CN111595694A - 模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置及方法，涉及岩体力学实验技术领域，提供一种新的模拟装置和方法，对干热岩热‑力耦合作用下膨胀致裂缝网形态进行模拟。该装置包括架体、岩芯限位结构以及加热装置，其中，岩芯限位结构设置在架体上，岩芯限位结构内形成有用与放置岩芯的容纳腔，岩芯限位结构用以模拟当容纳腔内的岩芯膨胀致裂时岩芯受到的周围地应力作用；加热装置与岩芯限位结构相连接且加热装置用以对容纳腔内的岩芯进行加热用以模拟地热温度。本发明用于对干热岩热‑力耦合作用下膨胀致裂缝网形态进行模拟。
Description
技术领域
本发明涉及岩体力学实验技术领域，尤其是涉及一种模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置及方法，具体的为模拟热-力耦合作用下干热岩膨胀致裂形成缝网形态的装置和方法。
背景技术
干热岩(HDR)是一种新型的高效低碳清洁能源，具有储量大、分布广泛、供能稳定的特点。在开发过程中的首要工作是通过水力压裂技术在地下数千米岩石储层形成人工热储，然后将冷流体注入地层中，先后在注入井、人造热储和生产井之间进行循环流动，与干热岩储层进行换热，从而提取干热岩中的热能进行地面供暖、发电等。
增强型地热系统(EGS)是开发干热岩资源的一种有效方法，自上世纪70年代以来，欧美国家陆续进行了干热岩开发的实践项目。结果表明，干热岩储层的温度随地层深度的增加呈现出各种变化规律，同时压裂产生的人工裂缝存在方向性和不确定性，使得注入井和生产井之间不能产生满意的水力传导率。而干热岩储层地质条件也促使裂缝发育程度各不相同，其中脆性是影响储层压裂后形成缝网的必要因素，此外，干热岩的层理结构和抗拉强度也是影响形成缝网的两个关键因素。因此，干热岩热能开发中的关键技术是在地下高温储层中形成连通的复杂人工裂缝网络系统。
传统的水力压裂技术源于油气田开发过程中，主要考虑流固耦合作用对裂缝扩展的影响，而在干热岩水力压裂造缝过程中，还要充分考虑深层地热高温带来的影响，所以干热岩压裂过程主要是热流固耦合作用。干热岩水力压裂时有效应力通过注水压力直接获得，当注水压力在井筒内不断升高超过地应力和岩体抗拉强度时，干热岩开裂产生缝网结构。模拟此过程时对干热岩井筒密封性要求很高，主要防止注水压力过高损坏井筒却达不到压裂效果。而采用膨胀致裂方法既可以满足水力压裂过程中注水压力作用，又可以省去密闭井筒防止泄压的过程，而且此方法稳定方便可以达到同样效果。因此需要一种新的模拟装置和方法，对干热岩热-力耦合作用下膨胀致裂缝网形态进行模拟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置及方法，以对干热岩热能高效开发提供有效的技术支持。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，包括架体、岩芯限位结构以及加热装置，其中，所述岩芯限位结构设置在所述架体上，所述岩芯限位结构内形成有用与放置岩芯的容纳腔，所述岩芯限位结构用以模拟当容纳腔内的岩芯膨胀致裂时所述岩芯受到的周围地应力作用；所述加热装置与所述岩芯限位结构相连接且所述加热装置用以对所述容纳腔内的岩芯进行加热以模拟地热温度。
优选地，所述岩芯限位结构包括厚壁筒，所述厚壁筒放置在所述架体上且所述岩芯能放置在所述厚壁筒内，所述厚壁筒为分体结构且拆卸所述厚壁筒时能便于观察岩芯裂缝形态；所述装置还包括填充材料，所述填充材料用于填充在所述厚壁筒与所述岩芯之间的缝隙以便于模拟所述岩芯在膨胀致裂的过程中受到的周向地应力的作用。
优选地，所述厚壁筒包括两个半圆厚壁筒，每个所述半圆厚壁筒沿高度方向上的两端均存在有连接部，所述连接部向远离厚壁筒中心位置的方向延伸，两个所述半圆厚壁筒相对应的连接部通过连接件可拆卸连接；两个所述半圆厚壁筒中其中一个所述半圆厚壁筒的连接部上设置有顶开孔，所述顶开孔用于两个所述半圆厚壁筒的拆卸；所述填充材料为紫铜皮和/或薄铁片。
优选地，所述岩芯限位结构包括上垫板和下垫板，所述下垫板设置在所述架体上且所述岩芯能支撑在所述下垫板上，所述上垫板悬挂在所述架体上且所述上垫板的高度可调节，所述上垫板用来与放置在所述厚壁筒内的岩芯的上端面相接触，当调节所述上垫板与所述厚壁筒内的岩芯的上端面相接触时，所述上垫板和所述下垫板用以模拟所述岩芯在膨胀致裂的过程中受到垂向地应力作用。
优选地，所述上垫板与螺杆相连接，所述螺杆穿过所述架体上的固定螺母，所述螺杆与所述固定螺母螺纹连接，转动所述螺杆时能改变所述上垫板的高度；所述架体上设置有限位凹槽，所述下垫板位于所述限位凹槽内，所述下垫板插入所述厚壁筒，且所述岩芯高度与所述上垫板以及所述下垫板的厚度之和不大于所述厚壁筒的高度；所述下垫板的直径与所述上垫板的直径相一致。
优选地，所述架体包括上板、下板以及固定杆，所述上板通过所述固定杆支撑在所述下板的上方，所述下板上设置有限位凹槽，所述厚壁筒放置在所述下板上，所述上板位于所述厚壁筒的上方，所述装置的螺杆穿过所述上板。
优选地，所述加热装置包括加热套和温度控制器，所述加热套与所述温度控制器相连接，所述加热套包裹在所述岩芯限位结构厚壁筒的外侧以用于对所述厚壁筒内的岩芯进行加热；所述温度控制器连接有两个温度传感器，两个所述温度传感器设置在所述岩芯和所述厚壁筒的内壁之间，两个所述温度传感器在厚壁筒直径方向正对分布；通过所述温度控制器的控制能实现不同速率的温升以及能实现多个温升速率交替的加热方式。
优选地，所述装置还包括声发射装置，所述声发射装置包括声发射控制器和声发射探头，所述声发射控制器与所述声发射探头相连接，所述声发射探头分布在所述岩芯限位结构厚壁筒的外侧壁上；所述厚壁筒的外侧壁上设置有探头安装孔，所述声发射探头位于对应的探头安装孔内；所述声发射探头的个数为多个，沿所述厚壁筒的高度方向分布有所述声发射探头且同一高度上的所述声发射探头沿所述厚壁筒的周向方向均匀分布。
一种利用所述的模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置对干热岩进行膨胀致裂的方法，其特征在于，包括以下步骤：将钻孔的岩芯放置在所述岩芯限位结构内，启动加热装置对岩芯进行加热以用于模拟岩芯环境温度；加热到预定温度值后，将膨胀剂浆体灌入岩芯的钻孔中，利用岩芯限位结构模拟岩芯在膨胀致裂时受到周围地应力的作用。
优选地，所述方法具体包括以下内容：
步骤S1、钻取裸露岩芯，在岩芯中间钻孔，用量具测量岩芯直径，根据测量的岩芯直径最小值以及厚壁筒的内径之差，确定在岩芯外部需要包裹的填充材料数量，在岩芯周围包裹填充材料并用橡皮筋勒紧；
步骤S2、将下垫板放在下板限位凹槽处，岩芯放置在下垫板上，将两个半圆厚壁筒包住岩芯后连接；
步骤S3、安装声发射装置，将声发射探头设置在厚壁筒的外侧壁上；安装加热套，将加热套包裹在厚壁筒的外侧，并连接温度传感器；
步骤S4、连接电源，启动温度控制器，设定相应的加热模式和加热时间，对岩芯进行预设温度模式处理，启动声发射控制器；
步骤S5、通过铁管将浆体膨胀剂注入岩芯钻孔内，其中，膨胀剂的配比如下：选用HSCA-1型高效膨胀剂，将膨胀剂与水按照质量比为4：1的比例进行混合，然后充分搅拌均匀形成混合浆体膨胀剂；
步骤S6、拧动螺杆带动上垫板向下移动，使得上垫板与岩芯上端面接触，给岩芯施加轴向应力；
步骤S7、岩芯致裂完成后，冷却至室温，打开加热套，卸载声发射探头，拧动螺杆抬起上垫板，将两半圆厚壁筒打开，取出破碎的岩芯；
步骤S8、取出破裂的岩芯后，可以获得破裂后岩芯内部裂缝扩展形态，并用带颜色油性笔(可以是红色油性笔)描绘岩芯表面裂缝；通过CT扫描方法对缝网拓扑结构进行三维重构成像来表征裂缝形态，也可以通过体密度以及分形维数来表征。
本发明提供一种模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，通过岩芯限位结构模拟当容纳腔内的岩芯膨胀致裂时岩芯受到的周围地应力作用，通过外部加热装置模拟地热温度，以实现对干热岩热-力耦合作用下膨胀致裂缝网形态进行模拟，对干热岩热能高效开发提供有效的技术支持。
本发明优选技术方案至少还可以产生如下技术效果：
厚壁筒分为两半式结构，与普通的圆柱厚壁筒相比，操作方便、可以重复利用，岩芯致裂后不仅可以观察岩芯两端的破裂形态，而且可以拆卸开厚壁筒获得岩芯整体破裂裂缝形态。
上、下垫板可以提供上下的夹持力，既可以模拟岩样受到的垂向地应力作用，在岩芯致裂过程中还可以防止上下两面崩裂的碎片飞溅。
外部加热装置给岩芯进行加热，通过数显温度控制器，既可以实现不同加热模式、不同加热速率和多循环加热模式下的岩芯致裂条件，实现不同的热-力耦合模式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的架体与厚壁筒的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的厚壁筒的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置的俯视示意图；
图5是图4的A-A剖视示意图；
图6是本发明实施例提供的声发射探头分布示意图；
图7是本发明实施例提供的流程简图。
图中1-架体；11-上板；12-下板；13-固定杆；14-固定螺母；2-温度控制器；3-厚壁筒；31-半圆厚壁筒；32-连接部；4-上垫板；5-下垫板；6-螺杆；7-声发射装置；71-声发射控制器；72-声发射探头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
参见图1-图7，本发明提供了一种模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，包括架体1、岩芯限位结构以及加热装置，其中，岩芯限位结构设置在架体1上，岩芯限位结构内形成有用与放置岩芯的容纳腔，岩芯限位结构用以模拟当容纳腔内的岩芯膨胀致裂时岩芯受到的周围地应力作用；加热装置与岩芯限位结构相连接且加热装置用以对容纳腔内的岩芯进行加热以模拟地热温度。本发明采用膨胀致裂的方法，即在岩芯上钻孔，向钻孔内注入高效膨胀剂，通过岩芯限位结构模拟岩芯膨胀致裂时受到的周围地应力作用，通过外部加热装置，模拟岩芯地热温度，以实现对干热岩热-力耦合作用下膨胀致裂缝网形态进行模拟，对干热岩热能高效开发提供有效的技术支撑。
作为本发明实施例可选地实施方式，岩芯限位结构包括厚壁筒3，厚壁筒3放置在架体1上且岩芯能放置在厚壁筒3内，厚壁筒3为分体结构且拆卸厚壁筒3时能便于观察岩芯裂缝形态；本发明提供的厚壁筒3为分体结构，与普通的圆柱厚壁筒相比，操作方便、可以重复利用；岩芯致裂后不仅可以观察岩芯两端的破裂形态，而且可以拆卸开厚壁筒获得岩芯整体破裂裂缝形态。
装置还包括填充材料，填充材料用于填充在厚壁筒3与岩芯之间的缝隙以便于模拟岩芯在膨胀致裂的过程中受到的周向地应力的作用(相当于给岩芯一个环向围压)。岩芯与厚壁筒3之间的缝隙用硬质材料填充，根据岩芯和厚壁筒之间的缝隙大小来自由更换填充材料的数量，确保岩芯在致裂过程中与厚壁筒3之间是完全接触，以防止岩样(岩芯)在环向局部受力而产生破裂；填充材料一般用紫铜皮和薄铁片，填充材料的厚度范围为1毫米至2毫米，岩芯压裂之前要实际测量岩芯直径和厚壁筒3内径之差，根据测量的差值在岩芯表面包裹数层填充材料，材料厚度不小于测量差值。
作为本发明实施例可选地实施方式，参见图2和图3，厚壁筒3的具体结构可以如下：厚壁筒3包括两个半圆厚壁筒31，每个半圆厚壁筒31沿高度方向上的两端均存在有连接部32，连接部32可以为延伸铁板并焊接在半圆厚壁筒31上，连接部32向远离厚壁筒3中心位置的方向延伸，两个半圆厚壁筒31相对应的连接部32通过连接件可拆卸连接，两个对接的连接部32中间插入厚度为5毫米的橡胶垫片，连接部32上设置有攻丝孔，通过螺钉拧入攻丝孔以实现两个半圆厚壁筒31的连接(在每连接部32上钻7至8个孔，钻孔拧入内六角螺钉或普通螺钉)；两个半圆厚壁筒31中其中一个半圆厚壁筒31的两个连接部32上设置有顶开孔(可以在两个连接部32上均设置有一个顶开孔，顶开孔为攻丝孔)，顶开孔用于两个半圆厚壁筒31的拆卸，即有助于岩芯压裂结束后方便厚壁筒3的拆卸。另外，通过连接部32上螺钉的拧入深度，也能使得厚壁筒3对岩芯施加环向围压。
对于厚壁筒3的尺寸情况，可以如下：厚壁筒3高度可以为200毫米，内径可以为110毫米，壁厚为10毫米，主要承受岩芯致裂后沿径向的应力。
作为本发明实施例可选地实施方式，岩芯限位结构包括上垫板4和下垫板5，下垫板5设置在架体1上且岩芯能支撑在下垫板5上，上垫板4悬挂在架体1上且上垫板4的高度可调节，上垫板4用来与放置在厚壁筒3内的岩芯的上端面相接触，当调节上垫板4与厚壁筒3内的岩芯的上端面相接触时(给岩芯施加轴向应力)，上垫板4和下垫板5用以模拟岩芯在膨胀致裂的过程中受到垂向地应力作用。
关于上垫板4的高度调节结构，具体可以如下：上垫板4与螺杆6相连接，螺杆6穿过架体1上的固定螺母14(架体1的上板11中心钻孔后嵌入固定螺母14，螺杆通过固定螺母14垂直穿过上板11)，螺杆6与固定螺母14螺纹连接，转动螺杆6时能改变上垫板4的高度；架体1上设置有限位凹槽(架体1的下板12设置有限位凹槽)，下垫板5位于限位凹槽内，下垫板5插入厚壁筒3，且岩芯高度与上垫板4以及下垫板5的厚度之和不大于厚壁筒3的高度。上垫板4和下垫板5的尺寸情况可以如下：上垫板4和下垫板5的直径可以均为106毫米，厚度均为6毫米；上垫板4和下垫板5的直径与岩芯的直径相同，岩芯高度为170至180毫米，岩芯中间钻入直径为10毫米的钻孔，但不要钻穿，钻孔深度可以为160毫米，岩芯高度和上垫板4以及下垫板5的厚度之和不大于厚壁筒3的高度。
作为本发明实施例可选地实施方式，架体1包括上板11、下板12以及固定杆13，上板11通过固定杆13支撑在下板12的上方，下板12上设置有限位凹槽，厚壁筒3放置在下板12上，上板11位于厚壁筒3的上方，装置的螺杆6穿过上板11。上板11和下板12通过固定杆13连接，整个架体1为螺杆6拧进夹紧岩芯提供了作用力与反作用力。架体1的尺寸情况，可以如下：下板12长度为160毫米，宽度为120毫米，厚度为10毫米，下板12中间有直径106毫米的限位凹槽，限位凹槽的伸入为5毫米，固定杆高260毫米，直径10毫米。
作为本发明实施例可选地实施方式，加热装置包括加热套和温度控制器2，加热套与温度控制器2相连接，加热套包裹在岩芯限位结构厚壁筒3的外侧以用于对厚壁筒3内的岩芯进行加热，加热套包裹在厚壁筒外侧，形成一个圆柱形的封闭空间，主要对内部岩芯进行加热；温度控制器2连接有两个温度传感器，两个温度传感器设置在岩芯和厚壁筒3的内壁之间，两个温度传感器在厚壁筒3直径方向正对分布(两个温度传感器对称分布)；通过温度控制器2的控制能实现不同速率的温升以及能实现多个温升速率交替的加热方式。数显温度控制器内部编入温度控制模式相关的程序，可以实现多个温升模式循环加热等。例如，温升速率可以设置1至10摄氏度/分钟不等，也可以进行交变温度控制(如锯齿状温度控制)，对干热岩岩芯进行多循环次数的升降温控制，这样可以在模拟过程中实现不同的热载荷模式；同时配合高效膨胀剂致裂作用，可以实现不同的热-力耦合模式。也可以对不同热处理后的干热岩进行低温液氮冷处理，以形成冷热冲击循环热-力耦合作用，模拟多种温载处理后的干热岩致裂缝网形态。
关于高效浆体膨胀剂：选用HSCA-Ⅰ型高效膨胀剂，膨胀剂采用回转窑高温(1400摄氏度以上)煅烧的生石灰与少量添加剂配置而成，使用之前将膨胀剂与水按照质量比为4：1的比例进行混合，然后充分搅拌均匀形成混合浆体，高效膨胀剂要在岩芯加热到预设的温度后加入。
作为本发明实施例可选地实施方式，装置还包括声发射装置7，声发射装置7包括声发射控制器71和声发射探头72，声发射控制器71与声发射探头72相连接，声发射探头72分布在岩芯限位结构厚壁筒3的外侧壁上；厚壁筒3的外侧壁上设置有探头安装孔(可以在厚壁筒3外壁面上钻深度为5mm、直径为8mm的孔，形成探头安装孔)，声发射探头72位于对应的探头安装孔内；声发射探头72的个数为多个，沿厚壁筒3的高度方向分布有声发射探头72且同一高度上的声发射探头72沿厚壁筒3的周向方向均匀分布。可以将12个声发射探头72分三组插入厚壁筒3，不同组分布在不同高度处，且同一组的4个探头按照环向360°均匀分布在厚壁筒3周围，保证声发射监测均匀，连接探头与声发射控制器71，打开声发射装置7，利用声发射装置7对岩芯的裂解进行监测。
本发明提供了一种热力耦合作用下模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，可以用于模拟干热岩压裂形成人工缝网的形态，将现场钻取的岩芯置于厚壁筒3中，通过厚壁筒3给岩芯施加环向应力，岩芯上下底面给一定的垂向应力，在不同加热模式和加热温度下，用高效膨胀剂对干热岩进行膨胀致裂，同时用声发射装置7对致裂过程进行监测；致裂后，拆开两半厚壁筒，获得破裂的岩芯碎块，可以清晰的观察岩芯裂缝形态和内部破裂结构。通过CT扫描方法对人工缝网拓扑结构进行三维重构成像来表征裂缝形态，同时也可以用裂缝体密度来表征裂缝形态。
一种利用模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置对干热岩进行膨胀致裂的方法，包括以下步骤：将钻孔的岩芯放置在岩芯限位结构内，启动加热装置对岩芯进行加热以用于模拟岩芯环境温度；加热到预定温度值后，将膨胀剂浆体灌入岩芯的钻孔中，利用岩芯限位结构模拟岩芯在膨胀致裂时受到周围地应力的作用。以上方法具体包括以下内容：
步骤S1、钻取裸露岩芯(岩芯尺寸为直径106毫米，高为170毫米)，在岩芯中间钻孔(钻入直径10毫米的钻孔，钻孔深度可以为160毫米)，用量具(可以为游标卡尺)测量岩芯直径，根据测量的岩芯直径最小值以及厚壁筒3的内径之差，确定在岩芯外部需要包裹的填充材料数量(填充材料可以是厚度范围为1毫米至2毫米的薄铁皮)，在岩芯周围包裹填充材料并用橡皮筋勒紧；
步骤S2、将下垫板5放在下板12限位凹槽处，岩芯放置在下垫板5上并对齐，旋拧螺杆6带动上垫板4升至最顶端，将两个半圆厚壁筒31包住岩芯后用螺钉连接，夹紧岩芯；
步骤S3、安装声发射装置7，将声发射探头72设置在厚壁筒3的外侧壁上(将12个声发射探头72分三组插入厚壁筒3，不同组分布在不同高度处，且同一组的4个探头按照环向360°均匀分布在厚壁筒3周围，保证声发射监测均匀)；安装加热套，将加热套包裹在厚壁筒3的外侧，并连接温度传感器，两个温度传感器设置在岩芯和厚壁筒3的内壁之间，两个温度传感器在厚壁筒3直径方向正对分布；
步骤S4、连接电源，启动温度控制器2，设定相应的加热模式和加热时间(加热模式可以设置为单次加热，加热速率设置为5摄氏度/分钟，即每分钟上升5摄氏度，升温至200摄氏度，保温12小时)，对岩芯进行预设温度模式处理，启动声发射控制器71；
步骤S5、当保温12小时后(温度到达200摄氏度)，通过铁管将浆体膨胀剂注入岩芯钻孔内，其中，膨胀剂的配比如下：选用HSCA-1型高效膨胀剂，将膨胀剂与水按照质量比为4：1的比例进行混合，然后充分搅拌均匀形成混合浆体膨胀剂；
步骤S6、拧动螺杆6带动上垫板4向下移动，使得上垫板4与岩芯上端面接触，给岩芯施加轴向应力；
步骤S7、岩芯致裂完成后，冷却至室温，打开加热套，卸载声发射探头，拧动螺杆6抬起上垫板4，将两半圆厚壁筒31打开，取出破碎的岩芯；
步骤S8、取出破裂的岩芯后，可以获得破裂后岩芯内部裂缝扩展形态，并用带颜色油性笔(例如，可以是红色油性笔)描绘岩芯表面裂缝；通过CT扫描方法对缝网拓扑结构进行三维重构成像来表征裂缝形态，也可以通过体密度以及分形维数来表征。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，其特征在于，包括架体(1)、岩芯限位结构以及加热装置，其中，
所述岩芯限位结构设置在所述架体(1)上，所述岩芯限位结构内形成有用与放置岩芯的容纳腔，所述岩芯限位结构用以模拟当容纳腔内的岩芯膨胀致裂时所述岩芯受到的周围地应力作用；所述加热装置与所述岩芯限位结构相连接且所述加热装置用以对所述容纳腔内的岩芯进行加热用以模拟地热温度。
2.根据权利要求1所述的模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，其特征在于，所述岩芯限位结构包括厚壁筒(3)，所述厚壁筒(3)放置在所述架体(1)上且所述岩芯能放置在所述厚壁筒(3)内，所述厚壁筒(3)为分体结构且拆卸所述厚壁筒(3)时能便于观察岩芯裂缝形态；
所述装置还包括填充材料，所述填充材料用于填充在所述厚壁筒(3)与所述岩芯之间的缝隙以便于模拟所述岩芯在膨胀致裂的过程中受到的周向地应力的作用。
3.根据权利要求2所述的模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，其特征在于，所述厚壁筒(3)包括两个半圆厚壁筒(31)，每个所述半圆厚壁筒(31)沿高度方向上的两端均存在有连接部(32)，所述连接部(32)向远离厚壁筒(3)中心位置的方向延伸，两个所述半圆厚壁筒(31)相对应的连接部(32)通过连接件可拆卸连接；两个所述半圆厚壁筒(31)中其中一个所述半圆厚壁筒(31)的连接部(32)上设置有顶开孔，所述顶开孔用于两个所述半圆厚壁筒(31)的拆卸；
所述填充材料为紫铜皮和/或薄铁片。
4.根据权利要求2所述的模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，其特征在于，所述岩芯限位结构包括上垫板(4)和下垫板(5)，所述下垫板(5)设置在所述架体(1)上且所述岩芯能支撑在所述下垫板(5)上，所述上垫板(4)悬挂在所述架体(1)上且所述上垫板(4)的高度可调节，所述上垫板(4)用来与放置在所述厚壁筒(3)内的岩芯的上端面相接触，当调节所述上垫板(4)与所述厚壁筒(3)内的岩芯的上端面相接触时，所述上垫板(4)和所述下垫板(5)用以模拟所述岩芯在膨胀致裂的过程中受到垂向地应力作用。
5.根据权利要求4所述的模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，其特征在于，所述上垫板(4)与螺杆(6)相连接，所述螺杆(6)穿过所述架体(1)上的固定螺母(14)，所述螺杆(6)与所述固定螺母(14)螺纹连接，转动所述螺杆(6)时能改变所述上垫板(4)的高度；
所述架体(1)上设置有限位凹槽，所述下垫板(5)位于所述限位凹槽内，所述下垫板(5)插入所述厚壁筒(3)，且所述岩芯高度与所述上垫板(4)以及所述下垫板(5)的厚度之和不大于所述厚壁筒(3)的高度；
所述下垫板(5)的直径与所述上垫板(4)的直径相一致。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，其特征在于，所述架体(1)包括上板(11)、下板(12)以及固定杆(13)，所述上板(11)通过所述固定杆(13)支撑在所述下板(12)的上方，所述下板(12)上设置有限位凹槽，所述厚壁筒(3)放置在所述下板(12)上，所述上板(11)位于所述厚壁筒(3)的上方，所述装置的螺杆(6)穿过所述上板(11)。
7.根据权利要求2-5中任一项所述的模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，其特征在于，所述加热装置包括加热套和温度控制器(2)，所述加热套与所述温度控制器(2)相连接，所述加热套包裹在所述岩芯限位结构厚壁筒(3)的外侧以用于对所述厚壁筒(3)内的岩芯进行加热；
所述温度控制器(2)连接有两个温度传感器，两个所述温度传感器设置在所述岩芯和所述厚壁筒(3)的内壁之间，两个所述温度传感器在所述厚壁筒(3)直径方向正对分布；
通过所述温度控制器(2)的控制能实现不同速率的温升以及能实现多个温升速率交替的加热方式。
8.根据权利要求2-5中任一项所述的模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置，其特征在于，所述装置还包括声发射装置(7)，所述声发射装置(7)包括声发射控制器(71)和声发射探头(72)，所述声发射控制器(71)与所述声发射探头(72)相连接，所述声发射探头(72)分布在所述岩芯限位结构厚壁筒(3)的外侧壁上；
所述厚壁筒(3)的外侧壁上设置有探头安装孔，所述声发射探头(72)位于对应的探头安装孔内；
所述声发射探头(72)的个数为多个，沿所述厚壁筒(3)的高度方向分布有所述声发射探头(72)且同一高度上的所述声发射探头(72)沿所述厚壁筒(3)的周向方向均匀分布。
9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置对干热岩进行膨胀致裂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将钻孔的岩芯放置在所述岩芯限位结构内，启动加热装置对岩芯进行加热以用于模拟岩芯环境温度；
加热到预定温度值后，将膨胀剂浆体灌入岩芯的钻孔中，利用岩芯限位结构模拟岩芯在膨胀致裂时受到周围地应力的作用。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，具体包括以下内容：
步骤S1、钻取裸露岩芯，在岩芯中间钻孔，用量具测量岩芯直径，根据测量的岩芯直径最小值以及厚壁筒(3)的内径之差，确定在岩芯外部需要包裹的填充材料数量，在岩芯周围包裹填充材料并用橡皮筋勒紧；
步骤S2、将下垫板(5)放在下板(12)限位凹槽处，岩芯放置在下垫板(5)上，将两个半圆厚壁筒(31)包住岩芯后连接；
步骤S3、安装声发射装置(7)，将声发射探头(72)设置在厚壁筒(3)的外侧壁上；安装加热套，将加热套包裹在厚壁筒(3)的外侧，并连接温度传感器；
步骤S4、连接电源，启动温度控制器(2)，设定相应的加热模式和加热时间，对岩芯进行预设温度模式处理，启动声发射控制器(71)；
步骤S5、通过铁管将浆体膨胀剂注入岩芯钻孔内，其中，膨胀剂的配比如下：选用HSCA-1型高效膨胀剂，将膨胀剂与水按照质量比为4：1的比例进行混合，然后充分搅拌均匀形成混合浆体膨胀剂；
步骤S6、拧动螺杆(6)带动上垫板(4)向下移动，使得上垫板(4)与岩芯上端面接触，给岩芯施加轴向应力；
步骤S7、岩芯致裂完成后，冷却至室温，打开加热套，卸载声发射探头(72)，拧动螺杆(6)抬起上垫板(4)，将两半圆厚壁筒(31)打开，取出破碎的岩芯；
步骤S8、取出破裂的岩芯后，可以获得破裂后岩芯内部裂缝扩展形态，并用带颜色油性笔描绘岩芯表面裂缝；通过CT扫描方法对缝网拓扑结构进行三维重构成像来表征裂缝形态，也可以通过体密度以及分形维数来表征。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202010500016.4A CN111595694A (zh) | 2020-06-04 | 2020-06-04 | 模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置及方法 |
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| CN202010500016.4A CN111595694A (zh) | 2020-06-04 | 2020-06-04 | 模拟干热岩致裂形成裂缝形态的装置及方法 |
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| CN111595694A true CN111595694A (zh) | 2020-08-28 |
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Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN111595694A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112304743A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-02-02 | 绍兴文理学院 | 一种固体球壳龟裂模拟试验装置 |
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2020
- 2020-06-04 CN CN202010500016.4A patent/CN111595694A/zh active Pending
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