[发明专利]一种模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法

权利要求书

1.一种模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，所使用的破碎岩体多场耦合试验系统包括整体式框架(1)、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、试样内部检测部分和集中电控部分；

所述的压力加载控制部分固定设置在整体式框架(1)的内底部，包括液压泵站(2)和加载液压缸(3)，加载液压缸(3)竖直固定设置在整体式框架(1)上、且加载液压缸(3)的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸(3)通过液压管路和控制阀组与液压泵站(2)连接；

所述的压力室部分包括设置在整体式框架(1)内部的压力室(38)，压力室(38)包括压力室底座(4)、夹层筒壁(9)和压力室顶压头(14)；压力室底座(4)通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸(3)的伸缩端顶端，压力室底座(4)内部设有贯穿压力室底座(4)设置的渗液出口通道(5)，渗液出口通道(5)的入口端与压力室底座(4)的顶平面贯通，渗液出口通道(5)的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置(6)，夹层筒壁(9)的底部同轴密闭固定设置在压力室底座(4)上，夹层筒壁(9)与压力室底座(4)共同围成桶型结构，夹层筒壁(9)内部沿其径向方向自内向外依次设有刚性导热内筒壁(9-1)、环形岩筒夹层(9-2)、环形供热夹层(9-4)和刚性绝热外筒壁，刚性导热内筒壁(9-1)上设有筒壁侧压力动态传感器和内筒壁温度传感器，环形岩筒试样(9-5)通过环形岩筒夹层盖(9-6)配合安装在环形岩筒夹层(9-2)内、且环形岩筒试样(9-5)的上下两端均设有隔热垫圈(9-7)，环形供热夹层(9-4)内部设有供热夹层温度传感器(12)和自下而上均布设置的电加热丝；刚性导热内筒壁(9-1)的内腔底部设有外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合的下透水板(11)，且下透水板(11)上均布设有多个与渗液出口通道(5)连通设置的透水通孔；压力室顶压头(14)同轴设置在夹层筒壁(9)的顶部、且压力室顶压头(14)底部的外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合，压力室顶压头(14)上设有贯穿压力室顶压头(14)的液体入孔(15)、且液体入孔(15)的孔口位置设有孔口注液温度压力流量传感器(25)，压力室顶压头(14)的底端设有外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合的上透水板(10)、且上透水板(10)上均布设有多个与液体入孔(15)连通设置的透水通孔，压力室顶压头(14)的顶端的对称中心位置设有凹形球面结构、且压力室顶压头(14)的顶部设有直流励磁线圈(17)；渗液处理装置(6)包括固液分离机构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称；

所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置(30)和与渗流液泵送装置(30)电连接的渗流泵送电控装置(32)，渗流液泵送装置(30)的输入端通过管路与渗流液供给箱(29)连接，渗流液泵送装置(30)的输出端通过管路与入口液体加热装置(40)的输入端连接，入口液体加热装置(40)的输出端通过入口液体温度调控装置(41)和管路与液体入孔(15)连通连接；

所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置(35)；扰动信号执行装置包括定位压头(21)，定位压头(21)对应压力室顶压头(14)的位置竖直安装在整体式框架(1)上、且定位压头(21)上设有定位压头升降结构，定位压头(21)的底端是配合压力室顶压头(14)顶端的凹形球面结构设置的凸形球面结构，定位压头(21)上设有交流励磁线圈(20)，定位压头(21)或压力室顶压头(14)上还设有原位扰动动态压力传感器(19)；扰动信号激励电控装置(35)包括可控交流激励模块(34)和直流供电模块(33)，可控交流激励模块(34)与交流励磁线圈(20)电连接，直流供电模块(33)与直流励磁线圈(17)电连接；

所述的试样内部检测部分包括设置在压力室部分桶型结构内的多个非接触式动态固液分离传感装置(27)和设置在刚性导热内筒壁(9-1)上的磁场定位部件(42)；非接触式动态固液分离传感装置(27)包括围成方形立体框架结构的支撑固定骨架(27-1)和包裹设置于支撑固定骨架(27-1)上的固液分离刚性隔离网(27-2)，以方形立体框架结构空间对置的两个顶点为基准点，方形立体框架结构被划分为分别以顶点为中心、具有空间相邻三个面的第一部分和第二部分两个部分，第一部分的支撑固定骨架(27-1)是刚性支撑固定骨架，刚性支撑固定骨架的内表面上固定设有电子陀螺仪(27-3)、试样水压传感器(27-4)、试样温度传感器(27-5)、空间电磁定位传感器(27-6)、数据同步集成处理电控机构(27-7)，且空间电磁定位传感器(27-6)定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置，数据同步集成处理电控机构(27-7)包括传感控制器、电源回路，传感控制器分别与电子陀螺仪(27-3)、试样水压传感器(27-4)、试样温度传感器(27-5)、空间电磁定位传感器(27-6)电连接，第二部分的支撑固定骨架(27-1)是弹性支撑固定骨架，弹性支撑固定骨架位于空间相邻三个面的外表面上分别设有空间三向应力传感器(27-8)、且弹性支撑固定骨架的内表面上固定设有分别与三向应力传感器(27-8)电连接的应力测试解调器(27-9)，应力测试解调器(27-9)与数据同步集成处理电控机构(27-7)的传感控制器电连接，相邻的刚性支撑固定骨架与弹性支撑固定骨架固定安装连接形成整体方形立体框架结构；磁场定位部件(42)包括固定设置于刚性导热内筒壁(9-1)顶端平面内的上磁场定位部件和固定设置于刚性导热内筒壁(9-1)底端平面内的下磁场定位部件，上磁场定位部件和下磁场定位部件分别设置为沿刚性导热内筒壁(9-1)径向方向布置的两件，两件上磁场定位部件的连线与两件下磁场定位部件的连线空间垂直设置；

所述的集中电控部分包括计算机(36)、数据采集模块(28)、压力加载控制回路、温度控制回路、注液控制回路、原位扰动激励控制回路、试样内部检测控制回路、数据分析计算回路，计算机(36)分别与液压泵站(2)、渗流泵送电控装置(32)、入口液体温度调控装置(41)、扰动信号激励电控装置(35)、数据采集模块(28)、磁场定位部件(42)和环形供热夹层(9-4)的电加热丝电连接，数据采集模块(28)分别与孔口注液温度压力流量传感器(25)、出口渗液流量传感器、筒壁侧压力动态传感器、内筒壁温度传感器、供热夹层温度传感器(12)、原位扰动动态压力传感器(19)、数据同步集成处理电控机构(27-7)、渗液处理装置(6)的电子称电连接；

其特征在于，具体试验方法包括以下步骤：

a.试验准备：将夹层筒壁(9)与压力室底座(4)固定安装形成桶型结构的压力室(38)，将环形岩筒试样(9-5)通过隔热垫圈(9-7)安装在环形岩筒夹层(9-2)内后加装环形岩筒夹层盖(9-6)，然后将破碎岩体试样和多个非接触式动态固液分离传感装置(27)置入压力室(38)内、并使多个非接触式动态固液分离传感装置(27)均布设置在破碎岩体试样内，然后加装压力室顶压头(14)，调整定位压头(21)上的升降结构使定位压头(21)上移让位后，将压力室(38)整体吊装或通过平移输送机送入整体式框架(1)内，并通过加载液压缸(3)伸缩端顶面上的定位结构和压力室底座定位安装部件将压力室底座(4)同轴定位安装在加载液压缸(3)的伸缩端顶端，再次调整定位压头(21)上的升降结构使定位压头(21)下降并与贴近压力室顶压头(14)后连接水路管路和电气管路；

b.试验过程：计算机(36)通过压力加载控制回路控制液压泵站(2)工作使加载液压缸(3)顶升对压力室(38)内的破碎岩体试样输入压力载荷，同时计算机(36)通过注液控制回路控制渗流泵送电控装置(32)工作使渗流液经入口液体加热装置(40)、入口液体温度调控装置(41)加热后进入液体入孔(15)，计算机(36)通过试样内部检测控制回路控制各个非接触式动态固液分离传感装置(27)同时工作；各个数据同步集成处理电控机构(27-7)按照相同的设定时间周期通过空间电磁定位传感器(27-6)和电子陀螺仪(27-3)同步向数据采集模块(28)反馈各个非接触式动态固液分离传感装置(27)位于压力室(38)内的具体三维坐标位置数据及空间角度姿态数据，计算机(36)根据数据采集模块(28)采集的各个非接触式动态固液分离传感装置(27)的具体三维坐标位置数据及空间角度姿态数据和内置程序计算并建立试样内部测试点动态分布模型；各个数据同步集成处理电控机构(27-7)按照相同的设定时间周期向数据采集模块(28)反馈非接触式动态固液分离传感装置(27)承受的来自破碎岩体试样的三向土压数据、来自压力室(38)内的渗流液的水温数据及水压数据，计算机(36)根据数据采集模块(28)采集的三向土压数据和电子陀螺仪(27-3)反馈的空间角度姿态数据、应力测试解调器(27-9)反馈的应力数据分析获得三向土压数据的具体空间方向和对应的应力数据、并通过差值法计算得到任意方向的应力场数据，然后在试样内部测试点动态分布模型的基础上构建破碎岩体试样内部应力模型，计算机(36)根据数据采集模块(28)采集的渗流液的水温数据及水压数据和内置程序计算获得温度场数据、水压力梯度分布数据，并在试样内部测试点动态分布模型的基础上构建破碎岩体试样内部温度模型、破碎岩体试样内部渗透水水压梯度分布模型；原位扰动动态压力传感器(19)实时向数据采集模块(28)反馈压力室顶压头(14)承受的压力数据，孔口注液温度压力流量传感器(25)实时向数据采集模块(28)反馈注入的渗流液初始压力数据，出口渗液流量传感器实时向数据采集模块(28)反馈排出的渗流液压力数据，筒壁侧压力动态传感器实时向数据采集模块(28)反馈刚性导热内筒壁(9-1)对破碎岩体试样的围压数据，内筒壁温度传感器实时向数据采集模块(28)反馈刚性导热内筒壁(9-1)的温度数据，渗液处理装置(6)的电子称向数据采集模块(28)反馈渗漏排出的岩粒的质量数据，计算机(36)分别对数据采集模块(28)采集的压力室顶压头(14)承受的压力数据、注入的渗流液初始压力数据、排出的渗流液压力数据、刚性导热内筒壁(9-1)的围压数据、刚性导热内筒壁(9-1)的温度数据、排出的岩粒质量数据进行误差分析计算和均值输出；

进行静载试验时，计算机(36)控制加载液压缸(3)输出稳定的额定静载荷，模拟破碎岩体承受长时稳定载荷的情况；

进行静载+预设动载荷试验时，在计算机(36)中设定静载荷大小、加载速度、动载荷的形式、周期、振幅、峰值大小、循环次数、叠加方式特征数据，然后计算机(36)控制加载液压缸(3)输出稳定的额定静载荷的同时，计算机(36)通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置(35)工作使直流励磁线圈(17)和交流励磁线圈(20)产生磁通，定位压头(21)和压力室顶压头(14)之间产生电磁力使定位压头(21)和压力室顶压头(14)发生相对激振实现静载扰动，模拟破碎岩体在承受长时稳定载荷的同时承受预设形式的周期性扰动载荷、冲击载荷叠加作用的情况；

进行静载+原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷试验时，在计算机(36)中设定静载荷大小、加载速度，然后将现场测到的原位扰动信号导入计算机(36)中，然后在计算机(36)中设定原位扰动的介入条件，或者先对原位扰动信号进行人为修改、再设定修改后的原位扰动介入条件；然后计算机(36)控制加载液压缸(3)输出稳定的额定静载荷的同时，计算机(36)监控静载加载状态，当静载加载条件达到设定的原位扰动介入条件时，计算机(36)通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置(35)工作使直流励磁线圈(17)和交流励磁线圈(20)产生磁通，定位压头(21)和压力室顶压头(14)之间产生电磁力使定位压头(21)和压力室顶压头(14)发生相对激振实现原位扰动或修改后的原位扰动，模拟破碎岩体在承受静载荷的同时承受原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷的情况。