CN113155640A - 一种高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，涉及裂隙剪切渗流试验技术领域，所述系统包括：直剪盒，其内部形成一容纳试验岩样的密闭腔体；力加载装置，用于向试验岩样施加法向力和剪切力；加压装置，用于使密闭腔体内部具有预设气压；温度控制装置，用于使密闭腔体内部具有第一预设温度；注水装置，用于向试验岩样内部注入具有第二预设温度的水，以使注入的水沿试验岩样内部的天然裂隙面渗流；出水采集装置，用于对渗流出的水的流量进行采集测量；控制器，用于监控上述各装置的动作，并对各装置采集到的数据进行处理。本发明提供的技术方案，能够获取表征天然裂隙面在注水剪切过程中的演化特性的关键参数，且提高了试验过程的自动化程度。

Description

一种高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统

技术领域

本发明涉及裂隙剪切渗流试验技术领域，特别地涉及一种高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统。

背景技术

地热是一种储存于地壳岩石，蒸汽或天然流体中的可再生能源，其按储存方式可大致分为水热型和干热岩型，而后者由于高热值而最具开发潜力。我国具有丰富的干热岩资源，干热岩开发须首先在地热储层中建立一个连通的裂缝系统，接着由注入井向储层中注入冷水，使其与热岩接触发生热交换，然后通过流体流动将热量带出至生产井，最终在地面进行热能转化实现发电。上述开采工艺核心是储层改造，即通过在储层中构建裂缝网络系统来实现冷流体与热岩的对流换热。目前常用的两种储层改造技术是：水力压裂和水力剪切。前者通过高压流体注入使储层破裂产生人工裂隙而实现缝网联通，而后者则通过水压诱导天然裂隙发生滑移剪胀而实现储层渗透率改造。大量工业实践表明，干热岩力学强度高，基质渗透率低，采用水力压裂技术不易在高温热储层中造出裂缝，且由于热储层中含有大量天然裂隙，因此水力剪切技术是当前干热岩储层改造的研究重点。由此可知，开展天然裂隙热储层注水剪切-增透采热的试验模拟工作是当前干热岩开采领域亟待解决的难题，这对于实现热能资源高效开采以及热储围岩稳定性控制具有重要意义。

天然裂隙储层由大量岩体单裂隙构成，而深入探究注水诱发高温单裂隙岩体剪切-渗流-换热特征演化是掌握裂隙热储注水剪切-增透采热的关键。然而，目前的研究由于缺少足够多的监测数据，如裂隙力学损伤、裂隙面各向异性渗透率等，导致目前的研究无法准确理解剪切过程中力学变形及渗流现象；同时，现有技术中更未见考虑剪切过程中裂隙对流换热特性演化，这导致无法刻画裂隙剪切对热能传输特性影响，进而也不能评判水力剪切效果的好坏。

可见，现有的裂隙剪切渗流试验对于一些关键参数无法获取，从而无法全面地表征天然裂隙面在注水剪切过程中的演化特性；且现有的试验过程操作复杂、自动化程度较低。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，能够获取表征高温天然裂隙面在注水剪切过程中的演化特性的关键参数，且提高了试验过程的自动化程度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，所述系统包括：岩石直剪试验机；所述系统还包括：

直剪盒，置于所述岩石直剪试验机的机架内，所述直剪盒内部形成一容纳试验岩样的密闭腔体；

法向力加载装置，用于在所述岩石直剪试验机的作用下向所述试验岩样施加预设法向力；

剪切力加载装置，用于在所述岩石直剪试验机的作用下向所述试验岩样施加预设剪切力；

加压装置，用于向所述密闭腔体内部注入预设气体，以使所述密闭腔体内部具有预设气压；

温度控制装置，用于对所述密闭腔体内部的所述预设气体进行加热，以使所述密闭腔体内部具有第一预设温度；

注水装置，用于向所述试验岩样内部注入具有第二预设温度的水，以使注入的水沿所述试验岩样内部的天然裂隙面渗流；

出水采集装置，用于对从所述天然裂隙面渗流出的水的流量进行采集测量；

控制器，与所述法向力加载装置、所述剪切力加载装置、所述加压装置、所述温度控制装置、所述注水装置和所述出水采集装置连接，用于监控各装置的动作，并对各装置采集到的数据进行处理。

优选地，所述直剪盒包括：上剪切盒和下剪切盒；所述上剪切盒与所述下剪切盒采用法兰连接，且连接处采用O型圈和铜圈进行组合密封；所述O型圈为耐高温材质。

优选地，所述法向力加载装置包括：轴向加载杆和轴向力传感器；所述轴向加载杆的一端垂直穿过所述上剪切盒，延伸至所述密闭腔体中；所述轴向加载杆的另一端高于所述上剪切盒的顶面；所述轴向加载杆与所述上剪切盒之间滑动连接；所述轴向加载杆的两侧还分别设置有第一位移传感器；

所述轴向力传感器设置于所述轴向加载杆的另一端；所述轴向力传感器和所述第一位移传感器均连接至所述控制器。

进一步地，所述上剪切盒的顶部还设置有第一冷却室；所述轴向加载杆的一端依次垂直穿过所述第一冷却室和所述上剪切盒，延伸至所述密闭腔体中；所述轴向加载杆的另一端高于所述第一冷却室的顶面；所述轴向加载杆与所述第一冷却室、所述上剪切盒之间滑动连接。

优选地，所述剪切力加载装置包括：切向加载杆和剪切力传感器；所述切向加载杆的一端横向穿过所述下剪切盒，延伸至所述密闭腔体中；所述切向加载杆的另一端伸出于所述下剪切盒的外侧面；所述切向加载杆与所述下剪切盒之间滑动连接；所述切向加载杆的两侧还分别设置有第二位移传感器；

所述剪切力传感器设置于所述切向加载杆的另一端；所述剪切力传感器和所述第二位移传感器均连接至所述控制器。

进一步地，所述下剪切盒的外侧面还依次设置有伸长框架和第二冷却室；所述切向加载杆的一端依次横向穿过所述第二冷却室、所述伸长框架和所述下剪切盒，延伸至所述密闭腔体中；所述切向加载杆的另一端伸出于所述第二冷却室的外侧面；所述切向加载杆与所述第二冷却室、所述伸长框架、所述下剪切盒之间滑动连接。

优选地，所述加压装置包括：依次连接的氮气瓶、减压阀、增压泵和高压缓冲罐；所述高压缓冲罐的输出端经所述直剪盒的侧壁与所述密闭腔体连通；所述减压阀和所述增压泵均连接至所述控制器。

进一步地，所述高压缓冲罐与所述直剪盒之间还设置有第一压力传感器；所述第一压力传感器连接至所述控制器。

优选地，所述温度控制装置包括：加热器和第一温度传感器；所述加热器和所述第一温度传感器均设置于所述密闭腔体内；所述加热器的输出端和所述第一温度传感器的输出端均经由所述直剪盒的壁面连接至所述控制器。

进一步地，所述试验岩样底部设置有与所述天然裂隙面连通的注水孔；所述直剪盒的壁面设置有与所述注水孔连通的注水口；所述注水装置包括：注液泵和预热器；所述注液泵经由所述预热器连接至所述注水口；所述预热器与所述注水口之间还设置有第二压力传感器；所述注液泵、所述预热器和所述第二压力传感器均连接至所述控制器。

优选地，所述直剪盒的壁面还设置有与所述密闭腔体连通的出水口；所述出水采集装置设置有多套，每套所述出水采集装置包括：背压阀、冷却器和电子天平；所述出水口依次经由所述背压阀、所述冷却器连接至所述电子天平；所述出水口与所述背压阀之间还设置有第三压力传感器；所述冷却器、所述电子天平和所述第三压力传感器均连接至所述控制器。

进一步地，所述试验岩样内部还设置有多个容置小孔，每个所述容置小孔中设置有一第二温度传感器；每个所述第二温度传感器的输出端经由所述试验岩样、所述直剪盒的壁面连接至所述控制器。

进一步地，所述多个容置小孔在所述试验岩样内部呈十字分布；每个所述第二温度传感器的输出端经由所述试验岩样的引出孔、经由所述直剪盒的壁面的引出孔均采用耐高温环氧树脂密封。

进一步地，所述系统还包括：依次连接的声发射仪、声发射探头和声发射外接杆；所述声发射外接杆穿过所述直剪盒侧壁延伸至与所述试验岩样的外表面接触；所述声发射仪和所述声发射探头均连接至所述控制器。

进一步地，所述系统还包括：安全阀和第四压力传感器；所述安全阀的输入端经所述直剪盒侧壁与所述密闭腔体连通，所述安全阀的输出端连接所述第四压力传感器；所述第四压力传感器连接至所述控制器。

进一步地，所述试验岩样的上部采用与其相适配的夹具固定；所述试验岩样的底部设置有下垫块；所述试验岩样的顶部设置有上垫块；所述密闭腔体的底部设置有与所述试验岩样相适配的定位槽。

进一步地，所述系统还包括：

三维激光扫描仪，用于对所述试验岩样的天然裂隙面的形貌特征进行扫描，以获取所述天然裂隙面的粗糙度。

本发明实施例提供的一种高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，由于设置了直剪盒、法向力加载装置、剪切力加载装置、加压装置、温度控制装置、注水装置、出水采集装置和控制器，使得能够在一定的温度、一定的气压、一定的法向力作用和一定的剪切力作用下，对试验岩样进行注水剪切渗流试验，并可实时采集、计算从试验岩样的天然裂隙面渗流出的水的流量，基于该出水流量数据，可进一步计算天然裂隙面的实时水力开度和实时各向异性渗透率。即通过本发明提供的试验系统，能够获得表征天然裂隙面在注水剪切过程中的演化特性的关键参数。

此外，本发明还能够基于上述实时水力开度和实时各向异性渗透率，进一步获取天然裂隙面的水力开度变化曲线、平均水力开度和各向异性渗透率变化曲线，并能够基于上述数据进一步计算天然裂隙面的平均对流换热系数。通过声发射探头和声发射仪，本发明还能够对天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位；通过三维激光扫描仪，本发明还能够表征天然裂隙面的裂隙粗糙度变化，从而能够对剪切过程中裂隙面的力学变形、渗流现象、裂隙对流换热特性演化等进行全面研究。且本发明在注水剪切过程中，通过控制器监控各装置的动作，并对各装置采集到的数据进行处理，即能够自动获取上述关键参数，因此使得试验过程更加简单，提高了试验过程的自动化程度。

附图说明

通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本发明公开的范围。其中所包括的附图是：

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中直剪盒部分的结构示意图；

图3为图2的侧视图；

图4为本发明实施例中试验岩样和声发射装置的俯视图；

图5A和图5B为本发明实施例中试验岩样温度测量系统的结构示意图；

图6为本发明实施例中上裂隙块体的整体安装示意图。

附图标记说明

1-岩石直剪试验机的机架2-试验岩样201-天然裂隙面3-上剪切盒

4-下剪切盒5-轴向加载杆6-第一位移传感器7-第一冷却室

8-切向加载杆9-第二位移传感器10-伸长框架11-第二冷却室

12-氮气瓶13-减压阀14-增压泵15-高压缓冲罐16-第一压力传感器

17-加热器18-第一温度传感器19-注水口20-注液泵21-预热器

22-第二压力传感器23-出水口24-背压阀25-冷却器26-电子天平

27-容置小孔28-导线槽29-声发射仪30-声发射探头31-声发射外接杆

32-安全阀33-第四压力传感器34-控制器35-试验岩样各边的水槽

36-上垫块37-下垫块38-显示器39-阀门40-压力表41-出水通道

42-导线43-夹具

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方法，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

根据本发明的实施例，提供了一种高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，如图1所示，该系统包括：已有的伺服控制岩石直剪试验机；该系统还包括：

直剪盒，置于所述岩石直剪试验机的机架1内，所述直剪盒内部形成一容纳试验岩样2的密闭腔体；

法向力加载装置，用于在所述岩石直剪试验机的作用下向所述试验岩样2施加预设法向力；

剪切力加载装置，用于在所述岩石直剪试验机的作用下向所述试验岩样2施加预设剪切力；

加压装置，用于向所述密闭腔体内部注入预设气体，以使所述密闭腔体内部具有预设气压；

温度控制装置，用于对所述密闭腔体内部的所述预设气体进行加热，以使所述密闭腔体内部具有第一预设温度；

注水装置，用于向所述试验岩样2内部注入具有第二预设温度的水，以使注入的水沿所述试验岩样2内部的天然裂隙面201渗流；

出水采集装置，用于对从天然裂隙面201渗流出的水的流量进行采集测量；

控制器，与所述法向力加载装置、所述剪切力加载装置、所述加压装置、所述温度控制装置、所述注水装置和所述出水采集装置连接，用于监控各装置的动作，并对各装置采集到的数据进行处理。

本实施例中，所述试验岩样是指包含有天然裂隙面的热储岩样，该天然裂隙面为单裂隙面，呈水平分布，位于试验岩样2高度中部。该天然裂隙面201将试验岩样2分为上裂隙块体和下裂隙块体，试验岩样2整体呈立方体，边长尺寸为300mm。在下裂隙块体底部的中心位置钻有直径为3mm的小孔作为注水孔，该注水孔与天然裂隙面201垂直连通。在试验过程中，试验岩样2放在直剪盒内部所形成密闭腔体中，而直剪盒放在伺服控制岩石直剪试验机中，且位于该岩石直剪试验机机架1的正下方。通过该伺服控制岩石直剪试验机对试验岩样2施加法向力和剪切力。

为了方便对试验岩样2施加剪切力，试验岩样2的上部(即上裂隙块体)采用与其相适配的特制夹具43固定。

本实施例中所述的天然裂隙面指的是天然胶结充填或无充填单裂隙面。

本实施例中，基于出水采集装置获取到的实时出水流量，控制器可实时计算出天然裂隙面201的实时水力开度和实时各向异性渗透率，以获得表征天然裂隙面201在注水剪切过程中的演化特性的关键参数。

如图2所示，本实施例所述的直剪盒包括：上剪切盒3和下剪切盒4；所述上剪切盒3与所述下剪切盒4采用法兰连接，且连接处采用O型圈和铜圈进行组合密封；所述O型圈为耐高温材质。上剪切盒3和下剪切盒4连接后形成内部具有密闭腔体的直剪盒，试验过程中，试验岩样2置于该密闭腔体中。

本实施例中，所述法向力加载装置包括：轴向加载杆5和轴向力传感器；所述轴向加载杆5的一端垂直穿过所述上剪切盒3，延伸至所述密闭腔体中；所述轴向加载杆5的另一端高于所述上剪切盒3的顶面；所述轴向加载杆5与所述上剪切盒3之间滑动连接，以在岩石直剪试验机的作用下以恒定位移速率或力加载速率向密闭腔体中的试验岩样2施加法向力。

所述轴向加载杆5的两侧还分别设置有第一位移传感器6，用于实时检测轴向加载杆5的位移变化，为后续的计算提供试验数据。所述轴向力传感器设置于所述轴向加载杆5的另一端，用于实时检测轴向加载杆5对试验岩样2所施加的法向力的大小变化，为后续的计算提供试验数据。所述轴向力传感器和所述第一位移传感器6均连接至所述控制器，以使控制器实时获取采集的法向力大小和位移变化数据，用于后续的相关计算。

为了使轴向加载杆5工作于正常温度范围，进一步地，所述上剪切盒3的顶部还设置有第一冷却室7，用于对试验过程中的轴向加载杆5进行降温。则，本实施例中，如图2所示，所述轴向加载杆5的一端依次垂直穿过所述第一冷却室7和所述上剪切盒3，延伸至所述密闭腔体中；所述轴向加载杆5的另一端高于所述第一冷却室7的顶面；所述轴向加载杆5与所述第一冷却室7、所述上剪切盒3之间滑动连接，且轴向加载杆5与第一冷却室7的接触面之间、轴向加载杆5与上剪切盒3的接触面之间均采用耐高温的O型圈密封。

具体地，采用螺栓在上剪切盒3的顶部固定一个与其相适配的具有内腔体的盒体，以形成所述第一冷却室7。且该第一冷却室7设有进水口和出水口，以使第一冷却室7形成水循环冷却空间。

本实施例中，所述剪切力加载装置包括：切向加载杆8和剪切力传感器；所述切向加载杆8的一端横向穿过所述下剪切盒4，延伸至所述密闭腔体中；所述切向加载杆8的另一端伸出于所述下剪切盒4的外侧面；所述切向加载杆8与所述下剪切盒4之间滑动连接，以在岩石直剪试验机的作用下以恒定位移速率或力加载速率向密闭腔体中的试验岩样2施加剪切力。

所述切向加载杆8的两侧还分别设置有第二位移传感器9，用于实时检测切向加载杆8的位移变化，为后续的计算提供试验数据。所述剪切力传感器设置于所述切向加载杆8的另一端，用于实时检测切向加载杆8对试验岩样2所施加的剪切力的大小变化，为后续的计算提供试验数据。所述剪切力传感器和所述第二位移传感器9均连接至所述控制器，以使控制器实时获取采集的剪切力大小和位移变化数据，用于后续的相关计算。

为了使切向加载杆8工作于正常温度范围，进一步地，所述下剪切盒4的外侧面还依次设置有伸长框架10和第二冷却室11，用于对试验过程中的切向加载杆8进行降温。则，本实施例中，如图2所示，所述切向加载杆8的一端依次横向穿过所述第二冷却室11、所述伸长框架10和所述下剪切盒4，延伸至所述密闭腔体中；所述切向加载杆8的另一端伸出于所述第二冷却室11的外侧面；所述切向加载杆8与所述第二冷却室11、所述伸长框架10、所述下剪切盒4之间滑动连接，且切向加载杆8与第二冷却室11的接触面之间、切向加载杆8与伸长框架10的接触面之间、切向加载杆8与下剪切盒4的接触面之间均采用耐高温的O型圈密封。

具体地，采用螺栓在伸长框架10的外侧面固定一个与其相适配的具有内腔体的盒体，以形成所述第二冷却室11。且该第二冷却室11设有进水口和出水口，以使第二冷却室11形成水循环冷却空间。

本实施例中，所述加压装置包括：依次连接的氮气瓶12、减压阀13、增压泵14和高压缓冲罐15；所述高压缓冲罐15的输出端经所述直剪盒的侧壁与所述密闭腔体连通；所述减压阀13和所述增压泵14均连接至所述控制器。

其中，氮气瓶12可向密闭腔体内提供惰性气体，进而可通过减压阀13和增压泵14来调节气体的注入压力，而高压缓冲罐15则可保证注入气体压力稳定。注入的气体压力为直剪盒的密闭腔体提供一个高压压力环境，从而可保证高温作用下的密闭腔体内的注入水流不发生气化，进而可以稳定测量试验岩样的裂隙渗透率。减压阀13和增压泵14均受所述控制器的控制，以提高试验过程的自动化程度。

本实施例中，所述高压缓冲罐15与所述直剪盒之间还设置有第一压力传感器16，用于检测注水口的水压；所述第一压力传感器16连接至所述控制器，将检测到的水压值实时传送给控制器，以进行后续相关计算。

本实施例中，所述温度控制装置包括：加热器17和第一温度传感器18；所述加热器17和所述第一温度传感器18均设置于所述密闭腔体内；其中，加热器17用于对密闭腔体中的气体进行加热，从而使得密闭腔体内的试验岩样2处于高温环境中，而第一温度传感器18则可动态监测密闭腔体内的试验岩样温度变化。所述加热器17的输出端和所述第一温度传感器18的输出端均经由所述直剪盒的壁面连接至所述控制器。

本实施例中，所述试验岩样2底部设置有与所述天然裂隙面201连通的注水孔；所述直剪盒的壁面设置有与所述注水孔连通的注水口19；所述注水装置包括：注液泵20和预热器21；所述注液泵20经由所述预热器21连接至所述注水口19；所述预热器21与所述注水口19之间还设置有第二压力传感器22；所述注液泵20、所述预热器21和所述第二压力传感器22均连接至所述控制器。

其中，注液泵20通过注水口19经所述注水孔向试验岩样2内部的天然裂隙面201注水，并施加水压。该水压大小可通过第二压力传感器22进行检测。预热器21可对注入的水进行加热，其温度调节范围为25～400摄氏度。本实施例中的注液泵20为高精密注液泵。

本实施例中，所述直剪盒的壁面还设置有与所述密闭腔体连通的出水口23；所述出水采集装置设置有多套，每套所述出水采集装置包括：背压阀24、冷却器25和电子天平26；所述出水口23依次经由所述背压阀24、所述冷却器25连接至所述电子天平26；所述出水口23与所述背压阀24之间还设置有第三压力传感器；所述冷却器25、所述电子天平26和所述第三压力传感器均连接至所述控制器。

具体地，所述出水采集装置共有四套，可分别对试验过程中的试验岩样2的四条边的出水量进行收集测量。在试验过程中，由注水孔注入试验岩样2的水向裂隙四边辐射流动，流入各条边的水经出水口23流出密闭腔体，由于背压阀24的压力限制，流出的水仍保持液态，而后经冷却器25冷却，之后可通过电子天平26对瞬态出水量进行测量。

为了对试验过程中试验岩样2的内部温度进行测量，本实施例中，所述试验岩样2内部还设置有多个容置小孔27，每个所述容置小孔27中设置有一第二温度传感器；每个所述第二温度传感器的输出端经由所述试验岩样2、所述直剪盒的壁面连接至所述控制器。

本实施例中，所述多个容置小孔27在所述试验岩样2的内部呈十字分布，如图5A和图5B所示，每个所述第二温度传感器的输出端经由所述试验岩样2的引出孔、经由所述直剪盒的壁面的引出孔均采用耐高温环氧树脂密封。所述第二温度传感器为微型温度传感器。

具体地，所述多个容置小孔27共有13个，如图5A和图5B所示。微型温度传感器的导线42统一由上裂隙块体内钻取的导线槽28引出并经由直剪盒侧面开挖的侧孔引出，连接至控制器。上裂隙块体内部的容置小孔27、导线槽28和剪切盒的侧孔都采用耐高温环氧树脂密封处理。

为了对天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位，本实施例所述的系统还包括：依次连接的声发射仪29、声发射探头30和声发射外接杆31；所述声发射外接杆31穿过所述直剪盒侧壁延伸至与所述试验岩样2的外表面接触；所述声发射仪29和所述声发射探头30均连接至所述控制器。

具体地，如图4所示，本实施例中的声发射探头30有六个，声发射仪29有两个，每个声发射仪29与三个声发射探头30连接。声发射探头30连接声发射外接杆31，而声发射外接杆31通过直剪盒侧孔伸入密闭腔体中与上裂隙块体的外表面接触。声发射探头30可捕捉剪切试验全过程中裂隙面剪切损伤所释放的瞬态弹性波。

本实施例所述的系统还包括：安全阀32和第四压力传感器33；所述安全阀32的输入端经所述直剪盒侧壁与所述密闭腔体连通，所述安全阀32的输出端连接所述第四压力传感器33；所述第四压力传感器33连接至所述控制器。

上述安全阀32和第四压力传感器33组成安全卸压系统。当密闭腔体内部的气体压力超过额定数值时，安全阀32会开启，使密闭腔体内的压力卸载，进而保证试验过程的安全性。所述第四压力传感器33用于检测放气口的压力，并将检测到的压力值传送给所述控制器。

本实施例中，所述试验岩样2的上部采用与其相适配的夹具43固定；所述试验岩样2的底部设置有下垫块37；所述试验岩样2的顶部设置有上垫块36；所述密闭腔体的底部设置有与所述试验岩样2相适配的定位槽。

本实施例所述的系统还包括：三维激光扫描仪，用于对所述试验岩样的天然裂隙面的形貌特征进行扫描，以获取所述天然裂隙面的粗糙度。

需要说明的是，本实施例中的控制器34可以有多个，分别采集不同的实验数据，以提高工作效率。本实施例中通过计算获得的各种数据、曲线可通过显示器38进行显示。

以下通过具体的试验步骤来进一步说明本试验系统的设计原理和使用方法：

本实施例以尺寸为300ⅹ300ⅹ300mm的含天然胶结裂隙的方形花岗岩试件为例，并选取纯净水作为渗透介质，然后采用本试验系统来说明在300度高温环境下天然裂隙注水剪切-渗流-采热试验的试验步骤，具体的实施步骤如下：

步骤1：制样：选取含天然胶结充填裂隙的某热储选区露头处大尺寸石块，将其运至室内加工为尺寸为300ⅹ300ⅹ300mm的方形试验岩样2，各边不平整度不超过0.01mm。天然胶结充填裂隙面201水平位于试验岩样2高度的中部。试验岩样2安装特制剪切夹具43，方便采用切向加载杆8对其施加切向应力。在试验岩样2的下裂隙块体的中部钻取直径为3mm的小孔作为注水孔，注水孔与天然胶结充填裂隙面201连通；接着在试验岩样2的上裂隙块体内部钻取呈“十字”分布的13个容置小孔27。然后将微型温度传感器置入每个容置小孔27内，并将微型温度传感器导线沿容置小孔27引出至试验岩样2外部，试验岩样2内的每个容置小孔27的两个端口都用耐高温环氧树脂密封处理。

步骤2：装样：将试验岩样2连同下垫块37置于下剪切盒4的定位槽内，微型温度传感器的导线沿着下剪切盒4壁面的微型温度传感器引出口引出，采用耐高温环氧树脂密封对引出口进行密封处理，将微型温度传感器的导线连接控制器。将6个声发射外接杆31与试验岩样2的外表面相接触，其中声发射外接杆31通过连接声发射探头30，并最终接入声发射仪29。之后将上垫块36置于试验岩样2的上部，并将上剪切盒3通过螺栓与下剪切盒4连接。上剪切盒3和下剪切盒4采用法兰连接而成，连接处用耐高温O型圈和铜圈进行组合密封。

步骤3：仪器准备：将安装好的直剪盒放在伺服控制岩石直剪试验系统机架1内，通过伺服控制岩石直剪试验机对上剪切盒3内所安装的轴向加载杆5施加预法向应力，使其活动并与密闭腔体内的上垫块36相接。然后通过伺服控制岩石直剪试验机对下剪切盒4的伸长框架10内所安装的切向加载杆8施加预切向应力，轴向加载杆5和切向加载杆8与上剪切盒3和下剪切盒4间用耐高温O型圈密封。在所述的上剪切盒3的顶部通过螺栓安装有第一冷却室7；在切向加载杆8的外侧，在伸长框架10的外侧通过螺栓安装有第二冷却室11，冷水从该冷却室的进水口进入，从出水口流出，动态水冷循环可实现切向加载杆8和密封圈的冷却。同理，上剪切盒3外部通过螺栓也安装有第一冷却室7，冷水从该冷却室的进水口流入，从出水口流出，动态水冷循环可实现轴向加载杆5和密封圈的冷却。

步骤4：密闭腔体加温加压：开启氮气瓶12向直剪盒的密闭腔体内充入氮气；接着开启温度控制系统，通过加热器17对密闭腔体内的氮气进行加热，当温度加至设定温度300度时保持温度恒定，进而可实现直剪盒内部密闭腔体整体的高温环境，升温过程中的密闭腔体内温度可由第一温度传感器18实时进行监测。调节减压阀13和增压泵14对密闭腔体进行充气加压，使密闭腔体内的压力保持在9MPa不变。另外设定安全阀32的安全压力值为10MPa，出水口的背压阀24压力为9MPa。

步骤5：施加法向应力：开启伺服控制岩石直剪试验机，以恒定速率0.02MPa/s施加法向应力至20MPa后稳定保持4h，使试件在高温环境下充分受热。并同时开启声发射仪29对试验过程中的天然裂隙面201的损伤进行探测。

步骤6：施加剪切应力：以恒定的剪应力加载速率0.02MPa/s施加剪应力，并实时观测剪应力-剪切位移曲线变化关系,当曲线到达塑性区时，维持恒定剪应力不变。

步骤7：裂隙注水：开启预热器21并设定水的注入温度为60度，之后开启高精密注液泵20以恒定的加载速率0.01MPa/s由注水口19向试验岩样2底部增加水压，同步观测天然裂隙面201在水压增大时的剪切位移变化，当剪切位移产生明显变化时维持水压不变。当天然裂隙面201达到新的力学平衡时，继续以恒定加载速率0.01MPa/s增加水压，并进而诱发新的剪切滑移，以此反复进行试验。

步骤8：渗透率计算：由于密闭腔体内的温度和压力分别为300度和3MPa,根据水在不同温度下的饱和蒸汽压可知，300度和9MPa压力下的水不会发生气化，故水流由天然裂隙面201中部向四周辐射渗流后，汇集于试验岩样2的各条边的水槽35，之后水流由出水通道41流出，由于背压阀24设定压力值为9MPa，故此时的水依旧为液体。之后，流出的水经冷却器25的冷却，由电子天平26对水量进行收集。根据每条边所采集到的水量大小可计算试验岩样2在剪切过程中的渗透率各向异性大小。

步骤9：天然裂隙面温度分布：实时检测试验岩样2内天然裂隙面201不同位置处的微型温度传感器的温度值变化。

步骤10：数据处理。按照每3s的时间间隔采集试验过程中的法向应力和剪切应力的变化、法向及剪切位移变化，绘制裂隙剪切应力-剪切位移曲线、法向位移-剪切位移曲线，并同步采集试验过程中电子天平流量、微型传感器温度变化、声发射监测信号变化等，并依据数据计算试验过程中的渗透率、采热量变化。并根据裂隙面声发射事件数对裂隙面凸起损伤进行定位分析。

步骤11：试验岩样表面损伤表征：关闭流体注水装置，卸载剪切力和法向应力至0MPa，然后关闭加热器17使直剪盒冷却至室温，并接着卸载密闭腔体内的气压为0MPa。拆除上剪切盒3，将试验岩样2整体一并取出，采用毛刷轻轻清扫剪切面磨损的裂隙面矿物质并收集，并采用激光粒度测试仪对磨损物的粒径大小分布进行统计；接着采用三维激光扫描仪对裂隙面粗糙特征进行扫描，分析天然胶结充填裂隙的表面磨损特征。

至此，试验全部结束。

本发明实施例提供的一种高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，由于设置了直剪盒、法向力加载装置、剪切力加载装置、加压装置、温度控制装置、注水装置、出水采集装置和控制器，使得能够在一定的温度、一定的气压、一定的法向力作用和一定的剪切力作用下，对试验岩样进行注水剪切渗流试验，并可实时采集、计算从试验岩样的天然裂隙面渗流出的水的流量，基于该出水流量数据，可进一步计算天然裂隙面的实时水力开度和实时各向异性渗透率。即通过本发明提供的试验系统，能够获得表征天然裂隙面在注水剪切过程中的演化特性的关键参数。

此外，本发明还能够基于上述实时水力开度和实时各向异性渗透率，进一步获取天然裂隙面的水力开度变化曲线、平均水力开度和各向异性渗透率变化曲线，并能够基于上述数据进一步计算天然裂隙面的平均对流换热系数。通过声发射探头和声发射仪，本发明还能够对天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位；通过三维激光扫描仪，本发明还能够表征天然裂隙面的裂隙粗糙度变化，从而能够对剪切过程中裂隙面的力学变形、渗流现象、裂隙对流换热特性演化等进行全面研究。且本发明在注水剪切过程中，通过控制器监控各装置的动作，并对各装置采集到的数据进行处理，即能够自动获取上述关键参数，因此使得试验过程更加简单，提高了试验过程的自动化程度。

与现有技术相比，本发明提供试验系统可用于对含有天然胶结充填/无充填单裂隙热储岩体进行高温环境下的注水剪切试验，并同步实时监测剪切过程中声发射特征、裂隙面各向异性渗透率变化及裂隙面换热特征，并可测量裂隙剪胀变化。解决了现有技术中无法对上述数据进行同步监测的难题，为高温作用下的天然裂隙的注水剪切-增透采热的试验开展提供了支撑条件，对于探究热储开采有着重要的意义。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (17)

1.一种高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，所述系统包括：岩石直剪试验机；其特征在于，所述系统还包括：

直剪盒，置于所述岩石直剪试验机的机架内，所述直剪盒内部形成一容纳试验岩样的密闭腔体；

法向力加载装置，用于在所述岩石直剪试验机的作用下向所述试验岩样施加预设法向力；

剪切力加载装置，用于在所述岩石直剪试验机的作用下向所述试验岩样施加预设剪切力；

加压装置，用于向所述密闭腔体内部注入预设气体，以使所述密闭腔体内部具有预设气压；

温度控制装置，用于对所述密闭腔体内部的所述预设气体进行加热，以使所述密闭腔体内部具有第一预设温度；

注水装置，用于向所述试验岩样内部注入具有第二预设温度的水，以使注入的水沿所述试验岩样内部的天然裂隙面渗流；

出水采集装置，用于对从所述天然裂隙面渗流出的水的流量进行采集测量；

控制器，与所述法向力加载装置、所述剪切力加载装置、所述加压装置、所述温度控制装置、所述注水装置和所述出水采集装置连接，用于监控各装置的动作，并对各装置采集到的数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述直剪盒包括：上剪切盒和下剪切盒；所述上剪切盒与所述下剪切盒采用法兰连接，且连接处采用O型圈和铜圈进行组合密封；所述O型圈为耐高温材质。

3.根据权利要求2所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述法向力加载装置包括：轴向加载杆和轴向力传感器；所述轴向加载杆的一端垂直穿过所述上剪切盒，延伸至所述密闭腔体中；所述轴向加载杆的另一端高于所述上剪切盒的顶面；所述轴向加载杆与所述上剪切盒之间滑动连接；所述轴向加载杆的两侧还分别设置有第一位移传感器；

所述轴向力传感器设置于所述轴向加载杆的另一端；所述轴向力传感器和所述第一位移传感器均连接至所述控制器。

4.根据权利要求3所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述上剪切盒的顶部还设置有第一冷却室；所述轴向加载杆的一端依次垂直穿过所述第一冷却室和所述上剪切盒，延伸至所述密闭腔体中；所述轴向加载杆的另一端高于所述第一冷却室的顶面；所述轴向加载杆与所述第一冷却室、所述上剪切盒之间滑动连接。

5.根据权利要求2所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述剪切力加载装置包括：切向加载杆和剪切力传感器；所述切向加载杆的一端横向穿过所述下剪切盒，延伸至所述密闭腔体中；所述切向加载杆的另一端伸出于所述下剪切盒的外侧面；所述切向加载杆与所述下剪切盒之间滑动连接；所述切向加载杆的两侧还分别设置有第二位移传感器；

所述剪切力传感器设置于所述切向加载杆的另一端；所述剪切力传感器和所述第二位移传感器均连接至所述控制器。

6.根据权利要求5所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述下剪切盒的外侧面还依次设置有伸长框架和第二冷却室；所述切向加载杆的一端依次横向穿过所述第二冷却室、所述伸长框架和所述下剪切盒，延伸至所述密闭腔体中；所述切向加载杆的另一端伸出于所述第二冷却室的外侧面；所述切向加载杆与所述第二冷却室、所述伸长框架、所述下剪切盒之间滑动连接。

7.根据权利要求1所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述加压装置包括：依次连接的氮气瓶、减压阀、增压泵和高压缓冲罐；所述高压缓冲罐的输出端经所述直剪盒的侧壁与所述密闭腔体连通；所述减压阀和所述增压泵均连接至所述控制器。

8.根据权利要求7所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述高压缓冲罐与所述直剪盒之间还设置有第一压力传感器；所述第一压力传感器连接至所述控制器。

9.根据权利要求1所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述温度控制装置包括：加热器和第一温度传感器；所述加热器和所述第一温度传感器均设置于所述密闭腔体内；所述加热器的输出端和所述第一温度传感器的输出端均经由所述直剪盒的壁面连接至所述控制器。

10.根据权利要求1所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述试验岩样底部设置有与所述天然裂隙面连通的注水孔；所述直剪盒的壁面设置有与所述注水孔连通的注水口；所述注水装置包括：注液泵和预热器；所述注液泵经由所述预热器连接至所述注水口；所述预热器与所述注水口之间还设置有第二压力传感器；所述注液泵、所述预热器和所述第二压力传感器均连接至所述控制器。

11.根据权利要求10所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述直剪盒的壁面还设置有与所述密闭腔体连通的出水口；所述出水采集装置设置有多套，每套所述出水采集装置包括：背压阀、冷却器和电子天平；所述出水口依次经由所述背压阀、所述冷却器连接至所述电子天平；所述出水口与所述背压阀之间还设置有第三压力传感器；所述冷却器、所述电子天平和所述第三压力传感器均连接至所述控制器。

12.根据权利要求1所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述试验岩样内部还设置有多个容置小孔，每个所述容置小孔中设置有一第二温度传感器；每个所述第二温度传感器的输出端经由所述试验岩样、所述直剪盒的壁面连接至所述控制器。

13.根据权利要求12所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述多个容置小孔在所述试验岩样内部呈十字分布；每个所述第二温度传感器的输出端经由所述试验岩样的引出孔、经由所述直剪盒的壁面的引出孔均采用耐高温环氧树脂密封。

14.根据权利要求1所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述系统还包括：依次连接的声发射仪、声发射探头和声发射外接杆；所述声发射外接杆穿过所述直剪盒侧壁延伸至与所述试验岩样的外表面接触；所述声发射仪和所述声发射探头均连接至所述控制器。

15.根据权利要求1所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述系统还包括：安全阀和第四压力传感器；所述安全阀的输入端经所述直剪盒侧壁与所述密闭腔体连通，所述安全阀的输出端连接所述第四压力传感器；所述第四压力传感器连接至所述控制器。

16.根据权利要求1所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述试验岩样的上部采用与其相适配的夹具固定；所述试验岩样的底部设置有下垫块；所述试验岩样的顶部设置有上垫块；所述密闭腔体的底部设置有与所述试验岩样相适配的定位槽。

17.根据权利要求1所述的高温岩体裂隙剪切渗流换热试验系统，其特征在于，所述系统还包括：

三维激光扫描仪，用于对所述试验岩样的天然裂隙面的形貌特征进行扫描，以获取所述天然裂隙面的粗糙度。

Images