CN114893177B - 用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，包括：外壳体，外壳体的外侧壁上固接有第一加压组件与第二加压组件，外壳体内设置有上辅助加压组件与下辅助加压组件，第一加压组件穿入外壳体内与上辅助加压组件抵接，第二加压组件穿入外壳体内与下辅助加压组件抵接，外壳体内设置有模拟试件，模拟试件位于上辅助加压组件与下辅助加压组件内，模拟试件的顶面上开设有模拟注水井，模拟注水井连通有高压注水管，模拟试件的顶端抵接有上加压组件；本发明通过模拟真实情况下干热岩的受力情况，使得试验更加接近真实情况下干热岩储层的激发过程，试验结果更加准确，为人工储热层的设计建造提供参数和方案优化。

Description

用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统

技术领域

本发明涉及干热岩注水压裂剪切试验技术领域，特别是涉及一种用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统。

背景技术

地热资源是一种新型清洁、可再生能源，目前世界范围内针对地热资源的开发利用关注程度逐渐增加。大量的地热能储存于地层深部干热岩中，干热岩是一种无水或低含水的高温岩体(150-650℃)，存在极少的孔隙或裂隙，渗透率极低，主要由变质岩、结晶岩类岩体构成，需借助水力压裂等储层改造技术形成水流通道，并组成采注井网、提高热交换面积来实现地热资源的开发。

钻孔取干热能源工程耗时较长，耗资和风险较高。因此，在人工储热层建造示范前，开展室内干热岩注水压裂剪切试验，成为现阶段地热开发的必要手段。

公开号为CN110242267A的专利公开了用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统及方法，只能够对部分模拟试件的一侧加载剪切应力，而位于地下深处的干热岩所受到的压力是来自于四面八方的，无法很好的模拟干热岩所处的环境，有可能导致试验结果发生偏差。

发明内容

本发明的目的是提供用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，包括：外壳体，所述外壳体的外侧壁上固接有第一加压组件与第二加压组件，所述外壳体内设置有上辅助加压组件与下辅助加压组件，所述第一加压组件穿入所述外壳体内与所述上辅助加压组件抵接，所述第二加压组件穿入所述外壳体内与所述下辅助加压组件抵接，所述外壳体内设置有模拟试件，所述模拟试件位于所述上辅助加压组件与所述下辅助加压组件内，所述模拟试件的顶面上开设有模拟注水井，所述模拟注水井连通有高压注水管，所述模拟试件的顶端抵接有上加压组件；

所述上辅助加压组件包括若干第一支撑片，若干所述第一支撑片周向等间隔设置在所述模拟试件的外侧，所述第一支撑片与所述模拟试件的外侧壁抵接；

所述下辅助加压组件包括若干第二支撑片，若干所述第二支撑片周向等间隔设置在所述模拟试件的外侧，所述第二支撑片与所述模拟试件的外侧壁抵接。

优选的，所述第一加压组件包括若干第一加压件，若干所述第一加压件周向等间隔设置在所述外壳体的外侧壁上，所述第一加压件与所述第一支撑片一一对应设置，所述第一加压件的加压端伸入所述外壳体内且与所述第一支撑片的外侧壁抵接；

所述第一加压件靠近所述外壳体的一端设有两连接耳，两所述连接耳对称设置且固接在所述第一加压件的外侧壁上，所述连接耳通过螺钉固定安装在所述外壳体的外侧壁上。

优选的，所述第二加压组件包括若干第二加压件，若干所述第二加压件周向等间隔设置在所述外壳体的外侧壁上，所述第二加压件与所述第二支撑片一一对应设置，所述第二加压件的加压端伸入所述外壳体内且与所述第二支撑片的外侧壁抵接。

优选的，所述第一支撑片设置为弧形，若干所述第一支撑片围成圆形，所述第一支撑片一侧固接有若干第一辅助杆，若干所述第一辅助杆间隔顺序排列，相邻两所述第一辅助杆之间形成第一辅助槽，所述第一支撑片的另一侧固接有若干第二辅助杆，若干所述第二辅助杆间隔顺序排列，相邻两所述第二辅助杆之间形成第二辅助槽，所述第一辅助杆插入所述第二辅助槽内，所述第一辅助杆的端部与所述第二辅助槽的侧壁之间留有间隙，所述第二辅助杆插入所述第一辅助槽内，所述第二辅助杆的端部与所述第一辅助槽的侧壁之间留有间隙，所述第一辅助杆以及所述第二辅助杆上均开设有通槽，位于所述第一辅助杆以及所述第二辅助杆上的所述通槽上下对应设置，所述通槽内穿设有限位钉，所述限位钉的直径小于所述通槽的宽度。

优选的，所述第二支撑片设置为弧形，若干所述第二支撑片围成圆形，所述第二支撑片的一侧固接有若干第三辅助杆，若干所述第三辅助杆间隔顺序排列，相邻两所述第三辅助杆之间形成第三辅助槽，所述第二支撑片的另一侧固接有若干第四辅助杆，若干第四辅助杆间隔顺序排列，相邻两第四辅助杆之间形成第四辅助槽，所述第三辅助杆插入所述第四辅助槽内，所述第三辅助杆的端部与所述第四辅助槽内的侧壁之间留有间隙，所述第四辅助杆插入所述第三辅助槽内，所述第四辅助杆的端部与所述第三辅助槽的侧壁之间留有间隙，所述第二支撑片的底端固接有滑块，所述滑块位于所述第二支撑片的中间位置，所述滑块的轴线位于所述第二支撑片的直径上，所述滑块滑动连接在滑槽内，所述滑槽开设在圆形底板的顶面上，所述滑槽的轴线位于所述圆形底板的直径上，若干所述滑槽周向等间隔设置，所述模拟试件与所述圆形底板的顶面抵接。

优选的，所述外壳体的底壁上固接有放置底座，所述放置底座内开设有空腔，所述空腔的底壁上固接有伸缩杆，所述伸缩杆的伸缩端穿入所述外壳体内且固接有托板，所述托板与所述圆形底板的底面抵接。

优选的，所述上加压组件包括上加压柱，所述上加压柱位于所述模拟试件的顶端，所述上加压柱之间设置有加压板。

优选的，所述加压板的侧壁上开设有第一插管孔，所述加压板的底面上开设有第二插管孔，所述第一插管孔与所述第二插管孔连通，所述第一插管孔内穿设有高压注水管，所述第二插管孔内穿设有伸缩管，所述伸缩管与所述高压注水管连通，所述伸缩管远离所述高压注水管的一端穿入所述模拟注水井内，所述伸缩管与所述模拟注水井之间设置有密封件。

优选的，所述第一支撑片内开设有加热腔，所述加热腔内设置有加热层以及保温层，所述加热层靠近所述模拟试件。

本发明公开了以下技术效果：

本发明中，通过将模拟试件放置在上辅助加压组件与下辅助加压组件内，然后将上辅助加压组件与下辅助加压组件内放置在外壳体内，通过第一加压组件与第二加压组件分别为若干第一支撑片以及若干第二支撑片施加压力，使得模拟试件承受周向的压力，同时通过上加压组件为模拟试件提供竖直的压力，能够更好的模拟干热岩所处的环境，同时，第一加压组件与第二加压组件对模拟试件施加不同的压力，用来模拟模拟试件位于不同地底深度时受到的剪切力，模拟试件上开设有模拟注水井，通过高压注水管向模拟注水井中通入常温水，模拟现场中常温水的注入压裂工程。

本发明通过模拟真实情况下干热岩的受力情况，使得试验更加接近真实情况下干热岩储层的激发过程，为人工储热层的设计建造提供参数和方案优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为上辅助加压组件的俯视图；

图4为第一支撑片之间的连接示意图；

图5为下辅助加压组件的俯视图；

图6为第二支撑片之间的连接示意图；

图7为圆形底板的俯视图；

图8为图7中A-A剖视图；

其中，1、外壳体；2、模拟试件；3、模拟注水井；4、高压注水管；5、第一支撑片；6、第二支撑片；7、第一加压件；8、连接耳；9、螺钉；10、第二加压件；11、第一辅助杆；12、第二辅助杆；13、通槽；14、限位钉；15、第三辅助杆；16、第四辅助杆；17、滑块；18、滑槽；19、圆形底板；20、放置底座；21、空腔；22、伸缩杆；23、托板；24、加压柱；25、加压板；26、伸缩管；27、密封件；28、加热层；29、保温层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-8，本发明提供用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，包括：外壳体1，外壳体1的外侧壁上固接有第一加压组件与第二加压组件，外壳体1内设置有上辅助加压组件与下辅助加压组件，第一加压组件穿入外壳体1内与上辅助加压组件抵接，第二加压组件穿入外壳体1内与下辅助加压组件抵接，外壳体1内设置有模拟试件2，模拟试件2位于上辅助加压组件与下辅助加压组件内，模拟试件2的顶面上开设有模拟注水井3，模拟注水井3连通有高压注水管4，模拟试件2的顶端抵接有上加压组件；

上辅助加压组件包括若干第一支撑片5，若干第一支撑片5周向等间隔设置在模拟试件2的外侧，第一支撑片5与模拟试件2的外侧壁抵接；

下辅助加压组件包括若干第二支撑片6，若干第二支撑片6周向等间隔设置在模拟试件2的外侧，第二支撑片6与模拟试件2的外侧壁抵接。

本发明中，通过将模拟试件2放置在上辅助加压组件与下辅助加压组件内，然后将上辅助加压组件与下辅助加压组件内放置在外壳体1内，通过第一加压组件与第二加压组件分别为若干第一支撑片5以及若干第二支撑片6施加压力，使得模拟试件2承受周向的压力，同时通过上加压组件为模拟试件2提供竖直的压力，能够更好的模拟干热岩所处的环境，同时，第一加压组件与第二加压组件对模拟试件2施加不同的压力，用来模拟模拟试件2位于不同地底深度时受到的剪切力，模拟试件上开设有模拟注水井3，通过高压注水管4向模拟注水井3中通入常温水，模拟现场中常温水的注入压裂工程。

进一步优化方案，第一加压组件包括若干第一加压件7，若干第一加压件7周向等间隔设置在外壳体1的外侧壁上，第一加压件7与第一支撑片5一一对应设置，第一加压件7的加压端伸入外壳体1内且与第一支撑片5的外侧壁抵接；

第一加压件7靠近外壳体1的一端设有两连接耳8，两连接耳8对称设置且固接在第一加压件7的外侧壁上，连接耳8通过螺钉9固定安装在外壳体1的外侧壁上。

进一步优化方案，第二加压组件包括若干第二加压件10，若干第二加压件10周向等间隔设置在外壳体1的外侧壁上，第二加压件10与第二支撑片6一一对应设置，第二加压件10的加压端伸入外壳体1内且与第二支撑片6的外侧壁抵接。第二加压件10和外壳体1的连接方式与第一加压件7和外壳体1的连接方式相同，第二加压件10以及第一加压件7优选为液压缸。

进一步优化方案，第一支撑片5设置为弧形，若干第一支撑片5围成圆形，第一支撑片5一侧固接有若干第一辅助杆11，若干第一辅助杆11间隔顺序排列，相邻两第一辅助杆11之间形成第一辅助槽，第一支撑片5的另一侧固接有若干第二辅助杆12，若干第二辅助杆12间隔顺序排列，相邻两第二辅助杆12之间形成第二辅助槽，第一辅助杆11插入第二辅助槽内，第一辅助杆11的端部与第二辅助槽的侧壁之间留有间隙，第二辅助杆12插入第一辅助槽内，第二辅助杆12的端部与第一辅助槽的侧壁之间留有间隙，第一辅助杆11以及第二辅助杆12上均开设有通槽13，位于第一辅助杆11以及第二辅助杆12上的通槽13上下对应设置，通槽13内穿设有限位钉14，限位钉14的直径小于通槽13的宽度。

第一支撑片5的数量优选为四片，四片第一支撑片5在模拟试件2的外侧壁上围成圆形，使模拟试件2受到周向的压力，相邻两第一支撑片5之间的第一辅助杆11与第二辅助杆12交错设置，能够避免模拟试件2受力不均匀的情况发生。限位钉14使相邻两第一支撑片5之间可以相对移动，同时避免相邻两第一支撑片5分开。

进一步优化方案，第二支撑片6设置为弧形，若干第二支撑片6围成圆形，第二支撑片6的一侧固接有若干第三辅助杆15，若干第三辅助杆15间隔顺序排列，相邻两第三辅助杆15之间形成第三辅助槽，第二支撑片6的另一侧固接有若干第四辅助杆16，若干第四辅助杆16间隔顺序排列，相邻两第四辅助杆16之间形成第四辅助槽，第三辅助杆15插入第四辅助槽内，第三辅助杆15的端部与第四辅助槽内的侧壁之间留有间隙，第四辅助杆16插入第三辅助槽内，第四辅助杆16的端部与第三辅助槽的侧壁之间留有间隙，第二支撑片6的底端固接有滑块17，滑块17位于第二支撑片6的中间位置，滑块17的轴线位于第二支撑片6的直径上，滑块17滑动连接在滑槽18内，滑槽18开设在圆形底板19的顶面上，滑槽18的轴线位于圆形底板19的直径上，若干滑槽18周向等间隔设置，模拟试件2与圆形底板19的顶面抵接。第二支撑片6滑动连接在圆形底板19上，滑槽18靠近圆形底板19外缘处的一端固接有挡板，防止第二支撑片6脱出滑槽18。

进一步优化方案，外壳体1的底壁上固接有放置底座20，放置底座20内开设有空腔21，空腔21的底壁上固接有伸缩杆22，伸缩杆22的伸缩端穿入外壳体1内且固接有托板23，托板23与圆形底板19的底面抵接。伸缩杆22的设置是为了方便工作人员取出模拟试件2。当伸缩杆22收缩到最短位置时，托板23的底面与外壳体1的底壁抵接。

进一步优化方案，上加压组件包括上加压柱24，上加压柱24位于模拟试件2的顶端，上加压柱24之间设置有加压板25。加压板25与第一支撑片5之间留有间隙。加压柱24位于外置加压机(图中未画出)上，外置加压机通过加压柱24对模拟试件2加压。

进一步优化方案，加压板25的侧壁上开设有第一插管孔，加压板25的底面上开设有第二插管孔，第一插管孔与第二插管孔连通，第一插管孔内穿设有高压注水管4，第二插管孔内穿设有伸缩管26，伸缩管26与高压注水管4连通，伸缩管26远离高压注水管4的一端穿入模拟注水井3内，伸缩管26与模拟注水井3之间设置有密封件27。

进一步优化方案，第一支撑片5内开设有加热腔，加热腔内设置有加热层28以及保温层29，加热层28靠近模拟试件2。通过加热层28为模拟试件2加热，进一步模拟干热岩所处的环境。加热层28以及保温层29均采用现有技术，此处不做赘述。

使用时，首先将模拟试件2放入上辅助加压组件与下辅助加压组件内，然后将上辅助加压组件与下辅助加压组件放入外壳体1内，第一支撑片5外侧壁的中间位置正对第一加压件7的加压端，第二支撑片6外侧壁的中间位置正对第二加压件10的加压端，通过第一加压件7以及第二加压件10对模拟试件2施加压力，同时启动外置加压机，加压柱24对模拟试件2施加竖向的压力，通过加热层28加热模拟试件2，打开声发射监测装置对试验全过程进行监测，通过高压注水管4向模拟注水井3中注常温水，直至模拟试件2发生剪切破坏，停止实验，同时停止声发射试验机的监测，将破坏后的试件放置于跨尺寸CT扫描试验机中，反演重构试件各断面裂纹传播及扩展特征。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，其特征在于，包括：外壳体(1)，所述外壳体(1)的外侧壁上固接有第一加压组件与第二加压组件，所述外壳体(1)内设置有上辅助加压组件与下辅助加压组件，所述第一加压组件穿入所述外壳体(1)内与所述上辅助加压组件抵接，所述第二加压组件穿入所述外壳体(1)内与所述下辅助加压组件抵接，所述外壳体(1)内设置有模拟试件(2)，所述模拟试件(2)位于所述上辅助加压组件与所述下辅助加压组件内，所述模拟试件(2)的顶面上开设有模拟注水井(3)，所述模拟注水井(3)连通有高压注水管(4)，所述模拟试件(2)的顶端抵接有上加压组件；

所述上辅助加压组件包括若干第一支撑片(5)，若干所述第一支撑片(5)周向等间隔设置在所述模拟试件(2)的外侧，所述第一支撑片(5)与所述模拟试件(2)的外侧壁抵接；

所述下辅助加压组件包括若干第二支撑片(6)，若干所述第二支撑片(6)周向等间隔设置在所述模拟试件(2)的外侧，所述第二支撑片(6)与所述模拟试件(2)的外侧壁抵接；

所述第一加压组件包括若干第一加压件(7)，若干所述第一加压件(7)周向等间隔设置在所述外壳体(1)的外侧壁上，所述第一加压件(7)与所述第一支撑片(5)一一对应设置，所述第一加压件(7)的加压端伸入所述外壳体(1)内且与所述第一支撑片(5)的外侧壁抵接；

所述第一加压件(7)靠近所述外壳体(1)的一端设有两连接耳(8)，两所述连接耳(8)对称设置且固接在所述第一加压件(7)的外侧壁上，所述连接耳(8)通过螺钉(9)固定安装在所述外壳体(1)的外侧壁上；

所述第二加压组件包括若干第二加压件(10)，若干所述第二加压件(10)周向等间隔设置在所述外壳体(1)的外侧壁上，所述第二加压件(10)与所述第二支撑片(6)一一对应设置，所述第二加压件(10)的加压端伸入所述外壳体(1)内且与所述第二支撑片(6)的外侧壁抵接；

所述第一支撑片(5)设置为弧形，若干所述第一支撑片(5)围成圆形，所述第一支撑片(5)一侧固接有若干第一辅助杆(11)，若干所述第一辅助杆(11)间隔顺序排列，相邻两所述第一辅助杆(11)之间形成第一辅助槽，所述第一支撑片(5)的另一侧固接有若干第二辅助杆(12)，若干所述第二辅助杆(12)间隔顺序排列，相邻两所述第二辅助杆(12)之间形成第二辅助槽，所述第一辅助杆(11)插入所述第二辅助槽内，所述第一辅助杆(11)的端部与所述第二辅助槽的侧壁之间留有间隙，所述第二辅助杆(12)插入所述第一辅助槽内，所述第二辅助杆(12)的端部与所述第一辅助槽的侧壁之间留有间隙，所述第一辅助杆(11)以及所述第二辅助杆(12)上均开设有通槽(13)，位于所述第一辅助杆(11)以及所述第二辅助杆(12)上的所述通槽(13)上下对应设置，所述通槽(13)内穿设有限位钉(14)，所述限位钉(14)的直径小于所述通槽(13)的宽度；

所述第二支撑片(6)设置为弧形，若干所述第二支撑片(6)围成圆形，所述第二支撑片(6)的一侧固接有若干第三辅助杆(15)，若干所述第三辅助杆(15)间隔顺序排列，相邻两所述第三辅助杆(15)之间形成第三辅助槽，所述第二支撑片(6)的另一侧固接有若干第四辅助杆(16)，若干第四辅助杆(16)间隔顺序排列，相邻两第四辅助杆(16)之间形成第四辅助槽，所述第三辅助杆(15)插入所述第四辅助槽内，所述第三辅助杆(15)的端部与所述第四辅助槽内的侧壁之间留有间隙，所述第四辅助杆(16)插入所述第三辅助槽内，所述第四辅助杆(16)的端部与所述第三辅助槽的侧壁之间留有间隙，所述第二支撑片(6)的底端固接有滑块(17)，所述滑块(17)位于所述第二支撑片(6)的中间位置，所述滑块(17)的轴线位于所述第二支撑片(6)的直径上，所述滑块(17)滑动连接在滑槽(18)内，所述滑槽(18)开设在圆形底板(19)的顶面上，所述滑槽(18)的轴线位于所述圆形底板(19)的直径上，若干所述滑槽(18)周向等间隔设置，所述模拟试件(2)与所述圆形底板(19)的顶面抵接。

2.根据权利要求1所述的用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，其特征在于：所述外壳体(1)的底壁上固接有放置底座(20)，所述放置底座(20)内开设有空腔(21)，所述空腔(21)的底壁上固接有伸缩杆(22)，所述伸缩杆(22)的伸缩端穿入所述外壳体(1)内且固接有托板(23)，所述托板(23)与所述圆形底板(19)的底面抵接。

3.根据权利要求1所述的用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，其特征在于：所述上加压组件包括上加压柱(24)，所述上加压柱(24)位于所述模拟试件(2)的顶端，所述上加压柱(24)之间设置有加压板(25)。

4.根据权利要求3所述的用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，其特征在于：所述加压板(25)的侧壁上开设有第一插管孔，所述加压板(25)的底面上开设有第二插管孔，所述第一插管孔与所述第二插管孔连通，所述第一插管孔内穿设有高压注水管(4)，所述第二插管孔内穿设有伸缩管(26)，所述伸缩管(26)与所述高压注水管(4)连通，所述伸缩管(26)远离所述高压注水管(4)的一端穿入所述模拟注水井(3)内，所述伸缩管(26)与所述模拟注水井(3)之间设置有密封件(27)。

5.根据权利要求1所述的用于模拟地热系统干热岩的注水压裂剪切试验系统，其特征在于：所述第一支撑片(5)内开设有加热腔，所述加热腔内设置有加热层(28)以及保温层(29)，所述加热层(28)靠近所述模拟试件(2)。