高温高压水压致裂夹持器的制作方法

本实用新型涉及一种试验仪器，具体是一种针对干热岩能源开发工程的增强型地热系统储留层建造工程中研究高温高压岩体的破裂力学行为的高温高压水压致裂夹持器，属于干热岩地热开发利用技术领域。

背景技术：

干热岩(hdr)指的是赋存在地面以下3～10km、温度150～650℃且内部不存在或少量存在流体的高温岩石(主要为变质类和结晶类岩体)，干热岩具有致密、低渗透的特点，普通开采难以实现，增强型地热系统(egs)是目前干热岩能源开发工程的主要技术，随着地热项目的推动，egs系统的基础研究及其工程应用等一系列问题，成为近年来国内外研究的新兴热点。

水力压裂法是egs系统最常见的储层改造方法，通过对压裂井注入高压流体，可以实现对干热岩地热储层的破裂，在地下建立人工地热储层，并加速注入水和周围岩体的热交换速率，扩大储层换热面积。目前在高温岩体人工地热储层的建造中，一般采用巨型水压致裂技术。国内外水压致裂装置主要针对石油领域和煤层气开发领域，使用温度多为200～300℃，而地热开发的压裂和石油领域的压裂有着本质不同，主要体现在地热领域的压裂面临着高温(0～600℃)、高压(0～60mpa)环境。针对地热开发的高温高压状态下的水压致裂工程是一个极其复杂的多相介质多场耦合的问题，其核心科学问题是在热力耦合作用下高温高压岩体的破裂力学行为，包括温度、压力、岩石岩性、岩石均质性等对水压致裂起裂和裂缝扩展规律的影响，必须通过试验研究以掌握热力耦合作用下高温高压岩体水压致裂的特性和规律，为高温岩体地热开采工程中人工地热储层的建造工程提供理论依据和指导。

目前针对地热开发的水压致裂试验方法主要以真三轴水力压裂为主，岩样尺寸主要为矩形体或者正方体，并多采用带颜色或者添有荧光粉的压裂液来分析水力压裂后的裂缝形态及范围尺寸，或者采用声发射等试验监测方法对裂缝形态进行三维定位解释。该试验方法的优势是可以直观分析水力裂缝形态，但上述水力压裂物理试验设备主要是满足高压测试环境为主，针对干热岩水力压裂物理模拟的高温高压试验装置和试验研究方法仍不成熟，具体表现在高温高压下试验装置的传压介质选择、加热方式、密封结构等技术难题，一方面，现有的试验装置部件之间多采用柔性密封方式，但在高温高压条件下柔性密封方式极易造成漏液导致试验失败；另一方便，已有的水压致裂装置多针对大型岩样，且单次试验不仅操作繁琐、而且成本较高。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种高温高压水压致裂夹持器，该高温高压水压致裂夹持器能够在适用于高温(室温～400℃)、高压(0～60mpa)模拟环境的前提下实现试验过程中保证密封效果，进而避免因漏液导致的试验失败，从而提高试验成功率、降低试验成本，便于研究不同温压条件下的岩石水压致裂的起裂压力及裂缝扩展规律。

为实现上述目的，本高温高压水压致裂夹持器包括试验筒体、筒体上安装部分、筒体下安装部分和筒体内安装部分；

所述的试验筒体是上下贯通的筒型结构，试验筒体上沿其径向方向设有贯穿筒壁的注油孔和出油孔，试验筒体内腔包括沿其轴向方向设置在中部的围压腔段和对称设置在围压腔段上下两端的大径段，大径段与围压腔段之间形成上定位台阶和下定位台阶；

所述的筒体上安装部分包括上压盖、上堵头、上堵头压帽、上压头、密封压台、堵头密封环组件和压头密封圈；上堵头是底部具有大径定位台阶的阶梯柱结构，上堵头通过大径定位台阶定位设置在试验筒体的上定位台阶上，上堵头的中轴线位置设有贯穿上堵头的上压头安装通孔，上压头安装通孔底端设有同轴内凹设置的试件支撑套安装沉孔、且试件支撑套安装沉孔的内径尺寸大于上压头安装通孔的内径尺寸；杆状结构的上压头穿接设置在上堵头的上压头安装通孔内，上压头的底端设有外径尺寸与试件支撑套的内径尺寸配合的大径压头结构、且大径压头结构与上压头的杆体之间设有锥形挤压面，上压头的中轴线位置还设有贯穿上压头的注水通道；压头密封圈套接安装在上压头的杆体底部、且位于上堵头的试件支撑套安装沉孔与上压头的大径压头结构之间，压头密封圈的外径尺寸与试件支撑套的内径尺寸配合、且压头密封圈的底部设有与上压头的锥形挤压面锥度配合的锥面结构；密封压台套接安装在上堵头上，且密封压台分别与上堵头和试验筒体的大径段滑移配合设置，密封压台可上下滑移移动；堵头密封环组件套接安装在上堵头上、且位于上堵头的大径定位台阶与密封压台之间，堵头密封环组件包括对接设置的上密封环和下密封环、且上密封环和下密封环的对接面为锥形配合面；上压盖套接安装在上堵头上，上压盖与试验筒体螺纹安装连接、且上压盖压接在密封压台上；上堵头压帽通过螺纹配合安装在上压头的顶部、且上堵头压帽压接在上堵头上；

所述的筒体下安装部分相对于筒体上安装部分上下对置设置，包括下压盖、下堵头、下堵头压帽、下压头、下压头出口密封环组件和传力套；下堵头是顶部具有大径定位台阶的阶梯柱结构，下堵头通过大径定位台阶定位设置在试验筒体的下定位台阶上，下堵头的中轴线位置设有贯穿下堵头的下压头安装通孔；杆状结构的下压头穿接设置在下堵头的下压头安装通孔内，下压头的顶端设有外径尺寸与试件支撑套的内径尺寸配合的大径压头结构、且大径压头结构与下压头的杆体之间设有锥形挤压面，锥形挤压面上也设有套接安装的压头密封圈、且压头密封圈的顶部与下压头的锥形挤压面锥度配合，下压头的杆体底端设有与其同轴设置的密封小径段，下压头的中轴线位置还设有贯穿下压头的出水通道；下压头出口密封环组件和传力套自上而下依次套接安装在下压头的密封小径段上、且下压头出口密封环组件和传力套的总高度尺寸大于密封小径段的高度尺寸，下压头出口密封环组件包括对接设置的上密封卡环和下密封卡环、且上密封卡环和下密封卡环的对接面为锥形配合面；下压盖套接安装在下堵头上、且下压盖与试验筒体螺纹安装连接，下压盖与下堵头的大径定位台阶之间也设有堵头密封环组件和密封压台、且堵头密封环组件和密封压台自上而下依次套接安装在下堵头上，下压盖压接在密封压台上；下堵头压帽是螺栓结构，下堵头压帽通过螺纹配合安装在下堵头的下压头安装通孔的底部、且下堵头压帽的顶端顶靠在传力套的底端上，下堵头压帽的中轴线位置也设有贯穿下堵头压帽的出水通道；

所述的筒体内安装部分包括位于试验筒体内部的试件支撑套、密封传压件、预紧压帽和预紧压簧；试件支撑套的顶端套接在上压头的大径压头结构和上压头的压头密封圈上、且试件支撑套的顶端穿入并顶靠在试件支撑套安装沉孔内，试件支撑套的底端套接在下压头的大径压头结构和下压头的压头密封圈上；密封传压件是外径尺寸与试验筒体内腔围压腔段的内径尺寸间隙配合的盘状结构，密封传压件包括盘体和位于盘体轴心位置的内压套，内压套的内径尺寸与下压头的杆体的外径尺寸间隙配合，内压套的外径尺寸与试件支撑套的内径尺寸间隙配合，密封传压件通过内压套套接安装在下压头上，且内压套的顶端穿入试件支撑套的底端、并顶靠在下压头的压头密封圈的底端上，盘体上还设有多个沿轴向方向贯穿盘体的过油孔；预紧压帽与下压头的杆体螺纹安装连接、且预紧压帽的顶端压接在密封传压件的底平面上；预紧压簧的顶端顶靠在密封传压件的底平面上、底端顶靠在下堵头的顶端。

作为本实用新型的进一步改进方案，下压头的大径压头结构的顶平面上设有多个同心设置的环形渗流槽，环形渗流槽与出水通道贯通设置、且多个环形渗流槽之间贯通连接。

作为本实用新型的进一步改进方案，密封传压件的盘体外沿位置设有凸出于盘体表面的导向套，导向套的外径尺寸与试验筒体内腔围压腔段的内径尺寸间隙配合。

作为本实用新型的进一步改进方案，堵头密封环组件、压头密封圈、下压头出口密封环组件均采用耐高温石墨材质。

作为本实用新型的优选方案，试件支撑套是紫铜套。

作为本实用新型的进一步改进方案，试验筒体、上压盖、上堵头、上压头、下压盖、下堵头、下压头、密封传压件、预紧压帽均采用镍基合金材质。

与现有技术相比，本高温高压水压致裂夹持器可针对小型岩样(φ50×100mm)进行试验，单次试验一人即可进行，操作方便，试验成功率高，单次试验成本较低；本高温高压水压致裂夹持器共有五处密封设计，可有效避免在试验过程中因漏液导致的试验失败，密封件均通过相关部件压紧方式进行密封，且在加温过程或试验过程中，可以对密封件进行持续压紧，且筒体内安装部分特别设计了密封预紧力施加及提供部件，能够抵抗试验过程中部件受热后的膨胀力，利于研究热力耦合作用下高温高压岩体的破裂力学行为，包括温度、压力、岩石岩性、岩石均质性等对水压致裂起裂压力及裂缝扩展规律的影响；进而有利于掌握热力耦合作用下高温高压岩体水压致裂的特性和规律，可为高温岩体地热开采工程中储留层的建造工程提供理论依据和指导。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型密封传压件的三维结构示意图；

图3是使用本实用新型进行高温高压岩体水压致裂试验的结构示意图。

图中：1、上压盖；2、下压盖；3、上堵头；4、上堵头压帽；5、上压头；5-1、注水通道；6、密封压台；7、堵头密封环组件；8、压头密封圈；9、试验筒体；10、围压腔段；11、注油孔；12、出油孔；13、密封传压件；13-1、内压套；13-2、导向套；13-3、过油孔；14、预紧压帽；15、预紧压簧；16、下压头；16-1、出水通道；17、下压头出口密封环组件；18、传力套；19、下堵头；20、下堵头压帽；22、岩石试件；23、恒压恒流注水泵；24、恒压恒流注油泵；25、加热控温装置；28、试件支撑套。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，本高温高压水压致裂夹持器包括试验筒体9、筒体上安装部分、筒体下安装部分和筒体内安装部分。

所述的试验筒体9是上下贯通的筒型结构，试验筒体9上沿其径向方向设有贯穿筒壁的注油孔11和出油孔12，试验筒体9内腔包括沿其轴向方向设置在中部的围压腔段10和对称设置在围压腔段10上下两端的大径段，大径段与围压腔段10之间形成上定位台阶和下定位台阶。

所述的筒体上安装部分包括上压盖1、上堵头3、上堵头压帽4、上压头5、密封压台6、堵头密封环组件7和压头密封圈8；上堵头3是底部具有大径定位台阶的阶梯柱结构，上堵头3通过大径定位台阶定位设置在试验筒体9的上定位台阶上，上堵头3的中轴线位置设有贯穿上堵头3的上压头安装通孔，上压头安装通孔底端设有同轴内凹设置的试件支撑套安装沉孔、且试件支撑套安装沉孔的内径尺寸大于上压头安装通孔的内径尺寸；杆状结构的上压头5穿接设置在上堵头3的上压头安装通孔内，上压头5的底端设有外径尺寸与试件支撑套28的内径尺寸配合的大径压头结构、且大径压头结构与上压头5的杆体之间设有锥形挤压面，上压头5的中轴线位置还设有贯穿上压头5的注水通道5-1；压头密封圈8套接安装在上压头5的杆体底部、且位于上堵头3的试件支撑套安装沉孔与上压头5的大径压头结构之间，压头密封圈8的外径尺寸与试件支撑套28的内径尺寸配合、且压头密封圈8的底部设有与上压头5的锥形挤压面锥度配合的锥面结构；密封压台6套接安装在上堵头3上，且密封压台6分别与上堵头3和试验筒体9的大径段滑移配合设置，密封压台6可上下滑移移动；堵头密封环组件7套接安装在上堵头3上、且位于上堵头3的大径定位台阶与密封压台6之间，堵头密封环组件7包括对接设置的上密封环和下密封环、且上密封环和下密封环的对接面为锥形配合面；上压盖1套接安装在上堵头3上，上压盖1与试验筒体9螺纹安装连接、且上压盖1压接在密封压台6上；上堵头压帽4通过螺纹配合安装在上压头5的顶部、且上堵头压帽4压接在上堵头3上。

所述的筒体下安装部分相对于筒体上安装部分上下对置设置，包括下压盖2、下堵头19、下堵头压帽20、下压头16、下压头出口密封环组件17和传力套18；下堵头19是顶部具有大径定位台阶的阶梯柱结构，下堵头19通过大径定位台阶定位设置在试验筒体9的下定位台阶上，下堵头19的中轴线位置设有贯穿下堵头19的下压头安装通孔；杆状结构的下压头16穿接设置在下堵头19的下压头安装通孔内，下压头16的顶端设有外径尺寸与试件支撑套28的内径尺寸配合的大径压头结构、且大径压头结构与下压头16的杆体之间设有锥形挤压面，锥形挤压面上也设有套接安装的压头密封圈8、且压头密封圈8的顶部与下压头16的锥形挤压面锥度配合，下压头16的杆体底端设有与其同轴设置的密封小径段，下压头16的中轴线位置还设有贯穿下压头16的出水通道16-1；下压头出口密封环组件17和传力套18自上而下依次套接安装在下压头16的密封小径段上、且下压头出口密封环组件17和传力套18的总高度尺寸大于密封小径段的高度尺寸，下压头出口密封环组件17包括对接设置的上密封卡环和下密封卡环、且上密封卡环和下密封卡环的对接面为锥形配合面；下压盖2套接安装在下堵头19上、且下压盖2与试验筒体9螺纹安装连接，下压盖2与下堵头19的大径定位台阶之间也设有堵头密封环组件7和密封压台6、且堵头密封环组件7和密封压台6自上而下依次套接安装在下堵头19上，下压盖2压接在密封压台6上；下堵头压帽20是螺栓结构，下堵头压帽20通过螺纹配合安装在下堵头19的下压头安装通孔的底部、且下堵头压帽20的顶端顶靠在传力套18的底端上，下堵头压帽20的中轴线位置也设有贯穿下堵头压帽20的出水通道16-1。

所述的筒体内安装部分包括位于试验筒体9内部的试件支撑套28、密封传压件13、预紧压帽14和预紧压簧15；试件支撑套28的顶端套接在上压头5的大径压头结构和上压头5的压头密封圈8上、且试件支撑套28的顶端穿入并顶靠在试件支撑套安装沉孔内，试件支撑套28的底端套接在下压头16的大径压头结构和下压头16的压头密封圈8上；密封传压件13是外径尺寸与试验筒体9内腔围压腔段10的内径尺寸间隙配合的盘状结构，如图2所示，密封传压件13包括盘体和位于盘体轴心位置的内压套13-1，内压套13-1的内径尺寸与下压头16的杆体的外径尺寸间隙配合，内压套13-1的外径尺寸与试件支撑套28的内径尺寸间隙配合，密封传压件13通过内压套13-1套接安装在下压头16上，且内压套13-1的顶端穿入试件支撑套28的底端、并顶靠在下压头16的压头密封圈8的底端上，盘体上还设有多个沿轴向方向贯穿盘体的过油孔13-3；预紧压帽14与下压头16的杆体螺纹安装连接、且预紧压帽14的顶端压接在密封传压件13的底平面上；预紧压簧15的顶端顶靠在密封传压件13的底平面上、底端顶靠在下堵头19的顶端。

为确保高温高压的试验要求，本高温高压水压致裂夹持器的试验筒体9、上压盖1、上堵头3、上压头5、下压盖2、下堵头19、下压头16、密封传压件13、预紧压帽14等刚性连接部件均采用镍基合金材质，刚度和壁厚需达到不低于60mpa的耐压要求。本高温高压水压致裂夹持器能够施加围压和水压，适用温度(室温～400℃)、围压(0～60mpa)、水压(0～起裂压力)环境，但本高温高压水压致裂夹持器不能施加轴压。本高温高压水压致裂夹持器共有五处密封设计，可有效避免在试验过程中因漏液导致的试验失败，即：①上堵头3与试验筒体9之间通过密封压台6对密封组件7传压进行压紧密封；②下堵头19与试验筒体9之间通过密封压台6对密封组件7传压进行压紧密封；③上压头5、试件支撑套28和上堵头3之间通过上堵头压帽4对上压头5提供向上的拉力对压头密封圈8进行压紧密封；④下压头16和试件支撑套28之间先通过预紧压帽14对密封传压件13提供预紧力，在试验过程中，预紧压簧15压缩后的压力使传压件13受压，这样上堵头3上的压头密封圈8和下堵头19上的压头密封圈8均会始终处于受压状态，可以避免压头受高温热膨胀导致的密封失效问题；⑤下压头16和下堵头19之间通过旋入下堵头压帽20使传力套18上移将下压头出口密封环组件17压紧，可避免压力油通过下压头16外漏。

下面以应用本高温高压水压致裂夹持器对圆柱形花岗岩试件进行试验为例进行具体说明。

试验具体包括以下步骤：

a.岩石试件准备：

配合试件支撑套28的内径尺寸制备φ50×100mm的圆柱形花岗岩材质的岩石试件22，在岩石试件22的端面中心竖直钻孔，在钻孔内埋入尺寸小于注水通道5-1的注水管后进行钻孔孔口处的密封。

b.岩石试件夹持安装：

①将上堵头3置入试验筒体9的上端，然后在上堵头3上自下而上依次套接安装堵头密封环组件7和密封压台6，套接上压盖1后旋紧上压盖1，上压盖1即带动密封压台6将堵头密封环组件7压紧，堵头密封环组件7压紧过程中，上密封环和下密封环在锥形配合面的楔紧力作用下分别产生向内和向外的错位运动趋势，进而实现试验筒体9与上堵头3之间的密封；

②将安装有压头密封圈8的上压头5的底端插入试件支撑套28的顶端，再将上压头5和试件支撑套28整体自试验筒体9的下端插入至上堵头3内，然后在上压头5的顶端安装上堵头压帽4并旋紧，上堵头压帽4旋紧过程中拉动上压头5上移，上压头5的大径压头结构的锥形挤压面即将压头密封圈8压紧，压头密封圈8在楔紧力作用下涨开将试件支撑套28的顶端定位在试件支撑套安装沉孔内，实现上压头5与试件支撑套28之间的密封；

③将岩石试件22自试验筒体9的下端插入至试件支撑套28内使注水管插入并伸出至注水通道5-1外部，然后将自上而下依次安装有压头密封圈8、密封传压件13和预紧压帽14的下压头16插入至试件支撑套28内，并旋紧预紧压帽14，预紧压帽14旋紧过程中带动密封传压件13和下压头16上移对岩石试件22施加预紧力、同时将压头密封圈8压紧，压头密封圈8在楔紧力作用下涨开实现下压头16与试件支撑套28之间的密封；

④将预紧压簧15置入试验筒体9内后将下堵头19置入试验筒体9的下端，并在下堵头19上自下而上依次套接安装堵头密封环组件7和密封压台6，套接下压盖2后旋紧下压盖2，下压盖2即带动密封压台6、堵头密封环组件7和下堵头19上移将预紧压簧15压缩，密封压台6同时将堵头密封环组件7压紧，堵头密封环组件7压紧过程中，上密封环和下密封环在锥形配合面的楔紧力作用下分别产生向内和向外的错位运动趋势，进而实现试验筒体9与下堵头19之间的密封；

⑤最后将下压头出口密封环组件17和传力套18自上而下依次置入下堵头19的下压头安装通孔内后，安装下堵头压帽20并旋紧，下堵头压帽20旋紧过程中通过传力套18将下压头出口密封环组件17压紧，下压头出口密封环组件17压紧过程中，上密封卡环和下密封卡环在锥形配合面的楔紧力作用下分别产生向内和向外的错位运动趋势，进而实现下堵头19与下压头16之间的密封，完成岩石试件的夹持安装。

c.如图3所示，将夹持安装有岩石试件22的高温高压水压致裂夹持器整体置入加热控温装置25内并定位，将注水管通过管路与恒压恒流注水泵23连接，将下堵头压帽20的出水通道16-1与出水管路连接，将注油孔11和出油孔12分别通过管路与恒压恒流注油泵24和测试控制阀组连接，将恒压恒流注水泵23泵压出口位置的压力传感器、恒压恒流注油泵24泵压出口位置的压力传感器、加热控温装置25内的温度传感器分别与测试计算机电连接。

d.先启动恒压恒流注油泵24将耐高温硅油注入试验筒体9内、并加载至试验设定压力使试验筒体9内形成设定的围压，达到设定围压后启动加热控温装置25进行加热至试验设定温度；

①加热过程中，通过控制恒压恒流注油泵24对围压实时进行跟踪监测以避免热应力对围压的影响；

②加热过程中，温度每升高至设定数值即观察上压盖1、下压盖2、上堵头压帽4、下堵头压帽20的松紧程度，并按实际需要对部件进行拧紧操作。

e.温度及应力环境达到试验设定要求后，启动恒压恒流注水泵23对岩石试件22进行压裂，并记录试验过程中压力随时间变化的曲线。

为了在试验过程中实现注入的压力水顺利排入出水通道16-1，作为本实用新型的进一步改进方案，下压头16的大径压头结构的顶平面上设有多个同心设置的环形渗流槽，环形渗流槽与出水通道16-1贯通设置、且多个环形渗流槽之间贯通连接。

为了保证密封传压件13的支撑强度、且便于密封传压件13的安装，作为本实用新型的进一步改进方案，密封传压件13的盘体外沿位置设有凸出于盘体表面的导向套13-2，导向套13-2的外径尺寸与试验筒体9内腔围压腔段10的内径尺寸间隙配合。

为了实现即能够保证密封效果、又能够保证支撑强度，作为本实用新型的进一步改进方案，堵头密封环组件7、压头密封圈8、下压头出口密封环组件17均采用耐高温石墨材质。

所述的试件支撑套28可以采用导热性优良的铜、铝等金属材质，由于紫铜具有优良的导热性﹑延展性和耐蚀性，因此优选紫铜材质，即，作为本实用新型的优选方案，试件支撑套28是紫铜套。

本高温高压水压致裂夹持器可针对小型岩样(φ50×100mm)进行试验，单次试验一人即可进行，操作方便，试验成功率高，单次试验成本较低；密封件均通过相关部件压紧方式进行密封，且在加温过程或试验过程中，可以对密封件进行持续压紧，且筒体内安装部分特别设计了密封预紧力施加及提供部件，能够抵抗试验过程中部件受热后的膨胀力，利于研究热力耦合作用下高温高压岩体的破裂力学行为，包括温度、压力、岩石岩性、岩石均质性等对水压致裂起裂压力及裂缝扩展规律的影响；进而有利于掌握热力耦合作用下高温高压岩体水压致裂的特性和规律，为高温岩体地热开采工程中储留层的建造工程提供理论依据和指导。