CN107462497A - 一种单井注入‑抽水示踪实验模拟分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单井注入‑抽水示踪实验模拟分析系统，包括井体、地质含水层模拟模块、溢流装置、蒸馏水箱、示踪剂箱、抽液存储箱和后台数据处理及模拟分析终端；地质含水层模拟模块内具有相互连通的含水区和稳流区，含水区和稳流区内分别填充饱水介质和稳流介质；井体和溢流装置分别与含水区和稳流区连通；井体上具有进液管和出液管，蒸馏水箱和示踪剂箱分别通过管道与进液管连通；出液管远离井体的一端与抽液存储箱连通；含水区内均布有多层液体浓度传感器，每层液体浓度传感器设有多个；液体浓度传感器分别电连接后台数据处理及模拟分析终端。优点：装置结构简单，操作方便，能够高精度、高频率的进行单井回灌‑抽水示踪实验的测试。

Description

一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统

技术领域

本发明涉及一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统。

背景技术

求取含水层热弥散和水动力弥散系数是地下水环境科研工作中重要研究内容，现有试验仪器及方法具有较大的局限性。目前，大多采用一维土柱实验来测试径向流的溶质运移状况，或是采用其他比较复杂的实验来对径向流的溶质运移状况进行研究，研究过程中所耗成本较高，并且目前没有系统的抽注单井实验教学装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，有效的克服了现有技术的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，包括井体、地质含水层模拟模块、溢流装置、蒸馏水箱、示踪剂箱、抽液存储箱和后台数据处理及模拟分析终端；

上述地质含水层模拟模块内具有相互连通的含水区和稳流区，上述含水区和稳流区内分别填充有饱水介质和稳流介质；

上述井体和溢流装置分别与上述含水区和稳流区连通；

上述井体上具有连通其的进液管和出液管，上述蒸馏水箱和示踪剂箱分别通过管道与上述进液管连通；

上述出液管远离上述井体的一端与上述抽液存储箱连通；

上述含水区内具有多层水平且上下间隔设置的用以探测含水区内液体浓度信息的液体浓度传感器，每层上述液体浓度传感器均设有多个，且均匀分布于上述含水区内；

上述液体浓度传感器分别电连接上述后台数据处理及模拟分析终端，用以将采集到的液体浓度信息发送给后台数据处理及模拟分析终端进行处理分析。

本发明的有益效果是：整个装置结构简单，操作方便，能够高精度、高频率的进行单井注入-抽水示踪实验的测试及模拟分析一体化。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，上述地质含水层模拟模块由地层模拟边界箱和设置在其内的档板组成，上述地层模拟边界箱竖向截面面积由其一端向另一端逐渐减小，上述挡板竖直设置在上述地层模拟边界箱内靠近其一端的位置，上述挡板与上述地层模拟边界箱一端之间形成上述稳流区，与上述地层模拟边界箱另一端之间形成上述含水区，上述挡板上均布有多个贯穿其的渗滤孔，上述含水区和稳流区通过上述挡板上的多个上述渗滤孔连通。

采用上述进一步方案的有益效果是该地质含水层模拟模块设计合理，通过稳流区可起到对液体稳流的作用，使稳流区内部水压分散均匀，避免进入流入含水区内的液体因压力分散不均匀影响实验效果的状况出现。

进一步，上述井体设置在上述地层模拟边界箱的一端，上述井体的侧壁与上述地层模拟边界箱的一端的连接处具有多个上下等间距间隔分布的排水孔，上述井体与上述含水区通过多个上述排水孔连通。

采用上述进一步方案的有益效果是排水孔分布均匀，能够使得含水区内的饱水介质充分饱水并缩短饱水的周期。

进一步，上述溢流装置包括水池，上述水池侧壁上靠近其上端的位置设有溢流口，上述水池底部分别设有设有与其连通的进水管和出水管，上述出水管远离上述水池的一端与上述稳流区连通，上述进水管上具有止逆阀。

采用上述进一步方案的有益效果是溢流装置结构简单，便于向地质含水层模拟模块内注入水体从而对饱水介质饱水。

进一步，上述地层模拟边界箱另一端上下间隔的设有多个与上述稳流区连通的子管路，每个上述子管路均与上述出水管远离上述水池的一端连通。

采用上述进一步方案的有益效果是该设计保证稳流区内的水体向含水区流动均匀。

进一步，还包括升降台，上述水池安装在上述升降台上，上述升降台用以调节上述水池的水平高度。

采用上述进一步方案的有益效果是便于调节水池相对于地质含水层模拟模块的水位高低。

进一步，上述进液管上连通设有注水泵和第一阀门，上述出液管上连通设有抽水泵和第四阀门。

采用上述进一步方案的有益效果是便于通过注水泵向含水区内注入适当水压的蒸馏水或示踪剂，同时，通过抽水泵可大流量的抽取地质含水层模拟模块内的水体，此外，通过思议阀门和第四阀门可便于分别控制注水和抽水的状态及流量。

进一步，上述进液管远离井体的一端设有三通，上述三通的其中一个接口与上述进液管远离井体的一端连通，另外两个接口分别通过支管路与上述蒸馏水箱和示踪剂箱连通，与上述蒸馏水箱连通的上述支管路上设有第二阀门，与上述示踪剂箱连通的上述支管路上设有第三阀门。

采用上述进一步方案的有益效果是该设计利于蒸馏水箱和示踪剂箱分别与进液管的连通。

进一步，上述后台数据处理及模拟分析终端包括数据采集器和计算机，上述数据采集器与上述计算机电连接，上述含水区内的多个液体电导率传感器分别电连接上述数据采集器，上述数据采集器用以将上述含水区内的多个液体电导率传感器分别采集到的电导率信息发送给计算机进行处理分析。

采用上述进一步方案的有益效果是后台数据处理及模拟分析终端设计简单，便于采集数据及数据的处理分析。

进一步，上述出液管远离上述井体的一端管口处设有与上述数据采集器连接的液体浓度传感器，该液体浓度传感器用以采集出液管管口处的液体浓度信息并发送给计算机进行处理分析。

采用上述进一步方案的有益效果是该设计可直观的检测出液管管口处的液体的浓度(含有示踪剂的浓度)。

附图说明

图1为本发明的单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、井体，2、地质含水层模拟模块，3、溢流装置，4、蒸馏水箱，5、示踪剂箱，6、抽液存储箱，7、升降台，11、进液管，12、出液管，21、含水区，22、稳流区，23、地层模拟边界箱，24、档板，25、子管路，31、水池，32、溢流口，33、进水管，34、出水管，111、注水泵，112、第一阀门，113、第二阀门，114、第三阀门，121、抽水泵，122、第四阀门。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例：如图1所示，本实施例的单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统包括井体1、地质含水层模拟模块2、溢流装置3、蒸馏水箱4、示踪剂箱5、抽液存储箱6和后台数据处理及模拟分析终端；

上述地质含水层模拟模块2内具有相互连通的含水区21和稳流区22，上述含水区21和稳流区22内分别填充有饱水介质和稳流介质；

上述井体1和溢流装置3分别与上述含水区21和稳流区22连通；

上述井体1上具有连通其的进液管11和出液管12，上述蒸馏水箱4和示踪剂箱5分别通过管道与上述进液管11连通；

上述出液管12远离上述井体1的一端与上述抽液存储箱6连通；

上述含水区21内具有多层水平且上下间隔设置的用以探测含水区21内液体电导率的液体电导率感器，每层上述液体电导率感器均设有多个，且均匀分布于上述含水区21内；

上述液体电导率感器分别电连接上述后台数据处理及模拟分析终端，用以将采集到的电导率信息发送给后台数据处理及模拟分析终端进行处理分析，并采用数值模拟方法进行烦求弥散系数和模拟预测分析。

实验过程如下：

第一步，校对各个液体电导率感器，连接好整个实验装置，检查是否漏水，若不漏水继续下一步实验，若漏水，对漏水部位进行修复，直至整个实验装置各部位不再漏水；

第二步，调节溢流装置3的水位高低(该水位高低实际上时溢流装置相对于地质含水层模拟模块的水位高低，确保溢流装置内部的最低液面的水平高度要高于地质含水层模拟模块内部的最高液位的水平高度)，通过溢流装置向稳流区22内导入水(该水可以是普通水体，也可以是蒸馏水)，稳流后经稳流区22内的稳流介质逐步渗入含水区21内的饱水介质内，并使饱水介质充分饱水，需要什么的是，饱水过程中，需要将溢流装置3的高度逐步上升，以便饱水介质自下向上都能够均匀饱水，每次调整溢流装置3的高度的幅度不能超过3cm，饱水时间不能少于2小时；

第三步，饱水完毕后，将蒸馏水箱4内储存的蒸馏水在适压状态下经过井体1进入含水区21内对含水区21内的饱水介质进行承压清洗(具体为清洗饱水介质孔隙介质)，含水区21内原有的水体不断渗流进入稳流区22，在稳流区22内稳定流场后经进入溢流装置3内，并不断从溢流口溢出，在此过程中，通过多个液体电导率传感器对含水区21内的水体进行电导率的探测并发送至后台数据处理及模拟分析终端，直至多个液体电导率传感器探测到的液体电导率与蒸馏水的电导率一致为止(该蒸馏水的电导率预先设定至后台数据处理及模拟分析终端上进行显示，便于实验人员与含水区21内测得的水体电导率进行直观的比较)，停止注入蒸馏水；

第四步，将示踪剂箱5内的示踪剂(等同于污染液体)在适压状态下经井体1进入含水区21内使其在含水区21内弥散一定时间，需要注意的是，在此过程中，必须保证示踪剂的注入时间要小于示踪剂弥散到达稳流区22的时间，停止注入示踪剂；

第五步，通过出液管12将含水区21内的水体抽取至抽液存储箱6内，在此过程中，溢流装置3不断通过稳流区22向含水区21内注入干净水体(普通水或蒸馏水)，直至抽取的液体浓度与饱水后的水体浓度一致，停止实验；

第六步，清洗实验装置。

特别说明的是：为了减小实验操作过程中的误差，需要对同一组实验材料(示踪剂、饱水介质和稳流介质)按上述实验步骤重复性的操作3～5次，然后取测得的平均值作为最终的结果。

上述实验中，饱水介质选用沙粒，稳流介质选用沙粒和碎石子的混合物。

值得说明的是，上述稳流区22的主要目的在于控制水体在其内的稳定流畅，从而降低实验过程中，水体流速对实验结果的影响。

较佳的，上述地质含水层模拟模块2由地层模拟边界箱23和设置在其内的档板24组成，上述地层模拟边界箱23竖向截面面积由其一端向另一端逐渐减小，上述挡板24竖直设置在上述地层模拟边界箱23内靠近其一端的位置，上述挡板24与上述地层模拟边界箱23一端之间形成上述稳流区22，与上述地层模拟边界箱23另一端之间形成上述含水区21，上述挡板24上均布有多个贯穿其的渗滤孔，上述含水区21和稳流区22通过上述挡板24上的多个上述渗滤孔连通，该设计使得示踪剂在通过井体1向含水区21内弥散时，能够全面的覆盖含水区另一端至稳流区22处的绝大部分部位，保证实验结果的准确，上述档板24任意一侧还具有过滤网，确保沙子或沙子与碎石的混合物不会穿过，使含水区21和稳流区22内的饱水介质和稳流介质的纯净。

较佳的，上述井体1设置在上述地层模拟边界箱23的一端，上述井体1的侧壁与上述地层模拟边界箱23的一端的连接处具有多个上下等间距间隔分布的排水孔，上述井体1与上述含水区21通过多个上述排水孔连通，该排水孔的均匀分布，使得注入井体1内的水体或示踪剂能够均匀，即就是确保井体1内流速的稳定，并且使得井体1内的液体流速不会太快而影响示踪剂最终在含水区21内的迁移规律。

上述地层模拟边界箱23可以是横截面为扇形的封闭箱体(该封闭箱体可拼接组成，其顶部可以根据需要拆卸)，其中井体1安装在扇形靠近圆心处的一端，上述地层模拟边界箱23靠近圆心处的一端可以为敞口设置，但必须与井体1侧壁是密封连接，以便于井体1侧壁上的排水孔能够直接与含水区21内部连通。

较佳的，上述溢流装置3包括水池31，上述水池31侧壁上靠近其上端的位置设有溢流口32，上述水池31底部分别设有设有与其连通的进水管33和出水管34，上述出水管34远离上述水池31的一端与上述稳流区22连通，上述进水管33上具有止逆阀，在对含水区21内的饱水介质进行饱水时，进水管33外接适压水源，水源由进水管33进入水池31内部，再通过出水管34进入稳流区22内稳定流场并逐渐伸入含水区21内进行饱水介质的饱水，此过程中只需对水池31的高度进行调节，确保水池31的底部水平高度高于地层模拟边界箱23的顶部水位高度即可，在承压清洗含水区21内饱水介质中的孔隙介质时，含水区21内原有的水体逐渐渗入稳流区22内，并通过出水管34进入水池31内，最终由溢流口32溢出，直至含水区21内的水体的电导率与蒸馏水的电导率一致(即就是含水区21内的水体完全是蒸馏水)，整个溢流装置3结构简单，设计合理，使用方便。

可选的，整个装置还可以设置一个集水箱，该集水箱可分别连通溢流装置3的进水管33和出水管34，以便水体能够回收再利用。

较佳的，上述地层模拟边界箱23另一端上下间隔的设有多个与上述稳流区22连通的子管路25，每个上述子管路25均与上述出水管34远离上述水池31的一端连通，该子管路25上下均匀分布，使得由子管路25排出的水体流速适中，不会造成井体1内的水体流速过快的状况。

需要特别说明的是，上述井体1相对于安装地层模拟边界箱23的另一侧上下等间距间隔的连通设有水平设置的支管，所有的支管均与一根竖直设置的主管连通，上述进液管11和出液管12分别与该主管连接并连通，这样做的目的是确保无论是向井体1内注水(液)或抽水(液)都能确保井体1内液体流速稳定(大小适中)，确保井体1内液体流速对示踪剂在含水区21内的弥散造成的影响较低以至于可以忽略不计。

还包括升降台7，上述水池31安装在上述升降台7上，上述升降台7用以调节上述水池31的水平高度，确保水池31在饱水过程中可以方便的调节到任何始终的高度，利于饱水。

可选的，上述升降台7为一个四面封闭的方向柱状的玻璃架，玻璃架的内壁上下间隔等间距的设置有多个用以放置水池31的支撑架，相邻两个支撑架之间的距离应该设置为小于等于3cm，调节过程中，将水池31不断自下向上从下层的支撑架移动到上层的支撑架上即可。

较佳的，上述进液管11上连通设有注水泵111和第一阀门112，上述出液管12上连通设有抽水泵121和第四阀门122，通过注水泵111可以方便快速的将蒸馏水或示踪剂注入到井体1内，通过第一阀门112可便于控制进液管11的进出液状态。

较佳的，上述进液管11远离井体1的一端设有三通，上述三通的其中一个接口与上述进液管11远离井体1的一端连通，另外两个接口分别通过支管路与上述蒸馏水箱4和示踪剂箱5连通，与上述蒸馏水箱4连通的上述支管路上设有第二阀门113，与上述示踪剂箱5连通的上述支管路上设有第三阀门114，通过三通可使进液管11与蒸馏水箱4和示踪剂箱5之间连通的管路布置比较简单明了，同时，通过第二阀门113和第三阀门114可方便调节蒸馏水或示踪剂的注入状态(即就是打开或关闭第二阀门113或第三阀门114即可实现调节蒸馏水或示踪剂的注入状态)，利于蒸馏水注入或示踪剂注入单独进行。

较佳的，上述后台数据处理及模拟分析终端包括数据采集器和计算机，上述数据采集器与上述计算机电连接，上述含水区21内的多个液体电导率传感器分别电连接上述数据采集器，上述数据采集器用以将上述含水区21内的多个液体电导率传感器分别采集到的电导率信息发送给计算机进行处理分析，该后台数据处理及模拟分析终端比较简单，通过数据采集器采集电导率传感器传送过来的水体电导率信息后，快发送至计算机进行数据的处理及分析即可。

较佳的，上述出液管12远离上述井体1的一端管口处设有与上述数据采集器连接的液体浓度传感器，该液体浓度传感器用以采集出液管12管口处的液体浓度信息并发送给计算机进行处理分析，通过该液体浓度传感器可十分方便的检测出液管12处抽出的含水区21内示踪剂弥散后的水体的液体浓度状况，利于实验的进行。

特别说明的是，上述技术方案中所有的阀门均可以是该型号的电磁阀，还应包括一个控制器，所有的电磁阀均与控制器电连接，通过控制器可分别控制每个电磁阀的开闭状态，上述控制器可以直接与计算机通信(电连接)，计算机上相应的具有对控制器发送控制命令的界面，也就是说，通过计算机可直接发送控制指令给控制器，控制器可根据指令控制任意的电磁阀的开闭状态，操作比较方便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，其特征在于：包括井体(1)、地质含水层模拟模块(2)、溢流装置(3)、蒸馏水箱(4)、示踪剂箱(5)、抽液存储箱(6)和后台数据处理及模拟分析终端；

所述地质含水层模拟模块(2)内具有相互连通的含水区(21)和稳流区(22)，所述含水区(21)和稳流区(22)内分别填充有饱水介质和稳流介质；

所述井体(1)和溢流装置(3)分别与所述含水区(21)和稳流区(22)连通；

所述井体(1)上具有连通其的进液管(11)和出液管(12)，所述蒸馏水箱(4)和示踪剂箱(5)分别通过管道与所述进液管(11)连通；

所述出液管(12)远离所述井体(1)的一端与所述抽液存储箱(6)连通；

所述含水区(21)内具有多层水平且上下间隔设置的用以探测含水区(21)内液体电导率的液体电导率感器，每层所述液体电导率感器均设有多个，且均匀分布于所述含水区(21)内；

所述液体电导率感器分别电连接所述后台数据处理及模拟分析终端，用以将采集到的电导率信息发送给后台数据处理及模拟分析终端进行处理分析。

2.根据权利要求1所述的一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，其特征在于：所述地质含水层模拟模块(2)由地层模拟边界箱(23)和设置在其内的档板(24)组成，所述地层模拟边界箱(23)竖向截面面积由其一端向另一端逐渐减小，所述挡板(24)竖直设置在所述地层模拟边界箱(23)内靠近其一端的位置，所述挡板(24)与所述地层模拟边界箱(23)一端之间形成所述稳流区(22)，与所述地层模拟边界箱(23)另一端之间形成所述含水区(21)，所述挡板(24)上均布有多个贯穿其的渗滤孔，所述含水区(21)和稳流区(22)通过所述挡板(24)上的多个所述渗滤孔连通。

3.根据权利要求2所述的一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，其特征在于：所述井体(1)设置在所述地层模拟边界箱(23)的一端，所述井体(1)的侧壁与所述地层模拟边界箱(23)的一端的连接处具有多个上下等间距间隔分布的排水孔，所述井体(1)与所述含水区(21)通过多个所述排水孔连通。

4.根据权利要求2所述的一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，其特征在于：所述溢流装置(3)包括水池(31)，所述水池(31)侧壁上靠近其上端的位置设有溢流口(32)，所述水池(31)底部分别设有设有与其连通的进水管(33)和出水管(34)，所述出水管(34)远离所述水池(31)的一端与所述稳流区(22)连通，所述进水管(33)上具有止逆阀。

5.根据权利要求4所述的一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，其特征在于：所述地层模拟边界箱(23)另一端上下间隔的设有多个与所述稳流区(22)连通的子管路(25)，每个所述子管路(25)均与所述出水管(33)远离所述水池(31)的一端连通。

6.根据权利要求4或5所述的一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，其特征在于：还包括升降台(7)，所述水池(31)安装在所述升降台(7)上，所述升降台(7)用以调节所述水池(31)的水平高度。

7.根据权利要求1至5任一项所述的一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，其特征在于：所述进液管(11)上连通设有注水泵(111)和第一阀门(112)，所述出液管(12)上连通设有抽水泵(121)和第四阀门(122)。

8.根据权利要求7所述的一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，其特征在于：所述进液管(11)远离井体(1)的一端设有三通，所述三通的其中一个接口与所述进液管(11)远离井体(1)的一端连通，另外两个接口分别通过支管路与所述蒸馏水箱(4)和示踪剂箱(5)连通，与所述蒸馏水箱(4)连通的所述支管路上设有第二阀门(113)，与所述示踪剂箱(5)连通的所述支管路上设有第三阀门(114)。

9.根据权利要求1至5任一项所述的一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，其特征在于：所述后台数据处理及模拟分析终端包括数据采集器和计算机，所述数据采集器与所述计算机电连接，所述含水区(21)内的多个液体电导率传感器分别电连接所述数据采集器，所述数据采集器用以将所述含水区(21)内的多个液体电导率传感器分别采集到的电导率信息发送给计算机进行处理分析。

10.根据权利要求9所述的一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，其特征在于：所述出液管(12)远离所述井体(1)的一端管口处设有与所述数据采集器连接的液体浓度传感器，该液体浓度传感器用以采集出液管(12)管口处的液体浓度信息并发送给计算机进行处理分析。