[发明专利]一种干热岩裂隙渗流和热交换过程可视化试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种可视化试验装置，具体涉及一种研究高温高压状态下干热岩裂隙渗流和热交换过程的可视化试验装置。

背景技术

众所周知，能源问题制约着人类社会的经济发展，破解能源问题的根本之路在于可再生能源。地热资源是典型的清洁能源，具有可持续、可再生、可综合利用等优越性，具有巨大的经济价值。目前，我国大多数地热资源都没有被开发利用，特别是深层地热资源如干热岩资源。干热岩是指一种不含水或蒸汽，埋深为3～10km，温度为150°～650°的致密热岩体，具有绿色、稳定、利用率高等诸多优点。截至目前为止，全球探明的干热岩资源量为世界上所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍，预测将来干热岩资源会成为能源格局中重要的一部分。

干热岩的开发工程又叫增强型地热系统(EGS)，是通过向人工压裂的低渗透性岩体中注入冷水，冷水通过裂隙带与高温岩体接触加热，然后形成闭合回路，热水回到地面后加以利用的工程。由此可知，这其中的重要一个环节就是流体与周围岩体换热，涉及的核心问题为热交换的问题，本质上就是流体在高温裂隙岩体中渗流过程的热传递的问题。因此，弄清干热岩裂隙渗流的裂隙扩展机制及渗流特性，从而可以有利于解决所述的核心问题。

由于干热岩属于新型地热资源，目前世界上还没有形成一套完善成熟的理论对其进行开发利用，我国对此的开发研究也正处于初期的探索阶段。虽然对增强型地热系统研究已有40年的历史，但是研究的重点依然处于对储层改造方面，大家普遍关心热交换量，所以离商业化的开采还存在着很大的距离。因此，对增强型地热系统开采的研究大多数还处于理论分析阶段。

目前大家研究储层改造中的核心问题就是应力场、水动力场、温度场的时空演化规律，更一般来说就是热—水动力—力学的耦合问题，这其中涉及多个学科交叉和复杂的地质情况，因此难以在单纯的数学物理分析上有所突破。目前，大多数学者是采用数值模拟分析计算，分析不同温度、不同裂隙间隔等参数对热开采效率进行研究。但是数值模拟计算结果的精确结果很大程度上受限于计算参数的选取，同时建模者对该问题的认知程度也一定程度上影响计算结果，所以与实际情况也存在一段距离。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种干热岩裂隙渗流和热交换过程可视化的试验装置，可以模拟干热岩开采过程，解决了现有技术中无法实时监测干热岩开发利用工程中裂隙渗流的情况以及水温情况的弊端，并可通过可视化界面实时观测试验情况。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种干热岩裂隙渗流和热交换过程可视化试验装置，包括试验腔，可视化单元，温度控制单元，以及与试验腔连通的注入控制单元、围压控制单元、轴压控制单元和流出控制单元；

所述试验腔包括岩样夹持器、密封铸件以及相互连通的围压加压腔与轴压加压腔，试验腔的入口和出口均通过密封铸件密封，岩样夹持器固定于围压加压腔中，所述岩样夹持器由铸铁管片构件、隔热板、导热管壳、耐高温橡胶垫片、导热硅胶层拼装构成，所述铸铁管片构件、导热管壳和导热硅胶层均为弧形管片，导热管壳贴合于导热硅胶层的外表面，耐高温橡胶垫片包裹于铸铁管片构件的外表面，铸铁管片构件、耐高温橡胶垫片、导热管壳和导热硅胶层构成圆管结构，岩样紧密固定于圆管结构中，圆管结构的长度大于岩样的长度，隔热板的下部固定于铸铁管片构件与导热管壳以及导热硅胶层的连接处、上部与围压加压腔的腔壁连接；

所述注入控制单元包括通过带阀门的注入管道顺序连通的注入水槽、恒速恒压水泵和中间活塞容器，注入控制单元通过试验腔的入口与岩样夹持器连通，连通岩样夹持器与中间活塞容器的注入管道上安装有注入压力感应器；

所述围压控制单元包括通过带阀门的围压管道顺序连通的围压加压水槽和围压自动加压泵，围压管道上安装有围压压力感应器，围压控制单元通过围压加压腔上设置的围压注入口与围压加压腔连通；

所述轴压控制单元包括通过带阀门的轴压管道顺序连通的轴压加压水槽和轴压自动加压泵，轴压管道上安装有轴压压力感应器，轴压控制单元通过轴压加压腔上设置的轴压注入口与轴压加压腔连通；

所述流出控制单元包括通过带阀门的流出管道顺序连通的回收水槽和冷凝容器，流出管道上安装有流出压力感应器和流速计，流出控制单元通过试验腔的出口与岩样夹持器连通；

所述温度控制单元包括加热装置和与加热装置相连的导热元件，导热元件固定于围压加压腔上设置的温度加温口中并且与围压加压腔腔壁相接触；