CN116792087A - 一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置及方法，属于地热流体温度测量技术领域；解决了现有地热深井测温装置无法长时间在高温环境工作导致测温元件损坏或测温数据不准确的问题；包括药剂箱、测温箱、连接装置和升降机构，药剂箱和测温箱分别连接在连接装置的上下两侧，升降机构连接在连接装置内，药剂箱和测温箱均采用内外腔的双腔体结构，药剂箱的内腔中用于放置吸热剂，测温箱的内腔中放置有测温单元，吸热剂通过升降机构投放至测温箱中进行降温，测温单元用于采集地热井井底地热流体温度和测温腔的内腔温度，并根据测温腔的内腔温度控制升降机构投放吸热剂；本发明应用于地热井井底流体温度测量。
Description
技术领域
本发明提供了一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置及方法，属于地热流体温度测量技术领域。
背景技术
地热是指贮存于地球内部的可再生热能，一般由熔融岩浆、放射性物质衰变或地质构造运动生成。地热资源是一种十分宝贵的综合性矿产资源，不仅仅是一种清洁的能源，可供发电、取暖等利用，而且还是一种可供提取溴、碘、硼砂、钾盐、铵盐等工业原料的热卤水资源和天然肥水资源。一般测温装置的下放速率大概在50m/min左右，若地热井是地下5000m的深层高温地热井时，测温装置不可避免的会长时间处于高温状态下，其内部的测温元件也将长时间处于高温下，目前选用的测温元件正常工作温度为30℃-60℃，这样一来不仅会造成测温元件的损坏，而且会导致测温不准确。
而现有技术中有多种对地热深井流体进行温度监测或测量的装置，例如申请号201810540990.6公开的地热深井井壁分布式光纤温度监测系统及其方法，主要实现对地热井壁和地热水温度的实时获取，申请号202021328800.3公开的一种地热深井井壁温度监测装置主要实现对不同井壁半径内不同深度处的井壁温度监测。但是上述技术方案都仅是实现了对地热井井壁或流体的温度监测，均没有考虑测温装置长时间在高温环境下元件的损坏或测温不准确的问题，因此，需要在测温过程中，对测温腔内部进行降温处理。
发明内容
本发明为了解决现有地热深井测温装置无法长时间在高温环境工作导致测温元件损坏或测温数据不准确的问题，提出了一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，包括药剂箱、测温箱、连接装置和升降机构，所述药剂箱和测温箱分别通过螺纹连接在连接装置的上下两侧，所述升降机构通过螺栓连接在连接装置内，所述药剂箱和测温箱均采用内外腔的双腔体结构，所述药剂箱的内腔中用于放置吸热剂，所述测温箱的内腔中放置有测温单元，所述吸热剂通过升降机构投放至测温箱中进行降温，所述测温单元用于采集地热井井底地热流体温度和测温腔的内腔温度，并根据测温腔的内腔温度控制升降机构开始和停止投放吸热剂。
所述药剂箱包括药剂箱外箱和药剂箱内箱，所述药剂箱外箱与药剂箱内箱之间填充有10mm-20mm厚度的保温材料，所述药剂箱内箱中设置有漏斗结构，所述漏斗结构中存放有吸热剂。
所述测温箱包括测温箱外箱、测温箱内箱和测温单元，所述测温箱外箱和测温箱内箱之间填充有10mm-20mm厚度的保温材料，所述测温单元放置在测温箱内箱的底部，所述测温箱内箱的底部还设置有注水口。
所述测温单元包括采用非金属材料制作的外壳，所述外壳通过螺栓与测温箱内箱的底部固定连接，所述外壳内部设置有电磁铁、继电器、温度控制器、两个热电偶和温度记录仪，所述温度控制器通过导线分别与继电器、两个热电偶、温度记录仪相连，其中一个热电偶的测温端插入测温箱内箱中对测温箱内箱中的水进行测温，另一个热电偶的测温端嵌入测温箱外箱的下端对地热井水进行测温。
所述升降机构包括上顶板、下顶板、伸缩管、三个弹簧、两个铁块，所述上顶板的两端分别开设有螺纹孔，三个弹簧的上下端分别固定在上顶板和下顶板上，所述下顶板的底部上固定有两个铁块，所述伸缩管的一端固定在上顶板上，所述下顶板内设置有可供吸热剂下放的通道，所述伸缩管的另一端与通道连通，通道通过螺纹连接管道的一端，管道的另一端位于测温箱内箱的底部。
所述吸热剂为球形颗粒状，直径小于10mm，外部包裹可溶于水的胶囊外衣。
所述药剂箱、测温箱、连接装置及升降机构的尺寸设置如下：
所述药剂箱外箱的直径D1>100mm，高度H1>400mm；所述药剂箱内箱的直径D2>80mm，高度H2>360mm；
所述测温箱外箱的直径D3>100mm，高度H3>400mm；所述测温箱内箱的直径D4>80mm，高度H4>360mm；
所述连接装置的外径d1>100mm，内径d2>80mm；
所述升降机构的上顶板的直径D5>70mm，在升降机构的中部开设直径为10mm<d3<20mm的孔；下顶板的直径D6>70mm，高度40mm<H5<50mm；弹簧的伸缩长度150mm<L1<170mm；伸缩管的伸缩长度150mm<L2<170mm；
所述管道的长度340mm<L3<360mm。
一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的方法，采用测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，包括如下步骤：
（1）将升降机构先与连接装置进行连接；
（2）将足量的吸热剂装入上侧的药剂箱内箱中；
（3）先将药剂箱内箱安装连接装置上后，在药剂箱内箱外围裹上厚度为10mm-20mm的保温材料，再将药剂箱外箱安装在连接装置上；
（4）组装测温单元，将电磁铁固定在测温单元的外壳上方，将一个热电偶的测温端通过测温单元的外壳上的螺纹孔伸入测温箱内箱，并进行密封，剩余部件按照电路图依次连接，连接好后将测温单元的外壳固定在测温箱体内箱底部；
（5）将另一个热电偶与温度记录仪连接，并且将上述热电偶的测温端通过螺纹孔插入测温箱外箱的夹层中，并进行密封，用于测量井温；
（6）通过注水口对测温箱内箱进行注水，再将测温箱内箱和测温箱外箱依次连接在连接装置上；
（7）井口处安装电动提升机，通过定滑轮将钢索与测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置连接，利用电动机对测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置进行提升；测温箱下部连接钢丝电缆，井口在钻机的大勾上设置定滑轮；
（8）通过升降机构配合测温单元进行测温，完成测温以后，回收测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，读取温度记录仪的数据，再根据下放速度以及时间，得到地热井的温度梯度和井底温度。
所述步骤（8）中通过升降机构配合测温单元进行测温的步骤如下：
测温箱内箱设置的热电偶实时对测温箱内箱的内部温度进行测量，测温箱外箱的夹层中设置的热电偶实时对地热井井底流体温度进行测量；
当测温箱内箱的温度升高至热电偶的最大正常工作温度时，温度控制器将信号传输给继电器，继电器将电流放大并且传输给电磁铁；
电磁铁吸引下顶板，使伸缩管打开并投放吸热剂；
吸热剂与测温箱内箱中的水反应吸热，当测温箱内箱的温度降至热电偶的最小正常工作温度时，继电器断电，伸缩管闭合停止投放药物。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明采用了化学反应降温的方法，结合了双腔体以及一系列的机械结构，实现了自动控温。解决了目前地热测温过程中无法长时间在高温地热井（如200℃以上）中测温的问题。与现有技术相比在很大程度上延长了测温元件在高温地热井中的工作时间，并且能够得到深层高温地热井的温度梯度。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明装置的整体结构示意图；
图2为本发明装置中升降机构的结构示意图；
图3为本发明装置中连接装置的结构示意图；
图4为本发明装置中圆柱形下底板的剖视图；
图中：1为药剂箱、2为药剂箱外箱、3为连接装置、4为药剂箱内箱、5为漏斗结构、6为吸热剂、7为保温材料、8为测温箱、9为测温箱外箱、10为测温箱内箱、11为测温单元、12为升降机构、13为注水口、14为电磁铁、15为继电器、16为温度控制器、17为热电偶、18为温度记录仪、19为管道、121为螺纹孔、122为弹簧、123为下顶板、124为上顶板、125为伸缩管、126为铁块、127为橡胶圈。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明提供了一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，以下简称测温装置，该测温装置由药剂箱1、测温箱8、连接装置3、和升降机构12组成。其中药剂箱1和测温箱8通过螺纹与分别连接在连接装置3的上下两侧，上侧为药剂箱1，用于装降温药剂；下侧为测温箱8，用于放置测温单元11，测量深层高温地热井井底地热流体的温度；且药剂箱1和测温箱8均为双腔结构；升降机构12通过螺栓与连接装置3连接。
药剂箱1包含药剂箱外箱2和药剂箱内箱4。药剂箱外箱2与药剂箱内箱4中部均充填充有10-20mm厚的保温材料7。药剂箱内箱4中设置漏斗结构5，漏斗结构5中存放有吸热剂6。
测温箱8包含测温箱外箱9、测温箱内箱10以及测温单元11。测温箱外箱9和测温箱内箱10中部均充填有10-20mm厚的保温材料7。测温箱内箱10的底部设有注水口13。测温单元11放置于测温箱内箱10中，并通过螺纹与测温箱内箱10的底部连接，
升降机构12包括上顶板124、下顶板123、伸缩管125、三个弹簧122、两个铁块126以及两个螺纹孔121。螺纹孔121分别开设在上顶板124两侧，三个弹簧122的两端分别焊接在上顶板124和下顶板123上，伸缩管125的上端与上顶板124通过螺纹连接。下顶板123内部有直径为10-20mm的可供吸热剂6下放的通道，通道最右端通过螺纹连接管道19，将药品下放至测温箱内箱10的底部。伸缩管125的下端插入下顶板123的10mm-20mm处。对下顶板123与伸缩管125的连接处使用橡胶圈127进行软密封，闭合状态下伸缩管125紧贴下顶板123。
吸热剂6为球形颗粒状，直径为小于10mm，其外部包裹可溶于水的胶囊外衣。
测温单元11的外壳选用非金属材料，其内部存放有电磁铁14、继电器15、温度控制器16、两个热电偶17和温度记录仪18等测温元件。第一个热电偶17的测温端插入测温箱内箱10对测温箱内箱10中的水进行测温，并用螺栓密封；第二个热电偶17的测温端嵌入测温箱外箱9的下端，对地热井水进行测温，并用螺栓密封。
采用本发明的测温装置测量深层高温地热井井底地热流体温度的步骤为：
（1）将升降机构12先与连接装置3进行连接；
（2）将足量的吸热剂6装入上侧的药剂箱内箱4中；
（3）先将药剂箱内箱4安装连接装置3上后，在药剂箱内箱4外围裹上厚度约为10mm-20mm左右的保温材料7，再将药剂箱外箱2安装在连接装置3上；
（4）组装测温单元11，将电磁铁14用胶水固定在测温单元11上方，将一个热电偶17的测温端通过测温单元11的外壳上的螺纹孔伸入测温箱内箱10，并用螺栓进行密封。剩余部件按照电路图依次连接，连接好后将测温单元11的外壳通过螺纹固定在测温箱体内箱10底部；
（5）将另一个热电偶17与温度记录仪18连接，并且将上述热电偶17的测温端通过螺纹孔插入测温箱外箱9的夹层中，并用螺栓进行密封，用于测量井温；
（6）通过注水口13对测温箱内箱10进行注水，再将测温箱内箱10和测温箱外箱9依次连接在连接装置3上；
（7）井口处安装电动提升机，通过定滑轮将钢索与本发明的测温装置连接，利用电动机对测温装置进行提升；测温箱8下部连接钢丝电缆，井口在钻机的大勾上设置定滑轮下放，并且将下放与提升速率控制在50-80m/min；
（8）完成测温以后，回收测温装置，读取温度记录仪18的数据，再根据下放速度以及时间，可以得到地热井的温度梯度和井底温度。
本发明的测温装置通过以下步骤实现对测温箱内箱的降温：①测温箱内箱10内设置的热电偶17实时对测温箱内箱10内部温度进行测量，其内部温度升高至热电偶17的最大正常工作温度(70-80℃)时，温度控制器16将信号传输给继电器15，继电器15将电流放大并且传输给电磁铁14。②电磁铁14吸引下顶板123，使伸缩管125打开并投放吸热剂6。③吸热剂6与水反应吸热，当测温箱内箱10的温度降至热电偶17的最小正常工作温度时，继电器15断电，伸缩管125闭合停止投放药物。
本发明还对药剂箱1、测温箱8、连接装置3及升降机构12尺寸进行了限定，具体限定如下：
①药剂箱外箱2的直径D1>100mm，高度H1>400mm；药剂箱内箱4的直径D2>80mm，高度H2>360mm。
②测温箱外箱9的直径D3>100mm，高度H3>400mm；测温箱内箱10的直径D4>80mm，高度H4>360mm。
③连接装置3的外径d1>100mm；内径d2>80mm。
④升降机构12的上顶板124的直径D5>70mm，在升降机构12的中部开设直径为10mm<d3<20mm的孔；下顶板123的直径D6>70mm，高度40mm<H5<50mm；弹簧122的伸缩长度150mm<L1<170mm；伸缩管125的伸缩长度150mm<L2<170mm。
⑤管道19的长度340mm<L3<360mm。
⑥药剂箱1与测温箱8的内外箱的壁厚约为2~3mm。
本发明使用了双腔体结构结合化学反应降温，将吸热剂6放置于上腔体，测温元件置于下腔体，中间放置自动升降机构12。当腔体内部温度即将达到测温元件的最高工作温度时，自动控制升降机构12下降，将药品投放至下腔体并与下腔体内的水进行吸热反应，当腔体内部温度即将达到测温元件的最低工作温度时，自动控制升降机构12提升，药品下放停止。通过该方式实现测温装置在高温地热井中的长时间工作。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，其特征在于：包括药剂箱、测温箱、连接装置和升降机构，所述药剂箱和测温箱分别通过螺纹连接在连接装置的上下两侧，所述升降机构通过螺栓连接在连接装置内，所述药剂箱和测温箱均采用内外腔的双腔体结构，所述药剂箱的内腔中用于放置吸热剂，所述测温箱的内腔中放置有测温单元，所述吸热剂通过升降机构投放至测温箱中进行降温，所述测温单元用于采集地热井井底地热流体温度和测温腔的内腔温度，并根据测温腔的内腔温度控制升降机构开始和停止投放吸热剂。
2.根据权利要求1所述的一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，其特征在于：所述药剂箱包括药剂箱外箱和药剂箱内箱，所述药剂箱外箱与药剂箱内箱之间填充有10mm-20mm厚度的保温材料，所述药剂箱内箱中设置有漏斗结构，所述漏斗结构中存放有吸热剂。
3.根据权利要求2所述的一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，其特征在于：所述测温箱包括测温箱外箱、测温箱内箱和测温单元，所述测温箱外箱和测温箱内箱之间填充有10mm-20mm厚度的保温材料，所述测温单元放置在测温箱内箱的底部，所述测温箱内箱的底部还设置有注水口。
4.根据权利要求3所述的一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，其特征在于：所述测温单元包括采用非金属材料制作的外壳，所述外壳通过螺栓与测温箱内箱的底部固定连接，所述外壳内部设置有电磁铁、继电器、温度控制器、两个热电偶和温度记录仪，所述温度控制器通过导线分别与继电器、两个热电偶、温度记录仪相连，其中一个热电偶的测温端插入测温箱内箱中对测温箱内箱中的水进行测温，另一个热电偶的测温端嵌入测温箱外箱的下端对地热井水进行测温。
5.根据权利要求4所述的一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，其特征在于：所述升降机构包括上顶板、下顶板、伸缩管、三个弹簧、两个铁块，所述上顶板的两端分别开设有螺纹孔，三个弹簧的上下端分别固定在上顶板和下顶板上，所述下顶板的底部上固定有两个铁块，所述伸缩管的一端固定在上顶板上，所述下顶板内设置有可供吸热剂下放的通道，所述伸缩管的另一端与通道连通，通道通过螺纹连接管道的一端，管道的另一端位于测温箱内箱的底部。
6.根据权利要求4所述的一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，其特征在于：所述吸热剂为球形颗粒状，直径小于10mm，外部包裹可溶于水的胶囊外衣。
7.根据权利要求5所述的一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，其特征在于：所述药剂箱、测温箱、连接装置及升降机构的尺寸设置如下：
所述药剂箱外箱的直径D1>100mm，高度H1>400mm；所述药剂箱内箱的直径D2>80mm，高度H2>360mm；
所述测温箱外箱的直径D3>100mm，高度H3>400mm；所述测温箱内箱的直径D4>80mm，高度H4>360mm；
所述连接装置的外径d1>100mm，内径d2>80mm；
所述升降机构的上顶板的直径D5>70mm，在升降机构的中部开设直径为10mm<d3<20mm的孔；下顶板的直径D6>70mm，高度40mm<H5<50mm；弹簧的伸缩长度150mm<L1<170mm；伸缩管的伸缩长度150mm<L2<170mm；
所述管道的长度340mm<L3<360mm。
8.一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的方法，采用如权利要求4-7任一项所述的测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，其特征在于：包括如下步骤：
（1）将升降机构先与连接装置进行连接；
（2）将足量的吸热剂装入上侧的药剂箱内箱中；
（3）先将药剂箱内箱安装连接装置上后，在药剂箱内箱外围裹上厚度为10mm-20mm的保温材料，再将药剂箱外箱安装在连接装置上；
（4）组装测温单元，将电磁铁固定在测温单元的外壳上方，将一个热电偶的测温端通过测温单元的外壳上的螺纹孔伸入测温箱内箱，并进行密封，剩余部件按照电路图依次连接，连接好后将测温单元的外壳固定在测温箱体内箱底部；
（5）将另一个热电偶与温度记录仪连接，并且将上述热电偶的测温端通过螺纹孔插入测温箱外箱的夹层中，并进行密封，用于测量井温；
（6）通过注水口对测温箱内箱进行注水，再将测温箱内箱和测温箱外箱依次连接在连接装置上；
（7）井口处安装电动提升机，通过定滑轮将钢索与测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置连接，利用电动机对测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置进行提升；测温箱下部连接钢丝电缆，井口在钻机的大勾上设置定滑轮；
（8）通过升降机构配合测温单元进行测温，完成测温以后，回收测量深层高温地热井井底地热流体温度的装置，读取温度记录仪的数据，再根据下放速度以及时间，得到地热井的温度梯度和井底温度。
9.根据权利要求8所述的一种测量深层高温地热井井底地热流体温度的方法，其特征在于：所述步骤（8）中通过升降机构配合测温单元进行测温的步骤如下：
测温箱内箱设置的热电偶实时对测温箱内箱的内部温度进行测量，测温箱外箱的夹层中设置的热电偶实时对地热井井底流体温度进行测量；
当测温箱内箱的温度升高至热电偶的最大正常工作温度时，温度控制器将信号传输给继电器，继电器将电流放大并且传输给电磁铁；
电磁铁吸引下顶板，使伸缩管打开并投放吸热剂；
吸热剂与测温箱内箱中的水反应吸热，当测温箱内箱的温度降至热电偶的最小正常工作温度时，继电器断电，伸缩管闭合停止投放药物。
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