CN113155641A - 一种天然裂隙高温剪切渗流试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种天然裂隙高温剪切渗流试验方法、装置、存储介质及电子设备，涉及裂隙剪切渗流试验技术领域，所述方法包括：在预设气压和第一预设温度下，且在预设法向力和预设剪切力对试验岩样的作用下，执行以下步骤：以预设注水流量向试验岩样内部注入具有第二预设温度的水；当渗流出的水的流量不变时，计算初始水力开度和初始各向异性渗透率；采用预设注水方式继续注水，以使天然裂隙面发生剪切滑移；在剪切滑移过程中，实时计算天然裂隙面的水力开度和各向异性渗透率；当剪切位移达到预设剪切位移阈值时，停止注水。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
技术领域
本发明涉及裂隙剪切渗流试验技术领域，特别地涉及一种天然裂隙高温剪切渗流试验方法及装置。
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，本申请提出了一种天然裂隙高温剪切渗流试验方法及装置，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：
第一方面，本发明实施例提供了一种天然裂隙高温剪切渗流试验方法，所述方法包括：
在预设气压和第一预设温度下，且在预设法向力和预设剪切力对试验岩样的作用下，执行以下步骤：
S1：以预设注水流量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；
S2：当从所述天然裂隙面渗流出的水的流量不变时，基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的水力开度作为初始水力开度，并基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率作为初始各向异性渗透率；
S3：采用预设注水方式向所述试验岩样内部继续注水，以使所述天然裂隙面发生剪切滑移；在剪切滑移过程中，基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的水力开度，并基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率；
S4：当所述试验岩样的剪切位移达到预设剪切位移阈值时，停止注水。
优选地，采用以下方式获得所述预设气压和所述第一预设温度：
对所述试验岩样所处的密闭腔体进行加温加压操作，以使所述密闭腔体具有所述预设气压和所述第一预设温度；
采用以下方式获得所述预设法向力和所述预设剪切力：
对所述试验岩样施加以第一预设速率增大的法向力，直至所述法向力达到所述预设法向力；对所述试验岩样施加以第二预设速率增大的剪切力，直至所述剪切力达到所述预设剪切力；其中，所述预设剪切力小于使所述天然裂隙面发生剪切滑移时的临界剪切力。
优选地，所述采用预设注水方式向所述试验岩样内部继续注水，以使所述天然裂隙面发生剪切滑移，包括：
循环执行以下步骤，直至所述试验岩样的剪切位移达到所述预设剪切位移阈值：
以第三预设速率增加注水水压，当所述试验岩样的剪切位移的瞬时增量超过预设增量阈值时，以所述预设注水流量注水；
当所述试验岩样的剪切位移在预设时间内保持不变时，以所述第三预设速率增加所述注水水压。
优选地，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；所述密闭腔体上设置有出水口和与所述注水孔连通的注水口；所述以预设注水流量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，包括：
以所述预设注水流量依次经由所述注水口、所述注水孔向所述试验岩样内部注入具有所述第二预设温度的水，以使注入的水沿所述试验岩样内部的天然裂隙面渗流；
所述出水口用于排出从所述天然裂隙面渗流出的水。
优选地，采用以下表达式计算所述天然裂隙面的水力开度：
其中，eh为所述天然裂隙面的水力开度；
为所述注水口与所述出水口的水压差；μ为水的动力粘度系数；q为所述出水口的水流量；r1为所述注水孔的半径；r2为与所述天然裂隙面的面积相等的圆的半径。
优选地，所述出水口设置有多个；采用以下表达式计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率：
其中，ki为经第i个出水口计算出的所述天然裂隙面在该出水口方向的渗透率；ehi为经所述第i个出水口计算出的所述天然裂隙面的水力开度；
为所述注水口与所述第i个出水口的水压差；μ为水的动力粘度系数；qi为所述第i个出水口的水流量。
进一步地，所述试验岩样内部还设置有多个温度传感器；所述方法还包括：
采用以下表达式计算所述天然裂隙面的平均对流换热系数：
其中，h为所述天然裂隙面的平均对流换热系数；q为所述出水口的水流量；ρf为当前温度下水的密度；Cp,f为当前温度下水的比热容；Tin为所述注水口的水温；Tout为所述出水口的水温；A为所述天然裂隙面的面积；Tc为所述试验岩样的当前表面温度；Tf为所述多个温度传感器读数的平均值。
进一步地，所述方法还包括：
基于所述初始水力开度和在所述剪切滑移过程中的所述水力开度，获得所述天然裂隙面的水力开度变化曲线和所述天然裂隙面的平均水力开度；
基于所述初始各向异性渗透率和在所述剪切滑移过程中的所述各向异性渗透率，获得所述天然裂隙面的各向异性渗透率变化曲线。
进一步地，所述方法还包括：
在步骤S3的执行过程中，采用声发射仪实时监测所述天然裂隙面的破裂损伤事件所产生的声发射信号；
基于所述声发射信号，对所述天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位。
优选地，采用以下表达式对所述天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位：
(Xi-Xp)2+(Yi-Yp)2+(Zi-Zp)2＝|S-Si|2
|S-Si|＝Vi(ti-tp)
其中，(Xp,Yp,Zp)为所述破裂损伤位置在预设坐标系下的坐标值；(Xi,Yi,Zi)为所述声发射仪在所述预设坐标系下的坐标值；|S-Si|为所述破裂损伤位置与所述声发射仪之间的距离；Vi为所述声发射信号在预设介质中的传播速度；ti为所述声发射信号到达所述声发射仪的时刻；tp为所述破裂损伤事件的发生时刻。
进一步地，所述方法还包括：
在执行步骤S1之前，采用三维激光扫描仪对所述天然裂隙面的形貌特征进行表征，获得第一表征参数；基于所述第一表征参数，计算第一裂隙粗糙度；
在执行步骤S4之后，采用所述三维激光扫描仪对所述天然裂隙面的形貌特征进行表征，获得第二表征参数；基于所述第二表征参数，计算第二裂隙粗糙度；
基于所述第一裂隙粗糙度和所述第二裂隙粗糙度，获得所述天然裂隙面的裂隙粗糙度变化量。
第二方面，本发明实施例提供了一种天然裂隙高温剪切渗流试验装置，所述装置包括：
试验条件获取模块，用于获取预设气压和第一预设温度，且获取对试验岩样进行作用的预设法向力和预设剪切力；
注水模块，用于以预设注水流量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；
计算模块，用于当从所述天然裂隙面渗流出的水的流量不变时，基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的水力开度作为初始水力开度，并基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率作为初始各向异性渗透率；
所述注水模块还用于采用预设注水方式向所述试验岩样内部继续注水，以使所述天然裂隙面发生剪切滑移；
所述计算模块还用于在剪切滑移过程中，基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的水力开度，并基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率；
所述注水模块还用于当所述试验岩样的剪切位移达到预设剪切位移阈值时，停止注水。
第三方面，本发明实施例提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上述实施例中任一项所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种电子设备，所述电子设备包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的程序代码，所述程序代码被所述处理器执行时，实现如上述实施例中任一项所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法。
本发明实施例提供的一种天然裂隙高温剪切渗流试验方法、装置、存储介质及电子设备，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，以预设注水流量向试验岩样内部注入一定温度的水，以使注入的水沿试验岩样内部的天然裂隙面渗流。当从天然裂隙面渗流出的水的流量不变时，基于渗流出的水的流量计算天然裂隙面的初始水力开度和初始各向异性渗透率；当天然裂隙面发生剪切滑移时，实时计算天然裂隙面的水力开度和各向异性渗透率。可见，本发明的技术方案能够在注水剪切试验过程中实时获得天然裂隙面的水力开度和各向异性渗透率，即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参数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，并能够进一步获取天然裂隙面的平均对流换热系数；本发明还能够对天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位，并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，能够基于渗流出的水自动计算上述关键参数，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为本发明实施例的方法流程图一；
图2为本发明实施例的方法流程图二；
图3为本发明实施例中试验岩样的剪切应力与剪切位移之间的关系曲线；
图4A和图4B为本发明实施例中注水孔和天然裂隙面的等效渗流路径示意图；
图5为本发明实施例中对天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位的方法原理图；
图6为本发明实施例的装置结构图；
图7为本发明实施例中试验岩样和密闭腔体的结构图。
附图标记说明
1-试验岩样 2-切向加载杆 3-下垫块 4-下剪切盒 5-上垫块
6-上剪切盒 7-轴向加载杆 8-伸长框架 9-温度控制器 10-温度监测器
11-注水口 12-出水口 20-天然裂隙面 30-破裂损伤位置
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。
实施例一
根据本发明的实施例，提供了一种天然裂隙高温剪切渗流试验方法，如图1所示，本实施例所述的方法包括：
在预设气压和第一预设温度下，且在预设法向力和预设剪切力对试验岩样的作用下，执行以下步骤：
步骤S101，以预设注水流量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；
本实施例中，采用以下方式获得所述预设气压和所述第一预设温度：
对所述试验岩样所处的密闭腔体进行加温加压操作，以使所述密闭腔体具有所述预设气压和所述第一预设温度；
本实施例中，采用以下方式获得所述预设法向力和所述预设剪切力：
对所述试验岩样施加以第一预设速率增大的法向力，直至所述法向力达到所述预设法向力；对所述试验岩样施加以第二预设速率增大的剪切力，直至所述剪切力达到所述预设剪切力；其中，所述预设剪切力小于使所述天然裂隙面发生剪切滑移时的临界剪切力。
本实施例中，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；所述密闭腔体上设置有出水口和与所述注水孔连通的注水口；所述以预设注水流量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，包括：
以所述预设注水流量依次经由所述注水口、所述注水孔向所述试验岩样内部注入具有所述第二预设温度的水，以使注入的水沿所述试验岩样内部的天然裂隙面渗流；所述出水口用于排出从所述天然裂隙面渗流出的水。
步骤S102，当从所述天然裂隙面渗流出的水的流量不变时，基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的水力开度作为初始水力开度，并基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率作为初始各向异性渗透率；
步骤S103，采用预设注水方式向所述试验岩样内部继续注水，以使所述天然裂隙面发生剪切滑移；在剪切滑移过程中，基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的水力开度，并基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率；
本实施例中，所述采用预设注水方式向所述试验岩样内部继续注水，以使所述天然裂隙面发生剪切滑移，包括：
循环执行以下步骤，直至所述试验岩样的剪切位移达到所述预设剪切位移阈值：以第三预设速率增加注水水压，当所述试验岩样的剪切位移的瞬时增量超过预设增量阈值时，以所述预设注水流量注水；当所述试验岩样的剪切位移在预设时间内保持不变时，以所述第三预设速率增加所述注水水压。
本实施例中，采用以下表达式计算所述天然裂隙面的水力开度：
其中，eh为所述天然裂隙面的水力开度；
为所述注水口与所述出水口的水压差；μ为水的动力粘度系数；q为所述出水口的水流量；r1为所述注水孔的半径；r2为与所述天然裂隙面的面积相等的圆的半径。
需要说明的是，上述步骤S102中的初始水力开度也采用上述式(1)计算。
本实施例中，所述出水口设置有多个；采用以下表达式计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率：
其中，ki为经第i个出水口计算出的所述天然裂隙面在该出水口方向的渗透率；ehi为经所述第i个出水口计算出的所述天然裂隙面的水力开度；
为所述注水口与所述第i个出水口的水压差；μ为水的动力粘度系数；qi为所述第i个出水口的水流量。
需要说明的是，上述步骤S102中的每个出水口的初始各向异性渗透率也采用上述式(2)和式(3)计算。
本实施例中，所述试验岩样内部还设置有多个温度传感器，这些温度传感器均为微型温度传感器；本实施例所述的方法还包括：
采用以下表达式计算所述天然裂隙面的平均对流换热系数：
其中，h为所述天然裂隙面的平均对流换热系数；q为所述出水口的水流量；ρf为当前温度下水的密度；Cp,f为当前温度下水的比热容；Tin为所述注水口的水温；Tout为所述出水口的水温；A为所述天然裂隙面的面积；Tc为所述试验岩样的当前表面温度；Tf为所述多个温度传感器读数的平均值。
步骤S104，当所述试验岩样的剪切位移达到预设剪切位移阈值时，停止注水。
为了更加全面的获取注水剪切参数，本实施例所述的方法还包括：
基于所述初始水力开度和在所述剪切滑移过程中的所述水力开度，获得所述天然裂隙面的水力开度变化曲线和所述天然裂隙面的平均水力开度；基于所述初始各向异性渗透率和在所述剪切滑移过程中的所述各向异性渗透率，获得所述天然裂隙面的各向异性渗透率变化曲线。
进一步地，本实施例所述的方法还包括：
在步骤S103的执行过程中，即在注水剪切试验过程中，采用声发射仪实时监测所述天然裂隙面的破裂损伤事件所产生的声发射信号；基于所述声发射信号，对所述天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位。定位的方法原理图如图5所示。
本实施例中，如图5所示，采用以下表达式对所述天然裂隙面的破裂损伤位置30进行定位：
(Xi-Xp)2+(Yi-Yp)2+(Zi-Zp)2＝|S-Si|2 式(5)
|S-Si|＝Vi(ti-tp) 式(6)
其中，(Xp,Yp,Zp)为所述破裂损伤位置在预设坐标系下的坐标值；(Xi,Yi,Zi)为所述声发射仪在所述预设坐标系下的坐标值；|S-Si|为所述破裂损伤位置与所述声发射仪之间的距离；Vi为所述声发射信号在预设介质中的传播速度；ti为所述声发射信号到达所述声发射仪的时刻；tp为所述破裂损伤事件的发生时刻。
为了对天然裂隙面的力学损伤进行表征，本实施例所述的方法还包括：
在执行步骤S101之前，采用三维激光扫描仪对试验岩样的天然裂隙面的形貌特征进行表征，获得第一表征参数；基于所述第一表征参数，计算天然裂隙面的第一裂隙粗糙度；在执行步骤S104之后，采用三维激光扫描仪对试验岩样的天然裂隙面的形貌特征进行表征，获得第二表征参数；基于所述第二表征参数，计算天然裂隙面的第二裂隙粗糙度；基于所述第一裂隙粗糙度和所述第二裂隙粗糙度，获得所述天然裂隙面的裂隙粗糙度变化量。
本发明实施例提供的一种天然裂隙高温剪切渗流试验方法，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，以预设注水流量向试验岩样内部注入一定温度的水，以使注入的水沿试验岩样内部的天然裂隙面渗流。当从天然裂隙面渗流出的水的流量不变时，基于渗流出的水的流量计算天然裂隙面的初始水力开度和初始各向异性渗透率；当天然裂隙面发生剪切滑移时，实时计算天然裂隙面的水力开度和各向异性渗透率。可见，本发明的技术方案能够在注水剪切试验过程中实时获得天然裂隙面的水力开度和各向异性渗透率，即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参数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，并能够进一步获取天然裂隙面的平均对流换热系数；本发明还能够对天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位，并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，能够基于渗流出的水自动计算上述关键参数，使得试验过程更加简单，提高了试验过程的自动化程度。
实施例二
本实施例通过具体的试验操作过程来详细描述天然裂隙高温剪切渗流试验方法，该方法在剪切渗流试验系统上进行，该剪切渗流试验系统包括现有的伺服控制岩石直剪试验机，以及新增的加温加压模块、注水模块、各种传感器模块、测量模块等其它相关试验设备。
在该系统的基础上，如图2所示，本实施例所述的方法包括：
步骤S201，试验岩样制备。
选取某热储选区含天然胶结充填裂隙花岗岩石块，将其运至室内加工为尺寸为300×300×300mm的方形试验岩样1，该试验岩样的各边不平整度不超过0.01mm。天然胶结充填裂隙面(即天然裂隙面20)水平位于试验岩样1高度的中部，如图5所示。试验岩样1安装特制剪切夹具，方便采用切向加载杆2对其施加切向应力，如图7所示。在试验岩样1的下裂隙块体的中部钻取直径为3mm的注水孔，该注水孔与天然胶结充填裂隙面连通；接着在试验岩样1的上裂隙块体内部钻取呈“十字”分布的13个微型温度传感器小孔。然后将微型温度传感器置入每个小孔内，并将微型温度传感器导线沿小孔引出至试验岩样1的外部，试验岩样1内的每个微型温度传感器小孔两个端口都用耐高温环氧树脂密封处理。
步骤S202，试验岩样安装。
将试验岩样1连同下垫块3置于下剪切盒4的定位槽内，微型温度传感器导线沿着下剪切盒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，将微型温度传感器导线连接温度监测装置。将六个声发射外接杆与试验岩样1的外表面相接触，其中声发射外接杆通过连接声发射探头，并最终接入声发射仪。之后将上垫块5置于试验岩样1的上部，并将上剪切盒6通过螺栓和法兰与下剪切盒4连接。上剪切盒6与下剪切盒4的连接处采用耐高温O型圈和铜圈进行组合密封。
步骤S203，仪器安装。
将安装好的直剪盒置于伺服控制岩石直剪试验机的机架内，通过控制岩石直剪试验机依此缓慢压缩轴向加载杆7和切向加载杆2,当数据采集系统显示法向应力和切向应力从0开始递增时，可判断轴向加载杆7和切向加载杆2分别与上垫块5和试验岩样的夹具侧面相接。轴向加载杆7与上剪切盒6之间,以及切向加载杆2与下剪切盒4之间均采用耐高温O型圈密封。所述上剪切盒6上部通过螺栓安装有轴向冷却室，冷水从该轴向冷却室的进水口流入，从该轴向冷却室的出水口流出；所述切向加载杆2外侧的伸长框架8右部通过螺栓同样安装有水平冷却室，冷水从该水平冷却室的进水口进入，从该水平冷却室的出水口流出，动态水冷循环可实现轴向加载杆7和切向加载杆2与密封圈间的冷却，从而保证密封良好。
步骤S204，对密闭腔体加温加压。
开启氮气瓶向密闭腔体内充入氮气，并调节温度控制器9对密闭腔体内的氮气进行加热，当温度增至设定值250℃时保持4小时的恒定值，保证试验岩样1在高温密闭腔体内被充分加热，同时通过温度监测器10实时监测密闭腔体内温度变化。之后开启减压阀和增压泵调节控制密闭腔体内气体压力，使之保持4MPa不变。此外，设定出气口安全阀的安全值为5MPa，出气口背压阀的压力值为4MPa。开启声发射仪对接下来试验全过程中天然裂隙面的损伤演化进行实时探测。
步骤S205，对试验岩样进行应力加载。
开启伺服控制岩石直剪试验机，以恒压速率0.02MPa/s对试验岩样1施加法向力，通过轴向力传感器观测法向力Pn变化，当Pn值增至1800KN时保持恒定；接着以恒压速率0.02MPa/s对试验岩样1施加剪应力Pt，通过剪切力传感器观测剪切力Pt变化。试验岩样1受到的法向应力σn和剪切应力σt为：
式中，A为试验岩样一个面的面积，A＝0.3m×0.3m＝0.09mm2。此外，通过安装在轴向加载杆7和切向加载杆2上的位移传感器分别对应力加载全过程中试验岩样1的法向位移un和剪切位移ut值变化进行实时监测，并通过计算机自动绘制剪切位移ut和剪切应力σt两者的变化曲线，观测曲线变化，如图3所示，当剪切应力σt到达峰前塑性应力值σr时保持恒定，记录此刻的剪切位移值ut0。
步骤S206，对试验岩样进行注水渗流试验。
开启预热器，设定流体(即水)的注入温度为40度，并同步开启高精密注入泵以恒定注水流量0.001ml/min由注水口11向试验岩样1底部注水，根据水的饱和蒸汽压力曲线可知，在密闭腔体内温度250℃和压力4MPa的温压条件下，水不会发生气化。因此，由试验岩样1中部注入的水会以液态形式向裂隙面四周辐射渗流，当水从天然裂隙面渗出、汇集于试验岩样1四周的水槽后经由出水通道、出水口12流出。水经过冷却器后温度降低，采用电子天平对试验岩样各边的出水流量进行测量，当每条边的出水流量均保持稳定不变时停止继续注水渗流试验，并采用稳态法计算试验岩样的裂隙面在未发生剪切时的初始水力开度eh:
其中，eh为所述天然裂隙面的初始水力开度；
为注水口与各出水口的总水压差(单位为MPa)；μ为水的动力粘度系数(单位为Pa·s)；q为各出水口的总的水流量(单位为m3/s)；r1为注水孔的半径；r2为与天然裂隙面的面积相等的圆的半径，如图4A所示。
对本试验而言，r1＝0.15mm,r2≈169mm。此外，还可根据试验岩样1的各出水通道的出水流量值来计算天然裂隙面的各向异性渗透率ki：
需注意的是，注入流体由注水孔向试验岩样各边的渗流路径可近似为三角形，其面积可等效为垂直于水流方向的正方形截面，如图4B所示。其中，ki为经第i个出水口计算出的天然裂隙面在该出水口方向的渗透率；ehi为经第i个出水口计算出的天然裂隙面的水力开度；
为注水口与第i个出水口的水压差；μ为水的动力粘度系数；qi为第i个出水口的水流量。
步骤S207，对试验岩样进行注水剪切试验。
切换高精密注入泵的控制方式，以恒定注水压力0.005MPa/s由注水口11向试验岩样1底部增加水压Pin，实时观测水压Pin增加过程中试验岩样1的剪切位移ut变化；当剪切位移由ut0突然增加，即试验岩样的剪切位移的瞬时增量超过预设增量阈值时，表明水压作用导致试验岩样1的裂隙面产生了剪切滑移现象，同步切换高精密注入泵控制方式以恒定流量0.001ml/min继续向试验岩样1底部注水，测量出水口的出水流量，并通过剪切位移传感器实时记录剪切位移ut增长变化；当剪切位移不变时，记录剪切位移值L1,并再次以注水压力0.005MPa/s向试验岩样1的底部增加水压，当剪切位移由L1再次突然增加时，停止增加水压，并同步切换高精密注入泵控制方式以恒定流量0.001ml/min继续向试验岩样1底部注水，测量出水口的出水流量，并实时记录剪切位移变化，如此重复上述水压“增加-停止-增加”步骤多次，直至剪切位移达到10mm时停止注水剪切试验。
步骤S208，数据监测处理。
在上述注水剪切试验过程中，以1s时间间隔采集法向力Pn、剪切力Pt、法向位移un和剪切位移ut变化，并采用步骤S205中的计算公式来计算法向应力σn和切向应力σt变化，绘制切向应力σt、剪切位移ut、法向位移un随时间的变化曲线，如图3所示；同步采集试验过程中电子天平流量q,裂隙面微型温度传感器温度Ti，以及注水口和出水口的压力值变化，基于初始水力开度和在剪切滑移过程中的所述水力开度，获得天然裂隙面的水力开度变化曲线和天然裂隙面的平均水力开度，基于初始各向异性渗透率和在剪切滑移过程中的各向异性渗透率，获得天然裂隙面的各向异性渗透率变化曲线。并采用以下表达式计算天然裂隙面的平均对流换热系数：
其中，h为天然裂隙面的平均对流换热系数；q为各出水口的总的水流量(单位为m3/s)；ρf为当前温度下水的密度(单位为kg/m3)；Cp,f为当前温度下水的比热容(单位为J/(kg·℃)；Tin为注水口的水温(单位为℃)；Tout为出水口的水温(单位为℃)；A为天然裂隙面的面积；Tc为试验岩样的当前表面温度，本试验中为250℃；Tf为试验岩样内部多个温度传感器读数的平均值，
在本实验中微型温度传感器个数为13，即n＝13。至此可分析不同剪切状态的裂隙面在注水剪切过程中的滑移特性、渗流特性以及传热特性演化。
步骤S209，试验岩样的表面损伤表征。
在注水剪切全过程中，采用声发射仪实时监测天然裂隙面的破裂损伤事件所产生的声发射信号；基于该声发射信号，对天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位。具体的原理算法为：
(Xi-Xp)2+(Yi-Yp)2+(Zi-Zp)2＝|S-Si|2 式(5)
|S-Si|＝Vi(ti-tp) 式(6)
其中，(Xp,Yp,Zp)为所述破裂损伤位置在预设坐标系下的坐标值；(Xi,Yi,Zi)为所述声发射仪在所述预设坐标系下的坐标值；|S-Si|为所述破裂损伤位置与所述声发射仪之间的距离；Vi为所述声发射信号在预设介质(本实施例中为试验岩样的裂隙)中的传播速度；ti为所述声发射信号到达所述声发射仪的时刻；tp为所述破裂损伤事件的发生时刻。
试验结束后，打开安全阀使密闭腔体内气体压力降为0，然后关闭温度控制器9,接着关闭注水系统，并卸载剪切力和法向力至0KN。待剪切盒温度降为室温时从岩石直剪试验机中取出，拆除上剪切盒6，将试验岩样1整体缓慢取出，揭开试验岩样的上块体，采用毛刷轻轻清扫试验岩样上、下裂隙面的磨损物，之后采用三维激光扫描仪对裂隙面形貌特征进行表征，计算裂隙粗糙度系数JRC,计算公式为：
JRC＝32.2+32.47logZ2 式(7)
式中，
N为沿裂隙剪切方向的二维轮廓线的点个数，ΔX为沿裂隙剪切方向的二维轮廓线的相邻两点的X坐标差值，Zi+1与为相邻两点的Z坐标值。
由于在试验之前，也采用三维激光扫描仪对试验岩样的天然裂隙面的形貌特征进行了表征，因此，基于试验前后所获得的上述JRC值，能够获得试验岩样的天然裂隙面的裂隙粗糙度变化量。
至此，试验全部结束。
与现有技术相比，本发明提供的天然裂隙高温剪切渗流试验方法可对含天然胶结充填/无充填单裂隙热储岩体进行高温环境下的注水剪切试验，分析不同剪切状态裂隙面在注水剪切下的各向异性渗透率变化及裂隙面对流换热特征等，并基于声发射监测数据对注水剪切过程中裂隙面损伤及剪切后裂隙面形貌特征演化进行表征，解决了现有技术中缺少关键参数，从而无法对上述变化进行表征的难题，为高温裂隙热储的注水剪切-增透采热技术提供了试验支撑，对于探究深部热储地热开采有着重要意义。
实施例三
与上述方法实施例相对应地，本发明还提供一种天然裂隙高温剪切渗流试验装置，如图6所示，所述装置包括：
试验条件获取模块301，用于获取预设气压和第一预设温度，且获取对试验岩样进行作用的预设法向力和预设剪切力；
注水模块302，用于以预设注水流量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；
计算模块303，用于当从所述天然裂隙面渗流出的水的流量不变时，基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的水力开度作为初始水力开度，并基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率作为初始各向异性渗透率；
所述注水模块302还用于采用预设注水方式向所述试验岩样内部继续注水，以使所述天然裂隙面发生剪切滑移；
所述计算模块303还用于在剪切滑移过程中，基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的水力开度，并基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率；
所述注水模块302还用于当所述试验岩样的剪切位移达到预设剪切位移阈值时，停止注水。
上述装置的工作原理、工作流程等涉及具体实施方式的内容可参见本发明所提供的天然裂隙高温剪切渗流试验方法的具体实施方式，此处不再对相同的技术内容进行详细描述。
实施例四
根据本发明的实施例，还提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上述实施例任一项所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法。
实施例五
根据本发明的实施例，还提供了一种电子设备，所述电子设备包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的程序代码，所述程序代码被所述处理器执行时，实现如上述实施例任一项所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法。
本发明实施例提供的一种天然裂隙高温剪切渗流试验方法、装置、存储介质及电子设备，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，以预设注水流量向试验岩样内部注入一定温度的水，以使注入的水沿试验岩样内部的天然裂隙面渗流。当从天然裂隙面渗流出的水的流量不变时，基于渗流出的水的流量计算天然裂隙面的初始水力开度和初始各向异性渗透率；当天然裂隙面发生剪切滑移时，实时计算天然裂隙面的水力开度和各向异性渗透率。可见，本发明的技术方案能够在注水剪切试验过程中实时获得天然裂隙面的水力开度和各向异性渗透率，即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参数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，并能够进一步获取天然裂隙面的平均对流换热系数；本发明还能够对天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位，并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，能够基于渗流出的水自动计算上述关键参数，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，本发明提供的天然裂隙高温剪切渗流试验方法可对含天然胶结充填/无充填单裂隙热储岩体进行高温环境下的注水剪切试验，分析不同剪切状态裂隙面在注水剪切下的各向异性渗透率变化及裂隙面对流换热特征等，并基于声发射监测数据对注水剪切过程中裂隙面损伤及剪切后裂隙面形貌特征演化进行表征，解决了现有技术中缺少关键参数，从而无法对上述变化进行表征的难题，为高温裂隙热储的注水剪切-增透采热技术提供了试验支撑，对于探究深部热储地热开采有着重要意义。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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 (14)
1.一种天然裂隙高温剪切渗流试验方法，其特征在于，所述方法包括：
在预设气压和第一预设温度下，且在预设法向力和预设剪切力对试验岩样的作用下，执行以下步骤：
S1：以预设注水流量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；
S2：当从所述天然裂隙面渗流出的水的流量不变时，基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的水力开度作为初始水力开度，并基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率作为初始各向异性渗透率；
S3：采用预设注水方式向所述试验岩样内部继续注水，以使所述天然裂隙面发生剪切滑移；在剪切滑移过程中，基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的水力开度，并基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率；
S4：当所述试验岩样的剪切位移达到预设剪切位移阈值时，停止注水。
2.根据权利要求1所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法，其特征在于，采用以下方式获得所述预设气压和所述第一预设温度：
对所述试验岩样所处的密闭腔体进行加温加压操作，以使所述密闭腔体具有所述预设气压和所述第一预设温度；
采用以下方式获得所述预设法向力和所述预设剪切力：
对所述试验岩样施加以第一预设速率增大的法向力，直至所述法向力达到所述预设法向力；对所述试验岩样施加以第二预设速率增大的剪切力，直至所述剪切力达到所述预设剪切力；其中，所述预设剪切力小于使所述天然裂隙面发生剪切滑移时的临界剪切力。
3.根据权利要求1所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法，其特征在于，所述采用预设注水方式向所述试验岩样内部继续注水，以使所述天然裂隙面发生剪切滑移，包括：
循环执行以下步骤，直至所述试验岩样的剪切位移达到所述预设剪切位移阈值：
以第三预设速率增加注水水压，当所述试验岩样的剪切位移的瞬时增量超过预设增量阈值时，以所述预设注水流量注水；
当所述试验岩样的剪切位移在预设时间内保持不变时，以所述第三预设速率增加所述注水水压。
4.根据权利要求2所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法，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；所述密闭腔体上设置有出水口和与所述注水孔连通的注水口；所述以预设注水流量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，包括：
以所述预设注水流量依次经由所述注水口、所述注水孔向所述试验岩样内部注入具有所述第二预设温度的水，以使注入的水沿所述试验岩样内部的天然裂隙面渗流；
所述出水口用于排出从所述天然裂隙面渗流出的水。
5.根据权利要求4所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法，其特征在于，采用以下表达式计算所述天然裂隙面的水力开度：
其中，eh为所述天然裂隙面的水力开度；
为所述注水口与所述出水口的水压差；μ为水的动力粘度系数；q为所述出水口的水流量；r1为所述注水孔的半径；r2为与所述天然裂隙面的面积相等的圆的半径。
6.根据权利要求4所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法，其特征在于，所述出水口设置有多个；采用以下表达式计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率：
其中，ki为经第i个出水口计算出的所述天然裂隙面在该出水口方向的渗透率；ehi为经所述第i个出水口计算出的所述天然裂隙面的水力开度；
为所述注水口与所述第i个出水口的水压差；μ为水的动力粘度系数；qi为所述第i个出水口的水流量。
7.根据权利要求4所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法，其特征在于，所述试验岩样内部还设置有多个温度传感器；所述方法还包括：
采用以下表达式计算所述天然裂隙面的平均对流换热系数：
其中，h为所述天然裂隙面的平均对流换热系数；q为所述出水口的水流量；ρf为当前温度下水的密度；Cp,f为当前温度下水的比热容；Tin为所述注水口的水温；Tout为所述出水口的水温；A为所述天然裂隙面的面积；Tc为所述试验岩样的当前表面温度；Tf为所述多个温度传感器读数的平均值。
8.根据权利要求1所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述初始水力开度和在所述剪切滑移过程中的所述水力开度，获得所述天然裂隙面的水力开度变化曲线和所述天然裂隙面的平均水力开度；
基于所述初始各向异性渗透率和在所述剪切滑移过程中的所述各向异性渗透率，获得所述天然裂隙面的各向异性渗透率变化曲线。
9.根据权利要求1所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法，其特征在于，所述方法还包括：
在步骤S3的执行过程中，采用声发射仪实时监测所述天然裂隙面的破裂损伤事件所产生的声发射信号；
基于所述声发射信号，对所述天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位。
10.根据权利要求9所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法，其特征在于，采用以下表达式对所述天然裂隙面的破裂损伤位置进行定位：
(Xi-Xp)2+(Yx-Yp)2+(Zi-Zp)2＝|S-Si|2
|S-Si|＝Vi(ti-tp)
其中，(Xp,Yp,Zp)为所述破裂损伤位置在预设坐标系下的坐标值；(Xi,Yi,Zi)为所述声发射仪在所述预设坐标系下的坐标值；|S-Si|为所述破裂损伤位置与所述声发射仪之间的距离；Vi为所述声发射信号在预设介质中的传播速度；ti为所述声发射信号到达所述声发射仪的时刻；tp为所述破裂损伤事件的发生时刻。
11.根据权利要求1所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法，其特征在于，所述方法还包括：
在执行步骤S1之前，采用三维激光扫描仪对所述天然裂隙面的形貌特征进行表征，获得第一表征参数；基于所述第一表征参数，计算第一裂隙粗糙度；
在执行步骤S4之后，采用所述三维激光扫描仪对所述天然裂隙面的形貌特征进行表征，获得第二表征参数；基于所述第二表征参数，计算第二裂隙粗糙度；
基于所述第一裂隙粗糙度和所述第二裂隙粗糙度，获得所述天然裂隙面的裂隙粗糙度变化量。
12.一种天然裂隙高温剪切渗流试验装置，其特征在于，所述装置包括：
试验条件获取模块，用于获取预设气压和第一预设温度，且获取对试验岩样进行作用的预设法向力和预设剪切力；
注水模块，用于以预设注水流量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；
计算模块，用于当从所述天然裂隙面渗流出的水的流量不变时，基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的水力开度作为初始水力开度，并基于所述渗流出的水的流量计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率作为初始各向异性渗透率；
所述注水模块还用于采用预设注水方式向所述试验岩样内部继续注水，以使所述天然裂隙面发生剪切滑移；
所述计算模块还用于在剪切滑移过程中，基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的水力开度，并基于所述渗流出的水的流量实时计算所述天然裂隙面的各向异性渗透率；
所述注水模块还用于当所述试验岩样的剪切位移达到预设剪切位移阈值时，停止注水。
13.一种存储介质，所述存储介质上存储有程序代码，其特征在于，所述程序代码被处理器执行时，实现如权利要求1至11中任一项所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法。
14.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的程序代码，所述程序代码被所述处理器执行时，实现如权利要求1至11中任一项所述的天然裂隙高温剪切渗流试验方法。
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