CN110021220A - 一种积木式地热尾水回灌分析系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种积木式地热尾水回灌分析系统及使用方法，包括储液罐、注液泵、第一阀门、观测室、模型积木、第二阀门、抽液泵、废液筒和摄录设备，其中，储液罐内填充有有色剂，储液罐的出水口通过注液泵连接观测室的进水口，观测室的出水口通过抽液泵连接废液筒的入口；模型积木布置在观测室内；摄录设备布置在观测室的正对面；第一阀门设置在储液罐的出水口和注液泵的连接管道上；第二阀门设置在抽液泵和废液筒入口的连接管道上；本发明克服了目前无法在实验室条件下快捷、方便地分析地热尾水回灌的缺点，能够利用实验室手段，为地热尾水回灌提供可靠的实验数据。

Description

一种积木式地热尾水回灌分析系统及使用方法

技术领域

本发明涉及地热勘探开发技术领域，特别涉及一种积木式地热尾水回灌分析系统及使用方法。

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、治理雾霾等方面具有重大意义。然而，随着地热资源的不断开发，部分地区地下水位下降明显，严重影响了当地水资源的有效供应，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，严重制约了地热回灌井前期设计的准确性。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流体力学理论也存在显著差异，因此预测效果往往不及预期。

由于地下地质条件复杂，尚未形成合适的实验室系统以对实际地质背景、地下水分布与地热特征进行有效模拟。尽管少数学者已提出实验模拟系统的初步设想，但往往需要利用3D打印技术制造复杂的地质模型，在时间与成本上都不具备推广优势。因此，有必要形成一种方便使用的地热尾水回灌分析系统，以满足对地热尾水实验室模拟的实际需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种积木式地热尾水回灌分析系统及使用方法,解决了现有尚未形成合适的实验室系统以对实际地质背景、地下水分布与地热特征进行有效模拟。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种积木式地热尾水回灌分析系统，包括储液罐、注液泵、第一阀门、观测室、模型积木、第二阀门、抽液泵、废液筒和摄录设备，其中，储液罐内填充有有色剂，储液罐的出水口通过注液泵连接观测室的进水口，观测室的出水口通过抽液泵连接废液筒的入口；模型积木布置在观测室内；摄录设备布置在观测室的正对面；

第一阀门设置在储液罐的出水口和注液泵的连接管道上；第二阀门设置在抽液泵和废液筒入口的连接管道上。

优选地，注液泵和观测室之间设置有第一质量流量计；抽液泵和观测室之间设置有第而质量流量计。

优选地，抽液泵和废液筒之间通过排液管连接，其中，排液管伸入至废液筒的底部。

优选地，观测室内设置有网格支架，所述网格化支架上阵列式布置有若干个单元格，每个单元格上放置有一个模型积木。

优选地，模型积木为土壤类、砂岩类、泥岩类、碳酸盐岩类、岩浆岩类、断裂/裂缝类或空白类。

一种积木式地热尾水回灌分析系统的使用方法，基于一种积木式地热尾水回灌分析系统，包括以下步骤:

步骤1，构建研究区的地质模型；

步骤2，根据步骤1得到的该研究区的地质模型，并结合观测室与模型积木的尺寸，构建网格化模型支架，并将构建的网格化模型支架放入观测室内；

步骤3，将模型积木放置在步骤2中构建得到的网格化模型支架上，组装实验仪器；

步骤4，打开第一阀门和第二阀门，根据实际抽灌动力，分别调节注液泵的注液动力和抽液泵的抽液动力，启动注液泵和抽液泵，运行地热尾水回灌分析系统，同时，开启摄录设备，录制并随时观测有色剂在观测室内的运动情况，分析回灌尾水的运移路径。

优选地，步骤1中，构建研究区的地质模型的具体方法是：

首先，根据研究区域的地质数据，自上至下确定各个岩层的岩性，并依次绘制各岩层顶面和底面的深度等值线图，其中，地表岩层之上确定为空白层；

其次，依据岩层的等深图构建该研究区的三维地质模型。

优选地，步骤2中，构建网格化模型支架的具体方法是：

首先，将步骤1构建的地质模型等比例缩小，直至与观测室的尺寸相等，得到缩放后的地质模型；

其次，将缩放后的地质模型投影至网格支架上，该网格支架的尺寸与观测室的尺寸相等，且该网格支架内阵列式布置有若干个网格单元；

最后，根据缩放后的地质模型与网格支架的重叠情况，对网格支架的网格单元进行标记，具体地：

当缩放后的地质模型上的某单元格内出现断裂，则将网格支架对应的单元格标注为断裂单元F；否则，不对该单元格进行标注处理；

当缩放后的地质模型上的某单元格内仅存在一套地层l₁，且该地层在该单元格内的覆盖面积超过该单元格面积的1/2，同时，该单元格未被标注为断裂单元F，则将网格支架对应的单元格标注为地层单元l₁；否则，不对该单元格进行标注处理；

当缩放后的地质模型上的某单元格内自上而下存在多套地层l₁、l₂、l₃….l_n时，若该单元格内第l_i套地层的覆盖面积超过该单元格面积的1/2，且该单元格未被标注，则将网格支架对应的单元格标注为地层单元l_i；否则，不对该单元格进行标注处理；

若网格支架上的某单元格仍有未被标注为任何类型的岩层时，则将该单元格标注为空白单元B。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种积木式地热尾水回灌分析系统，首先在观测室内放置代表各个岩层岩性的模型积木，再根据地热尾水的实际抽灌动力，控制注液泵的注液动力和抽液泵的抽液动力，进行地热尾水回灌的分析实验，利用摄录设备记录有色剂的运移路径，进而得到地热尾水回灌的实验数据；本发明克服了目前无法在实验室条件下快捷、方便地分析地热尾水回灌的缺点，能够利用实验室手段，为地热尾水回灌提供可靠的实验数据。

本发明提供的一种积木式地热尾水回灌分析系统的使用方法，首先根据研究区的地质数据搭建网格化地质模型，避免反复制造3D模型造成的实验浪费，同时，本发明创新性地将断裂/裂缝作为一类高渗型离散单元而非线型间断，降低了构建网格化模型的难度，且更符合实际地质情况；其次在观测室内放置代表各个岩层岩性的模型积木，再根据地热尾水的实际抽灌动力，控制注液泵的注液动力和抽液泵的抽液动力，进行地热尾水回灌的分析实验，利用摄录设备记录有色剂的运移路径，进而得到地热尾水回灌的实验数据；本发明利用相对简易的系统，可方便、快捷地积木式分析地热尾水回灌路径，在地热储层回灌阶段的开发设计领域具有较好的推广意义。

附图说明

图1是本发明涉及的分析系统结构示意图；

图2是本发明涉及的分析系统的使用流程图；

图3是原始地质模型；

图4是缩放后的地质模型与网格支架叠合；

图5是网格支架搭建的模型积木。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

本发明主要是在获取实测数据基础上，构建地质模型，并依据地质模型，结合观测室与模型积木尺寸，构建网格化模型，依次向观测室内放入对应的模型积木。检测系统各部件是否完好无损后，组装实验仪器，根据实际抽灌动力，运行地热尾水回灌分析系统，同时启动摄录设备，观测并记录有色剂在观测室内的运行情况。最终进行实验后处理，拆卸系统各实验仪器，清洗管路与设备，分类回收所有模型积木。

如图1所示，本发明提供的一种积木式地热尾水回灌分析系统，包括装有有色剂的储液罐1、第一导管2、第一阀门3、第二导管4、注液泵5、第三导管6、第一质量流量计7、第一直角导管8、第一连接阀9、注液管10、观测室11、模型积木12、抽液管13、第二连接阀14、第二直角导管15、第二质量流量计16、第四导管17、抽液泵18、第三直角导管19、第二阀门20、排液管21、废液筒22和摄录设备23，其中，储液罐1依次通过第一导管2、第一阀门3和第二导管4与注液泵5相接，注液泵5通过第三导管6与第一质量流量计7相接，第一质量流量计7依次通过第一直角导管8、第一连接阀9和注液管10接入观测室11的入口；

观测室11的出口依次通过抽液管13、第二连接阀14和第二直角导管15与第二质量流量计16相接，第二质量流量计16通过第四导管17与抽液泵18相接，抽液泵18通过第三直角导管19和第二阀门20与排液管21相接，排液管21伸入废液筒22。观测室11正面放置摄录设备23。

所述的储液罐1内盛有有色剂，有色剂以便于在观测室11内观测为佳。

所述的注液泵5和抽液泵18可提供0-1MPa范围内的注液/抽液动力，调节精度为0.01MPa。

所述的质量流量计7和质量流量计16的流量测试范围为0-1000ml/min，耐压1.0MPa。

所述的观测室11尺寸推荐以20cm×50cm×100cm为宜，观测室11内设置有20cm×5cm×5cm的网格支架，所述网格支架的每个单元格内放置有一个模型积木12。

所述的模型积木12尺寸以20cm×5cm×5cm为宜，可分类设置为不同的孔隙度和渗透率，透明易观测。

模型积木12为土壤类、砂岩类、泥岩类、碳酸盐岩类、岩浆岩类、断裂/裂缝类或空白类，分别代表地表土壤层、砂岩层、泥岩层、碳酸盐岩层、岩浆岩层、断裂带和空气层。其中，土壤类、砂岩类、泥岩类、碳酸盐岩类、岩浆岩类和断裂类的模型积木的参数设置参考实际岩层的物理性质；空气层设置为不含任何内容物的空腔格架。

所述的排液管21应伸入废液筒22底部，防止废液溅出污染。

所述的摄录设备23应放置于观测室11正面，即50cm×100cm面，以刚好可覆盖整个观测室11为佳。该设备可录制时长不低于12h，录制视频时间分辨率不低于0.1s。

系统中所述的所有阀门、导管和设备应保证密封性良好，在1MPa压力下不发生显著变形。

如图2所示，本发明的积木式地热尾水回灌分析系统的操作步骤为：

步骤1，获取研究区地质数据和水文地热勘探参数的实测数据，用以构建该研究区的地质模型；

其中，地质数据包括地层岩性、岩层埋藏顶深d_top和底深d_bot、岩石孔隙度φ及渗透率k、断裂展布特征及产状；水文地热勘探参数包括地热钻井位置、回灌流量Q_wo和出水流量Q_wi等；

用以构建该研究区的地质模型的具体方法是：

基于研究区钻井、测井、地震等地质勘探资料，自上而下确定各主要岩层的岩性，并依次绘制各岩层的顶面和底面的深度等值线图，其中，地表岩层之上确定为空白层；最后，根据实验系统尺寸将实际地质情况按比例缩小，依据岩层等深图构建该研究区的三维地质模型。

步骤2，依据地质模型，并结合观测室11与模型积木12尺寸，构建网格化模型。

如图3至图5所示，基于构建的地质模型，按一定比例将其缩放为观测室11尺寸，即50cm×100cm，并保证纵横缩放比例一致。将缩放后的地质模型投影至面积50cm×100cm、单元格数10×20的网格支架上，根据地质模型与该网格支架的重叠情况，依次按照如下原则对缩放后的地质模型进行网格化处理：

当缩放后的地质模型上的某单元格内出现断裂，则将网格支架对应的单元格标注为断裂单元F；否则，不对该单元格进行标注处理；

当缩放后的地质模型上的某单元格内仅存在一套地层l₁，且该地层在该单元格内的覆盖面积超过该单元格面积的1/2，同时，该单元格未被标注为断裂单元F，则将网格支架对应的单元格标注为地层单元l₁；否则，不对该单元格进行标注处理；

当缩放后的地质模型上的某单元格内自上而下存在多套地层l₁、l₂、l₃….l_n时，若该单元格内第l_i套地层的覆盖面积超过该单元格面积的1/2，且该单元格未被标注，则将网格支架对应的单元格标注为地层单元l_i；否则，不对该单元格进行标注处理；

若网格支架上的某单元格仍有未被标注为任何类型的岩层时，则将该单元格标注为空白单元B。

步骤3，根据缩放后的地质模型构建模型积木12；

根据常见的地层岩性，可构建土壤类、砂岩类、泥岩类、碳酸盐岩类、岩浆岩类、断裂/裂缝类或空白类模型积木，分别代表地表土壤层、砂岩层、泥岩层、碳酸盐岩层、岩浆岩层、断裂带和空气层。其中，土壤类、砂岩类、泥岩类、碳酸盐岩类、岩浆岩、断裂带类模型积木的孔隙度和渗透率可根据研究区对应岩层的实际参数均值设定；空气层则设定为空白类积木，即不含任何内容物的空腔格架。

步骤4，将步骤2所构建的网格支架放入至观测室11内，同时，向网格支架上的单元格内放入对应的模型积木12。

根据步骤2中构建的网格化模型，基于其中不同类型的模型单元，备齐各类模型积木，并自下而上、自左向右地向观测室11内放入200块模型积木，各模型积木应刚好卡在网络格架上。各类模型积木的物性参数应与实测岩性数据一致；在精度要求不高的情况下，也可按不同岩类的平均孔渗参数，对应制备可反复利用的模型积木。

步骤5，检测系统各部件是否完好无损，组装实验仪器，关闭所有阀门。

根据实验系统示意图，在确定各部件完好无损后，按顺序组装各实验仪器。储液罐1内预先注入用于观测的有色剂。观测室11顶面为20cm×100cm截面、正面为50cm×100cm截面、侧面为20cm×50cm截面，其中注液管10和抽液管13的连线应与观测室11长轴方向一致，注液管10和抽液管13在顶面的位置应与实际回灌井和抽水井的位置一致。系统中所有泵、质量流量计、阀门均调至关闭状态，废液筒22可保留少量残液以防废液溅出。

步骤6，根据实际抽灌动力，运行地热尾水回灌分析系统，同时启动摄录设备23，观测并记录有色剂在观测室11内的运行情况。

打开第一阀门3和第二阀门20，根据实际抽灌动力，分别调节注液泵5的注液动力和抽液泵18的抽液动力，启动注液泵5和抽液泵18，运行地热尾水回灌分析系统，并随时观测系统及接口部位是否发生漏液现象。同时，正面放置摄录设备23并开启摄录功能，录制并随时观测有色剂在观测室11内的运动情况，分析回灌尾水的运移路径。

步骤7，实验后处理，关闭系统中所有注液泵、抽液泵和质量流量计，拆卸系统各实验仪器，清洗管路与设备，分类回收所有模型积木。

待所有观测分析完毕且系统停止稳定后，关闭注液泵5和抽液泵16，关闭第一阀门3和第二阀门20，停止摄录设备23并导出视频数据，依次拆卸系统各仪器设备，自上而下、自右向左地取出模型积木，利用洗涤剂或清水清洗系统各仪器管路、观测室11和模型积木12，将废液筒22内残液倒入专门容器进行后续处理，储液罐1内有色剂可放入专门储液容器以备后续实验开展，模型积木12可分类整理以备下次实验使用。

本发明克服了目前无法在实验室条件下快捷、方便地分析地热尾水回灌的缺点，能够利用实验室手段，搭建网格化地质模型，避免反复制造3D模型造成的实验浪费，进而为地热尾水回灌提供可靠的实验数据。同时，本发明创新性地将断裂/裂缝作为一类高渗型离散单元而非线型间断，降低了构建网格化模型的难度，且更符合实际地质情况。本发明利用相对简易的系统，可方便、快捷地积木式分析地热尾水回灌路径，在地热储层回灌阶段的开发设计领域具有较好的推广意义。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明的实施范围，所以其等同组件的置换，或依本发明保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本发明涵盖的范畴。

Claims (8)

1.一种积木式地热尾水回灌分析系统，其特征在于，包括储液罐(1)、注液泵(5)、第一阀门(3)、观测室(11)、模型积木(12)、第二阀门(20)、抽液泵(18)、废液筒(22)和摄录设备(23)，其中，储液罐(1)内填充有有色剂，储液罐(1)的出水口通过注液泵(5)连接观测室(11)的进水口，观测室(11)的出水口通过抽液泵(18)连接废液筒(22)的入口；模型积木(12)布置在观测室(11)内；摄录设备(23)布置在观测室(11)的正对面；

第一阀门(3)设置在储液罐(1)的出水口和注液泵(5)的连接管道上；第二阀门(20)设置在抽液泵(18)和废液筒(22)入口的连接管道上。

2.根据权利要求1所述的一种积木式地热尾水回灌分析系统，其特征在于，注液泵(5)和观测室(11)之间设置有第一质量流量计(7)；抽液泵(18)和观测室(11)之间设置有第而质量流量计(16)。

3.根据权利要求1或2所述的一种积木式地热尾水回灌分析系统，其特征在于，抽液泵(18)和废液筒(22)之间通过排液管(21)连接，其中，排液管(21)伸入至废液筒(22)的底部。

4.根据权利要求1或2所述的一种积木式地热尾水回灌分析系统，其特征在于，观测室(11)内设置有网格支架，所述网格化支架上阵列式布置有若干个单元格，每个单元格上放置有一个模型积木(12)。

5.根据权利要求4所述的一种积木式地热尾水回灌分析系统，其特征在于，模型积木(12)为土壤类、砂岩类、泥岩类、碳酸盐岩类、岩浆岩类、断裂/裂缝类或空白类。

6.一种积木式地热尾水回灌分析系统的使用方法，其特征在于，基于权利要求1-5中任一项所述的一种积木式地热尾水回灌分析系统，包括以下步骤:

步骤1，构建研究区的地质模型；

步骤2，根据步骤1得到的该研究区的地质模型，并结合观测室(11)与模型积木(12)的尺寸，构建网格化模型支架，并将构建的网格化模型支架放入观测室内；

步骤3，将模型积木(12)放置在步骤2中构建得到的网格化模型支架上，组装实验仪器；

步骤4，打开第一阀门(3)和第二阀门(20)，根据实际抽灌动力，分别调节注液泵(5)的注液动力和抽液泵(18)的抽液动力，启动注液泵(5)和抽液泵(18)，运行地热尾水回灌分析系统，同时，开启摄录设备(23)，录制并随时观测有色剂在观测室(11)内的运动情况，分析回灌尾水的运移路径。

7.根据权利要求6所述的一种积木式地热尾水回灌分析系统的使用方法，其特征在于，步骤1中，构建研究区的地质模型的具体方法是：

首先，根据研究区域的地质数据，自上至下确定各个岩层的岩性，并依次绘制各岩层顶面和底面的深度等值线图，其中，地表岩层之上确定为空白层；

其次，依据岩层的等深图构建该研究区的三维地质模型。

8.根据权利要求6所述的一种积木式地热尾水回灌分析系统的使用方法，其特征在于，步骤2中，构建网格化模型支架的具体方法是：

首先，将步骤1构建的地质模型等比例缩小，直至与观测室(11)的尺寸相等，得到缩放后的地质模型；

其次，将缩放后的地质模型投影至网格支架上，该网格支架的尺寸与观测室(11)的尺寸相等，且该网格支架内阵列式布置有若干个网格单元；

最后，根据缩放后的地质模型与网格支架的重叠情况，对网格支架的网格单元进行标记，具体地：

当缩放后的地质模型上的某单元格内出现断裂，则将网格支架对应的单元格标注为断裂单元F；否则，不对该单元格进行标注处理；

当缩放后的地质模型上的某单元格内仅存在一套地层l₁，且该地层在该单元格内的覆盖面积超过该单元格面积的1/2，同时，该单元格未被标注为断裂单元F，则将网格支架对应的单元格标注为地层单元l₁；否则，不对该单元格进行标注处理；

当缩放后的地质模型上的某单元格内自上而下存在多套地层l₁、l₂、l₃….l_n时，若该单元格内第l_i套地层的覆盖面积超过该单元格面积的1/2，且该单元格未被标注，则将网格支架对应的单元格标注为地层单元l_i；否则，不对该单元格进行标注处理；

若网格支架上的某单元格仍有未被标注为任何类型的岩层时，则将该单元格标注为空白单元B。