高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统技术方案

本实用新型专利技术提供了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模拟实验。本实用新型专利技术所提供的高温结晶岩石冷冲击致裂试验系统包括：高压氮供给装置，包括：氮气瓶，气体增压泵，高压氮气储罐，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，保温板组，真三轴加载装置，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。

【技术实现步骤摘要】
高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统
本技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本技术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。本技术为了实现上述目的，采用了以下方案：本技术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，本技术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，本技术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，本技术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，本技术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，本技术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，本技术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，本技术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，本技术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，本技术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。技术的作用与效果根据本技术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。本技术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，本技术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，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，其特征在于，包括：/n高压氮供给装置，包括：氮气瓶，存储氮气；气体增压泵，与所述氮气瓶相连，将氮气增压至所需高压；高压氮气储罐，与所述气体增压泵相连、存储增压后的高压氮气；高压液氮储罐，与所述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；/n储层致裂环境模拟装置，与所述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，包含贴合所述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，上部开口端与所述高压液氮储罐和所述高压氮气储罐相连，下部出口端密封置于岩石试样钻孔中，通过所述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/n监测装置，包括：第一压力传感部，设置在所述高压氮供给装置上，监测该高压氮供给装置的压力信息；第二压力传感部，设置在所述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，设置在所述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。/n...

【技术特征摘要】
1.一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，与所述氮气瓶相连，将氮气增压至所需高压；高压氮气储罐，与所述气体增压泵相连、存储增压后的高压氮气；高压液氮储罐，与所述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，与所述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，包含贴合所述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，上部开口端与所述高压液氮储罐和所述高压氮气储罐相连，下部出口端密封置于岩石试样钻孔中，通过所述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，设置在所述高压氮供给装置上，监测该高压氮供给装置的压力信息；第二压力传感部，设置在所述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，设置在所述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。


2.根据权利要求1所述的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，其特征在于：
其中，所述压裂管为套管结构，具有外管和内管，所述内管作为液氮输送管，所述内管的外壁与所述外管的内壁之间形成环空，用于返排汽化后的液氮。


3.根据权利要求2所述的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，其特征在于：
其中，所述外管和所述内管延伸至所述钻孔内的深度相同。


4.根据权利要求1所述的高温结晶岩石冷冲击致裂实验系统，其特征在于：
其中，所述高压液氮储罐为双层结构，内层为...

【专利技术属性】
技术研发人员：荣冠，沙松，陈志恒，全军松，张子阳，李博文，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：新型
国别省市：湖北;42