CN119686705B - 超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置及方法，装置包括温压模拟机构、模拟井筒、超临界二氧化碳循环机构、液氮冷冲击机构以及监测机构，温压模拟机构包括保温箱、温度调控组件及三轴压力组件；模拟井筒塞设于钻孔；监测机构布置于岩块的外围，并用于监测岩块内的裂缝扩展情况。本发明的有益效果是：温压模拟机构能够精准模拟地层中的温度和压力条件；超临界二氧化碳循环机构实现了超临界二氧化碳的循环注入。超临界二氧化碳循环机构和液氮冷冲击机构协同工作。监测机构能够实时、准确地监测岩块内裂缝的扩展情况，为研究人员提供详细的数据和信息，研究人员可以根据监测结果深入分析裂缝扩展的机制和影响因素。

Description

超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置及方法

技术领域

本发明涉及储层改造方法技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置及方法。

背景技术

深层页岩气与深部地热能具备稳定、清洁、环保且利用系数高等显著优势。然而，深层页岩储层与干热岩型地热资源储层均存在孔隙度与渗透率极低的问题，若要实现资源开采，必须对储层进行改造。

此类储层具有典型的 “四高” 特性，即高温度、高硬度、高应力与高致密性。这使得传统油气行业所采用的水力压裂储层改造技术，难以开采出具备商业化开发价值的油气或热能资源。我国在该领域的研究起步相对较晚，且国内外均缺乏成熟经验可供借鉴，导致基础科学研究与产业发展进程较为缓慢。

传统水力压裂技术面临诸多挑战。一是岩石强度大，致使破裂压力居高不下；二是人造缝网形成困难，裂缝形态单一，延伸方向难以控制，进而导致采收率较低；三是耗水量大。

针对上述难题，近年来，学者们在水力压裂的基础上提出了 “柔性造储” 理念。具体而言，可通过改变压裂的泵注方式，如采用剪切压裂、循环 / 疲劳压裂等；或者更换压裂介质，如使用低温液氮（LN₂）、超临界二氧化碳（SCCO₂）等，以降低破裂压力，增大缝网尺度并提升其复杂度，提高注采井之间的沟通成功率。

由此可见，深入研究储层原位环境下页岩或干热岩在 SCCO₂与 LN₂协同作用时的裂缝扩展特性，对于将 SCCO₂/LN₂用作压裂介质以优化水力压裂增产技术而言，具有至关重要的意义。现有技术中针对深层页岩和干热岩储层在超临界二氧化碳循环及液氮冷冲击协同压裂方面缺乏有效研究手段和装置，基础科学研究及产业发展缓慢，因此，当下迫切需要一种可用于 SCCO₂循环及 LN₂冷冲击协同压裂的井筒装置与方法，从而再现人工裂缝的扩展演化过程，以便于研究SCCO₂循环及 LN₂冷冲击协同压裂作用下岩石内裂缝扩展机理。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置及方法，解决现有技术中针对深层页岩和干热岩储层在超临界二氧化碳循环及液氮冷冲击协同压裂方面缺乏有效研究手段和装置，基础科学研究及产业发展缓慢的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明提供了一种超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，包括：

温压模拟机构，所述温压模拟机构包括保温箱、温度调控组件及三轴压力组件，所述保温箱内用于放置岩块，所述岩块上开设有钻孔，所述温度调控组件用于调控所述保温箱内的温度，所述三轴压力组件用于向所述保温箱内的岩块施加三轴压力；

模拟井筒，所述模拟井筒塞设于所述钻孔，所述模拟井筒具有与所述钻孔连通的第一通道及第二通道；

超临界二氧化碳循环机构，所述超临界二氧化碳循环机构用于与所述第一通道及所述第二通道均连通，并用于经由所述第一通道向所述钻孔内通入超临界二氧化碳，并经由第二通道回收所述钻孔内通入的超临界二氧化碳；

液氮冷冲击机构，所述液氮冷冲击机构与所述第一通道连通，并用于经由所述第一通道向所述钻孔内通入液氮；以及，

监测机构，所述监测机构布置于所述岩块的外围，并用于监测所述岩块内的裂缝扩展情况。

在一些实施例中，所述温度调控组件包括若干加热器及温度检测件，所述加热器及所述温度检测件均设置于所述保温箱内。

在一些实施例中，所述三轴压力组件包括两个侧向压力件及一下压件，两个所述侧向压力件分别用于对所述岩块的相互垂直的两个侧向施加第一预设压力，所述下压件用于对所述岩块的顶面施加第二预设压力。

在一些实施例中，所述侧向压力件包括两加载板及两侧向驱动件，两个所述加载板分别贴合于所述岩块的相对的两侧壁，两个所述侧向驱动件分别用于驱动两个加载板相互靠近以夹紧所述岩块，所述侧向驱动件包括侧向动力杆及侧向压力传感器，所述侧向动力杆的一端固定于所述保温箱的内侧壁，所述侧向动力杆的另一端与所述侧向压力传感器的固定端连接，所述侧向压力传感器的检测端与对应的所述加载板抵接。

在一些实施例中，所述下压件包括压板及下压驱动件，所述压板贴合于所述岩块的顶面，所述下压驱动件用于驱动所述压板下移以压紧所述岩块，所述下压驱动件包括下压动力杆及竖向压力传感器，所述下压动力杆的一端固定于所述保温箱的顶面，所述下压动力杆的另一端与所述竖向压力传感器的固定端连接，所述竖向压力传感器的检测端与对应的所述压板抵接。

在一些实施例中，所述保温箱包括箱体及盖板，所述箱体的上端开口设置，所述盖板用于盖合于所述箱体的上端开口，并与所述箱体可拆卸固定连接，所述下压动力杆的一端固定于所述盖板。

在一些实施例中，所述模拟井筒包括中心杆、第一锥套、第一锥度圆筒、第一外套管、第二锥度圆筒、第二锥套、第二外套管及锁紧螺母，所述中心杆内形成有所述第一通道及所述第二通道，所述中心杆的外侧壁上形成有外螺纹，所述中心杆的下端形成有堵头，所述第一锥套滑动套设于所述中心杆，所述第一锥套的一端与所述堵头抵接，所述第一锥度圆筒套设于所述中心杆，并与所述第一锥套接触，所述第一锥度圆筒与所述第一锥套的接触面为锥形，所述第一外套管套设于所述中心杆上，其下端与所述第一锥度圆筒固定连接，所述第二锥度圆筒套设于所述中心杆，所述第二锥度圆筒的下端与所述第一外套管固定连接，所述第二锥套滑动套设于所述中心杆，所述第二锥度圆筒与所述第二锥套的接触面为锥形，所述第二外套管套设于所述中心杆上，其下端与所述第二锥套固定连接，所述锁紧螺母螺纹套设于所述中心杆上，其下端与所述第二外套管抵接。

在一些实施例中，所述中心杆内还形成有与所述钻孔连通的第三通道；所述超临界二氧化碳循环机构包括低温水浴箱、二氧化碳储罐、二氧化碳泵注装置、第一注入管、加热件、第一注入阀、循环管、单向阀、循环阀、排放管及排放阀，所述二氧化碳储罐设置于所述低温水浴箱内，所述二氧化碳泵注装置的进口与所述二氧化碳储罐连通，所述二氧化碳泵注装置的出口与所述第一注入管的一端连通，所述第一注入管的另一端与所述第一通道连通，所述加热件用于对所述第一注入管内的二氧化碳进行加热，所述第一注入阀设置于所述第一注入管上，所述循环管的一端与所述第二通道连通，所述循环管的另一端与所述二氧化碳储罐连通，所述单向阀及所述循环阀均设置于所述循环管上，所述排放管的一端与所述第三通道连通，所述排放阀设置于所述排放管上。

在一些实施例中，所述液氮冷冲击机构包括液氮储罐、液氮泵注装置及第二注入管，所述液氮储罐内用于存储液氮，所述液氮泵注装置的进口与所述液氮储罐连通，所述液氮泵注装置的出口与所述第二注入管的一端连通，所述第二注入管的另一端与所述第一通道连通，所述第二注入管上设置有第二注入阀。

本发明还提供了一种超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究方法，适用于所述的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，且包括如下方法：

S1、将待研究的岩块放置到保温箱内，岩块上预先开设好钻孔，通过温度调控组件对保温箱内的温度进行精确调控，使其达到模拟实际地层环境所需的温度条件，同时，利用三轴压力组件向保温箱内的岩块施加三轴压力，模拟地层中岩块所受的真实地应力状态；

S2、将模拟井筒塞设于岩块的钻孔中，确保模拟井筒的第一通道及第二通道均与钻孔连通，为后续超临界二氧化碳和液氮的注入与回收提供通道；

S3、超临界二氧化碳循环机构开始工作，将超临界二氧化碳经由第一通道注入到岩块的钻孔内，当注入一定量的超临界二氧化碳后，钻孔内的超临界二氧化碳从第二通道排出，重新进入超临界二氧化碳循环机构，超临界二氧化碳循环机构对回收的超临界二氧化碳进行处理，使其恢复到适合再次注入的状态，之后，超临界二氧化碳循环机构再次将处理后的超临界二氧化碳从第一通道注入岩块的钻孔内，如此反复循环，在多次循环过程中，超临界二氧化碳持续对岩块施加作用，不断促进岩块内部裂缝的发展和扩展；

S4、在超临界二氧化碳循环预设时间后，释放钻孔内的超临界二氧化碳，然后，液氮冷冲击机构开始工作，通过第一通道快速向钻孔内通入液氮，当液氮接触到岩块时，会使岩块表面和内部的温度急剧降低，由于岩块各部分热胀冷缩的不均匀性，会在岩块内部产生巨大的温度应力，这种温度应力会进一步促使岩块内部的裂缝扩展，尤其是在超临界二氧化碳已经对岩块产生一定作用的基础上，液氮冷冲击可能会导致裂缝更快速、更复杂地扩展；

S5、在整个超临界二氧化碳循环和液氮冷冲击过程中，监测机构持续工作，监测机构布置在岩块的外围，实时监测岩块内的裂缝扩展情况，声发射监测可以捕捉到岩块内部裂缝扩展时产生的弹性波信号，通过对这些信号的分析，可以确定裂缝扩展的位置、时间和扩展速度等信息。

与现有技术相比，本发明提供的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置及方法的有益效果是：温压模拟机构能够精准模拟地层中的温度和压力条件，使实验过程高度贴近实际地层情况，大大提高了研究结果的可靠性和准确性；超临界二氧化碳循环机构实现了超临界二氧化碳的循环注入，让超临界二氧化碳能够持续、多次地对岩块施加作用。超临界二氧化碳循环机构和液氮冷冲击机构协同工作，超临界二氧化碳的循环注入预先对岩块内部结构进行改造，增加岩块的孔隙度和渗透率。监测机构能够实时、准确地监测岩块内裂缝的扩展情况，为研究人员提供详细的数据和信息，研究人员可以根据监测结果深入分析裂缝扩展的机制和影响因素。

附图说明

图1是本发明的一实施例提供的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置的结构示意图；

图2是图1中的温压模拟机构的结构示意图；

图3是图2中区域A的局部放大图；

图4是图2中区域B的局部放大图；

图5是图2中区域C的局部放大图；

图6是图2中区域D的局部放大图；

附图标记说明：1-温压模拟机构、11-保温箱、111-箱体、112-盖板、12-温度调控组件、121-加热器、122-温度检测件、13-三轴压力组件、131-侧向压力件、1311-加载板、1312-侧向驱动件、13121-侧向动力杆、13122-侧向压力传感器、132-下压件、1321-压板、1322-下压驱动件、13221-下压动力杆、13222-竖向压力传感器、2-模拟井筒、21-中心杆、211-第一通道、212-第二通道、213-堵头、214-第三通道、22-第一锥套、23-第一锥度圆筒、24-第一外套管、25-第二锥度圆筒、26-第二锥套、27-第二外套管、28-锁紧螺母、3-超临界二氧化碳循环机构、31-低温水浴箱、32-二氧化碳储罐、33-二氧化碳泵注装置、34-第一注入管、341-第一注入阀、35-加热件、36-循环管、361-单向阀、362-循环阀、37-排放管、371-排放阀、4-液氮冷冲击机构、41-液氮储罐、42-液氮泵注装置、43-第二注入管、431-第二注入阀、5-监测机构、51-声发射探头、52-声发射监测仪、6-岩块、61-钻孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了解决现有技术中针对深层页岩和干热岩储层在超临界二氧化碳循环及液氮冷冲击协同压裂方面缺乏有效研究手段和装置，基础科学研究及产业发展缓慢的技术问题，本发明提供了一种超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置及方法，能够再现人工裂缝的扩展演化过程，以便于研究SCCO₂循环及 LN₂冷冲击协同压裂作用下岩石内裂缝扩展机理。

请参阅图1-图6，图1为本发明一实施例中超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置的结构示意图，超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置包括温压模拟机构1、模拟井筒2、超临界二氧化碳循环机构3、液氮冷冲击机构4以及监测机构5。

所述温压模拟机构1包括保温箱11、温度调控组件12及三轴压力组件13，所述保温箱11内用于放置岩块6，所述岩块6上开设有钻孔61，所述温度调控组件12用于调控所述保温箱11内的温度，所述三轴压力组件13用于向所述保温箱11内的岩块6施加三轴压力。

所述模拟井筒2塞设于所述钻孔61内，所述模拟井筒2具有与所述钻孔61连通的第一通道211及第二通道212。

所述超临界二氧化碳循环机构3用于与所述第一通道211及所述第二通道212均连通，并用于经由所述第一通道211向所述钻孔61内通入超临界二氧化碳，并经由第二通道212回收所述钻孔61内通入的超临界二氧化碳。

所述液氮冷冲击机构4与所述第一通道211连通，并用于经由所述第一通道211向所述钻孔61内通入液氮。

所述监测机构5布置于所述岩块6的外围，并用于监测所述岩块6内的裂缝扩展情况。

在其中一个实施例中，请参阅图2和图5，所述温度调控组件12包括若干加热器121及温度检测件122，所述加热器121及所述温度检测件122均设置于所述保温箱11内。通过加热器 121 和温度检测件 122 的配合，能够精确调控保温箱 11 内的温度，使其达到模拟实际地层环境所需的温度条件。这样可以高度还原岩块 6 在真实地层中的温度状态，让实验过程更贴近实际情况，提高了研究结果的可靠性和准确性。例如，对于深部高温地层的研究，可将保温箱 11 内温度调节到相应的高温值，以准确研究岩块 6 在该温度下的裂缝扩展特性。

在其中一个实施例中，请参阅图2、图5和图6，所述三轴压力组件13包括两个侧向压力件131及一下压件132，两个所述侧向压力件131分别用于对所述岩块6的相互垂直的两个侧向施加第一预设压力，所述下压件132用于对所述岩块6的顶面施加第二预设压力。两个侧向压力件 131 分别对岩块 6 的相互垂直的两个侧向施加第一预设压力，下压件 132对岩块 6 的顶面施加第二预设压力，从而能够模拟地层中岩块 6 所受的真实地应力状态。这种三轴压力的施加方式，更准确地还原了岩块 6 在地下的受力情况，使实验结果更具参考价值。同时，通过调整侧向压力和竖向压力的大小，可以研究不同应力条件下岩块 6裂缝的扩展情况，为优化压裂工艺参数、提高压裂效果提供理论支持。例如，在高应力地层中，了解岩块 6 在特定应力组合下的裂缝扩展规律，有助于制定更有效的压裂方案。

在其中一个实施例中，请参阅图2和图5，所述侧向压力件131包括两加载板1311及两侧向驱动件1312，两个所述加载板1311分别贴合于所述岩块6的相对的两侧壁，两个所述侧向驱动件1312分别用于驱动两个加载板1311相互靠近以夹紧所述岩块6，所述侧向驱动件1312包括侧向动力杆13121及侧向压力传感器13122，所述侧向动力杆13121的一端固定于所述保温箱11的内侧壁，所述侧向动力杆13121的另一端与所述侧向压力传感器13122的固定端连接，所述侧向压力传感器13122的检测端与对应的所述加载板1311抵接。本实施例中，侧向动力杆13121可以为液压缸或气缸。

在其中一个实施例中，请参阅图2和图6，所述下压件132包括压板1321及下压驱动件1322，所述压板1321贴合于所述岩块6的顶面，所述下压驱动件1322用于驱动所述压板1321下移以压紧所述岩块6，所述下压驱动件1322包括下压动力杆13221及竖向压力传感器13222，所述下压动力杆13221的一端固定于所述保温箱11的顶面，所述下压动力杆13221的另一端与所述竖向压力传感器13222的固定端连接，所述竖向压力传感器13222的检测端与对应的所述压板1321抵接。本实施例中，下压动力杆13221可以为液压缸或气缸。

在其中一个实施例中，请参阅图2和图6，所述保温箱11包括箱体111及盖板112，所述箱体111的上端开口设置，所述盖板112用于盖合于所述箱体111的上端开口，并与所述箱体111可拆卸固定连接，所述下压动力杆13221的一端固定于所述盖板112。保温箱 11 的箱体 111 和盖板 112 设计，能够有效地保持内部的温度和压力稳定，减少外界环境因素对实验的干扰。盖板 112 与箱体 111 可拆卸固定连接，方便放入和取出岩块 6，同时也保证了保温箱 11 的密封性，有利于维持稳定的实验环境。

在其中一个实施例中，请参阅图2和图3，所述模拟井筒2包括中心杆21、第一锥套22、第一锥度圆筒23、第一外套管24、第二锥度圆筒25、第二锥套26、第二外套管27及锁紧螺母28，所述中心杆21内形成有所述第一通道211及所述第二通道212，所述中心杆21的外侧壁上形成有外螺纹，所述中心杆21的下端形成有堵头213，所述第一锥套22滑动套设于所述中心杆21，所述第一锥套22的一端与所述堵头213抵接，所述第一锥度圆筒23套设于所述中心杆21，并与所述第一锥套22接触，所述第一锥度圆筒23与所述第一锥套22的接触面为锥形，所述第一外套管24套设于所述中心杆21上，其下端与所述第一锥度圆筒23固定连接，所述第二锥度圆筒25套设于所述中心杆21，所述第二锥度圆筒25的下端与所述第一外套管24固定连接，所述第二锥套26滑动套设于所述中心杆21，所述第二锥度圆筒25与所述第二锥套26的接触面为锥形，所述第二外套管27套设于所述中心杆21上，其下端与所述第二锥套26固定连接，所述锁紧螺母28螺纹套设于所述中心杆21上，其下端与所述第二外套管27抵接。

目前绝大多数压裂物模试验中，针对试样的井筒密封工艺均采用的是环氧树脂胶或环氧树脂胶加密封圈的方式。这种密封方式对于常温试验确实取得了不错的效果，但是对于高温岩体的水力压裂、ScCO₂压裂、LN₂压裂试验密封效果大大降低。最为主要的原因就是，密封胶在特殊流体介质及极端环境下性质会发生弱化，即使添加了密封圈来辅助密封，密封圈也将失去作用，压裂介质很容易沿着井壁渗漏，导致试验失败。而本实施例中，当需要使用模拟井筒 2 进行超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究时，按以下步骤操作：

首先，将模拟井筒 2 放入岩块 6 的钻孔 61（盲孔）中，模拟井筒 2 会紧贴井壁。当模拟井筒 2 放入到一定深度后，旋动锁紧螺母28，锁紧螺母28向下挤压第二外套管27、第二锥套26、第二锥度圆筒25、第一外套管24、第一锥度圆筒23及第一锥套22。在这个过程中，第二锥度圆筒25及第一锥度圆筒23发生变形，会与井壁进一步压紧。接着，利用小锤将模拟井筒 2锤打至预定深度，并且在此期间持续扭转锁紧螺母28，以此加固密封效果，此时形成第一道密封。

待模拟井筒 2 放置好后，通过温压模拟机构 1 的温度调控组件 12 对保温箱11 内的岩块 6 进行加热。由于第二锥度圆筒25及第一锥度圆筒23（紫铜材料制成）的热膨胀系数较大，当达到目标温度后，第二锥度圆筒25及第一锥度圆筒23会发生膨胀，从而愈发紧贴岩石，此时形成第二道密封。

随后，启动超临界二氧化碳循环机构 3 经由第一通道 211 向钻孔 61 内通入超临界二氧化碳（SCCO₂），或者启动液氮冷冲击机构 4 经由第一通道 211 向钻孔 61 内通入液氮（LN₂）进行压裂操作。在注入流体的过程中，流体压力将会顶住第一锥套22，使之向上移动。但由于第一锥度圆筒23的限位作用，会导致整个第一锥度圆筒23与井壁更加贴合，此时便形成了最后一道密封。至此，岩块 6 试样已经准备好，可以进行下一步的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究试验。

本实施例中，中心杆 21 内形成的第一通道 211、第二通道 212 和第三通道214，为超临界二氧化碳和液氮的注入、回收以及排放提供了可靠的通道，保证了实验过程中流体的正常流通。

在其中一个实施例中，请参阅图2和图3，所述中心杆21内还形成有与所述钻孔61连通的第三通道214；所述超临界二氧化碳循环机构3包括低温水浴箱31、二氧化碳储罐32、二氧化碳泵注装置33、第一注入管34、加热件35、第一注入阀341、循环管36、单向阀361、循环阀362、排放管37及排放阀371，所述二氧化碳储罐32设置于所述低温水浴箱31内，所述二氧化碳泵注装置33的进口与所述二氧化碳储罐32连通，所述二氧化碳泵注装置33的出口与所述第一注入管34的一端连通，所述第一注入管34的另一端与所述第一通道211连通，所述加热件35用于对所述第一注入管34内的二氧化碳进行加热，所述第一注入阀341设置于所述第一注入管34上，所述循环管36的一端与所述第二通道212连通，所述循环管36的另一端与所述二氧化碳储罐32连通，所述单向阀361及所述循环阀362均设置于所述循环管36上，所述排放管37的一端与所述第三通道214连通，所述排放阀371设置于所述排放管37上。

本实施例中，在使用时，打开第一注入阀 341 和循环阀 362，关闭排放阀 371。启动二氧化碳泵注装置 33，二氧化碳从二氧化碳储罐 32 中被抽出，经过二氧化碳泵注装置33 进入第一注入管 34。当二氧化碳流经第一注入管 34 时，加热件 35 对其进行加热，使二氧化碳达到超临界状态。超临界二氧化碳通过第一注入管 34 进入模拟井筒 2 的第一通道 211，然后流入岩块 6 的钻孔 61 内。随着超临界二氧化碳不断注入，钻孔 61 内的压力逐渐升高，超临界二氧化碳在岩块 6 内部扩散和渗透，可能促使岩块 6 内部的微裂缝扩展。当钻孔 61 内的超临界二氧化碳达到一定量后，超临界二氧化碳通过第二通道212 进入循环管 36。循环管 36 上的单向阀 361 确保超临界二氧化碳只能单向流动，防止逆流。超临界二氧化碳通过循环管 36 重新回到二氧化碳储罐 32 中，完成一次循环。二氧化碳泵注装置 33 持续工作，使超临界二氧化碳不断循环注入钻孔 61 内，多次循环过程中，超临界二氧化碳持续对岩块 6 施加作用，促进岩块 6 内部裂缝的发展和扩展。当超临界二氧化碳循环实验达到预设的时间或循环次数后，关闭二氧化碳泵注装置 33、第一注入阀 341 和循环阀 362，停止超临界二氧化碳的循环注入。打开排放阀 371，钻孔 61 内的二氧化碳气体通过第三通道 214 进入排放管 37，然后排出到外部环境。

在其中一个实施例中，请参阅图1-图3，所述液氮冷冲击机构4包括液氮储罐41、液氮泵注装置42及第二注入管43，所述液氮储罐41内用于存储液氮，所述液氮泵注装置42的进口与所述液氮储罐41连通，所述液氮泵注装置42的出口与所述第二注入管43的一端连通，所述第二注入管43的另一端与所述第一通道211连通，所述第二注入管43上设置有第二注入阀431。

本实施例中，在使用时，缓慢打开第二注入阀 431，使第二注入管 43 处于导通状态。

启动液氮泵注装置 42，液氮泵注装置 42 开始工作，将液氮从液氮储罐 41 中抽出。被抽出的液氮通过液氮泵注装置 42 的出口进入第二注入管 43。在液氮流经第二注入管 43 的过程中，要注意观察管道的温度变化和压力情况，防止因液氮气化导致管道内压力异常升高。液氮沿着第二注入管 43 流动，最终通过第一通道 211 快速注入到岩块 6的钻孔 61 内。注入速度可以通过调节液氮泵注装置 42 的功率或第二注入阀 431 的开度来控制，以达到最佳的冷冲击效果。在液氮冷冲击过程中，监测机构 5 持续工作。声发射探头 51 实时捕捉岩块 6 内部裂缝扩展时产生的弹性波信号，声发射监测仪 52 对这些信号进行接收和分析，确定裂缝扩展的位置、时间和扩展速度等信息。

在其中一个实施例中，请参阅图1、图2和图5，所述监测机构5包括若干声发射探头51及声发射监测仪52，所述声发射探头51布置于所述岩块6的外围，所述声发射监测仪52与各个所述声发射探头51电连接。本实施例中，监测机构 5 的核心工作原理是基于声发射技术。在超临界二氧化碳及液氮协同压裂过程中，岩块 6 内部会因裂缝扩展产生弹性波，声发射探头 51 能够感知这些弹性波并将其转换为电信号，声发射监测仪 52 接收并处理这些电信号，从而获取岩块 6 内部裂缝扩展的相关信息。

本发明还提供了一种超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究方法，适用于所述的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，且包括如下方法：

S1、将待研究的岩块6放置到保温箱11内，岩块6上预先开设好钻孔61，通过温度调控组件12对保温箱11内的温度进行精确调控，使其达到模拟实际地层环境所需的温度条件，同时，利用三轴压力组件13向保温箱11内的岩块6施加三轴压力，模拟地层中岩块6所受的真实地应力状态；

S2、将模拟井筒2塞设于岩块6的钻孔61中，确保模拟井筒2的第一通道211及第二通道212均与钻孔61连通，为后续超临界二氧化碳和液氮的注入与回收提供通道；

S3、超临界二氧化碳循环机构3开始工作，将超临界二氧化碳经由第一通道211注入到岩块6的钻孔61内，当注入一定量的超临界二氧化碳后，钻孔61内的超临界二氧化碳从第二通道212排出，重新进入超临界二氧化碳循环机构3，超临界二氧化碳循环机构3对回收的超临界二氧化碳进行处理（如调整温度、压力等参数），使其恢复到适合再次注入的状态，之后，超临界二氧化碳循环机构3再次将处理后的超临界二氧化碳从第一通道211注入岩块6的钻孔61内，如此反复循环，在多次循环过程中，超临界二氧化碳持续对岩块6施加作用，不断促进岩块6内部裂缝的发展和扩展；

S4、在超临界二氧化碳循环预设时间后，释放钻孔61内的超临界二氧化碳，然后，液氮冷冲击机构4开始工作，通过第一通道211快速向钻孔61内通入液氮，当液氮接触到岩块6时，会使岩块6表面和内部的温度急剧降低，由于岩块6各部分热胀冷缩的不均匀性，会在岩块6内部产生巨大的温度应力，这种温度应力会进一步促使岩块6内部的裂缝扩展，尤其是在超临界二氧化碳已经对岩块6产生一定作用的基础上，液氮冷冲击可能会导致裂缝更快速、更复杂地扩展；

S5、在整个超临界二氧化碳循环和液氮冷冲击过程中，监测机构5持续工作，监测机构5布置在岩块6的外围，实时监测岩块6内的裂缝扩展情况，声发射监测可以捕捉到岩块6内部裂缝扩展时产生的弹性波信号，通过对这些信号的分析，可以确定裂缝扩展的位置、时间和扩展速度等信息。

本发明提供的技术方案的有益效果包括：

（1）模拟真实地层环境：温压模拟机构1能够精准模拟地层中的温度和压力条件，使实验过程高度贴近实际地层情况，大大提高了研究结果的可靠性和准确性。通过模拟不同地层的温压条件，可以深入研究在各种复杂地质环境下岩块6裂缝的扩展规律。

（2）超临界二氧化碳循环作用：超临界二氧化碳循环机构3实现了超临界二氧化碳的循环注入，让超临界二氧化碳能够持续、多次地对岩块6施加作用。这种循环过程可以更充分地发挥超临界二氧化碳的特性，不断促进岩块6内部微裂缝的扩展和连通，更真实地模拟实际压裂过程中流体对岩石的作用，为研究裂缝扩展机制提供更准确的数据。

（3）超临界二氧化碳与液氮协同作用：超临界二氧化碳循环机构3和液氮冷冲击机构4协同工作，超临界二氧化碳的循环注入预先对岩块6内部结构进行改造，增加岩块6的孔隙度和渗透率。而液氮冷冲击利用温度应力进一步促进裂缝扩展，两者相互配合，能够更有效地模拟实际压裂过程中裂缝的产生和扩展情况，为提高压裂效果提供理论依据。

（4）实时监测裂缝扩展：监测机构5能够实时、准确地监测岩块6内裂缝的扩展情况，为研究人员提供详细的数据和信息。研究人员可以根据监测结果深入分析裂缝扩展的机制和影响因素，从而优化压裂工艺参数，提高压裂效率和油气采收率。

（5）第二外套管27、第二锥套26、第二锥度圆筒25、第一外套管24、第一锥度圆筒23及第一锥套22的协同密封作用，可以适用于超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究实验，提高装置密封效果。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，其特征在于，包括：

温压模拟机构，所述温压模拟机构包括保温箱、温度调控组件及三轴压力组件，所述保温箱内用于放置岩块，所述岩块上开设有钻孔，所述温度调控组件用于调控所述保温箱内的温度，所述三轴压力组件用于向所述保温箱内的岩块施加三轴压力；

模拟井筒，所述模拟井筒塞设于所述钻孔，所述模拟井筒具有与所述钻孔连通的第一通道及第二通道，所述模拟井筒包括中心杆、第一锥套、第一锥度圆筒、第一外套管、第二锥度圆筒、第二锥套、第二外套管及锁紧螺母，所述中心杆内形成有所述第一通道及所述第二通道，所述中心杆的外侧壁上形成有外螺纹，所述中心杆的下端形成有堵头，所述第一锥套滑动套设于所述中心杆，所述第一锥套的一端与所述堵头抵接，所述第一锥度圆筒套设于所述中心杆，并与所述第一锥套接触，所述第一锥度圆筒与所述第一锥套的接触面为锥形，所述第一外套管套设于所述中心杆上，其下端与所述第一锥度圆筒固定连接，所述第二锥度圆筒套设于所述中心杆，所述第二锥度圆筒的下端与所述第一外套管固定连接，所述第二锥套滑动套设于所述中心杆，所述第二锥度圆筒与所述第二锥套的接触面为锥形，所述第二外套管套设于所述中心杆上，其下端与所述第二锥套固定连接，所述锁紧螺母螺纹套设于所述中心杆上，其下端与所述第二外套管抵接；

超临界二氧化碳循环机构，所述超临界二氧化碳循环机构用于与所述第一通道及所述第二通道均连通，并用于经由所述第一通道向所述钻孔内通入超临界二氧化碳，并经由第二通道回收所述钻孔内通入的超临界二氧化碳；

液氮冷冲击机构，所述液氮冷冲击机构与所述第一通道连通，并用于经由所述第一通道向所述钻孔内通入液氮；以及，

监测机构，所述监测机构布置于所述岩块的外围，并用于监测所述岩块内的裂缝扩展情况。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，其特征在于，所述温度调控组件包括若干加热器及温度检测件，所述加热器及所述温度检测件均设置于所述保温箱内。

3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，其特征在于，所述三轴压力组件包括两个侧向压力件及一下压件，两个所述侧向压力件分别用于对所述岩块的相互垂直的两个侧向施加第一预设压力，所述下压件用于对所述岩块的顶面施加第二预设压力。

4.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，其特征在于，所述侧向压力件包括两加载板及两侧向驱动件，两个所述加载板分别贴合于所述岩块的相对的两侧壁，两个所述侧向驱动件分别用于驱动两个加载板相互靠近以夹紧所述岩块，所述侧向驱动件包括侧向动力杆及侧向压力传感器，所述侧向动力杆的一端固定于所述保温箱的内侧壁，所述侧向动力杆的另一端与所述侧向压力传感器的固定端连接，所述侧向压力传感器的检测端与对应的所述加载板抵接。

5.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，其特征在于，所述下压件包括压板及下压驱动件，所述压板贴合于所述岩块的顶面，所述下压驱动件用于驱动所述压板下移以压紧所述岩块，所述下压驱动件包括下压动力杆及竖向压力传感器，所述下压动力杆的一端固定于所述保温箱的顶面，所述下压动力杆的另一端与所述竖向压力传感器的固定端连接，所述竖向压力传感器的检测端与对应的所述压板抵接。

6.根据权利要求5所述的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，其特征在于，所述保温箱包括箱体及盖板，所述箱体的上端开口设置，所述盖板用于盖合于所述箱体的上端开口，并与所述箱体可拆卸固定连接，所述下压动力杆的一端固定于所述盖板。

7.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，其特征在于，所述中心杆内还形成有与所述钻孔连通的第三通道；所述超临界二氧化碳循环机构包括低温水浴箱、二氧化碳储罐、二氧化碳泵注装置、第一注入管、加热件、第一注入阀、循环管、单向阀、循环阀、排放管及排放阀，所述二氧化碳储罐设置于所述低温水浴箱内，所述二氧化碳泵注装置的进口与所述二氧化碳储罐连通，所述二氧化碳泵注装置的出口与所述第一注入管的一端连通，所述第一注入管的另一端与所述第一通道连通，所述加热件用于对所述第一注入管内的二氧化碳进行加热，所述第一注入阀设置于所述第一注入管上，所述循环管的一端与所述第二通道连通，所述循环管的另一端与所述二氧化碳储罐连通，所述单向阀及所述循环阀均设置于所述循环管上，所述排放管的一端与所述第三通道连通，所述排放阀设置于所述排放管上。

8.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，其特征在于，所述液氮冷冲击机构包括液氮储罐、液氮泵注装置及第二注入管，所述液氮储罐内用于存储液氮，所述液氮泵注装置的进口与所述液氮储罐连通，所述液氮泵注装置的出口与所述第二注入管的一端连通，所述第二注入管的另一端与所述第一通道连通，所述第二注入管上设置有第二注入阀。

9.一种超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究方法，其特征在于，适用于如权利要求1-8中任意一项所述的超临界二氧化碳及液氮协同压裂裂缝扩展研究装置，且包括如下方法：

S1、将待研究的岩块放置到保温箱内，岩块上预先开设好钻孔，通过温度调控组件对保温箱内的温度进行精确调控，使其达到模拟实际地层环境所需的温度条件，同时，利用三轴压力组件向保温箱内的岩块施加三轴压力，模拟地层中岩块所受的真实地应力状态；

S2、将模拟井筒塞设于岩块的钻孔中，确保模拟井筒的第一通道及第二通道均与钻孔连通，为后续超临界二氧化碳和液氮的注入与回收提供通道；

S3、超临界二氧化碳循环机构开始工作，将超临界二氧化碳经由第一通道注入到岩块的钻孔内，当注入超临界二氧化碳后，钻孔内的超临界二氧化碳从第二通道排出，重新进入超临界二氧化碳循环机构，超临界二氧化碳循环机构对回收的超临界二氧化碳进行处理，使其恢复到适合再次注入的状态，之后，超临界二氧化碳循环机构再次将处理后的超临界二氧化碳从第一通道注入岩块的钻孔内，如此反复循环，在多次循环过程中，超临界二氧化碳持续对岩块施加作用，不断促进岩块内部裂缝的发展和扩展；

S4、在超临界二氧化碳循环预设时间后，释放钻孔内的超临界二氧化碳，然后，液氮冷冲击机构开始工作，通过第一通道快速向钻孔内通入液氮，当液氮接触到岩块时，会使岩块表面和内部的温度急剧降低，由于岩块各部分热胀冷缩的不均匀性，会在岩块内部产生巨大的温度应力，这种温度应力会进一步促使岩块内部的裂缝扩展；

S5、在整个超临界二氧化碳循环和液氮冷冲击过程中，监测机构持续工作，监测机构布置在岩块的外围，实时监测岩块内的裂缝扩展情况，声发射监测捕捉到岩块内部裂缝扩展时产生的弹性波信号，通过对这些信号的分析，确定裂缝扩展的位置、时间和扩展速度信息。