一种增强型地热开采模拟的试验装置及模拟方法与流程

本发明涉及新能源开发试验设备设计与制造领域，具体而言，涉及一种增强型地热开采模拟的试验装置及模拟方法。

背景技术：

人类对能源的需求不断增长，传统的化石能源一方面日益枯竭，另一方面其广泛使用已对生态环境带来了严重的影响，带来了严峻的问题。解决能源问题只能是寻找新的清洁能源。干热岩是指埋深3km以上的炙热岩石，温度为150℃至650℃，其中蕴藏大量的热能。增强型地热系统即是干热岩资源开发工程，地热能含量巨大，且没有任何碳排放，是作为传统能源替代能源的最有潜力的新型能源。目前，世界各国均开展了广泛的增强型地热能开发的研究。

公认的增强型地热能开采方式为从地表钻井至设计深度，通过人工压裂提高深度地下低渗透性的环境，使注入井和生产井之间形成大面积的裂隙连通网络。通过向注入井注入热能媒介物质(水或二氧化碳等)，媒介物质将在形成的地下裂隙网络中进行充分的热交换，并被升高至较高温度由抽出井抽出完成地热能的开采。

目前国内外增强型地热开发尚处于初期阶段。生产和试验数据缺乏，对于地下环境缺乏深入的认识。且目前在油气开采、地热开发采用室内压裂试验均难以获得多条裂纹，当前增强型地热能开发的模拟试验数据对于实际现场生产中生产参数优化和生产效率提升的作用有限。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种增强型地热开采模拟的试验装置，以解决当前增强型地热能开发的模拟试验无法获得对实际现场生产中生产参数优化和生产效率提升有较大作用的试验数据的问题。

本发明的另一目的在于提供一种使用上述增强型地热开采模拟的试验装置的模拟方法。

本发明的实施例是这样实现的：

一种增强型地热开采模拟的试验装置，其包括压力室，压力室具备有试验空间，压力室至少一个端面上设置有进液通道和出液通道，进液通道与出液通道分别贯穿压力室的一个端面。第一泵，第一泵与试验空间连通。加热装置，加热装置设置在试验空间内，用于对试验空间的提供热源。第二泵，第二泵通过第一管道与进液通道连通。声发射传感器，声发射传感器设置在试验空间内；环绕试验空间设置有多个声发射传感器。

本发明的实施例提供的增强型地热开采模拟的试验装置设置有第一泵以及加热装置，第一泵用于对试样施加液体压力，加热装置用于向试样提供热源，以模拟不同深度的地下高温高压环境。还设置有第二泵用于向试验空间内的试样的进液孔提供高压液体，试样在高温高压以及高压液体的作用下会产生裂纹。设置多个声发射传感器采用环绕试样的方式安装，对声发射事件定位，并开展波速层析成像，用于监测裂纹出现的位置以及裂纹大小的演化规律。通过本发明的实施例提供的增强型地热开采模拟的试验装置能够实现增强型地热能开发的环境的模拟以及对水压致裂效果的评价，能够获得实际现场生产中生产参数优化和生产效率提升有较大作用的试验数据。

在本发明的一个实施例中：

上述压力室为筒状结构，筒状的压力室具备有筒状的试验空间。

在本发明的一个实施例中：

上述增强型地热开采模拟的试验装置还包括声发射及波速层析成像显示装置；声发射传感器与声发射及波速层析成像显示装置电连接。

在本发明的一个实施例中：

上述增强型地热开采模拟的试验装置还包括温控仪；温控仪与压力室连接；温控仪用于测试并控制试验空间内的温度。

在本发明的一个实施例中：

与上述温控仪还连接设置有多个温度传感器。

在本发明的一个实施例中：

上述增强型地热开采模拟的试验装置还包括抽真空装置；抽真空装置与第一管道连通。

在本发明的一个实施例中：

上述增强型地热开采模拟的试验装置还包括预加热装置；预加热装置连接设置在第一管道上。

在本发明的一个实施例中：

上述增强型地热开采模拟的试验装置还包括渗透率测试装置；渗透率测试装置与第一管道或进液通道连接；渗透率测试装置还连接设置有第二控制主机；第二控制主机用于显示渗透率测试结果。

在本发明的一个实施例中：

与上述出液通道连接设置有第二管路；在第二管路处还设置有温度检测装置、流量检测装置和压力检测装置中的至少一种。

一种增强型地热开采的模拟方法，模拟方法利用上述任意一种的增强型地热开采模拟的试验装置实现；

模拟方法包括以下步骤：

获取具备互不连通的进液孔和出液孔的试件；

将试件置于试验空间中；使进液通道与进液孔连通，使出液通道与出液孔连通；

在试件的外侧除去进液孔和出液孔处浇注灌封胶；

完成试件上声发射传感器的安装；

启动第一泵，第一泵向试件施加液体压力；加热装置将试件加热至预设温度；

启动第二泵，第二泵依次通过第一管道和进液通道向进液孔中送入液体；

声发射传感器实时采集试件内部的参数。

本发明实施例的有益效果是：

本发明的实施例提供的增强型地热开采模拟的试验装置设置有第一泵以及加热装置，第一泵用于对试样施加液体压力，加热装置用于向试样提供热源，以模拟不同深度的地下高温高压环境。还设置有第二泵用于向试验空间内的试样的进液孔提供高压液体，试样在高温高压以及高压液体的作用下会产生裂纹。设置多个声发射传感器采用环绕试样的方式安装，对声发射事件定位，并开展波速层析成像，用于监测裂纹出现的位置以及裂纹大小的演化规律。通过本发明的实施例提供的增强型地热开采模拟的试验装置能够实现增强型地热能开发的环境的模拟以及对水压致裂效果的评价，能够获得实际现场生产中生产参数优化和生产效率提升有较大作用的试验数据。

本发明提供的模拟方法，模拟方法利用上述任意一种的增强型地热开采模拟的试验装置，因此也具有能够实现增强型地热能开发的环境的模拟以及对水压致裂效果的评价，由于灌封胶的存在，在试件内出现与试件端面贯通裂纹后，试件内水压可继续升高，为多条裂纹产生提供条件。能够获得对实际现场生产中生产参数优化和生产效率提升有较大作用的试验数据的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中提供的增强型地热开采模拟的试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的增强型地热开采模拟的试验装置的试样的结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的增强型地热开采模拟的试验装置的试样以及声发射传感器的结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的增强型地热开采模拟的试验装置的浇注灌封胶的试样的结构示意图。

图标：10-增强型地热开采模拟的试验装置；100-压力室；110-试样；112-进液孔；114-出液孔；116-灌封胶；134-温度流量压力检测装置；200-第一泵；300-加热装置；400-温控仪；410-温度传感器；500-第二泵；512-水压控制阀；520-水槽；600-声发射传感器；610-声发射传感器数据端口；700-声发射及波速层析成像显示装置；800-抽真空装置；810-阀门；900-预加热装置；1000-渗透率测试装置；1010-第二控制主机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

图1为本发明实施例中提供的增强型地热开采模拟的试验装置10的整体结构示意图。请参照图1，本实施例中提供一种增强型地热开采模拟的试验装置10，其包括压力室100、第一泵200、加热装置300、温控仪400、第二泵500、声发射传感器600、声发射及波速层析成像显示装置700、抽真空装置800、预加热装置900以及渗透率测试装置1000。

压力室100至少一个端面上设置有进液通道和出液通道(图中不可见)，进液通道与出液通道分别贯穿压力室100的一个端面。压力室100为筒状结构，筒状的压力室100具备有筒状的试验空间(图中不可见)。在试验空间内设置有试样110。图2为本发明实施例1提供的增强型地热开采模拟的试验装置10的试样110的结构示意图。请参照图2，试样110设置为圆柱体，在试样110的上表面上设置有进液孔112以及出液孔114，进液孔112与出液孔114的轴心线平行设置，且进液孔112与出液孔114均为盲孔。与出液通道连接设置有第二管路；在第二管路处还设置有温度检测装置、流量检测装置和压力检测装置中的至少一种，在本实施例中，进液通道与进液孔112连通，出液通道与出液孔114连通。出液通道连接设置有第二管路，在第二管路处还设置有温度流量压力检测装置134。

需要说明的是，在本实施例中，设置温度流量压力检测装置134是为了便于测量出液通道内的液体的温度、流量以及压力。可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，设置温度检测装置、流量检测装置和压力检测装置中的至少一种。

第一泵200，第一泵200与试验空间连通。用于向试验空间内提供高压液体，对试样110产生预设压力。

加热装置300，加热装置300设置在试验空间内，用于对试验空间的提供热源。

温控仪400用于测试以及控制试验空间内以及出液孔114内的温度。在出液孔114内以及压力室100内设置有多个温度传感器410，温度传感器410与温控仪400电连接。

第二泵500，第二泵500通过第一管道与进液通道连通，第二泵500远离进液通道的一端还连接设置有水槽520，水槽520用于盛放流体介质，流体介质在第二泵500的加压情况下流入第一管道，在第一管道还连接有水压控制阀512，水压控制阀512用于控制流入第一管道内的流体介质的水压。

图3为本发明实施例中提供的增强型地热开采模拟的试验装置10的试样110以及声发射传感器600的结构示意图。请参照图3，声发射传感器600安装在试样110上，从图中可以看出，多个声发射传感器600围绕试样110设置，将多个声发射传感器600围绕试样110设置是为了便于采集试验数据以及获取波速层析成像。

声发射及波速层析成像显示装置700，声发射传感器600与声发射及波速层析成像显示装置700电连接。

需要说明的是，在本发明提供的实施例1中设置声发射及波速层析成像显示装置700是为了更直观地显示水压致裂的效果。可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，在设计增强型地热开采模拟的试验装置10时，不设置声发射及波速层析成像显示装置700，在使用过程中连接其他显示装置即可。

抽真空装置800，抽真空装置800与第一管道连通，在第一管道靠近抽真空装置800处设置有阀门810，抽真空装置800用于对第一管道、进液通道以及进液孔112抽真空，在抽真空完成后，可以闭合阀门810。

需要说明的是，在本发明提供的实施例1中设置抽真空装置800是为了抽走试验环境中的空气，更好地模拟地下环境。可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，不设置抽真空装置800。

预加热装置900连接在第一管道上，预加热装置900位于水压控制阀512以及进液通道之间，用于对第一管道内的流体介质进行预加热至设定温度。

需要说明的是，在本发明提供的实施例1中设置预加热装置900对注入试样110的流体介质进行加温处理，并控制流体介质的温度，研究不同温差条件下压裂的效果。可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，不设置预加热装置900。

渗透率测试装置1000与第一管道连接；渗透率测试装置1000还连接设置有第二控制主机1010。第二控制主机1010还与第二泵500连接。第二控制主机1010用于显示渗透率测试结果以及水压。

需要说明的是，在本发明提供的实施例1中设置渗透率测试装置1000是为了测试流体介质在试样110中的渗透情况，以测试不同压裂阶段渗透率的演化规律。可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，不设置渗透率测试装置1000。

本发明的实施例提供的增强型地热开采模拟的试验装置10设置有第一泵200以及加热装置300，第一泵200用于对试样110施加液体压力，加热装置300用于向试样110提供热源，以模拟不同深度的地下高温高压环境。还设置有第二泵500用于向试验空间内的试样110的进液孔112提供高压液体，试样110在高温高压以及高压液体的作用下会产生裂纹。设置多个声发射传感器600采用环绕试样110的方式安装，对声发射事件定位，并开展波速层析成像，用于监测裂纹出现的位置以及裂纹大小的演化规律。通过本发明的实施例提供的增强型地热开采模拟的试验装置10能够实现增强型地热能开发的环境的模拟以及对水压致裂效果的评价，能够获得实际现场生产中生产参数优化和生产效率提升有较大作用的试验数据。

实施例2：

一种增强型地热开采的模拟方法，模拟方法利用上述任意一种的增强型地热开采模拟的试验装置10实现；

模拟方法包括以下步骤：

获取具备互不连通的进液孔112和出液孔114的试件；

将试件置于试验空间中；使进液通道与进液孔112连通，使出液通道与出液孔114连通；

在试件的外侧除去进液孔112和出液孔114处浇注灌封胶116(请参照图4)；

完成试件上声发射传感器600的安装；打开声发射传感器600；

启动第一泵200，第一泵200向试件施加液体压力；加热装置300将试件加热至预设温度；

启动第二泵500，第二泵500依次通过第一管道和进液通道向进液孔112中送入液体；

声发射传感器600实时采集试件内部的参数。

需要说明的是，在本实施例中，将试件设置为岩石试件，并在试件的外侧除去进液孔112和出液孔114处浇注灌封胶116。是为了试件完全密封在高强度灌封胶116内部，这样裂纹压裂后，由于外部灌封胶116的限制，在试件内出现与试件端面贯通裂纹后，试件内水压可继续升高，为多条裂纹产生提供条件，使得模拟效果更加真实。

需要说明的是，在本实施例中，还可将试件设置为浇铸件，在浇铸件内部设置多个温度传感器410。将试件设置为浇铸件，在浇铸件内部设置多个温度传感器410，并通过温控仪400获得多个温度传感器410的实测温度，研究压裂过程及后续生产模拟过程中岩体内温度的演化。

需要说明的是，在本发明提供的实施例2中，在步骤2中可以在出液通道连接第二管路，以及在第二管路处还连接温度流量压力检测装置134的工序，设置该工序是为了检测流体介质流出试件后的温度、流量以及压力以更好的评价水压致裂的效果。

需要说明的是，在本发明提供的实施例2中，还可以设置对管路内的空气进行抽真空处理，抽真空装置800抽出管路内空气后，闭合阀门810工序，这样是为了对试验的环境进行抽真空，更好地模拟地下环境。

需要说明的是，在本发明提供的实施例2中，还可以设置打开预加热装置900对流体介质预加热以及液体压力控制的工序，是为了控制流体介质的温度，研究不同温差条件下压裂的效果。

还需要说明的是，在本发明提供的实施例2中，还可以通过渗透率测试装置1000来监测进液孔112内的流体介质的渗透率，设置该工序是为了通过测试渗透率来更好地评价水压致裂的效果。

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。