CN110242267B - 用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统及方法，属于增强型地热系统(EGS)干热岩注水压裂剪切试验技术领域。本发明方法包括：首先利用双开不锈钢模具制作含注水钻孔、起裂裂纹的石蜡倒模；其次，利用石膏、水和标准模具制作含石蜡倒模、不同形式原生裂隙的大尺寸类岩石试件；接着，将试件安置于上下两个加热套筒中并安置于直剪试验机中，接通电源加热后将石蜡液体倒出；最后，安装声发射传感器、注水管和滑动压板，操作试验机施加轴向应力和剪切应力，选择合适的注水参数、温度参数和加载预应力参数进行试验。本发明真实反映了干热岩储层激发过程，为研究干热岩注水压裂剪切裂纹扩展机制提供有效的室内试验手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟增强型地热系统(EGS)干热岩注水压裂剪切试验技术领域，具体涉及一种模拟增强型地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统及方法。
背景技术
地热是一种蕴藏在地球内部的可再生热能资源。与煤炭、石油和天然气等传统的化石能源相比，地热能具备数量巨大、可再生、低碳、环保、就地取用等优势。据山东省地矿局初步评价，全省可利用地热能资源量为4.21×1020J，折合标准煤240亿吨，相当于山东省煤炭资源保有经济可采储量46亿吨的5倍。因此，大力开发利用本省地热资源有利于缓解区域能源供需矛盾，增强节能减排效果、建设资源节约型、环境友好型的和谐社会。相比浅层地热能主要用于居民供暖制冷，深层地热能具有稳定、连续、利用效率高等优势。
深部地热能资源利用在我国尚处于理论研究、实验室模拟、钻井普查阶段。钻孔取干热能源工程耗时较长，耗资和风险较高。因此，在人工储热层建造示范前，开展室内干热岩注水压裂剪切试验，成为现阶段地热开发的必要手段，可为示范工程的设计提供参数和方案优化，确保缩短时间，减少投入，降低风险，提高效率。目前，我国尚未拥有整套成熟的室内干热岩注水压裂剪切试验方法，尤其实现对高温度、高注水压力、高应力耦合环境下的注水剪切试验方法尚不成熟。
因此，有必要研究一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统及方法。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统及方法，其可以对大尺寸类岩石(150mm×150mm×300mm)进行不同温度、水压和应力条件下的注水压裂剪切试验，同时，利用声发射监测手段进一步揭示剪切裂纹动态演化特征和滑移破坏机制。
本发明的任务之一在于提供一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，其采用了如下技术方案：
一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，其包括试件制作装置、加载加热装置、注水压裂装置及声发射监测装置，所述的试件制作装置包括石蜡倒模制作装置和大尺寸注水压裂直剪试件装置，所述的石蜡倒模制作装置包括双开不锈钢模具和紧固装置，所述的双开不锈钢模具包括垂向圆柱体和位于垂向圆柱体底部的模具腔室，所述的垂向圆柱体的顶部设置有注浆孔，所述的垂向圆柱体的上端和下端分别为模具上端柱和模具下端柱，所述的紧固装置设置有两个，分别位于所述的模具上端柱和模具下端柱处对所述的石蜡模具制作装置进行固定，通过所述的石蜡倒模制作装置制作好的石蜡倒模包括模拟注水井和预制起裂裂隙；所述的大尺寸注水压裂直剪试件装置为150mm×150mm×300mm的试件模具，所述的石蜡倒模放置在所述的试件模具中，且所述的石蜡倒模位于所述试件模具的中上部，所述的试件模具下方预制原生裂隙；通过所述试件模具制作好的大尺寸注水压裂直剪试件包括所述的模拟注水井、所述的预制起裂裂隙及所述的原生裂隙；所述的原生裂隙包括单一原生裂隙和双原生裂隙组；
所述的加载加热装置包括刚性加热套筒、剪切加载压头、轴向注水加载压头、直剪试验机固定槽及滑动压板；所述的刚性加热套筒包括上部套筒和下部套筒，二者结构相同，所述的上部套筒包括套筒本体，所述的套筒本体外壁上自内向外依次设置加热层、保温层及刚性承载层，在所述的套筒本体侧壁上设置有声发射探头布置孔；
所述的大尺寸注水压裂直剪试件位于所述的上部套筒和下部套筒中，所述的滑动压板位于上部套筒中的大尺寸注水压裂直剪试件的上方，所述的滑动压板上方紧贴所述轴向注水加载压头，所述的剪切加载压头紧贴在所述的上部套筒的侧壁；
所述的注水压裂装置包括连接塞、可伸缩高压软管及封水螺栓，所述的连接塞将高压进水管与轴向注水加载压头相连接；所述的可伸缩高压软管与封水螺栓相连接，所述的封水螺栓嵌入大尺寸注水压裂直剪试件，并与所述模拟注水井相连接；
所述的声发射监测装置包括声发射探头，所述的声发射探头设置在所述的声发射探头布置孔内。
作为本发明的一个优选方案，上述的声发射探头布置孔位于上述的套筒本体外侧对角线上，在上述的上部套筒和下部套筒上分别布置四个声发射探头布置孔，并分别与上述的模拟注水井相连接。
作为本发明的另一个优选方案，上述的模拟注水井的直径为20mm、预制起裂裂隙的平面直径为50mm，其厚度为5mm。
进一步的，单一原生裂隙中原生裂隙的间距为70mm、角度为45°。
本发明的另一任务在于提供一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验方法，其包括以下步骤：
a、制作石蜡倒模，
利用两个所述的紧固装置分别模具上端柱和模具下端柱；
将融化的石蜡注入所述的注浆孔内，保证液态石蜡填充模具腔室，待温度降低石蜡凝固后取出；
将制作好的石蜡倒模打磨成满足试验需要的尺寸；
b、制作大尺寸注水压裂直剪试件，
选择合适的材料的配比参数配制材料；
将配制好的材料放置于150mm×150mm×300mm模具中，并将步骤a制作好的石蜡倒模置于模具中上部，保证模拟注水井紧贴试件的上端面；
静置模具，待材料成型后取出放置养护箱中进行养护；
对养护好的大尺寸注水压裂直剪试件进行切割，切割出贯穿试件的原生裂隙，可设置单一原生裂隙、双原生裂隙组；
再配制一定量的直剪试件材料，将配制好的材料抹入试样原生裂隙以封堵试件端面处原生裂隙的开口，保证封堵材料在原生裂纹的嵌入长度大于1cm，进而模拟封闭的原生裂隙，将制备好的额直剪试样放置于养护箱中进行养护；
c、准备，
将大尺寸注水压裂直剪试件安置于上部套筒和下部套筒中，并将其整体再安置于直剪试验机中，接通电源加热后将试件加热，待石蜡倒模变成液体倒出；
将声发射传感器插入声发射探头布置孔中；
将滑动压板放置于大尺寸注水压裂直剪试件上部，利用封水螺栓将可伸缩高压软管与模拟注水管连接；
在滑动压板上方放置轴向注水加载压头，利用连接塞连接高压水管；
操作直剪试验机，将剪切加载压头贴紧加热套筒准备试验；
d、开始试验，
操作直剪试验机，控制剪切加载压头和轴向注水加载压头的应力加载大小；
将加热保温套筒接通电源，将大尺寸注水压裂直剪试件温度升高至设计温度，并进行保温；
通过声发射监测装置对试验全过程进行监测；
将常温水注入模拟注水井中，按照设计速率增加水压，待试件发生剪切破坏停止试验，同时停止声发射监测装置的监测；
将破坏后的大尺寸注水压裂直剪试件放置于跨尺寸CT扫描试验机中，反演重构试件各断面裂纹传播及扩展特征。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
本发明试验系统真实反映了现场增强型地热系统(EGS)干热岩注水压裂环境，利用加热套筒模拟地下1000～3000km的60～200℃的岩体环境，轴向注水加载压头模拟了地下垂直应力，剪切加载压头模拟了深部剪切地应力，注水压裂装置模拟了现场常温水的注入压裂工程。
本发明试验系统真实反映了干热岩储层激发过程，利用预制模拟注水井模拟现场生产钻孔高压水的注入，预制起裂裂隙实现在特定区域的储层激发；受剪切加载压头影响，试件内部存在剪切应力，进而模拟了水压作用下剪切裂纹的扩展和传播，真实反映干热岩注水压裂剪切裂纹扩展机制；利用预制原生裂纹模拟现场地质环境中的断裂构造，同时可以模拟注水压裂剪切裂纹与原生断裂连接情况，侧面反映干热岩储层激发过程。
本发明试验方法，利用双开不锈钢模具和石蜡制作含注水钻孔、起裂裂纹的石蜡倒模；利用石膏、水和标准模具制作含石蜡倒模、不同形式原生裂隙的大尺寸类岩石试件；将试件安置于上下两个加热套筒中并安置于直剪试验机中，接通电源加热后将石蜡液体倒出；安装声发射传感器、注水管和滑动压板，操作试验机选择合适的注水参数、温度参数和加载应力参数进行试验。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明干热岩注水压裂剪切试验方法的剪切试件整体布置图；
图2为本发明试验过程声发射传感器布置方式示意图；
图3(a)(b)(c)为本发明注水压裂直剪试件剪切试件预制裂隙示意图；
图4为本发明制作模拟注水井的紧固装置实体图；
图5和图6为本发明双开模具结构示意图。
附图标记如下：
1-大尺寸注水压裂直剪试件；1-1-模拟注水井；1-2-预制起裂裂隙；1-3-单一原生裂隙；1-4-双原生裂隙组；2-刚性加热套筒；2-1-加热层；2-2-保温层；2-3-刚性承载层；2-4声发射探头布置孔；3-剪切加载压头；4-轴向注水加载压头；5-直剪试验机；6-滑动压板；7-注水管；7-1-连接塞；7-2-可伸缩高压软管；7-3-封水螺栓；8-声发射传感器；9-双开不锈钢模具；9-1-注浆孔；9-2-模具腔室；9-3-模具上端柱；9-4-模具下端柱；10-紧固装置；11-石蜡倒模。
具体实施方式
本发明提出了一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统及方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
结合图1至图6所示，本发明一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，包括试件制作装置、加载加热装置、注水压裂装置和声发射监测装置，试件制作装置包括双开不锈钢模具9和紧固装置10，双开不锈钢模具9包括注浆孔9-1、模具腔室9-2、模具上端柱9-3、模具下端柱9-4；石蜡倒模11包括模拟注水井1-1和预制起裂裂隙1-2；利用石蜡倒模11制作大尺寸注水压裂直剪试件1，大尺寸注水压裂直剪试件1包括模拟注水井1-1、预制起裂裂隙1-2、原生裂隙；原生裂隙包括单一原生裂隙1-3、双原生裂隙组1-4。
加载加热装置包括刚性加热套筒2、剪切加载压头3、轴向注水加载压头4、直剪试验机5固定槽、滑动压板6；刚性加热套筒2包括加热层2-1、保温层2-2、刚性承载层2-3、声发射探头布置孔2-4。刚性加热套筒2共使用两个，利用上部、下部刚性加热套筒2包裹大尺寸注水压裂直剪试件1；包裹尺寸注水压裂直剪试件安置于直剪试验机5固定槽内；滑动压板6安置于大尺寸注水压裂直剪试件1上方，滑动压板6上方紧贴轴向注水加载压头4。剪切加载压头3贴紧上部的刚性加热套筒2。
注水压裂装置包括注水管7、连接塞7-1、可伸缩高压软管7-2、封水螺栓7-3；连接塞7-1将高压进水管与轴向注水加载压头4相连接；可伸缩高压软管7-2与封水螺栓7-3相连接；封水螺栓7-3嵌入大尺寸注水压裂直剪试件1，并与模拟注水井1-1相连接。
声发射监测装置包括声发射传感器8，声发射传感器8布置于声发射探头布置孔2-4中。
利用上述一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，模拟增强型地热系统(EGS)干热岩注水压裂剪切试验方法，具体步骤：
(1)石蜡倒模11的制作
①利用两个紧固装置10分别固定双开不锈钢模具9的上端柱和下端柱；
②将融化的石蜡注入双开不锈钢模具9的注浆孔9-1内，保证液态石蜡填充模具腔室9-2，待温度降低石蜡凝固后取出；
③依据实验研究要求及实际地质条件，将制作好的石蜡倒模11放置于打磨机中进行打磨，保证模拟注水井1-1的直径为20mm、预制起裂裂隙1-2平面直径为50mm和厚度为5mm。
(2)大尺寸注水压裂直剪试件1的制作
①依据实验研究要求及实际地质条件，选择石膏、和水配制材料，石膏和水的质量比为1：0.4；
②将配制好的材料放置于150mm×150mm×300mm模具中，并将上步制作好的石蜡倒模11置于模具中上部，保证模拟注水井1-1紧贴试件的上端面；
③静置模具，待材料成型后取出放置养护箱中进行养护，养护1天，温度25℃，湿度30％；
④利用高压水刀对养护好的大尺寸注水压裂直剪试件1进行切割，切割出贯穿试件的原生裂隙，可设置单一原生裂隙1-3其中原生裂隙的间距为70mm、角度为45°；
⑤再配制一定量的与直剪试件材料，石膏和水的质量比为1：0.4，将配制好的材料抹入试样原生裂隙，目的为封堵试件端面处原生裂隙的开口，保证封堵材料在原生裂纹的嵌入长度大于1cm，进而模拟封闭的原生裂隙，将制备好的额直剪试样放置于养护箱中进行养护，养护1天，温度25℃，湿度30％。
(3)试验装备安装
①将试件安置于上下两个加热套筒中并安置于直剪试验机5中，接通电源加热后将试件加热，待石蜡倒模11变成液体倒出；
②将声发射传感器8插入声发射探头布置孔2-4中，生发射探孔距离边界的距离为50mm；
③将滑动压板6放置于试件上部，利用封水螺栓7-3将可伸缩高压软管7-2与模拟注水管7连接；
④在滑动压板6上方放置轴向注水加载压头4，利用连接塞7-1连接高压水管；
⑤操作直剪试验机，将剪切加载压头3贴紧加热套筒准备试验。
(4)试验操作
①操作直剪试验机5，控制剪切加载压头3和轴向注水加载压头4，依照试验方案设计垂直加载应力为20kN和剪切力的大小为15kN，保证试验试件不发生破坏；
②将加热保温套筒接通电源，将试件温度升高至设计温度110℃，并进行保温；
③打开声发射监测装置对试验全过程进行监测；
④操作高压水泵，将常温水(25℃)注入模拟注水井1-1中，按照设计速率增加水压(0.001MPa/s)，待试件发生剪切破坏停止试验，同时停止声发射试验机的监测；
⑤将破坏后的试件放置于跨尺寸CT扫描试验机中，反演重构试件各断面裂纹传播及扩展特征。
本发明未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
需要说明的是：在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验方法，其特征在于，采用一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，包括试件制作装置、加载加热装置、注水压裂装置及声发射监测装置；
所述的试件制作装置包括石蜡倒模制作装置和大尺寸注水压裂直剪试件装置，所述的石蜡倒模制作装置包括双开不锈钢模具和紧固装置，所述的双开不锈钢模具包括垂向圆柱体和位于垂向圆柱体底部的模具腔室，所述的垂向圆柱体的顶部设置有注浆孔，所述的垂向圆柱体的上端和下端分别为模具上端柱和模具下端柱，所述的紧固装置设置有两个，分别位于所述的模具上端柱和模具下端柱处对所述的石蜡模具制作装置进行固定，通过所述的石蜡倒模制作装置制作好的石蜡倒模包括模拟注水井和预制起裂裂隙；所述的大尺寸注水压裂直剪试件装置为150mm×150mm×300mm的试件模具，所述的石蜡倒模放置在所述的试件模具中，且所述的石蜡倒模位于所述试件模具的中上部，所述的试件模具下方预制原生裂隙；通过所述试件模具制作好的大尺寸注水压裂直剪试件包括所述的模拟注水井、所述的预制起裂裂隙及所述的原生裂隙；所述的原生裂隙包括单一原生裂隙和双原生裂隙组；
所述的加载加热装置包括刚性加热套筒、剪切加载压头、轴向注水加载压头、直剪试验机固定槽及滑动压板；所述的刚性加热套筒包括上部套筒和下部套筒，二者结构相同，所述的上部套筒包括套筒本体，所述的套筒本体外壁上自内向外依次设置加热层、保温层及刚性承载层，在所述的套筒本体侧壁上设置有声发射探头布置孔；
所述的大尺寸注水压裂直剪试件位于所述的上部套筒和下部套筒中，所述的滑动压板位于上部套筒中的大尺寸注水压裂直剪试件的上方，所述的滑动压板上方紧贴所述轴向注水加载压头，所述的剪切加载压头紧贴在所述的上部套筒的侧壁；
所述的注水压裂装置包括连接塞、可伸缩高压软管及封水螺栓，所述的连接塞将高压进水管与轴向注水加载压头相连接；所述的可伸缩高压软管与封水螺栓相连接，所述的封水螺栓嵌入大尺寸注水压裂直剪试件，并与所述模拟注水井相连接；
所述的声发射监测装置包括声发射探头，所述的声发射探头设置在所述的声发射探头布置孔内；
所述的声发射探头布置孔位于所述的套筒本体外侧对角线上，在所述的上部套筒和下部套筒上分别布置四个声发射探头布置孔，并分别与所述的模拟注水井相连接；
该注水压裂剪切试验方法包括下列步骤：
a、制作石蜡倒模，
利用两个所述的紧固装置分别模具上端柱和模具下端柱；
将融化的石蜡注入所述的注浆孔内，保证液态石蜡填充模具腔室，待温度降低石蜡凝固后取出；
将制作好的石蜡倒模打磨成满足试验需要的尺寸；
b、制作大尺寸注水压裂直剪试件，
选择合适的材料的配比参数配制材料；
将配制好的材料放置于150mm×150mm×300mm模具中，并将步骤a制作好的石蜡倒模置于模具中上部，保证模拟注水井紧贴试件的上端面；
静置模具，待材料成型后取出放置养护箱中进行养护；
对养护好的大尺寸注水压裂直剪试件进行切割，切割出贯穿试件的原生裂隙，可设置单一原生裂隙、双原生裂隙组；
再配制一定量的直剪试件材料，将配制好的材料抹入试样原生裂隙以封堵试件端面处原生裂隙的开口，保证封堵材料在原生裂纹的嵌入长度大于1cm，进而模拟封闭的原生裂隙，将制备好的额直剪试样放置于养护箱中进行养护；
c、准备，
将大尺寸注水压裂直剪试件安置于上部套筒和下部套筒中，并将其整体再安置于直剪试验机中，接通电源加热后将试件加热，待石蜡倒模变成液体倒出；
将声发射传感器插入声发射探头布置孔中；
将滑动压板放置于大尺寸注水压裂直剪试件上部，利用封水螺栓将可伸缩高压软管与模拟注水管连接；
在滑动压板上方放置轴向注水加载压头，利用连接塞连接高压水管；
操作直剪试验机，将剪切加载压头贴紧加热套筒准备试验；
d、开始试验，
操作直剪试验机，控制剪切加载压头和轴向注水加载压头的应力加载大小；
将加热保温套筒接通电源，将大尺寸注水压裂直剪试件温度升高至设计温度，并进行保温；
通过声发射监测装置对试验全过程进行监测；
将常温水注入模拟注水井中，按照设计速率增加水压，待试件发生剪切破坏停止试验，同时停止声发射监测装置的监测；
将破坏后的大尺寸注水压裂直剪试件放置于跨尺寸CT扫描试验机中，反演重构试件各断面裂纹传播及扩展特征；
所述的模拟注水井的直径为20mm、预制起裂裂隙的平面直径为50mm，其厚度为5mm；
单一原生裂隙中原生裂隙的间距为70mm、角度为45°。
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