一种用于模拟干热岩裂缝活化的双边缘剪切试验装置及方法

本发明涉及干热岩开发，尤其涉及一种用于模拟干热岩裂缝活化的双边缘剪切试验装置及方法。

背景技术：

1、随着国家“双碳”目标的深入推进，地热能作为一种储量丰富、供能稳定的绿色清洁能源，其开发利用已成为能源领域的研究热点。其中，干热岩（hdr）资源因其分布广泛且开发过程几乎零排放，被视为未来地热能源发展的主要方向。然而，天然状态下的干热岩储层致密的岩石基质中天然裂缝发育程度低，缺乏有效的流体渗流通道，必须通过水力压裂等人工储层改造技术构建复杂的缝网系统，才能实现经济回采。

2、在干热岩储层改造及后续的生产注入过程中，高压流体注入会引起孔隙弹性压力升高，叠加压裂施工产生的强烈应力扰动，极易诱发储层内原有断层的剪切滑移，即“断层活化”现象。断层活化一方面有助于形成复杂的导流通道，提高换热效率；另一方面，过度的剪切滑移可能引发诱发地震或破坏井筒完整性，严重影响工程安全与储层长期稳定性。因此，开展室内试验揭示断层活化的剪切破坏机理，对于认识干热岩储层改造机制及保障其可持续开发具有重要的科学意义与工程价值。

3、目前，针对注入诱发断层活化的室内试验研究，主要依赖于共轴平面剪切试验和含倾斜裂缝的真三轴试验两种方法。

4、共轴平面剪切试验虽然操作简单，但其加载路径与裂缝面呈严格共轴状态，无法模拟天然断层在地应力场中受到的复杂剪切作用。更为关键的是，现场监测数据表明，断层活化往往表现出显著的非均匀变形特征：断层前端处于剪切滑移的失稳状态，而末端则可能处于压密闭合状态（即“前端未稳、末端已失稳”）。现有的共轴平面剪切试验由于无法实现荷载的非均匀分布，难以复现这种非协调变形过程，也无法反映局部失稳导致的裂缝偏转行为，在模拟干热岩复杂应力环境下的断层活化时存在明显局限。

5、另一方面，含倾斜裂缝的真三轴试验虽能较好地还原三维地应力环境，但由于中间主应力和最小主应力通常与裂缝面存在夹角，导致裂缝面受力状态复杂，试验数据解译难度大，且设备昂贵、试样制备困难，不利于开展大规模的参数敏感性分析。

6、综上所述，现有试验装置及方法难以精确模拟干热岩储层中注液诱发的、具有非均匀特征的断层剪切旋转与滑移过程。因此，亟需研发一种能够构建非均匀剪切应力场、真实再现断层活化全过程、且操作便捷的室内物理模拟试验装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服背景技术中的问题，提供一种用于模拟干热岩裂缝活化的双边缘剪切试验装置及方法，针对现有室内剪切试验无法真实复现干热岩储层断层非均匀活化偏转的缺陷，以带预制劈裂裂缝的立方体岩样为试验对象，采用上下对称的90°v型凹槽压块结构，以试样上下棱角为受力基点，在凹槽与试样棱角间布设长度可调的垫块。通过改变垫块接触长度调控局部接触应力，构建非均匀对角剪切应力场，使裂隙岩体产生滑移与旋转变形，复现天然断层在地应力扰动下的剪切旋转、裂缝活化滑移过程，实现干热岩断层活化机理的高精度室内物理模拟。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种用于模拟干热岩裂缝活化的双边缘剪切试验装置，包括立方体试样、上压块和下压块：

3、所述上压块的底壁固定设置有上阻挡块，所述上阻挡块开设有截面为90°v型的上直角凹槽；所述下压块的上表面固定设置有下阻挡块，所述下阻挡块开设有截面为90°v型下直角凹槽；所述上直角凹槽与下直角凹槽的尖角均沿水平方向设置且朝向相反，试验状态下二者关于立方体试样的几何中心呈中心对称；

4、所述立方体试样由干热岩岩块加工而成，其几何中心预制有水平延伸的贯穿式劈裂裂缝；试验状态下，所述立方体试样置于上压块与下压块之间，所述劈裂裂缝上方的上测试棱角容置于上直角凹槽内并相适配，所述劈裂裂缝下方的下测试棱角容置于下直角凹槽内并相适配；

5、该试验装置还包括上垫块一、上垫块二、下垫块一和下垫块二；所述上垫块一与上垫块二分别夹设于上直角凹槽的两个内侧壁与上测试棱角的两个侧面之间，所述下垫块一与下垫块二分别夹设于下直角凹槽的两个内侧壁与下测试棱角的两个侧面之间；各垫块的长度根据试验需求可调整，通过改变垫块长度以调整垫块与立方体试样的接触面积，在含裂隙的岩体内构建非均匀剪切应力场。

6、进一步的，所述立方体试样为边长100mm的标准立方体试样，各表面经打磨处理，平面度及边长尺寸误差≤0.1mm；所述劈裂裂缝采用劈裂制缝工艺预制，用于模拟干热岩储层的天然断层原生裂隙，从而保证试样几何参数的高度一致性，使试验数据更能反映裂缝本身的力学响应而非试样制备误差。

7、进一步的，所述上阻挡块焊接固定于上压块的底壁，所述下阻挡块焊接固定于下压块的上表面；所述上直角凹槽的尖角水平朝向右侧，所述下直角凹槽的尖角水平朝向左侧，二者呈180°反向对称布置，以此确保加载过程中上下受力路径的对称性，避免偏心加载对裂缝剪切滑移模式的干扰。

8、进一步的，所述上垫块一、上垫块二、下垫块一和下垫块二的高度均为40mm、厚度均为5mm，长度可调区间为20mm~80mm，通过在该区间内的连续调节，可在试样棱角处形成梯度变化的接触应力分布，满足不同非均匀程度的剪切场构建需求。

9、进一步的，试验装配完成后，所述上垫块一与下垫块二呈中心对称布置，所述上垫块二与下垫块一呈中心对称布置，共同构成上下对角双边缘剪切受力结构，使得荷载能够有效传递至预制裂缝的两端，诱导裂缝沿预设路径发生剪切旋转与偏转。

10、进一步的，所述下压块用于刚性固定于岩石力学试验机的下部加载基座，所述上压块用于与岩石力学试验机的上部加载端相连，由试验机通过上压块与下压块协同施加剪切载荷，确保加载系统的刚度与稳定性，真实还原地层深部原位应力条件下的裂缝活化过程。

11、一种用于模拟干热岩裂缝活化的双边缘剪切试验方法，该试验方法所述的双边缘剪切试验装置实施，包括如下步骤：

12、s1试样制备：选取目标地层的干热岩岩块，加工成立方体试样，沿立方体试样几何中心预制水平贯穿的劈裂裂缝，清理并干燥试样后标定裂缝初始参数；

13、s2下部结构装配：将下压块刚性固定于岩石力学试验机的下部加载基座，在下直角凹槽的两个内侧壁对应安装下垫块一与下垫块二，将立方体试样的下测试棱角贴合放置于两下垫块之间，校准立方体试样位置使立方体试样的几何中心与上下压块的整体对称中心重合；

14、s3上部结构装配：控制试验机上部加载端带动上压块下移对位，在上直角凹槽的两个内侧壁与立方体试样的上测试棱角两侧面之间分别安装上垫块一与上垫块二，完成试验装置整体装配；

15、s4预加载调整：先施加垂直应力使立方体试样的预制劈裂裂缝压实闭合，再施加小幅剪切预应力，消除各垫块与试样之间的接触间隙与局部悬空；

16、s5剪切加载试验：持续施加剪切荷载，通过各垫块构建的非均匀对角剪切应力场，使预制劈裂裂缝产生滑移变形与偏转旋转，模拟干热岩储层断层在地应力扰动下的剪切旋转与裂缝活化滑移过程，同步采集试验过程中的应力、位移与裂隙演化数据；

17、s6多工况对照试验：达到试验终止条件后缓慢卸载，取出立方体试样观测裂缝滑移面与次生断裂形貌；更换不同长度的垫块并更换新的立方体试样，重复步骤s2至s5，完成多组不同非均匀剪切应力工况的平行对照试验。

18、进一步的，步骤s1中，将干热岩岩块加工为边长100mm的标准立方体试样，打磨后各表面平面度及边长尺寸误差≤0.1mm；采用劈裂制缝工艺预制劈裂裂缝后，清理裂缝内部的岩粉与碎屑，在室温下干燥处理，标定并记录裂缝的初始开度与延展形貌，以此确保试样状态的均一性与可追溯性，提高试验结果的可靠性与重复性。

19、进一步的，步骤s6中，依次选用长度为20mm、40mm、60mm、80mm的垫块开展平行对照试验，通过改变垫块与试样棱角的接触长度，调控试样局部接触应力大小，构建不同分布特征的非均匀剪切应力场，进而量化分析剪切荷载分布差异对裂缝活化行为的差异化影响。

20、进一步的，步骤s5中，试验终止条件为以下任意一种：预制劈裂裂缝完全贯通滑移、加载荷载达到预设极限值、试样发生失稳破坏，通过多维度的终止判定标准，确保能够完整捕捉裂缝从起裂、扩展到失稳的全过程关键特征。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、（1）本发明通过上下压块设置的反向对称v型凹槽与棱角夹持结构，构建了独特的双边缘对角剪切受力模式，突破了传统共轴平面剪切试验的加载局限。借助上下对称的垫块组，装置能够将剪切荷载精准传导至预制裂缝的上下两端，在立方体试样内部形成清晰的剪切应力集中区。这种设计有效复现了天然断层在地应力扰动下“前端未稳、末端已失稳”的非协调变形特征，克服了现有试验装置难以模拟裂缝偏转与剪切旋转行为的缺陷。同时，v型凹槽的自定位特性保证了试样安装的同轴度，避免了偏心加载对试验结果的干扰，显著提升了室内物理模拟试验对干热岩储层复杂裂缝活化行为的还原度与准确性。

23、（2）本发明通过采用长度在20~80mm范围内可调的标准化垫块，实现了对非均匀剪切应力场的精细化构建与动态调控。通过改变垫块与试样棱角的接触长度，即可灵活调整局部接触应力大小与分布梯度，无需复杂的结构改动便能模拟不同地应力环境下的断层受力状态。配合多组垫块长度的平行对照试验，该方法能够定量揭示剪切荷载分布差异对裂缝滑移量、旋转角度及次生断裂形貌的演化规律。相较于昂贵的真三轴试验系统，本方案在保证模拟精度的前提下大幅降低了试验成本与操作难度，为深入理解注液诱发断层活化的微观机理及评估干热岩储层改造效果提供了高效、可靠的试验手段。