水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统与实验方法

1.本发明涉及干热岩地热开发技术领域，特别是涉及水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统与实验方法。


背景技术：

2.增强型地热系统的英文名称为enhanced geothermal system(egs)，是利用工程技术人为地在地下高温岩体内建造裂缝网或者改善原有裂缝网，所建造的或者所改善的裂缝网下刺具有足够的渗透率，其岩石体积和裂缝表面积足够大，使从地表注入的冷水流经裂缝网返回地表后其温度升高，利用闪蒸或双循环发电或供热。因此，egs既包括了工程建造的地下热储，同时还包括利用工程技术改善或提高了岩石渗透率的岩石地下热储。现有的egs针对的都是浅部地热开采，一般都是通过酸腐蚀出通道在通过支撑剂进行支撑；但是深部的地层为花岗岩，硬度高，酸无法腐蚀出通道，已有的裂隙的隙宽大于支撑剂的直径，支撑效果不好，同时由于深部地应力巨大，容易导致支撑剂压碎。
3.深部的地热开采一般采用水力压裂构成裂隙网络，形成水流通道，并通过水力带动花岗岩地层滑移形成支撑，防止裂隙通道在巨大的地应力作用下产生闭合；但是目前的水力剪切滑移模拟实验采用的是恒定载荷边界条件，与实际地层的恒定刚度边界不符，模拟出的实验数据不具有代表性，因此亟需一种水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统与实验方法来进行恒定刚度边界条件下的模拟，获得更加具有代表性的模拟数据，为深部干热岩地热开发提供数据支持。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统与实验方法，以解决上述现有技术存在的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统与实验方法，包括
6.实验部，所述实验部用于对试件进行模拟实验；所述实验部包括框架，所述框架上固接有实验组件，所述实验组件内的顶端设置有施压组件，所述施压组件与所述框架固定安装；所述试件安装在所述实验组件内；
7.水循环部，所述水循环部用于模拟实验中进行水循环模拟水力剪切；所述水循环部包括进水组件和回水组件；所述进水组件和所述回水组件均与所述实验组件连通；
8.控制部，所述控制部用于自动控制实验的进行；所述控制部分别与所述实验部和所述水循环部电性连接。
9.优选的，所述实验部包括固定在所述框架上的底板，所述底板顶面抵接有围压室，所述试件安装在所述围压室内，所述试件的顶面抵接有与所述围压室内腔相适配的压头，所述压头的顶面与所述施压组件固接；所述压头与所述回水组件连通，所述底板与所述进水组件连通。
10.优选的，所述控制部包括电性连接的控制面板和监测组件；所述监测组件安装在所述围压室上，所述监测组件的探测头与所述试件抵接，用于检测所述试件的位移；所述控制面板分别与所述实验部和所述水循环部电性连接。
11.水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验方法，包括以下实验步骤：
12.制作试件，并记录试件数据；
13.安装试件；
14.实验系统连接；
15.进行实验；
16.实时记录实验数据。
17.优选的，所述制作试件步骤中，所述试件的斜面与垂直轴的夹角为θ。
18.优选的，所述安装试件步骤中，所述试件的侧壁套设有橡胶套；所述监测组件用于检测所述试件的径向位移δz和轴向位移δx。
19.优选的，所述进行实验步骤中，通过所述围压室对所述试件施加围压σ3，所述压头对所述试件施加轴压σ1，所述进水组件的进水压力为p0,所述回水组件的回水压力为p1。
20.优选的，所述进行实验步骤中，所述围压σ3和所述轴压σ1实时更新迭代，达成恒定边界刚度条件。
21.优选的，所述进行实验步骤中，初始剪切应力τ为巅峰剪切应力的0.9-0.95倍。
22.优选的，所述进行实验步骤中，先对试件施加所述围压σ3和所述轴压σ1，然后逐步增加所述进水压力为p0,所述回水压力为p1，所述围压σ3和所述轴压σ1随之变化，保证边界刚度kn恒定。
23.本发明公开了以下技术效果：本发明公开了水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统与实验方法通过实验系统对试件进行水力剪切模拟试验，模拟深部地层下花岗岩水力压裂后进行水力剪切的过程，使被压力的花岗岩发生滑移，裂隙面相互支撑，防止裂隙被高压闭合；通过模拟深部地层下的实际情况，探究水力剪切滑移发生的条件和发生的规律，为实际的水力剪切滑移提供方便深部地热的开采使用提供数据支撑，为egs系统的利用提供更进一步的数据基础；本发明的试验方法采用的恒定刚度边界条件，与现有的恒定载荷边界条件相比，本发明的试验方法更能模拟深部地层下的地质环境，获得的数据更准确，更具有实用意义，为深部地层的地热开采提供理论支撑。本发明实验装置结构简单、实验方法新颖，能真实的模拟深度地层下的恒定刚度边界条件，模拟岩层水利剪切滑移的发生，探究滑移发生的规律和条件，为深部地热水力压裂和滑移提供理论支撑，加快地热开发的进步。
附图说明
24.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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明试验系统图；
26.图2为本发明试验部结构示意图；
27.图3为本发明实验组件结构示意图；
28.图4为图3中a的局部放大图；
29.图5为本发明试验方法中试件的受力图；
30.图6为本发明中试验数据线条图；
31.其中，1、试件；2、框架；3、实验组件；4、施压组件；5、进水组件；6、回水组件；7、控制面板；8、监测组件；9、橡胶套；11、第一模块；12、第二模块；13、滑移面；14、第一水孔；15、第二水孔；31、底板；32、围压室；33、压头；34、第一多孔板；35、第二多孔板；51、进水箱；52、进水泵；53、进水阀；61、回水箱；62、回水泵；63、回水阀。
具体实施方式
32.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。
33.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。
34.参照图1-6，本发明提供水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统与实验方法，包括
35.实验部，实验部用于对试件1进行模拟实验；实验部包括框架2，框架2上固接有实验组件3，实验组件3内的顶端设置有施压组件4，施压组件4与框架2固定安装；试件1安装在实验组件3内；
36.水循环部，水循环部用于模拟实验中进行水循环模拟水力剪切；水循环部包括进水组件5和回水组件6；进水组件5和回水组件6均与实验组件3连通；
37.控制部，控制部用于自动控制实验的进行；控制部分别与实验部和水循环部电性连接。
38.本发明通过实验部模拟地层环境、水循环部提供水利剪切的水循环、控制部控制实验的进行，深度模拟深部地层下花岗岩水力压裂后进行水力剪切的过程，使被压的花岗岩发生滑移，裂隙面相互支撑，防止裂隙被高压闭合；通过模拟深部地层下的实际情况，探究水力剪切滑移发生的条件和发生的规律，为实际的水力剪切滑移提供方便深部地热的开采使用提供数据支撑，为egs系统的利用提供更进一步的数据基础；本发明的试验方法采用的恒定刚度边界条件，与现有的恒定载荷边界条件相比，本发明的试验方法更能模拟深部地层下的地质环境，获得的数据更准确，更具有实用意义，为深部地层的地热开采提供理论支撑。
39.进一步的，试件1包括上下拼合的第一模块11和第二模块12，第一模块11和第二模块12之间的拼合面构成滑移面13；第一模块11的顶端纵向开设有第一水孔14，第一水孔14连通滑移面13；第二模块12的底面纵向开设有第二水孔15，第二水孔15连通滑移面13；实验时，刺激滑移的水流从第二孔进入试件1，沿滑移面13升高再从第一孔流出，在水压的带动下第一模块11和第二模块12沿滑移面13产生滑移；滑移面13为粗糙接触面。
40.进一步优化方案，实验部包括固定在框架2上的底板31，底板31顶面抵接有围压室32，试件1安装在围压室32内，试件1的顶面抵接有与围压室32内腔相适配的压头33，压头33
的顶面与施压组件4固接；压头33与回水组件6连通，底板31与进水组件5连通。实验时，水以特定的压力从进水组件5压入试件1内，并从回水组件6回收。
41.进一步的，进水组件5包括进水箱51，进水箱51通过管道连通底板31的进水孔，管道上设置有进水阀53和进水泵52来控制进水的开关和进水压力，模拟水力剪切中的供水；其中进水阀53为电磁阀，进水泵52具有压力调剂功能，进水阀53和进水泵52与控制面板7电性连接，通过控制面板7控制进水组件5的进水时机和进水压力，此为现有技术，不再进行时赘述。
42.进一步的，回水组件6包括通过管道与压头33的出水孔连通的回水箱61，管道上连通有回水阀63和回水泵62，用于回收水利剪切实验的供水，同时检测回水压力；其中回水阀63和回水泵62均与控制面板7电性连接，且为现有技术，此处不再进行赘述。
43.进一步的，试件1的上下两端分别底板31顶面和压头33底面之间设置有第二多孔板35，底板的进水孔与第二多孔板35连通，水通过第二多孔板35的通孔进入试件1的第二水孔15，沿滑移面13升高，最终从第一水孔14流出，经过上方的第二多孔板35进入压头33内的出水孔，完成水循环；第二多孔板35用于将压头33的施加的压力进行进行均匀分布，使压头33的压力均匀的作用在试件1的顶端。
44.进一步的，试件1的侧壁设置有第一多孔板34，监测组件8的探头固定在第一多孔板34上，用于检测试件1发生滑移时的位移量。
45.进一步优化方案，控制部包括电性连接的控制面板7和监测组件8；监测组件8安装在围压室32上，其探测头与试件1抵接，用于检测试件1的位移；控制面板7分别与实验部和水循环部电性连接。
46.进一步的，监测组件8优选线性可变差动变压器，可根据试件1的位移量进行线性变压，灵敏度高，实用方便；线性可变差动变压器为现有技术，此处不再进行赘述。
47.水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验方法，包括以下实验步骤：
48.制作试件1，并记录试件1数据；根据待模拟地层的地质条件制作试件1，由于深部地层的构成为性质稳定的花岗岩，因此本实施例中试件1由花岗岩制作；将花岗岩切割成适配试验部的圆柱体，在圆柱体的侧壁斜向分割成第一模块11和第二模块12，二者的分隔线构成具有一定粗糙度的滑移面13；在第一模块11和第二模块12上分别转出垂向的第一水孔14和第二水孔15连通二者贴合面构成的滑移面13；记录试件1的外形尺寸和滑移面13与垂直方向的夹角记录为θ。
49.安装试件1；第一水孔14和第二水孔15的通透性，保证连通滑移面13顺畅，然后在试件1的外围套上一层橡胶套9，防止试件1内的水压外泄，也防止围压室32的液压油渗入试件1内影响实验结果，最后在橡胶套9外安装第一多孔板34并将监测组件8按照要求安装在多孔板上，最后将试件1竖直摆放在围压室32内的底板31上，底板31与试件1之间铺设有第二多孔板35；再在实践的顶端安装一层多孔安，将压头33压在实践的顶面，完成试件1的安装。
50.实验系统连接；将进水组件5的水管与底板31的进水孔连通，回水组件6的水管与压头33的出水孔连通，并将进水泵52、进水阀53、回水泵62和回水阀63分贝与控制面板7电性连接；在围压室32内填充液压油，液压油对试件1产生围压，液压油的压力记录为σ3，施压组件4通过压头33对试件1施加向下的轴压σ1，观察控制面板7上试件1的剪切应力曲线，使
实验的剪切应力τ为巅峰剪切应力的0.9-0.95倍，优选为0.92倍，并保持恒定，并记录此时的围压σ3和轴压σ1，其中
51.σn′
＝(σ
3-p
p
)+(σ
1-σ3)sin2θ
52.τ＝(σ
1-σ3)sinθcosθ
①
53.其中，τ为试件1的剪切应力，σ
n’为试件1的法向应力；θ为滑移面13与竖直方向的夹角；σ1为压头33对试件1施加的轴压；σ3为围压室32对试件1施加的围压。
54.进行实验；开始试验，用控制面板7控制控制进水泵52和进水阀53、回水泵62和回水阀63开启，进水箱51内的水从底板31的进水孔泵入试件1，水沿滑移面13上升最后由回水泵62从压头33的出水孔流出，记录底板31进水孔的水压为p0，压头33出水孔的水压为p1，则实验中的水力为：
[0055][0056]
其中，p
p
为实验记录水压，p0为进水水压，p1为出水水压。
[0057]
通过控制面板7控制进水泵52和回水泵62，改变进水水压p0和回水水压p1，使实验水压p
p
按照设定的增幅升高，没升高一次，稳定5min-10min，通过监测组件8记录试件1的第一模块11在滑移面13的径向位移δz和轴向位移δx，根据公式计算：
[0058]
dn＝δzsinθ-δxcosθ
[0059]
ds＝δzcosθ+δxsinθ
③
[0060]
其中，dn为试件1的法向位移，ds为试件1的剪切位移；δz为试件1的径向位移，δx为试件1的轴向位移，θ为滑移面13与竖直方向的夹角；
[0061]
根据恒定刚度边界条件公式：
[0062]
σ
n’(t+δt)＝σ
n’(t)+kn·dn
④
[0063]
其中，σ
n’为试件1的法向应力，kn为法向刚度，σ
n’(t+δt)为下一时间的法向应力，σ
n’(t)为本时间的法向应力，dn为试件1的法向位移；kn的值根据待模拟的实际地层条件赋值。
[0064]
将公式
③
代入
④
计算σ
n’，再代入公式
①
，可计算σ1和σ3，从而实现恒定法向刚度边界条件。将公式
①
变形可以获得公式
⑤
，
[0065]
σn′
＝σ1sin2θ+(1-sin2θ)σ
3-p
p
[0066]
τ＝σ1sinθcosθ-σ3sinθcosθ
⑤
[0067]
计算可的，
[0068][0069]
和
[0070][0071]
和并公示
⑥
和
⑦
可得，
[0072]
[σn′
+p
p-(1-sin2θ)σ3]sinθcosθ＝(τ+σ3sinθcosθ)sin2θ
⑧
[0073]
由公式
⑧
可计算的到σ3，并将σ3的数值代入公式
⑥
即可计算获得σ1的数值。
[0074]
根据计算的达到的σ1和σ3的数值，通过控制面板7的数控编程，当p
p
升高一次后，σ1和σ3的数值进行相应的迭代变化，使法向刚度kn保持不变；其中控制面板7的数控编程控制计算σ1和σ3的数值并进行调整的算法为工业生产和试验中常用的。
[0075]
实时记录实验数据。记录每阶段的输入数据，包括通过围压室32对试件1施加围压σ3，压头33对试件1施加轴压σ1，进水组件5的进水压力为p0，回水组件6的回水压力为p1，并观察和拍摄试件1滑移的全部过程。
[0076]
本发明实验装置结构简单、实验方法新颖，能真实的模拟深度地层下的恒定刚度边界条件，模拟岩层水利剪切滑移的发生，探究滑移发生的规律和条件，为深部地热水力压裂和滑移提供理论支撑，加快地热开发的进步。
[0077]
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。
[0078]
以上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。

技术特征：
1.水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统，其特征在于：包括实验部，所述实验部用于对试件(1)进行模拟实验；所述实验部包括框架(2)，所述框架(2)上固接有实验组件(3)，所述实验组件(3)的顶端设置有施压组件(4)，所述施压组件(4)与所述框架(2)固定安装；所述试件(1)安装在所述实验组件(3)内；水循环部，所述水循环部用于模拟实验中进行水循环模拟水力剪切；所述水循环部包括进水组件(5)和回水组件(6)；所述进水组件(5)和所述回水组件(6)均与所述实验组件(3)连通；控制部，所述控制部用于自动控制实验的进行；所述控制部分别与所述实验部和所述水循环部电性连接。2.根据权利要求1所述的水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统，其特征在于：所述实验部包括固定在所述框架(2)上的底板(31)，所述底板(31)顶面抵接有围压室(32)，所述试件(1)安装在所述围压室(32)内，所述试件(1)的顶面抵接有与所述围压室(32)内腔相适配的压头(33)，所述压头(33)的顶面与所述施压组件(4)固接；所述压头(33)与所述回水组件(6)连通，所述底板(31)与所述进水组件(5)连通。3.根据权利要求2所述的水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统，其特征在于：所述控制部包括电性连接的控制面板(7)和监测组件(8)；所述监测组件(8)安装在所述围压室(32)上，所述监测组件(8)的探测头与所述试件(1)抵接，用于检测所述试件(1)的位移；所述控制面板(7)分别与所述实验部和所述水循环部电性连接。4.水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验方法，根据权利要求1-3任意一项所述的水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统，其特征在于，包括以下实验步骤：制作试件(1)，并记录试件(1)数据；安装试件(1)；实验系统连接；进行实验；实时记录实验数据。5.根据权利要求4所述的水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验方法，其特征在于：所述制作试件(1)步骤中，所述试件(1)的斜面与垂直轴的夹角为θ。6.根据权利要求4所述的水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验方法，其特征在于：所述安装试件(1)步骤中，所述试件(1)的侧壁套设有橡胶套；所述监测组件(8)用于检测所述试件(1)的径向位移δz和轴向位移δx。7.根据权利要求4所述的水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验方法，其特征在于：所述进行实验步骤中，通过所述围压室(32)对所述试件(1)施加围压σ
3，
所述压头(33)对所述试件(1)施加轴压σ1，所述进水组件(5)的进水压力为p0,所述回水组件(6)的回水压力为p1。8.根据权利要求7所述的水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验方法，其特征在于：所述进行实验步骤中，所述围压σ3和所述轴压σ1实时更新迭代，达成恒定边界刚度条件。9.根据权利要求8所述的水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验方法，其特征在于：所述进行实验步骤中，初始剪切应力τ为巅峰剪切应力的0.9-0.95倍。10.根据权利要求9所述的水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验方法，其特征在于：所述进行实验步骤中，先对试件(1)施加所述围压σ3和所述轴压σ1，然后逐步增加所述进水
压力为p0,所述回水压力为p1，所述围压σ3和所述轴压σ1随之变化，保证边界刚度k
n
恒定。

技术总结
本发明公开水力剪切刺激干热岩储层增透模拟实验系统与实验方法，包括实验部、水循环部和控制部；实验部用于对试件进行模拟实验，包括框架，框架上固接有实验组件和施压组件，施压组件与框架固定安装；试件安装在实验组件内；水循环部用于模拟实验中进行水循环模拟水力剪切；水循环部包括进水组件和回水组件；进水组件和回水组件均与实验组件连通；控制部用于自动控制实验的进行；控制部分别与实验部和水循环部电性连接。本发明实验装置结构简单、实验方法新颖，能真实地模拟深部地层下的恒定刚度边界条件，模拟岩层水力剪切滑移的发生，探究滑移发生的规律和条件，为深部地热储层增透提供理论支撑，加快地热大规模商业开采的进程。程。程。


技术研发人员：刘日成 蔚立元 李树忱 朱欣杰 程舍予 张晶 王晓琳 胡明慧
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8