CN112858022A - 水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的装置及方法 - Google Patents

水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的装置及方法，该装置包括柔性加载外套、釜体、油路机构、加热***、致裂水路机构和数据采集***，柔性加载外套设置于釜体的围压腔内，油路机构与釜体的环形空间相连通，油路机构用于向环形空间内输入流体以向待测岩样施加围压，加热***用于对待测岩样进行加热，致裂水路机构与岩样上的内孔相连通，以对待测岩样施加致裂水压，数据采集***用于对待测岩样的加热温度、所受围压和致裂水压进行测量。本申请不仅首次实现了在实时高温高压状态下岩石断裂韧性的测量，而且在测量过程中模拟了干热岩的水压致裂特性。

Description

水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的装置及方法
技术领域
本发明属于岩石断裂力学技术领域，尤其涉及一种水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的装置及方法。
背景技术
干热岩是一种埋深数千米的低渗透性高温岩石，全球绝大多数的地热资源都储存在干热岩中。获取这部分地热资源的主要途径是采用水压致裂手段，将干热岩改造成高渗透性的人工热储，然后通过在井向热储中注入低温流体介质，再沿采收井回收置换出热能。干热岩地热资源能否经济开采，取决于水压致裂的效果。具体的说，干热岩压裂后，要求热储层换热空间体积足够大、注采井之间的连通性好，以及储层中不存在优势通道。而对水压致裂进行优化设计的前提在于准确获取干热岩的临界起裂条件(用断裂韧度来表征)。
目前对高温岩石断裂韧性的测量方法已有很多，例如利用热处理后的人字形裂纹缺口巴西圆盘试样(CCNBD)、缺口半圆弯曲试样(NSCB)、裂纹直通缺口巴西圆盘试样(CSTBD)进行断裂韧性测量。这些方法是将带有预制裂纹的缺口试样加热冷却后，直接放在标准的三点弯曲或巴西劈裂试验装置上进行测试，然而，干热岩水力压裂是高温和高地应力条件下在井筒内壁施加水压，促使其产生裂缝的过程。因此，为了准确测量干热岩的断裂韧性，一方面需要模拟其所处的高温高压地质条件，另一方面需要模拟在井筒内水压作用下，干热岩产生裂缝的过程。显然，目前的高温岩石断裂韧性测试方法难以模拟干热岩水压致裂特性，测试结果往往与工程实际值相差较大。
综上，有必要提出一种能够模拟干热岩水压致裂特性的断裂韧性测量装置及方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的装置及方法。本申请不仅首次实现了在实时高温高压状态下岩石断裂韧性的测量，而且在测量过程中模拟了干热岩的水压致裂特性，为预测在地下深部高温高压岩层中用水压致裂法开采地热能所需要的临界起裂条件提供了最接近工程实际情况的断裂力学参数。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的装置，包括:
柔性加载外套,其用于容置待测岩样；
釜体，其具有围压腔，所述柔性加载外套设置于所述围压腔内，所述柔性加载外套能与所述釜体之间形成环形空间；
油路机构，其与环形空间相连通，所述油路机构用于向所述环形空间内输入流体以使流体能通过所述柔性加载外套向待测岩样施加围压；
加热***，用于对所述待测岩样进行加热；
致裂水路机构，其与所述岩样上的内孔相连通，所述致裂水路机构用于向所述内孔内输入压裂液，以对待测岩样施加致裂水压，所述内孔的侧壁上设有预制裂纹；
数据采集***，用于对所述待测岩样的加热温度、所受围压和致裂水压进行测量。
具体的，所述釜体包括刚性筒体和设置在所述刚性筒体两端的两个端盖，两个所述端盖分别与所述待测岩样的两端相抵，所述柔性加载外套的两端分别与两个所述端盖密封连接。
具体的，所述加热***包括设置在所述刚性筒体外的发热丝以及覆盖在发热丝外的保温隔热层，所述数据采集***的温控传感器设置在所述刚性筒体上并与温度显示表电性连接。
具体的，所述加热***还包括保护外筒，所述发热丝和保温隔热层从里到外装配在所述保护外筒内。
具体的，所述致裂水路机构包括高压水泵和致裂水箱，所述致裂水箱、高压水泵和所述内孔通过致裂管路顺次相连；
所述数据采集***的水压传感器设置在所述致裂管路上，并与水压显示表连接。
具体的，所述内孔内设有柔性加载内套，所述柔性加载内套的一端与其中一个所述端盖密封连接，另一端与另一个所述端盖上的压裂液进口连通，所述压裂液进口与所述致裂管路相连通。
具体的，所述油路机构包括液压泵、回油管路和进油管路，所述液压泵通过所述进油管路与所述环形空间连通，所述回油管路连通于所述液压泵的液压油箱和所述环形空间，且其上设有阀门。
具体的，所述数据采集***的围压传感器设置在所述环形空间上，并与围压显示表电性连接。
具体的，所述柔性加载外套和柔性加载内套均采用橡胶套。
一种水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的方法，包括：
将待测岩样放置在柔性加载外套内；
通过油路机构对环形空间内输入流体以使流体能通过柔性加载外套向待测岩样施加围压；
保持围压不变，通过加热***对待测岩样进行加热，温度达到预定值后停止升温，通过致裂水路机构向待测岩样施加致裂水压；
利用数据采集***对待测岩样的加热温度、所受围压和致裂水压进行测量；
随着水压不断增加使得待测岩样预制裂纹失稳扩展，当水压达到峰值发生突降的瞬间，说明预制裂纹失稳破坏，此时关闭致裂水路机构，记录峰值水压力值，并由下列公式计算出岩样的断裂韧度：
Figure BDA0002906044020000031
Figure BDA0002906044020000032
其中：KIC为待测岩样断裂韧度，Pf为峰值水压力值，a待测岩样的内孔半径，b为待测岩样的外径，L为预制裂纹长度，
Figure BDA0002906044020000033
为无量纲应力强度因子。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：
本发明在断裂韧性测量过程中，实时模拟了干热岩所处的高温高压地层条件和水压致裂特性，为预测用水压致裂法开采地热能所需要的临界起裂条件提供了最接近工程实际情况的断裂力学参数。此外，本发明所用的待测岩样可以直接通过地热井钻孔取心获得，解决了其他测试技术需要大块完整岩样的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供装置结构示意图；
图2是本发明实施例涉及的待测岩样示意图；
其中：1、柔性加载外套；2、釜体；201、刚性筒体；202、端盖；203、密封橡胶垫；3、油路机构；301、液压泵；302、回油管路；303、进油管路；4、加热***；401、加热筒体；402、发热丝；403、保温隔热层；5、致裂水路机构；501、高压水泵；502、致裂管路；6、待测岩样；7、环形空间；8、内孔；9、预制裂纹；10、温控传感器；11、水压传感器；12、围压显示表；13、水压显示表；14、温度显示表；15、围压传感器；16、柔性加载内套；17、漏斗型密封塞；18、核型密封塞。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2，一种水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的装置，包括柔性加载外套1、釜体2、油路机构3、加热***4、致裂水路机构5和数据采集***；其中：
柔性加载外套1用于容置待测岩样6，釜体2具有围压腔，柔性加载外套1设置于围压腔内，柔性加载外套1与釜体2之间形成环形空间7，油路机构3与环形空间7相连通，油路机构3用于向环形空间7内输入流体以使流体能通过柔性加载外套1向待测岩样6施加围压，加热***4则用于对待测岩样6进行加热，致裂水路机构5与待测岩样6上的内孔8相连通，致裂水路机构5用于向内孔8内输入压裂液，以对待测岩样6施加致裂水压，在内孔8的侧壁上设有预制裂纹9，数据采集***用于对待测岩样6的加热温度、所受围压和致裂水压进行实时测量。
本实施例还公开了一种水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的方法，包括:将待测岩样6放置在柔性加载外套1内；通过油路机构3对环形空间7内输入流体以使流体能通过柔性加载外套1向待测岩样6施加围压；保持围压不变，通过加热***4对待测岩样6进行加热，温度达到预定值后停止升温，通过致裂水路机构5向待测岩样施加致裂水压；利用数据采集***对待测岩样6的加热温度、所受围压和致裂水压进行测量；随着水压不断增加使得待测岩样6的预制裂纹9失稳扩展，当水压达到峰值发生突降的瞬间，说明预制裂纹9失稳破坏，此时关闭致裂水路机构5，记录峰值水压力值，进而计算出待测岩样6的断裂。
本实施例在断裂韧性测量过程中，实时模拟了干热岩所处的高温高压地层条件和水压致裂特性，为预测用水压致裂法开采地热能所需要的临界起裂条件提供了最接近工程实际情况的断裂力学参数。此外，本发明所用的待测岩样6可以直接通过地热井钻孔取心获得，解决了其他测试技术需要大块完整岩样的问题。
具体的，釜体2包括刚性筒体201、设置在刚性筒体201两端的两个端盖202，这里为方便描述，将两个端盖分别命名为左端盖和右端盖，左右两个端盖通过紧固螺母固定安装在刚性筒体201上，待测岩样6的两端与左右两个端盖相抵，柔性加载外套1的两端分别与左右两个端盖202密封连接，左右两个端盖202与待测岩样6两端面之间置有密封橡胶垫203，进而保证待测岩样6注水过程的密封性。
在实际设计中，加热***4包裹着刚性筒体201，直接对刚性筒体201进行加热，刚性筒体201采用金属导热材质制作，加热***4包括加热筒体401、发热丝402和保温隔热层403，其中，发热丝402和保温隔热层403从里到外装配在加热筒体401内，发热丝402用于对刚性筒体201进行加热，保温隔热层403用于对整个装置进行保温隔热，数据采集***包括温控传感器10、水压传感器11、围压显示表12、水压显示表13、温度显示表14和围压传感器15，用于在加压过程中对温度、围压和水压进行监测调控，温控传感器10设置在刚性筒体201上并与温度显示表14电性连接。
在一些可能实施的方案中，致裂水路机构5包括高压水泵501和致裂水箱，致裂水箱、高压水泵501和内孔8通过致裂管路502顺次相连，水压传感器11设置在致裂管路502上，并与水压显示表13连接，从而对内孔8内的压裂液水压进行测量。
具体的，内孔8为开设在待测岩样6的中央处的一个通孔，待测岩样6为厚壁空心圆柱形试样，该通孔内还设有柔性加载内套16，柔性加载内套16的左端与左端盖密封连接，右端与右端盖上的压裂液进口连通，压裂液进口与致裂管路502相连通，通过在内孔8中设置柔性加载内套16，可以避免高压水直接接触预制裂纹9表面。其中，柔性加载外套1和柔性加载内套16可以采用橡胶套，保温隔热层403可以采用隔热棉。
具体的，刚性筒体201、左右端盖和柔性加载外套1之间围成环形空间7，环形空间7上设有进油口和回油口，油路机构3包括液压泵301、回油管路302和进油管路303，液压泵301通过进油管路303与环形空间7的进油口连通，回油管路302的一端与环形空间7的回油口连通，另一端与液压泵301的液压油箱连通，在回油管路302上设有阀门，围压传感器15设置在环形空间7中，并与围压显示表12电性连接。
参见图1和图2，利用上述实施例测量装置测量高温岩石断裂韧性的方法如下：
首先将待测岩样6和装置进行组装：外径9mm，内径8mm的柔性加载内套16置于带有预制裂纹9的待测岩样6的内孔8中，岩样的高度为50mm，半径为50mm，内孔8半径为5mm，内孔8的预制裂纹9长度为3mm，随后将待测岩样6放置在柔性加载外套1内，为减少端部效应，在待测岩样6左右端面涂一层润滑脂后，再沿两端面放置密封橡胶垫203和左右端盖，然后分别用漏斗型密封塞17和核型密封塞18密封柔性加载内套16，最后利用紧固螺栓将左右端盖分别与刚性筒体201固定；
待测岩样6和装置组装完成后，利用液压泵301(本实施例中采用手动液压泵301)以5MPa/min的速率给待测岩样6加围压，围压达到30MPa后，停止加压并保持压力不变，此时可模拟干热岩所处的高压环境；
保持围压为30MPa，通过加热***4以2℃/min的速率对待测岩样6进行加热，温度达到400℃后，停止升温并至少保持恒温状态2小时后再加水压，以保证岩样均匀受热，此时可模拟干热岩所处的高温环境；
保持岩样温度为400℃，打开高压水泵501(本实施例中采用平流泵)，高压水沿核型密封塞和右端盖的通孔注入柔性加载内套16中，利用水压显示表13监测衬套内水压，通过控制注水排量使水压以1MPa/min的速率升高，水压不断增加使得岩样预制裂纹9失稳扩展，当水压达到峰值发生突降的瞬间，说明预制裂纹9失稳破坏，此时关闭平流泵111，记录峰值水压力值，并由下列公式计算出岩样的断裂韧度：
Figure BDA0002906044020000071
Figure BDA0002906044020000072
其中：KIC为待测岩样断裂韧度，Pf为峰值水压力值，a待测岩样内孔半径，b为待测岩样的外径，L为预制裂纹长度，
Figure BDA0002906044020000073
为无量纲应力强度因子。
本实施例不仅可以模拟井筒内水压作用下岩石产生裂缝的过程，而且首次实现了在实时高温高压状态下岩石断裂韧性的测量。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的装置，其特征在于，包括:
柔性加载外套(1),其用于容置待测岩样(6)；
釜体(2)，其具有围压腔，所述柔性加载外套(1)设置于所述围压腔内，所述柔性加载外套(1)与所述釜体(2)之间形成有环形空间(7)；
油路机构(3)，其与环形空间(7)相连通，所述油路机构(3)用于向所述环形空间(7)内输入流体以使流体能通过所述柔性加载外套(1)向待测岩样(6)施加围压；
加热***(4)，用于对所述待测岩样(6)进行加热；
致裂水路机构(5)，其与所述岩样上的内孔(8)相连通，所述致裂水路机构(5)用于向所述内孔(8)内输入压裂液，以对待测岩样(6)施加致裂水压，所述内孔(8)的侧壁上设有预制裂纹(9)；
数据采集***，用于对所述待测岩样(6)的加热温度、所受围压和致裂水压进行测量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述釜体(2)包括刚性筒体(201)和设置在所述刚性筒体(201)两端的两个端盖(202)，两个所述端盖(202)分别与所述待测岩样(6)的两端相抵，所述柔性加载外套(1)的两端分别与两个所述端盖(202)密封连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述加热***(4)包括设置在所述刚性筒体(201)外的发热丝(402)以及覆盖在发热丝(402)外的保温隔热层(403)，所述数据采集***的温控传感器(10)设置在所述刚性筒体(201)上并与温度显示表(14)电性连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述加热***(4)还包括保护外筒，所述发热丝(402)和保温隔热层(403)从里到外装配在所述保护外筒内。
5.根据权利要求2-4任一项所述的装置，其特征在于：所述致裂水路机构(5)包括高压水泵(501)和致裂水箱，所述致裂水箱、高压水泵(501)和所述内孔(8)通过致裂管路(502)顺次相连；
所述数据采集***的水压传感器(11)设置在所述致裂管路(502)上，并与水压显示表(13)连接。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述内孔(8)内设有柔性加载内套(16)，所述柔性加载内套(16)的一端与其中一个所述端盖(202)密封连接，另一端与另一个所述端盖(202)上的压裂液进口连通，所述压裂液进口与所述致裂管路(502)相连通。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述油路机构(3)包括液压泵(301)、回油管路(302)和进油管路(303)，所述液压泵(301)通过所述进油管路(303)与所述环形空间(7)连通，所述回油管路(302)连通于所述液压泵(301)的液压油箱和所述环形空间(7)，且其上设有阀门。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述数据采集***的围压传感器(15)设置在所述环形空间(7)上，并与围压显示表(12)电性连接。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述柔性加载外套(1)和柔性加载内套(16)均采用橡胶套。
10.一种水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的装置，包括：
将待测岩样放置在柔性加载外套内；
通过油路机构对环形空间内输入流体以使流体能通过柔性加载外套向待测岩样施加围压；
保持围压不变，通过加热***对待测岩样进行加热，温度达到预定值后停止升温，通过致裂水路机构向待测岩样施加致裂水压；
利用数据采集***对待测岩样的加热温度、所受围压和致裂水压进行测量；
随着水压不断增加使得待测岩样预制裂纹失稳扩展，当水压达到峰值发生突降的瞬间，说明预制裂纹失稳破坏，此时关闭致裂水路机构，记录峰值水压力值，并由下列公式计算出岩样的断裂韧度：
Figure FDA0002906044010000021
Figure FDA0002906044010000031
其中：KIC为待测岩样断裂韧度，Pf为峰值水压力值，a待测岩样的内孔半径，b为待测岩样的外径，L为预制裂纹长度，KI *为无量纲应力强度因子。
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