CN116359251A - 干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验方法及装置，涉及可再生能源技术领域，该室内试验方法包括：制备定制岩样，并在定制岩样上开设测试孔；将制备好的定制岩样放置于岩样金属套筒中；向测试孔的内壁定向导出微波，通过微波对所述测试孔的内壁进行辐射直至定制岩样破裂。本发明提出的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验模型方法及装置，能够在实验室真实地模拟实际工程中对井下深部干热岩高能辐射所致裂缝扩展规律。

Description

干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验方法及 装置

技术领域

本发明涉及可再生能源技术领域，特别涉及一种干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验方法及装置。

背景技术

大力发展清洁可再生能源成为能源行业的核心要务。与其他可再生能源相比，地热能稳定可靠，不受季节、气候和昼夜变化等因素影响的清洁能源。干热岩地热储量巨大、分布广泛，在地热能中占比超过90%。利用微波高能辐射作用于干热岩以进行柔性造储高效开采和利用技术是地热开发的关键方法。

研究深部干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理是地热开发的重要研究方向。现有研究中，微波加热系统大多是将物料整体置于金属空腔中，对物品进行整体微波加热，进而研究微波辐射下的加热特性和弱化行为。但是，上述方法仅适用于观测微波对物料整体的辐射作用规律，在井下施工过程中，通常井壁四周可以暴露在微波辐射下，只有井内表面辐射的研究才具有工程意义，因此现有方法难以真实再现井下深部干热岩高能辐射作用下裂缝扩展规律。同时将物料直接置于金属空腔中需要更大的微波功率密度以及辐射时间，无法提高微波辐射的使用效率以及精确定位辐射位置区域，从而造成时间成本和经济成本的浪费。

有鉴于此，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，经过反复试验设计出一种干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，以期解决现有技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验方法及装置，能够在实验室真实地模拟实际工程中对井下深部干热岩高能辐射所致裂缝扩展规律。

为达到上述目的，本发明提出一种干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验方法，其中，所述室内试验方法包括：

制备定制岩样，并在所述定制岩样上开设测试孔；

将制备好的所述定制岩样放置于岩样金属套筒中；

向所述测试孔的内壁定向导出微波，通过所述微波对所述测试孔的内壁进行辐射直至所述定制岩样破裂。

本发明还提出一种干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，其中，所述室内模型试验装置至少包括：

微波发生装置，具有波导端头，所述波导端头成柱状，在所述波导端头的侧壁上开设有用于导出微波的开孔；

金属套筒，与所述波导端头对位设置，所述金属套筒内开设有容置腔，所述容置腔朝向所述波导端头的一端开放并用于放置定制岩样。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

本发明提出的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验方法及装置，微波通过波导端头进入定制岩样的测试孔内，再通过波导端头侧壁上的开孔导出，从而对测试孔内侧壁进行精准定位辐射。在微波作用下，岩石内部不同介电材料吸收和反射微波，但由于各介电材料吸收和反射微波的能力不同，由此产生不同的体积膨胀，体积膨胀作用下宏观上导致岩石产生裂缝。试验时，可换用不同形状的波导端头与定制岩样配合实现实际工程中井下不同工况下微波辐射的模拟，进而了解井内微波辐射岩石表面的影响因素及弱化机制，对深入研究岩石内部高能辐射作用下裂缝扩展机理提供了有效室内模拟方法。

本发明提出的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验方法及装置，微波通过波导端头进入定制岩样的测试孔内，辐射目标小、辐射距离短，有效提高了微波辐射的使用效率，仅需少量微波即可使定制岩样发生破裂，使得在室内模拟高能辐射作用下干热岩裂缝扩展过程成为可能。

本发明提出的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验方法及装置，通过金属套筒包裹定制岩样，金属套筒可以防止定制岩样受热不均发生崩解、炸裂，保证在室内模拟高能辐射作用下干热岩裂缝扩展机理的安全性。

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为本发明提出的室内模型试验装置的外观图；

图2为本发明提出的室内模型试验装置的结构示意图；

图3为本发明中金属套筒的安装示意图；

图4为本发明中定制岩样设置于金属套筒内的示意图；

图5为本发明中波导端头的示意图；

图6为本发明中定制岩样的示意图；

图7为本发明中金属套筒的示意图。

附图标记说明

100、室内模型试验装置；	10、微波发生装置；
		11、波导端头；	111、开孔；
12、波导管；	13、磁控管；
		20、金属套筒；	21、螺栓；
30、定制岩样；	31、测试孔；
		40、微波箱体；	41、试验腔室；
42、箱门；	43、玻璃视窗；
		44、照明灯；	45、门把手；
50、底座；	51、螺栓孔；
		60、控制箱；	61、PLC控制面板；
62、微波调节按钮；	63、启动开关；
		64、急停开关；	70、电缆。

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。

本发明提出一种干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验方法，该室内试验方法包括：

制备定制岩样，并在定制岩样上开设测试孔；；

将制备好的定制岩样放置于岩样金属套筒中；

向测试孔的内壁定向导出微波，通过微波对测试孔的内壁进行辐射直至定制岩样破裂。

本发明还提出一种干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置100，如图1至图7所示，该室内模型试验装置100至少包括：

微波发生装置10，具有波导端头11，波导端头11呈柱状，在波导端头11的侧壁上开设有用于导出微波的开孔111；

金属套筒20，与波导端头11对位设置，金属套筒内开设有容置腔，容置腔朝向波导端头11的一端开放并用于放置定制岩样30。

本发明提出的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验方法及装置，微波发生装置10产生的微波能够通过波导端头11进入定制岩样30的测试孔31内，再通过波导端头11侧壁上的开孔111导出，从而对测试孔31内侧壁进行精准定位辐射。在微波作用下，岩石内部不同介电材料吸收和反射微波，但由于各介电材料吸收和反射微波的能力不同，由此产生不同的体积膨胀，体积膨胀作用下宏观上导致岩石产生裂缝。试验时，可换用不同形状的波导端头11与定制岩样30配合实现实际工程中井下不同工况下微波辐射的模拟，进而了解井内微波辐射岩石表面的影响因素及弱化机制，对深入研究井下高能辐射岩石侧壁所致裂缝扩展机理提供了有效室内模拟方法。

本发明提出的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验方法及装置，微波通过波导端头11进入定制岩样30的测试孔31内，辐射目标小、辐射距离短，有效提高了微波辐射的使用效率，仅需少量微波即可使定制岩样30发生破裂，使得在室内模拟高能辐射作用下干热岩裂缝扩展过程成为可能。

本发明提出的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验方法及装置，通过金属套筒20包裹定制岩样30，金属套筒20可以防止定制岩样30受热不均发生崩解、炸裂，保证在室内模拟高能辐射作用下干热岩裂缝扩展机理的安全性。

在本发明一个可选的实施方式中，室内模型试验装置100还包括微波箱体40，微波箱体40内部中空并形成有试验腔室41，微波发生装置10设置于试验腔室41的顶部并与微波箱体40的顶端固定连接，试验腔室41的底部设置有底座50，金属套管20设置于底座50上。采用上述结构，在试验时，微波发生装置10、金属套管20及定制岩样30均设置于微波箱体40内，即避免了外界环境对试验的影响，保证试验结果的准确性；又能有防止微波泄出，对操作人员进行有效防护；还能避免定制岩样30发生破裂后碎石对试验人员和设备造成损伤和破坏。

在该实施方式一个可选的例子中，底座50为可升降底座，底座50的顶面上开设有螺栓孔51，金属套管20的底部安装有螺栓21，该螺栓21顶端与金属套管20的底部固定连接，该螺栓21底端螺设于螺栓孔51内。采用上述结构，金属套管20固定连接在底座50上，以避免底座50升降时，金属套筒20发生倾倒。同时，在试验时，可升降底座还方便定制岩样30的放入及取出。

在本发明一个可选的实施方式中，金属套筒20由不锈钢制成。

在本发明一个可选的实施方式中，金属套筒20的内径设置为能够使得预制岩样刚好放入即可，优选的，金属套筒尺的内径为51mm，高度为100mm。

在该实施方式一个可选的例子中，微波箱体40的侧壁上设置有能够打开和关闭的箱门42，箱门42上设置有玻璃视窗43。

在一个可选的例子中，玻璃视窗43由金属网和钢化玻璃组成，防止微波溢出。

在一个可选的例子中，试验腔室41内还设置有照明灯44，照明灯44固定于微波箱体40的内壁。

在一个可选的例子中，箱门41上设置有门把手45，该门把手45安装于箱门41外侧。

在本发明一个可选的实施方式中，微波发生装置10还包括磁控管13和波导管12，磁控管13、波导管12和波导端头11顺序连接，波导管12为变截面波导管。微波先通过磁控管13产生，再经波导管12导入波导端头11，并最终由波导端头11进入定制岩样30的测试孔31内。同时，变截面设置的波导管可将微波逐渐聚拢导入波导端头11内，并通过波导端头11的开孔111对测试孔31内侧壁进行加热，在这一路径下，微波通过逐渐的收缩聚拢大大增加了波导端头11开孔111处的微波功率密度，提高了相同功率下微波使用效率，并大幅度缩短达到岩石致裂效果的微波辐射时间。

在该实施方式一个可选的例子中，磁控管13安装在微波箱体40的外顶部，波导管12的一端与磁控管13相连，波导管12的另一端贯穿微波箱体40的顶部并伸入试验腔室41内，波导管12的另一端与波导端头11相连。

在一个可选的例子中，磁控管13、波导管12和波导端头11分别为不锈钢管，磁控管13和波导管12之间、波导管12和波导端头11之间焊接连接。

在该实施方式一个可选的例子中，波导管12的横截面可以为不同形状，试验时，可以更换不同形状变截面的波导管12，以分析不同形状波导管12下微波加热效率，从而获得不同工况下岩石裂缝扩展规律。

在该实施方式一个可选的例子中，沿由磁控管13至波导端头11的方向，波导管12的横截面逐渐减小。

在一个可选的例子中，波导管12由两个棱台型导管组成，第一个四棱台型导管顶部与磁控管13相连，第一个四棱台型导管底部尺寸小于顶部尺寸，第二个四棱台型导管顶部与第一个四棱台型导管底部相连，第二个四棱台型导管底部尺寸小于顶部尺寸，波导端头11与第二个四棱台型导管底部相连后插入测试孔31内部。

在本发明一个可选的实施方式中，波导端头11可以呈圆柱状、三棱柱状或四棱柱状。

在该实施方式一个可选的例子中，当波导端头11呈圆柱状时，其直径20mm，高度50mm；当波导端头11呈三棱柱状时，三棱柱边长20mm，高度50mm；当波导端头11呈四棱柱状时，四棱柱边长20mm，高度50mm。

在本发明一个可选的实施方式中，波导端头11上开设有多个开孔111。

在本发明一个可选的实施方式中，开孔111为矩形孔，优选的开孔111为尺寸为10mm×5mm的矩形孔。

在本发明一个可选的实施方式中，室内模型试验装置100还包括控制箱60，控制箱60内设置有PLC控制面板61、微波调节按钮62、启动开关63和急停开关64，PLC控制面板61分别与微波调节按钮62、启动开关63、急停开关64和微波发生装置10电连接。

在该实施方式一个可选的例子中，PLC控制面板61、微波调节按钮62、启动开关63、急停开关64安装于控制箱60前侧面板。

在该实施方式一个可选的例子中，微波发生装置10通过电缆70与PLC控制面板61相连接，电缆70一端连接控制箱60背板右下方，电缆70另一端连接磁控管。

在该实施方式一个可选的例子中，PLC控制面板61可以实时显示微波箱体40内温度，还可控制底座50的高度便于拆装定制岩样30，精度可达1mm；同时PLC控制面板还可以调解微波功率，

在一个可选的例子中，微波发生装置10所采用微波频率为高频的微波炉，即微波发生装置10的频率高于现有常用2.45GHz。

在本发明一个可选的实施方式中，定制岩样30呈柱状，且在定制岩样30一端的端面上开设有测试孔31，波导端头11伸入测试孔31并通过开孔111向测试孔31的内壁导出微波。

在该实施方式一个可选的例子中，测试孔31开设于定制岩样30顶部中心处，测试孔31的深度为50mm。

进一步的，测试孔31的形状可以为圆柱形、三棱柱形以及四棱柱形等不同形状。

优选的，当测试孔31为圆柱形时，该圆柱形直径21mm，高度50mm；当测试孔31为三棱柱形时，三棱柱边长21mm，高度50mm；当测试孔31为四棱柱形时，四棱柱边长21mm，高度50mm。

本发明提出的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验方法及装置，其具体实施过程如下：

（1）制作定制岩样30，首先根据试验需求定制三种定制岩样30，三种定制岩样30的测试孔31形状分别为圆柱形、三棱柱形以及四棱柱形，且三个测试孔31分别对应尺寸为圆柱形直径21mm，高度50mm；三棱柱边长21mm，高度50mm；四棱柱边长21mm，高度50mm；

（2）定制波导端头11，根据三种定制岩样30定制圆柱形、三棱柱形以及四棱柱形三种不同形状波导端头11，三种波导端头11分别对应尺寸为圆柱形直径20mm，高度50mm；三棱柱边长20mm，高度50mm；四棱柱边长20mm，高度50mm，同时在波导端头11侧壁分别开10mm×5mm开孔111（矩形窗口）便于微波导出；

（3）将波导端头11与变截面波导管12连接；

（4）将定制岩样30装入金属套筒20中；

（5）将金属套筒20通过底部螺栓21固定于可升降的底座50中的螺栓孔51；

（6）打开启动开关63；

（7）通过PLC控制面板61调节底座50高度直至满足试验要求；

（8）将波导端头11插入到定制岩样30的测试孔31内部；

（9）关闭设置有玻璃视窗43的箱门41；

（10）转动微波调节按钮62至预设功率，通过微波为定制岩样30的测试孔31内进行辐射致裂，即完成试验。

本发明提出的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内试验方法的主要工作原理为：

当微波调节按钮62转动至预设功率时，由电缆70传输的交流电转变为直流电输送到磁控管13中，磁控管13由垂直的电场及磁场组成，通过电子的运动产生LC震荡发射出微波，微波通过变截面波导管12进行逐渐收缩聚拢，并传递至波导端头11。微波通过波导端头11进入测试孔31内，通过波导端头11侧壁上10mm×5mm的开孔111（矩形窗口）使得微波直接作用于测试孔31内壁，微波作用下使得岩石内部不同介电材料吸收和反射微波能力不同，由此产生不同的体积膨胀，体积膨胀作用下宏观上导致岩石产生裂缝。

本发明提出的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，易于加工，材料易于获取，结构装配件简单，可在实验室内有效模拟深部干热岩高能辐射作用下裂缝扩展试验，并实现对测试孔31内侧壁精准定位辐射。同时，变截面波导管12和波导端头11的组合将微波收缩聚拢于波导端头11内部，大大增加了波导端头11开孔处的微波功率密度，提高了相同微波功率下使用效率，并大幅度缩短微波辐射时间达到岩石致裂效果。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。

Claims (11)

1.一种干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验方法，其特征在于，所述室内试验方法包括：

制备定制岩样，并在所述定制岩样上开设测试孔；

将制备好的所述定制岩样放置于岩样金属套筒中；

向所述测试孔的内壁定向导出微波，通过所述微波对所述测试孔的内壁进行辐射直至所述定制岩样破裂。

2.一种干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，其特征在于，所述室内模型试验装置至少包括：

微波发生装置，具有波导端头，所述波导端头成柱状，在所述波导端头的侧壁上开设有用于导出微波的开孔；

金属套筒，与所述波导端头对位设置，所述金属套筒内开设有容置腔，所述容置腔朝向所述波导端头的一端开放并用于放置定制岩样。

3.如权利要求2所述的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，其特征在于，所述室内模型试验装置还包括微波箱体，所述微波箱体内部中空并形成有试验腔室，所述微波发生装置设置于所述试验腔室的顶部并与所述微波箱体的顶端固定连接，所述试验腔室的底部设置有底座，所述金属套管设置于所述底座上。

4.如权利要求3所述的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，其特征在于，所述底座为可升降底座，所述底座的顶面上开设有螺栓孔，所述金属套管的底部安装有螺栓，所述螺栓顶端与所述金属套管的底部固定连接，所述螺栓底端螺设于所述螺栓孔内。

5.如权利要求3所述的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，其特征在于，所述微波箱体的侧壁上设置有能够打开和关闭的箱门，所述箱门上设置有玻璃视窗。

6.如权利要求3所述的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，其特征在于，所述试验腔室内还设置有照明灯。

7.如权利要求2所述的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，其特征在于，所述微波发生装置还包括磁控管和波导管，所述磁控管、所述波导管和所述波导端头顺序连接，所述波导管为变截面波导管。

8.如权利要求7所述的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，其特征在于，沿由所述磁控管至所述波导端头的方向，所述波导管的横截面逐渐减小。

9.如权利要求2所述的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，其特征在于，所述波导端头呈圆柱状且所述圆柱的直径为20mm，高度50mm；或者，所述波导端头呈三棱柱状且该三棱柱边长20mm，高度50mm；或者，所述波导端头呈四棱柱状且该四棱柱边长20mm，高度50mm。

10.如权利要求2所述的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，其特征在于，所述室内模型试验装置还包括控制箱，所述控制箱内设置有PLC控制面板、微波调节按钮、启动开关和急停开关，所述PLC控制面板分别与所述微波调节按钮、所述启动开关、所述急停开关和所述微波发生装置电连接。

11.如权利要求2所述的干热岩高能辐射作用下裂缝扩展机理的室内模型试验装置，其特征在于，所述定制岩样呈柱状，且在所述定制岩样一端的端面上开设有测试孔，所述波导端头伸入所述测试孔并通过所述开孔向所述测试孔的内壁导出微波。

Images