高温岩石中二氧化碳自然对流传热的试验方法及装置

本技术涉及干热岩及增强型地热系统，尤其涉及一种高温岩石中二氧化碳自然对流传热的试验方法及装置。

背景技术：

1、地热资源按照其成因和产出条件可分为水热型和干热岩型，其中干热岩型地热资源占已探明地热资源的90％左右，具有极大的开发潜力。由于干热岩储层岩层致密，不含或只含少量天然裂隙，因此人们通过使用增强型地热系统来开发和利用干热岩中的热能。在增强型地热系统中，温度较低的传热流体通过注入井从地面注入到深部高温的干热岩储层裂隙中，在注入压力的驱动下流向生产井，传热流体在干热岩裂隙中渗流的过程中不断吸收干热岩的热量，温度逐渐上升，最终通过生产井被抽取回地面。为了解决以水作为采热流体的增强型地热系统的水资源污染和浪费问题，将二氧化碳代替水作为增强型地热系统的采热流体。

2、强制对流是通过外部施加的力，例如泵或风扇，强制使流体移动。自然对流是一种无外界驱动力的流体流动现象，它主要由温度差引起，导致流体内部的密度不均，从而产生了驱动力，这个驱动力促使流体在没有外力驱动的作用下也能从密度高的一端向密度低的一端运动。

3、在二氧化碳增强型地热系统中，靠近注入井的区域由于注入压力的存在，二氧化碳强制对流过程显著。在远离注入井的区域，二氧化碳流体压力逐渐消散，强制对流过程减弱，自然对流过程逐渐显现。二氧化碳在裂缝网络中的自然对流表现为：距离注入井的一端，二氧化碳温度相对较低，密度相对较高，而在生产井附近的二氧化碳温度相对较高，密度相对较小，因此会导致在没有泵注压力的驱动下，二氧化碳由注入井向生产井方向流动。充分利用二氧化碳在不同温度下显著的密度差形成的自然对流效应，能够大大降低干热岩热能开采所需的泵注能耗，提高热开采效率，因此研究二氧化碳的自然对流换热过程尤为重要。但是，干热岩储层裂隙中二氧化碳自然对流传热研究所需的室内试验方法及装置缺乏。现有的关于岩石裂隙二氧化碳渗流传热的试验方法及装置只能用于研究二氧化碳在泵注压力下的强制对流传热过程，无法采用这些方法及装置进行自然对流传热试验。因此，开发一种高温岩石中二氧化碳自然对流传热试验方法及装置很有必要。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种高温岩石中二氧化碳自然对流传热的试验方法及装置，实现了干热岩储层裂隙二氧化碳自然对流的室内试验，弥补了干热岩储层裂隙二氧化碳自然对流传热试验方法的空缺。

2、为此，根据本技术的一个方面，提供了一种高温岩石中二氧化碳自然对流传热的试验方法，包括以下步骤：

3、s1.将干热岩岩样沿其裂隙的延伸方向依次分为前段、中段和后段，前段具有裂隙入口，后段具有裂隙出口，前段、中段和后段分别通过加热电阻加热；将中段加热至预设温度，以模拟干热岩储层的温度环境；将前段加热至温度低于预设温度，形成低温区域；将后段加热至温度高于预设温度，形成高温区域；

4、s2.施加外力将二氧化碳由裂隙入口注入干热岩岩样的裂隙中，待二氧化碳从裂隙出口稳定流出后，停止施加外力并使裂隙入口和裂隙出口之间的压差为零，以结束强制对流过程；此时，低温区域的裂隙中二氧化碳的温度低、密度大，中段的裂隙中二氧化碳的温度相对高、密度相对小，使二氧化碳发生从低温区域的裂隙中向中段的裂隙中流动，这个流动过程没有外力驱动，为自然对流过程；高温区域的裂隙中二氧化碳的温度高、密度小，中段的裂隙中二氧化碳的温度相对低、密度相对大，使二氧化碳发生从中段的裂隙向高温区域流动，这个流动过程没有外力驱动，为自然对流过程；高温区域与低温区域之间的温差保证了二氧化碳在干热岩岩样的裂隙中自然对流的整体趋势是从裂隙入口流向裂隙出口，流动过程中二氧化碳与干热岩岩样的裂隙面发生热量交换，为自然对流传热；当裂隙出口监测到有二氧化碳流出时，说明干热岩岩样的裂隙中发生了二氧化碳的自然对流；

5、s3.在裂隙入口处设置二氧化碳补给源，二氧化碳补给源在自然对流传热阶段向裂隙入口补给的二氧化碳量与裂隙出口流出的二氧化碳量相同，使干热岩岩样的裂隙中有稳定的二氧化碳补给，并使干热岩岩样的裂隙中持续地发生二氧化碳自然对流传热；同时控制二氧化碳补给源对裂隙入口施加的压力与裂隙出口的压力相等，避免了补给过程中强制对流的发生；

6、s4.监测中段的裂隙中二氧化碳发生自然对流的起始温度和终止温度；

7、s5.当裂隙出口有稳定的二氧化碳流出且温度监测数据稳定时，利用下式计算干热岩储层裂隙中二氧化碳的自然对流传热系数h：

8、

9、其中：h为自然对流传热系数，单位w/(m2·℃)；tb为起始温度，单位℃；te为终止温度，单位℃；w为用于对中段进行加热的加热电阻的电功率，单位w；ε为干热岩的黑度；a为裂隙面的面积，单位m2；c0为黑体辐射系数，单位w/(m2·k2)；tb为起始温度，单位k；te为终止温度，单位k；

10、s6.利用不同条件下计算得到的自然对流传热系数分析不同条件对自然对流传热系数的影响。

11、根据本技术的另一个方面，提供了一种高温岩石中二氧化碳自然对流传热的试验装置，基于上述的试验方法，该试验装置包括：

12、岩心夹持器，包括橡胶套，橡胶套的内部形成用于放置岩样的岩心室，岩心室分为上下两个腔室，岩心室由左至右依次分为低温辅助区、前缓冲区、试验区、后缓冲区和高温辅助区；低温辅助区的两端、前缓冲区的两端、试验区的两端、后缓冲区的两端和高温辅助区的两端均设置有隔热板，隔热板用于隔绝各个区域相互之间的温度；岩心室的上下两个腔室之间设有垫片，通过改变垫片的厚度能够调节干热岩岩样的裂隙开度；橡胶套外套设有金属筒，金属筒和橡胶套之间具有间隙，间隙内被分隔为五个分别一一对应低温辅助区、前缓冲区、试验区、后缓冲区和高温辅助区的独立围压腔；橡胶套的两端设置堵头封堵，堵头外侧设置锁紧帽，锁紧帽通过螺栓固定在金属筒的端部，用于将堵头堵紧；靠近低温辅助区的堵头的中间开孔并连接毛细钢管，作为二氧化碳注入管；靠近高温辅助区的堵头的中间开孔并连接毛细钢管，作为二氧化碳输出管；堵头与二氧化碳输出管之间设置有防止二氧化碳回流的第一气路单向阀；金属筒外侧包裹隔热层；

13、压力系统，用于向各独立围压腔提供压力，以向岩心室中的干热岩岩样施加围压；

14、加热系统，包括五个加热电阻和两个热电偶，五个加热电阻分别一一对应设置在五个独立围压腔的内壁上；其中一个热电偶从二氧化碳注入管进入到岩心室试验区靠近前缓冲区的一端；另一个热电偶从二氧化碳输出管进入到岩心室试验区靠近后缓冲区的一端；以及

15、注入系统，用于施加外力将二氧化碳由二氧化碳注入管注入干热岩岩样的裂隙中；注入系统还用于在干热岩岩样的裂隙中发生二氧化碳的自然对流后，向二氧化碳注入管注入与二氧化碳输出管流出的二氧化碳量相等的二氧化碳，同时控制二氧化碳注入管与二氧化碳输出管的内部压力相等，以实现持续自然对流。

16、本技术提供的高温岩石中二氧化碳自然对流传热的试验方法及装置的有益效果在于：

17、1.提供一种高温岩石中二氧化碳自然对流传热的试验方法，将干热岩岩样分为前段、中段和后段，并将前端和后端分别加热形成低温区域和高温区域；通过施加外力，以强制对流的方式，将二氧化碳注入到干热岩岩样的裂隙中，然后停止施加外力并使裂隙入口和裂隙出口压力差为零以结束强制对流过程，此时低温区域和高温区域促使裂隙中的二氧化碳发生自然对流，并实现了自然对流的整体趋势是从干热岩裂隙的裂隙入口流向裂隙出口；在裂隙入口处设置二氧化碳补给源，二氧化碳补给源向裂隙入口补给的二氧化碳量与裂隙出口流出的二氧化碳量相同，使干热岩岩样裂隙中有稳定的二氧化碳补给，使干热岩岩样的裂隙中持续地发生二氧化碳自然对流传热；同时控制二氧化碳补给源对裂隙入口的压力与裂隙出口的压力相等，使二氧化碳在干热岩裂隙中从裂隙入口流向裂隙出口不受外力影响，避免了补给过程中强制对流的发生；通过监测干热岩岩样的中段的裂隙内发生自然对流的起始温度和终止温度，避免设置的低温区域和高温区域的温度对温度监测的影响；通过利用公式计算自然对流传热系数来分析不同条件下的自然对流传热。该方法弥补了高温岩石裂隙二氧化碳自然对流传热试验方法的空缺；

18、2.提供一种高温岩石中二氧化碳自然对流传热的试验装置，将岩心夹持器中的岩心室分成低温辅助区、前缓冲区、试验区、后缓冲区和高温辅助区五个区域，通过低温辅助区和高温辅助区营造出的温度差，实现了自然对流的整体趋势是从二氧化碳注入管流向二氧化碳输出管并且避免了两端温度与外界的差异影响自然对流的整体趋势，通过前缓冲区和后缓冲区避免低温辅助区和高温辅助区对温度监测的影响；通过改变岩心室中上下两个腔室之间垫片的厚度，实现对干热岩岩样裂隙开度的控制；通过注入系统向二氧化碳注入管注入与二氧化碳输出管流出的等量的二氧化碳，同时控制二氧化碳注入管与二氧化碳输出管的内部压力相等，使自然对流顺利发生。该装置实现高温岩石裂隙二氧化碳自然对流的室内试验。