[发明专利]干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置及方法

权利要求书

1.一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：包括压力控制系统（1）、高压压裂泵（2）、压裂液注入腔（3）、支撑剂注入腔（4）、混合装置（5）、样品水力压裂腔（6）、多级活塞（7）、水力压裂腔保温层（8）、水力压裂腔加热层（9）、耐高温高压多孔板（12）、液压伺服控制系统（17）、高压管线（18）、流量监测表（19）、热流体储集设备（23），所述压力控制系统（1）连接高压压裂泵（2），所述的压裂液注入腔（3）和支撑剂注入腔（4）的一端连接高压压裂泵（2），另一端连接混合装置（5），液体混合后被送入样品水力压裂腔（6），所述样品水力压裂腔（6）外侧设有水力压裂腔加热层（9），在水力压裂腔加热层（9）外侧设有水力压裂腔保温层（8）；

所述样品水力压裂腔（6）的由耐高温高压多孔板（12）组成，在样品水力压裂腔（6）的底部和两个侧壁上设有多级活塞（7），并在样品水力压裂腔（6）内装有模拟岩石试件，在样品水力压裂腔（6）的顶部设有可插入耐高压金属管模拟压裂井筒的小孔；在样品水力压裂腔（6）的顶部和两侧分别通过高压管线连接液压伺服控制系统（17），在样品水力压裂腔（6）的底部连接热流体储集设备（23）。

2.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：所述的样品水力压裂腔（6）内安设有温度传感器（10），并通过数据线连接到温度数据采集系统（11）。

3.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：所述的液压伺服控制系统（17）通过液压控制器（16）和控制阀（13）连接到样品水力压裂腔（6）内腔。

4.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：所述的耐高温高压多孔板（12）上均匀分布有多个流体排出小孔（2-2），且在耐高温高压多孔板（12）中部设有多个声发射探头腔（2-1）。

5.根据权利要求4所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：所述的声发射探头腔（2-1）的直径大于流体排出小孔（2-2）的直径。

6.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：所述的样品水力压裂腔（6）的底部设有八组活塞（3-1）。

7.根据权利要求5所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：声发射探头（20）通过声发射探头腔（2-1）连接到样品水力压裂腔（6）内腔，外侧连接到声发射监测系统（21）。

8.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：温度监测系统（22）通过数据线连接到样品水力压裂腔（6）内腔。

9.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其特征是：样品水力压裂腔（6）的外侧设有胶套，胶套与耐高温高压多孔板（12）之间存有空腔，注入液体实现压力包裹作用，液压包逐渐膨胀后对模拟岩石试件施加载荷，且压裂后流体可以通过耐高温高压多孔板（12）上的小孔顺着凹槽流入到热流体储集设备（23）中。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置的使用方法，其特征是包括以下步骤：

(1) 根据实验要求，选择不同组分的水泥、石英砂、粘土、水材料，并混合搅拌倒入模具当中，模拟岩石试件在模具内放置72小时后拆模，然后并放入恒温恒湿箱内养护；

(2) 将模拟岩石试件放入样品水力压裂腔（6）内，利用液压伺服控制系统（17）施加三向应力，首先施加垂向应力，然后利用高压管线分别连接样品水力压裂腔（6），同时在管线上安装压力表（14）、控制阀（13）及放空阀（15），模拟地应力状态；

(3) 通过加热装置逐渐增加样品水力压裂腔（6）内的温度，并利用温度传感器监测温度变化，当温度达到设定温度时停止，并保持恒温2小时；

(4) 当样品水力压裂腔（6）内达到设计温度和压力时，利用钻孔机钻入小孔，插入耐高压金属管模拟压裂井筒，并利用密封圈和密封胶进行密封处理；

(5) 配置水基压裂液，考虑到清水或一般性水基压裂液易在高温环境下气化，水力压裂实验中所采用的压裂液应采用磁化流体或盐类或者碱类压裂液，并在高温高压条件下测试其实际流变性；

(6) 利用高压管线连接样品水力压裂腔（6）与混合装置（5），同时连接高压压裂泵（2），启动液压伺服控制系统（17）和热流体储集设备（23）；

(7) 施加孔眼压力，开始水力压裂，启动高压压裂泵（2），以恒定速率往样品水力压裂腔（6）中泵入模拟压裂液，逐渐压裂实验试样，同时利用压力表记录孔眼压力大小及变化规律，利用声发射设备记录水力裂缝的起裂及扩展动态，热流体储集设备（23）采集流出热流体的实时流量和温度，在压力下降稳定后，关闭高压压裂泵（2）；

(8) 此时应当继续保持压力环境和热流体储集设备（23）开启，并继续让热流体流出，当热流体实时温度或者流量低于设定界限后，认为整个干热岩水力压裂模拟结束，此时再依次关闭控制阀（13），打开放空阀并卸载围压；然后依次关闭声发射设备、压力表；

(9) 取出实验试样，观察拍照记录裂缝最终形态，并对压后岩样钻取标准岩芯，并切割薄片，通过扫描电镜对裂缝表面进行微观分析，分析水力压裂裂缝和热应力产生的裂缝。