[發明專利]一種上向鉆孔低溫流體致裂的模擬實驗系統及方法

有效

• 申請號: 202010721046.8
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN112033811B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 翟成;叢鈺洲;鄭仰峰;徐吉釗;孫勇;唐偉;李宇杰;周震
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N29/14;G01K7/02
• 代理公司: 北京淮海知識產權代理事務所(普通合伙) 32205
• 代理人: 張旭

1.一種上向鉆孔低溫流體致裂的模擬實驗系統的使用方法，其特征在于，采用的模擬實驗系統包括真三軸加載裝置、試驗臺、數據監測裝置和冰脹致裂模擬裝置，

所述試驗臺包括支撐平板和底座，支撐平板處于底座正上方、且支撐平板與底座之間通過多個圓柱固定連接；

所述真三軸加載裝置包括液壓控制箱、液壓控制器、壓力表、液壓加載缸、加載板和擋板，液壓控制器、壓力表、加載板、液壓加載缸和擋板均為三個，三個加載板和三個擋板均設置在支撐平板上，三個加載板和三個擋板圍成立方體形加載室、且加載室的三組相對面均由一個加載板和一個擋板組成；三個液壓加載缸的伸出端分別與三個加載板固定連接，三個液壓控制器通過液壓管分別與三個液壓加載缸連接，液壓控制箱分別通過三個液壓控制器對三個液壓加載缸進行控制，三個壓力表分別與三個液壓控制器連接，用于檢測三個液壓加載缸各自的壓力值；試樣放置在加載室內、且試樣上開設上向鉆孔；

所述冰脹致裂模擬裝置包括內螺紋換熱管、外螺紋換熱管、氣體加壓泵、低溫流體罐、低溫流體注入管、低溫流體回流管、冷凝器、過冷水箱、注水泵和注水管，內螺紋換熱管和外螺紋換熱管交錯設置在上向鉆孔內、且內螺紋換熱管一端和外螺紋換熱管一端連接；氣體加壓泵和冷凝器均裝在低溫流體罐上、且均與低溫流體罐連通；低溫流體回流管處于低溫流體注入管內，低溫流體注入管一端伸入低溫流體罐內，低溫流體注入管另一端穿過支撐平板和加載室底部的擋板伸入上向鉆孔內、并與外螺紋換熱管另一端連接；低溫流體回流管一端伸出低溫流體注入管與冷凝器連接，低溫流體回流管另一端穿過支撐平板和加載室底部的擋板伸入上向鉆孔內、并與內螺紋換熱管另一端連接；注水泵裝在過冷水箱上、且與過冷水箱內連通；注水管一端與注水泵連接，注水管另一端穿過支撐平板和加載室底部的擋板伸入上向鉆孔內；低溫流體注入管上裝有第一控制閥，注水管上裝有第二控制閥；

所述數據監測裝置包括聲發射接收器、溫度信號接收器、溫度檢測裝置、聲發射探頭、控制主機和顯示器，溫度檢測裝置和聲發射探頭均為多個，多個溫度檢測裝置均勻固定在試樣表面、且各個溫度檢測裝置通過數據線與溫度信號接收器連接，多個聲發射探頭分別固定在圍成加載室的各個擋板和加載板內表面、且各個聲發射探頭通過數據線與聲發射接收器連接，聲發射接收器和溫度信號接收器均通過數據線與控制主機連接，控制主機與顯示器連接；具體步驟為：

A、先制備帶有上向鉆孔的試樣，并將試樣放置到加載室內，將內螺紋換熱管和外螺紋換熱管裝在上向鉆孔內，并將注水管、低溫流體注入管和低溫流體回流管伸入上向鉆孔后，將上向鉆孔的孔口密封；

B、先設定三個液壓加載缸各自的加載壓力值，開啟液壓控制箱，通過三個液壓控制器分別使三個液壓加載缸開始帶動加載板對試樣施加預應力，三個液壓加載缸獨立控制，通過三個壓力表分別觀察三個液壓加載缸的實時加載壓力值，當各自實時加載壓力值達到設定的加載壓力值時，停止加載并保持當前狀態，完成試樣真三軸加載預應力的過程；

C、開啟第二控制閥和注水泵，此時注水泵將過冷水箱內的過冷水通過注水管注入上向鉆孔內，持續一段時間后，停止注水泵并關閉第二控制閥，保持上向鉆孔內的水壓；然后開啟氣體加壓泵和第一控制閥，此時低溫流體以一定壓力依次流經低溫流體注入管、外螺紋換熱管、內螺紋換熱管和低溫流體回流管，在低溫流體經過處于上向鉆孔內的外螺紋換熱管和內螺紋換熱管時，上向鉆孔內的過冷水與低溫流體發生熱交換，此時過冷水的溫度快速下降，使水相變成冰，進而其體積膨脹產生的冰脹力對上向鉆孔的孔壁進行壓裂；同時經過熱交換的低溫流體溫度升高使其部分相變形成氣體，并隨低溫流體繼續流動，最后回流到冷凝器內，低溫流體經過冷凝器冷凝后回流到低溫流體罐內，如此循環一段時間后停止氣體加壓泵，完成一次模擬上向鉆孔冰脹致裂的過程；所述過冷水為預冷至溫度為0℃或接近0℃的低溫水；

D、從過冷水注入上向鉆孔直至低溫流體循環對上向鉆孔完成冰脹致裂的全過程中，聲發射探頭實時監測試樣內部產生的應力波，并通過聲發射接收器反饋給控制主機；溫度檢測裝置實時監測試樣的溫度情況，并通過溫度信號接收器反饋給控制主機；控制主機將上述兩個監測數據通過顯示器顯示，從而實現監測冰脹壓裂上向鉆孔全過程的溫度和聲發射的變化情況，獲取上向鉆孔溫度變化與致裂情況之間的關系。

2.根據權利要求1所述的一種上向鉆孔低溫流體致裂的模擬實驗系統的使用方法，其特征在于，所述低溫流體為液態氮、液態二氧化碳的其中一種。