CN111879814A - 裂隙岩体水热传输机理实验装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种裂隙岩体水热传输机理实验装置及系统，能够准确获得裂隙进出口的真实温度和岩石表面的真实温度。水热传输机理实验装置包括：外层隔热部；承压部；支撑部；加热部；进水部，具有：进水管，从外至内贯穿隔热板和支撑板并密封接触岩体试样，且内腔出口完全覆盖住位于裂隙区域；进水口；排气孔；出水部，设置在进水部的不同侧，具有：出水管，从外至内贯穿隔热板和支撑板并密封接触岩体试样，出水管的内腔入口完全覆盖住裂隙区域；出水口；排气孔；内层隔热部，包括第一隔热密封垫单元和第二隔热密封垫单元；侧向封水部，包括多个侧向封水囊；温度传感部，包括多个岩体温度传感器和内水温度传感器；加压部以及位移传感部。

Description

裂隙岩体水热传输机理实验装置及系统

技术领域

本发明属于地热能开发利用领域，具体涉及一种裂隙岩体水热传输机理实验装置及系统。

背景技术

在我国，深部地热能源资源储量丰富，分布范围广泛，市场潜力巨大，发展前景广阔。利用增强型地热系统(EGS)大规模开发利用深部地热能源对调整我国能源结构，实现节能减排以及应对气候变暖等具有重要的现实意义和长远的战略意义。

工程上，干热岩开发主要是通过注入井将冷水注入人工压裂所产生的张开连通裂隙带，与高温的岩体接触而交换热量，然后通过生产井返回地面，将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面，再通过热交换及地面循环装置用于发电；冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用，从而实现持续不断提取深部储层中热能的目的。因此，干热岩的开采过程涉及高温高压环境下裂隙岩体水热传输这一关键科学问题，充分掌握该问题既是地热能开发利用的关键环节，又是该研究领域的难点所在。

裂隙岩体水热传输室内试验研究对于揭示地热储层岩石裂隙复杂渗流和对流传热规律，掌握地热开采过程储层裂隙流固热耦合机理与影响因素具有不可替代的作用。目前，国内外学者研发了大量的裂隙岩体水热传输试验装置，但该实验需实现高温高压下的裂隙渗流过程，因而对试验条件和边界条件的要求十分苛刻。现有的试验设备多基于岩石三轴实验机改造而成，在整个实验过程中都为全封闭状态，因此不可避免的存在以下问题：1)封水效果不理想；2)水在进入裂隙前/后仍被加热，裂隙进出口的真实温度难以测量；3)实验过程中岩石表面的温度状态难以测量。因而，如何解决现有技术的不足已成为本领域研究人员亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明是为了解决以上问题而进行的，目的在于提供一种裂隙岩体水热传输机理实验装置及系统，能够准确获得裂隙进出口的真实温度和岩石表面的真实温度，提高实验结果的精确性。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<装置>

本发明提供一种裂隙岩体水热传输机理实验装置，其特征在于，包括：外层隔热部，由多个隔热板围成，内部中空形成隔热腔；承压部，具有底部承压板和顶部承压板，分别设置在隔热腔的上部和下部，与位于隔热腔中岩体试样的上表面和下表面相接触；支撑部，具有多个支撑板，围绕且贴合岩体试样的侧面设置，与承压部围成放置岩体试样的内腔；加热部，设置在隔热腔内，对位于内腔中的岩体试样进行加热；进水部，具有：进水管，从外至内贯穿隔热板和支撑板并密封接触岩体试样，且内腔出口完全覆盖住位于岩体试样中部的裂隙区域；进水口，设置在进水管的外端下部；排气孔，设置在进水管的外端上部；出水部，设置在进水部的不同侧，具有：出水管，从外至内贯穿隔热板和支撑板并密封接触岩体试样，出水管的内腔入口完全覆盖住位于岩体试样中部的裂隙区域；出水口，设置在出水管的外端下部；排气孔，设置在出水管的外端上部；内层隔热部，包括：密封设置在进水管外壁与支撑板之间，并且延伸至岩体试样裂隙区域外侧的第一隔热密封垫单元，和密封设置在出水管外壁与支撑板之间，并且延伸至岩体试样裂隙区域外侧的第二隔热密封垫单元；侧向封水部，包括多个侧向封水囊，设置在未安装进水部和出水部的支撑板内侧与岩体试样裂隙区域之间；温度传感部，包括：多个贯穿隔热板和支撑板、接触岩体试样设置的岩体温度传感器，和设置在进水部和出水部上的内水温度传感器；加压部，对承压部施加向法向应力；以及位移传感部，与加压部相连，监测法向位移。

优选地，本发明提供的裂隙岩体水热传输机理实验装置，还可以具有以下特征：加压部包括多个加压螺栓；顶部承压板与支撑板通过多个加压螺栓相连；位移传感部包括设置在各个加压螺栓中的位移传感器。

优选地，本发明提供的裂隙岩体水热传输机理实验装置，还可以具有以下特征：顶部承压板的中部向内凹陷并且下表面与岩体试样的上表面相贴合，两端部通过多个加压螺栓与支撑板相连；位于顶部承压板上方的隔热板两端设有与加压螺栓相对应的操作孔；底部承压板的中部向上凹陷并且上表面与岩体试样的下表面相贴合。

优选地，本发明提供的裂隙岩体水热传输机理实验装置，还可以具有以下特征：加热器包括分别设置在顶部承压板和底部承压板凹陷区域中的上加热板和下加热板。

优选地，本发明提供的裂隙岩体水热传输机理实验装置，还可以具有以下特征：岩体温度传感器在裂缝区域上下两侧均匀布设。

优选地，本发明提供的裂隙岩体水热传输机理实验装置，还可以具有以下特征：进水管和出水管的外端中央处均设有温度监测孔，内水温度传感器密封安装在温度监测孔中，并且探头通过温度监测孔伸入裂缝区域近旁。

优选地，本发明提供的裂隙岩体水热传输机理实验装置，还可以具有以下特征：进水部和出水部均还包括设置在排气孔上的排气管和安装在该排气管上的排气阀。

优选地，本发明提供的裂隙岩体水热传输机理实验装置，还可以具有以下特征：侧向封水囊包括：具有一定弹性的防水性外囊，和填充在外囊内的液压油，侧向封水囊的面积应全覆盖岩体试样裂隙区域。

优选地，本发明提供的裂隙岩体水热传输机理实验装置，还可以具有以下特征：外层隔热部、承压部、支撑部、加热部、进水部、出水部、内层隔热部、侧向封水部、温度传感部、加压部、位移传感部均可拆卸相连。

<系统>

进一步，本发明还提供了一种裂隙岩体水热传输机理实验系统，其特征在于，包括：上文<装置>中所描述的裂隙岩体水热传输机理实验装置；温度监控装置，与裂隙岩体水热传输机理实验装置中的温度传感部、加热部均通信相连，监测并调控温度；渗透压力监控装置，与进水部相连，监测并调控渗透压力；流量监测装置，与出水部相连，并与渗透压力监控装置通信相连，用于对一定渗透压力下的流量进行测量和复核，并对实验后的尾水进行收集；实验终端，与裂隙岩体水热传输机理实验装置、温度监控装置、渗透压力监控装置、流量监测装置均通信相连，控制它们的运行，并根据监测到的参数和用户输入的指令信息绘制和显示相应的实验数据分析图表。

发明的作用与效果

根据本发明所提出的裂隙岩体水热传输机理实验装置及系统，外层隔热部内部中空形成隔热腔，底部承压板和顶部承压板分别与位于隔热腔中岩体试样的上表面和下表面相接触，支撑部围绕且贴合岩体试样的侧面设置，与承压部围成放置岩体试样的内腔，加热部对位于内腔中的岩体试样进行加热，进水管从外至内贯穿隔热板和支撑板并密封接触岩体试样，并且内腔出口完全覆盖住位于岩体试样中部的裂隙区域，出水管从外至内贯穿隔热板和支撑板并密封接触岩体试样，出水管的内腔入口完全覆盖住位于岩体试样中部的裂隙区域，第一隔热密封垫单元密封设置在进水管外壁与支撑板之间，并且延伸至岩体试样裂隙区域外侧，第二隔热密封垫单元密封设置在出水管外壁与支撑板之间，并且延伸至岩体试样裂隙区域外侧，多个侧向封水囊设置在未安装进水部和出水部的支撑板内侧与岩体试样裂隙区域之间，多个岩体温度传感器贯穿隔热板和支撑板、接触岩体试样设置，内水温度传感器设置在进水部和出水部上；通过这样的设置可以有效地避免水在流入裂隙前及流出裂隙后被再次加热，切实提高进出口的测量精度；并且，本发明在保证实验环境的同时，极大地降低了封水的难度，并可以实时监测试样的表面温度，保障了实验数据的可靠性；进一步，本发明所提供的实验系统结构简单，降低了试验过程中的操作难度，结果准确可靠。

附图说明

图1为本发明实施例涉及的裂隙岩体水热传输机理实验系统的结构示意图；

图2为本发明实施例涉及的裂隙岩体水热传输机理实验系统的内部结构示意图；

图3为本发明图2中A-A方向的剖示图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的裂隙岩体水热传输机理实验装置及系统的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

如图1至3所示，本实施例所提供的裂隙岩体水热传输机理实验系统10包括裂隙岩体水热传输机理实验装置100、温度监控装置200、渗透压力监控装置300、流量监测装置400以及实验终端500。

裂隙岩体水热传输机理实验装置100包括外层隔热部101、承压部102、支撑部103、加热部104、进水部105、出水部106、内层隔热部107、侧向封水部108、温度传感部109、加压部110以及位移传感部111。

外层隔热部101由六个隔热板101a围成，内部中空形成隔热腔。

承压部102具有底部承压板102a和顶部承压板102b，分别设置在隔热腔的上部和下部，与岩体试样S的上表面和下表面相接触。如图2和3所示，底部承压板102a的中部向上凹陷并且上表面与岩体试样S的下表面相贴合；底部承压板102a与支撑部103通过固定螺栓102c相连。顶部承压板102b的中部向内凹陷并且下表面与岩体试样S的上表面相贴合，两端部与支撑部103上表面间隔一定距离。

支撑部103具有四个支撑板103a，围绕且贴合岩体试样S的侧面设置，与承压部102围成用于放置岩体试样S的内腔。

加热部104设置在隔热腔内，对位于内腔中的岩体试样S进行加热。本实施例中，加热器104包括贴合设置在顶部承压板102a凹陷区域中的下加热板104a，和贴合设置在底部承压板102b凹陷区域中的上加热板104b，从上下两侧对岩体试样S进行均匀加热。

进水部105具有进水管105a、进水口105b、排气孔105c、排气管105d以及排气阀105e。进水管105a从外至内贯穿隔热板101a和支撑板103a，密封接触岩体试样S。并且，进水管105a的内腔出口呈矩形，完全覆盖住位于岩体试样S中部的裂隙C区域。进水口105b设置在进水管105a的外端下部。排气孔105c设置在进水管105a的外端上部。排气管105d设置在排气孔105c上。排气阀105e安装在排气管105d上，用于调控排气速度。

出水部106设置在进水部105的对向侧(相对于岩体试样S)，具有：出水管106a、出水口106b、排气孔106c、排气管106d以及排气阀106e。出水管106a从外至内贯穿隔热板101a和支撑板103a，并密封接触岩体试样S。并且，出水管106a的内腔入口呈矩形，完全覆盖住位于岩体试样S中部的裂隙C区域。出水口106b设置在出水管106a的外端下部。排气孔106c设置在出水管106a的外端上部。排气管106d设置在排气孔106c上。排气阀106e安装在排气管106d上，用于调控排气速度。

本实施例中，岩体试样S的尺寸为200mm×100mm×100mm，进水管105a和出水管106a的内腔出/入口截面大小为100mm×10mm，完全覆盖住裂隙C的进出口，形成密闭的空腔。

内层隔热部107包括第一隔热密封垫单元107a和第二隔热密封垫单元107b。第一隔热密封垫单元107a密封设置在进水管105a外壁与支撑板103a之间，并且延伸至岩体试样S裂隙C区域的外侧，具有防水隔热功能，用于将进水管105a与裂隙C进口密封相连，并保证进水管105a不会被试样加热。第二隔热密封垫单元107b密封设置在出水管106a外壁与支撑板103a之间，并且延伸至岩体试样S裂隙C区域外侧，具有防水隔热功能，用于将出水管106a与裂隙C进口密封相连，并保证出水管106a不会被试样加热。

侧向封水部108包括两个侧向封水囊108a，分别设置在未安装进水部105和出水部106的两个支撑板103a(图2中的前后侧支撑板103a)的内侧与岩体试样S裂隙C区域之间，用于紧贴并封堵住岩体试样S裂隙C开口。本实施例中，侧向封水囊108a长度为200mm，宽度为30mm，由弹性及硬度适中的聚氨脂制成，内部充有液压油。侧向封水囊108a的面积应全覆盖岩体试样S的裂隙C区域。

温度传感部109包括十二个表面温度监测孔109a、十二个岩体温度传感器109b、两组内水温度监测孔109c、和两组内水温度传感器109d。十二个表面温度监测孔109a与十二个岩体温度传感器109b一一对应，每个表面温度监测孔109均贯穿隔热板101a和支撑板103a设置，使得岩体温度传感器109b能够穿过隔热板101a和支撑板103a接触到岩体试样S的侧面。岩体温度传感器109b用于监测岩体试样S的表面温度，每一侧面各设有六个岩体温度传感器109b，以裂隙C为界上下各三个，均匀布设。两组内水温度监测孔109c与两组内水温度传感器109d相对应，两组内水温度监测孔109c分别设置在进水部105和出水部106的端部中央，使得两组内水温度传感器109d的探头能够沿着进水部105/出水部106的管道内腔伸入至岩体试样S的裂缝区域近旁。内水温度传感器109d用于监测裂缝内水温度。

加压部110用于对承压部102施加向法向应力。本实施例中，加压部110包括设置在顶部承压板102b两端部的多个加压螺栓110a，通过加压螺栓110a将顶部承压板102b与相应的支撑板103a相连，并且通过拧动加压螺栓110a可以调控法向压力。另外，在顶部承压板102b上方的隔热板101a的两端设有与加压螺栓110a相对应的操作孔，以便于实施加压操作。

位移传感部111与加压部110相连，用于监测法向位移。本实施例中，位移传感部111为多个设置在各加压螺栓110a中的位移传感器111a。

在本实施例中，外层隔热部101、承压部102、支撑部103、加热部104、进水部105、出水部106、内层隔热部107、侧向封水部108、温度传感部109、加压部110、位移传感部111这些结构均为可拆卸相连。

温度监控装置200与温度传感部109、加热部104均通信相连，监测并调控温度。本实施例中，温度监控装置200为温度伺服装置，能够对加热温度和功率进行调控，并且还能够根据温度传感部109实时反馈的岩体试样S的表面温度信息，基于温度的波动变化对加热部104进行控制调整。

渗透压力监控装置300与进水部105相连，监测并调控渗透压力。本实施例中，渗透压力监控装置300为渗透压力伺服装置，通过进水管301与进水口105b相连，能够提供实验所需的渗透压力，渗透压力的施加可以选用常流量、常压力梯度、变压力梯度和正弦波四种方式进行控制。进水管301上设有阀门302。

流量监测装置400与出水部106相连，并与渗透压力监控装置300通信相连，用于对一定渗透压力下的流量进行测量和复核，并对实验后的尾水进行收集，以用于进一步分析。本实施例中，流量监测装置400通过排水管401与流量监测装置15相连。流量监测装置400能够对渗透压力监控装置300所提供的流量进行对比，在保证精度的同时还可用于检测试验过程中装置的密闭性。排水管401上设有阀门402。

实验终端500与裂隙岩体水热传输机理实验装置100、温度监控装置200、渗透压力监控装置300、流量监测装置400均通信相连，控制裂隙岩体水热传输机理实验装置100、温度监控装置200、渗透压力监控装置300、流量监测装置400的运行，并根据实时监测到的参数(内水温度、位移、压力、岩石温度、渗透压、流量等)和用户输入的指令信息绘制和显示相应的实验数据分析图表。

以上是本实施例所提供的裂隙岩体水热传输机理实验系统10的具体结构，下面对该进行空隙测量的方法进行介绍，本实施例所提供的土工织物孔隙测量方法具体包括以下步骤：

步骤1.准备尺寸为200mm×100mm×100mm的岩体试样S，通过直接切割或巴西劈裂的方法制造人工裂隙C。

步骤2.将准备好的岩体试样S置于裂隙岩体水热传输机理实验装置100的内腔内，采用耐热胶将进水部105、出水部106、内层隔热部107与岩体试样S裂缝区域的进出口端(裂隙C口)密封连通，并用螺栓将两个支撑板103a、进水部105、出水部106进行进一步固定；同样采用耐热胶对岩体试样S的两个侧面裂缝开口(图2中的前后面或图3中的左右面)进行第一步封水，然后安装侧向封水部108和另外两个支撑板103a，并通过侧面螺栓使支撑板103a内侧面的侧向封水囊108a紧贴裂隙C进行第二步封水，进一步保证封水效果，使得通过进水部105后续注入岩体裂缝的水，仅能由出水部106流出。

步骤3.安装外层隔热板101a并按照图1将各装置进行连接。通过加压螺栓110a施加法向约束，打开阀门302，通过渗透压力监控装置300施加水压力，待进水部105内充满水后，关闭阀门302，然后通水一定时间，检测装置的封水效果。

步骤4.通过加压螺栓110a对岩体试样S施加法向压力，当位移传感器111a达到指定数值时，通过温度监控装置200控制加热部104对岩体试样S进行加热，直至温度传感部109达到指定目标温度后，控制温度传感部109为指定温度不变，以形成实验所需的温度边界。

步骤5.打开阀门302，通过渗透压力监控装置300施加水压力，待进水部105内充满水后，关闭阀门302。继续以低流量注入蒸馏水，驱赶裂隙C空隙中的空气，并浸润裂隙C周围的岩块，使裂隙C达到饱和状态(采用较小的流量进行通水，当出口处有稳定流量的水流出时，则表示裂隙C已达到饱和状态)。待裂隙C饱和后，梯级施加渗透压，在每级渗透压稳定后，通过流量监测装置400测定并记录裂隙C的流量，开展不同水力梯度下水热传输试验。

步骤6.重复步骤4，保持法向压力值不变，改变加热部104的温度，当试样稳定在新的温度下之后，重复步骤5进行当前温度边界下的水热传输实验。

在整个实验过程中，实验终端500实时记录测量得到的进/出口温度(内水温度)、法向变形、试样表面的温度、渗透压力和相应的流量值，绘制各自的对应曲线，并进行存储及显示。

重复上述步骤，直到完成所有工况条件下的水热传输实验。

步骤7.通过温度监控装置200使加热部104停止加热，拆除外层的隔热板101a。继续利用渗透压力监控装置300持续向裂隙C中注入蒸馏水使装置快速冷却。待装置完全冷却后，停止注水并关闭电源，打开裂隙岩体水热传输机理实验装置100，取出岩体试样S，实验完毕。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的裂隙岩体水热传输机理实验装置及系统并不限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种裂隙岩体水热传输机理实验装置，其特征在于，包括：

外层隔热部，由多个隔热板围成，内部中空形成隔热腔；

承压部，具有底部承压板和顶部承压板，分别设置在所述隔热腔的上部和下部，与位于所述隔热腔中岩体试样的上表面和下表面相接触；

支撑部，具有多个支撑板，围绕且贴合所述岩体试样的侧面设置，与所述承压部围成放置所述岩体试样的内腔；

加热部，设置在所述隔热腔内，对位于所述内腔中的所述岩体试样进行加热；

进水部，具有：进水管，从外至内贯穿所述隔热板和所述支撑板并密封接触所述岩体试样，且内腔出口完全覆盖住所述位于所述岩体试样中部的裂隙区域；进水口，设置在所述进水管的外端下部；排气孔，设置在所述进水管的外端上部；

出水部，设置在所述进水部的不同侧，具有：出水管，从外至内贯穿所述隔热板和所述支撑板并密封接触所述岩体试样，所述出水管的内腔入口完全覆盖住所述位于所述岩体试样中部的裂隙区域；出水口，设置在所述出水管的外端下部；排气孔，设置在所述出水管的外端上部；

内层隔热部，包括：密封设置在所述进水管外壁与所述支撑板之间，并且延伸至所述岩体试样裂隙区域外侧的第一隔热密封垫单元，和密封设置在所述出水管外壁与所述支撑板之间，并且延伸至所述岩体试样裂隙区域外侧的第二隔热密封垫单元；

侧向封水部，包括多个侧向封水囊，设置在未安装所述进水部和所述出水部的所述支撑板内侧与所述岩体试样裂隙区域之间；

温度传感部，包括：多个贯穿所述隔热板和所述支撑板、接触所述岩体试样设置的岩体温度传感器，和设置在所述进水部和所述出水部上的内水温度传感器；

加压部，对所述承压部施加向法向应力；以及

位移传感部，与所述加压部相连，监测法向位移。

2.根据权利要求1所述的裂隙岩体水热传输机理实验装置，其特征在于：

其中，所述加压部包括多个加压螺栓；

所述顶部承压板与所述支撑板通过多个所述加压螺栓相连；

所述位移传感部包括设置在各个所述加压螺栓中的位移传感器。

3.根据权利要求2所述的裂隙岩体水热传输机理实验装置，其特征在于：

其中，所述顶部承压板的中部向内凹陷并且下表面与所述岩体试样的上表面相贴合，两端部通过多个所述加压螺栓与所述支撑板相连；

位于所述顶部承压板上方的所述隔热板两端设有与所述加压螺栓相对应的操作孔；

所述底部承压板的中部向上凹陷并且上表面与所述岩体试样的下表面相贴合。

4.根据权利要求3所述的裂隙岩体水热传输机理实验装置，其特征在于：

其中，所述加热器包括分别设置在所述顶部承压板和所述底部承压板凹陷区域中的上加热板和下加热板。

5.根据权利要求1所述的裂隙岩体水热传输机理实验装置，其特征在于：

其中，所述岩体温度传感器在所述裂缝区域上下两侧均匀布设。

6.根据权利要求1所述的裂隙岩体水热传输机理实验装置，其特征在于：

其中，所述进水管和所述出水管的外端中央处均设有温度监测孔，所述内水温度传感器密封安装在所述温度监测孔中，并且探头通过所述温度监测孔伸入所述裂缝区域近旁。

7.根据权利要求1所述的裂隙岩体水热传输机理实验装置，其特征在于：

其中，所述进水部和所述出水部均还包括设置在所述排气孔上的排气管和安装在该排气管上的排气阀。

8.根据权利要求1所述的裂隙岩体水热传输机理实验装置，其特征在于：

其中，所述侧向封水囊包括：具有一定弹性的防水性外囊，和填充在所述外囊内的液压油，

所述侧向封水囊的面积应全覆盖所述岩体试样裂隙区域。

9.根据权利要求1所述的裂隙岩体水热传输机理实验装置，其特征在于：

其中，所述外层隔热部、所述承压部、所述支撑部、所述加热部、所述进水部、所述出水部、所述内层隔热部、所述侧向封水部、所述温度传感部、所述加压部、所述位移传感部均可拆卸相连。

10.一种裂隙岩体水热传输机理实验系统，其特征在于，包括：

权利要求1至9中任意一项所述的裂隙岩体水热传输机理实验装置；

温度监控装置，与所述裂隙岩体水热传输机理实验装置中的温度传感部、加热部均通信相连，监测并调控温度；

渗透压力监控装置，与所述进水部相连，监测并调控渗透压力；

流量监测装置，与所述出水部相连，并与所述渗透压力监控装置通信相连，用于对一定渗透压力下的流量进行测量和复核，并对实验后的尾水进行收集；

实验终端，与所述裂隙岩体水热传输机理实验装置、所述温度监控装置、所述渗透压力监控装置、所述流量监测装置均通信相连，控制它们的运行，并根据监测到的参数和用户输入的指令信息绘制和显示相应的实验数据分析图表。

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