CN116399784B - 一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置及方法，属于地热井模拟抽采技术领域；解决现有装置无法进行高温高压下多裂隙渗流测量问题；本发明将径向预制多条组合裂隙的岩石试样通过布孔夹具固定，置于压力釜中，并对压力釜配置加温和轴压施加装置及孔隙压力施加装置，孔隙流体经过岩石试样中部通孔、径向渗流面及布孔夹具预制孔洞流出，经测量流出孔隙流体流速，获得高温高压下岩石径向渗流特性；该渗流装置可模拟地热井地热开采与加压回灌过程，与现有压力釜相比，本发明可通过简单的结构设计，完成预制多组合裂隙岩体多种工况下的渗流试验，成本低，利用率高。
Description
技术领域
本发明属于地热井模拟抽采技术领域，具体涉及一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置及方法。
背景技术
地热是指贮存于地球内部的可再生热能，一般由熔融岩浆、放射性物质衰变或地质构造运动生成。基于地热能可再生性以及能源的清洁性，可随时采用，地热能源的开发和利用已得到越来越多国家的重视。若热储层是深度较大的裂缝型热储时，裂缝带或者断层破碎带是地热开采目标层，对该区域岩体渗流能力的测试试验，就需借助预制裂缝手段来完成。现有渗流测试压力釜功能单一，通常是从轴向压头处施压并渗流，流体从岩石试样底部流出，进行渗流测试，这种仅可实现特定条件下渗流试验操作，现有的渗流试验装置无法针对具有多条径向裂隙岩石试样进行渗流系数测定。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置及方法。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置，包括压力釜，所述压力釜包括釜体和釜盖；轴向压头经釜盖贯穿至釜体，用于对釜体内的岩石试样施加轴压；轴向压头内设置有渗流孔道；所述釜体设置有渗流接口；其特征在于，所述釜体内设置有布孔夹具，所述的岩石试样设置在布孔夹具内；所述布孔夹具侧壁沿轴向布设有多排渗流孔，每排渗流孔位于同一水平面；多排渗流孔的间距与岩石试样的径向裂隙间距一致；所述釜体底部设置有用于固定放置岩石试样的卡槽，所述布孔夹具与卡槽固定连接，卡槽的内径R1与布孔夹具的外径r1相等，确保轴压加载过程中岩石试样不会发生径向剪切，在轴压作用下岩石试样径向膨胀，在布孔夹具的束缚作用下模拟围压加载状态。
优选的，所述釜体设置有底部渗流接口和侧部渗流接口；所述卡槽底部和底部渗流接口相连通；所述渗流孔与侧部渗流接口相连通。
优选的，所述釜盖连接有冷却循环***，用于模拟实际地热环境时对轴向压头进行降温保护。
更优的，冷却循环***包括设置在釜盖内的环形散热片，以及连接在釜盖上的冷却水进口管道和冷却水出口管道。
优选的，每排渗流孔之间各孔呈环形均匀分布，每排渗流孔的数量≥6个。
优选的，釜体的端面设置有法兰和环形卡槽，釜盖嵌入环形卡槽内并通过法兰和螺栓与釜体固定连接，环形卡槽内嵌有密封片进行密封。
优选的，所述釜体设置有传感器接口。
基于一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置的渗流试验方法，包括以下步骤：
1）取完整岩石试样，沿轴向在岩石试样中部打一通孔用于引入渗流流体；然后沿岩石试样的径向预制多条裂隙，将预制了裂隙的岩石试样置于布孔夹具内；
2）从轴向压头引入渗流流体，渗流流体依次经轴向压头、岩石试样的轴向通孔、径向裂隙、布孔夹具的渗流孔，然后从渗流接口流出，再通过检测装置测定渗流流体的流量和渗透系数；
当需要对岩石试样中的每条或每组裂隙的渗透系数分别进行测定时，对岩石试样的裂隙预制方法为：从岩石试样底部依次向上径向预制一条或一组裂隙，安装渗流试验装置进行渗流试验，记录流量计算渗透系数/>；取出岩石试样预制下一条或一组裂隙，再次安装渗流试验装置进行渗流试验，记录两条或两组的总流量/>并计算渗透系数/>，此时第二条或第二组裂隙实际通过流量/>，计算出第二条或第二组裂隙的渗透系数/>；同理预制三条或三组以上的裂隙，按照上述步骤依次完成测试，第/>条或/>组裂隙的实际通过流量/>，计算出渗透系数/>；
当需要对岩石试样所有的径向裂隙的渗透系数进行测定时，可以一次预制出条裂隙或选用天然裂隙岩体，进行渗流试验，记录总流量/>计算渗透系数/>。
优选的，所述釜体设置有底部渗流接口和侧部渗流接口；所述卡槽底部和底部渗流接口相连通；所述渗流孔与侧部渗流接口相连通；侧部渗流接口用于径向裂隙渗流试验，底部渗流接口用于常规岩体渗流试验，和竖直贯通裂隙渗流试验；
当进行径向裂隙渗流试验时，关闭底部渗流接口，使渗流流体从侧部渗流接口流出进行测定；当进行常规岩体渗流试验，和竖直贯通裂隙渗流试验时，在布孔夹具与岩石试样之间放置胶套封闭渗流孔，关闭侧部渗流接口，打开底部渗流接口使渗流流体从底部渗流接口流出。
优选的，所述胶套壁厚为2~3mm，且与布孔夹具内径r2、岩石试样半径r0满足。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
本发明可以对多裂缝性岩石试样进行常规渗流试验、径向裂隙和竖直贯通裂隙试样的渗流试验，可对裂缝型热储层地热开采与加压回灌阶段进行模拟，实现预制3条及以上多组合裂隙的渗透率测定，也可以进行单裂隙渗透率测定，本发明所述的装置结构设计简单，实用效率高。
附图说明
图1为本发明所述模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置的剖面图。
图2为本发明所述布孔夹具的俯视图。
图3为图2的A-A向视图。
图4为本发明所述布孔夹具的正视图。
图5为实施例2和3中岩石试样径向裂隙预制过程示意图。
图6为裂缝型热储层地热开采与加压回灌***过程模拟图。
图7为实施例4中二、三、四、五条竖直端面贯通裂隙俯视图。
其中，2-布孔夹具，3-岩石试样，4-釜盖，5-釜体，6-轴向压头，8-第一渗流通道，9-第二渗流通道，10-工控机，11-油箱，12-水槽，13-第一高精度流量泵，14-第二高精度流量泵，101-法兰，102-环形卡槽，103-螺栓，104-密封片，201-渗流孔，501-卡槽，502-凹槽，503-底部渗流接口，504-环形凹槽，505-侧部渗流接口，506-传感器接口，507-垫片，601-密封圈，602-渗流孔道，701-环形散热片，702-冷却水进口管道，703-冷却水出口管道。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
参照图1-6，本实施例提出一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置，包括压力釜，所述压力釜包括釜体5和釜盖4；釜体5的上端面设置有法兰101和环形卡槽102，釜盖4的下端面嵌入环形卡槽102内并通过法兰101和螺栓103与釜体5固定连接，环形卡槽102内嵌有密封片104进行密封。轴向压头6经釜盖4贯穿至釜体5，用于对釜体5内的岩石试样3施加轴压；轴向压头6与釜盖4的接触面设置有密封圈601，用于对釜盖4与轴向压头6的空隙进行密封。轴向压头6内中心轴向设置有渗流孔道602；渗流孔道602贯穿在轴向压头6的上下端面，用于引入渗流流体。釜盖4连接有冷却循环***，用于模拟实际地热环境时对轴向压头6进行降温保护。冷却循环***包括设置在釜盖4内的环形散热片701，以及连接在釜盖4上的冷却水进口管道702和冷却水出口管道703，环形散热片701可以协同冷却水增强散热能力。
所述釜体5内设置有布孔夹具2，所述的岩石试样3设置在布孔夹具2内；所述布孔夹具2侧壁沿轴向布设有多排渗流孔201，每排渗流孔201位于同一水平面；多排渗流孔201的间距与岩石试样3的径向裂隙间距一致；每排渗流孔201之间各孔呈环形均匀分布，每排渗流孔201的数量≥6个。每排渗流孔201与在同一水平面的岩石试样3上的径向裂隙形成一条渗流通道。
釜体5底部中央设置有用于固定放置岩石试样3的卡槽501，所述布孔夹具2与卡槽501固定连接，卡槽501的内径 与布孔夹具2的外径/>相等，确保轴压加载过程中岩石试样3不会发生径向剪切，在轴压作用下岩石试样3径向膨胀，在布孔夹具2的束缚作用下模拟围压加载状态。在卡槽501的底部中央还设置有凹槽502，凹槽502内根据不同的试验要求垫有不透水的垫片507或透水的金属网。釜体5设置有底部渗流接口503和侧部渗流接口505；凹槽502底部和底部渗流接口503相连通；渗流孔201通过釜体5底部边缘设置的环形凹槽504与侧部渗流接口505相连通。釜体5的侧壁还设置有传感器接口506，用于连接温度传感器。
参照图6，通过工控机10控制油箱11和泵对轴向压头6施加轴压，同时将渗流孔道602连接第一渗流通道8，向本装置泵入渗流流体，将底部渗流接口503或侧部渗流接口505连接第二渗流通道9，将经过岩石试样3的裂隙的渗流流体引出装置，通过工控机10测定流量和渗流率。
实施例2
本实施例是基于实施例1提出的模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置的一种渗流试验方法：具体为模拟地热井加压回灌即径向裂隙渗流试验。
以标准的岩石试样3预制4条径向裂隙为例，参见图5，首先需打磨50×100mm标准岩石试样3并沿其中心轴向打通一3mm的圆孔，并侧向沿布孔夹具2孔洞中心预制裂隙或径向预制距底部高度H=5L（mm）（L为0＜L≤15整数）的裂隙。
其中径向预制贯通裂隙可按照多种形式进行制备，即一个标准岩石试样3中，如图5所示先预制一条径向预制贯通裂隙，完成模拟***安装进行渗流试验，测得流量、计算渗透系数/>。而后取出岩石试样3，预制第二条裂隙，再次组装压力釜，进行渗流试验测得总流量/>，此时计算第二条裂隙经过流量/>，计算出第二条裂隙渗透系数/>。同理依次计算出第三条、第四条裂隙实际通过流量，计算出各条裂隙渗透系数/>，图5中分别代表在岩石试样3中预制1、2、3、4条径向渗流裂隙。
同样如果仅需一次渗流试验测出试样渗透系数，岩石试样3制备过程中可切片方式直接预制出四条径向裂隙，或通过五块中部打通孔试样堆叠的方式，预制出高度相同，裂隙位置相同的试样，安装模拟***，完成试样渗透系数测定。
具体试验操作为：将压力釜的釜体5放置在三轴试验平台上，两者之间放置云母板隔热，在釜体5的凹槽502位置处，放置圆形铜材质的垫片507来封闭凹槽502，确保岩石试样3与布孔夹具2持平，并关闭底部渗流接口503。同时将岩石试样3及布孔夹具2卡放在卡槽501处，并保持传感器接口506处的热电偶顶部触碰到布孔夹具2。
将釜盖4盖上，同时轴向压头6保持与三轴试验机轴压头对齐，此时入口的渗流孔道602及出口的侧部渗流接口505之间的通路进行渗流，冷却循环***经冷却水进口管道702和冷却水出口管道703接入冷却水循环，放置好加热块及水槽等工具，即可进行渗流试验。
此时，模拟地热井加压回灌过程，加压回灌渗流流体依次经轴向压头6、岩石试样3的轴向通孔、径向裂隙、布孔夹具2的渗流孔201、环形凹槽504、侧部渗流接口505流出，通过第二渗流通道9并由水槽12收集。
实施例3
本实施例是基于实施例1提出的模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置的一种渗流试验方法：具体模拟地热井开采即径向裂隙渗流试验。以四条裂隙模拟地热井抽采能力测试为例，按照例2所示方式进行岩石试样3制备安装，拟一次测出岩石试样3的渗透系数K0。
将釜体5放置在三轴试验平台上，两者之间放置云母板隔热，在釜体5的凹槽502位置处，放置圆形铜材质的垫片507来封闭凹槽502，确保岩石试样3与布孔夹具2持平，并关闭底部渗流接口503。同时将岩石试样3及布孔夹具2卡放在卡槽501处，并保持传感器接口506处的热电偶顶部触碰到布孔夹具2。
将釜盖4盖上，同时轴向压头6保持与三轴试验机轴压头对齐，此时入口的渗流孔道602及出口的侧部渗流接口505之间的通路进行渗流，冷却循环***经冷却水进口管道702和冷却水出口管道703接入冷却水循环，放置好加热块及水槽等工具，即可进行渗流试验。
此时，模拟地热井开采过程，第二高精度流量泵14中水流经侧部渗流接口505返回环形凹槽504，经布孔夹具2及岩石试样3的径向预制裂隙汇集到轴向中部孔内，并从渗流孔道602处流出压力釜，通过第一渗流通道8并由水槽12收集。
对模拟地热井开采过程中的试样流量进行记录，并计算渗透系数，得出模拟***渗透系数、采集流量/>，评估开采经济效益。
实施例4
本实施例是基于实施例1提出的模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置的一种渗流试验方法：具体进行竖直端面贯通裂隙渗流试验，仅需将岩体预制3的端面设置轴向的贯通竖直裂隙，放置于布孔夹具2中，并进行压力釜组装。
同理竖直端面预制贯通裂隙也可按照多种预制方式制成，即一个标准岩石试样3中，预制多条竖直裂隙，图7所示分别为二、三、四、五条竖直贯通裂隙的制备方法，即分别做试样端面的内切多边形，多边形边长及边数分别代表竖直裂隙的宽度和数目。
将压力釜的釜体5放置在三轴试验平台上，在釜体5的凹槽502位置处，放置多层圆形金属滤网垫片确保试样与布孔夹具2持平，开启底部渗流接口503渗流通道，封闭侧部渗流接口505。同时将岩体试样3及布孔夹具2卡放在卡槽501处，并保持传感器接口506处的热电偶顶部触碰到布孔夹具2。需要注意的是布孔夹具2孔洞可能作为裂隙渗流通道，因此需要在岩体试样3与布孔夹具2之间放置胶套，起到固定和封闭通道的作用。胶套壁厚为2~3mm，且与布孔夹具2内径/>、岩石试样3半径/>满足/>。
将压力釜的釜盖4盖上，同时放置轴向压头6保持与三轴试验机轴压头对齐，入口的渗流孔道602及出口的底部渗流接口503之间的通路进行渗流。冷却循环***经冷却水进口管道702和冷却水出口管道703接入冷却水循环，放置好加热块及水槽等工具，即可进行渗流试验。
第一高精度流量泵13中加压回灌渗流流体依次经轴向压头6、岩石试样3的竖直贯通裂隙、凹槽502及金属滤网垫片、底部渗流接口503流出，通过第二渗流通道9并由水槽12收集。
同理进行竖直贯通裂隙各条裂隙渗透系数计算时，步骤与实施例2和3相同。可依次预制各条裂隙，记录通过流量并计算每条裂隙渗透系数；也可以一次测定出多裂隙试样渗透系数/>。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (9)
1.一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置，包括压力釜，所述压力釜包括釜体（5）和釜盖（4）；轴向压头（6）经釜盖（4）贯穿至釜体（5），用于对釜体（5）内的岩石试样（3）施加轴压；轴向压头（6）内设置有渗流孔道（602）；所述釜体（5）设置有底部渗流接口（503）和侧部渗流接口（505）；其特征在于，所述釜体（5）内设置有布孔夹具（2），所述的岩石试样（3）设置在布孔夹具（2）内；所述布孔夹具（2）侧壁沿轴向布设有多排渗流孔（201），每排渗流孔（201）位于同一水平面；多排渗流孔（201）的间距与岩石试样（3）的径向裂隙间距一致；所述釜体（5）底部设置有用于固定放置岩石试样（3）的卡槽（501），所述布孔夹具（2）与卡槽（501）固定连接，所述卡槽（501）底部和底部渗流接口（503）相连通；所述渗流孔（201）与侧部渗流接口（505）相连通；卡槽（501）的内径R1与布孔夹具（2）的外径r1相等，确保轴压加载过程中岩石试样（3）不会发生径向剪切，在轴压作用下岩石试样（3）径向膨胀，在布孔夹具（2）的束缚作用下模拟围压加载状态。
2.根据权利要求1所述的一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置，其特征在于，所述釜盖（4）连接有冷却循环***，用于模拟实际地热环境时对轴向压头（6）进行降温保护。
3.根据权利要求2所述的一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置，其特征在于，冷却循环***包括设置在釜盖（4）内的环形散热片（701），以及连接在釜盖（4）上的冷却水进口管道（702）和冷却水出口管道（703）。
4.根据权利要求1所述的一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置，其特征在于，每排渗流孔（201）之间各孔呈环形均匀分布，每排渗流孔（201）的数量≥6个。
5.根据权利要求1所述的一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置，其特征在于，釜体（5）的端面设置有法兰（101）和环形卡槽（102），釜盖（4）嵌入环形卡槽（102）内并通过法兰（101）和螺栓（103）与釜体（5）固定连接，环形卡槽（102）内嵌有密封片（104）进行密封。
6.根据权利要求1所述的一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置，其特征在于，所述釜体（5）设置有传感器接口（506）。
7.基于如权利要求1-6任意一项所述的一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置的渗流试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）取完整岩石试样（3），沿轴向在岩石试样（3）中部打一通孔用于引入渗流流体；然后沿岩石试样（3）的径向预制多条裂隙，将预制了裂隙的岩石试样（3）置于布孔夹具（2）内；
2）从轴向压头（6）引入渗流流体，渗流流体依次经轴向压头（6）、岩石试样（3）的轴向通孔、径向裂隙、布孔夹具（2）的渗流孔（201），然后从渗流接口流出，再通过检测装置测定渗流流体的流量和渗透系数；
当需要对岩石试样（3）中的每条或每组裂隙的渗透系数分别进行测定时，对岩石试样（3）的裂隙预制方法为：从岩石试样（3）底部依次向上径向预制一条或一组裂隙，安装渗流试验装置进行渗流试验，记录流量计算渗透系数/>；取出岩石试样（3）预制下一条或一组裂隙，再次安装渗流试验装置进行渗流试验，记录两条或两组的总流量/>并计算渗透系数/>，此时第二条或第二组裂隙实际通过流量/>-/>，计算出第二条或第二组裂隙的渗透系数/>；同理预制三条或三组以上的裂隙，按照上述步骤依次完成测试，第/>条或/>组裂隙的实际通过流量/>，计算出渗透系数/>；
当需要对岩石试样（3）所有的径向裂隙的渗透系数进行测定时，可以一次预制出条裂隙或选用天然裂隙岩体，进行渗流试验，记录总流量/>计算渗透系数/>。
8.根据权利要求7所述的基于一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置的渗流试验方法，其特征在于，所述釜体（5）设置有底部渗流接口（503）和侧部渗流接口（505）；所述卡槽（501）底部和底部渗流接口（503）相连通；所述渗流孔（201）与侧部渗流接口（505）相连通；侧部渗流接口（505）用于径向裂隙渗流试验，底部渗流接口（503）用于常规岩体渗流试验，和竖直贯通裂隙渗流试验；
当进行径向裂隙渗流试验时，关闭底部渗流接口（503），使渗流流体从侧部渗流接口（505）流出进行测定；当进行常规岩体渗流试验，和竖直贯通裂隙渗流试验时，在布孔夹具（2）与岩石试样（3）之间放置胶套封闭渗流孔（201），关闭侧部渗流接口（505），打开底部渗流接口（503）使渗流流体从底部渗流接口（503）流出。
9.根据权利要求8所述的基于一种模拟裂缝型热储层地热开采渗流试验的装置的渗流试验方法，其特征在于，所述胶套壁厚为2~3mm，且与布孔夹具（2）内径r2、岩石试样（3）半径r0满足/>。
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