[發明專利]干熱巖增強型地熱系統的水力壓裂模擬實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 201710916807.3
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107893652A
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 時賢;程遠方;蔣恕;王鵬
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: E21B43/26
• 分類號: E21B43/26;E21B49/00;E21B47/00;E21B47/06
• 代理公司: 東營雙橋專利代理有限責任公司37107
• 代理人: 羅文遠

1.一種干熱巖增強型地熱系統的水力壓裂模擬實驗裝置，其特征是：包括壓力控制系統（1）、高壓壓裂泵（2）、壓裂液注入腔（3）、支撐劑注入腔（4）、混合裝置（5）、樣品水力壓裂腔（6）、多級活塞（7）、水力壓裂腔保溫層（8）、水力壓裂腔加熱層（9）、耐高溫高壓多孔板（12）、液壓伺服控制系統（17）、高壓管線（18）、流量監測表（19）、熱流體儲集設備（23），所述壓力控制系統（1）連接高壓壓裂泵（2），所述的壓裂液注入腔（3）和支撐劑注入腔（4）的一端連接高壓壓裂泵（2），另一端連接混合裝置（5），液體混合后被送入樣品水力壓裂腔（6），所述樣品水力壓裂腔（6）外側設有水力壓裂腔加熱層（9），在水力壓裂腔加熱層（9）外側設有水力壓裂腔保溫層（8）；

所述樣品水力壓裂腔（6）的由耐高溫高壓多孔板（12）組成，在樣品水力壓裂腔（6）的底部和兩個側壁上設有多級活塞（7），并在樣品水力壓裂腔（6）內裝有模擬巖石試件，在樣品水力壓裂腔（6）的頂部設有可插入耐高壓金屬管模擬壓裂井筒的小孔；在樣品水力壓裂腔（6）的頂部和兩側分別通過高壓管線連接液壓伺服控制系統（17），在樣品水力壓裂腔（6）的底部連接熱流體儲集設備（23）。

2.根據權利要求1所述的干熱巖增強型地熱系統的水力壓裂模擬實驗裝置，其特征是：所述的樣品水力壓裂腔（6）內安設有溫度傳感器（10），并通過數據線連接到溫度數據采集系統（11）。

3.根據權利要求1所述的干熱巖增強型地熱系統的水力壓裂模擬實驗裝置，其特征是：所述的液壓伺服控制系統（17）通過液壓控制器（16）和控制閥（13）連接到樣品水力壓裂腔（6）內腔。

4.根據權利要求1所述的干熱巖增強型地熱系統的水力壓裂模擬實驗裝置，其特征是：所述的耐高溫高壓多孔板（12）上均勻分布有多個流體排出小孔（2-2），且在耐高溫高壓多孔板（12）中部設有多個聲發射探頭腔（2-1）。

5.根據權利要求4所述的干熱巖增強型地熱系統的水力壓裂模擬實驗裝置，其特征是：所述的聲發射探頭腔（2-1）的直徑大于流體排出小孔（2-2）的直徑。

6.根據權利要求1所述的干熱巖增強型地熱系統的水力壓裂模擬實驗裝置，其特征是：所述的樣品水力壓裂腔（6）的底部設有八組活塞（3-1）。

7.根據權利要求5所述的干熱巖增強型地熱系統的水力壓裂模擬實驗裝置，其特征是：聲發射探頭（20）通過聲發射探頭腔（2-1）連接到樣品水力壓裂腔（6）內腔，外側連接到聲發射監測系統（21）。

8.根據權利要求1所述的干熱巖增強型地熱系統的水力壓裂模擬實驗裝置，其特征是：溫度監測系統（22）通過數據線連接到樣品水力壓裂腔（6）內腔。

9.根據權利要求1所述的干熱巖增強型地熱系統的水力壓裂模擬實驗裝置，其特征是：樣品水力壓裂腔（6）的外側設有膠套，膠套與耐高溫高壓多孔板（12）之間存有空腔，注入液體實現壓力包裹作用，液壓包逐漸膨脹后對模擬巖石試件施加載荷，且壓裂后流體可以通過耐高溫高壓多孔板（12）上的小孔順著凹槽流入到熱流體儲集設備（23）中。

10.一種如權利要求1-9中任一項所述的干熱巖增強型地熱系統的水力壓裂模擬實驗裝置的使用方法，其特征是包括以下步驟：

(1) 根據實驗要求，選擇不同組分的水泥、石英砂、粘土、水材料，并混合攪拌倒入模具當中，模擬巖石試件在模具內放置72小時后拆模，然后并放入恒溫恒濕箱內養護；

(2) 將模擬巖石試件放入樣品水力壓裂腔（6）內，利用液壓伺服控制系統（17）施加三向應力，首先施加垂向應力，然后利用高壓管線分別連接樣品水力壓裂腔（6），同時在管線上安裝壓力表（14）、控制閥（13）及放空閥（15），模擬地應力狀態；

(3) 通過加熱裝置逐漸增加樣品水力壓裂腔（6）內的溫度，并利用溫度傳感器監測溫度變化，當溫度達到設定溫度時停止，并保持恒溫2小時；

(4) 當樣品水力壓裂腔（6）內達到設計溫度和壓力時，利用鉆孔機鉆入小孔，插入耐高壓金屬管模擬壓裂井筒，并利用密封圈和密封膠進行密封處理；

(5) 配置水基壓裂液，考慮到清水或一般性水基壓裂液易在高溫環境下氣化，水力壓裂實驗中所采用的壓裂液應采用磁化流體或鹽類或者堿類壓裂液，并在高溫高壓條件下測試其實際流變性；

(6) 利用高壓管線連接樣品水力壓裂腔（6）與混合裝置（5），同時連接高壓壓裂泵（2），啟動液壓伺服控制系統（17）和熱流體儲集設備（23）；

(7) 施加孔眼壓力，開始水力壓裂，啟動高壓壓裂泵（2），以恒定速率往樣品水力壓裂腔（6）中泵入模擬壓裂液，逐漸壓裂實驗試樣，同時利用壓力表記錄孔眼壓力大小及變化規律，利用聲發射設備記錄水力裂縫的起裂及擴展動態，熱流體儲集設備（23）采集流出熱流體的實時流量和溫度，在壓力下降穩定后，關閉高壓壓裂泵（2）；

(8) 此時應當繼續保持壓力環境和熱流體儲集設備（23）開啟，并繼續讓熱流體流出，當熱流體實時溫度或者流量低于設定界限后，認為整個干熱巖水力壓裂模擬結束，此時再依次關閉控制閥（13），打開放空閥并卸載圍壓；然后依次關閉聲發射設備、壓力表；

(9) 取出實驗試樣，觀察拍照記錄裂縫最終形態，并對壓后巖樣鉆取標準巖芯，并切割薄片，通過掃描電鏡對裂縫表面進行微觀分析，分析水力壓裂裂縫和熱應力產生的裂縫。