CN107725036B - 一种地热资源抽采模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地热资源抽采模拟实验装置，包括地层模拟腔、岩石压制装置、热液采汲装置、热源系统、温度监测装置和侧向压力装置，实验所用的岩石采用上述岩石压制装置在上述地层模拟腔中逐层压制成型；热液采汲装置包括U型采液管和高温泵，上述U型采液管在岩石压制后铺设，且U型采液管通过高温管与高温泵连接；采用侧向压力装置对制成的岩石施加压力，采用上述热源系统为上述地层模拟腔内的岩石提供热量，并通过温度监测装置来监控热液抽采对岩层温度分布的影响。本发明更准确的模拟了地质岩层的结构和受力状况，实验的数据更加准确可靠。

Description

一种地热资源抽采模拟实验装置

技术领域

本发明涉及地热技术领域，尤其涉及一种地热资源抽采模拟实验装置。

背景技术

地热能与风能、太阳能相比，具有不受天气影响、稳定、资源丰富的优势，与传统的化石燃料对比具有无污染、可再生的特点，绿色环保。

地热资源按温度分为高温、中温、低温三类。温度大于150℃的地热以蒸汽形式存在叫高温地热；90℃-150℃的地热以水和蒸汽的混合物形式存在叫中温地热；温度大于25℃、小于90℃的地热以温水(25℃-40℃)、温热水(40℃-60℃)、热水(60℃-90℃)等形式存在，叫低温地热。

虽然，目前对地热资源的开放利用较多，但是，地热勘查评价滞后于开发利用，对地下高温热源的不规则形状以及不同高温热源结构对地层温度分布的影响缺少研究，尤其是对高温地热的热液抽采对地层温度分布的影响研究较少，导致重开发轻勘查和研究、不合理开发、破坏浪费资源现象频发影响了地热资源勘查开发规划的制定、资源的开发利用以及地热产业发展。

为此申请号为201611068309.X的公开了一种用于增强型地热系统的模拟实验装置及利用其评价孔隙型砂岩热储改造的方法，如图2所示，所述模拟实验装置包括：换热室；所述换热室上开设有一入口和与所述入口对应设置的出口，所述入口和所述出口均与所述换热室1’连通，所述出口的数量为两个；预制岩块2’，所述预制岩块2’放置在所述换热室1’内，所述预制岩块中还设置有一注入井筒21’、第一生产井筒22’及第二生产井筒23’，所述注入井筒21’位于所述第一生产井筒22’和所述第二生产井筒之间23’，所述注入井筒21’与所述入口连通，所述第一生产井筒22’和所述第二生产井筒23’分别与两个所述出口连通，所述预制岩块2’中预设有缝隙，微型压强传感器9’和微型温度传感器8’嵌设在所述缝隙中；电加热板3’，所述电加热板3’设在所述换热室1’的外表面上；恒温供液槽4’，所述恒温供液槽4’通过第一管道穿过所述入口与所述第一入井筒连通22’；两个集液槽5’，两个所述集液槽5’分别穿过两个所述出口后，分别与所述第一生产井筒22’、所述第二生产井筒23’连通；高压柱塞泵6’设在所述第一管道中；水平地应力模拟装置7’，若干个所述水平地应力模拟装置7’均匀的分布在所述换热室的外表面上。所述微型温度传感器8和所述微型压强传感器9均连接有数据采集系统，所述数据采集系统与计算机16连接，用于对入口和出口的管道内压强、温度及换热室1中各点压强和温度进行数据采集。另外，所述模拟实验装置还包括铺设在换热室1’外围的保温层10’、第一温度传感器11、第二温度传感器13、第一压强传感器12、第二压强传感器14，所述第一温度传感器11和所述第一压强传感器12串联连接在所述入口和所述高压柱塞泵6之间，所述第二温度传感器13和所述第二压强传感器14串联连接在所述出口和所述集液槽5。所述模拟实验装置还包括流量计15，所述流量计15设置在所述出口与集液槽5中间，与所述出口连通。此发明虽然对采热过程温度压力分布进行监测，对采热一段时间后温度恢复、热能提取效率、稳定产时间进行实验模拟，但是由于实际采热时，特别是高温地热，热源通常是不规则形状，电加热板板并不能很好的模拟实际的热源形状，与实际的地热的热源分布有较大的差异，容易造成实验误差，且地下岩层分布是随着地质年代逐渐形成的，在纵向剖面上呈现出多层分布，层与层之间的岩石性质不同，使用上述预制岩块不能有效的反应这一特点，而不同的层的岩石所产生的热压都不同，因此使用上述预制岩块与实际地热开采时的实际温度压力分布有一定的偏差。另外在实际地热开采时，岩层受到的并非水平的应力，因此上述水平地应力模拟装置不能有效的对实际情况进行模拟。

鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，遂有本案产生。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种地热资源抽采模拟实验装置，有效的在具有多层岩层结构及受到多向的交变应力的地质中，为热液抽采对地层温度分布的影响的研究提供了有效的模拟实验装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地热资源抽采模拟实验装置，包括地层模拟腔、岩石压制装置、热液采汲装置、热源系统、温度监测装置和侧向压力装置；

上述地层模拟腔为开口设在上方的凹型腔室，且上述地层模拟腔上设有透明的观测窗口、通孔和槽孔；上述地层模拟腔内容纳有经岩石压制装置压制而成的岩石层；

上述岩石压制装置设在地层模拟腔的上方，包括液压系统、推杆和连接在推杆下方的印模，上述液压系统包括液压缸，上述液压缸呈上下设置，且上述液压缸的活塞缸朝下，上述活塞杆的自由端与上述推杆固定连接；

上述热液采汲装置包括U型采液管和第一高温泵，上述U型采液管铺设于上述岩石层内，上述U型采液管的一端连接第一高温泵，上述U型采液管的另一端作为进液口；

上述热源系统包括第二高温泵、热源体和内部设有电加热棒的加热槽，上述热源体紧贴安装在上述地层模拟腔内壁上，且上述热源体上开设有凹槽，上述凹槽与上述槽孔对位设置，上述加热槽上设有供第二高温泵中的液体流入的进液孔和使液体回流至第二高温泵的回液孔，上述加热槽上还设有热传导棒，上述热传导棒的第一端伸入加热槽内，第二端伸入上述槽孔中，并嵌入上述凹槽内；

上述侧向压力装置包括气压泵、高压管、导气接口和气囊，上述高压管的第一端连接在上述气压泵的出气端上，上述高压管的第二端与上述导气接口的第一端相连接，上述导气接口的第二端穿过上述通孔，上述气囊紧裹在上述导气接口的第二端，并紧贴在上述地层模拟腔的内侧壁上；

上述温度监测装置包括红外成像仪，上述红外成像仪通过数据线与计算机相连接。

上述高压管上设有若干个分支管，相应地，导气接口有多个，每个分支管上均设有带气压表的节流阀，每个分支管的出气口连接在相应的导气接口的第一端，气囊分别一一对应的紧裹在各上述导气接口的第二端，各个分支管分布在地层模拟腔的外侧。

上述温度监测装置还包括温度传感器，上述温度传感器设在上述加热槽内，并通过数据线与计算机相连接。

上述热源体为采用3D打印技术打印而成的不规则形状热源体。

上述U型采液管为耐高温高压的金属管，上述气囊为耐高温高压的橡胶管。

上述印模为3D印模，上述推杆还包括与上述印模大小相匹配的推板，且上述印模通过连接螺栓安装在上述推板上。

采用本发明的技术方案后，通过液压系统带动印模的上下运动预制岩石，预制的岩石可制成由多种成分构成的多层岩石，更接近实际情况中的地下岩层分布状况，可对复杂的地质状况的岩层结构进行更准确的模拟，提高了地热资源抽采模拟实验装置的使用范围和实验结果的准确性；同时采用可产生不均匀的侧向压力的气囊来模拟地底岩层所受的压力，更接近地下岩层中的受力状况，进一步的提高了实验结果的准确性。红外成像仪无需与预制的岩石相接触，通过观测窗口可直接得到岩石表面的温度分布状况，简化了实验装置的结构，同时更准确、更高效的表达出了热液抽采对地层温度分布的影响。

进一步地，本发明还采用了3D打印的热源体和红外成像仪，3D打印的热源体使得预制的岩石的热源转变为不规则形状，更符合实际地况中的热源形式，通过在加热槽上设置的温度传感器可实时的对热源系统进行监控，保证了热源的准确可靠。

附图说明

图1为本发明的地热资源抽采模拟实验装置的结构示意图；

图2为现有技术的地热资源抽采模拟实验装置的结构示意图。

图中：

液压缸-11 活塞杆-111

推杆-12 推板-121

印模-13 地层模拟腔-2

开口-21 通孔-22

槽孔-23 观测窗口-24

U型采液管-31 进液口-311

第一高温泵-32 高温管-33

第二高温泵-41 加热槽42

加热棒-421 进液孔-422

回液孔-423 热传导棒-43

热源体-44 气压泵-51

高压管-52 分支管-521

节流阀-522 导气接口-53

气囊-54 红外成像仪-61

温度传感器-62 计算机-63

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示的一种地热资源抽采模拟实验装置，包括地层模拟腔2、岩石压制装置、热液采汲装置、热源系统、温度监测装置和侧向压力装置。

上述地层模拟腔2为开口21设在上方的凹型腔室，且上述地层模拟腔2上设有观测窗口24、通孔22和槽孔23，上述观测窗口24采用透明材料制成；

上述岩石压制装置设在地层模拟腔2的上方，包括液压系统、推杆12和连接在推杆12下方的印模13，液压系统包括液压缸11和液压泵，液压缸11呈上下设置，且液压缸11的活塞杆111朝下设置，活塞杆111的自由端与推杆12固定连接，上述开口21可供上述印模13在地层模拟腔2内上下移动；本实施中液压缸11缸体的进油口和排油口设在活塞杆111上方，当上述液压泵排油时，液压泵中的油通过进油口进入液压缸11后，在液压力作用下，活塞杆111向下运动的同时带动印模13下压；当上述液压泵吸油时，液压缸11内的油通过排油口排出缸体，缸体压力减小，活塞杆111向上运动的同时带动印模13向上运动。通过上述岩石压制装置，可在地层模拟腔2中压制成与实际地质岩层结构更加相似的岩石结构；当需要研究复杂的地质状况的岩层的地热资源抽采对地层温度分布影响时，可通过上述岩石压制装置压制出相似的岩层结构，从而提高地热资源抽采模拟实验装置的实验结果的准确性。

上述热液采汲装置包括U型采液管和第一高温泵32，岩石在地层模拟腔2中经印模13压制后，挖开上述岩石，铺设U型采液管31，U型采液管31一端采用高温管33与第一高温泵32连接，U型采液管31另一端作为进液口311，当液体从进液口311进入后，受到地热的影响，温度上升，并通过第一高温泵32抽出，以此来模拟实际地热抽采；

上述热源系统包括第二高温泵41、热源体44和内部设有电加热棒421的加热槽42，上述热源体44紧贴安装在上述地层模拟腔2的底面上，且上述热源体44上开设有凹槽，上述凹槽与上述槽孔23对位设置，上述加热槽42上设有供第二高温泵41中的液体流入的进液孔422和使液体回流至第二高温泵41的回液孔423，上述加热槽42上还设有热传导棒43，上述热传导棒43的第一端伸入加热槽42内，第二端伸入上述槽孔23中，并嵌入上述凹槽内；

上述侧向压力装置包括气压泵51、高压管52、导气接口53和气囊54，上述高压管52的第一端连接在上述气压泵51的出气端上，上述高压管52的第二端与上述导气接口53的第一端相连接，上述导气接口53的第二端穿过上述通孔22，上述气囊54紧裹在上述导气接口53的第二端，并紧贴在上述地层模拟腔2内壁；通过使用导气接口53来连接气囊54和高压管52，避免了气囊54充气时因气压过大而脱离高压管52，增强了气囊54的气密性，保证了气囊54获得充足的气压。当气囊54在未充气状态时，紧贴在地层模拟腔2内壁，避免了压制岩石时，气囊54受到岩石粉料的挤压和撕扯而松脱，甚至破裂。当气囊54充气时，对岩石产生多向的交变应力，更接近的模拟出实际地质岩层结构的受力状况。

上述温度监测装置包括红外成像仪61，红外成像仪61对应于观测窗口24设置，红外成像仪61透过观测窗口24对地层模拟腔2内的岩石的温度分布进行观测，红外成像仪61通过数据线与计算机63相连接，红外成像仪61无需与预制的岩石相接触，简化了实验装置的结构，同时更准确、更高效的表达出了热液抽采对地层温度分布的影响。

优选的，上述高压管52上设有若干个分支管521，相应地，导气接口53有多个，每个分支管521上均设有带气压表的节流阀522，用于控制各个分支管521的气压，每个分支管521的出气口连接在相应的导气接口53的第一端，气囊54分别一一对应的紧裹在各上述导气接口53的第二端，各个分支管521可分布在地层模拟腔2的外侧的不同位置，实验过程中可通过调节气囊54的充气量来改变气囊54对岩石的压力，岩石受到了多向的交变压力，更准确的模拟了实际地层中岩层的受力状况，提高了实验的准确性。

优选的，上述温度监测装置还包括温度传感器62，温度传感器62设在加热槽42内，并通过数据线与计算机63相连接。通过在加热槽42上设置的温度传感器62可实时的对热源系统进行监控，保证了热源系统对岩石提供的热源的准确可靠。

优选的，上述热源体44为3D打印而成，热源体44紧裹在上述热传导棒43伸入地层模拟腔2的第二端上，采用3D打印技术，可根据实际的地质情况打印出的符合实质地貌地况的热源体44，更准确的模拟出地热的分布状况，增强模拟实验的准确性。

优选的，上述U型采液管31为耐高温高压的金属管，气囊54为耐高温高压的橡胶管，提高这些部件的寿命，减少更换频率。

优选的，上述推杆12还包括与上述印模13大小相匹配的推板121，上述印模13为3D打印而成，且印模13通过连接螺栓安装在上述推板121上，使得印模13压制时更加平稳，压制成的岩石更加符合实质。

一种地热资源抽采模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：

印模13与岩石粉料的选择：根据待实验的地质岩层结构选择印模13与相应的岩石粉料，再将印模13安装在推板121上。

压制岩石，根据欲模拟的实际地质岩层分布状况，从下往上逐层铺设，具体步骤如下：

(1)在地层模拟腔2中铺设适量与欲模拟的地质岩层成分相同的岩石粉料；

(2)启动液压系统，使得液压缸11吸油，控制液压缸11的活塞杆111推动推杆12，使印模13向下压制岩石粉料，液压缸11排油，活塞杆111向带动印模13向上运动，液压缸11再吸油，活塞杆111带动印模13下压粉料，如此循环直至粉料压实成岩块，制成一层岩层；

(3)根据欲模拟的实际地质岩层分布状况重复上述步骤压制成所需的多层岩层。

铺设U型采液管31，在上述压制好的岩石中挖出可供U型采液管31铺设的通道，并铺设U型采液管31，并将U型采液管31的一端与第一高温泵32连接。

加热：打开热源系统，通过处在加热槽42中的温度传感器62控制热源体44的温度对地层模拟腔2内的岩石进行加热，通过红外成像仪61读取岩石的温度分布情况图。

采液：岩石的温度平稳后，在U型采液管31的进液口持续通入液体，上述液体从第一高温泵32中抽出。

记录数据与实验分析：通过与红外成像仪61相连接的计算机63记录采液前后岩石温度分布变化，分析出热液抽采对地层温度分布的影响。

上述实施例和图式并非限定本发明专利的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明专利的专利范畴。

Claims (6)

1.一种地热资源抽采模拟实验装置，其特征在于：包括地层模拟腔、岩石压制装置、热液采汲装置、热源系统、温度监测装置和侧向压力装置；

上述地层模拟腔为开口设在上方的凹型腔室，且上述地层模拟腔上设有透明的观测窗口、通孔和槽孔；上述地层模拟腔内容纳有经岩石压制装置压制而成的岩石层；

上述岩石压制装置设在地层模拟腔的上方，包括液压系统、推杆和连接在推杆下方的印模，上述液压系统包括液压缸，上述液压缸呈上下设置，且上述液压缸的活塞缸朝下，活塞杆的自由端与上述推杆固定连接；

上述热液采汲装置包括U型采液管和第一高温泵，上述U型采液管铺设于上述岩石层内，上述U型采液管的一端连接第一高温泵，上述U型采液管的另一端作为进液口；

上述热源系统包括第二高温泵、热源体和内部设有电加热棒的加热槽，上述热源体紧贴安装在上述地层模拟腔内壁上，且上述热源体上开设有凹槽，上述凹槽与上述槽孔对位设置，上述加热槽上设有供第二高温泵中的液体流入的进液孔和使液体回流至第二高温泵的回液孔，上述加热槽上还设有热传导棒，上述热传导棒的第一端伸入加热槽内，第二端伸入上述槽孔中，并嵌入上述凹槽内；

上述侧向压力装置包括气压泵、高压管、导气接口和气囊，上述高压管的第一端连接在上述气压泵的出气端上，上述高压管的第二端与上述导气接口的第一端相连接，上述导气接口的第二端穿过上述通孔，上述气囊紧裹在上述导气接口的第二端，并紧贴在上述地层模拟腔的内侧壁上；

上述温度监测装置包括用于观测上述地层模拟腔内的岩石的温度分布状况的红外成像仪，上述红外成像仪设置在上述地层模拟腔外并对应上述观测窗口设置，上述红外成像仪通过数据线与计算机相连接。

2.如权利要求1所述的一种地热资源抽采模拟实验装置，其特征在于：上述高压管上设有若干个分支管，相应地，导气接口有多个，每个分支管上均设有带气压表的节流阀，每个分支管的出气口连接在相应的导气接口的第一端，气囊分别一一对应的紧裹在各上述导气接口的第二端，各个分支管分布在地层模拟腔的外侧。

3.如权利要求1所述的一种地热资源抽采模拟实验装置，其特征在于：上述温度监测装置还包括温度传感器，上述温度传感器设在上述加热槽内，并通过数据线与计算机相连接。

4.如权利要求1所述的一种地热资源抽采模拟实验装置，其特征在于：上述热源体为采用3D打印技术打印而成的不规则形状热源体。

5.如权利要求1所述的一种地热资源抽采模拟实验装置，其特征在于：上述U型采液管为耐高温高压的金属管，上述气囊为耐高温高压的橡胶管。

6.如权利要求1所述的一种地热资源抽采模拟实验装置，其特征在于：上述印模为3D印模，上述推杆还包括与上述印模大小相匹配的推板，且上述印模通过连接螺栓安装在上述推板上。

Images