[發(fā)明專利]一種模擬復雜載荷條件下的地熱開采試驗方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010025869.7
• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111220523B
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 龔鵬;馬占國;靖洪文;李海峰;倪亮;方慶生;陳永珩;成世興;劉飛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N3/38;G01N3/12;G01N3/02
• 代理公司: 北京淮海知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 32205
• 代理人: 楊曉亭

1.一種模擬復雜載荷條件下的地熱開采試驗方法，所使用的破碎巖體多場耦合試驗系統(tǒng)包括整體式框架(1)、壓力室部分、壓力加載控制部分、滲透液體供給控制部分、原位擾動激勵控制部分、試樣內(nèi)部檢測部分和集中電控部分；

所述的壓力加載控制部分固定設(shè)置在整體式框架(1)的內(nèi)底部，包括液壓泵站(2)和加載液壓缸(3)，加載液壓缸(3)豎直固定設(shè)置在整體式框架(1)上、且加載液壓缸(3)的伸縮端豎直向上頂出設(shè)置，加載液壓缸(3)通過液壓管路和控制閥組與液壓泵站(2)連接；

所述的壓力室部分包括設(shè)置在整體式框架(1)內(nèi)部的壓力室(38)，壓力室(38)包括壓力室底座(4)、夾層筒壁(9)和壓力室頂壓頭(14)；壓力室底座(4)通過壓力室底座定位安裝部件同軸可拆卸定位安裝在加載液壓缸(3)的伸縮端頂端，壓力室底座(4)內(nèi)部設(shè)有貫穿壓力室底座(4)設(shè)置的滲液出口通道(5)，滲液出口通道(5)的入口端與壓力室底座(4)的頂平面貫通，滲液出口通道(5)的出口端通過出口滲液流量傳感器連接滲液處理裝置(6)，夾層筒壁(9)的底部同軸密閉固定設(shè)置在壓力室底座(4)上，夾層筒壁(9)與壓力室底座(4)共同圍成桶型結(jié)構(gòu)，夾層筒壁(9)內(nèi)部沿其徑向方向自內(nèi)向外依次設(shè)有剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)、環(huán)形巖筒夾層(9-2)、環(huán)形供熱夾層(9-4)和剛性絕熱外筒壁，剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)上設(shè)有筒壁側(cè)壓力動態(tài)傳感器和內(nèi)筒壁溫度傳感器，環(huán)形巖筒試樣(9-5)通過環(huán)形巖筒夾層蓋(9-6)配合安裝在環(huán)形巖筒夾層(9-2)內(nèi)、且環(huán)形巖筒試樣(9-5)的上下兩端均設(shè)有隔熱墊圈(9-7)，環(huán)形供熱夾層(9-4)內(nèi)部設(shè)有供熱夾層溫度傳感器(12)和自下而上均布設(shè)置的電加熱絲；剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)的內(nèi)腔底部設(shè)有外徑尺寸與剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)的內(nèi)徑尺寸配合的下透水板(11)，且下透水板(11)上均布設(shè)有多個與滲液出口通道(5)連通設(shè)置的透水通孔；壓力室頂壓頭(14)同軸設(shè)置在夾層筒壁(9)的頂部、且壓力室頂壓頭(14)底部的外徑尺寸與剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)的內(nèi)徑尺寸配合，壓力室頂壓頭(14)上設(shè)有貫穿壓力室頂壓頭(14)的液體入孔(15)、且液體入孔(15)的孔口位置設(shè)有孔口注液溫度壓力流量傳感器(25)，壓力室頂壓頭(14)的底端設(shè)有外徑尺寸與剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)的內(nèi)徑尺寸配合的上透水板(10)、且上透水板(10)上均布設(shè)有多個與液體入孔(15)連通設(shè)置的透水通孔，壓力室頂壓頭(14)的頂端的對稱中心位置設(shè)有凹形球面結(jié)構(gòu)、且壓力室頂壓頭(14)的頂部設(shè)有直流勵磁線圈(17)；滲液處理裝置(6)包括固液分離機構(gòu)，固液分離機構(gòu)上設(shè)有用于稱量排出的試樣巖粒的電子稱；

所述的滲透液體供給控制部分包括滲流液泵送裝置(30)和與滲流液泵送裝置(30)電連接的滲流泵送電控裝置(32)，滲流液泵送裝置(30)的輸入端通過管路與滲流液供給箱(29)連接，滲流液泵送裝置(30)的輸出端通過管路與入口液體加熱裝置(40)的輸入端連接，入口液體加熱裝置(40)的輸出端通過入口液體溫度調(diào)控裝置(41)和管路與液體入孔(15)連通連接；

所述的原位擾動激勵控制部分包括擾動信號執(zhí)行裝置和擾動信號激勵電控裝置(35)；擾動信號執(zhí)行裝置包括定位壓頭(21)，定位壓頭(21)對應壓力室頂壓頭(14)的位置豎直安裝在整體式框架(1)上、且定位壓頭(21)上設(shè)有定位壓頭升降結(jié)構(gòu)，定位壓頭(21)的底端是配合壓力室頂壓頭(14)頂端的凹形球面結(jié)構(gòu)設(shè)置的凸形球面結(jié)構(gòu)，定位壓頭(21)上設(shè)有交流勵磁線圈(20)，定位壓頭(21)或壓力室頂壓頭(14)上還設(shè)有原位擾動動態(tài)壓力傳感器(19)；擾動信號激勵電控裝置(35)包括可控交流激勵模塊(34)和直流供電模塊(33)，可控交流激勵模塊(34)與交流勵磁線圈(20)電連接，直流供電模塊(33)與直流勵磁線圈(17)電連接；

所述的試樣內(nèi)部檢測部分包括設(shè)置在壓力室部分桶型結(jié)構(gòu)內(nèi)的多個非接觸式動態(tài)固液分離傳感裝置(27)和設(shè)置在剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)上的磁場定位部件(42)；非接觸式動態(tài)固液分離傳感裝置(27)包括圍成方形立體框架結(jié)構(gòu)的支撐固定骨架(27-1)和包裹設(shè)置于支撐固定骨架(27-1)上的固液分離剛性隔離網(wǎng)(27-2)，以方形立體框架結(jié)構(gòu)空間對置的兩個頂點為基準點，方形立體框架結(jié)構(gòu)被劃分為分別以頂點為中心、具有空間相鄰三個面的第一部分和第二部分兩個部分，第一部分的支撐固定骨架(27-1)是剛性支撐固定骨架，剛性支撐固定骨架的內(nèi)表面上固定設(shè)有電子陀螺儀(27-3)、試樣水壓傳感器(27-4)、試樣溫度傳感器(27-5)、空間電磁定位傳感器(27-6)、數(shù)據(jù)同步集成處理電控機構(gòu)(27-7)，且空間電磁定位傳感器(27-6)定位設(shè)置在方形立體框架結(jié)構(gòu)的空間幾何中心位置，數(shù)據(jù)同步集成處理電控機構(gòu)(27-7)包括傳感控制器、電源回路，傳感控制器分別與電子陀螺儀(27-3)、試樣水壓傳感器(27-4)、試樣溫度傳感器(27-5)、空間電磁定位傳感器(27-6)電連接，第二部分的支撐固定骨架(27-1)是彈性支撐固定骨架，彈性支撐固定骨架位于空間相鄰三個面的外表面上分別設(shè)有空間三向應力傳感器(27-8)、且彈性支撐固定骨架的內(nèi)表面上固定設(shè)有分別與三向應力傳感器(27-8)電連接的應力測試解調(diào)器(27-9)，應力測試解調(diào)器(27-9)與數(shù)據(jù)同步集成處理電控機構(gòu)(27-7)的傳感控制器電連接，相鄰的剛性支撐固定骨架與彈性支撐固定骨架固定安裝連接形成整體方形立體框架結(jié)構(gòu)；磁場定位部件(42)包括固定設(shè)置于剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)頂端平面內(nèi)的上磁場定位部件和固定設(shè)置于剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)底端平面內(nèi)的下磁場定位部件，上磁場定位部件和下磁場定位部件分別設(shè)置為沿剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)徑向方向布置的兩件，兩件上磁場定位部件的連線與兩件下磁場定位部件的連線空間垂直設(shè)置；

所述的集中電控部分包括計算機(36)、數(shù)據(jù)采集模塊(28)、壓力加載控制回路、溫度控制回路、注液控制回路、原位擾動激勵控制回路、試樣內(nèi)部檢測控制回路、數(shù)據(jù)分析計算回路，計算機(36)分別與液壓泵站(2)、滲流泵送電控裝置(32)、入口液體溫度調(diào)控裝置(41)、擾動信號激勵電控裝置(35)、數(shù)據(jù)采集模塊(28)、磁場定位部件(42)和環(huán)形供熱夾層(9-4)的電加熱絲電連接，數(shù)據(jù)采集模塊(28)分別與孔口注液溫度壓力流量傳感器(25)、出口滲液流量傳感器、筒壁側(cè)壓力動態(tài)傳感器、內(nèi)筒壁溫度傳感器、供熱夾層溫度傳感器(12)、原位擾動動態(tài)壓力傳感器(19)、數(shù)據(jù)同步集成處理電控機構(gòu)(27-7)、滲液處理裝置(6)的電子稱電連接；

其特征在于，具體試驗方法包括以下步驟：

a.試驗準備：將夾層筒壁(9)與壓力室底座(4)固定安裝形成桶型結(jié)構(gòu)的壓力室(38)，將環(huán)形巖筒試樣(9-5)通過隔熱墊圈(9-7)安裝在環(huán)形巖筒夾層(9-2)內(nèi)后加裝環(huán)形巖筒夾層蓋(9-6)，然后將破碎巖體試樣和多個非接觸式動態(tài)固液分離傳感裝置(27)置入壓力室(38)內(nèi)、并使多個非接觸式動態(tài)固液分離傳感裝置(27)均布設(shè)置在破碎巖體試樣內(nèi)，然后加裝壓力室頂壓頭(14)，調(diào)整定位壓頭(21)上的升降結(jié)構(gòu)使定位壓頭(21)上移讓位后，將壓力室(38)整體吊裝或通過平移輸送機送入整體式框架(1)內(nèi)，并通過加載液壓缸(3)伸縮端頂面上的定位結(jié)構(gòu)和壓力室底座定位安裝部件將壓力室底座(4)同軸定位安裝在加載液壓缸(3)的伸縮端頂端，再次調(diào)整定位壓頭(21)上的升降結(jié)構(gòu)使定位壓頭(21)下降并與貼近壓力室頂壓頭(14)后連接水路管路和電氣管路；

b.試驗過程：計算機(36)通過壓力加載控制回路控制液壓泵站(2)工作使加載液壓缸(3)頂升對壓力室(38)內(nèi)的破碎巖體試樣輸入壓力載荷，同時計算機(36)通過注液控制回路控制滲流泵送電控裝置(32)工作使?jié)B流液經(jīng)入口液體加熱裝置(40)、入口液體溫度調(diào)控裝置(41)加熱后進入液體入孔(15)，計算機(36)通過試樣內(nèi)部檢測控制回路控制各個非接觸式動態(tài)固液分離傳感裝置(27)同時工作；各個數(shù)據(jù)同步集成處理電控機構(gòu)(27-7)按照相同的設(shè)定時間周期通過空間電磁定位傳感器(27-6)和電子陀螺儀(27-3)同步向數(shù)據(jù)采集模塊(28)反饋各個非接觸式動態(tài)固液分離傳感裝置(27)位于壓力室(38)內(nèi)的具體三維坐標位置數(shù)據(jù)及空間角度姿態(tài)數(shù)據(jù)，計算機(36)根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊(28)采集的各個非接觸式動態(tài)固液分離傳感裝置(27)的具體三維坐標位置數(shù)據(jù)及空間角度姿態(tài)數(shù)據(jù)和內(nèi)置程序計算并建立試樣內(nèi)部測試點動態(tài)分布模型；各個數(shù)據(jù)同步集成處理電控機構(gòu)(27-7)按照相同的設(shè)定時間周期向數(shù)據(jù)采集模塊(28)反饋非接觸式動態(tài)固液分離傳感裝置(27)承受的來自破碎巖體試樣的三向土壓數(shù)據(jù)、來自壓力室(38)內(nèi)的滲流液的水溫數(shù)據(jù)及水壓數(shù)據(jù)，計算機(36)根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊(28)采集的三向土壓數(shù)據(jù)和電子陀螺儀(27-3)反饋的空間角度姿態(tài)數(shù)據(jù)、應力測試解調(diào)器(27-9)反饋的應力數(shù)據(jù)分析獲得三向土壓數(shù)據(jù)的具體空間方向和對應的應力數(shù)據(jù)、并通過差值法計算得到任意方向的應力場數(shù)據(jù)，然后在試樣內(nèi)部測試點動態(tài)分布模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建破碎巖體試樣內(nèi)部應力模型，計算機(36)根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊(28)采集的滲流液的水溫數(shù)據(jù)及水壓數(shù)據(jù)和內(nèi)置程序計算獲得溫度場數(shù)據(jù)、水壓力梯度分布數(shù)據(jù)，并在試樣內(nèi)部測試點動態(tài)分布模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建破碎巖體試樣內(nèi)部溫度模型、破碎巖體試樣內(nèi)部滲透水水壓梯度分布模型；原位擾動動態(tài)壓力傳感器(19)實時向數(shù)據(jù)采集模塊(28)反饋壓力室頂壓頭(14)承受的壓力數(shù)據(jù)，孔口注液溫度壓力流量傳感器(25)實時向數(shù)據(jù)采集模塊(28)反饋注入的滲流液初始壓力數(shù)據(jù)，出口滲液流量傳感器實時向數(shù)據(jù)采集模塊(28)反饋排出的滲流液壓力數(shù)據(jù)，筒壁側(cè)壓力動態(tài)傳感器實時向數(shù)據(jù)采集模塊(28)反饋剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)對破碎巖體試樣的圍壓數(shù)據(jù)，內(nèi)筒壁溫度傳感器實時向數(shù)據(jù)采集模塊(28)反饋剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)的溫度數(shù)據(jù)，滲液處理裝置(6)的電子稱向數(shù)據(jù)采集模塊(28)反饋滲漏排出的巖粒的質(zhì)量數(shù)據(jù)，計算機(36)分別對數(shù)據(jù)采集模塊(28)采集的壓力室頂壓頭(14)承受的壓力數(shù)據(jù)、注入的滲流液初始壓力數(shù)據(jù)、排出的滲流液壓力數(shù)據(jù)、剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)的圍壓數(shù)據(jù)、剛性導熱內(nèi)筒壁(9-1)的溫度數(shù)據(jù)、排出的巖粒質(zhì)量數(shù)據(jù)進行誤差分析計算和均值輸出；

進行靜載試驗時，計算機(36)控制加載液壓缸(3)輸出穩(wěn)定的額定靜載荷，模擬破碎巖體承受長時穩(wěn)定載荷的情況；

進行靜載+預設(shè)動載荷試驗時，在計算機(36)中設(shè)定靜載荷大小、加載速度、動載荷的形式、周期、振幅、峰值大小、循環(huán)次數(shù)、疊加方式特征數(shù)據(jù)，然后計算機(36)控制加載液壓缸(3)輸出穩(wěn)定的額定靜載荷的同時，計算機(36)通過原位擾動激勵控制回路控制擾動信號激勵電控裝置(35)工作使直流勵磁線圈(17)和交流勵磁線圈(20)產(chǎn)生磁通，定位壓頭(21)和壓力室頂壓頭(14)之間產(chǎn)生電磁力使定位壓頭(21)和壓力室頂壓頭(14)發(fā)生相對激振實現(xiàn)靜載擾動，模擬破碎巖體在承受長時穩(wěn)定載荷的同時承受預設(shè)形式的周期性擾動載荷、沖擊載荷疊加作用的情況；

進行靜載+原位擾動載荷或修改后的原位擾動載荷試驗時，在計算機(36)中設(shè)定靜載荷大小、加載速度，然后將現(xiàn)場測到的原位擾動信號導入計算機(36)中，然后在計算機(36)中設(shè)定原位擾動的介入條件，或者先對原位擾動信號進行人為修改、再設(shè)定修改后的原位擾動介入條件；然后計算機(36)控制加載液壓缸(3)輸出穩(wěn)定的額定靜載荷的同時，計算機(36)監(jiān)控靜載加載狀態(tài)，當靜載加載條件達到設(shè)定的原位擾動介入條件時，計算機(36)通過原位擾動激勵控制回路控制擾動信號激勵電控裝置(35)工作使直流勵磁線圈(17)和交流勵磁線圈(20)產(chǎn)生磁通，定位壓頭(21)和壓力室頂壓頭(14)之間產(chǎn)生電磁力使定位壓頭(21)和壓力室頂壓頭(14)發(fā)生相對激振實現(xiàn)原位擾動或修改后的原位擾動，模擬破碎巖體在承受靜載荷的同時承受原位擾動載荷或修改后的原位擾動載荷的情況。