一种利用二氧化碳爆破致裂干热岩的室内模拟试验系统的制作方法

本发明涉及干热岩地热能开发技术领域，尤其涉及一种利用二氧化碳爆破致裂干热岩的室内模拟试验系统。

背景技术：

干热岩地热能开采主要的技术难点就是热储层的自然渗流能力差，需要进行改造才能有效开发。目前，用于干热岩地热能储层改造的主要方法为水力压裂技术，虽然利用该技术取得了一些可观的成果，但也存在诸多问题：峰值压力低，作业时间长，水体滤失严重，难以形成大规模裂隙，易诱发微震等。为此，提出了利用二氧化碳爆破建造干热岩热储层的新方法，为形成热储层、商业化开发干热岩提供新方案。

目前，利用这项新的致裂技术缺少理论及实践的指导，更缺乏相关的论证试验。针对干热岩储层改造的二氧化碳室内模拟试验，可确定干热岩体的可压裂性、破裂压力及压裂效果等，是认识干热岩裂缝扩展规律及其几何形态的一种可靠、有效手段，为进一步研究提供了良好的试验论证。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种利用二氧化碳爆破致裂干热岩的室内模拟试验系统，实现室内安全可操作的爆破试验，旨在模拟不同爆破压力条件下的二氧化碳爆破致裂试验，解决了目前室内无法模拟二氧化碳爆破致裂的难题，为进一步研究二氧化碳爆破致裂技术提供了新途径，为干热岩地热能的开采利用提供了新的技术支持。

本发明提供一种利用二氧化碳爆破致裂干热岩的室内模拟试验系统，包括二氧化碳加压充装模块、声发射模块和物理爆破模块；所述二氧化碳加压充装模块包括依次连接的二氧化碳储藏罐、气体压缩机和加压泵；所述二氧化碳储藏罐储存二氧化碳气体，所述气体压缩机压缩二氧化碳气体，所述加压泵对二氧化碳气体进行加压使二氧化碳气体转化为二氧化碳液体；所述声发射模块包括若干个声发射探头；所述物理爆破模块包括二氧化碳储液管、活化器、剪切片和试样放置室；所述声发射探头位于试样放置室内；所述试样放置室内放置试样，所述二氧化碳储液管位于加压泵与试样放置室之间，所述二氧化碳储液管的一端与加压泵连接，其另一端与试样放置室连接，所述二氧化碳储液管储存从加压泵流出的二氧化碳液体，所述活化器位于二氧化碳储液管内，用来向二氧化碳液体提供热能；所述剪切片位于二氧化碳储液管内，用来封闭二氧化碳储液管的右端，位于所述二氧化碳储液管内的二氧化碳液体吸收热能后迅速气化，体积膨胀产生高压使剪切片破断，所述剪切片破断后，高能二氧化碳气体作用于试样使其产生裂隙，所述声发射探头记录爆破过程中的裂隙扩展数据。

进一步地，所述室内模拟试验系统还包括控制装置，所述控制装置包括计算机处理系统，所述声发射模块还包括全信息声发射分析仪，所述全信息声发射分析仪的输入端与声发射探头连接，所述全信息声发射分析仪的输出端与计算机处理系统连接。

进一步地，所述物理爆破模块还包括压力传感器，所述压力传感器用来检测二氧化碳储液管内储存的二氧化碳液体的压力，所述压力传感器的输出端与计算机处理系统连接。

进一步地，所述二氧化碳储液管的右端开设第二小孔，所述第二小孔处设置环形卡扣，所述剪切片安装在环形卡扣内，所述物理爆破模块还包括防漏螺丝环，所述防漏螺丝环锁紧环形卡扣。

进一步地，所述试样放置室的左端开设第四小孔，所述二氧化碳储液管的右端开设第三小孔，所述第四小孔与第三小孔连通，所述第四小孔内放置两端均敞口的金属导管，所述金属导管插入试样的内部。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供的室内模拟试验系统通过二氧化碳加压充装模块、声发射模块、物理爆破模块和控制装置的配合能够模拟不同爆破压力条件下的二氧化碳爆破致裂试验，方便技术人员探究二氧化碳气体爆破的作用机理及损伤破坏规律，试验论证二氧化碳爆破建造干热岩热储层的各种可行性方案，有助于推动二氧化碳爆破建造干热岩储层技术的发展，对干热岩型地热能开采具有重要意义。

附图说明

图1是本发明一种利用二氧化碳爆破致裂干热岩的室内模拟试验系统的结构示意图。

图2是二氧化碳储液管的右端细节示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种利用二氧化碳爆破致裂干热岩的室内模拟试验系统，包括二氧化碳加压充装模块、声发射模块、物理爆破模块和控制装置，其中，二氧化碳加压充装模块包括二氧化碳储藏罐1、气体压缩机3、加压泵4，二氧化碳储藏罐1的出口端与气体压缩机3的入口端连接，气体压缩机3的出口端与加压泵4的入口端连接，且二氧化碳储藏罐1、气体压缩机3、加压泵4之间均通过气体管道5连接，二氧化碳储藏罐1内储藏二氧化碳气体，位于二氧化碳储藏罐1和气体压缩机3之间的气体管道5的左右两端各设置一个检流计2，检流计2用来检测二氧化碳的流量。

声发射模块包括八个声发射探头13和全信息声发射分析仪18，声发射探头13通过信号线17与全信息声发射分析仪18电连接，物理爆破模块包括二氧化碳储液管6、活化器7、压力传感器8、剪切片9、防漏螺丝环10和试样放置室12，控制装置包括计算机处理系统19，计算机处理系统19与压力传感器8的输出端和全信息声发射分析仪18的输出端电连接。

二氧化碳储液管6的内部为中空结构，其左端上部开设第一小孔61，第一小孔61内插入液体管道63的一端，液体管道63的另一端连接加压泵4的出口端，参考图2，二氧化碳储液管6的右端开设第二小孔62和第三小孔64，第二小孔62和第三小孔64均与二氧化碳储液管6的内部连通，第三小孔64和第二小孔62的位置相近，活化器7、压力传感器8、剪切片9均位于二氧化碳储液管6的内部，二氧化碳储液管6的左端螺纹连接充能头，活化器7位于充能头内，压力传感器8放置在二氧化碳储液管6的左端管壁内侧，第二小孔62处设置环形卡扣，剪切片9安装在环形卡扣内，环形卡扣被防漏螺丝环10锁紧，进而封闭二氧化碳储液管6的右端，为了保证爆破效果，二氧化碳储液管6的右端的空腔部分设计为锥形。

试样放置室12与二氧化碳储液管6的右端通过焊接无缝连接，试样放置室12的上端和右端均匀布置声发射探头13，试样放置室12的右端设有配合的活动块15和安全锁扣16，活动块15与试样放置室12活动连接，打开活动块15，可向试样放置室12内放入试样11，关闭活动块15且下放锁扣16，利用锁扣16扣住活动块15，可将试样放置室12密封，试样放置室12的左端开设第四小孔121，第四小孔121与第三小孔64连通，第四小孔121的尺寸与第三小孔64的尺寸相适配，第四小孔121内放置两端均敞口的金属导管14，金属导管14的直径与第四小孔121的宽度一致，为了避免气体泄漏，可以在金属导管14与第四小孔121的空隙处涂上密封胶。

试样放置室12大小适宜且为立方体，可放置常用的大尺寸试样11(300×300×300mm)。

本实施例提供的室内模拟试验系统的试验过程为：

(1)试样11的处理：试样11可以是切割为立方体的岩石或根据一定的沙石比例浇灌凝固的混凝土块，为了保证金属导管14能自由插入试样11，可以在试样11的上表面中心位置向其内部垂直地预设15cm长的钻孔，孔底预留几厘米的裸眼段，钻孔的孔径大于与金属导管14的直径一致；

(2)组装各管线，并检测组装效果，防止气体泄漏及信号传输不良，将剪切片9放置在二氧化碳储液管6的右端，依靠螺纹向上旋转防漏螺丝环10锁紧环形卡扣；

(3)开启二氧化碳储藏罐1释放二氧化碳气体，二氧化碳气体依次经压缩机3压缩、加压泵4加压后转化为二氧化碳液体，然后流入二氧化碳储液管6中，当压力传感器8所显示的数值达到二氧化碳充装预设值时，关闭二氧化碳储藏罐1，停止充装；

(4)打开活动块15，从试样放置室12的右端放入试样11，使金属导管14插入试样11内，试样11的表面与声发射探头13贴合，关闭活动块15，下放锁扣16；

(5)进行试验：激发活化器7，活化器7产生大量的热能，位于二氧化碳储液管6内的二氧化碳液体吸收活化器7产生的热能，在极短时间内气化，体积瞬间膨胀600多倍并产生高压，当压力达到某一极限时，剪切片9破断，高能二氧化碳气体瞬间从金属导管14中爆发作用于试样11，使其产生裂隙，声发射探头13记录爆破过程中的裂隙扩展数据，并通过信号线17实时传输给全信息声发射分析仪18，全信息声发射仪18将接收到的信号经过分析后，传输给计算机处理系统19，作进一步处理；

(6)当压力传感器8的数值回归初始值，试验结束，打开活动块15，取出试样11，观察其裂隙扩展情况，结合声发射信息，总结规律。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。