一种裂隙网络剪切增透随动密封注采换热试验装置及方法

本发明属于岩石力学与地热开发试验，具体涉及一种裂隙网络剪切增透随动密封注采换热试验装置及方法，尤其适用于含次级裂隙网络的粗糙主裂隙在恒定法向刚度边界下的剪切增透效果评价与原位注采换热特性测试。

背景技术：

1、增强型地热系统（egs）是深部地热资源开发的核心技术路径，其储层通常由天然贯穿主裂隙与周边次级裂隙共同构成复杂裂隙网络。通过诱导主裂隙发生剪切错动产生剪胀效应，可提升裂隙网络的整体导流能力（即剪切增透），是强化储层换热效率的重要技术手段。主裂隙剪切过程中伴随的法向变形、次级裂隙连通关系改变，会直接影响换热流体的渗流路径与热交换过程，因此需要通过室内试验准确表征剪切增透前后裂隙网络的渗流与换热特性。

2、现有裂隙剪切-渗流耦合试验装置多采用柔性胶条、密封垫或整体橡胶套封闭主裂隙边缘，以防止流体沿裂隙端部泄漏。但在实际剪切过程中，两侧岩体同时存在沿裂隙延伸方向的剪切错动和沿裂隙法向的间距变化（剪胀或剪缩），上述单一柔性密封件会同时承受剪切揉搓、法向挤压与局部拉伸，易产生扭曲变形、局部脱离或挤出失效。若增大密封预紧力以提升密封可靠性，会显著增大两侧岩体的相对运动阻力，干扰剪切载荷的准确测量；若减小预紧力，则易形成端部旁漏，影响渗流测试精度。现有密封结构难以同时满足连续液密、低摩擦随动与法向间距自适应补偿的需求。

3、另一方面，现有试验流程通常在剪切结束后卸除载荷、拆卸并转移试样，再将试样接入渗流或换热测试系统。该过程会不可避免地改变裂隙面的接触状态、开度分布与残余应力水平，导致后续注采换热测试无法对应剪切结束时的真实裂隙结构，测试结果存在显著误差。若尝试在加载原位直接开展注采换热，还需解决注采端板与流体管路如何适配岩体剪胀位移、如何实现均匀注采以消除单点入流的局部效应等问题。此外，实际地下储层的围岩具有有限刚度，对裂隙剪胀形成弹性约束，而多数现有试验装置仅能实现恒法向载荷或恒法向位移边界，无法准确模拟真实围岩的刚度约束条件。

4、综上，现有技术尚未提供一种能够在剪切全过程维持可靠低摩擦密封、可模拟围岩刚度边界、且剪切后无需卸载转移试样即可原位连续开展注采换热的试验装置，制约了裂隙网络剪切增透机理与换热特性的深入研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种裂隙网络剪切增透随动密封注采换热试验装置及方法，以解决常规单一柔性密封件在剪切错动与法向变形共同作用下易失效、摩擦阻力干扰测试精度，以及剪切后试样卸载转移导致裂隙状态改变、注采换热测试失真的技术问题，同时实现恒定法向刚度围岩边界模拟与多孔均匀注采测试。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种裂隙网络剪切增透随动密封注采换热试验装置，包括刚性反力钢架、温度控制系统、裂隙网络岩体试样、剪切加载系统、恒定法向刚度加载系统、注采换热系统、随动密封系统以及监测与控制系统。

3、所述裂隙网络岩体试样包括相对设置的左侧裂隙岩体和右侧裂隙岩体，二者的相对表面共同构成竖向粗糙贯穿主裂隙；左侧裂隙岩体内部设有左侧次级裂隙，右侧裂隙岩体内部设有右侧次级裂隙，至少部分次级裂隙与主裂隙和/或裂隙网络岩体试样的注采边界连通，构成完整的渗流换热通道。

4、所述剪切加载系统包括上下对称布置的上部剪切加载装置、下部剪切加载装置以及对应的上部加载传力板、下部加载传力板。所述上部剪切加载装置及下部剪切加载装置分别通过上部加载固定支承组件及下部加载固定支承组件支承于所述刚性反力钢架，并通过所述上部加载传力板及下部加载传力板驱动所述右侧裂隙岩体沿竖向粗糙贯穿主裂隙的延伸方向产生剪切位移。

5、所述恒定法向刚度控制装置用于模拟有限刚度围岩边界，包括法向伺服执行器、法向加载杆、法向力检测单元、法向位移检测单元与控制器，控制器分别与法向伺服执行器、法向力检测单元和法向位移检测单元连接。控制器根据实时采集的法向位移增量与预设法向刚度参数，动态调节法向载荷：当主裂隙剪胀时增大法向载荷，当主裂隙剪缩时减小法向载荷，使法向应力增量与法向位移增量的比值维持恒定。

6、所述注采换热系统包括分别贴合于左右岩体外侧面的注水端板与采出端板。两端板均采用承力与注采一体化结构，包括端板刚性承力部、内部的端板共用流体空腔、矩阵分布的多个半球形流体孔以及总流体管。端板刚性承力部同时承担法向载荷传递与流体分配腔体支撑功能，其包括外围刚性框和设置于外围刚性框内的中央刚性孔板，外围刚性框与中央刚性孔板固定连接为一体；端板共用流体空腔形成于端板刚性承力部内部，注水端板的全部半球形流体孔与同一端板共用流体空腔连通，采出端板的全部半球形流体孔与另一端板共用流体空腔连通，形成非分区多孔均布注入与汇流采出的边界；总流体管沿法向穿过加载构件与支承组件的内部通孔，外接供液与收集装置。

7、所述随动密封系统包括分别跨设于主裂隙上端与下端的上部随动密封组件与下部随动密封组件，每套组件均采用功能分工式复合结构：连续柔性包覆层作为外层阻水结构，连续包覆内部构件并与两侧结构密封连接，承担主要液密功能；两个橡胶填充体分别连接左侧固定结构与右侧活动结构，硬度高于连续柔性包覆层的硬度，且二者的相对边缘形成上下错开的错台式配合界面，用于维持密封组件轮廓；减摩组件分别设置于负泊松比结构上方和下方的相对错动界面；所述负泊松比结构设置于错台式配合界面的中部。当右侧裂隙岩体相对于左侧裂隙岩体产生剪切错动和法向间距变化时，减摩组件通过滚动或滑动降低相对错动阻力，负泊松比结构通过可逆变形补偿法向间距变化，实现间距补偿；连续柔性包覆层保持对竖向粗糙贯穿主裂隙上端和下端的连续封闭。

8、所述温度控制系统包括加热组件、保温组件、温度检测组件和温度控制器，温度检测组件分别检测左侧裂隙岩体、右侧裂隙岩体及竖向粗糙贯穿主裂隙邻近区域的温度，温度控制器根据检测温度调节加热组件，使裂隙网络岩体试样在剪切阶段和注采换热阶段保持于预设温度范围内。

9、所述监测与控制系统统一协调整机运行，包括计算机、应力-温度监测组件、法向力检测单元、剪切力检测单元、法向位移检测单元、剪切位移检测单元、入口压力检测单元、出口压力检测单元、入口温度检测单元、出口温度检测单元、总流量检测单元和同步数据采集单元；所述应力-温度监测组件分别布置于左侧裂隙岩体和右侧裂隙岩体的上部及下部，并包括相邻设置或一体设置的应力检测单元和温度检测单元；该系统用于同步采集力、位移、应力、温度、压力、流量参数；在剪切阶段维持密封可靠与法向刚度边界稳定，达到预设剪切位移后保持岩体位置与载荷状态不变，直接启动注采换热系统开展原位连续测试。

10、进一步地，所述左侧裂隙岩体经注水端板与左侧轴向固定支承组件支承于刚性反力钢架左侧；右侧裂隙岩体的外侧依次设置采出端板、恒定法向刚度控制装置与右侧轴向伸缩支承组件，右侧轴向伸缩支承组件与刚性反力钢架右侧连接，且可沿主裂隙法向伸缩，以适配右侧岩体的法向剪胀或剪缩位移。刚性反力钢架围设于裂隙网络岩体试样、剪切加载系统和恒定法向刚度加载系统的外侧；所述左侧轴向固定支承组件、上部加载固定支承组件和下部加载固定支承组件分别与刚性反力钢架固定连接；所述右侧轴向伸缩支承组件包括相互配合并能够沿主裂隙法向相对伸缩的固定支承段和活动支承段，固定支承段与刚性反力钢架连接，活动支承段与恒定法向刚度控制装置连接。

11、进一步地，所述每一半球形流体孔包括圆柱形管段和连接于圆柱形管段朝向裂隙网络岩体试样一端的半球形开口，圆柱形管段的另一端与端板共用流体空腔连通；多个半球形流体孔按多行多列矩阵状间隔布置，注水端板的端板刚性承力部朝向左侧裂隙岩体的一侧设有环绕多个半球形流体孔的柔性密封条。所述左侧轴向固定支承组件、右侧轴向伸缩支承组件以及设置于二者内侧的法向加载构件均设有与总流体管相适配的轴向通孔；注水端板的总流体管依次穿过左侧法向加载构件和左侧轴向固定支承组件的轴向通孔并与注入供液装置连通，采出端板的总流体管依次穿过右侧法向加载构件和右侧轴向伸缩支承组件的轴向通孔并与采出收集装置连通。

12、进一步地，所述连续柔性包覆层靠近错台式配合界面的区域设有波纹段或预留松弛量，以分散由两侧结构相对错动产生的拉伸变形；所述减摩组件包括沿剪切方向排列的多个圆柱状滚轮以及限制圆柱状滚轮相对位置的保持结构，圆柱状滚轮的轴线垂直于相应随动密封组件的纵向剖面，负泊松比结构的主要变形方向与左侧固定结构和右侧活动结构之间的法向间距变化方向相适配。

13、进一步地，本发明还提供一种裂隙网络剪切增透随动密封注采换热试验方法，采用上述装置实施，包括以下步骤：

14、s1、试样制备：加工含次级裂隙的左右两块裂隙岩体，拼合后形成竖向粗糙贯穿主裂隙，确保次级裂隙与主裂隙及注采边界连通，记录初始裂隙参数与试样尺寸。

15、s2、装配与检漏：将试样、注采端板、随动密封组件、各加载系统与支承组件装配至刚性反力钢架，连接流体管路与传感器，完成低压密封性检查与系统校准。

16、s3、升温与基准修正：启动温度控制系统加热试样至预设温度并保持稳定，对力、位移、应力、温度检测信号进行高温基准修正，消除温度漂移影响。

17、s4、法向加载与模式切换：施加初始法向载荷，待载荷与位移稳定后，切换至恒定法向刚度控制模式。

18、s5、恒定法向刚度剪切增透：驱动右侧岩体产生预设剪切位移，同步根据法向位移增量实时调节法向载荷；剪切过程中，减摩组件释放相对错动位移，负泊松比结构自适应补偿法向间距变化，连续柔性包覆层维持端部液密。

19、s6、原位状态保持：达到预设剪切位移后锁定剪切位置，不卸除法向载荷、不拆卸转移试样，持续维持恒定法向刚度边界与温度条件，保持裂隙接触状态与密封性能不变。

20、s7、原位注采换热试验：启动注采换热系统，换热流体经多孔端板均匀注入裂隙网络，流经主裂隙与次级裂隙后由采出端板汇集排出。

21、s8、数据采集与分析：同步记录全过程的力学、位移、温度、压力、流量参数，计算剪切增透倍数、导流能力、取热功率与热突破特征，评价裂隙网络剪切增透与换热性能；其中根据总流量与进出口压差确定裂隙网络剪切前后的整体导流能力变化，根据入口温度、出口温度和总流量确定换热流体从裂隙网络岩体试样中提取的热量，并根据出口温度随时间的变化确定热突破特征。

22、进一步地，在步骤s5中，以主裂隙剪胀方向为法向位移的正方向，根据下式调节法向载荷：

23、

24、式中，  为当前目标法向载荷，  为初始法向载荷，  为预设法向刚度，  为主裂隙名义面积，  为相对于初始状态的法向位移增量，并以主裂隙剪胀方向为法向位移增量的正方向；当主裂隙发生剪胀时增大法向载荷，当主裂隙发生剪缩时减小法向载荷，使法向应力增量与法向位移增量之比保持为预设法向刚度。

25、进一步地，在步骤s5至步骤s7中，右侧轴向伸缩支承组件随右侧裂隙岩体的法向剪胀位移进行轴向伸缩，使采出端板的端板刚性承力部保持与右侧裂隙岩体外侧面贴合；减摩组件随左侧固定结构与右侧活动结构的相对错动产生滚动，负泊松比结构通过变形补偿两侧结构之间的间距变化，并由连续柔性包覆层保持主裂隙上端和下端的封闭状态。

26、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

27、1、本发明首创功能分工式复合随动密封结构，将液密保持、界面减摩、法向间距补偿与轮廓支撑分别由连续柔性包覆层、减摩组件、负泊松比结构与橡胶填充体承担，避免了单一密封件同时承受剪切、挤压、拉伸导致的揉搓失效问题；减摩组件显著降低剪切错动阻力，减少密封摩擦对载荷测试的干扰；负泊松比结构自适应补偿剪胀/剪缩引起的法向间距变化，配合波纹状柔性包覆层，在大剪切位移下仍能维持可靠液密。

28、2、本发明实现剪切后原位连续注采换热测试，剪切结束后无需卸载、拆卸或转移试样，在保持裂隙开度、接触状态、残余应力、法向边界与温度状态完全不变的条件下直接开展换热试验，从根本上消除了试样转移导致的状态误差，显著提升测试结果的准确性与可重复性。

29、3、本发明在试验过程中采用恒定法向刚度加载模式，可根据目标围岩刚度动态调节法向载荷，更真实地模拟地下储层的围岩弹性约束边界，试验结果更贴合工程实际；通过调节预设刚度参数，可灵活开展不同围岩条件下的对比试验。

30、4、本发明的注采端板采用刚性承力与流体分配一体化设计，矩阵式半球形流体孔配合共用流体空腔实现大面积均匀注采，弱化了单点注入的局部效应；总流体管内置式布置节省了端部空间，配合右侧轴向伸缩支承组件，可随岩体剪胀同步移动并保持端板紧密贴合，适配法向变形的同时维持注采边界稳定。

31、5、本发明的多参数同步采集体系可在统一时间基准下获取力学、渗流与热学全量数据，可系统评价剪切增透效果、渗流演化规律与换热性能，为裂隙型地热储层剪切增透机理研究与开发参数优化提供可靠的试验手段。