[發明專利]高溫結晶巖石冷沖擊致裂實驗系統及方法

有效

• 申請號: 202011079155.0
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112414882B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 榮冠;沙松;陳志恒;全軍松;張子陽;李博文
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N3/60
• 分類號: G01N3/60;G01N3/00;G01N3/18
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 俞琳娟

本發明提供了高溫結晶巖石冷沖擊致裂實驗系統及方法，能夠在不同的應力狀態、環境溫度、射流壓力等條件下開展干熱巖儲層巖石冷沖擊致裂的模擬實驗。本發明所提供的高溫結晶巖石冷沖擊致裂試驗系統包括：高壓氮供給裝置，包括：氮氣瓶，氣體增壓泵，高壓氮氣儲罐，調壓閥，高壓液氮儲罐；儲層致裂環境模擬裝置，與高壓氮供給裝置相連，包括：加熱板組，保溫板組，真三軸加載裝置，壓裂管，上部開口端與高壓液氮儲罐和高壓氮氣儲罐相連，下部出口端密封置于巖石試樣鉆孔中，通過下部出口端輸出高壓液氮或高壓氮氣進行冷沖擊致裂；自增壓液氮罐，向該高壓液氮儲罐補給液氮，并向壓裂管供給低壓液氮進行管路及巖石試樣鉆孔的預冷；以及監測裝置。

技術領域

本發明屬于深部地熱能源領域，具體涉及一種高溫結晶巖石冷沖擊致裂實驗系統及方法。

背景技術

當前，我國正面臨著能源需求量不斷增加，傳統化石能源日益減少，環境污染日趨嚴重的困境，能源問題已逐漸成為制約我國經濟和社會發展的重要因素。地熱能是一種綠色低碳、穩定可靠的可再生能源，干熱巖是地熱能資源中非常重要的一種類型，其儲量豐富、分布廣泛，具有廣闊的發展前景。大規模開發利用干熱巖地熱能，對于調整我國能源結構，促進經濟發展，實現節能減排，推進生態文明建設，以及應對全球氣候變化具有重要的社會意義和經濟價值。

天然的地熱儲層通常是低孔、低滲的致密結晶巖體，當前工程上大多采用水力壓裂方式對其進行刺激與改造。但是，由水基壓裂液所導致的水資源浪費、儲層破壞嚴重、壓裂液反排困難以及環境污染等問題也逐漸暴露，這嚴重制約了干熱巖地熱能源的開發效率及經濟效益。冷沖擊致裂是一種新型的無水壓裂技術，不僅可以避免上述問題，而且因其在增強儲層巖體裂隙網絡連通性、提高生產效率方面的突出表現而引起了廣泛的關注。

液氮是一種性質穩定、無毒無害的超低溫流體，其在大氣壓下的溫度約為-196℃，是用于冷沖擊致裂的優選壓裂液。將低溫液氮注入干熱巖儲層巖體時，其與高溫結晶巖石之間將發生劇烈的熱交換，由此所帶來強烈的冷沖擊效應會使巖石表面發生高速收縮變形并產生拉應力，當拉應力超過巖石抗拉強度時，儲層巖體將會產生拉伸破壞，進而在儲層巖體中形成多組裂隙或裂隙網絡。同時，液氮吸熱氣化成為氮氣，體積顯著膨脹，進一步促進儲層巖體中微裂隙的萌生以及原始裂隙的擴展。

冷沖擊致裂在非常規能源開采領域是一種相對較新的技術。如今，有關該技術的研究大都集中在油氣資源領域，且以開展冷沖擊作用對巖石的孔隙結構、強度特征以及滲透特性影響的研究為主。冷沖擊致裂在干熱巖地熱能源開發中的應用的相關研究鮮有報道，結晶巖石在不同的溫度環境、應力狀態和壓裂條件下的壓裂效果、裂縫擴展規律以及致裂機理仍需開展深入的研究。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種高溫結晶巖石冷沖擊致裂實驗系統及方法，能夠在不同的應力狀態、環境溫度、射流壓力等條件下開展干熱巖儲層巖石冷沖擊致裂的模擬實驗。

本發明為了實現上述目的，采用了以下方案：

系統