一种用于模拟深部地下工程水力激发过程的试验加载方法与流程

本发明涉及岩土力学实验领域，具体的，涉及一种用于模拟深部地下工程水力激发过程的试验加载方法。

背景技术：

深部地下工程，例如，页岩气的开发，二氧化碳地下封存，增强型地热系统等等，是有效的减少二氧化碳浓度的方法，目前世界各国都在研究。这些工程中都涉及到向地下注入大量流体这一过程，如何再现深部地下工程水力激发的过程，对于深部地下工程的评价有着重大的意义。

发明人认为，目前缺少对这一领域的研究的相关实验设备以及实验方法，并且在目前的研究中，普遍使用传统的三轴模拟装置以及模拟方法，目前的加载方式都为主动式加载，即由活塞实现剪切位移的加载，这只能在一定程度上再现深部地下工程水力激发过程，没有针对水力激发这一地球物理现象做出合理的模拟设计。

技术实现要素：

针对现有研究深部地下工程水力激发过程实验装置和方法的不足，本发明旨在提供一种用于模拟深部地下工程水力激发过程的试验加载方法，实现模拟深部地下工程水力激发过程。结合现有的三轴试验仪器，渗流加载系统，提出了一种用于模拟深部地下工程水力激发过程的试验加载方法。本发明对水力激发过程进行总结，进而分析其力学机理指导实验设计。为了研究裂隙的天然状态下的水力耦合特征，设计了深部岩体岩样的取芯方法，本发明基于试验需求与目的，设计了试验的加载方式，实现了岩体裂隙的贴合匹配、岩体的饱和、围岩的加载、及水力激发下的裂隙滑移的过程模拟，使用3d打印技术打印特定肖氏硬度的橡胶材料，实现了空腔的添堵，保证了滑移的顺利进行；本发明提出试验加载方法能够完全再现深部地下工程水力激发过程，并能够对其的水力特征进行评价。

本发明的目的，是提供一种用于模拟深部地下工程水力激发过程的试验加载方法。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

本发明公开了一种用于模拟深部地下工程水力激发过程的试验加载方法，取得原始岩芯后，对原始岩芯进行裂隙检测，检测到裂隙后，对裂隙的对角处的原始岩芯进行切除，然后使用橡胶块进行填充，得到观测岩芯，进行试验。

具体的，包括以下步骤：

1)取得原始岩芯；

2)对原始岩芯进行裂隙检测，以裂隙为中心线将裂隙周围的岩芯加工成长方体，得到长方体岩芯；

3)将长方体岩芯固定，以裂隙为中心进行取芯，得到标准圆柱岩芯；

4)对裂隙的对角处的岩芯进行切除，切除后使用橡胶块进行填充，得到观测岩芯；

5)将观测岩芯组装到岩芯加持器上，接入三轴试验仪器，流体加载系统，开始实验。

进一步，扫描切除后的岩芯，根据扫描数据，使用3d打印技术打印橡胶材料得到橡胶块。

进一步，步骤5)中，通过低围压的循环荷载实现裂隙面的贴合和匹配；使用低流速对试样进行饱和；使用低加载速率对岩样施加围压，施加完成试验前期的荷载。

进一步，步骤5)中，使用立方定律测定水力激发前的渗透率。

进一步，对观测岩芯进行试验时，包括以下步骤：

1)使用两个泵在试样的两端施加水力荷载，两个泵中的一个提供恒定的流量，两个泵中的另一个提供恒定的压力，维持设定的时间m1后，计算渗透率q1；

2)步骤1)停止后，停止两个泵中的一个泵，使用一个泵对试样的两端进行持续加压，模拟地下注水水压升高的过程；在时间点t0裂隙滑移后立即停止加压，并使用泵保持时间点t0的压力.；

3)在时间点t1裂隙停止滑移后，重复步骤2)，降低水压至设定值p1后，保持设定的时间m1，重复步骤1)，计算滑移后的渗透率qn；

4)重复步骤2)～步骤3)，既可以得到多次滑移后的渗透率变化规律f(q)。

进一步，步骤4)中，重复实验的水压范围在橡胶块的强度内。

进一步，对观测岩芯进行试验前，对观测岩芯进行包裹。

进一步，使用铁氟龙胶带或其他同样效果的材料包裹试样；铁氟龙胶外表面使用白色透明的热缩管进行包裹。

进一步，所述观测岩芯大小为标准的地球物理岩芯。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

1)目前的加载方式都为主动式加载，即由活塞实现剪切位移的加载，这只能在一定程度上再现深部地下工程水力激发过程。基于试验需求与目的，本发明创新地设计了试验的加载方式，使用同一个泵对试样的两端试压，模拟地下注水水压升高的过程，裂隙滑移后，停止加压，可以完全实现并模拟深部地下工程水力激发过程。

2)本发明提出的试验流程实现了岩体裂隙的贴合匹配、岩体的饱和、围岩的加载、及水力激发下的裂隙滑移。基于3d打印技术，实现了空腔的填堵，橡胶材料，保证了滑移的顺利进行。最终使用立方定律或其他水力学定律，可以计算得出滑移前后的渗透率。因此，本发明提出试验加载方法能够完全再现深部地下工程水力激发过程，并能够对其的水力特征进行评价。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例中的原始岩芯示意图，

图2为实施例中长方体岩芯的立视图，

图3为实施例中的圆柱形岩芯取样范围图，

图4为实施例中岩芯切除示意图，

图5为实施例中橡胶块结构轴向示意图，

图6为实施例中橡胶块结构径向示意图，

图7为实施例中使用橡胶块填充后的岩芯结构示意图，

图8为实施例中的试验结果。

图中，1、原始岩芯，2、裂隙，3、长方体岩芯，4、圆柱岩芯，5、切块，6、橡胶块，7、三角形沟槽，8、圆形孔洞。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，针对现有研究深部地下工程水力激发过程实验装置和方法的不足，本发明旨在提供一种用于模拟深部地下工程水力激发过程的试验加载方法，实现模拟深部地下工程水力激发过程。结合现有的三轴试验仪器，渗流加载系统，提出了一种用于模拟深部地下工程水力激发过程的试验加载方法。本发明对水力激发过程进行总结，进而分析其力学机理指导实验设计。为了研究裂隙的天然状态下的水力耦合特征，设计了深部岩体岩样的取芯方法，本发明基于试验需求与目的，设计了试验的加载方式，实现了岩体裂隙的贴合匹配、岩体的饱和、围岩的加载、及水力激发下的裂隙滑移的过程模拟，使用3d打印技术打印特定肖氏硬度的橡胶材料，实现了空腔的添堵，保证了滑移的顺利进行；本发明提出试验加载方法能够完全再现深部地下工程水力激发过程，并能够对其的水力特征进行评价，现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例

本实施例公开了一种用于模拟深部地下工程水力激发过程的试验加载方法，取芯后，为了保证裂隙的天然状态，对裂隙的对角进行切除，使用3d打印技术打印橡胶材料，然后使用橡胶块进行填充，将加工后岩芯组装到岩芯加持器上，接入三轴试验仪器，流体加载系统，开始试验。

本实施例中，通过到取得的岩芯的处理，橡胶块既可以防止围压作用下空隙的压缩，也可以保证剪切位移的发生。同时，需要说明的是，本实施例所提供的实验方法中，对岩芯的保护是的其内部的裂隙能够完整保存，以便于加压测试时充分观察水力耦合至水力激发的现象。

具体包括以下步骤：

1)试样的制备：

为了再现地下原生裂隙的结构面状态，本实施例采用标准钻头进行取芯，然后将岩芯运送到实验室，辨别岩芯内的裂隙；将以裂隙为中心面将裂隙处周围的岩芯加工成长方体，得到长方体岩芯，使用铁环或其他柔性固件(如绑带)将长方体岩芯固定后，以裂隙为中心进行取芯，取芯大小为标准的地球物理岩芯，的到圆柱岩芯。

2)剪切滑移：

为了保证裂隙的天然状态，对裂隙的对角进行切除，可以理解的而是，本实施例中的，切除裂隙的对角是通过切除裂隙所在的岩芯的一部分实现的，然后使用橡胶块进行填充。可以理解的是，本实施例中的切除这一工序是在圆柱岩芯上进行的，因此其切除的切块的形状为截面形状为半圆形的柱状体。

3)通过上述步骤1)和步骤2)，将加工后岩芯组装到岩芯加持器上，接入三轴试验仪器，流体加载系统，开始试验。

4)为了实现深部地下工程中涉及的水力激发过程，首先通过低围压的循环荷载实现裂隙面的贴合和匹配；使用低流速对试样进行饱和；使用低加载速率对岩样施加围压；

使用立方定律或其他水力学方法测定水力激发前的渗透率，使用同一个泵对试样的两端试压，模拟地下注水水压升高的过程，裂隙滑移后，停止加压，等待裂隙停止滑移后，同样的方式降低水压，计算水力激发后的渗透率，在橡胶块的强度内，多次重复该实验过程。

步骤3)中，橡胶块通过3d打印获得，橡胶块的硬度为特定肖氏硬度，这样橡胶块既可以防止围压作用下空隙的压缩，也可以保证剪切位移的发生。可以理解的是，由于切块的形状为截面为半圆形的柱状体，因此橡胶块的形状也为截面为半圆形的柱状体；并且橡胶块具有轴向贯穿的圆孔，在橡胶块的外侧的平直的棱部切为倒角，与圆柱形岩芯结合后形成三角形沟槽，方便试验中流体的通过。

步骤4)中，使用橡胶块对岩样切割处进行填充；为了保证流体都从裂隙内通过，使用铁氟龙胶或其他具有同等效力的材料带将试样进行包裹；其外面再用白色透明的热缩管进行包裹，使用热枪对其加热，最终形成一个整体。然后加入到三轴仪中。

可以理解的是，本实施例中使用的三轴试验仪器，其为现有的地下工程实验中常用的加载装置，在此不再赘述其具体结构。但是需要提及的是，本实施例在进行加载时，请参考图8，图8所示为模拟深部地下工程水力激发过程的试验流程，t1到t2阶段，通过低围压的循环荷载实现裂隙面的贴合和匹配；t2到t3阶段，使用低流速对试样进行饱和；t3到t4阶段，使用低加载速率对岩样施加围压；t4到t5、t6到t7阶段，使用立方定律或其他水力学方法测定水力激发前的渗透率；t5到t6阶段，使用一个泵对试样的两端试压，模拟地下注水水压升高的过程，裂隙滑移后，停止加压，等待裂隙停止滑移后，同样的方式降低水压，计算水力激发后的渗透率，在橡胶块的强度内，多次重复该实验过程。

也即，本实施例中的，对观测岩芯进行实验时，包括以下步骤：

1)使用两个泵在试样的两端施加水力荷载，两个泵中的一个提供恒定的流量，两个泵中的另一个提供恒定的压力，维持设定的时间m1(图8中的t1到t3)后，计算渗透率q1；

2)步骤1)停止后，停止两个泵中的一个泵，使用一个泵对试样的两端进行持续加压(图中8中的t5到t6之间的过程)，模拟地下注水水压升高的过程；在时间点t0(图8中的t6)裂隙滑移后立即停止加压，并使用泵保持时间点t0的压力.；

3)在时间点t1(图8中的t7)裂隙停止滑移后，重复步骤2)(图8中的t7到t8之间的过程)，降低水压至设定值p1后，保持设定的时间m1(图8中的t8至t9)，重复步骤1)，计算滑移后的渗透率qn；

4)重复步骤2)～步骤3)，既可以得到多次滑移后的渗透率变化规律f(q)。

所述的低围压的循环载荷为三轴试验仪器所具有的功能。

所述的低流速为试验用流体的的流速。

所述低加载速率为三轴试验仪器所具有的功能。

在多次进行实验后，使用统计学原理可以计算得出水力激发后的渗透率的平均值或其他统计意义上的数值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。