CN113686693B - 一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验*** - Google Patents

一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，其特征在于：包括主应力加载器、主机框架、高温加热箱、试样夹具、工作平台、伺服高压泵和高压脉电机；所述试样夹具用于夹持岩石试样；所述高温加热箱设置在主机框架内部，用于对试样夹具内岩石试样的高温加载与保温；所述主应力加载器通过测力组件和压头组件对试样夹具内岩石试样提供真三向应力；所述试样夹具由压板组装而成，所述压板包括用于联合致裂、地热注采的常规压板，以及用于渗流模拟试验的渗流压板；所述试验***的工作平台下设有伺服高压泵和高压脉电机。本发明为高温真三向下岩石联合致裂、地热注采和岩石试样各向异性渗流特性提供了新的试验与研究手段。

Description

一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***
技术领域
本发明属于岩石力学与工程技术领域，特别是涉及一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***。
背景技术
近年来，地热资源作为一种储量巨大的清洁可再生能源受到了各国的广泛关注。而干热岩作为高温地热资源的代表，从上世纪70年代就开始被尝试进行开发并用以发电。干热岩的开发一般是通过钻井在深部储层进行水力压裂，形成裂隙网络。然后进行注采，通过流体流动进行热量提取。因此，干热岩开发涉及到水力压裂，注水采热与渗流过程。
然而在目前全世界范围内的干热岩开发中，均存在水力压裂效率低，压裂裂缝难以定向生成的问题。并在且在干热岩开采研究中，目前就局限数值模拟手段，缺少模拟真实高温高压环境下的裂隙热储注采的室内试验。在干热岩开发中，水力压裂试验有助于揭示裂缝起裂机制与规律。而模拟真实环境下的裂隙热储注采试验和渗流试验，有助于探究地热开采过程中的关键影响因素。
为此，一些单位研发了水力压裂设备，如重庆大学的“真三向状态下煤岩水压致裂试验方法(CN102735547 A)”,中国科学院武汉岩土力学研究所“一种可实现水压致裂试验的真三向压力装置(CN102621000A)”，重庆大学“一种真三向水力压裂试验装置和水力压裂试验方法(CN111257129 A)”。但是以上设备均是在中低温状态下(<150℃)对岩石试样进行单一的水力压裂。而传统的水力压裂效率低，难以控制方向。因此，现有设备与方法缺乏联合致裂的技术，难以满足工程和研究需要。关于地热开采研究目前局限于数值模拟，未见有关模拟真实环境下的裂隙热储注采试验与设备。而对于大型试样的三向渗流，目前已有技术存在密封困难，变形测量不准确的缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，能够在高温高压真三向条件下中对岩石试样进行液氮冷冲击致裂、高压脉冲致裂及水力压裂的联合致裂试验。并可通过压裂后的岩石试样或预制裂隙相似材料试样进行真实环境下的地热注采试验。同时，依据本发明及其变形，还可对大型岩石试样进行三向渗流试验。为高温高压真三向下岩石定向起裂机理与规律的探究提供一种研究手段，并为地热注采研究和岩石渗流各向异性研究提供了新的试验方法，弥补了数值模拟研究的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，包括主应力加载器、主机框架、高温加热箱、试样夹具、工作平台、伺服高压泵和高压脉电机；所述试样夹具用于夹持岩石试样；所述高温加热箱设置在主机框架内部，用于对试样夹具内岩石试样的高温加载与保温；所述主应力加载器通过测力组件和压头组件对试样夹具内岩石试样提供真三向应力；所述试样夹具由压板组装而成，所述压板包括用于联合致裂、地热注采的常规压板，以及用于渗流模拟试验的渗流压板，所述试验***的工作平台下设有伺服高压泵和高压脉电机，所述伺服高压泵和高压脉冲电机用以对岩石试样进行联合致裂试验时提供高压水、液氮和高压脉冲电流。
进一步地，所述主应力加载器由σ1方向加载器、σ2方向加载器、σ3方向加载器组成；所述σ1方向加载器包括第一σ1方向加载器、第二σ1方向加载器，二者呈水平对称布置，分别固装在主机框架左右两侧；所述σ2方向加载器包括第一σ2方向加载器、第二σ2方向加载器，二者呈水平布置，其中第一σ2方向加载器可拆卸的设置在主机框架正前方，所述第二σ2方向加载器固装在主机框架正后方；所述σ3方向加载器包括第一σ3方向加载器、第二σ3方向加载器，其中第一σ3方向加载器固装在主机框架上方，而第二σ3方向加载器通过加载器反力架和横向刚性板固装在试验***的内下部。
进一步地，所述试验***的工作平台上设有导轨，所述第一σ2方向加载器下部设置滑轮，第一σ2方向加载器拆卸后可通过电机驱动第一σ2方向加载器沿工作平面的导轨移动，所述试验***还包括设置在工作平台一侧的试样起重机，所述试样起重机可通过导轨移动，在试验前后通过机械臂可将岩石试样从高温加热箱内取出或送入高温加热箱内，所述导轨末端设置有限位块。
进一步地，所述高温加热箱固装在主机框架形成的试验***加载仓内部，该高温加热箱包括加热箱前箱板以及加热箱主箱体，所述加热箱主箱体为上下左右后方五块箱板固装而成，所述加热箱前箱板通过扣锁与加热箱主箱体进行封装，所述高温加热箱上下左右前后六块箱板上均设置有矩形通口，用以压头组件的穿入；所述高温加热箱箱体上设有穿过加热箱箱体的声发射探头，所述高温加热箱外侧设有冷却环管，用于高温加热箱外部结构的降温保护。
进一步地，所述压头组件的压块上设有耐高温的环形橡胶套，所述压头组件的压头中用于连接伺服高压泵和高压脉冲电机的上压头内部设置有多个“L”型管道埋设孔，所述管道埋设孔分别用于埋设高压水/液氮管，注、出水管，以及高压脉冲电极接口，所述高压水/液氮管、注水管和出水管在竖直方向为螺旋形设置，具有压缩回弹能力。
进一步地，所述试样夹具的压板包括σ3方向上压板、σ3方向下压板、σ1方向左压板、σ1方向右压板、σ2方向前压板、σ2方向后压板；所述σ1方向左/右压板内设置有σ2方向LVDT传感器通孔，σ2方向前/后压板内设置有σ1方向LVDT传感器通孔，σ3方向上压板设置有封隔器通孔用以封隔器与高压脉冲电极线路的穿出，σ3方向下压板中心设置定位插销孔。
进一步地，所述σ3方向上压板和σ3方向下压板为双层阶梯形状，其接触岩石试样的内表面和接触压头的外表面均为矩形，中间层面为同心矩形的阶梯面，中间层面包括中间平面以及用于中间平面与内表面过渡连接的圆弧曲面；所述σ3方向上压板和σ3方向下压板内表面的长度和宽度均分别小于岩石试样长度和宽度10mm；所述σ3方向上压板和σ3方向下压板接触压头的外表面的长度＝岩石试样长度+σ1方向左压板全厚+σ1方向右压板全厚，其宽度＝岩石试样宽度+σ2方向前压板全厚+σ2方向后压板全厚；
所述σ2方向前压板和σ2方向后压板接触岩石试样的内表面为矩形，其内表面的长度和宽度均分别小于岩石试样长度和高度10mm，所述σ2方向前压板和σ2方向后压板接触压头的外表面为矩形，其长度小于岩石试样长度10mm，其高度＝岩石试样高度+σ3方向上压板全厚+σ3方向下压板全厚-σ3方向上压板3101矩形侧面厚-σ3方向下压板3102矩形侧面厚-10mm；所述σ2方向前压板和σ2方向后压板在上下侧面留有宽度d的矩形平面，压板内表面与上下侧面通过圆弧曲面过渡连接；
所述σ1方向左压板和σ1方向右压板形状、设置方式与σ2方向前压板和σ2方向后压板设置相同，压板长度为小于岩石试样宽度10mm。
进一步地，所述σ1方向左压板、σ1方向右压板、σ2方向前压板和σ2方向后压板的侧面上均可拆卸的设置有“T”形压板滑轨，所述σ3方向上压板和σ3方向下压板的侧面上均设置有与所述滑轨相应的压板滑道；所述压板滑轨长度等于前后左右四块压板的上下侧面的矩形平面的宽度d；
所述σ1方向左压板、σ1方向右压板、σ2方向前压板和σ2方向后压板的下侧面与σ3方向下压板直接接触压紧，而前后左右四块压板的上侧面与σ3方向上压板留有10mm的间隔，所述压板滑道的高度大于压板滑轨的高度；所述σ1方向左压板、σ1方向右压板、σ2方向前压板和σ2方向后压板上下矩形侧面的宽度d小于σ3方向上压板和σ3方向下压板中间平面宽度D，其宽度差均为5mm(Δd＝D-d)。
进一步地，σ1、σ2方向LVDT变形传感器埋设至相应的LVDT传感器通孔内，LVDT变形传感器两端通过“L”型传感器支架固定在相邻压板上；σ3方向LVDT变形传感器设置在试样夹具的直角空白区域内，并通过“L”型传感器支架固定在σ3方向上压板和σ3方向下压板上。
进一步地，所述常规压板中，除设有封隔器通孔的上压板外，其余压板均为实心压板；所述渗流压板包括压板本体及导流板，所述压板本体内表面设有矩形凹槽，所述导流板套嵌在压板矩形凹槽内，矩形凹槽下的压板本体内设有进出水孔道以及与进出水孔道连接的竖向水孔；导流板上表面刻有横向与纵向的导流槽，导流槽交叉位置设置贯穿导流板的渗流孔；在进行渗流模拟试验时，可将设定进出流向所对应的压板设置成同尺寸的渗流压板，其余压板采用实心压板。
进一步地，所述渗流压板将其中的导流板替换成同尺寸的实心板后，可作为实心压板使用。
进一步地，试验时，压板间岩石试样裸露的边角则通过涂覆密封胶以达到岩石试样完全密封的目的。
本发明另一方面提供一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流的模拟试验方法，所述方法基于上述试验***进行联合致裂试验或地热注采试验或各向异性渗流试验。
岩石试样以长轴方向水平放置。岩石试样水平长轴(左右)方向为最大主应力σ1方向，水平前后方向为中间主应力σ2方向，竖直方向为最小主应力σ3方向。岩石试样在进行试验前需要经过处理，具体步骤为：
(1)在岩石试样上端面中心部位沿垂直方向钻孔至岩石试样中心高度，塞入封隔器，用密封胶封住封隔器与钻孔周围缝隙，同时处理超过试样夹具封隔器通孔范围的多余密封胶；
(2)在岩石试样上端面轴线靠近左右两侧部位沿垂直方向钻小直径钻孔直至岩石试样中心高度，分别将高压脉冲电极塞入小孔并进行密封和固定；
(3)在岩石试样前侧面靠近右侧位置钻深度为35mm,直径小于3mm的小钻孔，固定热电偶温度传感器至钻孔内，并在试样表面自热电偶钻孔位置向右开水平窄槽；将热电偶温度传感器线路固定至水平窄槽内，并保证热电偶温度传感器线路不突出岩石试样表面；
(4)安装试样夹具，并按试验需求选择安装夹具临时紧固件，以及在岩石试样裸露的边角涂覆耐高温胶进行密封、风干；
(5)拆除试样夹具安装时的临时紧固件，视试验需求安装σ1，σ2和σ3方向LVDT变形传感器。
本发明的岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，能够实现以下方面的试验功能：
(1)在高温高压真三向应力条件下(最高温度400℃，三方向最大额定加载力100MPa)对大型岩石试样进行联合致裂试验。
(2)可通过压裂后的岩石试样或者预制裂隙相似材料试样进行真实温压条件下的地热注采模拟试验。
(3)依据本发明的试样夹具及其变形，可针对大型试样在高温真三向应力下进行三向(X向，Y向，Z向，或任意进出口路径下)渗透率测试。
(4)在实验过程中可精确测量应力与试样的真实变形，尤其是弥补了现有技术在大型岩石试样密封与变形测量精确度之间的矛盾。
依据本发明用可以揭露岩石在高温真三向应力条件下的起裂机制与规律，并为地热注采模拟及大型试样各向异性渗流研究提供了新的试验手段。
附图说明
图1为本发明的试验***纵刨面图；
图2为本发明的第一σ2方向加载器移动前(1)、后(2)的试验***俯视图；
图3为本发明的试验***X方向侧视图；
图4为本发明的试验***横剖面图；
图5为本发明的加热箱结构放大图；
图6为本发明的加热箱盖板三维斜视图；
图7为本发明的加热箱Ⅰ处局部放大图；
图8为本发明的压头未接触夹具时加热箱内部结构图；
图9为本发明的联合压裂试验的岩石试样管线安装图；
图10为本发明的上压头内部结构放大图；
图11为本发明的注采模拟试验时管道设置图；
图12为本发明的地热注采实验的含预制裂隙试样；
图13为本发明的试样夹具三维结构图；
图14为本发明的σ2前压板Ⅱ处结构局部放大图
图15为本发明的LVDT传感器安装后试样夹具三维斜视图；
图16为本发明的试样夹具横剖面图；
图17为本发明的试样夹具纵剖面图；
图18为本发明的含渗流功能的试样夹具压板三维结构图(以σ3下压板为例)；
图19为本发明的含渗流功能的试样夹具纵刨面图(以σ3下压板为例)；
图中：101-第一σ1方向加载器，102-第二σ1方向加载器，201-第一σ2方向加载器，202-第二σ2方向加载器，301-第一σ3方向加载器，302-第二σ3方向加载器，4-主机框架，5-加载器反力架，6-滑轮，7-加载器底座，8-横向刚性板，9-高温加热箱，901-加热板、902-保温隔热板，903-外包钢板，904-加热箱前箱板，905-扣锁，906-加热箱主箱体，10-声发射探头，11-压头，12-隔热垫，13-压块，14-测力传感器压头，15-测力传感器，16-环形橡胶套，17-加载仓，18-冷却环管，19-工作平台，20-导轨，21-试样起重机，22-岩石试样，23-限位块，24-气液仓，25-伺服高压泵，26-高压脉冲电机，27-封隔器，28-高压脉冲电极，29-热电偶温度传感器，30-水平窄槽，31-试样夹具，3101-σ3方向上压板，3102-σ3方向下压板，3103-σ1方向左压板，3104-σ1方向右压板，3105-σ2方向前压板，3106-σ2方向后压板，3107-封隔器通孔，3108-σ2方向LVDT传感器通孔，3109-σ1方向LVDT传感器通孔，3110-定位插销孔，3111-压板滑轨，3112-压板滑道，3113-紧固螺丝，3114-导流板，3115-导流槽，3116-渗流孔，3117-竖向水孔，3118-进出水孔道，32-管道埋设孔，33-高压水/液氮管，34-注水管，35-出水管，36-高压脉冲电极接口，3701-σ1方向LVDT变形传感器，3702-σ2方向LVDT变形传感器，3703-σ3方向LVDT变形传感器，38-传感器支架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1～19所示，一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，包括主应力加载器、主机框架4、高温加热箱9、试样夹具31、工作平台19、伺服高压泵25和高压脉电机26，所述试样夹具31用于夹持岩石试样22；所述高温加热箱9设置在主机框架4内部，用于对试样夹具31内岩石试样22的高温加载与保温；所述主应力加载器用于对岩石试样22提供真三向应力；所述试样夹具31由压板组装而成，所述压板包括用于联合致裂、地热注采的常规压板，以及用于渗流模拟试验的渗流压板；所述试验***的工作平台19下设有伺服高压泵25和高压脉电机26，所述伺服高压泵25和高压脉冲电机26用以对岩石试样进行联合致裂试验时提供高压水、液氮和高压脉冲电流。
如图1～4所示，所述主应力加载器由σ1方向加载器、σ2方向加载器、σ3方向加载器组成；所述σ1方向加载器包括第一σ1方向加载器101、第二σ1方向加载器102，二者呈水平对称布置，分别通过加载器反力架5和加载器底座7固装在主机框架左右两侧；所述σ2方向加载器包括第一σ2方向加载器201、第二σ2方向加载器201，二者呈水平布置，其中第一σ2方向加载器固装在加载器反力架内，设置在主机框架正前方，并可通过紧固件从主机框架分离，所述第二σ2方向加载器通过加载器反力架5和加载器底座7固装在主机框架正后方；所述σ3方向加载器包括第一σ3方向加载器301、第二σ3方向加载器302，二者呈竖直对称布置，其中第一σ3方向加载器固装在主机框架上方，而第二σ3方向加载器通过加载器反力架5和横向刚性板8固装在试验***的内下部；加载时，σ1方向加载器、σ2方向加载器和σ3方向加载器均保持同步加载。
所述主机框架4为“口”字形结构，上下左右四面为一体的刚性结构，所述加载器反力架5为“U”形结构，在应力加载时为主应力加载器提供反力。
所述试验***的工作平台19上设有导轨20，所述第一σ2方向加载器反力架下部设置滑轮6，第一σ2方向加载器201拆卸后可通过电机驱动第一σ2方向加载器沿工作平面的导轨20移动至工作平台19一端，所述试验***还包括设置在工作平台一侧的试样起重机21，所述试样起重机21可通过导轨19移动，在试验前后通过机械臂可将岩石试样22从高温加热箱9内取出或送入高温加热箱9内，所述导轨20末端设置有限位块23，以防止试样起重机21和第一σ2方向加载器201的过度移动，所述工作平台19下方为气液仓24，实验所需的伺服高压泵25、高压脉冲电机26等装置可设置其中，所述伺服高压泵25和高压脉冲电机26用以在对岩石试样22进行水力压裂、液氮冷冲击致裂和高压脉冲致裂试验时提供高压水、液氮和高压脉冲电流。
所述压头组件由压头11、隔热垫12和压块13组成，与压头组件连接的所述测力组件由测力传感器压头14与测力传感器15组成，在试验过程中依次穿入高温加热箱9并与试样夹具31接触，所述压头组件形状均为矩形，压头组件一侧的测力传感器压头14与测力传感器15均为圆柱形结构，各压块13均套有耐高温的环形橡胶套16，在应力加载后环形橡胶套16均挤压位于外部的高温加热箱9通孔与压块13间的缝隙，有效防止漏热，所述环形橡胶套16与压块13的位置不固装，仅保持稍大的弹性紧固力，在加载时环形橡胶套16与高温加热箱9挤压力过大时可向后做一定程度的滑移，保证了应力加载精度。
如图4、5、6、7所示，所述高温加热箱9固装在主机框架4形成的试验***加载仓17内部，该高温加热箱9为长方体，包括加热箱前箱板904以及加热箱主箱体906，所述加热箱主箱体906为上下左右后方五块箱板固装而成，所述加热箱前箱板904通过扣锁905与加热箱主箱体906封装或拆卸，所述高温加热箱9上下左右前后六块箱板上均设置有矩形通口，用以压头组件的穿入；所述高温加热箱9左右两侧箱板上设置有8通道声发射接口，声发射探头10穿过加热箱箱体；
每块箱板结构由内而外依次为加热板901、保温隔热板902和外包钢板903组成，加热板901内部设置加热电阻圈，保温隔热板902由保温隔热效果好的耐高温材料制成，外包钢板903则用于保护高温加热箱9，高温加热箱9通过扣锁905快速封装，简化了封装步骤的同时能达到良好的密封效果。试验时，通过伺服温控***启动加热板901对高温加热箱9内部岩石试件22进行加热和保温。
所述高温加热箱9外侧，加载仓17内部的位置固装有冷却环管18，所述冷却环管17为中空管，环形缠绕在压头组件及测力组件外部。在高温压裂试验时，通过制冷机驱动低温流体在冷却环管17中循环流动。实现对高温加热箱9外部装置的降温与保护，同时降低了温度对测力传感器15的应力测量精度以及伺服加载***的影响。此外，试验***加载仓17并非密封结构，可充分利用室外环境进行降温保护，降低了高温加热箱9漏热造成的加载仓17热集中。
如图8、9、10所示，所述岩石试样22正上方的压头11内部设置有3个“L”型管道埋设孔32，上压头11右侧管道埋设孔32与中间的管道埋设孔32在水平方向相连通，上压头11中部的管道埋设孔32设置有高压水/液氮管33，高压水/液氮管33用于水力压裂和液氮冷冲击致裂时输送高压水和液氮流体，上压头11左右两侧的管道埋设孔分别埋设注水管34和出水管35，以及高压脉冲电极接口36。所述注水管34和出水管35连接岩石试样22内部的封隔器27，用于地热注采模拟试验中的注水和抽水。而高压脉冲电极接口36用以连接岩石试样22内部的正负高压脉冲电极28，实现在岩石试样22内部直接放射高压脉冲电流进行预致裂。所述高压水/液氮管33、注水管34和出水管35在竖直方向部位为螺旋形设置，具有一定弹性和压缩性。在压头11与试样夹具31未接触时，各管道自然长度伸出管道埋设孔32。当各管道与封隔器27连接后，可进行竖直方向加载。此时，上压头11与试样夹具31压紧，螺旋形管道被完全压缩至管道埋设孔32内。
如图13、14、15所示，作为技术方案的改进，所述试样夹具31的压板包括σ3方向上压板3101、σ3方向下压板3102、σ1方向左压板3103、σ1方向右压板3104、σ2方向前压板3105、σ2方向后压板3106；所述σ1方向左压板3103与σ2方向后压板3106内分别设置有σ2方向LVDT传感器通孔3108和σ1方向LVDT传感器通孔3109，用以测量岩石试样22在σ2方向和σ1方向的变形(即ε2与ε1)。所述σ3方向上压板3101设置有封隔器通孔3107，所述封隔器通孔3107用以封隔器27与高压脉冲电极28线路的穿出，σ3方向下压板3102中心设置了定位插销孔3110，方便试验过程中岩石试样22的安装定位。
如图16、17所示，作为技术方案的改进，所述σ3方向上压板3101和σ3方向下压板3102为双层阶梯形状，其接触岩石试样22的内表面和接触压头11的外表面均为矩形，中间层面为同心矩形的阶梯面，中间层面包括中间平面以及用于中间平面与内表面过渡连接的圆弧曲面；所述σ3方向上压板3101和σ3方向下压板3102内表面的长度和宽度均分别小于岩石试样22长度和宽度10mm，此设置是保证试样夹具31受压时的四周侧向压板的相对位移大于岩石试样22长度方向的最大变形量ε1和宽度方向的最大变形量ε2；所述σ3方向上压板3101和σ3方向下压板3102接触压头11的外表面的长度＝岩石试样22长度+σ1方向左压板3103全厚+σ1方向右压板3104全厚，其宽度＝岩石试样22宽度+σ2方向前压板3105全厚+σ2方向后压板3106全厚。
所述σ2方向前压板3105和σ2方向后压板3106接触岩石试样22的内表面为矩形，其内表面的长度和宽度均分别小于岩石试样22长度和高度10mm，所述σ2方向前压板3105和σ2方向后压板3106接触压头11的外表面为矩形，其长度小于岩石试样长度10mm，其高度＝岩石试样22高度+σ3方向上压板3101全厚+σ3方向下压板3102全厚-σ3方向上压板3101矩形侧面厚-σ3方向下压板3102矩形侧面厚-10mm；所述σ2方向前压板3105和σ2方向后压板3106在上下侧面留有宽度d的矩形平面，压板内表面与上下侧面通过圆弧曲面过渡连接。
所述σ1方向左压板3103和σ1方向右压板3104形状、设置方式与σ2方向前压板3105和σ2方向后压板3106设置相同，压板长度为小于岩石试样22宽度10mm。
如图13～17所示，作为技术方案的改进，所述σ1方向左压板3103、σ1方向右压板3104、σ2方向前压板3105和σ2方向后压板3106的侧面上均设置有“T”形压板滑轨3111，所述σ3方向上压板3101和σ3方向下压板3102的侧面上均设置有与所述滑轨相应的压板滑道3112，所述σ1方向左压板3103、σ1方向右压板3104、σ2方向前压板3105和σ2方向后压板3106通过“T”形压板滑轨3111与σ3方向上压板3101和σ3方向下压板3102相连接；所述压板滑轨3111长度等于前后左右四块压板的上下侧面的矩形平面的宽度d，所述压板滑轨3111通过紧固螺丝3113固装在前后左右四块压板3103～3106的上下矩形侧面上，岩石试样22在受压变形时，前后左右四块压板3103～3106依靠压板滑轨3111和滑道3112进行相对移动；
所述σ1方向左压板3103、σ1方向右压板3104、σ2方向前压板3105和σ2方向后压板3106的下侧面与σ3方向下压板3102直接接触压紧，而前后左右四块压板3103～3106的上侧面与σ3方向上压板3101留有10mm的间隔，此设置是为了保证σ3方向上压板3101和σ3方向下压板3102受压可发生的相对移动大于岩石试样22在高度方向的最大变形ε3；此外，压板滑道3112的高度大于压板滑轨3111的高度，即压板滑轨3111与压板滑道3112之间留有一定间隔，其间隔高度差同样为了保证上下压板3101～3102在受压发生竖直方向的可相对移动量；所述的σ1方向左压板3103、σ1方向右压板3104、σ2方向前压板3105和σ2方向后压板3106上下矩形侧面的宽度d小于σ3方向上压板3101和σ3方向下压板3102中间平面的宽度D，其宽度差均为5mm(Δd＝D-d)，宽度差的2倍即为侧面四块压板3103～3106受压所能发生的相向最大相对位移，此设置同样是为了保证σ1方向左压板、σ1方向右压板、σ2方向前压板和σ2方向后压板受压可发生的相对移动大于岩石试样22在长度方向的最大变形ε1和宽度方向的最大变形ε2。
如图15、16所示，作为技术方案的改进，所述σ1方向LVDT变形传感器3701埋设至σ2方向后压板3106的σ1方向LVDT传感器通孔3109内，σ1方向LVDT变形传感器3701通过“L”型传感器支架38进行固定，“L”型传感器38支架另一端通过紧固螺丝3113固定在在相邻两侧的σ1方向左压板3103和σ1方向右压板3104的后侧端面。类似的，σ2方向LVDT变形传感器3702埋设至σ1方向左压板3103的σ2方向LVDT传感器通孔3108内，其同样通过“L”型传感器支架38固定。而σ3方向LVDT变形传感器3703则通过“L”型传感器支架38固定在σ3方向上压板3101和σ3方向下压板3102之间，并且处于σ2方向前压板3105和σ1方向右压板3104间的直角空白区域。而“L”型传感器支架38的另一面则通过紧固螺丝3113分别固定在σ3方向上压板3101和σ3方向下压板3102的右侧端面。
如图18、19所示，作为技术方案的改进，所述常规压板中，除设有封隔器通孔的上压板外，其余压板均为实心压板；所述渗流压板包括压板本体及导流板3114，所述压板本体内表面设有矩形凹槽，所述导流板3114套嵌在压板矩形凹槽内，矩形凹槽下的压板本体内设有进出水孔道3118以及与进出水孔道连接的竖向水孔3117；导流板上表面刻有横向与纵向的导流槽3115，导流槽交叉位置设置贯穿导流板的渗流孔3116；在进行渗流模拟试验时，可将设定进出流向所对应的压板设置成同尺寸的渗流压板，其余压板采用实心压板。
所述渗流压板将其中的导流板替换成同尺寸的实心板后，可作为实心压板使用。
在进行岩石渗流试验时所使用的σ3方向上压板3101无论是否作为进出水侧的渗流压板，其结构均不设置封隔器通孔3107。
以σ3方向下压板3102为例进行说明，本发明中的在常规实心压板上引入导流板3114和进出水孔道3118形成渗流通道，压板接触岩石试样22的内表面中心位置开有矩形凹槽，所述导流板3114尺寸与矩形凹槽一致；导流板3114上表面刻有横向与纵向的导流槽3115，导流槽3115交叉位置设置贯穿导流板3114的渗流孔3116；相似的，压板矩形凹槽表面刻有横向与纵向的导流槽3115，并在压板矩形凹槽中部设置孔径稍大的竖向水孔3117；压板内部设置横向的进出水孔道3118，用以连接竖向水孔3117；所述导流板3114在安装时套嵌与压板矩形凹槽内，并通过紧固螺丝3113与压板固装；由此，所述进出水孔道3118用于注水或排水，而进出水孔道3118与竖向水孔3117、渗流孔3116和导流槽3115在压板内形成渗流通路。
注意，在进行大型岩石试样22的各向异性渗流时是分别以X，Y，Z三个方向或任意进出口方向的渗流试验，当进行某一向的渗流试验时，进水侧与出水侧的两块压板需带渗流孔路，其余压板则保持常规实心压板即可。此时，两块渗流压板其中一块的进出水孔道3118作为入口注入高压水，另一块的进出水孔道3118作为出口排水，渗流压板与岩石试样22形成渗流通路。此时，即可获得岩石试样22在该方向的渗流特性。
本实施例中所述岩石试样22为尺寸400mm×200mm×200mm的长方体，岩石试样22以长轴方向水平放置。岩石试样22水平长轴(左右)方向为最大主应力σ1方向，水平前后方向为中间主应力σ2方向，竖直方向为最小主应力σ3方向。以上设置符合真实地应力环境中的两个水平主应力大于垂直主应力的规律，使得三方向应力加载更符合真实地应力环境。岩石试样22在进行试验前需要经过处理，如图9所示，具体步骤为：
(1)在岩石试样22上端面中心部位沿垂直方向钻孔至岩石试样22中心高度，塞入封隔器27，用密封胶封住封隔器27与钻孔周围缝隙，同时处理超过试样夹具封隔器通孔3107范围的多余密封胶；
(2)在岩石试样22上端面轴线靠近左右两侧部位沿垂直方向钻小直径钻孔直至岩石试样22中心高度，分别将高压脉冲电极28塞入小孔并进行密封和固定；
(3)在岩石试样22前侧面靠近右侧位置钻深度为35mm,直径小于3mm的小钻孔，固定热电偶温度传感器29至钻孔内，并在试样表面自热电偶钻孔位置向右开水平窄槽30，将热电偶温度传感器29线路固定至水平窄槽30内，并保证热电偶温度传感器29线路不突出岩石试样22表面；
(4)安装试样夹具31，并按试验需求选择安装夹具临时紧固件，以及在岩石试样22裸露的边角涂覆耐高温胶进行密封、风干；
(5)拆除试样夹具31安装时的临时紧固件，视试验需求安装σ1，σ2和σ3方向LVDT变形传感器。
试验1
一种高温真三向岩石深地联合致裂方法，采用了岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，包括如下步骤：
步骤一：准备尺寸为400mm×200mm×200mm的岩石试样，在试样中部安装封隔器，两侧安装高压脉冲电流放射头，前侧面安装热电偶温度探头；
步骤二：安装试样夹具，在岩石试样裸露的边角处涂覆耐高温密封胶进行试样密封；
步骤三：试样密封胶风干后，安装三方向LVDT变形传感器；
步骤四：拆卸第一σ2方向加载器，并通过导轨移动至工作平台一侧；
步骤五：操作试样起重机，通过导轨将试样送入加热箱内的σ3方向下压头上，并通过定位插销定位岩石试样位置；
步骤六：启动σ3方向位移加载，在试样夹具上表面与σ3方向上压头间隔至设定值时进行连接高压水/液氮管和封隔器的连接，以及高压脉冲电流放射头和和热电偶温度传感器的连接；
步骤七：整理气液管线后启动σ1方向和σ3方向预应力加载，并加载至预应力设定值；
步骤八：封装加热箱，并固装第一σ2方向加载器；
步骤九：启动σ2方向预应力加载，使试样σ2方向荷载达到预应力设定值；
步骤十：开启制冷降温***，启动温度加载，采用热电偶温度传感器控制进行温度伺服加载，使加岩石试样温度达到设定值并进行保温若干时长；
步骤十一：启动σ1方向、σ2方向和σ3方向的应力加载，加载应力至试验设定值；
步骤十二：启动液氮注入，通过岩石试样中部的封隔器注入液氮流体，实现对试样进行液氮冷冲击预致裂。
步骤十三：启动高压脉冲放电，通过岩石试样两侧的高压脉冲电流放射头，对岩石试样进行高压脉冲电流预致裂。
步骤十三：液氮冷冲击和高压脉冲电流预致裂完毕后，启动水力压裂，通过岩石试样中间的封隔器注入高压水，直至岩石破裂。
步骤十四：试样破裂后，停止压裂与温度加载，待加热箱内温度降至70℃内时卸载三方向应力，并退加载位移至0mm。
步骤十五：拆卸第一σ2方向加载器，并通过试样起重机取出试验后的岩石试样。
步骤十六：导出数据，进行分析处理。
试验2
一种高温真三向地热注采试验方法，采用了岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，包括如下步骤：
步骤一：准备尺寸为400mm×200mm×200mm的预制裂隙岩石试样(图12)，在试样裂隙中间安放若干厚度0.1mm的金属箔片用以控制裂隙开度，随后用水泥砂浆封堵岩石试样表面裂隙出口，风干后进行表面打磨。
步骤二：在岩石试样上表面两侧钻孔安装封隔器，并在岩石试样不同位置和深度安装热电偶温度传感器；
步骤三：安装试样夹具形成装配体，在岩石试样裸露的边角处涂覆耐高温密封胶进行试样密封，(地热注采试验可不必安装三方向LVDT变形传感器)；
步骤四：拆卸第一σ2方向加载器，并通过导轨移动至工作平台一侧；
步骤五：操作试样起重机，通过导轨将试样送入加热箱内的σ3方向下压头上，并通过定位插销定位岩石试样位置；
步骤六：启动σ3方向位移加载，在试样夹具上表面与σ3方向上压头间隔至设定值时进行连接注水管、出水管与封隔器的连接，连接方式如图11所示，以及热电偶温度传感器的连接；
步骤七：整理气液管线后启动σ1方向和σ3方向预应力加载，并加载至预应力设定值；
步骤八：封装加热箱，并固装第一σ2方向加载器；
步骤九：启动σ2方向预应力加载，使试样σ2方向荷载达到预应力设定值；
步骤十：开启制冷降温***，启动温度加载，采用热电偶温度传感器控制进行温度伺服加载，使加岩石试样温度达到设定值并进行保温若干时长；
步骤十一：启动σ1方向、σ2方向和σ3方向的应力加载，加载应力至试验设定值；
步骤十二：记录岩石试样达到设定温度值开始的保温时间段内温控***输出的即时热流值(电流值)，保温阶段的即时热流值作为注采试验岩石试样的热补偿；
步骤十三：更改温控方式为热流值(电流值)加载，输入保温阶段热流值与时间的记录作为热补偿控制指令；
步骤十四：启动伺服高压泵以定压或定流量方式进行进行注水与抽水，记录试样温度，产出液温度、进出口压强、流量等数据。
注意，注采试验时长应不超过步骤十三所输入热流数据的时长。
步骤十五：达到预定注采时长后，停止注采与温度加载，待加热箱内温度降至70℃内时卸载三方向应力，并退加载位移至0mm。
步骤十六：拆卸第一σ2方向加载器，并通过试样起重机取出试验后的岩石试样。
步骤十七：导出记录，进行试验数据分析与处理。
试验3
一种大型试样高温真三向条件下的渗流各向异性测试，采用了岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，包括如下步骤：
步骤一：准备尺寸为400mm×200mm×200mm的岩石试样，在岩石试样表面安装热电偶温度传感器；
步骤二：安装试样夹具，将σ1方向左压板和σ1方向右压板更改为带渗流功能的压板，其余压板则仍保持常规实心压板，试样夹具安装完毕后在岩石试样裸露的边角处涂覆耐高温密封胶进行试样密封；
步骤三：密封胶风干后在试样夹具上安装三方向LVDT变形传感器，形成岩石试样装配体；
步骤四：拆卸第一σ2方向加载器，并通过导轨移动至工作平台一侧；
步骤五：操作试样起重机，通过导轨将试样装配体送入加热箱内的σ3方向下压头上，并通过定位插销定位岩石试样位置；
步骤六：启动σ1方向和σ3方向预应力加载，并加载至预应力设定值；
步骤七：连接热电偶温度传感器，并将σ1方向左压板的进出水孔道作为注入口，将σ1方向右压板的进出水孔道作为采出口，分别连接伺服高压泵；
步骤八：封装加热箱，并固装第一σ2方向加载器；
步骤九：启动σ2方向预应力加载，使试样σ2方向荷载达到预应力设定值；
步骤十：开启制冷降温***，启动温度加载，采用热电偶温度传感器控制进行温度伺服加载，使岩石试样温度达到设定值并进行保温若干时长；
步骤十一：启动σ1方向、σ2方向和σ3方向的应力加载，加载应力至试验设定值；
步骤十二：启动伺服高压泵进行渗流，记录稳定后的进出口压力、流量，并根据岩石试样长度、垂直渗流方向的岩石试样截面积与流体动力粘度即可得σ1方向(X方向)岩石试样的渗透率的力学特性；
步骤十三：停止渗流试验与温度加载，待加热箱内温度降至70℃内时卸载三方向应力，并退加载位移至0mm。
步骤十四：拆卸第一σ2方向加载器，并通过试样起重机取出试验后的岩石试样。
步骤十五：导出数据，进行分析处理。
步骤十六：重复步骤一至步骤十五，即可得到岩石试样在σ2方向(Y方向)和σ3方向(Z方向)或任意进出口路径下的渗流特性。
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，其特征在于：包括主应力加载器、主机框架、高温加热箱、试样夹具、工作平台、伺服高压泵和高压脉电机；所述试样夹具用于夹持岩石试样；所述高温加热箱设置在主机框架内部，用于对试样夹具内岩石试样的高温加载与保温；所述主应力加载器通过测力组件和压头组件对试样夹具内岩石试样提供真三向应力；所述试样夹具由压板组装而成，所述压板包括用于联合致裂、地热注采的常规压板，以及用于渗流模拟试验的渗流压板；所述试验***的工作平台下设有伺服高压泵和高压脉电机，所述伺服高压泵和高压脉冲电机用以对岩石试样进行联合致裂试验时提供高压水、液氮和高压脉冲电流；
所述常规压板中，除设有封隔器通孔的上压板外，其余压板均为实心压板；所述渗流压板包括压板本体及导流板，所述压板本体内表面设有矩形凹槽，所述导流板套嵌在压板矩形凹槽内，矩形凹槽下的压板本体内设有进出水孔道以及与进出水孔道连接的竖向水孔；导流板上表面刻有横向与纵向的导流槽，导流槽交叉位置设置贯穿导流板的渗流孔；在进行渗流试验时，将设定进出流向所对应的压板设置成同尺寸的渗流压板，其余压板采用实心压板；
所述试样夹具的压板具体包括σ 3 方向上压板、σ 3 方向下压板、σ 1 方向左压板、σ 1 方向右压板、σ 2 方向前压板、σ 2 方向后压板；所述σ 3 方向上压板和σ 3 方向下压板为双层阶梯形状，其接触岩石试样的内表面和接触压头的外表面均为矩形，中间层面为同心矩形的阶梯面，中间层面包括中间平面以及用于中间平面与内表面过渡连接的圆弧曲面；所述σ 2 方向前压板和σ 2 方向后压板接触岩石试样的内表面及接触压头的外表面均为矩形，所述σ 2 方向前压板和σ 2 方向后压板在上下侧面留有宽度d的矩形平面，压板内表面与上下侧面通过圆弧曲面过渡连接；所述σ 1 方向左压板和σ 1 方向右压板形状与σ 2 方向前压板和σ 2 方向后压板形状相同。
2.根据权利要求1所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，其特征在于：所述主应力加载器由σ 1 方向加载器、σ 2 方向加载器、σ 3 方向加载器组成；所述σ 1 方向加载器包括第一σ 1 方向加载器、第二σ 1 方向加载器，二者呈水平对称布置，分别固装在主机框架左右两侧；所述σ 2 方向加载器包括第一σ 2 方向加载器、第二σ 2 方向加载器，二者呈水平布置，其中第一σ 2 方向加载器可拆卸的设置在主机框架正前方，所述第二σ 2 方向加载器固装在主机框架正后方；所述σ 3 方向加载器包括第一σ 3 方向加载器、第二σ 3 方向加载器，其中第一σ 3 方向加载器固装在主机框架上方，而第二σ 3 方向加载器通过加载器反力架和横向刚性板固装在试验***的内下部。
3.根据权利要求2所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，其特征在于：所述试验***的工作平台上设有导轨，所述第一σ 2 方向加载器下部设置滑轮，第一σ 2 方向加载器拆卸后可通过电机驱动第一σ 2 方向加载器沿工作平面的导轨移动，所述试验***还包括设置在工作平台一侧的试样起重机，所述试样起重机可通过导轨移动，在试验前后通过机械臂可将岩石试样从高温加热箱内取出或送入高温加热箱内，所述导轨末端设置有限位块；
所述高温加热箱固装在主机框架形成的试验***加载仓内部，该高温加热箱包括加热箱前箱板以及加热箱主箱体，所述加热箱主箱体为上下左右后方五块箱板固装而成，所述加热箱前箱板通过扣锁与加热箱主箱体进行封装，所述高温加热箱上下左右前后六块箱板上均设置有矩形通口，用以压头组件的穿入；所述高温加热箱箱体上设有穿过加热箱箱体的声发射探头，所述高温加热箱外侧设有冷却环管，用于高温加热箱外部结构的降温保护。
4.根据权利要求1所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，其特征在于：所述压头组件的压块上设有耐高温的环形橡胶套，所述压头组件的压头中用于连接伺服高压泵和高压脉冲电机的上压头内部设置有多个“L”型管道埋设孔，所述管道埋设孔分别用于埋设高压水/液氮管，注、出水管，以及高压脉冲电极接口，所述高压水/液氮管、注水管和出水管在竖直方向为螺旋形设置，具有压缩回弹能力。
5.根据权利要求1所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，其特征在于：所述σ 1 方向左/右压板内设置有σ 2 方向LVDT传感器通孔，σ 2 方向前/后压板内设置有σ 1 方向LVDT传感器通孔，σ 3 方向上压板设置有封隔器通孔用以封隔器与高压脉冲电极线路的穿出，σ 3 方向下压板中心设置定位插销孔。
6.根据权利要求1所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，其特征在于：所述σ 3 方向上压板和σ 3 方向下压板内表面的长度和宽度均分别小于岩石试样长度和宽度10mm；所述σ 3 方向上压板和σ 3 方向下压板接触压头的外表面的长度=岩石试样长度+σ 1 方向左压板全厚+σ 1 方向右压板全厚，其外表面宽度=岩石试样宽度+σ 2 方向前压板全厚+σ 2 方向后压板全厚；
所述σ 2 方向前压板和σ 2 方向后压板，其内表面的长度和宽度均分别小于岩石试样长度和高度10mm，所述σ 2 方向前压板和σ 2 方向后压板，其外表面长度小于岩石试样长度10mm，其外表面高度=岩石试样高度+σ 3 方向上压板全厚+σ 3 方向下压板全厚-σ 3 方向上压板矩形侧面厚-σ 3 方向下压板矩形侧面厚-10mm；
所述σ 1 方向左压板和σ 1 方向右压板设置方式与σ 2 方向前压板和σ 2 方向后压板设置相同，压板长度为小于岩石试样宽度10mm。
7.根据权利要求6所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，其特征在于：所述σ 1 方向左压板、σ 1 方向右压板、σ 2 方向前压板和σ 2 方向后压板的侧面上均可拆卸的设置有 “T”形压板滑轨，所述σ 3 方向上压板和σ 3 方向下压板的侧面上均设置有与所述滑轨相应的压板滑道；所述压板滑轨长度等于前后左右四块压板的上下侧面的矩形平面的宽度d；
所述σ 1 方向左压板、σ 1 方向右压板、σ 2 方向前压板和σ 2 方向后压板的下侧面与σ 3 方向下压板直接接触压紧，而前后左右四块压板的上侧面与σ 3 方向上压板留有10mm的间隔，所述压板滑道的高度大于压板滑轨的高度；所述σ 1 方向左压板、σ 1 方向右压板、σ 2 方向前压板和σ 2 方向后压板上下矩形侧面的宽度d小于σ 3 方向上压板和σ 3 方向下压板中间平面宽度D，其宽度差均为5mm（∆d=D-d）。
8.根据权利要求6所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，其特征在于：σ 1 、σ 2 方向LVDT变形传感器埋设至相应的LVDT传感器通孔内，LVDT变形传感器两端通过“L”型传感器支架固定在相邻压板上；σ 3 方向LVDT变形传感器设置在试样夹具的直角空白区域内，并通过“L”型传感器支架固定在σ 3 方向上压板和σ 3 方向下压板上。
9.根据权利要求1所述的一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流模拟试验***，其特征在于：所述渗流压板将其中的导流板替换成同尺寸的实心板后，可作为实心压板使用。
10.一种岩石深地联合致裂、地热注采与渗流的模拟试验方法，其特征在于：所述方法基于权利要求1~9其中任意一项所述试验***进行联合致裂试验或地热注采试验或各向异性渗流试验。
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