高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统

本实用新型属于深部地热能源领域，具体涉及一种高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统。

背景技术：

当前，我国正面临着能源需求量不断增加，传统化石能源日益减少，环境污染日趋严重的困境，能源问题已逐渐成为制约我国经济和社会发展的重要因素。地热能是一种绿色低碳、稳定可靠的可再生能源，干热岩是地热能资源中非常重要的一种类型，其储量丰富、分布广泛，具有广阔的发展前景。大规模开发利用干热岩地热能，对于调整我国能源结构，促进经济发展，实现节能减排，推进生态文明建设，以及应对全球气候变化具有重要的社会意义和经济价值。

天然的地热储层通常是低孔、低渗的致密结晶岩体，当前工程上大多采用水力压裂方式对其进行刺激与改造。但是，由水基压裂液所导致的水资源浪费、储层破坏严重、压裂液反排困难以及环境污染等问题也逐渐暴露，这严重制约了干热岩地热能源的开发效率及经济效益。冷冲击致裂是一种新型的无水压裂技术，不仅可以避免上述问题，而且因其在增强储层岩体裂隙网络连通性、提高生产效率方面的突出表现而引起了广泛的关注。

液氮是一种性质稳定、无毒无害的超低温流体，其在大气压下的温度约为-196℃，是用于冷冲击致裂的优选压裂液。将低温液氮注入干热岩储层岩体时，其与高温结晶岩石之间将发生剧烈的热交换，由此所带来强烈的冷冲击效应会使岩石表面发生高速收缩变形并产生拉应力，当拉应力超过岩石抗拉强度时，储层岩体将会产生拉伸破坏，进而在储层岩体中形成多组裂隙或裂隙网络。同时，液氮吸热气化成为氮气，体积显著膨胀，进一步促进储层岩体中微裂隙的萌生以及原始裂隙的扩展。

冷冲击致裂在非常规能源开采领域是一种相对较新的技术。如今，有关该技术的研究大都集中在油气资源领域，且以开展冷冲击作用对岩石的孔隙结构、强度特征以及渗透特性影响的研究为主。冷冲击致裂在干热岩地热能源开发中的应用的相关研究鲜有报道，结晶岩石在不同的温度环境、应力状态和压裂条件下的压裂效果、裂缝扩展规律以及致裂机理仍需开展深入的研究。

技术实现要素：

本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，能够在不同的应力状态、环境温度、射流压力等条件下开展干热岩储层岩石冷冲击致裂的模拟实验。

本实用新型为了实现上述目的，采用了以下方案：

本实用新型提供一种高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，其特征在于，包括：高压氮供给装置，包括：氮气瓶，存储氮气；气体增压泵，与氮气瓶相连，将氮气增压至所需高压；高压氮气储罐，与气体增压泵相连、存储增压后的高压氮气；高压液氮储罐，与高压氮气储罐出口相连，在输入的高压氮气的高压驱动下将存储的液氮以高压输出；储层致裂环境模拟装置，与高压氮供给装置相连，包括：加热板组，包含贴合并围绕岩石试样侧面设置的多块加热板，模拟地热储层岩石所处的高温环境；保温板组，包含贴合加热板外侧面设置的多块保温板；真三轴加载装置，加载端与岩石试样的侧面(前后、左右、上下)相对应，在三个方向对岩石试样施加主应力，模拟地热储层岩石所处的深部高应力环境；压裂管，上部开口端与高压液氮储罐和高压氮气储罐相连，下部出口端密封置于岩石试样钻孔中，通过下部出口端输出高压液氮或高压氮气进行冷冲击致裂；以及监测装置，包括：第一压力传感部，设置在高压氮供给装置上，监测该高压氮供给装置的压力信息；第二压力传感部，设置在储层致裂环境模拟装置上，监测该储层致裂环境模拟装置的压力信息；温度传感部，设置在储层致裂环境模拟装置上，监测该储层致裂环境模拟装置和岩石试样的温度信息。

优选地，本实用新型所涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，还可以具有这样的特征：压裂管为套管结构，具有外管和内管，内管作为液氮输送管，内管的外壁与外管的内壁之间形成环空，用于返排汽化后的液氮。

优选地，本实用新型所涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，还可以具有这样的特征：外管和内管延伸至钻孔内的深度相同。

优选地，本实用新型所涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，还可以具有这样的特征：高压液氮储罐为双层结构，内层为真空层，外层包裹保温材料，顶部配置放空阀和安全阀，出口端配置阀门；高压氮气储罐顶部配置供气阀和安全阀，底部配置放空阀。

优选地，本实用新型所涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，还可以具有这样的特征：压裂管的上部开口端处配有放空阀。

优选地，本实用新型所涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，还可以具有这样的特征：第一压力传感部包括设置在高压液氮储罐出口端的压力传感器，实时监测高压液氮储罐的出口压力变化信息；第二压力传感部包括设置在压裂管上部开口端上的压力传感器，实时监测钻孔内部压力变化。

优选地，本实用新型所涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，还可以具有这样的特征：温度传感部包括：第一温度传感器设置在上部开口端上，实时监测流入钻孔流体的温度以判别流体的相态；和第二温度传感器，设置在加热板上，实时监测加热温度。

优选地，本实用新型所涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，还可以具有这样的特征：高压氮供给装置和储层致裂环境模拟装置相互连接的管路上均包裹有保温材料。

优选地，本实用新型所涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，还可以包括：控制装置，与高压氮供给装置、储层致裂环境模拟装置、监测装置均通信相连，控制它们的运行。

优选地，本实用新型所涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，还可以具有这样的特征：控制装置具有控制部、处理部和输入显示部，处理部对监测装置监测到的信息和储层致裂环境模拟装置的运行情况信息进行处理，得到表示冷冲击致裂试验情况的数据；输入显示部对处理后得到的数据进行显示。

实用新型的作用与效果

根据本实用新型所提供的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，通过气体增压泵将氮气压缩至高压气体储罐中，通过压缩氮气将高压液氮储罐中的液氮按照设定高压压出，实现液氮的高压射流，能够研究液氮射流压力对岩石致裂效果的影响；通过加热板和保温板可以将岩石试样加热并维持在预定的温度，模拟了地热储层岩石所处的深部高温环境，以便研究不同环境温度对岩石致裂效果的影响；将试样置于真三轴加载装置，按设定值施加三向荷载以及升高温度，模拟地热储层岩石所处的深部高应力和高温环境，开展冷冲击致裂实验，能够研究不同应力水平及应力各向异性对岩石致裂效果的影响。

本实用新型所涉及的高压氮供给装置的工作原理是在设定的压力条件下通过高压气体储罐中的压缩氮气将高压液氮储罐中的液氮压出，即“气压液”。其中，在氮气瓶，空气压缩机，气体增压泵的联合作用下可将氮气以一定压力(通过电接点压力表控制)储存高压气体储罐中，再通过调压阀调控出口压力，使氮气按照设定的压力注入高压液氮储罐，将液氮以同等压力压出，实现液氮高压射流。

对于岩石致裂，本实用新型设计了两种压裂方式：(1)高压液氮射流，即液氮在设定的压力下被注入岩石钻孔。在压裂管放空阀开启时，可用于研究在设定压力下液氮射流产生的低温和冲击作用对于岩石的损伤或致裂效果；在压裂管放空阀关闭时，以射流方式进入钻孔内的液氮会封存在钻孔内，并通过调压阀逐级增压，直至岩石破裂，同时液氮汽化膨胀产生的压力也会促进岩石的破裂。(2)氮气压裂，即氮气在设定的压力下被注入岩石钻孔，其为一种辅助致裂方式。

进一步，压裂管的套管结构设计可以解决液氮汽化反排问题，当压裂管的放空阀开启时，汽化后的液氮可以通过环空自动排至大气环境；当压裂管的放空阀关闭时，液氮的汽化增加钻孔内压力，能够促使岩石试样致裂。

综上，本实用新型能够在不同温度和应力条件下开展干热岩储层岩石冷冲击致裂的模拟实验，研究干热岩开采过程冷冲击致裂技术的适用性，分析压裂裂缝的起裂、扩展规律及其影响因素，揭示地热储层岩石在温度场和应力场共同作用下的致裂机理，建立冷冲击致裂效果的评价方法，能够推动地热储层压裂增产技术的研究进程，促进冷冲击致裂技术的发展，为指导干热岩地热资源的开发利用提供重要的技术支撑。

附图说明

图1是本实用新型实施例涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例涉及的压裂管和岩石试样的结构示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本实用新型所涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统作详细阐述。

<实施例>

如图1和2所示，高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统10包括高压氮供给装置20、储层致裂环境模拟装置30、自增压液氮罐40、监测装置50以及控制装置60。

高压氮供给装置20包括氮气瓶21、气体增压泵22、空气压缩机23、高压氮气储罐24、调压阀25以及高压液氮储罐26。

氮气瓶21的出口配有阀门21a和减压阀21b，瓶内装有高纯度氮气，其出口通过不锈钢管路连接至气体增压泵22，打开阀门21a，通过调节减压阀21b控制氮气出口压力。

气体增压泵22与氮气瓶21相连，将氮气压缩至高压氮气储罐24中，利用调压阀25调节高压氮气储罐24的出口压力，通过压缩氮气将高压液氮储罐26中的液氮按照设定压力压出，实现液氮的高压射流。

空气压缩机23配有电磁阀23a，其出口通过软管连接至气体增压泵22和调压阀25，用于提供气动来源。

高压氮气储罐24与气体增压泵22相连、存储增压后的高压氮气。高压氮气储罐24由高强度钢材制成，用于储层压缩氮气，可承压40mpa，其侧端配有放空阀24a，出口端设有阀门24b和安全阀24c，通过不锈钢管路连接调压阀25。

调压阀25安装在高压氮气储罐24的出口处，用于调节输出高压氮气的压力。调压阀25出口端通过阀门25a连接高压液氮储罐26，通过阀门25b连接压裂管34。可通过控制装置60调节，按照设定压力值将高压氮气储罐24中的氮气增压至高压液氮储罐26中，以实现液氮的高压射流致裂。另外，作为一种辅助致裂方式，也可以按照设定压力直接将压缩氮气通过管路输送至岩石钻孔中，实现气体压裂。

高压液氮储罐26与高压氮气储罐24出口相连，在输入的高压氮气的高压驱动下将存储的液氮以高压输出。本实施例中，高压液氮储罐26由耐低温的高强度钢材制成，有效容积2l，可承压35mpa，为双层结构，内层为真空层，外层包裹保温材料，顶部配置放空阀26a和安全阀26b，出口端配置阀门26c，出口端管路为耐低温不锈钢材料，且管路外部包裹保温材料。

储层致裂环境模拟装置30与高压氮供给装置20相连，包括六块加热板31、六块保温板32、真三轴加载装置33以及压裂管34。

六块加热板31贴合并围绕岩石试样s六个侧面设置，用于模拟地热储层岩石所处的高温环境。本实施例中，岩石试样s为正方体状，尺寸为200×200×200mm，岩石试样s中部预留100mm深的钻孔。

六块保温板32贴合六个加热板31的外侧面设置，围成密封隔热的高温空间。

真三轴加载装置33的加载端与岩石试样s的侧面相对应，在三个方向(上下、左右、前后)对岩石试样s施加主应力。本实施例中，真三轴加载装置33在两个水平方向和竖直方向各配有一个液压作动器，通过控制装置60来控制液压作动器的位移和施加荷载的大小，模拟地热储层岩石所处的应力环境。

压裂管34上部开口端与高压液氮储罐26和高压氮气储罐24相连，下部出口端密封置于岩石试样s钻孔中(管侧面与钻孔侧壁密封，出口与钻孔相通，且距离钻孔底部一定距离)，通过下部出口端输出高压液氮或高压氮气进行冷冲击致裂。具体地，如图2所示，在本实施例中压裂管34为套管结构，具有外管和内管，外管和内管延伸至钻孔内的深度相同，内管作为液氮输送管，内管的外壁与外管的内壁之间形成环空，用于返排汽化后的液氮。本实施例中，压裂管34上端出口通过螺母与液氮输送管路连接，左端出口设有放空阀34a，底端管路外壁通过环氧树脂34b固结在岩石试样s的预留钻孔中；压裂管34由耐低温的高强度不锈钢制成，为套管结构，液氮输送管与压裂管34上端连接后延伸至压裂管34底端，液氮输送管外壁与外管内壁之间形成环空，当放空阀34a打开时，汽化后的液氮可通过环空返排。

自增压液氮罐40与高压液氮储罐26和压裂管34均相连，既能够向该高压液氮储罐26补给液氮，也能够向压裂管34供给低压液氮进行管路及岩石试样s钻孔的预冷。自增压液氮罐40出口配有放空阀40a、排液阀40b、安全阀40c，有效容积200l，标准工作压力0.05mpa。罐内液氮汽化增压，打开排液阀40b后，可使罐内液氮通过管路向高压液氮储罐26补给液氮，或通过管路自流注入岩石试样s的钻孔内。自增压液氮罐40与岩石试样s之间的管路设有阀门40d，管路为耐低温不锈钢材料，且管路外部包裹保温材料。

监测装置50包括：设置在高压氮气储罐24调压阀21b出口处、实时监测氮气压力的压力传感器51，设置在高压液氮储罐26出口端、实时监测高压液氮储罐26出口压力变化信息的压力传感器52，设置在压裂管34上部开口端上、实时监测钻孔内部压力变化的压力传感器53，设置在自增压液氮罐40上的压力表54，设置在压裂管34右端出口、实时监测流入钻孔流体的温度以判别流体相态的第一温度传感器55，内嵌在加热板31上、实时监测加热温度的多个第二温度传感器。本实施例中，压裂管34上端出口通过螺母与液氮输送管路和压力传感器53连接。液氮在标准大气压下的温度为约-196℃，液氮在流经管路的过程中可能会发生汽化，即液氮转变为氮气，其温度远高于-196℃。通过第一温度传感器55所反映的温度可用来判断流入压裂管34的流体的相态，即是否为液态氮。

控制装置60与高压氮供给装置20、储层致裂环境模拟装置30、自增压液氮罐40、监测装置50均通信相连，并控制它们的运行。本实施例中，控制装置60具有电脑61、温度伺服控制器62和压力伺服控制器63。通过电脑61和温度伺服控制器62控制加热温度，模拟地热储层岩石所处的高温环境。通过电脑61和压力伺服控制器63控制压力，模拟地热储层岩石所处的高压环境。电脑61还能够对监测装置50监测到的信息和储层致裂环境模拟装置30的运行情况信息进行处理，得到表示冷冲击致裂实验情况的数据；并对监测装置50监测到的信息进行处理，得到实时的压力累积曲线，然后基于压力累计曲线得到击穿压力，还能够根据监测到的信息处理得到实时温度信息和流入钻孔流体的相态；进一步对储层致裂环境模拟装置30的运行情况信息进行处理，得到环境模拟数据；并且电脑61还能够基于输入的指令对处理后得到的压力累积曲线、击穿压力、环境模拟数据进行相应显示。

以上是高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统10的具体结构，下面对该高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统10的实验操作过程进行说明：

步骤1，准备尺寸为200×200×200mm的岩石试样s，使用钻孔机在岩石试样s顶端中间位置钻直径30mm的钻孔，孔深为100mm。

步骤2.将压裂管34插入待测岩石试样s的钻孔中，压裂管34底部与钻孔底部留有10mm的距离，采用环氧树脂将压裂管34外壁与钻孔内壁固结密封；将密封好的岩石试样s放置于真三轴加载装置33中，并放入加热板31，使加热板31与岩石试样s的外表面贴合，然后将隔热板置于真三轴加载装置33中，固定在加热板31的外侧，形成封闭的加热空间；

步骤3.控制装置60以位移为目标来控制真三轴加载装置33的移动，以负荷为目标来控制三向应力的施加，通过真三轴加载装置33对岩石试样s在三个方向施加目标主应力；通过加热板31将岩石试样s加热至目标温度，并维持足够长的时间使试样受热均匀；从而模拟地热储层岩石所处的高温、高压环境。并通过监测装置50监控模拟情况。

步骤4.调节排液阀使自增压液氮罐40中的液氮流出，对高压液氮储罐26和液氮输送管路进行预冷；关闭阀门25a、25b，打开阀门26c、40d和放空阀26a，调节排液阀40b使自增压液氮罐40中的液氮流出，对高压液氮储罐26和液氮输送管路进行预冷，以减少实验过程中液氮的汽化。

步骤5.预冷完成后，关闭阀门40d，通过自增压液氮罐40对高压液氮储罐26进行充液，充液完成后关闭排液阀40b。

步骤6.充液完成后关闭排液阀40b，通过气体增压泵22将氮气增压至高压气体储罐中；关放空阀24a和阀门24b，打开阀门21a、减压阀21b、空气压缩机23和气体增压泵22，将氮气增压至高压氮气储罐24中。

步骤7.将液氮输送管路连接至压裂管34上端接口，关闭放空阀26a、34a，打开阀门24b、阀门25a、40d，通过控制装置60控制调压阀25设定高压气体储罐的出口压力，通过高压气体将高压液氮储罐26中的液氮压至试样钻孔中，当钻孔内部压力累积曲线骤降时(即达到击穿压力)，表明试样已破裂；或在步骤6的基础上，关闭放空阀34a，打开阀门24b、25b，通过控制装置60控制调压阀25设定高压气体储罐的出口压力，将高压氮气压至试样钻孔中，直至岩石试样s破裂；在试验过程中，采用监测装置50实时监测压力信息和温度信息；

以上两种方式均能实现岩石压裂，具体选择应视实验方案而定：采用液氮高压射流的方式可以在增压的同时对岩石产生冷冲击作用，理论上可以增加岩石的损伤，降低击穿压力，使岩石更容易被压裂。研究不同环境温度、应力条件以及注入方式下液氮对岩石压裂效果及规律时，可采用此压裂方式。氮气压裂仅起到压裂岩石的作用，并没有低温所带来的冷冲击效果，在实验过程中若仅需知道岩石的击穿压力可采用此方式。

步骤8.打开放空阀24a，将高压氮气储罐24中的气体安全放出；打开放空阀26a，使高压液氮储罐26中剩余的液氮汽化排出；通过控制装置60将施加在岩石试样s上的应力卸除，使加热板31停止加热，待试样冷却后，将其从真三轴加载装置33中取出；通过视觉观察和ct扫描技术(非实时观察)来观察岩石试样s中压裂裂缝的扩展规律和连通性，使用照相机和ct扫描图像来记录压裂后的裂缝形态。

具体地，岩石试样s的致裂效果可通过多种指标和手段进行综合评价：(1)击穿压力。实验过程中钻孔内部的压力可以通过压裂管34出口处的压力传感器实时监测，并将数据传输至控制装置60，实时显示压力累积曲线，在岩石试样s破裂时压力累积曲线会出现明显的骤降，即为击穿压力。击穿压力的大小能够作为岩石致裂难易程度的评判指标。(2)目视监测。通过对岩石试样s上宏观压裂裂缝的数量、宽度以及走向进行分析，可以评判致裂效果。(3)ct扫描。对致裂后的岩石试样s进行ct扫描，通过对ct图像进行分析，可以判别岩石断面裂缝的连通性，从而评价之类效果。(4)气体封闭测试。对于经过液氮长时间冷却或其他预处理条件下的试样(未压裂)，通过向岩石试样s钻孔内注入一定压力的氮气(压裂管34放空阀关闭)，观察压力泄漏情况，由此来评判岩石试样s内部的裂隙发育状态。

在上述实验过程中，若系统内压力超过安全阀24c、26b、40c的压力设定值，安全阀将主动开启，进行泄压。

如上，通过本实施例所提供的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统10，能够得到高温结晶岩石在不同的应力状态、环境温度、射流压力等条件下的冷冲击致裂过程信息，研究储层岩石的起裂特征和裂缝扩展规律，分析冷冲击诱导压裂的致裂机理及影响因素，验证冷冲击致裂技术在干热岩地热储层改造领域的适用性及可行性。

上述实施例仅仅是对本实用新型技术方案所做的举例说明。本实用新型所涉及的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本实用新型所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本实用新型所要求保护的范围内。