[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种地热压裂模拟实验装置，特别涉及一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置及方法。

背景技术

地热资源是一种新型、清洁的可再生能源，是目前可以有效解决传统化石燃料，解决能源短缺和空气污染的绿色新能源之一。世界范围内对地热资源的开发和利用日益关注，目前冰岛、美国、印尼、菲律宾、日本等国都已经先期开展了地热在发电方面的有效利用，优化了国家的能源结构。其中，地热资源按其产出条件可分为水热型和干热岩型。水热性地热资源通常位于浅层，温度一般小于150℃，而大量的地热能储存于深部干热岩地热资源中，所以深部干热岩也被称为增强型地热资源。干热岩本身是一种没有水（或含有少量水而不能流动）的高温岩体，很少存在孔隙或裂隙，渗透性能极差，其温度范围很广，介于150~650℃之间，主要是变质岩或结晶岩类岩体。因此，只有借助外部水力压裂等储层改造技术才可以实现地热资源的商业化有效开发。

目前干热岩增强型地热系统的改造模式主要以水力压裂、化学刺激和热刺激以及这几种技术的联合使用为主。其中水力压裂法是增强热地热系统最常见的储层改造方法，通过对压裂井注入高压流体，可以实现对干热岩地热储层的破裂，在地下建立人工地热储层，并加速注入水和周围岩体的热交换速率，扩大储层换热面积。水力压裂后，还需另外在裂缝改造区域钻生产井，实现热流体循环提取，而采出的低温流体还可以再次回注到压裂井当中，再次充当压裂液介质。

传统认识和分析水力压裂的手段主要采取数值模拟方法和室内试验方法。数值模拟法主要包括有限元法、边界元法和离散元法等，并在此基础上衍生出扩展有限元法、无单元法、近场动力学法等，数值模拟的方法主要优势是成本低廉，可以改变条件循环反复计算，但是有时数值模型难以反映储层的真实情况，且计算工作量大，对研究人员理论背景要求高。室内试验方法主要以真三轴水力压裂为主，岩样尺寸主要为矩形体或者正方体，并多采用带颜色或者添有荧光粉的压裂液来分析水力压裂后的裂缝形态及范围尺寸，或者采用声发射等实验监测方法对裂缝形态进行三维定位解释，实验方法的优势是可以直观分析水力裂缝形态。但是，上述水力压裂物理实验设备主要是满足高压测试环境为主，针对干热岩水力压裂物理模拟的高温高压实验装置和实验研究方法仍不成熟，因此建立干热岩水力压裂物理模拟实验装置具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置及方法。

本发明提到一种干热岩增强型地热系统的水力压裂模拟实验装置，其技术方案是：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）。

上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）。

上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。

上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）。

上述的声发射探头腔（2-1）的直径大于流体排出小孔（2-2）的直径。

上述的样品水力压裂腔（6）的底部设有八组活塞（3-1）。

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）。

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。