10-1。安装过程中施加预紧力时，当铜套12上表面与夹持器筒体9上端面平齐时，将上预紧外套10从上方置于夹持器筒体9内壁与铜套12外壁之间，置入时使铜套12上端外周的限位凸块12-1与上预紧外套10内圈的卡块10-1互相错开，置入后旋转上预紧外套10使卡块10-1沿轴向卡住限位凸块12-1避免铜套12整体沿轴向向下移动。此时预紧压缩弹簧14处于压缩状态并对限位凸台12-2上端面施加向下的预紧力，从而对铜套12预紧。

进一步的，所述下预紧外套11的内圈环绕分布设有多个凸齿11-3，当下预紧外套11套在铜套12上时，各凸齿11-3均顶住铜套12的外圈表面。分布设置的多个凸齿11-3一方面可以定位下预紧外套11的位置，避免其定位后出现相对于铜套12沿径向的滑动；另一方面，安装下预紧外套11时，凸齿11-3可以与限位凸块12-1错开保证下预紧外套11能从铜套12上方自上而下套在铜套12上。

作为一个优选的方案，所述上封头6背对夹持器筒体9的上端面环绕上密封预紧套3设有环形槽Ⅰ，一端面设有密封环的上封压帽5套在上密封预紧套3上并嵌入环形槽Ⅰ中，且上封压帽5通过螺钉与上封头6连接。设有密封环的上封压帽5可以提供更好的密封，有效避免压力油从上封头6与密封预紧套之间渗出。

作为一个优选的方案，所述下封头18背对夹持器筒体9的下端面环绕下堵头17设有环形槽Ⅱ，一端面设有密封环的下密封压紧环19嵌入环形槽Ⅱ中，且下密封压紧环19通过螺钉与下封头18连接。包含密封环的下密封压紧环19可以进一步提供更好的密封，有效避免压力油从下封头18与下堵头17之间渗出。

优选的，所述密封结构为设在夹持器筒体9端面上的石墨密封圈8。石墨密封圈8耐高温和耐压，在高温高压下加载时也不会出现密封泄漏。

进水管路1-2为预埋的304不锈钢管。304不锈钢管强度高，可以满足注入高压水对岩芯13进行压裂的使用要求。

为了不影响上压头1受压，所述压头上部1-3一侧设有出口插块1-1，所述出口插块1-1内的管路沿上压头1径向设置并与进水管路1-2连通。方便在上压头1内设置进水管路1-2而不影响压力机对上压头1的轴向加载。

预紧压缩弹簧14为高劲度系数弹簧，共八根，常温下八根预紧压缩弹簧14压缩后的合力值为铜套12提供轴向的预紧张力，使铜套12处于弹性变形阶段；高温加热后，预紧压缩弹簧14继续提供轴向预紧力，且轴向预紧力的合力值大于岩芯13表面与铜套12内表面之间的静摩擦力(该静摩擦力由从外部直接作用于铜套的围压所产生)，从而能够避免铜套12在高温受热后发生延展和褶皱变形破裂，杜绝了漏液现象的发生。

结合具体试验描述防漏液高温高压水压致裂试验方法，包括如下步骤：

A、制备φ50*100mm的圆柱形花岗岩岩芯13，在岩芯13上表面中心钻沉孔；

B、将下预紧外套11和预紧压缩弹簧14从下方置入夹持器筒体9内，再将铜套12沿夹持器筒体9轴向从下往上置入夹持器筒体9内，置入过程中使限位凸块12-1与凸齿11-3错开保证铜套12从下预紧外套11中直接穿过直至预紧压缩弹簧14的两端分别顶住下预紧外套11的限位端面11-1和限位凸台12-2上端面，此时预紧压缩弹簧14处于自然伸长状态，为了使预紧压缩弹簧14可以提供向下的预紧张力，将一辅助安装环15通过表面的定位凸台15-1与铜套限位凸台12-2下端面的定位凹槽12-3对接从而将辅助安装环15置于铜套12的下部且置入夹持器筒体9中，再用压力机从下方顶住辅助安装环15的下端面并向上施压使辅助安装环15和铜套12沿轴向向上移动压缩预紧压缩弹簧14，当铜套12上表面与夹持器筒体9上端面平齐且辅助安装环15的下端面与夹持器筒体9下端面平齐时，将上预紧外套10从上方置于夹持器筒体9内壁与铜套12外壁之间，置入时使铜套12上端外周的限位凸块12-1与上预紧外套10内圈的卡块10-1互相错开，置入后采用工具插入上预紧外套10上端面的旋转定位孔10-2并旋转上预紧外套10，使卡块10-1沿轴向卡住限位凸块12-1避免铜套12整体沿轴向向下移动，此时预紧压缩弹簧14处于压缩状态并对限位凸台12-2上端面施加向下的预紧力，从而对铜套12预紧；完成预紧过程后撤掉辅助安装环15；

C、下预紧内套16和下封头18依次从下方套入下堵头17上，并将装配好的夹持器筒体9、上下预紧外套11和铜套12整体通过连接螺栓安装在下封头18上；

D、将岩芯13从上方置入铜套12内，将外部套有上密封预紧套3的上压头1置入铜套12并压住岩芯13，将上预紧压帽2螺旋紧固套设在压头上部1-3，并使预紧螺栓4与上压头1轴向平行穿过上预紧压帽2再顶住上密封预紧套3的上端面从而压紧上密封预紧套3下端面的密封圈Ⅰ3-1，上封头6套在上密封预紧套3上且通过连接螺栓连接到夹持器筒体9的上端面，上压头1中的进水管路1-2一端插入岩芯13上表面中心的沉孔中，另一端连接到恒压恒流双缸泵20上；将夹持器筒体9整体置于外部加热结构23内；

E、用伺服液压试验机22压住上压头1并加载提供轴压，将围压注油孔9-3与恒压恒流单缸注油泵21连接，用恒压恒流单缸注油泵21将耐高温硅油注入围压腔内加载一定的围压，轴压、围压交替加载至试验目标值；

F、达到所需要的应力环境后，利用外部加热结构23对岩芯13进行外加热至试验设定温度，这个过程通过压力表对围压保持跟踪并及时调节，避免热应力使围压波动；

G、温度及应力环境达到试验设定要求后，用恒压恒流双缸泵20通过进水管路1-2向岩芯13注压力水对试样进行压裂，压裂后水从回水管24流出，记录试验过程中压力随时间变化的曲线；

H、试验结束后拆卸夹持器并进行下一组试验即可。

如图10所示，是试验温度分别为200℃、360℃、450℃时分别监测到的压力水的压力随时间的变化曲线，图中的压力突降点(黑色箭头处)即表示岩芯13的水压致裂起裂压力。从图中可见，试验温度分别为200℃、360℃、450℃时，水压致裂压力分别为77MPa、50MPa、42MPa。

Claims (10)

1.一种防漏液高温高压水压致裂系统，包括夹持器，所述夹持器包括竖直设置的夹持器筒体(9)，所述夹持器筒体(9)内与其同轴设有一铜套(12)，夹持器筒体(9)壁中设有可从外部向夹持器筒体(9)与铜套(12)之间的围压腔注压力油的围压注油孔(9-3)，一上压头(1)与夹持器筒体(9)同轴从上方插入铜套(12)中，一下堵头(17)与夹持器筒体(9)同轴从下方插入铜套(12)中，上压头(1)、下堵头(17)与铜套(12)围成的空间中设有岩芯(13)，其特征在于，

所述夹持器筒体(9)上部在夹持器筒体(9)内壁与铜套(12)外壁之间套设一上预紧外套(10)，铜套(12)与上预紧外套(10)通过轴向卡接结构配合卡接在一起；所述夹持器筒体(9)下部在夹持器筒体(9)内壁与铜套(12)外壁之间套设一下预紧外套(11)，且铜套(12)下端环绕外周表面设有限位凸台(12-2)，所述下预紧外套(11)朝向限位凸台(12-2)上端面的限位端面(11-1)上周向分布设有预紧压缩弹簧(14)，预紧压缩弹簧(14)的两端分别顶住限位端面(11-1)和限位凸台(12-2)上端面；

所述上压头(1)从上至下包括压头上部(1-3)、压头本体(1-4)和深入铜套(12)的压头下部(1-5)，压头下部(1-5)径向尺寸大于压头中部的径向尺寸，一上密封预紧套(3)从上方套入上压头(1)且其下端沿轴向顶住压头下部(1-5)，所述上密封预紧套(3)的下端面设有一密封圈Ⅰ(3-1)，且上密封预紧套(3)的下部外周表面与铜套(12)内表面紧密贴合；一预紧螺栓(4)与上压头(1)轴向平行穿过螺旋紧固套设在压头上部(1-3)的上预紧压帽(2)并顶住上密封预紧套(3)的上端面；一上封头(6)套在上密封预紧套(3)上且通过连接螺栓连接到夹持器筒体(9)的上端面，所述上压头(1)中沿其轴向贯通设有进水管路(1-2)；

所述下堵头(17)包括堵头下部(17-3)和深入铜套(12)的堵头上部(17-2)，堵头上部(17-2)径向尺寸大于堵头下部(17-3)径向尺寸，一下预紧内套(16)从下方套入下堵头(17)且其上端沿轴向顶住堵头上部(17-2)，所述下预紧内套(16)的上端面设有一密封圈Ⅱ(16-1)，且下预紧内套(16)的外周表面与铜套(12)内表面紧密贴合；一下封头(18)套在堵头下部(17-3)上且通过连接螺栓连接到夹持器筒体(9)的下端面；所述下堵头(17)中沿其轴向贯通设有渗流出水通道(17-1)，所述夹持器筒体(9)与上封头(6)、下封头(18)相连接的部位皆设有密封结构；

所述上压头(1)上端面与一伺服液压试验机(22)的压力部件接触，所述进水管路(1-2)外接至恒压恒流注液装置，渗流出水通道(17-1)通过回水管(24)连接至水回收箱，夹持器筒体(9)外包覆有一外部加热结构(23)，所述围压注油孔(9-3)通过输油管线外接至注油装置；所述的恒压恒流注液装置包括恒压恒流双缸泵(20)；外部加热结构(23)为电加热器。

2.根据权利要求1所述的防漏液高温高压水压致裂系统，其特征在于，恒压恒流双缸泵(20)的进水口与水容器相连，恒压恒流双缸泵(20)的出水口通过出水管与进水管路(1-2)连接，且出水管上设有用于监测压力的压力表Ⅱ(20-1)。

3.根据权利要求1所述的防漏液高温高压水压致裂系统，其特征在于，所述注油装置为恒压恒流单缸注油泵(21)；且输油管线上设有用于监测围压的压力表Ⅰ(25)。

4.根据权利要求1所述的防漏液高温高压水压致裂系统，其特征在于，所述夹持器筒体(9)的筒体下部(9-2)内径大于夹持器筒体(9)的筒体上部(9-1)外径。

5.根据权利要求1所述的防漏液高温高压水压致裂系统，其特征在于，所述轴向卡接结构包括设在铜套(12)上端外周的限位凸块(12-1)和与其轴向配合设在上预紧外套(10)内圈下部的卡块(10-1)。

6.根据权利要求1所述的防漏液高温高压水压致裂系统，其特征在于，所述下预紧外套(11)的内圈环绕分布设有多个凸齿(11-3)，当下预紧外套(11)套在铜套(12)上时，各凸齿(11-3)均顶住铜套(12)的外圈表面。

7.根据权利要求1所述的防漏液高温高压水压致裂系统，其特征在于，所述上封头(6)背对夹持器筒体(9)的上端面环绕上密封预紧套(3)设有环形槽Ⅰ，一端面设有密封环的上封压帽(5)套在上密封预紧套(3)上并嵌入环形槽Ⅰ中，且上封压帽(5)通过螺钉与上封头(6)连接。

8.根据权利要求1所述的防漏液高温高压水压致裂系统，其特征在于，所述下封头(18)背对夹持器筒体(9)的下端面环绕下堵头(17)设有环形槽Ⅱ，一端面设有密封环的下密封压紧环(19)嵌入环形槽Ⅱ中，且下密封压紧环(19)通过螺钉与下封头(18)连接。

9.根据权利要求1所述的防漏液高温高压水压致裂系统，其特征在于，预紧压缩弹簧(14)有八根。

10.一种防漏液高温高压水压致裂试验方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1-9中任一所述的防漏液高温高压水压致裂系统操作实现，包括如下步骤：

A、制备圆柱形花岗岩岩芯(13)，在岩芯(13)上表面中心钻一沉孔；

B、将下预紧外套(11)和预紧压缩弹簧(14)从下方置入夹持器筒体(9)内，再将铜套(12)沿夹持器筒体(9)轴向从下往上置入夹持器筒体(9)内，置入过程中使限位凸块(12-1)与凸齿(11-3)错开保证铜套(12)从下预紧外套(11)中直接穿过直至预紧压缩弹簧(14)的两端分别顶住下预紧外套(11)的限位端面(11-1)和限位凸台(12-2)上端面，此时预紧压缩弹簧(14)处于自然伸长状态，为了使预紧压缩弹簧(14)可以提供向下的预紧张力，将辅助安装环(15)通过表面的定位凸台(15-1)与铜套限位凸台(12-2)下端面的定位凹槽(12-3)对接从而将辅助安装环(15)配合置于铜套(12)的下部且同时置入夹持器筒体(9)中，再用压力机从下方顶住辅助安装环(15)的下端面并向上施压使辅助安装环(15)和铜套(12)沿轴向向上移动压缩预紧压缩弹簧(14)，当铜套(12)上表面与夹持器筒体(9)上端面平齐且辅助安装环(15)的下端面与夹持器筒体(9)下端面平齐时，将上预紧外套(10)从上方置于夹持器筒体(9)内壁与铜套(12)外壁之间，置入时使铜套(12)上端外周的限位凸块(12-1)与上预紧外套(10)内圈的卡块(10-1)互相错开，置入后旋转上预紧外套(10)使卡块(10-1)沿轴向卡住限位凸块(12-1)避免铜套(12)整体沿轴向向下移动，此时预紧压缩弹簧(14)处于压缩状态并对限位凸台(12-2)上端面施加向下的预紧力，从而对铜套(12)预紧；完成预紧过程后撤掉辅助安装环(15)；

C、下预紧内套(16)和下封头(18)依次从下方套入下堵头(17)上，并将装配好的夹持器筒体(9)、上下预紧外套(11)和铜套(12)整体通过连接螺栓安装在下封头(18)上；

D、将岩芯(13)从上方置入铜套(12)内，将外部套有上密封预紧套(3)的上压头(1)置入铜套(12)并压住岩芯(13)，将上预紧压帽(2)螺旋紧固套设在压头上部(1-3)，并使预紧螺栓(4)与上压头(1)轴向平行穿过上预紧压帽(2)再顶住上密封预紧套(3)的上端面从而压紧上密封预紧套(3)下端面的密封圈Ⅰ(3-1)，上封头(6)套在上密封预紧套(3)上且通过连接螺栓连接到夹持器筒体(9)的上端面，上压头(1)中的进水管路(1-2)一端插入岩芯(13)上表面中心的沉孔中，另一端连接到恒压恒流双缸泵(20)上；将夹持器筒体(9)整体置于外部加热结构(23)内；

E、用伺服液压试验机(22)压住上压头(1)并加载提供轴压，将围压注油孔(9-3)与恒压恒流单缸注油泵(21)连接，用恒压恒流单缸注油泵(21)将耐高温硅油注入围压腔内加载一定的围压，轴压、围压交替加载至试验目标值；

F、达到所需要的应力环境后，利用外部加热结构(23)对岩芯(13)进行外加热至试验设定温度，这个过程通过压力表对围压保持跟踪并及时调节，避免热应力使围压波动；

G、温度及应力环境达到试验设定要求后，用恒压恒流双缸泵(20)通过进水管路(1-2)向岩芯(13)注压力水对试样进行压裂，并记录试验过程中压力随时间变化的曲线；

H、试验结束后拆卸夹持器并进行下一组试验即可。