CN109064864A - 一种模拟地热尾水回灌路径的装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟地热尾水回灌装置及其使用方法，包括装有清水的注水罐和装有着色液的注水罐分别通过第一阀门、第二阀门连接三通导管的第一、第二接口，三通导管的第三接口连接缓冲室、水泵入口，第一质量流量计入口，注水钢管，注水钢管穿过加压器一侧底板，加压器另一侧穿过取水钢管，取水钢管通过导管连接第二质量流量计、取水泵入，取水泵出口通过导管连接带有第四阀门的排水管相接，排水管伸入烧杯内部；加压器放置在模拟室内部，加压器的下方铺设透明石英珠层；透明石英珠层内铺设多个刚性透明网；使用时，观测着色液在模拟室内的运移情况，模拟地热尾水的回灌路径；本发明具有在小尺度范围内模拟地热尾水运移过程，间接预测地热尾水的回灌路径的优点。
Description
技术领域
本发明涉及地热勘探开发技术领域，特别涉及一种模拟地热尾水回灌路径的装置及其使用方法。
背景技术
地热资源是一种储量大、效率高、稳定性好的清洁可再生能源，对于节能减排、应对全球变暖、治理雾霾具有重大意义。然而，随着地热资源的不断开发，局部地区已出现地下水位明显下降的趋势，严重影响了当地水资源的供应保证，制约了水热资源的进一步开采。为了促进地热资源的可循环使用，部分省市已开展地热尾水回灌工作，并已在恢复地下水位方面起到了积极、显著的效果。
然而，由于地下沉积构造环境复杂，尾水注入后在地下的运移路径难以直接观测与预测，严重制约了地热回灌井前期设计的合理性与准确性。目前主要存在地热尾水示踪、数值模拟等几种手段对尾水回灌进行预测。地热尾水示踪手段主要是通过向回灌井注入一定量的示踪剂，并通过在一定周期内对周围地热井进行取样检测，以达到回灌预测的目的。但是，尾水示踪手段需建立在已钻回灌井的基础上，严格意义上仅属于后期评价；同时尾水示踪周期通常多达数月甚至数年，不能及时有效地为下一步回灌井设计提供数据支撑。利用数值模拟手段也可对地下流体运移路径进行预测，但数值模拟参数设置受人为影响较大，且实际流体运移特征与力学理论也存在显著差异，因此预测结果与实际情况往往差距较大。
由于地下地质条件复杂，尚未形成合适的实验室装置以对实际地质背景、地下水分布与地热特征进行有效模拟，更不用说对地热尾水回灌路径的合理预测。尽管少数学者已提出实验模拟装置的初步设想，但尚未形成实际的模拟系统，也未详细描述具体的装置组合。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模拟地热尾水回灌路径的装置，能够通过观测并记录着色液在模拟室内的运移情况，以达到模拟地热尾水回灌路径的目的。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种模拟地热尾水回灌装置，包括装有清水的注水罐1和装有着色液的注水罐5，装有清水的注水罐1和装有着色液的注水罐5分别通过第一阀门3、第二阀门7连接三通导管8的第一、第二接口，三通导管8的第三接口连接缓冲室9进水端，缓冲室9出水端通过带有第三阀门11的导管连接注水泵13入口，注水泵13出口通过导管连接第一质量流量计15入口，质量流量计15的出口通过导管连接注水钢管18，注水钢管18穿过加压器34一侧底板，加压器34另一侧穿过取水钢管23；注水钢管18和取水钢管23分别对称设置在加压器 34的左右两侧，注水钢管18和取水钢管23伸入到模拟室24内部铺设透明石英珠层20内；取水钢管23通过导管连接第二质量流量计 27的进口，第二质量流量计27出口通过导管连接取水泵29入口，取水泵29出口通过导管连接带有第四阀门31的排水管32相接，排水管32伸入烧杯33内部；加压器34放置在模拟室24内部，加压器 34的下方铺设透明石英珠层20；透明石英珠层20内铺设多个刚性透明网21。
进一步的，所述的加压器34顶部外接测力计35。
进一步的，所述的模拟室24正面放置摄录装置36。
进一步的，所述的注水钢管18与取水钢管23的管底分别蒙上塑料滤网。
一种模拟地热尾水回灌装置的使用方法，其步骤为：
步骤一：获取实测数据，建立地质模型：
在运行模拟装置前，需搜集研究区地层岩性、岩层埋藏深度d及厚度t、岩石孔隙度φ及渗透率k、地下水位高度h、断裂展布特征、断裂产状等地质数据；同时，也需搜集计划模拟地区内主要地热钻井位置、钻探深度dw、钻孔直径φw、回灌流量Qwo、出水流量Qwi、温度tw及压力Pw等地热勘探参数，并据此构建地热地质模型；
步骤二：依据地质模型，在模拟室24内构建模拟装置模型：
根据步骤一采集的信息，选取模拟室24的尺寸，粒度较大、孔渗条件较好的地层可用大尺寸石英珠布设，而粒度较小、孔渗条件较差的地层则可用小尺寸石英珠布设，石英珠与刚性透明网21设置完毕后，在其上部缓慢放置加压器34，以暂时固定透明石英珠层20，并在加压器34上部安装测力计35；
步骤三：设置注水钢管18与取水钢管23
根据实际回灌井与取热井的相对位置、深度dw与钻孔直径φw，取长度与直径的注水钢管18与取水钢管23并插入透明石英珠层20；
步骤四，装配着色液；
装有清水的注水罐1和装有着色液的注水罐5分别装有清水和着色液；
步骤五：组装实验仪器：
注水泵13流向应与第一质量流量计15一致，取水泵29流向应与第二质量流量计27一致；导管、注水钢管18之间以及导管、取水钢管之间应分别利用固定阀做固定连接处理并密封；在模拟室24正面平行放置摄录装置36；
步骤六：利用加压器34施加垂向压力，模拟地层压力：
依据实际地层压力P地，利用加压器34按比例向模拟室24内施加垂向稳定压力，所施加压力大小可通过测力计35测量；
步骤七，启动注水泵13与取水泵29，试运行模拟装置：
打开第一阀门3、第三阀门11与第四阀门31，将加热后的清水通过测第一温计2测温并达到预计温度后，注入后续仪器，启动注水泵13和取水泵29，并将泵内动力调至低值，观察注入清水是否在模拟地层20内流动顺畅、压力计35示数是否稳定正常，在模拟装置稳定运行后，逐渐调增注水泵13和取水泵29动力，直至第一质量流量计15与第二质量流量计27内的流量数据与按比例调整后的实际注水、取水流量一致，；
步骤八：注入着色液，观测着色液在模拟室24内的运移情况，并记录：
待模拟室24内水位与按比例换算后的实际水位接近一致后，关闭第一阀门3，启动摄录装置36，三通导管8的第三接口、缓冲室9 进水端、注水泵13和第一流量计15内残余清水基本排尽后，取水泵 29内运行动力，观测着色液在模拟室24内的运移情况，模拟地热尾水的回灌路径。
所述的装有清水的注水罐1和装有着色液的注水罐5分别外接第一测温计2和第二测温计6，所述的第一测温计2和第二测温计 6的量程均为0-100℃，测量精度为1℃；所述的第一质量流量计15 与第二质量流量计27的流量测试范围为0-1000ml/min，耐压1.0MPa；注水泵13和取水泵29提供0-1.0MPa范围内的注水/取水动力，调节精度为0.01MPa；透明石英珠层20中明石英珠的直径由下至上分别为1mm、2mm、5mm、10mm和20mm，耐压强度为1.0MPa。
本发明的有益效果是：
(1)能够提供一种实验室模拟地热尾水回灌路径的装置，为回灌井的设计与施工提供可靠的实验室数据。
(2)能够利用实验模拟手段，分析不同沉积岩性组合、不同孔渗条件、不同断裂展布情况等对地热尾水回灌的影响。
(3)能够通过调节注水泵和取水泵动力的大小，研究不同回灌和取热速率对地热尾水回灌路径的影响。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合参考附图和实施例详细说明本发明实施方式。
参照图1，一种模拟地热尾水回灌装置，包括装有清水的注水罐 1和装有着色液的注水罐5，装有清水的注水罐1和装有着色液的注水罐5分别通过第一阀门3、第二阀门7连接三通导管8的第一、第二接口，三通导管8的第三接口连接缓冲室9进水端，缓冲室9出水端通过带有第三阀门11的导管连接注水泵13入口，注水泵13出口通过导管连接第一质量流量计15入口，质量流量计15的出口通过导管连接注水钢管18，注水钢管18穿过加压器34一侧底板，加压器 34另一侧穿过取水钢管23；注水钢管18和取水钢管23分别对称设置在加压器34的左右两侧，注水钢管18和取水钢管23伸入到模拟室24内部铺设透明石英珠层20内；取水钢管23通过导管连接第二质量流量计27的进口，第二质量流量计27出口通过导管连接取水泵 29入口，取水泵29出口通过导管连接带有第四阀门31的排水管32 相接，排水管32伸入烧杯33内部；加压器34放置在模拟室24内部，加压器34的下方铺设透明石英珠层20；透明石英珠层20内铺设多个刚性透明网21；模拟室24正面放置摄录装置36。
步骤一，获取实测数据，建立地质模型。
实际地质数据是模拟地热尾水回灌路径的基础。在运行模拟装置前，需搜集研究区地层岩性、岩层埋藏深度d及厚度t、岩石孔隙度φ及渗透率k、地下水位高度h、断裂展布特征、断裂产状等地质数据；同时，也需搜集计划模拟地区内主要地热钻井位置、钻探深度dw、钻孔直径φw、回灌流量Qwo、出水流量Qwi、温度tw及压力Pw等地热勘探参数，并据此构建地热地质模型。
步骤二，依据地质模型，在模拟室24内构建模拟装置模型。
基于研究区范围，选取适当尺寸的模拟室24，并据此确定装置模型与地质模型间的比例尺。根据所确定的比例尺，以及实际地层的展布情况，在模拟室24底部铺设模拟地层。不同模拟地层可用不同尺寸的石英珠进行模拟：粒度较大、孔渗条件较好的地层可用大尺寸石英珠布设，而粒度较小、孔渗条件较差的地层则可用小尺寸石英珠布设。另外，若研究区内存在大型断裂，则应根据实际断裂长度，按比例选取合适尺寸的刚性透明网21，并据实际断裂产状将其缓慢置于模拟地层中的对应位置，以模拟断裂的高渗透性特征。模拟地层(石英珠)与模拟断层(刚性透明网21)设置完毕后，在其上部缓慢放置加压器34，以暂时固定模拟地层20，并在加压器34上部安装测力计35，以备后续加压与计量。
步骤三，设置注水钢管18与取水钢管23，模拟实际回灌井与取热井。
根据实际回灌井与取热井的相对位置、深度dw与钻孔直径φw，按比例选取合适长度与直径的注水钢管18与取水钢管23并插入透明石英珠层20，以模拟实际地热回灌井和取热井。若实际地热勘探中暂未设置回灌井，则应根据设计需求，在计划钻探位置模拟布设合适尺寸的回灌钢管18。利用固定螺栓19和22将注水钢管18和取水钢管23固定于加压装置34上，以防止模拟钢管在注水过程中移位或倾斜。
步骤四:装配着色剂。
根据实际需求，选用合适的着色剂种类。着色剂应具水溶性，以避免与水不相容对模拟结果的干扰。利用足量加热的清水与着色剂按比例配置合适的着色液，最终溶液浓度应以在模拟室24内可清晰观测为佳。配制好的着色液静置至预期温度后，将其灌入注水罐5。着色液温度可通过测温计6测量。装有清水的注水罐1和装有着色液的注水罐5分别装有清水和着色液；
步骤五：组装实验仪器：
注水泵13流向应与第一质量流量计15一致，取水泵29流向应与第二质量流量计27一致；导管、注水钢管18之间以及导管、取水钢管之间应分别利用固定阀做固定连接处理并密封；在模拟室24正面平行放置摄录装置36；
步骤六：利用加压器34施加垂向压力，模拟地层压力：
依据实际地层压力P地，利用加压器34按比例向模拟室24内施加垂向稳定压力，所施加压力大小可通过测力计35测量；
步骤七，启动注水泵13与取水泵29，试运行模拟装置：
打开第一阀门3、第三阀门11与第四阀门31，将加热后的清水通过测第一温计2测温并达到预计温度后，注入后续仪器，启动注水泵13和取水泵29，并将泵内动力调至低值，观察注入清水是否在模拟地层20内流动顺畅、压力计35示数是否稳定正常，在模拟装置稳定运行后，逐渐调增注水泵13和取水泵29动力，直至第一质量流量计15与第二质量流量计27内的流量数据与按比例调整后的实际注水、取水流量一致，；
步骤八：注入着色液，观测着色液在模拟室24内的运移情况，并记录：
待模拟室24内水位与按比例换算后的实际水位接近一致后，关闭第一阀门3，启动摄录装置36，三通导管8的第三接口、缓冲室9 进水端、注水泵13和第一流量计15内残余清水基本排尽后，取水泵 29内运行动力，观测着色液在模拟室24内的运移情况，模拟地热尾水的回灌路径。
待模拟结束后，装有着色液的注水罐5停止注液，依次关闭第二阀门7和注水泵13。液体排尽后，停止取水泵29，关闭第三阀门11 和第四阀门31。将烧杯33内残液倒入专门容器进行后续处理，拆卸模拟装置各仪器，并利用清水或洗涤剂清洗各部件。收集整理透明石英珠、刚性透明网21仪器，以备下次使用。
Claims (6)
1.一种模拟地热尾水回灌装置，其特征在于，包括装有清水的注水罐(1)和装有着色液的注水罐(5)，装有清水的注水罐(1)和装有着色液的注水罐(5)分别通过第一阀门(3)、第二阀门(7)连接三通导管(8)的第一、第二接口，三通导管(8)的第三接口连接缓冲室(9)进水端，缓冲室(9)出水端通过带有第三阀门(11)的导管连接注水泵(13)入口，注水泵(13)出口通过导管连接第一质量流量计(15)入口，质量流量计(15)的出口通过导管连接注水钢管(18)，注水钢管(18)穿过加压器(34)一侧底板，加压器(34)另一侧穿过取水钢管(23)；注水钢管(18)和取水钢管(23)分别对称设置在加压器34的左右两侧，注水钢管(18)和取水钢管(23)伸入到模拟室(24)内部铺设透明石英珠层(20)内；取水钢管(23)通过导管连接第二质量流量计(27)的进口，第二质量流量计(27)出口通过导管连接取水泵(29)入口，取水泵(29)出口通过导管连接带有第四阀门(31)的排水管(32)相接，排水管(32)伸入烧杯(33)内部；加压器(34)放置在模拟室(24)内部，加压器(34)的下方铺设透明石英珠层(20)；透明石英珠层(20)内铺设多个刚性透明网(21)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟地热尾水回灌装置，其特征在于，所述的加压器(34)顶部外接测力计(35)。
3.根据权利要求1所述的一种模拟地热尾水回灌装置，其特征在于，所述的模拟室(24)正面放置摄录装置(36)。
4.根据权利要求1所述的一种模拟地热尾水回灌装置，其特征在于，所述的注水钢管(18)与取水钢管(23)的管底分别蒙上塑料滤网。
5.基于权利要求1所述的一种模拟地热尾水回灌装置的使用方法，其特征在于，其步骤为：
步骤一：获取实测数据，建立地质模型：
在运行模拟装置前，需搜集研究区地层岩性、岩层埋藏深度d及厚度t、岩石孔隙度φ及渗透率k、地下水位高度h、断裂展布特征、断裂产状等地质数据；同时，也需搜集计划模拟地区内主要地热钻井位置、钻探深度dw、钻孔直径φw、回灌流量Qwo、出水流量Qwi、温度tw及压力Pw等地热勘探参数，并据此构建地热地质模型；
步骤二：依据地质模型，在模拟室(24)内构建模拟装置模型：
根据步骤一采集的信息，选取模拟室(24)的尺寸，粒度较大、孔渗条件好的地层用大尺寸石英珠布设，而粒度较小、孔渗条件差的地层则用小尺寸石英珠布设，石英珠与刚性透明网(21)设置完毕后，在其上部缓慢放置加压器(34)，以暂时固定透明石英珠层(20)，并在加压器(34)上部安装测力计(35)；
步骤三：设置注水钢管(18)与取水钢管(23)：
根据实际回灌井与取热井的相对位置、深度dw与钻孔直径φw，取长度与直径的注水钢管(18)与取水钢管(23)并插入透明石英珠层(20)；
步骤四，装配着色液；
装有清水的注水罐(1)和装有着色液的注水罐(5)分别装有清水和着色液；
步骤五：组装实验仪器：
注水泵(13)流向应与第一质量流量计(15)一致，取水泵(29)流向应与第二质量流量计(27)一致；导管、注水钢管(18)之间以及导管、取水钢管之间应分别利用固定阀做固定连接处理并密封；在模拟室(24)正面平行放置摄录装置(36)；
步骤六：利用加压器(34)施加垂向压力，模拟地层压力：
依据实际地层压力P地，利用加压器(34)按比例向模拟室(24)内施加垂向稳定压力，所施加压力大小可通过测力计(35)测量；
步骤七，启动注水泵(13)与取水泵(29)，试运行模拟装置：
打开第一阀门(3)、第三阀门(11)与第四阀门(31)，将加热后的清水通过测第一温计(2)测温并达到预计温度后，注入后续仪器，启动注水泵(13)和取水泵(29)，并将泵内动力调至低值，观察注入清水是否在模拟地层(20)内流动顺畅、压力计(35)示数是否稳定正常，在模拟装置稳定运行后，逐渐调增注水泵(13)和取水泵(29)动力，直至第一质量流量计(15)与第二质量流量计(27)内的流量数据与按比例调整后的实际注水、取水流量一致，；
步骤八：注入着色液，观测着色液在模拟室(24)内的运移情况，并记录：
待模拟室(24)内水位与按比例换算后的实际水位接近一致后，关闭第一阀门(3)，启动摄录装置(36)，三通导管(8)的第三接口、缓冲室(9)、注水泵(13)和第一流量计(15)内残余清水基本排尽后，取水泵(29)内运行动力，观测着色液在模拟室(24)内的运移情况，模拟地热尾水的回灌路径。
6.根据权利要求5所述的一种模拟地热尾水回灌装置的使用方法，其特征在于，所述的装有清水的注水罐(1)和装有着色液的注水罐(5)分别外接第一测温计(2)和第二测温计(6)，所述的第一测温计(2)和第二测温计(6)的量程均为0-100℃，测量精度为1℃；所述的第一质量流量计(15)与第二质量流量计(27)的流量测试范围为0-1000ml/min，耐压1.0MPa；注水泵(13)和取水泵(29)提供0-1.0MPa范围内的注水/取水动力，调节精度为0.01MPa；透明石英珠层(20)中明石英珠的直径由下至上分别为1mm、2mm、5mm、10mm和20mm，耐压强度为1.0MPa。
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