CN113776951B - 一种超临界地热压裂试验模拟系统及基于其的超临界地热压裂试验模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种超临界地热压裂试验模拟系统及基于其的超临界地热压裂试验模拟方法，所述系统包括：安装组件、温度调节组件、压力加载组件、位移数据测量组件、密封组件、孔压伺服控制组件、温度控制组件和压力控制组件。本申请提供的一种超临界地热压裂试验模拟系统及基于其的超临界地热压裂试验模拟方法，可以用于超临界水和/或二氧化碳与岩石界面密封及与封存室内试验，可用于模拟超临界地热的实时高温与高压环境与高孔压超临界水或二氧化碳密封的装备与室内试验技术，辅助探索超临界水力压裂的水力裂缝拓展与起裂规律以及开发超临界地热，经过测试具有良好的效果。
Description
技术领域
本发明属于超临界地热压裂技术领域，具体涉及一种超临界地热压裂试验模拟系统及基于其的超临界地热压裂试验模拟方法。
背景技术
碳中和是我国生态文明建设的重要构成与大国责任担当的重要体现，是人类为保护环境与阻止全球变暖做出的重要决策，其中地热作为一种绿色可再生能源是碳中和路线图中的关键一环。按照埋藏深度地热大致可以分为浅层水热型、中深层水热型、干热型及深部超临界型。
目前国内地热能利用以浅部地热与深层水热型地热的供暖为主，可以产生较好的经济效益。而以发电为目标的干热岩开发利用技术不成熟，市场开发热情较低，主要原因是其投入成本过高，但回报较低，投入与回报不成正比，这是常规干热岩的重要弊端。
超临界地热的特点是在水处于超临界状态(374℃，22.1MPa)下进行压裂与换热。不同于干热岩，超临界地热具有极高的经济利用价值，发电量高出常规EGS一个数量级，在60kg/s的质量流速下，400℃热储温度提热效率达50MW，是200℃传统热储的10倍左右。
超临界水力压裂与超临界二氧化碳压裂是改造超临界地热储层的重要技术手段，而常温下的密封方法与测试技术均在超临界高温环境下失效，目前我国国内还未有相关的室内试验技术可模拟超临界地热的实时高温与高压环境与高孔压超临界水或二氧化碳密封的装备与室内试验技术，无法探索超临界水力压裂的水力裂缝拓展与起裂规律，而这是开发超临界地热的先导条件。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种超临界地热压裂试验模拟系统及基于其的超临界地热压裂试验模拟方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超临界地热压裂试验模拟系统，包括：
安装组件，用于安装各零件；
温度调节组件，用于放置试样并调节施加于所述试样的温度；所述温度调节组件设置于所述安装组件上；
压力加载组件，用于向所述温度调节组件加载压力；所述压力加载组件设置于所述安装组件上，且与所述温度调节组件相对；
位移数据测量组件，用于测量所述试样的形变量；所述位移数据测量组件设置于所述安装组件上，且与所述温度调节组件相对；
密封组件，用于保持所述压力加载组件和所述试样之间的密封；所述密封组件设置于所述温度调节组件上；
孔压伺服控制组件，用于提供作用于所述试样的超临界地热压裂介质；所述孔压伺服控制组件与所述温度调节组件连接；
温度控制组件，用于控制所述温度调节组件的温度参数；所述温度控制组件与所述温度调节组件连接；
压力控制组件，用于控制所述压力加载组件的压力参数；所述压力控制组件与所述压力加载组件连接。
优选地，所述安装组件包括：安装架和导轨，其中，所述安装架包括底板和侧板，所述温度调节组件设置于所述底板上，所述压力加载组件和所述位移数据测量组件设置于所述侧板上，所述导轨设置于所述底板上，所述温度调节组件支撑于所述导轨上。
优选地，所述温度调节组件包括：内压板、压板、外压板、压头、刚性加热棒和耐压刚性隔热板，其中，所述耐压刚性隔热板设置于所述外压板和所述压板之间且分别连接二者，所述外压板与所述压力加载组件相对，所述压板与所述内压板连接，所述刚性加热棒插在所述内压板内，且与所述温度控制组件连接，所述内压板与所述试样接触，所述压头与所述试样接触，且与所述压力加载组件相对，所述密封组件设置于所述压头上，所述孔压伺服控制组件与所述压头连接。
优选地，所述压力加载组件包括：加载杆、液压缸和磁制位移传感器，其中，所述液压缸和所述磁制位移传感器设置于所述安装组件上，所述液压缸与所述压力控制组件连接，所述磁制位移传感器与所述位移数据测量组件连接，所述加载杆的第一端与所述液压缸连接而第二端与所述温度调节组件相对。
优选地，所述位移数据测量组件包括：位移传感器、声发射探头、夹持器、导杆和工控机，其中，所述导杆设置于所述安装组件上，所述位移传感器设置于所述夹持器上，所述夹持器设置于所述导杆上，所述声发射探头设置于所述温度调节组件中，所述位移传感器和所述声发射探头分别与所述工控机连接。
优选地，所述密封组件包括：压孔塞、孔外密封圈和孔内密封圈，其中，所述压孔塞设置于所述温度调节组件的压头中，所述孔压伺服控制组件穿过所述压头和所述压孔塞并插入所述试样中，所述孔外密封圈设置于所述压头和所述压孔塞之间，所述孔内密封圈设置于所述孔压伺服控制组件和所述试样之间。
优选地，所述孔压伺服控制组件包括：金属管，所述金属管依次穿过所述温度调节组件的压头和所述密封组件的压孔塞并插入所述试样中。
优选地，所述温度控制组件包括：温度控制箱，所述温度控制箱与所述温度调节组件的刚性加热棒连接。
优选地，所述压力控制组件包括：液压站，所述液压站与所述压力加载组件的液压缸连接。
本发明还提供了一种基于超临界地热压裂试验模拟系统的超临界地热压裂试验模拟方法，所述超临界地热压裂试验模拟系统包括如上述中任一所述的超临界地热压裂试验模拟系统，所述方法包括步骤：
在试样外侧涂抹耐高温铜粉减磨液铜箔；
将所述试样放置于温度调节组件中；
将所述温度调节组件与压力加载组件对准；
通过压力控制组件设置所述压力加载组件的压力值；
使用所述压力加载组件作用于所述温度调节组件；
通过温度控制组件设置所述温度调节组件的温度值；
使用所述温度调节组件作用于所述试样；
保温预设时间；
使用孔压伺服控制组件向所述试样注射超临界地热压裂介质；
使用位移数据测量组件测量所述试样的形变量；
待系统冷却后卸载所述试样。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请提供的一种超临界地热压裂试验模拟系统及基于其的超临界地热压裂试验模拟方法，可以用于超临界水和/或二氧化碳与岩石界面密封及与封存室内试验，可用于模拟超临界地热的实时高温与高压环境与高孔压超临界水或二氧化碳密封的装备与室内试验技术，辅助探索超临界水力压裂的水力裂缝拓展与起裂规律以及开发超临界地热，经过测试具有良好的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种超临界地热压裂试验模拟系统的立体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种超临界地热压裂试验模拟系统的立体结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种超临界地热压裂试验模拟系统的左视剖视图；
图4是本发明实施例提供的一种超临界地热压裂试验模拟系统的俯视剖视图；
图5是本发明实施例提供的一种超临界地热压裂试验模拟系统的部分结构示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
如图1-5，在本申请实施例中，本发明提供了一种超临界地热压裂试验模拟系统，包括：
安装组件10，用于安装各零件；
温度调节组件20，用于放置试样70并调节施加于所述试样的温度；所述温度调节组件20设置于所述安装组件10上；
压力加载组件30，用于向所述温度调节组件20加载压力；所述压力加载组件30设置于所述安装组件10上，且与所述温度调节组件20相对；
位移数据测量组件40，用于测量所述试样的形变量；所述位移数据测量组件40设置于所述安装组件10上，且与所述温度调节组件20相对；
密封组件50，用于保持所述压力加载组件30和所述试样之间的密封；所述密封组件50设置于所述温度调节组件20上；
孔压伺服控制组件60，用于提供作用于所述试样的超临界地热压裂介质；所述孔压伺服控制组件60与所述温度调节组件20连接；
温度控制组件，用于控制所述温度调节组件20的温度参数；所述温度控制组件与所述温度调节组件20连接；
压力控制组件，用于控制所述压力加载组件30的压力参数；所述压力控制组件与所述压力加载组件30连接。
当使用此超临界地热压裂试验模拟系统时，在试样外侧涂抹耐高温铜粉减磨液铜箔，然后将所述试样放置于温度调节组件20中，并将所述温度调节组件20与压力加载组件30对准；接着通过压力控制组件设置所述压力加载组件30的压力值，并使用所述压力加载组件30作用于所述温度调节组件20；然后通过温度控制组件设置所述温度调节组件20的温度值，并使用所述温度调节组件20作用于所述试样，接着保温预设时间；然后使用孔压伺服控制组件60向所述试样注射超临界地热压裂介质(水或二氧化碳)，并使用位移数据测量组件40测量所述试样的形变量，待系统冷却后卸载所述试样。
如图1-5，在本申请实施例中，所述安装组件10包括：安装架11和导轨12，其中，所述安装架11包括底板13和侧板14，所述温度调节组件20设置于所述底板13上，所述压力加载组件30和所述位移数据测量组件40设置于所述侧板14上，所述导轨12设置于所述底板13上，所述温度调节组件20支撑于所述导轨12上。
在本申请实施例中，压力加载组件30有3个，且分别沿X轴、Y轴和Z轴方向设置于安装架11上，温度调节组件20支撑于导轨12上，并可以在X轴方向的压力加载组件30的推动下沿其运动。
如图1-5，在本申请实施例中，所述温度调节组件20包括：内压板21、压板22、外压板23、压头24、刚性加热棒25和耐压刚性隔热板26，其中，所述耐压刚性隔热板26设置于所述外压板23和所述压板22之间且分别连接二者，所述外压板23与所述压力加载组件30相对，所述压板22与所述内压板21连接，所述刚性加热棒25插在所述内压板21内，且与所述温度控制组件连接，所述内压板21与所述试样70接触，所述压头24与所述试样70接触，且与所述压力加载组件30相对，所述密封组件50设置于所述压头24上，所述孔压伺服控制组件60与所述压头24连接。
如图1-5，在本申请实施例中，X轴、Y轴方向(水平方向)的压力加载组件30可以作用于温度调节组件20上，进而施加压力于试样70上，Z轴方向(竖直方向)的压力加载组件30作用于压头24上，进而作用于下方的试样70上。具体地，水平方向的压力加载组件30依次作用于外压板23、耐压刚性隔热板26、压板22和内压板21，进而作用于试样70上并向其施加压力；竖直方向的压力加载组件30作用于压头24上，进而作用于下方的试样70上并向其施加压力。温度控制组件控制刚性加热棒25发热，进而向试样70作用加热。
如图1-5，在本申请实施例中，所述压力加载组件30包括：加载杆31、液压缸32和磁制位移传感器33，其中，所述液压缸32和所述磁制位移传感器33设置于所述安装组件10上，所述液压缸32与所述压力控制组件连接，所述磁制位移传感器33与所述位移数据测量组件40连接，所述加载杆31的第一端与所述液压缸32连接而第二端与所述温度调节组件20相对。
在本申请实施例中，压力控制组件通过液压缸32控制加载杆31的伸出长度，加载杆31作用于试样70上并向其施加压力，磁制位移传感器33可以检测加载杆31的伸出长度，并向位移数据测量组件40发送数据。
如图1-5，在本申请实施例中，所述位移数据测量组件40包括：位移传感器41、声发射探头、夹持器42、导杆43和工控机，其中，所述导杆43设置于所述安装组件10上，所述位移传感器41设置于所述夹持器42上，所述夹持器42设置于所述导杆43上，所述声发射探头设置于所述温度调节组件20中，所述位移传感器41和所述声发射探头分别与所述工控机连接。
在本申请实施例中，位移数据测量组件40有3个，且分别沿X轴、Y轴和Z轴方向布置，分别对试样70的三个方向位移量进行测量。声发射探头向外发出声波，位移传感器41可以检测到声波，进而判断对应方向的试样70表面的形变量。夹持器42套设于导杆43上，可以控制位移传感器41沿着导杆43运动。
如图1-5，在本申请实施例中，所述密封组件50包括：压孔塞51、孔外密封圈52和孔内密封圈53，其中，所述压孔塞51设置于所述温度调节组件20的压头24中，所述孔压伺服控制组件60穿过所述压头24和所述压孔塞51并插入所述试样中，所述孔外密封圈52设置于所述压头24和所述压孔塞51之间，所述孔内密封圈53设置于所述孔压伺服控制组件60和所述试样之间。
如图1-5，在本申请实施例中，所述孔压伺服控制组件60包括：金属管61，所述金属管61依次穿过所述温度调节组件20的压头24和所述密封组件50的压孔塞51并插入所述试样中。
在本申请实施例中，孔压伺服控制组件60向试样70施加试验介质，介质通过金属管61作用于试样70上。在此期间，密封组件50可以保证介质直接作用于试样70上而不向外泄露。具体地，金属管61连接外界介质，然后穿透压头24和压孔塞51并插入试样70中。孔外密封圈52用于密封压头24和压孔塞51之间缝隙，孔内密封圈53用于密封孔压伺服控制组件60和试样之间缝隙。
在本申请实施例中，所述温度控制组件包括：温度控制箱，所述温度控制箱与所述温度调节组件20的刚性加热棒25连接。
在本申请实施例中，温度控制箱上设置有多个选项按钮，可以为刚性加热棒25供电并控制其工作功率。
在本申请实施例中，所述压力控制组件包括：液压站，所述液压站与所述压力加载组件30的液压缸32连接。
在本申请实施例中，液压站可以为液压缸32提供液压，进而控制其工作功率。
本申请提供的一种超临界地热压裂试验模拟系统及基于其的超临界地热压裂试验模拟方法，可以用于超临界水和/或二氧化碳与岩石界面密封及与封存室内试验，可用于模拟超临界地热的实时高温与高压环境与高孔压超临界水或二氧化碳密封的装备与室内试验技术，辅助探索超临界水力压裂的水力裂缝拓展与起裂规律以及开发超临界地热，经过测试具有良好的效果。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种超临界地热压裂试验模拟系统，其特征在于，包括：
安装组件，用于安装各零件；
温度调节组件，用于放置试样并调节施加于所述试样的温度；所述温度调节组件设置于所述安装组件上；所述试样外侧涂抹耐高温铜粉减磨液铜箔；
压力加载组件，用于向所述温度调节组件加载压力；所述压力加载组件设置于所述安装组件上，且与所述温度调节组件相对；
位移数据测量组件，用于测量所述试样的形变量；所述位移数据测量组件设置于所述安装组件上，且与所述温度调节组件相对；
密封组件，用于保持所述压力加载组件和所述试样之间的密封；所述密封组件设置于所述温度调节组件上；
孔压伺服控制组件，用于提供作用于所述试样的超临界地热压裂介质；所述孔压伺服控制组件与所述温度调节组件连接；
温度控制组件，用于控制所述温度调节组件的温度参数；所述温度控制组件与所述温度调节组件连接；
压力控制组件，用于控制所述压力加载组件的压力参数；所述压力控制组件与所述压力加载组件连接；
所述安装组件包括：安装架和导轨，其中，所述安装架包括底板和侧板，所述温度调节组件设置于所述底板上，所述压力加载组件和所述位移数据测量组件设置于所述侧板上，所述导轨设置于所述底板上，所述温度调节组件支撑于所述导轨上；
所述温度调节组件包括：内压板、压板、外压板、压头、刚性加热棒和耐压刚性隔热板，其中，所述耐压刚性隔热板设置于所述外压板和所述压板之间且分别连接二者，所述外压板与所述压力加载组件相对，所述压板与所述内压板连接，所述刚性加热棒插在所述内压板内，且与所述温度控制组件连接，所述内压板与所述试样接触，所述压头与所述试样接触，且与所述压力加载组件相对，所述密封组件设置于所述压头上，所述孔压伺服控制组件与所述压头连接；
所述位移数据测量组件包括：位移传感器、声发射探头、夹持器、导杆和工控机，其中，所述导杆设置于所述安装组件上，所述位移传感器设置于所述夹持器上，所述夹持器设置于所述导杆上，所述声发射探头设置于所述温度调节组件中，所述位移传感器和所述声发射探头分别与所述工控机连接；
所述密封组件包括：压孔塞、孔外密封圈和孔内密封圈，其中，所述压孔塞设置于所述温度调节组件的压头中，所述孔压伺服控制组件穿过所述压头和所述压孔塞并插入所述试样中，所述孔外密封圈设置于所述压头和所述压孔塞之间，所述孔内密封圈设置于所述孔压伺服控制组件和所述试样之间；
所述孔压伺服控制组件包括：金属管，所述金属管依次穿过所述温度调节组件的压头和所述密封组件的压孔塞并插入所述试样中。
2.根据权利要求1所述的超临界地热压裂试验模拟系统，其特征在于，所述压力加载组件包括：加载杆、液压缸和磁制位移传感器，其中，所述液压缸和所述磁制位移传感器设置于所述安装组件上，所述液压缸与所述压力控制组件连接，所述磁制位移传感器与所述位移数据测量组件连接，所述加载杆的第一端与所述液压缸连接而第二端与所述温度调节组件相对。
3.根据权利要求1所述的超临界地热压裂试验模拟系统，其特征在于，所述温度控制组件包括：温度控制箱，所述温度控制箱与所述温度调节组件的刚性加热棒连接。
4.根据权利要求1所述的超临界地热压裂试验模拟系统，其特征在于，所述压力控制组件包括：液压站，所述液压站与所述压力加载组件的液压缸连接。
5.一种基于超临界地热压裂试验模拟系统的超临界地热压裂试验模拟方法，其特征在于，所述超临界地热压裂试验模拟系统包括如权利要求1-4中任一所述的超临界地热压裂试验模拟系统，所述方法包括步骤：
在试样外侧涂抹耐高温铜粉减磨液铜箔；
将所述试样放置于温度调节组件中；
将所述温度调节组件与压力加载组件对准；
通过压力控制组件设置所述压力加载组件的压力值；
使用所述压力加载组件作用于所述温度调节组件；
通过温度控制组件设置所述温度调节组件的温度值；
使用所述温度调节组件作用于所述试样；
保温预设时间；
使用孔压伺服控制组件向所述试样注射超临界地热压裂介质；
使用位移数据测量组件测量所述试样的形变量；
待系统冷却后卸载所述试样。
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