CN113984617A - 裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统，属于地学实验技术领域，包括供水装置、裂隙模型、渗流过程监测装置、传热过程监测装置、终端控制系统、井口监测装置和管道系统；供水装置通过管道系统与裂隙模型连接；裂隙模型是通过数字光处理3D打印机打印形成的裂隙网络物理模型；渗流过程监测装置、传热过程监测装置和井口监测装置均与终端控制系统连接，将采集到的数据传至终端控制系统进行分析处理，本发明可以系统地研究不同温度与流量条件下，裂隙网络内部渗流规律和井口响应特征；同时可直接观测裂隙内部渗流和热量迁移过程，为根据井口等地面响应分析裂隙结构和参数、了解裂隙内部水热传递规律提供新的工具。
Description
技术领域
本发明属于地学实验技术领域，具体地，涉及一种裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统。
背景技术
随着人们对地质资源勘探和开发深度的增加，储层介质类型由孔隙型转变为构造裂隙或人工裂隙为主；认识深部储层裂隙渗流和传热过程对于深部地质资源可持续开发至关重要。然而，储层裂隙结构复杂，且深埋于地下具有不可见性，裂隙内部水热传递过程与主控因素研究仍是地学领域研究热点和难点。
复杂裂隙水热传递过程分析目前主要依托于数值模拟，但在裂隙交接处水热分配规律以及裂隙内部微观结构对水热传递过程控制机理仍未能在数值模型中充分考虑。通过裂隙渗流实验，进一步解释裂隙内部渗流规律和控制方程十分必要。目前，单裂隙水热传递实验相对成熟，交叉裂隙条件下渗流实验也有一些报道，例如：
申请号为CN201610574998.5的专利文献中介绍了一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法，考虑了随机粗糙裂隙开度。裂隙采用玻璃敲击而成，裂隙壁面光滑，张开度较大。该类试验装置难以控制裂隙内部结构，无法模拟真实裂隙结构，缺少渗流实验代表性与普适性。
申请号为CN202010690936.7的专利文献中介绍了一种模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法及系统，利用岩石样本制作粗糙裂隙模型。但该装置只能模拟一组交叉裂隙内渗流过程，无法体现多组裂隙渗流过程相互干扰。
申请号为CN202021779064.3的专利文献中介绍了一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，通过控制水流流量实现水流的波动，从而观测岩体裂隙内部的微观渗流特征。但该设备只能在常温下进行渗流观测，无法模拟裂隙中温度场分布情况。
申请号为CN201920314280.1的发明专利介绍了一种脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统，采用落锤式冲击试验机对岩石模型内裂隙水体施加脉冲动荷载。该装置可以模拟爆破等动力荷载作用下裂隙岩体响应过程，但未能考虑裂隙网络中的渗流规律。
综上，目前仍然缺少一种既可以刻画复杂裂隙空间组合关系，又可以控制裂隙内部微观结构的裂隙模型；当模拟渗流过程时，部分实验系统已实现透明可视化；但模拟水热传递过程时，实验目前仅在非透明黑箱条件下开展。
发明内容
鉴于上述实验系统的不足，本发明的目的在于提供一种裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统，可以系统地研究不同温度与流量条件下，裂隙网络内部渗流规律和井口响应特征；同时，配合高速相机和热成像系统，可直接观测裂隙内部渗流和热量迁移过程，为根据井口等地面响应分析裂隙结构和参数、了解裂隙内部水热传递规律提供新的工具。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统，其特征在于，包括：供水装置、裂隙模型、渗流过程监测装置、传热过程监测装置、终端控制系统、井口监测装置和管道系统；所述供水装置通过管道系统与裂隙模型连接，以向裂隙模型注入常温清水、常温示踪剂溶液或具有设定温度的示踪剂溶液，本发明中具有设定温度的示踪剂溶液指的是加热到设定好的温度的示踪剂溶液；所述裂隙模型是通过数字光处理3D打印机打印形成的裂隙网络物理模型，裂隙模型的材料为透明光敏树脂材料，裂隙模型内部具有至少两个交叉裂隙，裂隙模型预留有注水口、出水口和作为监测点的温度压力观测孔，温度压力观测孔用于安置压力测量仪和温度测量仪的探头；所述渗流过程监测装置包括压力测量仪、流量仪以及高速相机，压力测量仪、流量仪和高速相机均与终端控制系统连接进行数据传输，压力测量仪用于实时测量监测点的水头值；在注入示踪剂溶液驱替常温清水时，高速相机用于获取渗流过程高清图像；流量仪设置在注水口处；所述传热过程监测装置包括温度测量仪和红外热像仪，温度测量仪和红外热像仪均与终端控制系统连接进行数据传输，温度测量仪用于实时测量监测点的温度；在注入具有设定温度的示踪剂溶液驱替常温清水时，红外热像仪用于获取水热传递过程中温度场时空演化图像；所述井口监测装置包括电导率仪和采样管，采样管连接在裂隙模型的出水口处，电导率仪与采样管连接，同时电导率仪与终端控制系统连接。
根据本发明具体实施方案，所述供水装置包括蠕动泵、储水箱和恒温水箱，储水箱用隔板分隔成两个腔室，两个腔室分别用于贮存常温清水和常温示踪剂溶液；恒温水箱用于贮存不同浓度和温度的示踪剂溶液。
进一步，所述裂隙模型的裂隙最小张开度控制在0.1mm，打印精度为12.5μm。
根据本发明具体实施方案，所述管道系统具有带阀三通，加热实验时带阀三通的三个通道分别连接储水箱、恒温水箱和裂隙模型，常温实验时带阀三通的三个通道分别连接储水箱的两个腔室和裂隙模型；蠕动泵设置在管道系统的带阀三通与裂隙模型之间。
根据本发明具体实施方案，所述温度压力观测孔的数量至少四个，分布在裂隙模型中裂隙交叉口距离各分岔通道12mm～16mm，以及分布在距离注水口、出水口小于10mm的位置，且监测点布设于裂隙面中心位置。
进一步，所述终端控制系统为计算机。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、裂隙模型由透明光敏树脂材料3D打印而成，在模型内注入含有亮蓝染色剂的示踪剂溶液时，可清晰地观测模型内渗流情况。
2、采用高速相机与红外热像仪观察示踪剂溶液与热水的运动过程，配合高精度压力和温度探头，可量化裂隙内部渗流场和温度场。
3、裂隙模型内设计有多个交叉裂隙，水流通道复杂，便于观测渗流过程中水流通道选择情况，研究优势流形成机理。
4、裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统可自动化监测裂隙模型内温度与压强分布情况，操作方便，节省人力物力。
附图说明
此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统的结构示意图。
图2为3D打印制备的三维复杂裂隙模型示意图。
图3为本发明在三维复杂裂隙模型实例中，207ml/min流量下常温实验的氯化钠浓度突破曲线图；
图4为本发明在三维复杂裂隙模型实例中，630ml/min流量下常温实验的氯化钠浓度突破曲线图；
图5为本发明在三维复杂裂隙模型实例中，1320ml/min流量下常温实验的氯化钠浓度突破曲线图；
图6为本发明在三维复杂裂隙模型实例中，207ml/min流量下加热实验的氯化钠浓度突破曲线图；
图7为本发明在三维复杂裂隙模型实例中，630ml/min流量下加热实验的氯化钠浓度突破曲线图；
图8为本发明在三维复杂裂隙模型实例中，1320ml/min流量下加热实验的氯化钠浓度突破曲线图；
图9为本发明在三维复杂裂隙模型实例中，207ml/min流量下加热实验的温度突破曲线图；
图10为本发明在三维复杂裂隙模型实例中，630ml/min流量下加热实验的温度突破曲线图；
图11为本发明在三维复杂裂隙模型实例中，1320ml/min流量下加热实验的井口温度突破曲线图。
图中：1-供水装置；2-裂隙模型；3-渗流过程监测装置；4-传热过程监测装置；5-终端控制系统；6-井口监测装置；7-管道系统；101-蠕动泵；102-储水箱；103-恒温水箱；201-注水口；202-出水口；301-压力测量仪；302-流量仪；303-高速相机；401-温度测量仪；402-红外热像仪；601-电导率仪；602-采样管；701-硅胶管；702-带阀三通。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面结合本发明的实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程和流程并没有详细叙述。
如图1所示，裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统包括供水装置1、裂隙模型2、渗流过程监测装置3、传热过程监测装置4、终端控制系统5、井口监测装置6和管道系统7。
所述供水装置1包括蠕动泵101、储水箱102和恒温水箱103，储水箱102用隔板分隔成两个腔室，两个腔室分别用于贮存常温清水和常温示踪剂溶液；根据实验需求所需，恒温水箱103用于贮存不同浓度和温度的示踪剂溶液，恒温水箱103能够对位于其内部的示踪剂溶液进行温度调节。所述供水装置1通过管道系统7与裂隙模型2连接，管道系统7具有带阀三通702，具体应根据实验方案调整管道系统7安装方式，加热实验时带阀三通702的三个通道分别连接储水箱102、恒温水箱103和裂隙模型2，常温实验时带阀三通702的三个通道分别连接储水箱102的两个腔室和裂隙模型2，通过转动带阀三通702上的阀门控制三个通道的通断，进而控制示踪剂溶液或者常温清水注入到裂隙模型2中，所述踪剂溶液为常温示踪剂溶液或加热后的具有设定温度的示踪剂溶液；蠕动泵101设置在管道系统7的带阀三通702与裂隙模型2之间，根据实验需求，蠕动泵101通过调节蠕动转速改变流量，从而进行多种方案的实验。
所述裂隙模型2是通过数字光处理3D打印技术设计并打印生成的裂隙网络物理模型。裂隙模型2的尺寸可以达到360mm，最小张开度可控制在0.1mm，打印精度约为12.5μm，作为优选的是12.5μm。裂隙模型2的材料为透明光敏树脂材料，裂隙部分中空，且在该打印技术下，能够避免打印过程中的裂隙堵塞问题，使得裂隙模型2在微观结构上(张开度和粗糙度)与实际设计模型吻合。所述裂隙模型2内具有多个交叉裂隙，裂隙模型2设置有注水口201、出水口202和温度压力观测孔，温度压力观测孔用于接入压力测量仪301和温度测量仪401的探头，进行数据测量，通过终端控制系统5的软件实时采集温度压力观测孔处的温度与压力数据，裂隙模型2仅出水口202与注水口201可以通水，整体封闭。
需要说明的是，在裂隙模型2制作过程中，可以根据实地测量的真实裂隙参数，设计相应的裂隙网络物理模型，还原真实的裂隙形态；另外，可根据实验需求自主设计裂隙模型2，制作不同尺寸与维度的裂隙网络物理模型，以便研究各个裂隙形态中的渗流规律。
以三维复杂裂隙模型为例，所述裂隙模型2制作过程,包括如下步骤：
1、利用SolidWorks根据试验需求，进行裂隙模型2的数字化设计。本实施例中的裂隙模型2包含十六条裂隙，裂隙宽度统一设置为15.7cm，单条裂隙长度介于3cm至21cm之间，裂隙倾角介于0°～120°之间。裂隙模型2总长度为35.5cm，宽度15.7cm，高度15.5cm。各条裂隙张开度统一设置为1.0mm。模型预留注水口201和出水口202各一处，孔口内径为3mm、外径为5mm；设计压力温度观测孔十处(孔径同上，即压力温度观测孔的孔口内径为3mm、外径为5mm)，分别布设于不同裂隙。
2、将构建好的所述数据模型导入3D打印机，基于数字光处理技术打印成型，通过白光灯强光照射12～24小时，固化形成试验所需的复杂裂隙网络物理模型。
所述渗流过程监测装置3包括压力测量仪301、流量仪302以及高速相机303，压力测量仪301、流量仪302以及高速相机303均与终端控制系统5连接进行数据传输，压力测量仪301用于自动实时测量监测点压力大小，流量仪302用于监测注水口201处的流量，高速相机303用于拍摄裂隙模型2内渗流过程，高速相机303可采用CCD相机或CMOS相机。本发明中压力测量仪301测量误差可控制在0.1mm以下，本实施例中使用的压力测量仪301型号为ELE-801，可与终端控制系统5连接，在软件上实时显示监测数据，另外压力测量仪301的探头设有排气通道，用于排出管道内与监测点附近的空气；此外由于裂隙模型2透明，在注入染色示踪剂溶液驱替清水时，高速相机303进行渗流过程高清图像获取，并结合压力定点监测数据，量化裂隙内部渗流场；同时在注水口201处设置流量仪302，获得流量数据。
所述传热过程监测装置4包括温度测量仪401，温度测量仪401与终端控制系统5连接，温度测量仪401自动实时测量监测点温度，测量误差可控制在0.1℃以下，温度测量仪401型号为PT100，可与终端控制系统5连接，在软件上实时显示监测数据；在注入加热后的示踪剂溶液驱替常温清水时，传热过程监测装置4设计了红外热像仪402，红外热像仪402与终端控制系统5连接，进行水热传递过程中温度场时空演化图像获取；结合温度定点监测数据，量化裂隙内部温度场，另外温度测量仪401的探头设有排气通道，用于排出管道内与监测点附近的空气。
其中，压力测量仪301和温度测量仪401的监测点主要分布在裂隙模型2中裂隙交叉口前后方，以及注水口201和出水口202附近，作为本发明的优选方案，所述温度压力观测孔分布在裂隙模型2中裂隙交叉口距离各分岔通道12mm～16mm以及距离注水口201和出水口202在10mm内的位置，以掌握裂隙网络内部渗流通道选择与水热传递规律。
需要强调的是，使用压力测量仪301实时测量裂隙模型2中监测点处压强，监测点布设于裂隙面中心位置，保障监测数据能够代表裂隙内部水头值；利用高速相机303记录渗流过程；另在注水口201处安装流量仪302，监测注入裂隙模型2的流量。
传热过程监测装置4：利用温度测量仪401，实时测量裂隙模型2中温度监测点处的温度，温度监测点与压强监测点一致，避免预留过多监测点对裂隙水热传递过程产生明显干扰；使用红外热像仪402记录水热传递过程，获取温度场时空演化图像。
所述终端控制系统5为计算机，本发明通过将压力测量仪301和温度测量仪401分别与计算机连接，在终端控制系统5上显示各监测点的温度与压力值，可设置监测频率并自动导出监测数据，实时采集试验过程中裂隙内部温度和压力数据。终端控制系统5主要有三大功能，一是通过软件与压力测量仪301和温度测量仪401连接，采集温度压力观测孔处的温度与压强数据；二是用于采集红外热像仪402摄取的红外图像以及高速相机303摄取的图像；三是对数据进行初步处理。
所述井口监测装置6：在出水口202连接的硅胶管701末尾使用采样管602采样，所采得的溶液由电导率仪601统一进行测量，减少由于出水口202液体流动过快造成的误差。具体井口监测装置6包括电导率仪601与采样管602，电导率仪601与终端控制系统5连接，记录出水口202位置溶液电导率值，并通过标准曲线，获得示踪剂溶液浓度，即井口示踪剂突破曲线。
除温度、压力测量仪连接探头与仪器自带的管道，本发明中采用的管道系统7使用的管道均为硅胶管701。示踪剂溶液注入处设置有带阀三通702，通过控制阀门转向，保证注入处可控，不出现渗漏。
进行红外线热成像前，先将红外热像仪402的软件在终端控制系统5打开并连接，通过显示界面调整红外热像仪402的镜头与图像颜色。每次录像结束后，可在软件中对采集到的热成像进行二次处理。
实验过程中，从示踪剂溶液流入裂隙模型2起开始采样，采样结束后统一通过电导率仪601对采集到的溶液进行测量，减少由于出水口202液体流动过快造成的误差。
工作原理：
管道系统7连接供水装置1与裂隙模型2，通过调节带阀三通702的阀门，可调节示踪剂溶液或清水注入裂隙模型2中。蠕动泵101在裂隙模型2和带阀三通702之间，通过调节蠕动泵101转速来控制裂隙注水口201的流量。压力测量仪301和温度测量仪401与分布在裂隙模型2内的温度压力观测孔相连，可通过计算机软件接收压力测量仪301和温度测量仪401的数据来对温度压力观测孔进行监测记录。红外热像仪402和高速相机303均与计算机连接，将所拍摄的录像资料传至计算机进行分析处理。在出水口202采集的水样利用电导率仪601进行测量，将数据传输至计算机，绘制相关突破曲线。
实验步骤
参见图1，采用裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统进行试验的过程如下：
(1)制备裂隙模型2
将裂隙模型2构建数字模型并导入3D打印机，采用透明光敏树脂材料得到3D打印的裂隙模型实物。
(2)安装实验设备
首先将供水装置1与裂隙模型2通过管道系统7相互连接，然后安装好渗流过程监测装置3、传热过程监测装置4、终端控制系统5和井口监测装置6，并将各部分电路连接完毕。
供水装置1安装时，应根据实验方案调整管道系统7安装，加热实验时管道系统7连接恒温水箱103与储水箱102，常温实验时仅连接储水箱102。
(3)设备排气
开启电源由蠕动泵103从储水箱102中抽取常温清水，先快速抽水，将裂隙模型2中的大部分空气排出，再打开压力测量仪301和温度测量仪401的排气通道，将剩余的空气排出后关闭排气通道。
(4)开始实验
排气完成后，调节蠕动泵101转速，控制渗流速度，待流速稳定后注入示踪剂溶液，利用压力测量仪301和温度测量仪401测得不同流量下裂隙模型2内部数据，通过井口监测装置6测得井口示踪剂浓度，同时用高速相机303和红外热像仪402对裂隙模型2内部渗流过程进行图像采集。
(5)数据采集
利用终端控制系统5对实验采集到的图像与数据进行处理，绘制出井口突破曲线，同时观察裂隙内部渗流过程，进一步研究裂隙网络渗流规律与井口突破特征(详见图3至图11)。
该裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统将各个器件有机的集成、整合成一个整体，需要强调的是，上述各个器件就单体而言，其实现各自应实现功能的具体结构在现有技术中已经存在，各个器件进行工作处理时所涉及的协议、软件或程序也在现有技术中已经存在，本领域人员已充分知晓。正如上述所述，本发明并不是对各个器件的单体做何改进，而是提出一种如何将各器件有机的集成、整合成一个整体，即提供了一种构造方案。
以上所述，仅为本发明方法的实施实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统，其特征在于，包括：供水装置(1)、裂隙模型(2)、渗流过程监测装置(3)、传热过程监测装置(4)、终端控制系统(5)、井口监测装置(6)和管道系统(7)；所述供水装置(1)通过管道系统(7)与裂隙模型(2)连接，以向裂隙模型(2)注入常温清水、常温示踪剂溶液或具有设定温度的示踪剂溶液；所述裂隙模型(2)是通过数字光处理3D打印机打印形成的裂隙网络物理模型，裂隙模型(2)的材料为透明光敏树脂材料，裂隙模型(2)内部具有至少两个交叉裂隙，裂隙模型(2)预留有注水口(201)、出水口(202)和作为监测点的温度压力观测孔，温度压力观测孔用于安置压力测量仪(301)和温度测量仪(401)的探头；所述渗流过程监测装置(3)包括压力测量仪(301)、流量仪(302)以及高速相机(303)，压力测量仪(301)、流量仪(302)和高速相机(303)均与终端控制系统(5)连接进行数据传输，压力测量仪(301)用于实时测量监测点的水头值；在注入示踪剂溶液驱替常温清水时，高速相机(303)用于获取渗流过程高清图像；流量仪(302)设置在注水口(201)处；所述传热过程监测装置(4)包括温度测量仪(401)和红外热像仪(402)，温度测量仪(401)和红外热像仪(402)均与终端控制系统(5)连接进行数据传输，温度测量仪(401)用于实时测量监测点的温度；在注入具有设定温度的示踪剂溶液驱替常温清水时，红外热像仪(402)用于获取水热传递过程中温度场时空演化图像；所述井口监测装置(6)包括电导率仪(601)和采样管(602)，采样管(602)连接在裂隙模型(2)的出水口(202)处，电导率仪(601)与采样管(602)连接，同时电导率仪(601)与终端控制系统(5)连接。
2.根据权利要求1所述的裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统，其特征在于：所述供水装置(1)包括蠕动泵(101)、储水箱(102)和恒温水箱(103)，储水箱(102)用隔板分隔成两个腔室，两个腔室分别用于贮存常温清水和常温示踪剂溶液；恒温水箱(103)用于贮存不同浓度和温度的示踪剂溶液。
3.根据权利要求1所述的裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统，其特征在于：所述裂隙模型(2)的裂隙最小张开度控制在0.1mm，打印精度为12.5μm。
4.根据权利要求1所述的裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统，其特征在于：所述管道系统(7)具有带阀三通(702)，加热实验时带阀三通(702)的三个通道分别连接储水箱(102)、恒温水箱(103)和裂隙模型(2)，常温实验时带阀三通(702)的三个通道分别连接储水箱(102)的两个腔室和裂隙模型(2)；蠕动泵(101)设置在管道系统(7)的带阀三通(702)与裂隙模型(2)之间。
5.根据权利要求1所述的裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统，其特征在于：所述温度压力观测孔的数量至少四个，分布在裂隙模型(2)中裂隙交叉口距离各分岔通道12mm～16mm，以及分布在距离注水口(201)、出水口(202)小于10mm的位置，且监测点布设于裂隙面中心位置。
6.根据权利要求1所述的裂隙网络水热传递可视化示踪实验系统，其特征在于：所述终端控制系统(5)为计算机。
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