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CN107905778A - 超临界co2流体压裂增强型地热系统实验装置及方法 - Google Patents

超临界co2流体压裂增强型地热系统实验装置及方法 Download PDF

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CN107905778A
CN107905778A CN201710974580.8A CN201710974580A CN107905778A CN 107905778 A CN107905778 A CN 107905778A CN 201710974580 A CN201710974580 A CN 201710974580A CN 107905778 A CN107905778 A CN 107905778A
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China
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temperature
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时贤
倪红坚
蒋恕
王鹏
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China University of Petroleum East China
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China University of Petroleum East China
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Abstract

本发明涉及一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置及方法。通过气源供应系统和气源增压设备注入超临界CO2,通过设计活塞装置来对岩芯施加精确应力,并采用耐压耐温多孔板来保持干热岩流体的渗透性,并通过导流槽外接到流体采集室,同时内部嵌入可调节声发射探头来监测水力压裂过程中裂缝扩展时的声发射事件。本发明的有益效果是:利用该装置可以实现围压条件对岩石水力压裂‑应变‑声发射‑渗透率‑热能采收效率等信息的一体化采集,研究干热岩水力裂缝的起裂与扩展情况;可以实时监测水力裂缝在高温高压环境条件下的起裂行为和扩展延伸形态,同时可以对热能开采率进行计算。

Description

超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种物理模拟实验装置及方法,特别涉及一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置及方法,主要是利用超临界CO2作为压裂液介质进行干热岩压裂的物理模拟实验。
背景技术
干热岩一般是指深部在3000m以下,温度在150~350℃的高温结晶质岩石,其放出的巨大热能可以作为常规化石能源的有效补充,同时没有温室气体排放,所以其勘探开发受到了世界各国政府的普遍关注。深部高温干热岩开发被称为增强型地热系统,按利用形式可以分为高温岩体型和火山型,并且一般需要通过压裂的方式对储层改造。另外,干热岩的开发还包括化学刺激和热刺激等其他技术以及这几种技术的联合使用。
常规干热岩压裂介质主要是水,水作为携热介质可以与干热岩进行热交换,有效将热量带出到地表,同时冷却水可以作为压裂液二次利用。但是,水力压裂范围通常有限性,渗流区域相对封闭,并且水基压裂液容易产生储层伤害和造成水资源短缺。为此,利用超临界CO2开发地热具有重要研究价值。
当CO2的温度和压力分别处于31.1℃和7.38MPa以上时,CO2将达到超临界状态。超临界CO2性质介于气体和液体之间,既有气体的低粘度和易扩散性,也有液体的高密度和溶解性好的特点,具有超强的流动、渗透和传递性能,可以代替清水作为压裂液。另外,超临界CO2具有弱酸性,可以溶解管道和地层中的沉淀和结垢物质。其次,注入井中的超临界CO2密度大于生产井中的超临界CO2密度,可在储层产生较大的驱动力,可降低对循环泵功率的要求;另外,向干热岩储层注入超临界CO2可以实现碳埋存。同时,在开发地热温度大于 374℃(水的临界温度)的干热岩储层时,不存在常规地热开采系统(以水作为携热介质)的二氧化硅溶解问题,所以可采用双循环式发电系统。
目前对于超临界 CO2流体压裂岩石的理论和实验方面的研究主要应用于页岩气储层。针对干热岩的超临界流体压裂实验装置和方法研究都较少。对于利用超临界 CO2流体压裂干热岩来说,目前的研究存在如下不足:(1)无法有效模拟干热岩的生成环境;(2)不能有效控制 CO2的相态,保证超临界 CO2压裂流体的生成;(3)不能实时分析超临界 CO2压裂过程干热岩储层水力裂缝形态,并可以分析干热岩压裂前后的渗透率动态变化和评估超临界流体压裂开发效果。总体来看,针对干热岩水力压裂物理模拟的高温高压实验装置和实验研究方法仍不成熟,因此建立干热岩水力压裂物理模拟实验装置具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷,提供一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置及方法,可以实时监测水力裂缝在高温高压环境条件下的起裂行为和扩展延伸形态,同时可以对热能开采率进行计算。
本发明提到的一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置,其技术方案是:包括超临界CO2流体生成设备、压裂主体装置和超临界CO2流体压裂信息收集系统;其中,超临界CO2流体生成设备主要由气体增压器(3)、CO2气源供应系统(4)、循环冷却箱(5)、CO2流体循环加热室(6)和保温压裂管汇(7)组成,CO2气源供应系统(4)通过循环冷却箱(5)连接到气体增压器(3),气体增压器(3)通过高压管线进入、CO2流体循环加热室(6),高压压裂泵(2)同时将CO2流体循环加热室(6)的CO2流体和支撑剂注入腔(8)的支撑剂送入压裂液和支撑剂混合装置(9),所述循环冷却箱(5)和CO2流体循环加热室(6)依次用以设置满足超临界CO2流体的生成温度和压力条件;
所述压裂主体装置主要由超临界CO2流体改造腔(25)、压裂腔电阻加热系统(26)、压裂腔保温层(27)组成,且超临界CO2流体改造腔(25)内设有耐高温高压多孔钢板,超临界CO2流体改造腔(25)外侧设有多组应力模拟装置,用来对超临界CO2流体改造腔施加不同的水平应力;
压裂管柱(14)安装在超临界CO2流体改造腔(25)内腔的干热岩样品内,并且,顶部通过注入孔(22)连接超临界CO2流体生成设备,通过出气孔(23)排出。
超临界CO2流体压裂信息收集系统包括,声发射探头(12)、流量计(15)、压力表(19)、应变片(30),通过各部件同步工作和实时记录数据并输出到计算机,并实现试样加温和保温和控制压裂进程。
优选的,上述干热岩样品的每个表面贴有应变片(30),用以监测压裂过程中的岩石变形,同时所述干热岩样品与耐高温高压多孔钢板贴合,且耐高温高压多孔钢板的每面可以至少镶嵌4个声发射腔,并可以将声发射探头(12)放入其中,用以实时评估裂缝形态。
优选的,上述耐高温高压多孔钢板的每面还设有至少4个电位测试腔,并可以将电位测试电极放入其中,用以实时评估流体的流动方向;且所述耐高温高压传压板为多孔镂空设计,在压裂腔底部流有流体流动的凹槽,热流体可通过压裂腔凹槽流到热量计量系统(16)之中。
优选的,上述干热岩样品采用花岗岩、碳酸盐、砂岩或者通过人工通过水泥或者石膏混合组制成,实验前应当取相似材料进行不少于5组的岩石力学抗压、抗拉、断裂韧性和孔隙度及渗透率测试,其核心岩石力学性质和油层物理参数应满足实验基本要求,人工制样需要进行恒温恒湿养护。
优选的,上述应力模拟装置设置有多组,在超临界CO2流体改造腔(25)的两侧分别设有多级活塞(11),所述多级活塞(11)分别连接液压控制器(24),通过多级活塞施加应力直接加载到耐高温高压多孔钢板上,然后再通过耐高温高压多孔钢板加载到干热岩样品上。
本发明提到的一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置的使用方法,包括以下步骤:
(1)选取制作干热岩样品的花岗岩、碳酸盐、砂岩或者通过人工通过水泥或者石膏混合制成干热岩样品;
(2)切割成0.3×0.3×0.3m标准立块体,人工制成的干热岩样品需要在恒温恒湿养护后放入超临界CO2流体改造腔(25);
(3)开启加热装置,以恒温升高模式将干热岩样品加热至理想温度,同时利用温度传感器监测超临界CO2流体改造腔内温度,并保持恒温时间2小时以上;
(4)开启应力模拟装置,通过耐高温高压多孔钢板对干热岩试样施加多向应力,并在应力和高温条件下钻取孔眼,下入用于模拟的压裂管柱(14),并进行密封处理;
(5)启动CO2气源供应系统,打开循环冷却箱(5)、气体增压器(3)、CO2流体循环加热室(6),生产超临界CO2流体;
(6)配置支撑剂并和超临界CO2流体在压裂液和支撑剂混合装置(9)内混合,连接保温压裂管汇(7)并开启高压压裂泵(2);
(7)打开声发射和电位测试系统,利用声发射监测系统(21)收集水力压裂时的声发射信号,利用电位系统分析流体的流动规律,注入压裂液进行水力压裂测试;通过压力计测试实时泵压变化,利用热流体储集设备收集流出的热流体,并采用温度和流量传感器记录实时流量和温度;
(8)关闭高压压裂泵(2),通过流量和温度采集结果计算干热岩样品采出流体热量;
(9)关闭超临界CO2流体生成设备,直接注入高纯度CO2,测试干热岩样品压裂前后的渗透率变化;
(10)待干热岩样品恢复到室温后取出,分析超临界CO2压裂裂缝宏观形态,同时对裂缝进行割缝处理,通过扫描电镜分析微观裂缝形态。
优选的,上述超临界CO2流体生成设备进入压裂液和支撑剂混合装置(9)之前需要具有的温度是31.1℃和7.38MPa的超临界CO2生成环境。
优选的,上述干热岩样品的8个表面都贴有温度传感器,保证水力压裂腔内满足干热岩原位高温环境,同时误差值应控制在±0.5℃%以内。
优选的,在应力条件下钻取孔眼来安装压裂管柱(14),且不锈钢的压裂管柱(14)需进行密封性处理,在露出段加工一段环状凹槽设计,以便于填充高强度实体橡胶圈与上压头密封衔接;埋入干热岩样品的一段须加工出螺旋状螺纹,在封胶后增强其与整体的固定能力;同时压裂管柱(14)应保持绝对垂直,压裂管柱(14)可以根据要求进行射孔处理,同时压裂管柱(14)的材料采用奥氏体铬镍不锈钢或螺纹碳钢制成。
优选的,超临界CO2压裂时可采用恒加压速率或者采用恒排量加压两种方式泵入超临界压裂液,其中,恒排量加压方式的初始加压速率较慢,随着体积的压缩,增压速率越来越快,CO2的体积压缩系数远大于水,可压缩性较强,在外加压强作用下体积变化明显,在封闭环境中,压力变化使 CO2相态也发生变化,体积压缩系数随压力增加而减小。
本发明与现有技术相比,其有益效果是:
(1)首先通过气体增压器和循环冷却装置将气泵内的高浓度气态CO2转化为液态,以高于 7.38MPa 的压力将液体CO2注入到CO2流体循环加热室内,通过温度控制器对加热室内CO2流体加热,将温度升高至大于 31.4℃的温度,使液态CO2转变成超临界状态;
(2)本发明可以研究超临界CO2压裂干热岩样品时的裂缝起裂与扩展情况,同时采集应变-渗透率-电位等参数,并且模拟注入方式、地应力状态等不同条件下对水力裂缝起裂和扩展的影响,掌握流体流动的方向和岩样压裂前后的变形情况。
(3)本发明采用了多孔钢板镂空设计来提取干热岩热交换后的热流体,同时采用热流体储集设备储存热流体,同时通过温度和流量计对热流体进行实施测量,同时,在干热岩压裂前后可以对样品的渗透率进行评估,从而可以精确计算干热岩超临界CO2压裂的有效性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是耐高温高压多孔钢板示意图;
上图中:压力控制系统(1)、高压压裂泵(2)、气体增压器(3)、CO2气源供应系统(4)、循环冷却箱(5)、CO2流体循环加热室(6)、保温压裂管汇(7)、支撑剂注入腔(8)、压裂液和支撑剂混合装置(9)、伺服油缸(10)、多级活塞(11)、声发射探头(12)、支架(13)、压裂管柱(14)、流量计(15)、热流体计量系统(16)、温度计量器(17)、控制阀(18)、压力表(19)、放空阀(20)、声发射监测系统(21)、注入孔(22)、出气孔(23)、液压控制器(24)、超临界CO2流体改造腔(25)、压裂腔电阻加热系统(26)、压裂腔保温层(27)、温度传感器(28)、温度数据采集系统(29)、应变片(30);声发射探头腔(2-1)、电极放入腔(2-2)、热流体排出小孔(2-3)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
参照附图1和2,本发明提到的一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置,其技术方案是:包括超临界CO2流体生成设备、压裂主体装置和超临界CO2流体压裂信息收集系统;其中,超临界CO2流体生成设备主要由气体增压器(3)、CO2气源供应系统(4)、循环冷却箱(5)、CO2流体循环加热室(6)和保温压裂管汇(7)组成,CO2气源供应系统(4)通过循环冷却箱(5)连接到气体增压器(3),气体增压器(3)通过高压管线进入、CO2流体循环加热室(6),高压压裂泵(2)同时将CO2流体循环加热室(6)的CO2流体和支撑剂注入腔(8)的支撑剂送入压裂液和支撑剂混合装置(9),所述循环冷却箱(5)和CO2流体循环加热室(6)依次用以设置满足超临界CO2流体的生成温度和压力条件;
所述压裂主体装置主要由超临界CO2流体改造腔(25)、压裂腔电阻加热系统(26)、压裂腔保温层(27)和支架(13)组成,且超临界CO2流体改造腔(25)内设有耐高温高压多孔钢板,超临界CO2流体改造腔(25)外侧设有多组应力模拟装置,用来对超临界CO2流体改造腔施加不同的水平应力;
压裂管柱(14)安装在超临界CO2流体改造腔(25)内腔的干热岩样品内,并且,顶部通过注入孔(22)连接超临界CO2流体生成设备,通过出气孔(23)排出。
超临界CO2流体压裂信息收集系统包括,声发射探头(12)、流量计(15)、压力表(19)、应变片(30),通过各部件同步工作和实时记录数据并输出到计算机,并实现试样加温和保温和控制压裂进程。
其中,本发明提到的干热岩样品的每个表面贴有应变片(30),用以监测压裂过程中的岩石变形,同时所述干热岩样品与耐高温高压多孔钢板贴合,且耐高温高压多孔钢板的每面可以至少镶嵌4个声发射腔,并可以将声发射探头(12)放入其中,用以实时评估裂缝形态。
本发明提到的耐高温高压多孔钢板的每面还设有至少4个电位测试腔,并可以将电位测试电极放入其中,用以实时评估流体的流动方向;且所述耐高温高压传压板为多孔镂空设计,在压裂腔底部流有流体流动的凹槽,热流体可通过压裂腔凹槽流到热量计量系统(16)之中。
本发明提到的干热岩样品采用花岗岩、碳酸盐、砂岩或者通过人工通过水泥或者石膏混合组制成,实验前应当取相似材料进行不少于5组的岩石力学抗压、抗拉、断裂韧性和孔隙度及渗透率测试,其核心岩石力学性质和油层物理参数应满足实验基本要求,人工制样需要进行恒温恒湿养护。
本发明提到的应力模拟装置设置有多组,在超临界CO2流体改造腔(25)的两侧分别设有多级活塞(11),所述多级活塞(11)分别通过伺服油缸(10)连接液压控制器(24),通过多级活塞施加应力直接加载到耐高温高压多孔钢板上,然后再通过耐高温高压多孔钢板加载到干热岩样品上。
参照附图2,本发明的耐高温高压多孔钢板上设有多个声发射探头腔(2-1)、电极放入腔(2-2)和热流体排出小孔(2-3)。
本发明提到的一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置的使用方法,包括以下步骤:
(1)选取制作干热岩样品的花岗岩、碳酸盐、砂岩或者通过人工通过水泥或者石膏混合制成干热岩样品;
(2)切割成0.3×0.3×0.3m标准立块体,人工制成的干热岩样品需要在恒温恒湿养护后放入超临界CO2流体改造腔(25);
(3)开启加热装置,以恒温升高模式将干热岩样品加热至理想温度,同时利用温度传感器监测超临界CO2流体改造腔内温度,并保持恒温时间2小时以上;
(4)开启应力模拟装置,通过耐高温高压多孔钢板对干热岩试样施加多向应力,并在应力和高温条件下钻取孔眼,下入用于模拟的压裂管柱(14),并进行密封处理;
(5)启动CO2气源供应系统,打开循环冷却箱(5)、气体增压器(3)、CO2流体循环加热室(6),生产超临界CO2流体;
(6)配置支撑剂并和超临界CO2流体在压裂液和支撑剂混合装置(9)内混合,连接保温压裂管汇(7)并开启高压压裂泵(2);
(7)打开声发射和电位测试系统,利用声发射监测系统(21)收集水力压裂时的声发射信号,利用电位系统分析流体的流动规律,注入压裂液进行水力压裂测试;通过压力计测试实时泵压变化,利用热流体储集设备收集流出的热流体,并采用温度和流量传感器记录实时流量和温度;
(8)关闭高压压裂泵(2),通过流量和温度采集结果计算干热岩样品采出流体热量;
(9)关闭超临界CO2流体生成设备,直接注入高纯度CO2,测试干热岩样品压裂前后的渗透率变化;
(10)待干热岩样品恢复到室温后取出,分析超临界CO2压裂裂缝宏观形态,同时对裂缝进行割缝处理,通过扫描电镜分析微观裂缝形态。
优选的,上述超临界CO2流体生成设备进入压裂液和支撑剂混合装置(9)之前需要具有的温度是31.1℃和7.38MPa的超临界CO2生成环境。
优选的,上述干热岩样品的8个表面都贴有温度传感器,保证水力压裂腔内满足干热岩原位高温环境,同时误差值应控制在±0.5℃%以内。
优选的,在应力条件下钻取孔眼来安装压裂管柱(14),且不锈钢的压裂管柱(14)需进行密封性处理,在露出段加工一段环状凹槽设计,以便于填充高强度实体橡胶圈与上压头密封衔接;埋入干热岩样品的一段须加工出螺旋状螺纹,在封胶后增强其与整体的固定能力;同时压裂管柱(14)应保持绝对垂直,压裂管柱(14)可以根据要求进行射孔处理,同时压裂管柱(14)的材料采用奥氏体铬镍不锈钢或螺纹碳钢制成。
优选的,超临界CO2压裂时可采用恒加压速率或者采用恒排量加压两种方式泵入超临界压裂液,其中,恒排量加压方式的初始加压速率较慢,随着体积的压缩,增压速率越来越快,CO2的体积压缩系数远大于水,可压缩性较强,在外加压强作用下体积变化明显,在封闭环境中,压力变化使 CO2相态也发生变化,体积压缩系数随压力增加而减小。
实施例2,本发明提到的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置与实施例1相同,不同之处是超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置的使用方法,包括以下步骤:
(1) 根据实验要求,选择不同组分的水泥、石英砂、粘土和水,并混合搅拌倒入模具当中,试件在模具内放置72小时后拆模,然后并放入恒温恒湿箱内养护14天,割加工成300×300×300mm立方体的干热岩样品;
(2) 在进行超临界CO2压裂前,需要首先对整个试验装置进行气密性检测,确保试样完整无断裂以及管线布置的安全性;再根据试验方案安装声发射、温度、应变、电位传感器,同时测试传感器发射与接收信号的准确性,调试外参信号,保证多路信号采集系统的时域同步性;
(3) 将干热岩样品与多孔的耐高温高压多孔钢板一起用耐超高温密封胶进行密封,并送入超临界CO2流体改造腔(25)。然后,利用伺服设备施加多向应力,首先施加垂向应力,然后利用高压管线分别连接两个围压泵,同时在管线上安装压力表、压力调节阀及放空阀,模拟地应力状态;
(4) 通过电阻加热装置逐渐增加干热岩压裂腔内的温度,并利用温度传感器监测温度变化,当温度达到设定温度时停止,并保持恒温2小时,并连接压裂液注入口和热流体输出口;
(5) 当水力压裂腔内达到设计温度和压力时,利用钻孔机钻入干热岩样品,插入耐高压金属管模拟压裂管柱(14),并利用密封圈和密封胶进行密封处理;
(6) 开启声发射监测系统,准备声发射信号的实时监测、采集、处理数据;开启电位、应变、温度监测系统,准备试验电位、应变和温度信号的实时监测、采集、处理数据;
(7) 开启CO2气源供应系统,并首先开启循环冷却箱(5)和气体增压器(3)将纯度99.9%的CO2气体转换成液态CO2,再通过CO2流体循环加热室(6)加温液态CO2至超临界CO2流体生成条件;
(8) 施加孔眼压力,开始水力压裂。启动伺服控制注入泵,以恒定速率往预置井眼中泵入模拟超临界CO2压裂液,逐渐压裂实验试样,同时利用压力数据记录仪记录孔眼压力大小及变化规律,利用声发射设备记录水力裂缝的起裂及扩展动态,利用应变设备记录试样变形动态,利用电位设备记录流体流动动态,流量储集设备采集流出热流体的实时流量和温度。在压力下降稳定后,关闭伺服控制注入泵;
(9) 此时应当继续保持压力环境和流量储集设备开启,并继续让热流体流出,当热流体实时温度或者流量低于设定界限后,认为整个干热岩水力压裂模拟结束。此时再依次关闭围压泵,打开放空阀并卸载围压;然后依次关闭声发射设备、压力数据记录仪。
(10) 取出实验的干热岩样品,观察拍照记录裂缝最终形态,并对压后岩样钻取标准岩芯,并切割薄片,通过扫描电镜对裂缝表面进行微观分析,分析水力压裂裂缝和热应力产生的裂缝。
以上所述,仅是本发明的部分较佳实施例,任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此,依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换,尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置,其特征是:包括超临界CO2流体生成设备、压裂主体装置和超临界CO2流体压裂信息收集系统;其中,超临界CO2流体生成设备主要由气体增压器(3)、CO2气源供应系统(4)、循环冷却箱(5)、CO2流体循环加热室(6)和保温压裂管汇(7)组成,CO2气源供应系统(4)通过循环冷却箱(5)连接到气体增压器(3),气体增压器(3)通过高压管线进入、CO2流体循环加热室(6),高压压裂泵(2)同时将CO2流体循环加热室(6)的CO2流体和支撑剂注入腔(8)的支撑剂送入压裂液和支撑剂混合装置(9),所述循环冷却箱(5)和CO2流体循环加热室(6)依次用以设置满足超临界CO2流体的生成温度和压力条件;
所述压裂主体装置主要由超临界CO2流体改造腔(25)、压裂腔电阻加热系统(26)、压裂腔保温层(27)组成,且超临界CO2流体改造腔(25)内设有耐高温高压多孔钢板,超临界CO2流体改造腔(25)外侧设有多组应力模拟装置,用来对超临界CO2流体改造腔施加不同的水平应力;
压裂管柱(14)安装在超临界CO2流体改造腔(25)内腔的干热岩样品内,并且,顶部通过注入孔(22)连接超临界CO2流体生成设备,通过出气孔(23)排出;
超临界CO2流体压裂信息收集系统包括,声发射探头(12)、流量计(15)、压力表(19)、应变片(30),通过各部件同步工作和实时记录数据并输出到计算机,并实现试样加温和保温和控制压裂进程。
2.根据权利要求1所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置,其特征是:所述干热岩样品的每个表面贴有应变片(30),用以监测压裂过程中的岩石变形,同时所述干热岩样品与耐高温高压多孔钢板贴合,且耐高温高压多孔钢板的每面可以至少镶嵌4个声发射腔,并可以将声发射探头(12)放入其中,用以实时评估裂缝形态。
3.根据权利要求2所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置,其特征是:所述耐高温高压多孔钢板的每面还设有至少4个电位测试腔,并可以将电位测试电极放入其中,用以实时评估流体的流动方向;且所述耐高温高压传压板为多孔镂空设计,在压裂腔底部流有流体流动的凹槽,热流体可通过压裂腔凹槽流到热量计量系统(16)之中。
4.根据权利要求1所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置,其特征是:所述干热岩样品采用花岗岩、碳酸盐、砂岩或者通过人工通过水泥或者石膏混合组制成,实验前应当取相似材料进行不少于5组的岩石力学抗压、抗拉、断裂韧性和孔隙度及渗透率测试,其核心岩石力学性质和油层物理参数应满足实验基本要求,人工制样需要进行恒温恒湿养护。
5.根据权利要求1所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置,其特征是:所述应力模拟装置设置有多组,在超临界CO2流体改造腔(25)的两侧分别设有多级活塞(11),所述多级活塞(11)分别连接液压控制器(24),通过多级活塞施加应力直接加载到耐高温高压多孔钢板上,然后再通过耐高温高压多孔钢板加载到干热岩样品上。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置的使用方法,其特征是包括以下步骤:
(1)选取制作干热岩样品的花岗岩、碳酸盐、砂岩或者通过人工通过水泥或者石膏混合制成干热岩样品;
(2)切割成0.3×0.3×0.3m标准立块体,人工制成的干热岩样品需要在恒温恒湿养护后放入超临界CO2流体改造腔(25);
(3)开启加热装置,以恒温升高模式将干热岩样品加热至理想温度,同时利用温度传感器监测超临界CO2流体改造腔内温度,并保持恒温时间2小时以上;
(4)开启应力模拟装置,通过耐高温高压多孔钢板对干热岩试样施加多向应力,并在应力和高温条件下钻取孔眼,下入用于模拟的压裂管柱(14),并进行密封处理;
(5)启动CO2气源供应系统,打开循环冷却箱(5)、气体增压器(3)、CO2流体循环加热室(6),生产超临界CO2流体;
(6)配置支撑剂并和超临界CO2流体在压裂液和支撑剂混合装置(9)内混合,连接保温压裂管汇(7)并开启高压压裂泵(2);
(7)打开声发射和电位测试系统,利用声发射监测系统(21)收集水力压裂时的声发射信号,利用电位系统分析流体的流动规律,注入压裂液进行水力压裂测试;通过压力计测试实时泵压变化,利用热流体储集设备收集流出的热流体,并采用温度和流量传感器记录实时流量和温度;
(8)关闭高压压裂泵(2),通过流量和温度采集结果计算干热岩样品采出流体热量;
(9)关闭超临界CO2流体生成设备,直接注入高纯度CO2,测试干热岩样品压裂前后的渗透率变化;
(10)待干热岩样品恢复到室温后取出,分析超临界CO2压裂裂缝宏观形态,同时对裂缝进行割缝处理,通过扫描电镜分析微观裂缝形态。
7.根据权利要求6所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置的使用方法,其特征是:所述超临界CO2流体生成设备进入压裂液和支撑剂混合装置(9)之前需要具有的温度是31.1℃和7.38MPa的超临界CO2生成环境。
8.根据权利要求6所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置的使用方法,其特征是:所述干热岩样品的8个表面都贴有温度传感器,保证水力压裂腔内满足干热岩原位高温环境,同时误差值应控制在±0.5℃%以内。
9.根据权利要求6所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置的使用方法,其特征是:在应力条件下钻取孔眼来安装压裂管柱(14),且不锈钢的压裂管柱(14)需进行密封性处理,在露出段加工一段环状凹槽设计,以便于填充高强度实体橡胶圈与上压头密封衔接;埋入干热岩样品的一段须加工出螺旋状螺纹,在封胶后增强其与整体的固定能力;同时压裂管柱(14)应保持绝对垂直,压裂管柱(14)可以根据要求进行射孔处理,同时压裂管柱(14)的材料采用奥氏体铬镍不锈钢或螺纹碳钢制成。
10.根据权利要求6所述的超临界CO2流体压裂增强型地热系统实验装置的使用方法,其特征是:超临界CO2压裂时可采用恒加压速率或者采用恒排量加压两种方式泵入超临界压裂液,其中,恒排量加压方式的初始加压速率较慢,随着体积的压缩,增压速率越来越快,CO2的体积压缩系数远大于水,可压缩性较强,在外加压强作用下体积变化明显,在封闭环境中,压力变化使 CO2相态也发生变化,体积压缩系数随压力增加而减小。
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