CN110794117A - 一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统及模拟方法，模拟系统，由数据采集系统、高压注入系统、岩心夹持器、围压系统、恒温箱以及温度传感器构成，其中，环形加热器，可以使试样均匀加热，减小误差；围压系统可以不受岩样形状，大小的控制，均匀的施压；温度探头横置于岩样裂隙中，可直接测出二氧化碳在裂隙内部传导过程中的温度变化趋势；高压注入系统由两个高压注入泵并联，可在长时间实验时交替注入二氧化碳，避免因更换泵故障导致实验中断。本发明实现了实验室内模拟地下深层干热岩的对流换热过程，得出与原位场地相匹配的实验数据，并分析得出不同裂隙粗糙程度对传热效率的影响，从而能够指导实际工程。
Description
技术领域
本发明涉及一种干热岩实验室模拟系统及模拟方法，尤其涉及超临界二氧化碳为热工质的深部地层干热岩对流换热实验室模拟系统及模拟方法。
背景技术
随着社会的发展所带来的能源短缺，以及传统化石燃料对环境的破坏，清洁能源逐渐为人们所重视。干热岩作为一种可再生的清洁能源，主要分为水热型和干热岩型。保守估计地壳中干热岩(3-10公里深处)所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。据麻省理工学院2006年报告的数据，只要开发3500-7500米深度2％的干热岩资源储量，能量就将达到美国2005年全年能源消耗总量的2600倍。中国地质调查局以同样的方法评价了我国陆区干热岩资源潜力，3-10公里深处干热岩资源总量相当于860万亿吨标准煤，按2％的可开采资源量计算，相当于我国2010年能源消耗总量的5300倍。因此，干热岩能源的开发具有必要性和可行性。
由于干热岩型地热资源的开发还在初级阶段，很多手段还不成熟。因此，在实验室内对深层干热岩存在不同裂隙条件下进行模拟十分必要。目前，干热岩实验室模拟系统多以水为换热工质，传热效率较低，且能够施加的围压较低，无法客观的表征地应力状态。并且，恒温箱能够稳定运行时的温度不足，不能真实的反应干热岩所在地层的地温，不符合实际工程实际情况。与此同时，目前的实验方法多为对使用巴西劈裂的方法，对压裂的试样进行试验，而这种压裂方法产生的裂隙形态是随机的，不具有任何规律性，因此，无法具体分析在不同粗糙度的干热岩裂隙对传热效率的影响。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统及模拟方法，实现了实验室内模拟地下深层干热岩的对流换热过程，得出与原位场地相匹配的实验数据，并分析得出不同裂隙粗糙程度对传热效率的影响，从而能够指导实际工程。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统，由数据采集系统1、高压注入系统2、岩心夹持器3、围压系统4、环形加热器5、恒温箱6以及温度传感器构成。
所述岩心夹持器3由两个半圆柱形筒体构成，两个半圆柱形筒体套于岩心试样8外侧，并通过螺丝固定夹紧岩心试样8，岩心夹持器3的外围包裹有环形加热器5；所述岩心夹持器3的一端连接所述高压注入系统2，岩心夹持器3的另一端放置废液收集装置，高压注入系统2的另一端连接于存有二氧化碳的钢瓶；
所述温度传感器由六枚温度探头7组成，其中，四枚温度探头7设置于岩心夹持器3筒体内壁侧面上，且均匀横置于岩心试样8裂隙之间，可直接测量出二氧化碳在裂隙内部传导过程中的温度变化趋势；另外两枚温度探头7分别放置于所述岩心夹持器3的两端(注入口和出口处)；所述温度传感器与岩心夹持器3一起设置于恒温箱6中；
所述围压系统4由围压电动泵和控制器组成，围压系统4一端接入岩心夹持器3的注水口，另外一端接入到蒸馏水储水器中；
所述数据采集系统1分别与温度传感器、围压系统4的控制器和高压注入系统2相连，用于采集并记录实验过程中的岩心试样8内部介质的温度变化数据。
进一步地，所述环形加热器5由一圈圈环形电热丝组成，用于加热岩心夹持器3内部的岩心试样，使试样均匀加热，减小误差。
进一步地，所述高压注入系统2由两个高压注入泵并联而成，可以在长时间实验时交替注入二氧化碳，避免因更换泵故障的原因导致的实验中断。
更进一步地，所述高压注入系统2内设有流量控制器，高压注入泵设置恒压注入模式和恒速注入模式两种模式，通过预先设定可以使高压注入系统以目标流速向岩心夹持器3中的岩样注入介质。
进一步地，所述两枚温度探头7纵向放置在岩心夹持器3中的圆柱形橡胶套内。
进一步地，所述围压系统4对岩心夹持器3提供围压，并由岩心夹持器3内橡胶套传递给岩样。其中，围压系统4可以不受岩心试样8形状，大小的控制，均匀的施压。
上述以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：
A、将岩心试样8的裂隙雕刻成具有不同粗糙度的结构面；
B、将加工好的干热岩试样放入岩心夹持器3；
C、将岩心夹持器3封闭后，通过围压系统4向岩心夹持器3中加压；
D、当围压达到实验要求后，通过环形加热器向干热岩样品加温；
E、当温度达到实验要求后，控制高压注入系统2以固定流速将超临界二氧化碳通过岩心夹持器3注入到岩样裂隙中；
F、整个操作过程中，所有传感器数据均通过数据采集系统进行收集；
G、待传感器中所有数据趋于稳定后，即表明模拟实验已经完成，即可对下一组不同粗糙度的岩样进行试验；
H、待所有岩样都实验完成后，通过数据分析得出实验岩样在不同粗糙度下的传热效率。
步骤A，所述岩心试样8的裂隙雕刻过程为：岩心试样8通过岩石切割机纵向对称切开，通过岩石雕刻机将结构面雕刻在干热岩样品裂隙表面。
步骤B，具体为：将四枚温度探头7均匀横置与岩心试样的裂隙中，用于测量实验过程中不同位置的二氧化碳温度，四枚温度探头7的另外一端连接数据采集系统1，用于监测及记录实时温度数据。
步骤C，所述岩心夹持器3封闭过程为：将已经雕刻完成的试验区岩心试样8及另两枚温度探头7纵向放入岩心夹持器3中已经安置好的橡胶套内，将岩心夹持器3封闭，固定在恒温箱6内；
步骤C，所述围压系统4向岩心夹持器3中加压过程为：所述围压系统4一端连接演戏夹持器的注水口，一端连接蒸馏水储水器，同时将围压控制器接入数据采集系统1，对控制器设定10MPa目标围压值后，通过围压系统4向岩心夹持器3的围压注水口注水，数据采集系统1持续采集数据。
步骤D，所述环形加热器向岩心试样8加温过程为：将环形加热器5与数据采集系统1相连，并设定环形加热器200℃的目标实验温度，同时将恒温箱6设定为相同温度，通过数据层采集系统1读取岩心内的四枚温度探头7数据，当四枚温度探头7读数均为200℃实验目标温度时，便可注入二氧化碳。
步骤G，具体步骤为：将高压注入系统2的一端连接岩心夹持器3的注入口，另外一端连接存储有二氧化碳的钢瓶，同时将其与数据采集系统相连接，根据实验目的设定二氧化碳注入速率为15毫升/分钟，持续读取岩心夹持器3出口处的温度探头7数据，当出口处的温度值相对恒定，表明干热岩换热进入持续稳定状态，本组实验可以完成，即可对下一组不同粗糙度的岩样进行试验。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本实验模拟系统中的环形加热器，其发热单元由环形电热丝组成，可以使试样均匀加热，减小误差；
2、岩样所受围压由岩心夹持器中的橡胶套传递给岩样，本实验模拟系统中采用围压系统可以不受岩样形状，大小的控制，均匀的施压；
3、本实验模拟系统中的温度控制系统的温度探头横置于岩样裂隙中，可直接测量出二氧化碳在裂隙内部传导过程中的温度变化趋势；
4、本实验模拟系统中的高压注入系统由两个高压注入泵并联而成，可以在长时间实验时交替注入二氧化碳，避免因更换泵故障的原因导致的实验中断。
附图说明
图1为本发明以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统的结构示意图；
图2为岩心夹持器剖面图。
图中，1.数据采集系统 2.高压注入系统 3.岩心夹持器 4.围压系统 5.环形加热器 6.恒温箱 7.温度传感器 8.岩心试样。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
本发明的模拟方法重点在于应对干热岩样品进行加工。根据岩体结构面粗糙度系数理论，可将结构面的粗糙程度进行量化，岩体结构面粗糙程度越高，则岩体结构面粗糙度系数越大，为了试验不同粗糙度下干热岩的传热效率，我们应将在试验现场所取得的深层干热岩样品进行3D雕刻，将其雕刻成为具有不同粗糙度的裂隙结构面，从而通过实验数据分析得出干热岩二氧化碳在经过不同粗糙度干热岩裂隙的过程中，传热效率的差异。
首先，应通过计算机画图或建模软件设计出三组左右的具有不同粗糙度系数的结构面，然后将准备好的岩心试样8通过岩石切割机纵向对称切开，通过岩石雕刻机将所设计的结构面雕刻在干热岩样品裂隙表面，从而使岩心试样8获得具有不同粗糙度的裂隙结构面。
将准备好的圆柱形橡胶套放入岩心夹持器3中。所述岩心夹持器3为一个圆柱状筒体，拆开时为左右两半，将其分开后套在×5cm的岩心试样外侧，将岩心夹持器3的两部分通过螺丝固定，便可夹住岩心。岩心夹持器3的外围是将其紧密包裹的环形加热器5，环形加热器5由一圈圈的电阻丝组成，从而为夹持器内部的岩心加热，使试样均匀加热，减小误差。
将四枚温度探头7设置于岩心夹持器3筒体内壁侧面上，且均匀横置与岩心试样8的裂隙中，用于测量实验过程中不同位置的二氧化碳温度，四枚温度探头7的另外一端连接数据采集系统1，用于监测及记录实时温度数据。
将已经雕刻完成的试验区岩心试样8及另两枚温度探头7纵向放入岩心夹持器3中已经安置好的橡胶套内，将岩心夹持器3封闭，固定在恒温箱6内。
所述围压系统4由围压电动泵和控制器组成，其一端连接岩心夹持器3的注水口，一端连接蒸馏水罐，同时将围压控制器接入数据采集系统1，对控制器设定10MPa目标围压值后，通过围压系统4向岩心夹持器3的围压注水口注水，数据采集系统1持续采集数据，当岩心夹持器3中围压达到设定值后，加压停止。所述围压系统4对岩心夹持器3提供围压，并由岩心夹持器3内橡胶套传递给岩心试样8。其中，围压系统4可以不受岩样形状，大小的控制，均匀的施压。
将环形加热器与数据采集系统1相连，并设定环形加热器200℃的目标实验温度，同时将恒温箱6设定为相同温度，通过数据层采集系1统读取岩心内的四枚温度探头7数据，当四枚温度探头7读数均为200℃实验目标温度时，便可注入二氧化碳。
将高压注入系统2的一端连接岩心夹持器3的注入口，另外一端连接存储有二氧化碳的钢瓶，同时将其与数据采集系统相连接，根据实验目的设定二氧化碳注入速率为15毫升/分钟，持续读取岩心夹持器3出口处的温度探头7数据，当出口处的温度值相对恒定，表明干热岩换热进入持续稳定状态，本组实验可以完成。由于岩心夹持器3紧密包裹住尺寸标准的岩心样品，所以介质通过岩心夹持器3筒体的一端高压注入后，介质只能通过预制的岩心裂隙内部通过，最后从另外岩心夹持器3的另一端流出，流出的介质回收到存储罐中。
所述高压注入系统2由两个高压注入泵并联而成，可以在长时间实验时交替注入二氧化碳，避免因更换泵故障的原因导致的实验中断。高压注入系统2预制有流量控制器，高压注入泵设置恒压注入模式和恒速注入模式两种模式，只需在实验开始前对其进行设定，便可以使高压注入系统以目标流速向岩心夹持器3中的岩样注入介质。
按照以上步骤，对岩心裂隙结构面粗糙度系数为10，15的两组试样进行试验，并准确记录过程及结果数据。
通过对比不同组实验出口温度所达到的稳定时间，以及达到稳定时的出口温度值，即可计算出具有不同裂隙结构面粗糙度岩心试样传热效率，由此分析得出不同裂隙结构面粗糙程度对于该实验场地干热岩传热效率的影响。介质在岩体内部裂隙的流动过程中，传热效率与裂隙结构面的粗糙程度关系密切，总体而言，呈正相关性，即岩体裂隙结构面越粗糙，传热效率越高。
Claims (10)
1.一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统，其特征在于：由数据采集系统(1)、高压注入系统(2)、岩心夹持器(3)、围压系统(4)、环形加热器(5)、恒温箱(6)以及温度传感器构成；
所述岩心夹持器(3)由两个半圆柱形筒体构成，两个半圆柱形筒体套于岩心试样(8)外侧，并通过螺丝固定夹紧岩心试样(8)，岩心夹持器(3)的外围包裹有环形加热器(5)；所述岩心夹持器(3)的一端连接所述高压注入系统(2)，岩心夹持器(3)的另一端放置废液收集装置，高压注入系统(2)的另一端连接于存有二氧化碳的钢瓶；
所述温度传感器由六枚温度探头(7)组成，其中，四枚温度探头(7)设置于岩心夹持器(3)筒体内壁侧面上，且均匀横置于岩心试样(8)裂隙之间，可直接测量出二氧化碳在裂隙内部传导过程中的温度变化趋势；另外两枚温度探头7分别放置于所述岩心夹持器(3)一端的注入口和另一端出口处；所述温度传感器与岩心夹持器(3)一起设置于恒温箱(6)中；
所述围压系统(4)由围压电动泵和控制器组成，围压系统(4)一端接入岩心夹持器(3)的注水口，另外一端接入到蒸馏水储水器中；
所述数据采集系统(1)分别与温度传感器、围压系统(4)的控制器和高压注入系统(2)相连，用于采集并记录实验过程中的岩心内部介质的温度变化数据。
2.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统，其特征在于：所述高压注入系统(2)由两个高压注入泵并联而成，能够在长时间实验时交替注入二氧化碳，所述高压注入系统(2)内设有流量控制器，高压注入泵设置恒压注入模式和恒速注入模式两种模式，通过预先设定可以使高压注入系统以目标流速向岩心夹持器(3)中的岩样注入介质。
3.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统，其特征在于：所述两枚温度探头(7)纵向放置在岩心夹持器(3)中的圆柱形橡胶套内。
4.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统，其特征在于：所述围压系统(4)对岩心夹持器(3)提供围压，并由岩心夹持器(3)内橡胶套传递给岩样。
5.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将岩心试样(8)的裂隙雕刻成具有不同粗糙度的结构面；
B、将加工好的岩心试样(8)放入岩心夹持器(3)；
C、将岩心夹持器(3)封闭后，通过围压系统(4)向岩心夹持器(3)中加压；
D、当围压达到实验要求后，通过环形加热器向干热岩样品加温；
E、当温度达到实验要求后，控制高压注入系统(2)以固定流速将超临界二氧化碳通过岩心夹持器(3)注入到岩心试样(8)裂隙中；
F、整个操作过程中，所有传感器数据均通过数据采集系统进行收集；
G、待传感器中所有数据趋于稳定后，即表明模拟实验已经完成，即可对下一组不同粗糙度的岩样进行试验；
H、待所有岩样都实验完成后，通过数据分析得出实验岩样在不同粗糙度下的传热效率。
6.根据权利要求5所述的一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统的模拟方法，其特征在于，步骤A，所述干热岩试样的裂隙雕刻过程为：岩心试样(8)通过岩石切割机纵向对称切开，通过岩石雕刻机将结构面雕刻在干热岩样品裂隙表面。
7.根据权利要求5所述的一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统的模拟方法，其特征在于，步骤B，具体为：将四枚温度探头(7)均匀横置与岩心试样的裂隙中，用于测量实验过程中不同位置的二氧化碳温度，四枚温度探头(7)的另外一端连接数据采集系统(1)，用于监测及记录实时温度数据。
8.根据权利要求5所述的一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统的模拟方法，其特征在于，步骤C，所述岩心夹持器(3)封闭过程为：将已经雕刻完成的岩心试样(8)及另两枚温度探头(7)纵向放入岩心夹持器(3)中已经安置好的橡胶套内，将岩心夹持器(3)封闭，固定在恒温箱(6)内；
步骤C，所述围压系统4向岩心夹持器3中加压过程为：所述围压系统(4)一端连接岩心夹持器(3)的注水口，一端连接蒸馏水罐，同时将围压控制器接入数据采集系统(1)，对控制器设定10MPa目标围压值后，通过围压系统(4)向岩心夹持器(3)的围压注水口注水，数据采集系统(1)持续采集数据。
9.根据权利要求5所述的一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统的模拟方法，其特征在于，步骤D，所述环形加热器向干热岩样品加温过程为：将环形加热器与数据采集系统(1)相连，并设定环形加热器200℃的目标实验温度，同时将恒温箱(6)设定为相同温度，通过数据层采集系统(1)读取岩心内的四枚温度探头(7)数据，当四枚温度探头(7)读数均为200℃实验目标温度时，便可注入二氧化碳。
10.根据权利要求5所述的一种以超临界二氧化碳为热工质的干热岩实验室模拟系统的模拟方法，其特征在于，步骤G，具体步骤为：将高压注入系统(2)的一端连接岩心夹持器3的注入口，另外一端连接存储有二氧化碳的钢瓶，同时将其与数据采集系统相连接，根据实验目的设定二氧化碳注入速率为15毫升/分钟，持续读取岩心夹持器(3)出口处的温度探头(7)数据，当出口处的温度值相对恒定，表明干热岩换热进入持续稳定状态，本组实验可以完成，即可对下一组不同粗糙度的岩样进行试验。
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