CN116792952A - 注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统及测试方法，本发明涉及地热能的模拟实验系统及测试方法。本发明的目的是解决注携热工质开采深部含水层地热能的研究在实验方面存在空缺的问题。注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统包括地热储层模拟装置Ⅰ、携热工质注采装置Ⅱ、携热工质回收处理装置Ⅲ、数据采集与控制系统Ⅳ。本发明用于注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统及测试领域。
Description
技术领域
本发明涉及地热能高效开发与利用的实验技术领域，尤其是涉及注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统及测试方法。
背景技术
地热能作为一种可再生能源，具有储量丰富、稳定性强、连续性好等一系列优点。随着地热开发技术的不断发展，注携热工质开采干热岩、深部咸水层等非常规地热资源日益受到关注，尤其当选用超临界CO2为携热工质时，还能实现CO2地质封存。其中，干热岩地热开采前需对储层进行人工压裂，一方面裂隙方向和空间分布控制较难，且初投资较大；另一方面容易造成储层损伤，引发地震等地质灾害，开发利用风险大。而相比之下，深部咸水层、枯竭油气藏等地热资源的储层内部为天然多孔结构，地热开采前从无需人工压裂，并且储层体积大，极具地热能开发与利用潜力。
然而，深部咸水层、枯竭油气藏等深部含水层的储层孔隙结构非常复杂，并且孔隙中一般充满热盐水，携热工质在储层孔隙内的流动换热是一个极其复杂的多场多组分耦合过程。携热工质在储层内的热-流-化多场耦合流动传热机理、井筒-储层非等温热质输运机理等尚不明确，亟需深入开展相关研究。受制于储层内的高温高压和复杂地质条件，很难设计和开展实地注采实验，故现阶段的研究多采用仿真和数值模拟手段，但这些研究在模拟时都进行了假设和简化，使得模拟结果与实际情况总会存在一定误差。鉴于现阶段还缺乏模拟注携热工质开采深部含水层地热能的实验系统及测试方法，并且少量实验方面的研究仅仅开展了携热工质与储层岩石样本间的化学反应测试，并不能反映注携热工质开采地热能的全貌，设计一套能够模拟研究携热工质从注入到采出全过程流动换热和热质输运特性的实验系统，并开发对应的测试方法非常必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统及测试方法，用以研究储层内携热工质多场耦合流动传热机理、井筒-储层非等温热质输运机理等内容，解决注携热工质开采深部含水层地热能的研究在实验方面存在空缺的问题。
注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统包括地热储层模拟装置Ⅰ、携热工质注采装置Ⅱ、携热工质回收处理装置Ⅲ、数据采集与控制系统Ⅳ。
注携热工质开采深部含水层地热能的测试方法包括如下步骤：
步骤一、制作地热储层模拟装置，地热储层模拟装置Ⅰ包括高压反应容器、储层加热装置、岩石实验样品；
所述高压反应容器包括不锈钢壳体、隔热保温层、顶部注入孔；
所述储层加热装置包括侧面第一加热器、侧面第二加热器、侧面第三加热器和底部加热器；
在高压反应容器1内壁侧安装侧面第一加热器、侧面第二加热器、侧面第三加热器；在高压反应容器底部安装底部加热器；并将侧面第一加热器、侧面第二加热器、侧面第三加热器、底部加热器并联到220V的电压上；
将侧面第一加热器、侧面第二加热器、侧面第三加热器设定不同加热功率，大小为W23＞W22＞W21，以模拟地热储层温度沿深度逐渐升高的效果，将底部加热器设置恒定加热功率，并且W24＞W23＞W22＞W21，以模拟大地热流效果；
步骤二、将实地取材的岩石实验样品填充至高压反应容器内，装填的同时将12个温度传感器AT1-AT2、12个压力传感器AP1－AP12均匀安装在岩石实验样品中；
通过高压反应容器的顶部注入孔向岩石实验样品的孔隙中注入盐水，以实现对深部含水层地热储层的模拟；
步骤三、制作携热工质注采装置，携热工质注采装置包括携热工质储存罐、供给管路、注入井、采出井、采出管路；携热工质储存罐通过供给管路、注入井与地热储层模拟装置相连；
供给管路上设置有供给流量控制阀、供给流量计、供给加热器、加压注射泵、压力释放阀；
在供给管路上安装1个温度传感器BT1、1个压力传感器BP1和1个供给流量计；
在采出管路上安装1个温度传感器BT8、1个压力传感器BP8和1个采出流量计，在采出管路安装1个离子浓度监测器ISE；
供给携热工质时，供给管路上的供给流量控制阀打开，并通过调整开度实现对携热工质的注入流量控制，随后携热工质储存罐供应的工质在供给管路内流动，供给管路上的供给加热器、加压注射泵可根据要求将携热工质调整至指定的注入温度和注入压力；
携热工质经供给管路进入至地热储层模拟装置内，并由注入井底部注入至岩石实验样品内进行流动换热；
采出管路上设置有采出泵、采出流量计、采出流量阀；携热工质在岩石实验样品内流动换热后，在采出泵的驱动下，经采出井被采出至采出管路，采出流量阀可根据要求调整开度，以实现对采出流量的控制；
步骤四、在注入井内均匀布置温度传感器BT2～4和压力传感器BP2～4；
在采出井内均匀布置温度传感器BT5～7和压力传感器BP5～7；
选用“两注一采”的布井方案，将注入井和采出井安装在地热储层模拟装置的岩石试验样品中，注入井布置在采出井两侧，采出井布置在中间；
步骤五、制作携热工质回收处理装置，制作携热工质回收处理装置包括过滤器、气体回收装置、液体回收装置、处理装置；
气体回收装置包括气路关断阀、膜吸收分离器、溴化锂溶液发生器、减压阀、干燥器、贮存器、贮存器流量阀；
液体回收装置包括液路关断阀、溶液浓度调节器；
处理装置包括温度控制器、压力控制器、循环流量计；
过滤器与采出管路相连，筛滤分离固体杂质；
若所述携热工质为气态工质，则分离固体杂质后气液混合物进入以中空纤维膜为组件的膜吸收分离器，中空纤维膜两侧逆向流动着工质采出液和溴化锂溶液，采出液中的盐水经中空纤维膜组件被溴化锂浓溶液吸收，而气态工质则被阻挡，进而实现气液分离；吸收盐水后的溴化锂溶液进入发生器被加热，加热时水分蒸出，而浓缩后的溴化锂溶液则通过减压阀减压后，再次流回膜吸收分离器，实现循环利用；
经气液分离后的携热工质由膜吸收分离器流入干燥器，干燥器内对携热工质进行加热，使工质中的水分析出，实现工质干燥；贮存器与干燥器相连，用于暂存回收后的气态工质，贮存器可以输出持续稳定的工质气流；携热工质自贮存器流出后，相继流经温度控制器、压力控制器，被调整至指定温度、压力后重新流回储存罐，实现资源的循环利用；
若所述携热工质为液态工质，则固液分离后的液体进入液体回收装置，经溶液浓度调节器调整至规定浓度后，相继流经温度控制器、压力控制器，被调整至指定温度、压力后重新流回储存罐，实现资源的循环利用；
步骤六、制作数据采集与控制系统，数据采集与控制系统包括控制器和温度传感器AT1～12、BT1～8、CT1，压力传感器AP1～12、BP1～8、CP1，离子浓度监测器ISE；
温度传感器AT1～12和压力传感器AP1～12均匀布置在岩石实验样品内，当携热工质自注入井注入地热储层并进行流动换热时，温度传感器AT1～12和压力传感器AP1～12可实时记录储层的温度、压力变化；
步骤七、将步骤一至步骤四所述的加热器、温度传感器、压力传感器、离子浓度监测器以及各处流量控制阀接线端与控制器相连；
步骤八、打开电源，通过控制器控制侧面第一加热器、侧面第二加热器、侧面第三加热器、底部加热器处于不同热功率，预热岩石实验样品；加热1小时后，待岩石实验样品温度稳定后开始实验；
步骤九、在控制器上输入携热工质的注入参数，并控制各处阀门打开，循环携热工质进行实验；
步骤十、通过控制器读取并实时监测系统井筒和储层内携热工质的温度、压力值；读取并记录携热工质注入和采出的温度、压力值，分析系统的采热效率和热开采量；
步骤十一、读取并记录离子浓度监测器的检测值；
步骤十二、读取并记录携热工质注入和采出流量值，分析工质在储层内消耗量；
步骤十三、设定控制器以最大采热效率为优化目标，自动调整携热工质的注入参数，分析得出系统最大采热效率。
本发明的有益效果为：
所述注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统包括地热储层模拟装置Ⅰ、携热工质注采装置Ⅱ、携热工质回收处理装置Ⅲ、数据采集与控制系统Ⅳ。所述的地热储层模拟装置Ⅰ用于模拟研究携热工质在深部含水层储层内的多场耦合流动换热机理；携热工质注采装置Ⅱ用于控制携热工质注采参数和模拟研究井筒-储层非等温热质输运机理；所述携热工质回收处理装置Ⅲ用于采出液中携热工质的分离、干燥和回收，并对携热工质进行加热加压处理，再将回收后的携热工质注入储存罐，实现资源循环利用。
所述的地热储层模拟装置Ⅰ包括高压反应容器1、储层加热装置2、岩石实验样品3。所述高压反应容器1顶部设置斜对角布置的顶部注入孔13，能够在实验开始前选择是否向岩石实验样品的孔隙中充注热盐水，实现地热储层有/无热盐水的模拟；所述储层加热装置2包括侧面加热器21、22、23和底部加热器24，通过设置加热器21、22、23产生不同的发热功率，实现地热储层温度沿深度逐渐升高的模拟，通过设置加热器24产生不同的发热功率，模拟不同地区的大地热流；所述的岩石实验样品3可根据研究对象而实地取材和灵活拆换，并可通过改变所填充岩石样品体积的大小模拟地热储层孔隙度的变化。
所述携热工质注采装置Ⅱ包括携热工质储存罐4、供给管路5、注入井6、采出井7、采出管路8。所述的供给管路5包括供给流量阀51、供给加热器53、加压注射泵54、压力释放阀55，可实现携热工质注入流量、压力和温度的调节；所述的注入井6和采出井7的间距可灵活调整，进而研究注采井间距对系统性能的影响。
所述携热工质回收处理装置Ⅲ的进口端和出口端分别与所述采出管路8、携热工质储存罐4相连，经回收处理后的携热工质再次被注入储存罐，以实现资源循环利用。所述实验系统的携热工质可以是以超临界CO2为代表的气态工质，也可以是以H2O为代表的液态工质。所述过滤器9出口端和温度控制器121进口端之间设置并联的两个支路，即气体回收装置10和液体回收装置11。可见，本发明所提供的实验系统适用工质范围广泛，还能够用于开展不同实验工质流动换热性能的对比研究。
所述数据采集与控制系统Ⅳ包括控制器13和上文所述的温度传感器AT1～12、BT1～8、CT1，压力传感器AP1～12、BP1～8、CP2，离子浓度监测器ISE。所述的各温度传感器、压力传感器、离子浓度监测器的单独功能已在上文说明。所述的控制器13与所有的温度传感、压力传感器、离子浓度监测器相连。一方面，控制器13能够实时采集和记录实验系统各点的温度、压力状况以及携热工质采出液中的Ca+等浓度。另一方面，能够控制加热器21、22、23、24处于不同发热功率，以模拟地热储层温度变化情况；能够控制流量控制阀51和83、供给加热器53、加压注射泵54、采出泵81，根据实验要求调整携热工质注采参数，并能结合温度和压力传感器的记录值，以规定时间内最大取热量为目标，分析得出实验条件下系统最佳注采参数区间；能够根据离子浓度监测器ISE所记录的Ca+等浓度，判断地热储层内水-岩-工质化学反应强度及其对携热工质采热的影响，并分析得出使得化学反应强度最低的携热工质注采参数区间。
此外，所述数据采集与控制系统Ⅳ与携热工质储存罐4、供给流量计52、贮存器106、贮存器流量计107相连，能够记录整个实验系统中携热工质质量流量变化情况，进而分析携热工质在地热储层内的消耗量。尤其当所述携热工质为超临界CO2时，携热工质消耗量即为CO2的地质封存量。
附图说明
图1是本发明实验系统的整体结构示意图；
图2是本发明地热储层模拟装置的结构示意图；
图3是本发明地热储层模拟装置的俯视图；
图4是本发明携热工质注入装置的结构示意图；
图5是本发明携热工质采出装置的结构示意图；
图6是本发明携热工质回收处理装置的结构示意图。
附图标记
Ⅰ、地热储层模拟装置；Ⅱ、携热工质注采装置；Ⅲ、携热工质回收处理装置；1、高压反应容器；11、不锈钢壳体；12、壳体隔热保温层；13、顶部注入孔；2、储层加热装置；21、侧面第一加热器；22、侧面第二加热器；23、侧面第三加热器；24、底部加热器；3、岩石实验样品；4、携热工质储存罐；5、供给管路；51、供给流量控制阀；52、供给流量计；53、供给加热器；54、加压注射泵；55、压力释放阀；6、注入井；61、PVDF井体；62、井筒保温隔热层；7、采出井；8、采出管路；81、采出泵；82、采出流量计；83、采出流量阀；9、过滤器；10、气体回收装置；101、气路关断阀；102、膜吸收分离器；103、溴化锂溶液发生器；104、减压阀；105、干燥器；106、贮存器；107、贮存器流量阀；11、液体回收装置；111、液路关断阀；112、溶液浓度调节器；12、处理装置；121、温度控制器；122、压力控制器；123、循环流量计；13、控制器；AT1～12、储层温度传感器；AP1～12、储层压力传感器；BT1、供气温度传感器；BP1、供气压力传感器；BT2～4、注入井温度传感器；BP2～4、注入井压力传感器；BT5～7、采出井温度传感器；BP5～7、采出井压力传感器；BT8、采出温度传感器；BP8、采出压力传感器；ISE、离子浓度监测器；CT1、循环温度传感器；CP1、循环压力传感器。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统包括地热储层模拟装置Ⅰ、携热工质注采装置Ⅱ、携热工质回收处理装置Ⅲ、数据采集与控制系统Ⅳ；
所述地热储层模拟装置Ⅰ用于模拟研究携热工质在深部含水层储层内的多场耦合流动换热机理；
所述携热工质注采装置Ⅱ用于控制携热工质注采参数和模拟研究井筒-储层非等温热质输运机理；
所述携热工质回收处理装置Ⅲ用于采出液中携热工质的分离、干燥和回收，并对携热工质进行加热加压处理，再将回收后的携热工质注入储存罐，实现资源循环利用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述地热储层模拟装置Ⅰ包括高压反应容器1、储层加热装置2、岩石实验样品3；
所述高压反应容器1由不锈钢材质制成，具有较强的耐高温高压和耐腐蚀性能；
所述高压反应容器1包括不锈钢壳体11、隔热保温层12、顶部注入孔13；
所述顶部注入孔13位于高压反应容器1顶部，能够在实验开始前选择是否向岩石实验样品的孔隙中充注热盐水，实现地热储层有/无热盐水的模拟；
所述储层加热装置2采用板式电加热器，贴附安装在高压反应容器1内壁；
所述储层加热装置2包括自上而下的三层侧面加热器侧面第一加热器21、侧面第二加热器22、侧面第三加热器23和底部加热器24；
其中侧面第一加热器21、侧面第二加热器22、侧面第三加热器23设定不同加热功率，以模拟地热储层温度沿深度逐渐升高的情况；
其中底部加热器24设定不同的发热功率，模拟不同地区的大地热流；
所述岩石实验样品3实地取材自深部含水层，可灵活拆装并通过改变岩石样品的体积来模拟地热储层孔隙度的改变；
所述岩石实验样品3内均匀布置温度传感器AT1～12和压力传感器AP1～12，岩石实验样品3内通过布置注入井6和采出井7与携热工质注采装置Ⅱ相连。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述携热工质注采装置Ⅱ包括携热工质储存罐4、供给管路5、注入井6，采出井7、采出管路8；
所述携热工质储存罐4的内罐和外壳分别采用不锈钢和压力容器用钢材料(碳钢和碳锰钢是压力容器中使用最广的一类钢，如A3R、16MnR等；)制作，用以储存实验所需的携热工质；
所述供给管路5前接携热工质储存罐4，后接注入井6，供给管路5上自前向后依次安装供给流量阀51、供给流量计52、供给加热器53、加压注射泵54、压力释放阀55、压力传感器BP1、温度传感器BT1；可实现携热工质注入流量、压力和温度的调节；
所述注入井6的主体为耐高温高压和耐腐蚀的PVDF管材61，PVDF管材61外壁敷设隔热保温材料62，注入井6内部均匀布置温度传感器BT2～4和压力传感器BP2～4；
所述采出井7的主体为耐高温高压和耐腐蚀的PVDF管材71，PVDF管材71外壁敷设隔热保温材料72，采出井7内部均匀布置温度传感器BT5～7和压力传感器BP5～7，采出井井深较低；
所述采出管路8连接采出井7，采出管路8上依次包括采出泵81、压力传感器BP8、温度传感器BT8、离子浓度监测器ISE、采出流量计82、采出流量阀83，用于研究储层内水-岩-工质化学反应，采出管路8后接携热工质回收处理装置Ⅲ；
所述注入井6和采出井7的间距可灵活调整，进而研究注采井间距对系统性能的影响。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述携热工质回收处理装置Ⅲ前接采出管路8，后接携热工质储存罐4，经回收处理后的携热工质再次被注入携热工质储存罐4，以实现资源循环利用；
所述携热工质回收处理装置Ⅲ包括用于筛滤分离固体杂质的过滤器9、气体回收装置10、液体回收装置11、处理装置12；
所述气体回收装置10依次包括气路关断阀101、膜吸收分离器102、溴化锂溶液发生器103、减压阀104、干燥器105、贮存器106、贮存器流量阀107；
其中膜吸收分离器102用于分离热盐水和气态工质，干燥器105用于干燥分离后的气态工质；
所述液体回收装置11依次包括液路关断阀111、溶液浓度调节器112；
所述处理装置12依次包括温度控制器121、压力控制器122、循环流量计123。
所述过滤器9进口端连接管路8，
所述过滤器9出口端和温度控制器121进口端之间设置并联的两个支路，即气体回收装置10和液体回收装置11。
102、103、104组成的是一个溴化锂吸收式循环。分离固体杂质后气液混合物进入以中空纤维膜为组件的膜吸收分离器102，中空纤维膜两侧逆向流动着工质采出液和溴化锂浓溶液，采出液中的盐水经中空纤维膜组件被溴化锂浓溶液吸收，而气态工质则被阻挡，进而实现气液分离；吸收盐水后的溴化锂稀溶液进入发生器103被加热，加热时水分蒸出，而浓缩后的溴化锂浓溶液则通过减压阀104减压后，再次流回膜吸收分离器102，实现循环利用。106用于暂时贮存分离和干燥后的CO2等气态工质，起到容量调节的作用。107用于控制流量。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述实验系统的携热工质可以是以超临界CO2为代表的气态工质，也可以是以H2O为代表的液态工质；
可见，本发明所提供的实验系统适用工质范围广泛，还能够用于开展不同实验工质流动换热性能的对比研究。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述数据采集与控制系统Ⅳ包括控制器13和上文所述的温度传感器AT1～12、BT1～8、CT1，压力传感器AP1～12、BP1～8、CP1，离子浓度监测器ISE；
所述温度传感器AT1～12均匀布置在岩石实验样品中，以实时监测地热储层内的温度变化情况；
所述压力传感器BP1和温度传感器BT1安装在供给管路5上，布置在注入井6井口前，用于记录携热工质的注入压力和温度；
所述压力传感器BP2～4和温度传感器BT2～4均匀安装在注入井内，用于记录携热工质注入过程中压力和温度变化情况；
所述压力传感器BP5～7和温度传感器BT5～7均匀安装在采出井内，用于记录携热工质采出过程中压力和温度变化情况；
所述压力传感器BP8和温度传感器BT8安装在采出泵81与离子浓度监测器ISE之间，用于记录携热工质的采出压力和温度；
所述压力传感器CP1和温度传感器CT1安装在压力控制器123与携热工质储存罐4之间，用于判断携热工质处理后的压力和温度是否符合储存罐的注入要求；
所述离子浓度监测器ISE安装在采出泵81和流量计82之间，用于记录携热工质采出液中Ca+等浓度，携热工质在储层内会与热盐水、矿物岩石发生化学反应，生成Ca+等无机离子，离子浓度监测器ISE通过记录工质采出液中Ca+等浓度，进而研究地热储层内水-岩-工质化学反应情况。
所述各温度传感器、压力传感器、离子浓度监测器的单独功能已在上文说明；
所述控制器13与所有的温度传感、压力传感器、离子浓度监测器相连；
所述控制器13能够实时采集和记录实验系统各点的温度、压力状况以及携热工质采出液中的Ca+等浓度；
所述控制器13能够控制加热器21、22、23、24处于不同发热功率，以模拟地热储层温度变化情况；
所述控制器13能够控制流量控制阀51和83、供给加热器53、加压注射泵54、采出泵81，根据实验要求调整携热工质注采参数，并能结合温度和压力传感器的记录值，以规定时间内最大取热量为目标，分析得出实验条件下系统最佳注采参数区间；
所述控制器13能够根据离子浓度监测器ISE记录的Ca+等浓度，判断地热储层内水-岩-工质化学反应强度及其对携热工质采热的影响，并分析得出使得化学反应强度最低的携热工质注采参数区间。
所述数据采集与控制系统Ⅳ与携热工质储存罐4、供给流量计52、贮存器106、贮存器流量计107相连，能够记录整个实验系统中携热工质质量流量变化情况，进而分析携热工质在地热储层内的消耗量；
当所述携热工质为超临界CO2时，携热工质消耗量即为CO2的地质封存量。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式注携热工质开采深部含水层地热能的测试方法包括如下步骤：
步骤一、根据实验要求制作地热储层模拟装置，地热储层模拟装置Ⅰ包括高压反应容器1、储层加热装置2、岩石实验样品3；
所述高压反应容器1包括不锈钢壳体11、隔热保温层12、顶部注入孔13；
所述储层加热装置2包括侧面第一加热器21、侧面第二加热器22、侧面第三加热器23和底部加热器24；
在高压反应容器1内壁侧安装板式电加热器侧面第一加热器21、侧面第二加热器22、侧面第三加热器23；在高压反应容器底部安装板式电加热器底部加热器24；并将侧面第一加热器21、侧面第二加热器22、侧面第三加热器23、底部加热器24并联到220V的电压上；
将侧面第一加热器21、侧面第二加热器22、侧面第三加热器33设定不同加热功率，大小为W23＞W22＞W21，以模拟地热储层温度沿深度逐渐升高的效果，将底部加热器24设置恒定加热功率，并且W24＞W23＞W22＞W21，以模拟大地热流效果；
步骤二、实验开始前，将实地取材的岩石实验样品3填充至高压反应容器1内，装填的同时将12个温度传感器AT1-AT2、12个压力传感器AP1-AP12均匀安装在岩石实验样品中；
通过高压反应容器1的顶部注入孔13向岩石实验样品3的孔隙中注入热盐水，以实现对具体研究对象，即某深部含水层地热储层的模拟；
步骤三、作为可选地实施方式，如图4、5所示，制作携热工质注采装置，携热工质注采装置包括携热工质储存罐4、供给管路5、注入井6、采出井7、采出管路8；携热工质储存罐4通过供给管路5、注入井6与地热储层模拟装置相连；
供给管路5上设置有供给流量控制阀51、供给流量计52、供给加热器53、加压注射泵54、压力释放阀55；
在供给管路5上安装1个温度传感器BT1、1个压力传感器BP1和1个供给流量计52，在采出管路8上安装1个温度传感器BT8、1个压力传感器BP8和1个采出流量计82，在采出管路8安装1个离子浓度监测器ISE；
供给携热工质时，供给管路5上的供给流量控制阀51打开，并通过调整开度实现对携热工质的注入流量控制，随后携热工质储存罐4供应的工质在供给管路5内流动，供给管路5上的供给加热器53、加压注射泵54可根据实验具体要求将携热工质调整至指定的注入温度和注入压力；
携热工质经供给管路5进入至地热储层模拟装置内，并由注入井6底部注入至岩石实验样品3内进行流动换热；
携热工质在岩石实验样品3内的流动换热受到温度场、速度场的协同驱动，是一个非等温多相渗流过程，携热工质在储层内会与热盐水、岩石样品发生化学反应，并受到储层上下岩层热量传导的影响。
采出管路8上设置有采出泵81、采出流量计82、采出流量阀83；携热工质在岩石实验样品3内流动换热后，在采出泵81的驱动下，经采出井7被采出至采出管路8，采出流量阀83可根据实验要求调整开度，以实现对采出流量的控制；
携热工质在采出井内的采出过程受到循环动力、重力、浮力的综合作用，是一个热质耦合输运过程，且携热工质采出液的温度、压力等参数将沿程变化。
步骤四、在注入井6内均匀布置温度传感器BT2～4和压力传感器BP2～4；
在采出井7内均匀布置温度传感器BT5～7和压力传感器BP5～7，采出井井深较低；
选用“两注一采”的布井方案，将注入井6和采出井7安装在地热储层模拟装置的岩石试验样品中，注入井6布置在采出井7两侧，采出井7布置在中间；
步骤五、作为可选地实施方式，如图6所示，制作携热工质回收处理装置，制作携热工质回收处理装置包括过滤器9、气体回收装置10、液体回收装置11、处理装置12；
气体回收装置10包括气路关断阀101、膜吸收分离器102、溴化锂溶液发生器103、减压阀104、干燥器105、贮存器106、贮存器流量阀107；
液体回收装置11包括液路关断阀111、溶液浓度调节器112；
处理装置12包括温度控制器121、压力控制器122、循环流量计123；
过滤器9与采出管路8相连，由于岩石实验样品3中发生水-岩-工质化学反应的原因，携热工质采出液中会含有少量化学反应物，即固体杂质，工质采出液经采出管路8后进入过滤器9筛滤分离固体杂质；
若所述携热工质为气态工质，则分离固体杂质后气液混合物进入以中空纤维膜为组件的膜吸收分离器102，中空纤维膜两侧逆向流动着工质采出液和溴化锂浓溶液，采出液中的盐水经中空纤维膜组件被溴化锂浓溶液吸收，而气态工质则被阻挡，进而实现气液分离；吸收盐水后的溴化锂稀溶液进入发生器103被加热，加热时水分蒸出，而浓缩后的溴化锂浓溶液则通过减压阀104减压后，再次流回膜吸收分离器102，实现循环利用；
经气液分离后的携热工质由膜吸收分离器102流入干燥器105，干燥器105内对携热工质进行加热，使工质中的水分析出，实现工质干燥；贮存器106与干燥器105相连，用于暂存回收后的气态工质，贮存器106可以输出持续稳定的工质气流，避免过压等情况发生；携热工质自贮存器106流出后，相继流经温度控制器121、压力控制器122，被调整至指定温度、压力后重新流回储存罐4，实现资源的循环利用；
若所述携热工质为液态工质，则固液分离后的液体进入液体回收装置11，经溶液浓度调节器112调整至规定浓度后，相继流经温度控制器121、压力控制器122，被调整至指定温度、压力后重新流回储存罐4，实现资源的循环利用；
步骤六、作为可选地实施方式，制作数据采集与控制系统，数据采集与控制系统包括控制器13和温度传感器AT1～12、BT1～8、CT1，压力传感器AP1～12、BP1～8、CP1，离子浓度监测器ISE；
温度传感器AT1～12和压力传感器AP1～12均匀布置在岩石实验样品3内，当携热工质自注入井6注入地热储层并进行流动换热时，温度传感器AT1～12和压力传感器AP1～12可实时记录储层的温度、压力变化；
步骤七、将步骤一至步骤四所述的加热器、温度传感器、压力传感器、离子浓度监测器以及实验系统中的各处流量控制阀接线端与控制器13相连；
步骤八、打开电源，结合具体研究对象，通过控制器13控制侧面第一加热器21、侧面第二加热器22、侧面第三加热器23、底部加热器24处于不同热功率，预热岩石实验样品；加热1小时后，待岩石实验样品温度稳定后开始实验；
步骤九、根据实验要求，在控制器13上输入携热工质的注入参数，并控制系统各处阀门打开，循环携热工质进行实验；
步骤十、通过控制器13读取并实时监测系统井筒和储层内携热工质的温度、压力值；读取并记录携热工质注入和采出的温度、压力值，分析系统的采热效率和热开采量；
步骤十一、读取并记录离子浓度监测器的检测值，分析储层化学反应程度；
步骤十二、读取并记录携热工质注入和采出流量值，分析工质在储层内消耗量；
步骤十三、设定控制器13以最大采热效率为优化目标，自动调整携热工质的注入参数(主要指注入压力、注入温度、注入质量流量)，分析得出实验条件下的系统最大采热效率；
分析系统注入压力、注入温度、注入质量流量等注入参数的变化情况，比如找出最大或满足要求的采热效率对应的注采参数区间等；
热开采量、CO2消耗量和化学反应是需要监测的量；
热开采量作用：比如算一下这块储层的地热总共能提供多少热量，能够用于多大面积的供暖或用于发多少电；
所述控制器13与上述所有温度传感器、压力传感器、离子浓度监测器、流量控制阀、储层加热装置相连；
所述控制器13与携热工质储存罐4、供给流量计52、贮存器106、循环流量计123相连，若所述携热工质选用超临界CO2，则控制器13能够记录整个实验系统中超临界CO2储量变化情况，用以反映CO2地质封存效果。
此外，所述数据采集与控制系统能在采集实验系统各处温度值、压力值、流量值的基础上，以最高采热效率为目标，分析得出携热工质的最佳注采参数区间。能够在采集Ca+等浓度的基础上，分析得出水-岩-工质化学反应对携热工质采热效率的影响。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是，所述步骤十中采热效率和热开采量的计算公式如下：
H＝(hg,outmg,out+hsms)-hg,inmg,in
式中，H为系统采热效率，单位为W；mg,out为工质的采出质量流量，单位为kg/s；mg,in为工质的注入质量流量，单位为kg/s；ms为热盐水的采出质量流量，单位为kg/s；hg,out为工质采出时的焓值，单位为J/kg；hg,in为工质注入时的焓值，单位为J/kg；hs为热盐水采出时的焓值，单位为J/kg；其中，根据温度、压力监测值，控制器可自动查询物性参数表并获取对应工质热焓数值。
式中，G为热开采量，单位为J；t为实验时间，单位为s。
其它步骤及参数与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是，所述步骤十二中读取并记录携热工质注入和采出流量值，分析工质在储层内消耗量，消耗量的计算公式如下：
Δm＝mg,in-mg,out
式中，Δm为携热工质的储层消耗量，kg/s。
其它步骤及参数与具体实施方式七或八相同。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统，其特征在于：所述系统包括地热储层模拟装置Ⅰ、携热工质注采装置Ⅱ、携热工质回收处理装置Ⅲ、数据采集与控制系统Ⅳ。
2.根据权利要求1所述的注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统，其特征在于：所述地热储层模拟装置Ⅰ包括高压反应容器(1)、储层加热装置(2)、岩石实验样品(3)；
所述高压反应容器(1)由不锈钢材质制成；
所述高压反应容器(1)包括不锈钢壳体(11)、隔热保温层(12)、顶部注入孔(13)；
所述顶部注入孔(13)位于高压反应容器(1)顶部，能够在实验开始前选择是否向岩石实验样品的孔隙中充注热盐水，实现地热储层有/无热盐水的模拟；
所述储层加热装置(2)采用板式电加热器，贴附安装在高压反应容器(1)内壁；
所述储层加热装置(2)包括自上而下的三层侧面加热器侧面第一加热器(21)、侧面第二加热器(22)、侧面第三加热器(23)和底部加热器(24)；
其中侧面第一加热器(21)、侧面第二加热器(22)、侧面第三加热器(23)设定不同加热功率，以模拟地热储层温度沿深度逐渐升高的情况；
其中底部加热器(24)设定不同的发热功率，模拟不同地区的大地热流；
所述岩石实验样品(3)实地取材自深部含水层，可灵活拆装并通过改变岩石样品的体积来模拟地热储层孔隙度的改变；
所述岩石实验样品(3)内均匀布置温度传感器AT1～12和压力传感器AP1～12，岩石实验样品(3)内通过布置注入井(6)和采出井(7)与携热工质注采装置Ⅱ相连。
3.根据权利要求2所述的注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统，其特征在于：所述携热工质注采装置Ⅱ包括携热工质储存罐(4)、供给管路(5)、注入井(6)，采出井(7)、采出管路(8)；
所述携热工质储存罐(4)的内罐和外壳分别采用不锈钢和压力容器用钢材料制作，用以储存实验所需的携热工质；
所述供给管路(5)前接携热工质储存罐(4)，后接注入井(6)，供给管路(5)上自前向后依次安装供给流量阀(51)、供给流量计(52)、供给加热器(53)、加压注射泵(54)、压力释放阀(55)、压力传感器BP1、温度传感器BT1；
所述注入井(6)的主体为PVDF管材(61)，PVDF管材(61)外壁敷设隔热保温材料(62)，注入井(6)内部均匀布置温度传感器BT2～4和压力传感器BP2～4；
所述采出井(7)的主体为PVDF管材(71)，PVDF管材(71)外壁敷设隔热保温材料(72)，采出井(7)内部均匀布置温度传感器BT5～7和压力传感器BP5～7；
所述采出管路(8)连接采出井(7)，采出管路(8)上依次包括采出泵(81)、压力传感器BP8、温度传感器BT8、离子浓度监测器ISE、采出流量计(82)、采出流量阀(83)，采出管路(8)后接携热工质回收处理装置Ⅲ。
4.根据权利要求3所述的注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统，其特征在于：所述携热工质回收处理装置Ⅲ前接采出管路(8)，后接携热工质储存罐(4)，经回收处理后的携热工质再次被注入携热工质储存罐(4)，以实现资源循环利用；
所述携热工质回收处理装置Ⅲ包括用于筛滤分离固体杂质的过滤器(9)、气体回收装置(10)、液体回收装置(11)、处理装置(12)；
所述气体回收装置(10)依次包括气路关断阀(101)、膜吸收分离器(102)、溴化锂溶液发生器(103)、减压阀(104)、干燥器(105)、贮存器(106)、贮存器流量阀(107)；
其中膜吸收分离器(102)用于分离热盐水和气态工质，干燥器(105)用于干燥分离后的气态工质；
所述液体回收装置(11)依次包括液路关断阀(111)、溶液浓度调节器(112)；
所述处理装置(12)依次包括温度控制器(121)、压力控制器(122)、循环流量计(123)；
所述过滤器(9)进口端连接管路(8)；
所述过滤器(9)出口端和温度控制器(121)进口端之间设置并联的两个支路，即气体回收装置(10)和液体回收装置(11)。
5.根据权利要求4所述的注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统，其特征在于：所述实验系统的携热工质可以是以超临界CO2为代表的气态工质，也可以是以H2O为代表的液态工质。
6.根据权利要求5所述的注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统，其特征在于：所述数据采集与控制系统Ⅳ包括控制器(13)和温度传感器AT1～12、BT1～8、CT1，压力传感器AP1～12、BP1～8、CP1，离子浓度监测器ISE；
所述温度传感器AT1～12均匀布置在岩石实验样品中，以实时监测地热储层内的温度变化情况；
所述压力传感器BP1和温度传感器BT1安装在供给管路(5)上，布置在注入井(6)井口前，用于记录携热工质的注入压力和温度；
所述压力传感器BP2～4和温度传感器BT2～4均匀安装在注入井内，用于记录携热工质注入过程中压力和温度变化情况；
所述压力传感器BP5～7和温度传感器BT5～7均匀安装在采出井内，用于记录携热工质采出过程中压力和温度变化情况；
所述压力传感器BP8和温度传感器BT8安装在采出泵(81)与离子浓度监测器ISE之间，用于记录携热工质的采出压力和温度；
所述压力传感器CP1和温度传感器CT1安装在压力控制器(123)与携热工质储存罐(4)之间，用于判断携热工质处理后的压力和温度是否符合储存罐的注入要求；
所述离子浓度监测器ISE安装在采出泵(81)和流量计(82)之间，用于记录携热工质采出液中Ca+浓度；
所述控制器(13)能够实时采集和记录各点的温度、压力状况以及携热工质采出液中的Ca+浓度；
所述控制器(13)能够控制加热器(21)、(22)、(23)、(24)处于不同发热功率；
所述控制器(13)能够控制流量控制阀(51)和(83)、供给加热器(53)、加压注射泵(54)、采出泵(81)；
所述数据采集与控制系统Ⅳ与携热工质储存罐(4)、供给流量计(52)、贮存器(106)、贮存器流量计(107)相连，能够记录携热工质质量流量变化情况。
7.注携热工质开采深部含水层地热能的测试方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一、制作地热储层模拟装置，地热储层模拟装置Ⅰ包括高压反应容器(1)、储层加热装置(2)、岩石实验样品(3)；
所述高压反应容器(1)包括不锈钢壳体(11)、隔热保温层(12)、顶部注入孔(13)；
所述储层加热装置(2)包括侧面第一加热器(21)、侧面第二加热器(22)、侧面第三加热器(23)和底部加热器(24)；
在高压反应容器(1)内壁侧安装侧面第一加热器(21)、侧面第二加热器(22)、侧面第三加热器(23)；在高压反应容器底部安装底部加热器(24)；并将侧面第一加热器(21)、侧面第二加热器(22)、侧面第三加热器(23)、底部加热器(24)并联到220V的电压上；
将侧面第一加热器(21)、侧面第二加热器(22)、侧面第三加热器(33)设定不同加热功率，大小为W23＞W22＞W21，以模拟地热储层温度沿深度逐渐升高的效果，将底部加热器(24)设置恒定加热功率，并且W24＞W23＞W22＞W21，以模拟大地热流效果；
步骤二、将实地取材的岩石实验样品(3)填充至高压反应容器(1)内，装填的同时将12个温度传感器AT1-AT2、12个压力传感器AP1－AP12均匀安装在岩石实验样品中；
通过高压反应容器1的顶部注入孔13向岩石实验样品3的孔隙中注入盐水，以实现对深部含水层地热储层的模拟；
步骤三、制作携热工质注采装置，携热工质注采装置包括携热工质储存罐(4)、供给管路(5)、注入井(6)、采出井(7)、采出管路(8)；携热工质储存罐(4)通过供给管路(5)、注入井(6)与地热储层模拟装置相连；
供给管路(5)上设置有供给流量控制阀(51)、供给流量计(52)、供给加热器(53)、加压注射泵(54)、压力释放阀(55)；
在供给管路(5)上安装1个温度传感器BT1、1个压力传感器BP1和1个供给流量计(52)；
在采出管路(8)上安装1个温度传感器BT8、1个压力传感器BP8和1个采出流量计(82)，在采出管路(8)安装1个离子浓度监测器ISE；
供给携热工质时，供给管路(5)上的供给流量控制阀(51)打开，并通过调整开度实现对携热工质的注入流量控制，随后携热工质储存罐(4)供应的工质在供给管路(5)内流动，供给管路(5)上的供给加热器(53)、加压注射泵(54)可根据要求将携热工质调整至指定的注入温度和注入压力；
携热工质经供给管路(5)进入至地热储层模拟装置内，并由注入井(6)底部注入至岩石实验样品(3)内进行流动换热；
采出管路(8)上设置有采出泵(81)、采出流量计(82)、采出流量阀(83)；携热工质在岩石实验样品(3)内流动换热后，在采出泵(81)的驱动下，经采出井(7)被采出至采出管路(8)，采出流量阀(83)可根据要求调整开度，以实现对采出流量的控制；
步骤四、在注入井(6)内均匀布置温度传感器BT2～4和压力传感器BP2～4；
在采出井(7)内均匀布置温度传感器BT5～7和压力传感器BP5～7；
选用“两注一采”的布井方案，将注入井(6)和采出井(7)安装在地热储层模拟装置的岩石试验样品中，注入井(6)布置在采出井(7)两侧，采出井(7)布置在中间；
步骤五、制作携热工质回收处理装置，制作携热工质回收处理装置包括过滤器(9)、气体回收装置(10)、液体回收装置(11)、处理装置(12)；
气体回收装置(10)包括气路关断阀(101)、膜吸收分离器(102)、溴化锂溶液发生器(103)、减压阀(104)、干燥器(105)、贮存器(106)、贮存器流量阀(107)；
液体回收装置(11)包括液路关断阀(111)、溶液浓度调节器(112)；
处理装置(12)包括温度控制器(121)、压力控制器(122)、循环流量计(123)；
过滤器(9)与采出管路(8)相连，筛滤分离固体杂质；
若所述携热工质为气态工质，则分离固体杂质后气液混合物进入以中空纤维膜为组件的膜吸收分离器(102)，中空纤维膜两侧逆向流动着工质采出液和溴化锂溶液，采出液中的盐水经中空纤维膜组件被溴化锂浓溶液吸收，而气态工质则被阻挡，进而实现气液分离；吸收盐水后的溴化锂溶液进入发生器(103)被加热，加热时水分蒸出，而浓缩后的溴化锂溶液则通过减压阀(104)减压后，再次流回膜吸收分离器(102)，实现循环利用；
经气液分离后的携热工质由膜吸收分离器(102)流入干燥器(105)，干燥器(105)内对携热工质进行加热，使工质中的水分析出，实现工质干燥；贮存器(106)与干燥器(105)相连，用于暂存回收后的气态工质，贮存器(106)可以输出持续稳定的工质气流；携热工质自贮存器(106)流出后，相继流经温度控制器(121)、压力控制器(122)，被调整至指定温度、压力后重新流回储存罐(4)，实现资源的循环利用；
若所述携热工质为液态工质，则固液分离后的液体进入液体回收装置(11)，经溶液浓度调节器(112)调整至规定浓度后，相继流经温度控制器(121)、压力控制器(122)，被调整至指定温度、压力后重新流回储存罐(4)，实现资源的循环利用；
步骤六、制作数据采集与控制系统，数据采集与控制系统包括控制器(13)和温度传感器AT1～12、BT1～8、CT1，压力传感器AP1～12、BP1～8、CP1，离子浓度监测器ISE；
温度传感器AT1～12和压力传感器AP1～12均匀布置在岩石实验样品(3)内，当携热工质自注入井(6)注入地热储层并进行流动换热时，温度传感器AT1～12和压力传感器AP1～12可实时记录储层的温度、压力变化；
步骤七、将步骤一至步骤四所述的加热器、温度传感器、压力传感器、离子浓度监测器以及各处流量控制阀接线端与控制器(13)相连；
步骤八、打开电源，通过控制器(13)控制侧面第一加热器(21)、侧面第二加热器(22)、侧面第三加热器(23)、底部加热器(24)处于不同热功率，预热岩石实验样品；加热1小时后，待岩石实验样品温度稳定后开始实验；
步骤九、在控制器(13)上输入携热工质的注入参数，并控制各处阀门打开，循环携热工质进行实验；
步骤十、通过控制器(13)读取并实时监测系统井筒和储层内携热工质的温度、压力值；读取并记录携热工质注入和采出的温度、压力值，分析系统的采热效率和热开采量；
步骤十一、读取并记录离子浓度监测器的检测值；
步骤十二、读取并记录携热工质注入和采出流量值，分析工质在储层内消耗量；
步骤十三、设定控制器(13)以最大采热效率为优化目标，自动调整携热工质的注入参数，分析得出系统最大采热效率。
8.根据权利要求7所述的注携热工质开采深部含水层地热能的测试方法，其特征在于：所述步骤十中采热效率和热开采量的计算公式如下：
H＝(hg,outmg,out+hsms)-hg,inmg,in
式中，H为系统采热效率，单位为W；mg,out为工质的采出质量流量，单位为kg/s；mg,in为工质的注入质量流量，单位为kg/s；ms为热盐水的采出质量流量，单位为kg/s；hg,out为工质采出时的焓值，单位为J/kg；hg,in为工质注入时的焓值，单位为J/kg；hs为热盐水采出时的焓值，单位为J/kg；
式中，G为热开采量，单位为J；t为实验时间，单位为s。
9.根据权利要求8所述的注携热工质开采深部含水层地热能的测试方法，其特征在于：所述步骤十二中读取并记录携热工质注入和采出流量值，分析工质在储层内消耗量，消耗量的计算公式如下：
Δm＝mg,in-mg,out
式中，Δm为携热工质的储层消耗量，kg/s。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310741414.9A CN116792952A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统及测试方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310741414.9A CN116792952A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 注携热工质开采深部含水层地热能的模拟实验系统及测试方法 |
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| CN116792952A true CN116792952A (zh) | 2023-09-22 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117432399A (zh) * | 2023-10-26 | 2024-01-23 | 青岛地质工程勘察院(青岛地质勘查开发局) | 一种带脉状热储地热流体可开采资源量计算方法 |
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2023
- 2023-06-21 CN CN202310741414.9A patent/CN116792952A/zh active Pending
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| CN117432399A (zh) * | 2023-10-26 | 2024-01-23 | 青岛地质工程勘察院(青岛地质勘查开发局) | 一种带脉状热储地热流体可开采资源量计算方法 |
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