CN111579586A - 一种测量等效地热温度的系统及方法 - Google Patents

一种测量等效地热温度的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种测量等效地热温度的系统及方法，包括实验箱、顶部加热装置、底部加热装置、岩层柱模型、温度传感器、测温计和数据工作台，其中，所述实验箱内腔的顶部和底部分别设置有顶部加热装置和底部加热装置；岩层柱模型放置在所述实验箱的内腔中；岩层柱模型包括多层岩性导热板，多层岩性导热板沿竖直方向叠加布置，所述每层岩性导热板中设置有一个温度感应器；每个温度感应器连接有测温计；所述测温计、顶部加热装置和底部加热装置均与数据工作台连接；本发明利用相对简易的系统，可实现对等效地热温度相对精确的测量，在地热勘探开发领域具有较好的推广意义。

Description

一种测量等效地热温度的系统及方法
技术领域
本发明涉及地热勘探技术领域，特别涉及一种测量等效地热温度的系统及方法。
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。在勘探程度相对较低、不具备直接地热开发条件的地区，往往需要地质分析、实验测试等技术手段，预先对当地地热情况进行预测，以提升地热开采成功率，获取更优质、更可靠的地热资源。然而，由于实际开发过程中，地下热储往往难以直接观测，若通过直接实施新的地热开采钻井则需投入大量的勘探开发成本。因此，有必要建立一种方便、快捷、有助于进一步明确研究区地热资源情况的系统，以期可相对精确地评价当地地热资源情况。
目前，尚未形成可直接预测研究区地热资源情况的实验设备，普遍采用的是数值模拟手段。然而，在开展地热数值模拟工作的过程中，由于缺乏深部岩层的温度数据，限制了地热数值模拟成果的可靠度和准确度。深度越深、越接近地心、对应的温度则相应越高，因此理论上讲，从地心深度开始进行数值模拟是最接近实际情况的。但是，一方面数据获取难度太大，另一方面针对某一地区开展深度如此之大的数值模拟工作也没有实际意义。实际上，就某一研究区而言，往往在一定深度之下即为相对均质的岩浆岩，在这一深度层次上，横向温度已无明显差异，因此可通过确定对应深度的等效温度，并以在此基础上开展浅层的地热资源数值模拟。在要求不太严格的情况下，可将该深度确定为10000m左右。
目前，学者对深部等效地热温度的研究相对较少，更不用说对其进行实验室测量；若利用实验手段可获取相对精确的等效温度，则可为开展可靠的数值模拟工作提供必要的基础数据。因此，有必要形成一套可测量等效地热温度的实验系统，以填补在该领域的研究空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量等效地热温度的系统及方法，解决了现有的地热数值模拟成果的可靠度和准确度低的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种测量等效地热温度的系统，包括实验箱、顶部加热装置、底部加热装置、岩层柱模型、温度传感器、测温计和数据工作台，其中，所述实验箱内腔的顶部和底部分别设置有顶部加热装置和底部加热装置；岩层柱模型放置在所述实验箱的内腔中；岩层柱模型包括多层岩性导热板，多层岩性导热板沿竖直方向叠加布置，所述每层岩性导热板中设置有一个温度感应器；每个温度感应器连接有测温计；所述测温计、顶部加热装置和底部加热装置均与数据工作台连接。
优选地，所述实验箱的外壁上设置有标尺，所述每层岩性导热板的厚度与标尺的深度示数相对应。
优选地，所述顶部加热装置包括顶部加热器和顶部加热板，其中，顶部加热板固定在实验箱的顶部，所述顶部加热器和顶部加热板连接。
优选地，底部加热装置包括底部加热器和底部加热板，其中，底部加热板固定在实验箱的底部，所述底部加热器和底部加热板连接。
优选地，所述岩层柱模型中的岩性导热板的层数与研究区区域的岩层层数相对应；每层岩性导热板的厚度与导热系数与研究区区域中对应的岩层的厚度与导热系数相一致。
优选地，每层岩性导热板由多个岩性导热板本体叠加组成。
一种测量等效地热温度的方法，包括以下步骤：
步骤1，获取研究区区域的地热钻井及地热的数据信息；
步骤2，根据步骤1中的数据信息搭建岩层柱模型；
步骤3，将搭建的岩层柱模型放入至基于权利要求1-6中任一项所述的一种测量等效地热温度的系统中，开启顶部加热装置和底部加热装置直至预设温度；通过温度传感器、测温计和数据工作台采集温度数据；
步骤4，根据步骤3中得到的温度数据构建岩层柱模型的地温梯度曲线，并通过调整底部加热装置，直至得到的地温梯度曲线与研究区区域原始的地温梯度曲线一致，此时底部加热装置的加热温度值为等效地热温度。
优选地，步骤2中，根据步骤1中的数据信息搭建岩层柱模型，具体方法是：
将按照1：10000的体积比将研究区区域中各个岩层的埋藏深度和导热系数进行数据概化，得到岩层数字模型；将得到的岩层数字模型结合岩性导热板搭建岩层柱模型。
优选地，步骤4中，顶部加热装置的预设温度为当地地表温度；底部加热装置的预设温度为深部温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种测量等效地热温度的系统及方法，能够建立与真实地热情况匹配的简化岩层柱模型和实验模型，可为进一步开展地热模拟工作奠定实验基础；通过实验获取一定范围内的等效地热温度，为区域数值模拟提供必要的实验条件和基础数据；本发明利用相对简易的系统，可实现对等效地热温度相对精确的测量，在地热勘探开发领域具有较好的推广意义。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明的系统示意图。
图3是本发明的实测地温梯度曲线与实验埋深-温度值示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图2所示，本发明提供的一种测量等效地热温度的系统，包括实验箱1、保温材料2、标尺3、顶部加热器4、顶部加热板5、底部加热器6、底部加热板7、岩性导热板8、温度感应器9、测温计10、数据传输线11和数据工作台12，其中，所述实验箱1的内壁上铺设有保温材料2；所述实验箱1的外壁上设置有标尺3。
所述实验箱1的内腔顶部设置有顶部加热板5，所述顶部加热板5连接有顶部加热器4，通过顶部加热器4和顶部加热板5的配合，实现对顶部的加热。
所述实验箱1的内腔底部设置有底部加热板7，所述底部加热板7连接有底部加热器6，通过底部加热器6和底部加热板7的配合，实现对底部的加热。
所述实验箱1的内腔中设置有多层岩性导热板8，多层岩性导热板8沿实验箱1的竖向方向布置。
每层岩性导热板8中的厚度与标尺3的深度示数相对应。
每层岩性导热板8上设置有一个温度感应器9；每个温度感应器9连接有测温计10。
所述测温计10通过数据传输线11与数据工作台12连接。
所述数据工作台12用于采集各个温度感应器的温度数据，并与预设的地温梯度曲线进行对比。
多层岩性导热板8组成岩层柱模型。
每层岩性导热板8的导热系数与研究区区域中对应岩层的加权导热系数相一致。
所述的实验箱1为直立管状，尺寸以20cm(直径)×120cm(高)为宜，管壁应选用保温性能良好的材质，能承受0～300℃的温度变化和岩性导热片8产生的横向压力，且在实验过程中不发生显著变形。
所述的保温材料2应选用保温性能和封闭性能良好的材质，厚度以2.5cm为宜，且应紧密贴近实验箱1管壁。
所述的标尺3应数字清晰，总长度应在100cm以上，分刻度至少为5cm；标尺3上的100cm刻度位置应与底部加热板7顶面平齐，0cm刻度应与顶部加热板5底面平齐。
所述的顶部加热器4应在0-30℃温度范围内平稳调控，调整分刻度为1℃，其底面与顶部加热板5紧密贴合。
所述的顶部加热板5应选用导热性能良好的材质，其底面应与最上面的岩性导热板8紧密贴合。
所述的底部加热器6应在150-300℃温度范围内平稳调控，调整分刻度为1℃，其顶面应与底部加热板7紧密贴合。
所述的底部加热板7应选用导热性能良好的材质，其顶面应与最下面的岩性导热板8紧密贴合。
所述的岩性导热片8应预先制备，尺寸以15cm(直径)×5cm(高)为宜，其顶/底截面均应平整、光滑、彼此可紧密贴合，导热系数可分别设置为0.5/1.0/1.5/2.0/2.5/3.0/3.5/4.0/4.5/5.0/5.5/6.0/6.5/7.0W/(m·K)。
所述的测温计10测量范围应为-10～320℃，最小刻度为1℃。
所述的数据工作台12应具有输入实际埋深-温度值、自动采集实验箱1中各岩性导热片8的温度值、绘制并对比实际/实验地温梯度曲线等基本功能。
参照图1，本发明的一种测量等效地热温度系统的操作步骤为：
步骤1，搜集研究区区域构造与沉积资料，重点搜集地温梯度曲线等地热相关数据。
结合研究区构造与沉积地质情况，重点搜集地热钻井中与地热相关资料和数据，包括但不限于各岩层顶面和底面的埋深d、岩层厚度h、岩层平均导热系数kx、比热容cx、埋深-温度曲线中对应的各层温度T、地表温度T0等。其中，岩层平均导热系数kx和比热容cx应选取封闭性良好、具有代表性的样品进行测量。埋深-温度地温梯度曲线应选取由浅至深温度平稳递增的曲线，局部的温度变化可能与流体大量涌入有关，不具有区域代表性，因此应从选取的数据中删去。
步骤2，结合区域地热地质情况，构建岩层数字模型，并选取合适的岩性导热片8，搭建岩层柱模型。
基于搜集的区域地热数据，按1：10000尺寸比例将实际各地层埋藏深度d、导热系数kx数据概化为岩层数字模型；将得到的岩层数字模型结合岩性导热板(8)搭建岩层柱模型。
数字模型中，单层岩层的厚度宜为5cm的倍数，若单层岩层的厚度过薄，可通过以下两种方式之一进行处理：
第一种：将对应单层岩性导热片8进行厚度切分，但切分厚度宜为原厚度的整数分之一，如2.5cm、1.25cm等，且切分截面应打磨平整以便岩层柱模型竖直搭建；
第二种：将多个相邻薄层按等效导热系数kx’进行换算，进而将多个相邻薄层合并为一个岩层；之后利用具有等效导热系数kx’的岩性导热片8进行模型搭建。
等效导热系数kx’的计算公式为：
kx’＝∑(kxi·hi)/∑hi
式中，kxi为相邻薄层中第i层岩层的导热系数；hi为对应岩层的厚度。
在实测深度以深的位置，由于实测深度以深为岩浆岩，因此需要将模型中的浅层导热板的导热系数过渡至深层岩浆岩导热系数；即将岩层柱模型中自顶部至底部的岩性导热片8的导热系数逐渐过渡至与岩浆岩一致，岩浆岩导热系数以6-7W/(m·K)为佳。
最终，基于上述原则可建立0-100cm的岩层数字模型，并选取20个对应导热系数的岩性导热片8，由上至下搭建岩层柱实体模型。若有实际证据显示等效深度明显低于10000m深，可根据实际情况降低模型的深度、减少岩性导热片8的数量。
步骤3，组装等效地热温度测量系统，将地热数据输入数据工作台12，并将搭建的岩层柱模型放入等效地热温度测量系统，各岩性导热片8和标尺3与温度感应器9应严格对齐。
根据系统示意图(图2)，首先向四周铺满保温材料2的实验箱1底部置入底部加热器6和底部加热板7，底部加热器6应与底部加热板7严密接触，底部加热板7顶面应与标尺3上的100cm刻度平齐。
其次，将步骤2搭建好的岩层柱模型依次由深至浅放入实验箱1内，并确保模型中各岩性导热片8与标尺3上的整数刻度严格对应，各岩性导热片8应彼此上下对齐、严密接触。
然后，在顶部的岩性导热片8之上再依次置入顶部加热板5和顶部加热器4，并确保岩性导热片8、顶部加热板5和顶部加热器4彼此紧密接触。
最后，在实验箱1一侧预设的钻孔中均匀插入温度感应器9和测温计10，各温度感应器9应伸入岩性导热片8内部，各测温计10通过数据传输线11与数据工作台12相连。
步骤4，启动顶部加热器4和底部加热器6至设计温度，开启数据工作台12和测温计10，随时观测数据工作台12所采集的温度数据。
启动顶部加热器4，并将顶部加热器4预设为当地地表温度T0；启动底部加热器6，并将底部加热器6温度预设为深部温度，该深度温度最初为预估温度，需通过后文步骤不断调试至实际温度；第一次设置时可考虑250℃，并在一段时间内保持不变。开启数据工作台12和测温计10，并随时观测数据工作台12上显示的各层温度数据；若发现局部温度过高，应立即停止加热并排查异常原因，直至异常原因得以解决后，才可重新启动系统。
步骤5，对比原地温梯度曲线和各岩性导热片8中的温度数据，随时调整底部加热器6和底部加热板7的温度，直至原地温梯度曲线和新地温梯度曲线基本一致。
将原地温梯度曲线和按1:10000比例对应模型深度的各岩性导热片8温度数据投图在同一坐标系中(图3)。待各测温计10温度稳定后，观测原地温梯度曲线和实验数据间的差异，并通过下述两种方式进行调整：
第一种：若浅部实验数据和原地温梯度曲线在形态上保持一致、但整体温度存在一定差异，可通过调节底部加热器6的方式让实验数据和原地温梯度曲线逐渐接近；
第二种：若浅部实验数据与原地温梯度曲线在形态上存在明显差异，反映浅部岩层模型与实际地层情况出入较大，应通过重新设定各岩层等效导热系数等方式，调整岩层柱模型和岩性导热片8组合方式，以让实验数据和原地温梯度曲线逐渐接近。
步骤6，记录最终底层温度为等效地热温度，并同时记录各层导热特性数据和温度数据，形成实验地温梯度曲线。
通过步骤5中的两种方式，使实验数据和原地温梯度数据基本一致。根据最终岩性导热片8的排布情况，记录最能反映当地岩性导热情况的导热系数-深度组合。待所有温度稳定后，根据实验情况绘制0～10000m的实验地热梯度曲线，并记录最终底部温度，即为等效地热温度Teq。
步骤7，依次拆卸顶部加热器4、底部加热器6、测温计10、温度感应器9和数据工作台12，回收实验系统和各实验部件，以备下次使用。
实验结束后，关闭顶部加热器4和底部加热器6，让系统逐渐冷却。待数据工作台12上显示实验箱1内温度均低于20℃后，开启实验箱1，依次取出测温计10、温度感应器9，并由上及下逐步取出顶部加热器4、顶部加热板5、岩性导热板8、底部加热板7和底部加热器6，关闭数据工作台12，按顺序归齐岩性导热板8，以备下次使用。
本发明能够建立与真实地热情况匹配的简化岩层和温度模型，可为进一步开展地热模拟工作奠定实验基础；同时也能实验获取一定范围内的等效地热温度，为区域数值模拟提供必要的实验条件和基础数据。本发明利用相对简易的系统，可实现对等效地热温度相对精确的测量，在地热勘探开发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 (9)

1.一种测量等效地热温度的系统，其特征在于，包括实验箱(1)、顶部加热装置、底部加热装置、岩层柱模型、温度传感器(9)、测温计(10)和数据工作台(12)，其中，所述实验箱(1)内腔的顶部和底部分别设置有顶部加热装置和底部加热装置；岩层柱模型放置在所述实验箱(1)的内腔中；岩层柱模型包括多层岩性导热板(8)，多层岩性导热板(8)沿竖直方向叠加布置，所述每层岩性导热板(8)中设置有一个温度感应器(9)；每个温度感应器(9)连接有测温计(10)；所述测温计(10)、顶部加热装置和底部加热装置均与数据工作台(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种测量等效地热温度的系统，其特征在于，所述实验箱(1)的外壁上设置有标尺(3)，所述每层岩性导热板(8)的厚度与标尺(3)的深度示数相对应。
3.根据权利要求1所述的一种测量等效地热温度的系统，其特征在于，所述顶部加热装置包括顶部加热器(4)和顶部加热板(5)，其中，顶部加热板(5)固定在实验箱(1)的顶部，所述顶部加热器(4)和顶部加热板(5)连接。
4.根据权利要求1所述的一种测量等效地热温度的系统，其特征在于，底部加热装置包括底部加热器(6)和底部加热板(7)，其中，底部加热板(7)固定在实验箱(1)的底部，所述底部加热器(6)和底部加热板(7)连接。
5.根据权利要求1所述的一种测量等效地热温度的系统，其特征在于，所述岩层柱模型中的岩性导热板(8)的层数与研究区区域的岩层层数相对应；每层岩性导热板(8)的厚度与导热系数与研究区区域中对应的岩层的厚度与导热系数相一致。
6.根据权利要求1所述的一种测量等效地热温度的系统，其特征在于，每层岩性导热板(8)由多个岩性导热板本体叠加组成。
7.一种测量等效地热温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取研究区区域的地热钻井及地热的数据信息；
步骤2，根据步骤1中的数据信息搭建岩层柱模型；
步骤3，将搭建的岩层柱模型放入至基于权利要求1-6中任一项所述的一种测量等效地热温度的系统中，开启顶部加热装置和底部加热装置直至预设温度；通过温度传感器(9)、测温计(10)和数据工作台(12)采集温度数据；
步骤4，根据步骤3中得到的温度数据构建岩层柱模型的地温梯度曲线，并通过调整底部加热装置，直至得到的地温梯度曲线与研究区区域原始的地温梯度曲线一致，此时的底部加热装置的加热温度值为等效地热温度。
8.根据权利要求7所述的一种测量等效地热温度的方法，其特征在于，步骤2中，根据步骤1中的数据信息搭建岩层柱模型，具体方法是：
将按照1：10000的体积比将研究区区域中各个岩层的埋藏深度和导热系数进行数据概化，得到岩层数字模型；将得到的岩层数字模型结合岩性导热板(8)搭建岩层柱模型。
9.根据权利要求7所述的一种测量等效地热温度的方法，其特征在于，步骤4中，顶部加热装置的预设温度为当地地表温度；底部加热装置的预设温度为深部温度。
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