一种可相变流体的相变破岩过程监测装置及方法

本发明涉及非常规油气开采、地热开发、硬岩掘进及岩石力学，具体涉及一种可相变流体的相变破岩过程监测装置及方法。

背景技术：

1、利用可相变流体（如液态co2、液氮）进行破岩（如压裂、致裂）是一种新兴的绿色、高效技术，相较于传统炸药破岩、水力压裂等技术，具有无粉尘污染、无废水排放、能量利用率高、对岩体损伤可控等显著优势，已广泛应用于非常规油气储层改造、深部地热开发、隧道硬岩掘进等工程领域。其核心机理是：将低温可相变流体注入岩石孔隙或天然/人工裂缝中，流体通过吸收地层地热或外部激励能量迅速升温，发生剧烈相变（从液态沸腾/气化为气态），体积急剧膨胀（如液态co2气化后体积可膨胀600倍以上，液氮气化后体积可膨胀700倍以上），在岩石内部受限空间内产生极高的局部压力，当该压力超过岩石的抗拉强度或抗剪强度时，驱动岩石内部裂缝起裂、扩展，最终实现岩石破碎。

2、然而，该可相变流体相变破岩技术在工业化应用过程中，面临的关键瓶颈是破岩过程“黑箱化”——目前，行业内对破岩效果的评估主要依赖于宏观的声发射监测、注入端压降曲线分析或破岩后的岩心切片观察，完全无法实时获取和量化相变发生区域（即破岩前锋）的瞬态温度与压力分布，也无法捕捉相变界面的动态演化过程。这种“黑箱化”问题直接导致三大技术难题：

3、1.工艺盲目性：由于无法精确控制相变发生的位置、时机和强度，导致可相变流体的能量利用率低下，部分流体未参与有效破岩即提前泄漏，同时岩石内部裂缝网络的形态、走向难以控制，无法实现针对性的储层改造和破岩作业。

4、2.机理不清晰：可相变流体相变破岩是一个典型的“热-流-固-化”多场耦合复杂过程，涉及流体流动、热量传递、相态转变、岩石力学变形等多个物理化学过程的协同作用，但目前对该多场耦合作用下裂缝起裂与扩展的内在机理，缺乏直接的实验数据支撑，相关理论模型多基于假设推导，与实际工程场景存在较大偏差。

5、3.设计无依据：由于缺乏相变过程中温度、速度和压力等核心参数的实时监测数据，无法为可相变流体的注入参数（如注入温度、注入压力、注入流量）、流体类型选择（如液氮与液态co2的适配场景）及井网布局、裂缝预制方案设计提供精准反馈，导致工程设计多依赖经验，存在较大的安全隐患和成本浪费。

6、现有测量技术均难以满足可相变流体相变破岩过程的监测需求：分布式光纤测温技术仅能实现线性测温，无法实现二维/三维全场温度分布测量，空间分辨率不足（通常为米级），且响应速度较慢（毫秒级），无法捕捉相变过程的瞬态温度变化；点式压力传感器仅能测量单一位置的压力，无法反映全场压力分布，且传感器探头易被低温流体损坏、被破碎岩石堵塞，无法在剧烈相变、岩石破碎的恶劣环境下长期稳定工作，更无法同时获取温度与压力的耦合信息；传统的可视化技术（如高速摄影）仅能观察宏观破岩现象，无法量化温度、压力等核心热力学与动力学参数。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可相变流体的相变破岩过程监测装置及方法，用于解决现有技术中可相变流体相变破岩过程“黑箱化”、无法同步监测温度场、速度场和压力场的技术问题，基于平面激光诱导荧光（lif）与粒子图像测速（piv）技术，能实现同步、原位、全场监测液氧、液态co2、液氮等可相变流体在模拟岩石裂缝或孔隙模型中相变破岩过程的温度场、速度场和压力场。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种可相变流体的相变破岩过程监测装置，包括破岩过程模拟系统、同步测速系统和采集分析系统；

3、破岩过程模拟系统包括注入泵、模拟裂缝实验段和回压控制系统；注入泵用于将可相变流体注入模拟裂缝实验段入口，可相变流体中混入双功能示踪体系，双功能示踪体系包括温度敏感型荧光染料和压力/温度不敏感型示踪粒子；回压控制系统用于调节模拟裂缝实验段出口的回压，以模拟地层围压条件；

4、同步测速系统用于照亮模拟裂缝实验段的测量平面，并捕捉模拟裂缝实验段中可相变流体的双通道荧光信号；

5、采集分析系统用于采集双通道荧光信号，得到双通道荧光图像序列；并对双通道荧光图像序列进行平面激光诱导荧光分析，提取可相变流体的速度场，计算双通道荧光强度比并结合预标定的荧光强度比-温度关系曲线解算温度场，基于速度场、温度场及流体物性参数重构压力场，基于速度场、温度场及压力场提取可相变流体的关键破岩效能指标。

6、根据本发明提供的一种可相变流体的相变破岩过程监测装置，模拟裂缝实验段包括两块平行设置的透明模拟岩板和透明承压视窗，透明模拟岩板的材质为聚碳酸酯、蓝宝石或石英玻璃，透明模拟岩板的表面具有用于模拟天然裂缝的粗糙流道或夹持真实岩石薄片，透明承压视窗的材质为蓝宝石；可相变流体为液氮、液态co2或液氧。

7、根据本发明提供的一种可相变流体的相变破岩过程监测装置，双功能示踪体系的浓度为0.01wt%-0.1wt%；温度敏感型荧光染料选用eu³+配合物、tb³+配合物或香豆素类染料，荧光强度温度系数绝对值大于等于5%/℃；压力/温度不敏感型示踪粒子为亚微米级荧光聚合物微球，压力/温度不敏感型示踪粒子的密度与可相变流体的密度差值小于等于0.1g/cm³，荧光特性波动幅度小于等于1%。

8、根据本发明提供的一种可相变流体的相变破岩过程监测装置，破岩过程模拟系统还包括储罐、预热器和环境温控舱，储罐通过密封管道连接注入泵，注入泵通过密封管道连接预热器，预热器通过密封管道连接模拟裂缝实验段入口，模拟裂缝实验段固定于环境温控舱内部，模拟裂缝实验段出口通过密封管道连接回压控制系统。

9、根据本发明提供的一种可相变流体的相变破岩过程监测装置，环境温控舱具有激光入射孔和相机观测孔；

10、同步测速系统包括双脉冲激光器、片光成形器、两台相机和同步时序控制器，双脉冲激光器连接片光成形器，片光成形器产生的片光源通过环境温控舱的激光入射孔，照亮模拟裂缝实验段的测量平面；两台相机分别通过相机观测孔对准测量平面；双脉冲激光器和两台相机均连接同步时序控制器，实现同步控制。

11、根据本发明提供的一种可相变流体的相变破岩过程监测装置，采集分析系统包括高速图像采集卡和数据处理计算机，高速图像采集卡连接数据处理计算机；两台相机均连接高速图像采集卡。

12、根据本发明提供的一种可相变流体的相变破岩过程监测装置，相机为cmos相机，帧频调节范围为100 hz-10 khz；两台相机分别配备对应的窄带滤光片组。

13、根据本发明提供的一种可相变流体的相变破岩过程监测装置，重构压力场时，根据温度场识别相态并匹配对应的流体物性参数，包括：

14、当温度低于流体饱和温度时，判定为液相区，采用液相流体的密度和粘度参数；当温度高于流体饱和温度时，判定为气相区，采用气相流体的密度和粘度参数；当温度等于流体饱和温度时，判定为气液两相区，采用气液混合相的平均物性参数。

15、根据本发明提供的一种可相变流体的相变破岩过程监测装置，关键破岩效能指标包括相变前锋推进速度、局部超压峰值及其位置、高压区时空演化范围和能量释放速率。

16、第二方面，本发明提供一种可相变流体的相变破岩过程监测方法，采用第一方面的装置，方法包括：

17、将可相变流体注入模拟裂缝实验段入口，可相变流体中混入双功能示踪体系，双功能示踪体系包括温度敏感型荧光染料和压力/温度不敏感型示踪粒子；

18、调节模拟裂缝实验段出口的回压，以模拟地层围压条件；

19、照亮模拟裂缝实验段的测量平面，并捕捉模拟裂缝实验段中可相变流体的双通道荧光信号；

20、采集双通道荧光信号，得到双通道荧光图像序列；并对双通道荧光图像序列进行平面激光诱导荧光分析，提取可相变流体的速度场，计算双通道荧光强度比并结合预标定的荧光强度比-温度关系曲线解算温度场，基于速度场、温度场及流体物性参数重构压力场，基于速度场、温度场及压力场提取可相变流体的关键破岩效能指标。

21、与现有技术相比，本发明至少具备以下技术效果：

22、首创性应用：首次将平面激光诱导荧光（lif）与粒子图像测速（piv）技术融合，引入可相变流体相变破岩这一极端复杂的热-流-固耦合过程监测中，打破了传统监测技术的局限，实现了从“宏观推测”到“微观可视、定量测量”的飞跃，首次实现了可相变流体相变破岩全过程的原位、同步、全场温度场、速度场和压力场监测，成功“照亮”了破岩过程的“黑箱”。

23、过程透明化与参数精准化：能够直观、实时显示相变发生与传播的精确位置、速度、强度，以及由此产生的局部压力积聚与释放过程，清晰捕捉气液两相界面的动态演化，温度测量精度达到±0.2℃，压力测量精度达到±0.1mpa，速度测量精度达到±0.1mm/s，可精准捕捉相变过程中的瞬态参数变化，直接揭示何种温度、压力条件下裂缝被驱动或扩展，为破岩机理研究提供了直接的实验数据支撑。

24、数据高价值：同步获取的全场温度场、压力场和速度场数据，能够完整反映“热-流-固”多场耦合的动态过程，为建立和验证“热冲击破岩”、“相变致裂”的理论与数值模型提供了前所未有的高精度实验数据库，解决了现有理论模型缺乏实验数据支撑的技术难题，推动可相变流体破岩理论的完善和发展。

25、强大的工程指导性：本发明的方法与装置可直接应用于实验室基础研究和工程参数优化，具体包括：可通过监测数据优化注入流体的温度、压力、流量等参数，使相变能量在最需要的位置（如裂缝尖端）高效释放，提升能量利用率，降低工程成本；可对比不同可相变流体（如液氮与液态co2）在相同岩体条件下的破岩行为差异，为不同工程场景的流体选择提供科学依据；可评估岩石表面性质（粗糙度、润湿性）对相变过程的影响，指导储层改造方案和裂缝预制设计，提升破岩效果和工程安全性。

26、方法通用性与扩展性：该装置与方法不仅适用于实验室尺度的基础研究，其核心技术思想（双通道荧光强度比测温结合piv速度场压差测压、相态自适应的压力重构方法）也为未来开发适用于现场井筒或裂缝近端的光纤传感式监测工具提供了技术原型，可实现从实验室到工程现场的技术延伸；同时，该方法可灵活适配不同类型的可相变流体（液氮、液态co2、液氧等）和不同形貌的岩石裂缝，适用范围广泛，具有较强的通用性。

27、系统稳定性与可靠性：装置整体采用耐高温、耐高压、耐低温冲击的结构设计和材料选择，同步测速系统配备精准的同步控制和杂光过滤机制，采集分析系统采用高效的算法和高性能的硬件支撑，确保装置在剧烈相变、压力冲击、温度骤变的恶劣环境下能够长期稳定工作，测量数据准确、可靠，可重复性强。