CN101504351A - 砂层渗流淤堵模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砂层渗流淤堵模拟装置，它包括上游储水水箱、水位控制水箱、混气水箱、控制水泵、回抽水泵、搅拌器、气泡发生器、下游储水水箱、数字相机和计算机。水位控制水箱中装置有搅拌器，混气水箱中装置有气泡发生器；实验箱体内部入水口和出水口处装置第一滤网和第二滤网，实验用的孔隙介质可装填在第一滤网和第二滤网之间；计算机和数字相机相连，第一数字相机与第二数字相机分别放置在实验箱体两侧。实验箱体上装置有测压采样阀门，用于测量水压力以及取水溶液和孔隙介质样品。采用两个水泵，可正反向驱动水流通过试验孔隙介质，模拟井水回灌和回扬清洗过程，有利于研究地下水源热泵系统的颗粒和气泡渗流淤堵问题。

Description

砂层渗流淤堵模拟装置

技术领域

本发明涉及地下水渗流观测技术领域，更具体地涉及一种砂层渗流淤堵模拟装置，它适用于研究含水地下砂层中颗粒和气泡在砂层空隙中迁移并阻塞地下水渗流现象的观测装置。

背景技术

地源热泵技术是一种采集浅层低温地能(地下水、土壤和砂石蓄积的温度势能)，同时满足供暖和制冷的需求，并且实现零污染排放的能源利用方式。地源热泵不仅利用了大自然的可再生能源，大幅度节约传统的高品位建筑用能，还可以真正实现供暖制冷无污染的绿色居住环境，是21世纪取代传统供暖制冷方式最为现实最有前途的技术措施。在地下水源丰富的地区，比如大江大河流域，地下水源热泵是普遍采用的一种地源热泵形式。地下水源热泵利用地下水，必须涉及取用水的回灌，不回灌可以避免地下热积累对热泵系统效能的影响，但是只取水不进行有效回灌或回灌不慎会造成地面沉降、已有地下管线的破坏。目前由于理论认识和技术的限制，回灌困难是一个普遍的问题，而机理却不是很清楚，普遍猜测是在抽取和回灌地下水的过程中，由于微小颗粒(比如细砂、土壤等)和气泡(热泵系统换热系统带入回灌水的气泡或者微生物产生的微气泡)在含有地下水的砂层、土壤中运移，阻塞水的流动，尤其是在回灌井壁上形成淤堵层，大大降低水流的速度和流量，因此很难将大部分抽取出来的地下水灌回到原来的地层中去，带来环境上的危害，并严重影响系统的运行效能，带来经济上的损失。如果不了解淤堵的机理和过程，那么地下水源型热泵系统的井群设计，回扬清洗等维护方案的制定都会比较困难，因此需要对实际地下水源热泵系统回灌和回扬过程中颗粒和气泡淤堵机理进行模拟，了解其在自然孔隙介质水流通道运移、阻塞水流通道的过程，以及水流通道的改变对颗粒和气泡运移的影响，为建立数学模拟模型提供实测试验数据，进行定性和定量研究。

目前已有的类似研究观测装置可以监测通过孔隙介质渗流场的总体变化，比如中国发明专利(公开号CN1126858C)公开的一种试井物理模拟装置，利用高压密闭容器和多孔介质模型来模拟油气田试井的弹性渗流过程，可以测量孔隙介质中流体的整体的流压流量变化，得到渗流参数。以及中国实用新型专利(公开号CN2874021Y)公开的一种物理模拟实验用长管填砂模型，用长管充填石英砂来模拟不同流体的渗流规律，进行微生物驱采石油以提高原油采收率的实验。然而，这类方法和装置是以填充介质整体渗透性能来估算渗流规律的，都无法对颗粒和气泡在砂层孔隙含水介质中运移和淤堵过程，以及水流通道改变对颗粒和气泡运移的影响进行直接观测研究，不能为淤堵机理研究提供足够的数据。申请人于2009年1月6日申请的专利-微生物地下水渗流阻塞观测的方法及装置(申请号200910060435.4)，是一种针对微生物的孔隙水流观测方法和装置，利用紫外线和可见光控制和观测微生物在孔隙含水介质水流通道繁殖、运移和淤堵过程，但该方法和装置不能模拟水源热泵系统砂层中回扬清洗和回灌过程，也不能模拟固体颗粒，比如土壤细砂，和气泡掺杂在孔隙水中的运移和淤堵现象。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种颗粒和气泡地下水渗流淤堵模拟装置，结构合理，能模拟回灌和回扬清洗过程中颗粒和气泡在砂层孔隙介质中的运移、淤堵，可以直接观测和记录其淤堵方式以及水流通道改变对颗粒和气泡运移的影响，实时定量地获取观测数据，同时便于测量水压力和取样分析，有利于地下水渗流淤堵模型研究。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种实现砂层地下水渗流淤堵观测方法的装置，它包括：上游储水水箱、水位控制水箱、混气水箱、控制水泵、回抽水泵、搅拌器、气泡发生器、阀门、带有入水出水口的实验箱体、下游储水水箱、第一数字相机、第二数字相机和计算机。其特征在于：水位控制水箱中装置有搅拌器，混气水箱中装置有气泡发生器；实验箱体内部入水口和出水口处装置第一滤网和第二滤网，实验用的孔隙介质可装填在第一滤网和第二滤网之间；计算机和数字相机相连，第一数字相机、第二数字相机分别放置在实验箱体两侧(厚度方向)。所述的实验箱体由可透射可见光的材料制成，可承受压强1Mpa以上。所述的实验箱体由可透射可见光的材料制成(本领域的普通技术人员均能制作)，为扁平长方形，厚度1～2厘米。采用两个水泵，可正反向驱动水流通过试验孔隙介质。所述的实验箱体上装置有若干个测压采样阀门，可用于测量水压力以及取水溶液和孔隙介质样品。上游储水水箱经控制水泵与水位控制水箱相连，水位控制水箱经由回抽水泵与混气水箱相连，之间水管上装有水阀，组成模拟供水部分，由进水管与实验箱体入水口相连；水位控制水箱中装置有搅拌器，用于混合细砂等颗粒物质，混气水箱中装置有气泡发生器，用于产生微小气泡，输入到实验箱体中。实验箱体出水口与上出水管及下出水管相连，上出水管及下出水管与下游储水水箱相连，组成下游储水部分。第一数字相机、第二数字相机放置在实验箱体厚度方向的两侧，与计算机相连，共同组成观测部分，可实时记录由孔隙介质、颗粒及气泡反射和透过实验箱体(包含孔隙介质)的光线，得到可换算孔隙介质、颗粒及气泡的密度和形态数据。

本发明中所述的可透水孔隙介质指细砂、粗砂、土壤、碎石等自然地下含水层介质或玻璃珠、塑料珠等人造介质。

本发明具有以下的优点和效果：①采用双向抽水方式，可以方便地模拟井水回灌和回扬清洗过程；②采用透光材料的实验箱体，可以直接观测和记录颗粒和气泡在可透水砂层介质中的运移和淤堵，有利于砂层地下水渗流模型的研究；③由于采用了数字相机记录计算机储存，可以实时定量地获取颗粒和气泡在可透水孔隙介质中的分布和孔隙介质流动通道的变化，易于定量分析前后差别。④适用于自然界孔隙介质和人造孔隙介质，比如河流沉积的粗砂、细砂和土壤，以及玻璃珠、塑料珠，适于模拟研究地下水源热泵系统的砂层渗流淤堵问题。

附图说明

图1为一种砂层渗流淤堵模拟装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

一种砂层地下水渗流淤堵模拟装置，由上游储水水箱1、控制水泵2、水位控制水箱3、搅拌器4、回抽水泵5、阀门6、混气水箱7、气泡发生器8、计算机9、第一数字相机10、进水管11、第一滤网12、实验箱体13、第二数字相机14、测压采样阀门15、第二滤网16、下出水管17、上出水管18和下游储水水箱19组成。其特征在于水位控制水箱3中装置有搅拌器4，混气水箱7中装置有气泡发生器8；实验箱体13内部入水口和出水口处装置第一滤网12和第二滤网16，实验用的孔隙介质可装填在第一滤网12和第二滤网16之间；计算机9和第一数字相机10、第二数字相机相连，第一数字相机10和第二数字相机14分别放置在实验箱体13两侧(厚度方向)。所述的实验箱体13由可透射可见光的材料制成，可承受压强1Mpa以上。所述的实验箱体13由可透射可见光的材料制成，为扁平长方形，厚度1～2厘米。采用两个水泵，可正反向驱动水流通过试验孔隙介质。所述的实验箱体上装置有若干个测压采样阀门，可用于测量水压力以及取水溶液和孔隙介质样品。

如图1所示，上游储水水箱1通过水管与控制水泵2相连，控制水泵2通过水管与水位控制水箱3相连，搅拌器4装置在水位控制水箱3中，水位控制水箱3中的水位由控制水泵2从上游储水水箱1中抽取和排放来控制，模拟不同地下水压力下的流动。颗粒介质直接投放到水位控制水箱3中，由搅拌器4使之与水均匀混合。水位控制水箱3通过水管依次与回抽水泵5、阀门6与混气水箱7相连，混气水箱7中装置有气泡发生器8，用于产生微小气泡，混入从水位控制水箱3过来的水中，由进水管11与实验箱体13入水口相连，模拟带有微小颗粒和气泡的水回灌到砂层介质中的过程。

实验箱体13带有入水口和出水口，在实验箱体13内部距入水口和出水口1～2厘米处装置第一滤网12、第二滤网16，实验用的孔隙介质可装填在第一滤网12、第二滤网16之间，被第一滤网12和第二滤网16限制住。实验箱体13制成扁平长方形，高度大于宽度，厚度1～2厘米，实验箱体13壁上装置有测压采样阀门15，可以在需要时从箱体内部通过测压采样阀门15测量水压力，或取出水溶液和孔隙介质样品。计算机9和第一数字相机10及第二数字相机14相连(图1中省略数据连线)，放置在实验箱体13两侧(厚度方向)。

下出水管17及上出水管18分别与实验箱体13、下游储水水箱19相连，承接从实验箱体13排出的水溶液。下出水管17装置在实验箱体13箱壁靠下的部位，用于排出含颗粒介质较多的水溶液，上出水管18装置在实验箱体13箱壁靠上的部位，用于排出含微气泡较多的水溶液。

具体实施时，上游储水水箱1采用大容积的箱体，控制水泵2采用双向真空提水泵，控制水位控制水箱3的水位。搅拌器4采用宽桨叶的型号，大小与水位控制水箱3相当，装置在水位控制水箱3中靠近底部位置，以充分混合水溶液与较重的固体颗粒，如细砂、土壤颗粒等。在水位控制水箱3到实验箱体13进水口之间的水管道上连接有回抽水泵5、阀门6与混气水箱7。回抽水泵5采用上海申贝的3DJ-136型计量泵或者德帕姆的P2J(M)TS200计量泵，计量精度达到0.5％，负责模拟井水回扬过程，同时计量回抽水溶液的体积。混气水箱7为密闭的容器，可用有机玻璃制成，其中装置有气泡发生器8，气泡发生器可采用环保设备ZWF气泡发生器，用于产生微小气泡，混入从水位控制水箱3过来的水中，输出到实验箱体13，以模拟带有微小颗粒和气泡的水回灌到砂层介质中。下游储水水箱19可采用大口径并带有水面高度显示的容器，可添加水溶液以保持回抽时的水压力并测量其数值。

实验箱体13可用有机玻璃制成，具有良好的耐压力性能和透光性能，可见光透过率在90％以上，保证光学成像质量；实验箱体13可制成长度0.5～1米，高度1～2米，厚度1～2厘米，箱体内径厚度0.5～1厘米，保证装填在实验箱体中的孔隙介质有好的透光度。箱体内第一、第二滤网可采用孔径1*1mm的不锈钢滤网，起到限制实验用的孔隙介质直接接触入水管和出水管，均匀水流的作用。在实验箱体13上下壁可打若干个孔，孔径4mm，个数可以是1个，也可以是多个(4～6个，上下对称)，装置上测压采样阀门15。在数字相机拍照时使用，可使用自然光或LED冷光源。第一数字相机10和第二数字相机14采用高分辨率的型号，比如尼康D3x数字相机，像素分辨率达到6048×4032，在实验箱体边长1.2米时每像素可对应小于0.25平方毫米的面积，提供极高的空间分辨，或者采用X3成像技术的Sigma DP系列相机，提供精确位置成像，有利于淤堵模型的精确建立。计算机采用可以与数字相机连接的台式机或者便携机。

本发明的工作过程如下：

①往观测装置的实验箱体13中加入可透水的孔隙介质，装填在第一滤网12、第二滤网16之间；

②上游储水水箱1装入清水，由控制水泵2调节水位控制水箱3的水位，使得混气水箱7中充满水，实验箱体13中水流稳定；用第一数字相机10与第二数字相机14记录孔隙介质、固体颗粒和气泡反射光线，以及箱体透射光线，由计算机9处理储存；

③水位控制水箱3装含固体颗粒(比如颗粒直径在0.5mm的粉细砂)的水溶液，启动搅拌器4以混合水与固体颗粒，水位控制水箱3的水位根据观测试验压力要求变化调节，间隔一定时间(1秒～1小时)，第一数字相机10与第二数字相机14记录图像，储存在计算机9中，长期运行；

④如需研究气泡的运移和淤堵，启动气泡发生器8产生微小气泡，水位控制水箱3的水位根据观测试验压力要求变化调节，与步骤③相同，长期运行。固体颗粒与气泡可以单独也可同时添加；

⑤在运行过程中，根据观测试验测量水压变化要求和定量分析孔隙介质聚集密度及固体颗粒密度的要求，在不关闭水阀6情况下通过测压采样阀门15进行压力测量，或关闭水阀6，从测压采样阀门15中取出少量水溶液和孔隙介质样品，供分析用；

⑥在运行过程中，根据模拟回扬清洗过程的反向流动要求，启动回抽水泵5，下游储水水箱19的水位根据观测试验压力要求变化调节，间隔一定时间(1秒～1分钟)，第一数字相机10与第二数字相机14记录图像，储存到计算机9中，长期运行，并在不关闭水阀6情况下通过测压采样阀门15进行孔隙介质水压力测量。

Claims (6)

1、一种砂层渗流淤堵模拟装置，包括由上游储水水箱(1)、控制水泵(2)、水位控制水箱(3)、气泡发生器(8)、实验箱体(13)、测压采样阀门(15)和下游储水水箱(19)，其特征在于：水位控制水箱(3)中装置有搅拌器(4)，混气水箱(7)中装置有气泡发生器(8)；实验箱体(12)内部入水口和出水口处装置第一滤网(12)和第二滤网(16)，孔隙介质装填在第一滤网(12)、第二滤网(16)之间；计算机(9)和第一数字相机(10)及第二数字相机(14)相连，第一数字相机(10)和第二数字相机(14)分别放置在实验箱体(13)两侧；下出水管(17)及上出水管(18)分别与实验箱体(13)、下游储水水箱(19)相连。

2、根据权利要求1所述的一种砂层渗流淤堵模拟装置，其特征在于：所述的实验箱体(13)由可透射可见光的材料制成。

3、根据权利要求1所述的一种砂层渗流淤堵模拟装置，其特征在于：所述的实验箱体(13)为扁平长方形，厚度1～2厘米。

4、根据权利要求1所述的一种砂层渗流淤堵模拟装置，其特征在于：上游储水水箱(1)通过水管与控制水泵(2)相连，控制水泵(2)通过水管与水位控制水箱(3)相连。

5、根据权利要求1所述的一种砂层渗流淤堵模拟装置，其特征在于：水位控制水箱(3)通过水管依次与回抽水泵(5)、阀门(6)与混气水箱(7)相连。

6、根据权利要求1所述的一种砂层渗流淤堵模拟装置，其特征在于：所述的实验箱体(13)上装置有测压采样阀门(15)。

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