[发明专利]一种模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法

说明书

本发明公开了一种模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，可以精确地获得静载荷、冲击载荷、长时稳定载荷、周期性脉冲及振动载荷、实测扰动载荷等复杂扰动条件下崩落破碎岩体的渗流场、温度场、应力场、应变场等多场耦合试验数据，便于研究不同岩样的完整岩体岩性、完整岩体热源温度、破碎岩体岩性、粒径、级配、组合分布形式等在不同的施加载荷、扰动条件、渗流液初始温度、渗流液初始压力等条件下岩‑岩、水‑岩的热交换规律、破碎岩体渗流场分布规律、破碎岩体内部应力场演化规律，以及应力场、变形场、渗流场、温度场等多场耦合作用机理，为复杂载荷条件下的深部地热开采技术的研究提供更准确的试验数据。

技术领域

本发明涉及一种试验方法，具体是一种用于研究复杂载荷条件下的地热开采的试验方法，属于岩土工程试验技术及装备领域。

背景技术

地热作为一种清洁能源正受到全世界的日益关注。地热能储存于地下，不受气候条件的影响，既可作为基本负荷能，也可作为峰值负荷能使用。从其开发利用成本来看，地热能源具有成本低、占地少、稳定性好等特点，相对于其他可再生能源更有发展潜力。在我国藏南、滇西和川西地区广泛分布着适于发电的深部高温地热资源。目前，对于这一类型的地热资源，美国等西方国家主要采用石油钻井技术。石油钻井技术出现距今已经四十多年了，但还没有一口真正的干热岩商业用井。主要由于通过钻井(孔)法开采地热资源，热交换面积小，对地热资源的利用率很低。针对这一问题，我国率先提出了基于采矿崩落法的增强型地热系统，即从地表向深部开挖竖井，然后人为构造一定的深部地下空间，再通过爆破手段，崩落上部岩层，构造出数倍的换热面。这一方法具有效率高，成本低，占地少的多重优势，是国家深地科技领域的重要创新，对保障能源安全具有重要意义。这一技术的实现是从采矿到采热的战略转型，并将催生新学科的发展。

作为一种新型地热开采方法，国内外很多专家学者都专注于崩落破碎岩体的热交换过程方面的研究工作。但是由于破碎岩体的流动性、非均质性以及岩层崩落后多种岩性破碎岩体层状分布、混合分布等多种因素，造成破碎岩体渗流场、温度场、应力场、应变场的多场耦合问题极为复杂，采用理论和数值模拟的研究手段具有显著局限性，必须借助实验室试验的可靠数据为基础开展研究工作。

而现有的破碎岩体试验装置及方法，无法实现这一创新战略研究领域的科学实验工作，主要由于以下几个方面：①无法对破碎岩体同时进行压实、渗流、热交换、动力的耦合试验；②增强型地热开采方法的实质是爆破后上部仍然完整的干热岩提供稳定热源，崩落下来的破碎岩体增加热交换面积，而现有的试验装置对破碎岩体的压实装置整体进行直接加热，无法模拟完整岩体与破碎岩体之间的热交换过程；③由于在封闭桶内压实后，虽然破碎岩体筒壁可以做可视化处理，但是其内部某一点的土压力、水压力和温度无法精确测量，且在研究各物理量的耦合关系时，必须同时测到某一点的破碎岩体压力、渗透水压力和温度，如果不在同一时刻测到各个物理量，或者测到不在同一位置的各物理量，或者无法获取所测点的位置坐标和应力方向，都会导致试验数据不准确；④动载荷的控制和施加不精确且载荷形式简单，无法将现场测试得到的复杂、真实的振动、冲击等动载的波信号在实验室精确地施加到破碎岩体，现有的试验技术将简化后的冲击动载施加到岩体无法反映实际情况，导致实验结果与实际偏差较大；⑤安装、拆卸困难，试验效率低，由于破碎岩体压力室要求刚度较大，压力室各部分厚度和重量较大，人力安装和拆卸困难，而且压实试验后的破碎岩体在局部形成真空，加剧了拆卸难度。

因此，亟需发明一种模拟条件精确、破碎岩体内部监测数据可靠、动载荷精度和复杂程度高、安装拆卸方便、自动化程度高的用于模拟复杂载荷条件下地热开采的试验方法，为复杂载荷条件下的深部地热开采技术的研究提供关键的试验数据。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，能够在自动反演复杂原位扰动载荷、模拟复杂的动载荷的前提下实现监测温度场环境下破碎岩体内部渗透压力沿加载方向的分布情况、获取渗流路径演化试验参数，可以为复杂载荷条件下的深部地热开采技术的研究提供更准确的试验数据。