一种高温高压条件下岩石裂隙渗流参数测试装置的制作方法

本实用新型提供了一种用于测试岩石裂隙渗流参数的装置，尤其涉及一种用于在高温高压条件下测试地下岩体在特定温度、围压条件下的渗透系数和渗透率等参数的装置，属于机械装置技术领域。

背景技术：

地热资源是一种典型的清洁能源，也被称为“绿色能源”和“可再生能能源”，具有巨大的利用价值。增强型地热系统(EGS)通过注入冷水，利用地下深层温度近乎恒定的特性，使冷水升温，并将其从地下抽出，从而获得高温水或水蒸气，用以发电。地下岩体的渗透性质和渗流过程中的换热效率是决定地热资源利用的效率的关键因素，同时也是增强型地热系统施工设计所依靠的重要技术参数。

在增强型地热系统施工设计中，如果对岩石的裂隙渗流特性了解不充分，则不能确定深层裂隙岩体的最佳渗流方案，在特定深度特定温度下进行水压致裂的过程中对水压及支撑剂的选择将缺乏依据，施工将难以进行。而渗流过程中的换热效率则是直接关系到增强型地热系统开发的经济实用问题，在增强型地热系统运营过程中，若不了解渗透特性，会错误估计裂隙岩体渗透性质，严重影响地热开采的效率，可能导致工程发电所创造价值远远小于前期投入和后天维护费用。水压致裂是增强型地热系统施工的前期工作，必须充分了解该区域含裂隙岩石在所处环境的高温高压下的渗流特性及换热效率，才能进行施工的设计工作，渗流特性包括在特定温度、围压下的渗透系数和渗透率，进一步分析换热效率。

现有岩石裂隙渗流参数特性测试方法一般都采用改进的巴西劈裂法进行人工制造裂隙，然后再低压状态下进行渗流特性测试，通过达西定律进行渗透参数的计算，并且没有测试渗流过程中的换热效率的相关装置。

在很多情况下仅在低压情况下进行测试是不够的。在深部地热开采等工程上，需要在高围压状态下对裂隙岩体注入冷水进行人工渗流，并抽取热水，从而获得地热能源。因此需要对深部的高温岩石的裂隙渗透性质进行研究。而目前的仪器一旦进行高温高压下的渗透试验，仪器的密封性将遭到破坏。在增强型地热系统中，渗流过程中的换热效率是最为关键的因素，目前的仪器没有相关装置，无法测试相关参数。

现有岩石裂隙渗流特性测试相关专利主要有：中国矿业大学研制的“可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置”专利号CN105403498A；湖南科技大学研制的“一种岩石裂隙的制取和渗流装置及渗流特性的试验方法”专利号CN105388098A；武汉大学研制的“一种适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验系统及试验方法”专利号CN105203411A；西安科技大学研制的“一种加卸载条件下煤系地层裂隙渗流模拟试验装置及方法”专利号CN104458534A；北京工业大学研制的“一种裂隙网络岩石剪切-渗流耦合实验方法”专利号CN103954511A；中国矿业大学研制的“可视化多功能裂隙渗流模拟实验台”专利号CN101871876A；中国科学院武汉岩土力学研究所研制的“岩石裂隙渗流试验装置”专利号CN1425906A等。

以上实用新型专利大部分只适用于低压状态，无法实现在高温高压的条件下实现对裂隙的精确控制，并且都没有测试换热效率的手段。而中国矿业大学的“可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置”仅适用于含有充填物的裂隙渗流的测试，不能对非充填裂隙的渗透性质进行测试。

技术实现要素：

本实用新型解决了现有技术中的不足，针对增强型地热系统的高温高压下的渗透试验要求，对MTS岩石力学试验机进行改进，进而开发出了一种满足高温高压下进行渗透试验并能测试渗流过程中的换热效率的装置，对于地热开采有着重要的意义。

实现本实用新型上述目的所采用的技术方案为：

一种高温高压条件下岩石裂隙渗流参数测试装置，至少包括试验机框架，所述试验机框架中安装有试验机三轴缸和压头系统，压头系统由上压头和下压头组成，呈圆柱状的样品放置于上压头和下压头之间，上压头、下压头与样品的连接处用乳胶膜密封，样品的外部包裹有热缩管，热缩管的两端分别套在上压头和下压头上，且两端均采用绝缘胶带封口；

所述上压头和下压头安装于试验机三轴缸上且在其带动下对样品施压；所述下压头上设置有渗流入水孔，上压头上设置有渗流出水孔，渗流入水孔上连接有渗透进水管，渗流出水孔上连接有渗透出水管，试验机三轴缸上连接有输油管，所述渗透进水管、渗透出水管的另一端均与渗压控制系统连接，输油管的另一端与围压控制系统连接，所述的渗压控制系统通过渗透进水管和渗透出水管控制样品上下两端的水压，形成渗透压差；所述的围压控制系统通过输油管控制试验机三轴缸对样品的施加压力。

所述样品的裂隙处采用透明胶固定有用于抵抗围压的金属片。

所述的渗透进水管和渗透出水管上设置有测温仪，测温仪通过数据线与数据处理记录系统连接，所述数据处理记录系统包括计算机和显示器，数据处理记录系统还通过数据线与渗压控制系统和围压控制系统连接。

还设置有样品劈裂装置，所述样品劈裂装置包括球形接触构件、方形底座以及弧形劈裂压头，方形底座以及弧形劈裂压头均设置有上下两个，上下两个弧形劈裂压头均固定于上下两个方形底座内，且上下两个弧形劈裂压头的弧形压槽开口相对，样品固定于上下两个弧形压槽开口处，球形接触构件位于方形底座的顶部。

所述的样品的直径为50mm，样品的高度为100mm。

本实用新型提出了一种在高温高压下对岩石裂隙渗流和换热效率进行测试的装置。它解决了现有技术中无法在高温高压下测试裂隙岩体的渗透参数和换热效率的问题。本方法通过在样品裂隙处加装两片高强度的金属片的方法，抵抗围压，防止热缩管破裂，保证密封性的完好。并在封口处使用乳胶膜、密封圈、绝缘胶带等方法多层加固，保证围压和渗压不泄露，并在渗透系统的进出口水管处使用温度计对换热效率进行测试。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：1、本实用新型为分析岩石裂隙渗流特性提供可靠的室内试验方法，为增强型地热系统施工设计提供可靠的试验支持；2.提供定量化分析评价高温高压条件下岩石在裂隙渗流中渗透参数和换热效率的手段。3.测试方法精确细致，数据准确。

附图说明

图1为本实用新型提供的岩石裂隙渗流参数测试装置的结构示意图；

图2为样品劈裂装置的结构示意图；

图3为弧形劈裂压头的结构示意图；

图4为样品及上压头、下压头的结构示意图；

图中：1-数据处理记录系统，2-渗压控制系统，3-围压控制系统，4-试验机框架，5-试验机三轴缸，6-样品，7-上压头，8-渗透进水管，9-渗透出水管，10-输油管，11-下压头，12-渗流入水孔，13-渗流出水孔，14-球形接触构件，15-方形底座，16-弧形劈裂压头。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做详细具体的说明，但是本实用新型的保护范围并不局限于以下实施例。

本实施例提供的岩石裂隙渗流参数测试装置的结构如图1所示，至少包括试验机框架4，所述试验机框架4中安装有试验机三轴缸5和压头系统，压头系统由上压头7和下压头11组成，呈圆柱状的样品6放置于上压头7和下压头11之间，其结构如图4所示。上压头、下压头与样品的连接处用乳胶膜密封，样品的裂隙处采用透明胶固定有用于抵抗围压的金属片，样品的外部包裹有热缩管，热缩管的两端分别套在上压头和下压头上，且两端均采用绝缘胶带封口。

所述上压头7和下压头11安装于试验机三轴缸5上且在其带动下对样品施压；所述下压头11上设置有渗流入水孔12，上压头7上设置有渗流出水孔13，渗流入水孔12上连接有渗透进水管8，渗流出水孔13上连接有渗透出水管9，试验机三轴缸5上连接有输油管10，所述渗透进水管8、渗透出水管9的另一端均与渗压控制系统2连接，输油管10的另一端与围压控制系统3连接，所述的渗压控制系统通过渗透进水管和渗透出水管控制样品上下两端的水压，形成渗透压差；所述的围压控制系统通过输油管控制试验机三轴缸对样品的施加压力。

所述的渗透进水管8和渗透出水管9上设置有测温仪，测温仪通过数据线与数据处理记录系统1连接，所述数据处理记录系统1包括计算机和显示器，数据处理记录系统1还通过数据线与渗压控制系统2和围压控制系统3连接。

本实施例中所采用的样品6的直径为50mm，样品的高度为100mm。样品的制备采用样品劈裂装置，所述样品劈裂装置的结构如图2所示，包括球形接触构件14、方形底座15以及弧形劈裂压头16，方形底座15以及弧形劈裂压头16均设置有上下两个，上下两个弧形劈裂压头16均固定于上下两个方形底座15内，弧形劈裂压头的结构如图3所示，上下两个弧形劈裂压头的弧形压槽开口相对，样品固定于上下两个弧形压槽开口处，球形接触构件位于方形底座的顶部。

本实施例所提供的岩石裂隙渗流参数测试装置的使用方法如下：(1)、按照试验要求通过样品劈裂装置制作含裂隙的岩样样品，在样品中制造一条贯通直径的裂隙；

(2)、将样品安置在上压头和下压头之间，并在上压头、下压头与样品的连接处用乳胶膜密封，在样品的裂隙处用透明胶固定金属片，用于抵抗围压，防止外侧热缩管破裂；然后用热缩管包裹住样品，并在上下两端的上压头和下压头上各预留出一段热缩管以便密封；通过热吹风机将热缩管加热后，用密封圈套在上压头、下压头和样品的连接处进一步密封；最后在热缩管的两端用绝缘胶带封口；

(3)、将密封完毕后的样品以及上压头、下压头置于试验机三轴缸上，并按照渗透试验要求安装渗透进水管和渗透出水管、输油管；关闭试验机三轴缸，并通过围压控制系统向三轴缸内注入油，并给三轴缸内的油加围压；

(4)、通过渗压控制系统打开上压头和下压头的水路，并加上初始水头，关闭样品下端的水路，锁住下端的水头，再降低样品上端的水头至预定值；打开渗流开关，进行渗透试验；在渗透试验进行中用红外线温度计对进出水口温度进行测量；

(5)、导出各类数据，进行处理，计算得到渗透参数及换热率。