申请/专利权人：中国石油大学(北京)

申请日：2018-12-10

公开（公告）日：2021-01-08

公开（公告）号：CN109403940B

主分类号：E21B43/26(20060101)

分类号：E21B43/26(20060101);E21B49/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.01.08#授权;2019.03.26#实质审查的生效;2019.03.01#公开

摘要：本发明公开了一种液氮压裂应用于地热开发的实验方法及实验装置，其涉及地热资源开发技术领域，该实验方法包括：钻取所需的岩石试件，将岩石试件加工成与围压装置相匹配的形状，同时在岩石试件上进行钻孔以形成孔洞，并在孔洞中制作形成模拟井筒；将岩石试件进行加热以使岩石试件达到模拟地热的预设温度；将达到模拟地热的预设温度的岩石试件安装至围压装置中，通过围压装置对岩石试件施加预设围压和预设空隙压力；向岩石试件的孔洞中注入液氮压裂液，待液氮压裂液的压力达到预设压力条件时，终止注入液氮压裂液并卸载围压；等。本申请能够模拟采用液氮对地热附近的岩石进行压裂以研究超低温引起的热应力对地热附近的岩石的破坏情况。

主权项：1.一种液氮压裂应用于地热开发的实验方法，其特征在于，所述液氮压裂应用于地热开发的实验方法所使用的实验装置包括：氮气瓶；气体增压机，所述气体增压机的进口与所述氮气瓶相连接；液氮瓶；隔离器，所述隔离器的第一进口与所述气体增压机的出口相连接，所述隔离器的第二进口与所述液氮瓶相连接；围压装置，所述围压装置用于装载岩石试件，所述围压装置的液氮入口与所述隔离器的出口相连接；所述围压装置内部的腔体呈圆柱型，其侧壁上具有一开孔，其连接第一增压装置，从而给围压装置中的岩石试件施加围压；所述围压装置的液氮入口连接第二增压装置，所述围压装置的出口设置减压阀，通过调整所述第二增压装置和所述减压阀的开闭程度从而控制预设空隙压力的大小；所述液氮压裂应用于地热开发的实验方法包括：钻取所需的岩石试件，将所述岩石试件加工成与围压装置相匹配的形状，同时在所述岩石试件上进行钻孔以形成孔洞，并在所述孔洞的内壁上涂设ab胶，并使所述岩石试件在干燥通风处进行养护以形成模拟井筒；待制作形成模拟井筒后，将所述岩石试件进行加热以使所述岩石试件达到模拟地热的预设温度，模拟地热的预设温度为150度至300度之间；将达到模拟地热的预设温度的岩石试件安装至围压装置中，所述围压装置的液氮入口与所述岩石试件的模拟井筒相连通，通过所述围压装置对所述岩石试件施加预设围压和预设空隙压力，以达到模拟实际地下岩石所处于的环境条件的效果；通过气体增压机给氮气瓶流出的氮气进行增压，然后将氮气和液氮分别连入隔离器中，通过隔离器氮气加压推动液氮输入至围压装置的液氮入口中，从而向所述岩石试件的所述孔洞中注入液氮压裂液，待液氮压裂液的压力达到预设压力条件时，终止注入所述液氮压裂液并卸载围压、空隙压力和注入液氮压裂液的压力,再取出所述岩石试件，所述预设压力条件为液氮压裂液的压力下降并稳定在地应力下；液氮压裂液的压力为孔洞至隔离器出口之间测得的压力；在卸载围压后，将所述岩石试件沿所述孔洞的轴线进行剖面切割并观察所述岩石试件内部的以岩石试件中孔洞为中心的压裂裂缝的破坏特征和压裂裂缝的破坏形态；通过超低温液氮作为压裂液注入地层，其能有利于形成复杂的缝网，加上液氮超低温的作用，岩石内的孔隙水冻胀使岩石内部产生新的大尺寸孔隙，从而使得裂缝扩展，进而进一步增加地层的导流能力，复杂的缝网和大的导流能力在后期开发地热时能够增加接受地热能的接触面积，以提高地热采收率。

全文数据：液氮压裂应用于地热开发的实验方法及实验装置技术领域本发明涉及地热资源开发技术领域，特别涉及一种液氮压裂应用于地热开发的实验方法及实验装置。背景技术地热是地球内部产生的储存在地表下的热量，地热能已经成为及煤炭、石油之后重要的替代型能源之一，是太阳能、风能、生物质能等新能源领域中重要的成员，是一种无污染或极少污染的可再生清洁绿色能源。我国是一个地热资源较为丰富的国家，特别是温度在25℃至150℃之间的中低温地热资源几乎遍及全国。地热资源的开发利用蓬勃兴起，尤其是在20世纪90年代以后具有很大的市场需求，其被广泛应用于发电、温度种植、水产养殖、疗养洗浴、取暖等涉及人民生活的各个方面。我国丰富的地热资源为缓解中国能源紧张的局面和保护环境起到了重要的作用。液氮具有无色无味的特点，是钻完井中常见的一种工作液体。地热资源埋深大，温度高，它和液氮相互作用后会产生巨大的温差，进而将产生很大的温度应力。研究表明，液氮超低温引起的热应力能够使岩石发生破裂并加快岩石裂隙的扩展，岩石孔隙中的水在超低温下结冰会产生巨大的冻胀力，从而加剧对岩石的破坏。就目前而言，将超低温液氮压裂用于开发地热的理论还很少，特别是缺乏相应的实验方法来研究液氮压裂用于地热开发的实验过程。因此，亟需一种液氮压裂应用于地热开发的实验方法，以供日后能够高效的开发地热资源。发明内容为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种液氮压裂应用于地热开发的实验方法及实验装置，其能够模拟采用液氮对地热附近的岩石进行压裂以研究超低温引起的热应力对地热附近的岩石的破坏情况。本发明实施例的具体技术方案是：一种液氮压裂应用于地热开发的实验方法，所述液氮压裂应用于地热开发的实验方法包括：钻取所需的岩石试件，将所述岩石试件加工成与围压装置相匹配的形状，同时在所述岩石试件上进行钻孔以形成孔洞，并在所述孔洞中制作形成模拟井筒；待制作形成模拟井筒后，将所述岩石试件进行加热以使所述岩石试件达到模拟地热的预设温度；将达到模拟地热的预设温度的岩石试件安装至围压装置中，通过所述围压装置对所述岩石试件施加预设围压和预设空隙压力；向所述岩石试件的所述孔洞中注入液氮压裂液，待液氮压裂液的压力达到预设压力条件时，终止注入所述液氮压裂液并卸载围压；在卸载围压后，将所述岩石试件进行切割并观察所述岩石试件内部的压裂裂缝的破坏特征和压裂裂缝的破坏形态。优选地，模拟地热的预设温度为150度至300度之间。优选地，所述预设压力条件为液氮压裂液的压力下降并稳定在地应力下。优选地，所述围压装置内部的腔体呈圆柱型，所述岩石试件呈圆柱型。优选地，将所述岩石试件沿所述孔洞的轴线进行剖面切割以直观的观察到所述岩石试件内部的压裂裂缝的破坏特征和压裂裂缝的破坏形态。优选地，在所述岩石试件上进行钻孔以形成孔洞，并在所述孔洞的内壁上涂设ab胶，并使所述岩石试件在干燥通风处进行养护以形成模拟井筒。优选地，待液氮压裂液的压力达到预设压力条件时，终止注入所述液氮压裂液并卸载围压、空隙压力和注入液氮压裂液的压力，再取出所述岩石试件。优选地，待制作形成模拟井筒后，将所述岩石试件放入至加热箱中进行加热以使所述岩石试件达到模拟地热的预设温度。一种在上述任一所述的液氮压裂应用于地热开发的实验方法中采用的液氮压裂应用于地热开发的实验装置，所述液氮压裂应用于地热开发的实验装置包括：氮气瓶；气体增压机，所述气体增压机的进口与所述氮气瓶相连接；液氮瓶；隔离器，所述隔离器的第一进口与所述气体增压机的出口相连接，所述隔离器的第二进口与所述液氮瓶相连接；围压装置，所述围压装置用于装载所述岩石试件，所述围压装置的液氮入口与所述隔离器的出口相连接。优选地，所述围压装置的液氮入口与所述岩石试件的模拟井筒相连通。本发明的技术方案具有以下显著有益效果：本申请中的液氮压裂应用于地热开发的实验方法及实验装置能够模拟采用液氮对地热附近的岩石进行压裂以研究超低温引起的热应力对地热附近的岩石的破坏情况，当超低温液氮作为压裂液注入地层时，其能有利于形成复杂的缝网，加上液氮超低温的作用，岩石内的孔隙水冻胀使岩石内部产生新的大尺寸孔隙，从而使得裂缝扩展，进而进一步增加地层的导流能力，复杂的缝网和大的导流能力在后期开发地热时能够增加接受地热能的接触面积，以提高地热采收率，本申请在模拟实验中可以通过采用不同的围压条件、不同的空隙压力、不同的预设温度、不同类型岩石加工成的岩石试件从而模拟在开发地热时各种不同地层处岩石所处的环境条件，使用不同压力的超低温的液氮溶液对地热附近的岩石进行压裂，通过得到的岩石试件内部以岩石试件中孔洞为中心的压裂裂缝的破坏特征和压裂裂缝的破坏形态从而研究超低温引起的热应力对不同条件环境下地热附近的岩石的破坏情况。参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。附图说明在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。图1为本发明实施例中液氮压裂应用于地热开发的实验方法的步骤流程图；图2为本发明实施例中液氮压裂应用于地热开发的实验装置中部分系统图；图3为本发明实施例中液氮压裂应用于地热开发的实验装置中围压装置的结构图。以上附图的附图标记：1、氮气瓶；2、液氮瓶；3、气体增压机；4、隔离器；5、围压装置；51、液氮入口；52、开孔。具体实施方式结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。为了能够模拟采用液氮对地热附近的岩石进行压裂以研究超低温引起的热应力对地热附近的岩石的破坏情况，在本申请实施例中提出了一种液氮压裂应用于地热开发的实验方法，图1为本发明实施例中液氮压裂应用于地热开发的实验方法的步骤流程图，如图1所示，液氮压裂应用于地热开发的实验方法可以包括以下步骤：S101：钻取所需的岩石试件，将岩石试件加工成与围压装置5相匹配的形状，同时在岩石试件上进行钻孔以形成孔洞，并在孔洞中制作形成模拟井筒。在本步骤中，可以从户外取得岩石，再加工钻取所需的岩石试件，并将其打磨光滑，岩石试件可以加工成与围压装置5相匹配的形状，例如，岩石试件尺寸选择的规格可以是直径为50mm、长度为80mm的圆柱形，在本申请中不对岩石的种类进行限定。同时沿着圆柱形的轴线在岩石试件上钻取直径为4mm，长度为40mm的孔洞，从而适应实验需要，当然，也可选取其它规格尺寸的孔洞，在本申请中并不对孔洞的规格做任何限制。然后，在孔洞的内壁上涂设ab胶，并使岩石试件在干燥通风处进行养护以形成模拟井筒。岩石试件呈圆柱形可以便于后期通过围压装置5施加围压，从而更好的模拟地下三向应力状态。S102：待制作形成模拟井筒后，将岩石试件进行加热以使岩石试件达到模拟地热的预设温度。在本步骤中，待制作形成模拟井筒后，将岩石试件放入至加热箱中进行加热以使岩石试件达到模拟地热的预设温度。通常现实中实际的地热温度在150度至300度之间，因此，模拟地热的预设温度可以设置在150度至300度之间。在实验中为了充分体现超低温液氮与处于地热下岩石接触而引起的热应力对岩石的作用，模拟地热的预设温度可以优选300度，从而使其与超低温液氮的温度差较大。S103：将达到模拟地热的预设温度的岩石试件安装至围压装置5中，通过围压装置5对岩石试件施加预设围压和预设空隙压力。在本步骤中，将达到模拟地热的预设温度的岩石试件从加热箱中取出，然后安装至围压装置5中。在安装过程中，将围压装置5的液氮入口51与岩石试件的模拟井筒相连通。通过围压装置5对岩石试件施加预设围压和预设空隙压力，从而模拟实际地下岩石所处于的环境条件。图2为本发明实施例中液氮压裂应用于地热开发的实验装置中部分系统图，图3为本发明实施例中液氮压裂应用于地热开发的实验装置中围压装置的结构图，如图2和图3所示，在本申请中所采用的液氮压裂应用于地热开发的实验装置可以包括：氮气瓶1；气体增压机3，气体增压机3的进口与氮气瓶1相连接；液氮瓶2；隔离器4，隔离器4的第一进口与气体增压机3的出口相连接，隔离器4的第二进口与液氮瓶2相连接；围压装置5，围压装置5用于装载岩石试件，围压装置5的液氮入口51与隔离器4的出口相连接。围压装置5内部的腔体可以呈圆柱型，其侧壁上具有一开孔52，其用于连接第一增压装置，从而给围压装置5中的岩石试件施加围压。在围压装置5的液氮入口51连接第二增压装置，同时在围压装置5的出口设置减压阀，通过调整第二增压装置和减压阀的开闭程度从而控制预设空隙压力的大小。S104：向岩石试件的孔洞中注入液氮压裂液，待液氮压裂液的压力达到预设压力条件时，终止注入液氮压裂液并卸载围压。在本实施方式中，通过液氮压裂应用于地热开发的实验装置中的气体增压机3给氮气瓶1流出的氮气进行增压，然后将氮气和液氮分别连入隔离器4中，通过隔离器4氮气加压推动液氮输入至围压装置5的液氮入口51中。在液氮注入过程中，记录在液氮压裂液作用下的压力曲线，并将压力数据进行记录，待液氮压裂液的压力达到预设压力条件时，该预设压力条件可以是液氮压裂液的压力下降并稳定在地应力下，然后终止注入液氮压裂液并卸载围压、空隙压力和注入液氮压裂液的压力，再从围压装置5中取出岩石试件。上述液氮压裂液的压力可以理解成孔洞至隔离器4出口之间测得的压力。S105：在卸载围压后，将岩石试件进行切割并观察岩石试件内部的压裂裂缝的破坏特征和压裂裂缝的破坏形态。在本步骤中，将岩石试件沿孔洞的轴线进行剖面切割以直观的观察到岩石试件内部以岩石试件中孔洞为中心的压裂裂缝的破坏特征和压裂裂缝的破坏形态，并对其进行拍照记录，从而为后期分析做好准备。本申请中的液氮压裂应用于地热开发的实验方法及实验装置能够模拟采用液氮对地热附近的岩石进行压裂以研究超低温引起的热应力对地热附近的岩石的破坏情况，当超低温液氮作为压裂液注入地层时，其能有利于形成复杂的缝网，加上液氮超低温的作用，岩石内的孔隙水冻胀使岩石内部产生新的大尺寸孔隙，从而使得裂缝扩展，进而进一步增加地层的导流能力，复杂的缝网和大的导流能力在后期开发地热时能够增加接受地热能的接触面积，以提高地热采收率，本申请在模拟实验中可以通过采用不同的围压条件、不同的空隙压力、不同的预设温度、不同类型岩石加工成的岩石试件从而模拟在开发地热时各种不同地层处岩石所处的环境条件，使用不同压力的超低温的液氮溶液对地热附近的岩石进行压裂，通过得到的岩石试件内部以岩石试件中孔洞为中心的压裂裂缝的破坏特征和压裂裂缝的破坏形态从而研究超低温引起的热应力对不同条件环境下地热附近的岩石的破坏情况。披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种液氮压裂应用于地热开发的实验方法，其特征在于，所述液氮压裂应用于地热开发的实验方法包括：钻取所需的岩石试件，将所述岩石试件加工成与围压装置相匹配的形状，同时在所述岩石试件上进行钻孔以形成孔洞，并在所述孔洞中制作形成模拟井筒；待制作形成模拟井筒后，将所述岩石试件进行加热以使所述岩石试件达到模拟地热的预设温度；将达到模拟地热的预设温度的岩石试件安装至围压装置中，通过所述围压装置对所述岩石试件施加预设围压和预设空隙压力；向所述岩石试件的所述孔洞中注入液氮压裂液，待液氮压裂液的压力达到预设压力条件时，终止注入所述液氮压裂液并卸载围压；在卸载围压后，将所述岩石试件进行切割并观察所述岩石试件内部的压裂裂缝的破坏特征和压裂裂缝的破坏形态。2.根据权利要求1所述的液氮压裂应用于地热开发的实验方法，其特征在于，模拟地热的预设温度为150度至300度之间。3.根据权利要求1所述的液氮压裂应用于地热开发的实验方法，其特征在于，所述预设压力条件为液氮压裂液的压力下降并稳定在地应力下。4.根据权利要求1所述的液氮压裂应用于地热开发的实验方法，其特征在于，所述围压装置内部的腔体呈圆柱型，所述岩石试件呈圆柱型。5.根据权利要求1所述的液氮压裂应用于地热开发的实验方法，其特征在于，将所述岩石试件沿所述孔洞的轴线进行剖面切割以直观的观察到所述岩石试件内部的压裂裂缝的破坏特征和压裂裂缝的破坏形态。6.根据权利要求1所述的液氮压裂应用于地热开发的实验方法，其特征在于，在所述岩石试件上进行钻孔以形成孔洞，并在所述孔洞的内壁上涂设ab胶，并使所述岩石试件在干燥通风处进行养护以形成模拟井筒。7.根据权利要求1所述的液氮压裂应用于地热开发的实验方法，其特征在于，待液氮压裂液的压力达到预设压力条件时，终止注入所述液氮压裂液并卸载围压、空隙压力和注入液氮压裂液的压力，再取出所述岩石试件。8.根据权利要求1所述的液氮压裂应用于地热开发的实验方法，其特征在于，待制作形成模拟井筒后，将所述岩石试件放入至加热箱中进行加热以使所述岩石试件达到模拟地热的预设温度。9.一种在权利要求1至8中任一所述的液氮压裂应用于地热开发的实验方法中采用的液氮压裂应用于地热开发的实验装置，其特征在于，所述液氮压裂应用于地热开发的实验装置包括：氮气瓶；气体增压机，所述气体增压机的进口与所述氮气瓶相连接；液氮瓶；隔离器，所述隔离器的第一进口与所述气体增压机的出口相连接，所述隔离器的第二进口与所述液氮瓶相连接；围压装置，所述围压装置用于装载所述岩石试件，所述围压装置的液氮入口与所述隔离器的出口相连接。10.一种根据权利要求9所述的液氮压裂应用于地热开发的实验装置，其特征在于，所述围压装置的液氮入口与所述岩石试件的模拟井筒相连通。

百度查询： 中国石油大学(北京) 液氮压裂应用于地热开发的实验方法及实验装置

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD