CN116735666B - 超临界地热流体电导率测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界地热流体电导率测量系统，包括反应控制单元、压力控制单元、流量控制单元、温度控制单元和电信号监测单元；反应控制单元包括反应容器，内设有刚玉陶瓷衬片，反应腔内设有搅拌器，外接有转速/温度控制仪器；压力控制单元包括增压泵和背压阀，增压泵分别与Ar气和空气压缩机连接；流量控制单元包括流量计；温度控制单元包括加热炉，反应腔内及反应腔外设有热电偶；电信号监测单元包括电极，在刚玉陶瓷衬片上压入刚玉毛细管，电极设于刚玉毛细管内，电极连接后用于测量电流和电压；本发明还公开了一种超临界地热流体电导率测量方法；通过本发明能够识别超临界地热流体水岩作用对电导率变化的影响。

Description

超临界地热流体电导率测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，特别是一种超临界地热流体电导率测量系统及测量方法。

背景技术

地热能作为非碳基清洁能源，具有稳定性好、能源利用系数高、开发利用方便等特点，是非常有竞争优势的可再生能源。目前，依照地热资源禀赋条件，可以分为浅层地热、水热型地热以及干热岩地热资源，其中水热型地热资源是目前开发利用的主战场。获取高品位热能一直是地热学研究不懈追求的动力。近年来，拥有超高温度(>374℃)的超临界地热流体成为水热型地热勘探开发的热点。超临界地热流体是具有高温高压(临界点，纯水：T＝374℃，P＝22.1MPa；海水：T＝406℃，P＝29.8MPa)的多组分流体，多赋存于玄武岩中，其形成与浅成岩浆活动密切相关。超临界地热流体具有热焓值高(-3200kJ/kg)、动力粘度低、地热产能大(单井装机可达50MW)等优势，其中，超临界地热井装机容量可以达到常规高温(约200-350℃)地热井的10倍。不难看出，推动超临界地热资源的勘探开发，理论上可以提升对高温高压状态下地壳内热能聚敛动力学过程认识；现实上在应对气候变化、实现能源结构调整、推动碳达峰碳中和(双碳)目标实现具有显著科技和经济价值。

精准识别超临界地热流体的规模和空间展布特征，是推动其实现高效开发的前提。由于岩石和流体电导率的显著差异，大地电磁(MT)方法是探测地下流体的有效地球物理工具，目前电(磁)法在探测常规高温地热储层(深度<3km，电导率一般大于100S/m)和深部岩浆熔体(深度>5km，电导率一般小于5S/m)时具有广泛的应用场景并取得显著的成效。电法探测依靠室内电导率实验建立的熔融体以及富水岩体电导率模型，并通过采集野外电流和电压数据结合数学模型反演，可以建立地下介质的空间电导率特征，进而高效识别出岩浆房与常规高温地热流体。已有研究证实低温(-165℃)低压(5-10MPa)情况下水岩作用会显著影响流体电导率，主要是一些热液硫化物(比如黄铁矿等)沉淀能够改变地质流体电导率1-3个数量级。可以推测，具有更加剧烈地球化学过程的超临界地热流体中这种硫化物影响流体电导率的效应可能更加明显。超临界地热流体化学受岩浆挥发分控制，具有高浓度的金属运输配位体(Cl,C,S等)，而且地热流体中金属元素浓度较高，能够为超临界地热流体沉淀硫化物提供物质基础。另外，超临界地热系统三元组构具有不同温度压力条件的流体，其地球化学演化过程比较复杂，沸腾、脱气、沉淀、氧化、相分离等在不同阶段具有不同的作用。这些地球化学过程显著地改变着流体的物理性质，比如密度、粘度，以及电导率等特征，进而制约着依靠电法探测超临界地热流体的识别精度。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种超临界地热流体电导率测量系统及测量方法，通过本发明能够识别超临界地热流体水岩作用对电导率变化的影响。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超临界地热流体电导率测量系统，其特征在于，包括反应控制单元、压力控制单元、流量控制单元、温度控制单元和电信号监测单元；所述反应控制单元包括反应容器，所述反应容器内设有刚玉陶瓷衬片，反应容器的反应腔内设有搅拌器，且外接有用于控制水岩反应过程的转速/温度控制仪器；所述压力控制单元包括设于所述反应容器上的增压泵和背压阀，所述增压泵还分别与Ar气和空气压缩机连接；所述流量控制单元包括流量计，反应气体通过所述流量计通入反应腔内；所述温度控制单元包括包裹于反应容器外的加热炉，反应容器的反应腔内及反应腔外均设有用于监测温度的热电偶；所述电信号监测单元包括两对相对设于反应容器两侧的电极，在所述刚玉陶瓷衬片上压入刚玉毛细管，所述电极设于所述刚玉毛细管内，相对的电极连接后用于测量电流和电压。

作为本发明的进一步改进，所述反应容器与所述刚玉陶瓷衬片之间采用环空设计，并用蒸馏水填充，且环空在反应容器的顶部用O形圈密封。

作为本发明的进一步改进，所述加热炉外设有保温套。

作为本发明的进一步改进，在所述反应容器内，流体电导率σ_fl的计算方法如下：

反应腔中电流为I_fl，由固定电阻的电势差U_R确定：

其中I_fl＝I_t-I_l，I_t和I_l分别为体系总电流和泄漏电流；

随着温度增加，固定电阻和测量单元之间的电势差连续记录，流体电导率σ_fl通过电势差和电流进行计算：

其中参数τ为测量单元相关常数。

本发明还公开了一种超临界地热流体电导率测量方法，采用如上所述的超临界地热流体电导率测量系统，所述的方法包括：

考虑依靠温度T、密度ρ、和流体盐度Θ建立流体电导率σ_l模型，控制方程如下：

log(σ_l)＝-1.706-93.78/T+0.8075log(Θ)+3.0781log(ρ)+log(Λ(T,p))

其中，Λ(T,p)是由温度、压力控制的摩尔电导率，与溶液粘度μ有关，公式为：

Λ＝A+Bμ^-1+Cμ^-2

其中，系数A、B、C分别是摩尔浓度m的函数，分别为：

C＝c₁+c₂m

其中，a₁、a₂、a₃、a₄，b₁、b₂、b₃、b₄，c₁、c₂均为系数；

所述溶液粘度μ受盐度Θ、温度T、压力P控制，其方程为：

其中，是给定温压状态下纯水粘度，/>是800℃时熔体粘度；

溶液密度为：

其中1巴压力下参考密度：

溶液压缩性系数：

λ_NaCl,l＝m₄+m₅T

其中，m₀、m₁、m₂、m₃、m₄、m₅均为系数；

通过阿尔奇公式估算全岩电导率：

其中σ_r是含流体岩石电导率，φ是岩石孔隙度，s_l是盐水饱和度，m是岩石相关参数，n是饱和度指数，α是系数因子。

本发明的有益效果是：

1、超临界地热流体水岩相互作用对电导率影响。通过设置不同水岩比情形下的超临界态水岩反应，同时监测流体电导率变化情况，能够识别超临界地热流体水岩作用对电导率变化的影响。

2、超临界地热流体腐蚀性对测量电极的影响。本仪器通过高压管内嵌5mm厚刚玉衬垫，并在刚玉衬垫内压入刚玉毛细管，将Pt电极置于毛细管内，解决了超临界地热流体对测量电极的腐蚀性。

3、实验设备系统测量过程漏电保护。为了防止陶瓷衬片和不锈钢压力腔之间的环空漏电，本仪器使用一种保护装置，将相同电势放在测量电极和不锈钢上。

附图说明

图1为本发明实施例中测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中在盐度约5.6wt％(室温下为1MNaCl)和压力小于200MPa时NaCl-H₂O体系电导率测量结果对比和电导率模型预测对比图。

附图标记：

1、反应容器，2、刚玉陶瓷衬片，3、搅拌器，4、转速/温度控制仪器，5、增压泵，6、背压阀，7、Ar气，8、空气压缩机，9、流量计，10、反应气体，11、加热炉，12、热电偶,13、电极，14、刚玉毛细管，15、保温套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种超临界地热流体电导率测量系统，包括反应控制单元、压力控制单元、流量控制单元、温度控制单元和电信号监测单元；所述反应控制单元包括反应容器1，所述反应容器1内设有刚玉陶瓷衬片2，反应容器1的反应腔内设有搅拌器3，且外接有用控制水岩反应过程的转速/温度控制仪器4；所述压力控制单元包括设于所述反应容器1上的增压泵5和背压阀6，所述增压泵5还分别与Ar气7和空气压缩机8连接；所述流量控制单元包括流量计9，反应气体10通过所述流量计9通入反应腔内；所述温度控制单元包括包裹于反应容器1外的加热炉11，反应容器1的反应腔内及反应腔外均设有用于监测温度的热电偶12；所述电信号监测单元包括两对相对设于反应容器1两侧的电极13，在所述刚玉陶瓷衬片2上压入刚玉毛细管14，所述电极13设于所述刚玉毛细管14内，相对的电极13连接后用于测量电流和电压。

在本实施例中，所述反应容器与所述刚玉陶瓷衬片之间采用环空设计，并用蒸馏水填充，且环空在反应容器的顶部用O形圈密封。

在本实施例中，所述加热炉11外设有保温套15。

下面对本测量系统作进一步的说明：

反应控制：容量800mL的耐压不锈钢作为反应容器1。由于超临界地热流体具有高腐蚀性，因此在反应容器1内配置5mm厚的刚玉陶瓷衬片2。为防止刚玉陶瓷衬片2在高温下开裂，在反应容器1与刚玉陶瓷衬片2间有环空，用蒸馏水填充，环空在容器口用O形圈密封。通过容器顶盖接入搅拌器3，外接转速/温度控制仪器4，控制水岩反应过程。反应腔由顶盖硬压密封。

压力控制：为了保持反应腔内压力，尤其是在温度超过374℃后容易出现压力波动，该套设备专门针对压力调节设置了增压泵5和背压阀6，借助Ar气7充注保证腔内压力稳定；当腔内压力太高时背压阀6能够泄压。

流量控制：通过连接单向的流量计9，能够向反应腔内通入定量的反应气体10(比如H₂S)。

温度控制：反应腔外有包裹加热炉11，通过电加热，同时反应腔内和腔外都有热电偶12监测温度，反应腔内的温度由Pt/Pt-Rh热电偶控制，实时监测控制反应温度。另外腔外还有水冷系统，在温度过高时启用。

电信号监测：主要通过电极13连接测量电流和电压。为了防止测量电极13被腐蚀，在刚玉陶瓷衬片2间压入外径4.5mm的刚玉毛细管14，并在容器两侧对称放置，由过滤器与反应流体隔开，两对Pt电极压在刚玉毛细管14内。上下间隔40mm，这个间隔作为电导率测量单元。流体电导率使用四电极测量单元，以消除电极上极化效应，这种极化效应会引起电极与流体样品的接触电阻，使得测量电阻增高。反应腔中电流I_fl，由固定电阻的电势差U_R确定，

其中I_fl＝I_t-I_l，I_t和I_l分别为体系总电流和泄漏电流。随着温度增加，固定电阻和测量单元之间的电势差连续记录，流体电导率σ_fl通过电势差和电流可以计算，

其中参数τ为测量单元相关常数，通过蒸馏水、自来水、0.01mol和0.1mol NaCl饱和溶液测量获取。测量过程将忽略陶瓷衬片和不锈钢之间的热膨胀差异。

本实施例还提供一种超临界地热流体电导率测量方法，包括：

考虑依靠温度(T[K])、密度(ρ[kg/m³])、流体盐度(Θ'[wt％])的流体电导率(σ_l[S/m])模型，控制方程为：

log(σ_l)＝-1.706-93.78/T+0.8075log(Θ')+3.0781log(ρ)+log(Λ(T,p))

其中，Λ(T,p)[S·m²/mol]是由温度、压力控制的摩尔电导率，与流体粘度有关，公式为：

Λ＝A+Bμ^-1+Cμ^-2

其中，系数A、B、C分别是摩尔浓度m[mol/kgH₂O]的函数，分别为：

C＝c₁+c₂m

其中，系数a₁＝4.16975E-3,a₂＝-5.08206E-3,a₃＝0.575588,a₄＝1.00422,b₁＝25.5008,b₂＝6.04911E-2,b₃＝2.51861E6，b₄＝0.430952,c₁＝-4.89245E-10,c₂＝-1.75339E-11。

溶液粘度μ受盐度Θ'[wt％]、温度T[K]、压力P[MPa]控制，其方程为：

其中，μ_H2O(T,P)是给定温压状态下纯水粘度，是800℃时熔体粘度。

溶液密度为：

其中1巴压力下参考密度：

溶液压缩性系数：

λ_NaCl,l＝m₄+m₅T

其中，系数m₀＝58443；m₁＝23.772；m₂＝0.018639；m₃＝-1.9687E-6；m₄＝-1.5259E-5；m₅＝5.5058E-8。

超临界地热流体电导率应用：

1、岩浆、成矿热液、超临界地热流体NaCl-H₂O体系：

主要围绕不同温度(0-800℃)、不同压力(0-1020MPa)、不同盐度(0-24.6wt％NaCl)变化情况下的流体电导率特征。在固定压强下对恒定浓度NaCl加热时，溶液电导率显著升高，在300℃附近达到最大值，然后随温度升高而降低(如图2)。这是受离子活动性和离子浓度控制，同时又与水的物理化学性质(密度、粘度、介电常数)的变化密切相关。升温时，水的粘度降低，溶液中离子活性增强，因此电导率升高；由于压强一定，温度升高使流体密度降低，电解质浓度也降低。当温度超过300℃时，水的介电常数大幅降低，从而抑制NaCl的电离，导致Na⁺和Cl^-浓度迅速降低，溶液电导率下降。当溶液因为温度、压力改变而发生矿物沉淀-溶解过程，将改变溶液离子浓度，进而影响流体电导率，如图2所示。

2、大地电磁探测超临界地热流体：

要成功地解释大地电磁测量，需要估计岩浆流体对系统电导率的可能贡献。假设花岗岩体内的电传导以孔隙流体传导为主，根据对流体电导率、孔隙几何形状和连通性的合理假设，可以从大地电磁测量中估计储层的孔隙度和范围。然而，需要了解原位压力、温度和盐度条件来估计流体的导电性，因为原位条件可能会显著影响流体的性质。从结晶熔体中溶出的盐水通过一个次垂直的水力管道迅速上升，这可能是一个静态的高渗透区或动态渗透率建造。没有流体的整体冷却。当流体通道不与静水压力区连接时，流体可以在近静水压力下上升。当岩浆热液系统连接到较浅的静水层时，流体压力可以降低到近静水压力，例如，与密封层的水力压裂连接。由于矿物沉淀(如石英、岩盐)或岩石由脆性向韧性转变的发生，破碎层自我封闭后，压力可能再次增加。

通过阿尔奇公式估算全岩电导率：

其中σ_r是含流体岩石电导率，s_l是盐水饱和度，m是岩石相关参数(＝1.9)，n是饱和度指数(≈2)，α是系数因子(＝0.6)。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种超临界地热流体电导率测量方法，其特征在于，采用超临界地热流体电导率测量系统实现，所述的系统包括反应控制单元、压力控制单元、流量控制单元、温度控制单元和电信号监测单元；所述反应控制单元包括反应容器，所述反应容器内设有刚玉陶瓷衬片，反应容器的反应腔内设有搅拌器，且外接有用于控制水岩反应过程的转速/温度控制仪器；所述压力控制单元包括设于所述反应容器上的增压泵和背压阀，所述增压泵还分别与Ar气和空气压缩机连接；所述流量控制单元包括流量计，反应气体通过所述流量计通入反应腔内；所述温度控制单元包括包裹于反应容器外的加热炉，反应容器的反应腔内及反应腔外均设有用于监测温度的热电偶；所述电信号监测单元包括两对相对设于反应容器两侧的电极，在所述刚玉陶瓷衬片上压入刚玉毛细管，所述电极设于所述刚玉毛细管内，相对的电极连接后用于测量电流和电压；

所述的方法包括：

考虑依靠温度T、密度ρ、和流体盐度Θ建立流体电导率σ_l模型，控制方程如下：

log(σ_l)＝-1.706-93.78/T+0.8075log(Θ)+3.0781log(ρ)+log(Λ(T,p))

其中，Λ(T,p)是由温度、压力控制的摩尔电导率，与溶液粘度μ有关，公式为：

Λ＝A+Bμ^-1+Cμ^-2

其中，系数A、B、C分别是摩尔浓度m的函数，分别为：

C＝c₁+c₂m

其中，a₁、a₂、a₃、a₄，b₁、b₂、b₃、b₄，c₁、c₂均为系数；

所述溶液粘度μ受盐度Θ、温度T、压力P控制，其方程为：

其中，μ_H2O(T,P)是给定温压状态下纯水粘度，是800℃时熔体粘度；

溶液密度为：

其中1巴压力下参考密度：

溶液压缩性系数：

λ_NaCl,l＝m₄+m₅T

其中，m₀、m₁、m₂、m₃、m₄、m₅均为系数；

通过阿尔奇公式估算全岩电导率：

其中σ_r是含流体岩石电导率，φ是岩石孔隙度，s_l是盐水饱和度，m是岩石相关参数，n是饱和度指数，α是系数因子。

2.根据权利要求1所述的超临界地热流体电导率测量方法，其特征在于，所述反应容器与所述刚玉陶瓷衬片之间采用环空设计，并用蒸馏水填充，且环空在反应容器的顶部用O形圈密封。

3.根据权利要求1所述的超临界地热流体电导率测量方法，其特征在于，所述加热炉外设有保温套。

4.根据权利要求1所述的超临界地热流体电导率测量方法，其特征在于，在所述反应容器内，流体电导率σ_fl的计算方法如下：

反应腔中电流为I_fl，由固定电阻的电势差U_R确定：

其中I_fl＝I_t-I_l，I_t和I_l分别为体系总电流和泄漏电流；

随着温度增加，固定电阻和测量单元之间的电势差连续记录，流体电导率σ_fl通过电势差和电流进行计算：

其中参数τ为测量单元相关常数。