CN117669162A - 地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地热开发相关技术领域，具体为地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，所述地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法包括地下水渗流与热量运移概念模型的建立过程；数学模型的建立过程；计算机模型的建立过程；模型的识别、验证过程；地下热水开发利用方案规划过程；通过设置由地下水渗流与热量运移概念模型的建立过程、数学模型的建立过程、计算机模型的建立过程和模型的识别、验证过程、地下热水开发利用方案规划过程组合构成的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，从而有效的对地热水系统水量和温度进行预估测量，从而更好的针对不同开采区进行地热资源开采计划，从而更加充分的对地热资源进行开采。
Description
技术领域
本发明涉及地热开发相关技术领域，具体为地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法。
背景技术
地热资源是蕴藏丰富且无污染的清洁能源，也是一种可再生能源。随着石油、煤炭等传统能源逐渐枯竭，合理开发利用地热资源，对缓解能源束缚和环境压力，促进能源结构调整和优化，提高经济增长的质量具有重要的意义，也是实现大力开发新能源，实现能源清洁发展、安全发展、环境友好发展和可持续发展的一项重要的战略举措；
地热资源在开采前，需要对地热流体的可开采热能进行估算，而现阶段并没有较为完善的估算方法，为此，本发明提出地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法用以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，所述地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法包括：
步骤一：地下水渗流与热量运移概念模型的建立过程，所述地下水渗流与热量运移概念模型的建立过程中，通过野外调查与试验研究结果，对地区水文地质条件、地下水动态特征、地下热水成因及地下水系统热量运移转化特征进行分析的基础上，建立地区地下水渗流与热量运移概念模型；
步骤二：数学模型的建立过程，所述数学模型的建立过程中，通过研究地区水文地质概念模型，建立研究区地下水渗流与热量运移三维耦合数学模型；
步骤三：计算机模型的建立过程，所述计算机模型的建立过程中，通过对上述数学模型进行分析，并借助地下水渗流和热量运移三维模拟评价软件系统Feflow6.2，构建研究区地下水非稳定渗流与热量运移三维有限元可视化计算机模型；
步骤四：模型的识别、验证过程，所述模型的识别、验证过程中，通过对研究区开采井的初始水位、指定深度测温监测资料及实测地温增温规律，确定模型初始流场和初始温度场，并采用抽水试验的数据进行水位拟合，进而进行反演求证；
步骤五：地下热水开发利用方案规划过程，通过对各分区水文地质参数进行反演求证，并根据实验数据确定地下热水开发方案。
优选的，所述模型的识别、验证过程中用于对指定深度测温的装置包括：
检测球，所述检测球由外球体、内球体、外保护层和内保护层组合构成，所述外保护层设置在外球体的外侧壁上，所述内保护层设置在内球体的内侧壁上；
储料球，所述储料球设置在检测球的下方；
调压球，所述调压球设置在检测球的上方，所述储料球、调压球均由内球和外球组合构成，所述内球、外球体、内球体均由玻璃铸成，且内球、外球体之间为一体成型，所述外球体、内球体之间留有间隙；
外导电球，所述外导电球设置在外球体的内侧壁上，且外导电球上连接有一级导线；
内导电球，所述内导电球设置在内球体的外侧壁上，所述内导电球的外侧壁与外导电球的内侧壁之间并未接触，且内导电球、外导电球之间形成有流液腔，且内导电球上连接有二级导线；
所述一级导线、二级导线分别与电流计的正负极电信号连接。
优选的，所述储料球的内球之中储放有水银液，所述储料球的内腔通过一级连接孔与流液腔相连通，所述调压球的内腔通过二级连接孔与流液腔相连通，且储料球的内球之中注入有水银液。
优选的，所述一级导线、二级导线位于外保护层内部的线体部分上均包覆设置有玻璃层。
优选的，所述储料球的内球之中水银液在零摄氏度时的体积与内球的容积值相吻合，且流液腔的容积值为内球容积值的四分之一。
优选的，所述外导电球、内导电球均由铁铸成。
优选的，所述外导电球的外表面一体成型有外加固纹，所述内导电球的内表面一体成型有内加固纹，所述外加固纹一体成型在外球体之中，所述内加固纹一体成型在内球体之中。
优选的，所述外加固纹、内加固纹均由横向加固纹和纵向加固纹组合构成，所述横向加固纹、纵向加固纹均为截面呈大割圆的环形结构。
优选的，所述外保护层、内保护层、外球均由铁铸成，且外保护层、外球之间为一体成型，且外保护层的外表面、内保护层的内表面、外球的外表面均通过防锈涂层进行防锈处理。
优选的，所述外保护层、内保护层之间成型有通孔，且通孔对称设置有一组。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.通过设置由地下水渗流与热量运移概念模型的建立过程、数学模型的建立过程、计算机模型的建立过程和模型的识别、验证过程、地下热水开发利用方案规划过程组合构成的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，从而有效的对地热水系统水量和温度进行预估测量，从而更好的针对不同开采区进行地热资源开采计划，从而更加充分的对地热资源进行开采；
2.并通过设置由检测球、储料球、调压球、外导电球和内导电球组合构成的测温装置，并通过在储料球之中注入水银液，并在内导电球、外导电球之间设置流液腔，从而利用水银液的热胀冷缩，以让流液腔之中水银液的体积发生变化，从而有效改变外导电球、内导电球之间的有效导电面积，从而引起电阻的变化，从而达到改变电流值的目的，从而达到对温度进行测量的目的，并且水银热敏值较高，从而有效提高了对温度的测量准确性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1中C处结构放大示意图；
图3为本发明俯视图；
图4为图3中沿A-A线处剖视图；
图5为图4中D处结构放大示意图；
图6为图4中E处结构放大示意图；
图7为图3中沿B-B线处剖视图；
图8为图7中F处结构放大示意图；
图9为本发明外导电球结构示意图；
图10为模型平面剖分图；
图11为模型空间剖分图；
图12为研究区断裂带分布图；
图13为目的层初始流场图；
图14为目的层初始温度场图。
图中：检测球1、储料球2、调压球3、外导电球4、内导电球5、外球体6、内球体7、外保护层8、内保护层9、内球10、外球11、一级导线12、二级导线13、一级连接孔14、二级连接孔15、通孔16、外加固纹17、内加固纹18。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案进行清楚、完整地描述，及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶”、“底”、“侧”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
出于简明和说明的目的，实施例的原理主要通过参考例子来描述。在以下描述中，很多具体细节被提出用以提供对实施例的彻底理解。然而明显的是，对于本领域普通技术人员，这些实施例在实践中可以不限于这些具体细节。在一些实例中，没有详细地描述公知方法和结构，以避免无必要地使这些实施例变得难以理解。另外，所有实施例可以互相结合使用。
请参阅图1-9，本发明提供以下五种优选方案的实施例：
实施例一
地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法包括：
步骤一：地下水渗流与热量运移概念模型的建立过程，地下水渗流与热量运移概念模型的建立过程中，通过野外调查与试验研究结果，对地区水文地质条件、地下水动态特征、地下热水成因及地下水系统热量运移转化特征进行分析的基础上，建立地区地下水渗流与热量运移概念模型；
步骤二：数学模型的建立过程，数学模型的建立过程中，通过研究地区水文地质概念模型，建立研究区地下水渗流与热量运移三维耦合数学模型；
1.地下水非稳定渗流数学模型
取坐标轴方向与含水层各向异性主渗透方向一致，即研究区内F2断裂的发育方向，建立如下数学模型：
式中：
Kxx、Kyy、Kzz——各向异性主方向渗透系数；
h——点(x,y,z)在t时刻的水头值；W为源汇项；t为时间；
Ω——计算域；
h0(x,y,z,t0)——点(x,y,z)处初始水头值；
q(x,y,z,t)——第二类边界上单位面积的补给量；
cos(n,x)、cos(n,y)、cos(n,z)——流量边界外法线方向与坐标轴方向夹角的余弦；
μ——饱和差(自由面上升)或给水度(自由面下降)；
Γ1——第一类边界；
Γ2——第二类边界；
Γ3——自由面边界。
2.地下水热量运移数学模型
假设地下水和含水介质骨架的热动平衡是瞬时完成的，即含水介质骨架与周围地下水具有相同的温度，并忽略由于温度差引起水的密度差异而引起的上下自然对流的影响，建立地下水三维热量运移数学模型如下：
式中：
λx、λy、λz——各方向水的热动力弥散系数，由地下水与含水介质骨架的导热系数、地下水的横向与纵向热弥散度、地下水的渗流速度计算得出；
cw——水的热容量；
c——含水介质的热容量；
vx、vy、vz——地下水渗流速度分量；
T0(x,y,z)——点(x,y,z)处初始温度值；
T1(x,y,z,t)——第一类边界的温度函数；
Γ1——第一类边界；
Qc——热源汇项，Qc＝cwW(TQ-T)；
TQ——源汇项的温度；
n——边界外法线向量；
Q(x,y,z,t)——第二类边界上已知的热量或热流函数，J/(m·d)；
Γ2——第二类边界。
3.地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数学模型
地下水流运动方程为：
将(1)式与(2)式通过地下水流运动方程式(3)耦合在一起，构成研究区地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数学模型。
步骤三：计算机模型的建立过程，计算机模型的建立过程中，通过对上述数学模型进行分析，并借助地下水渗流和热量运移三维模拟评价软件系统Feflow6.2，构建研究区地下水非稳定渗流与热量运移三维有限元可视化计算机模型；
步骤四：模型的识别、验证过程，模型的识别、验证过程中，通过对研究区开采井的初始水位、指定深度测温监测资料及实测地温增温规律，确定模型初始流场和初始温度场，并采用抽水试验的数据进行水位拟合，进而进行反演求证；
步骤五：地下热水开发利用方案规划过程，通过对各分区水文地质参数进行反演求证，并根据实验数据确定地下热水开发方案；
通过设置由地下水渗流与热量运移概念模型的建立过程、数学模型的建立过程、计算机模型的建立过程和模型的识别、验证过程组合构成的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，从而有效的对地热水系统水量和温度进行预估测量，从而更好的针对不同开采区进行地热资源开采计划，从而更加充分的对地热资源进行开采。
模型的识别、验证过程中用于对指定深度测温的装置包括检测球1、储料球2、调压球3、外导电球4和内导电球5，检测球1由外球体6、内球体7、外保护层8和内保护层9组合构成，外保护层8设置在外球体6的外侧壁上，内保护层9设置在内球体7的内侧壁上，储料球2设置在检测球1的下方，调压球3设置在检测球1的上方，储料球2、调压球3均由内球10和外球11组合构成，内球10、外球体6、内球体7均由玻璃铸成，且内球10、外球体6之间为一体成型，外球体6、内球体7之间留有间隙，外导电球4设置在外球体6的内侧壁上，且外导电球4上连接有一级导线12，内导电球5设置在内球体7的外侧壁上，内导电球5的外侧壁与外导电球4的内侧壁之间并未接触，且内导电球5、外导电球4之间形成有流液腔，且内导电球5上连接有二级导线13，一级导线12、二级导线13分别与电流计的正负极电信号连接，通过设置由地下水渗流与热量运移概念模型的建立过程、数学模型的建立过程、计算机模型的建立过程和模型的识别、验证过程组合构成的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，从而有效的对地热水系统水量和温度进行预估测量，从而更好的针对不同开采区进行地热资源开采计划，从而更加充分的对地热资源进行开采。
实施例二
在实施例一的基础上，储料球2的内球10之中储放有水银液，储料球2的内腔通过一级连接孔14与流液腔相连通，调压球3的内腔通过二级连接孔15与流液腔相连通，且储料球2的内球10之中注入有水银液。
一级导线12、二级导线13位于外保护层8内部的线体部分上均包覆设置有玻璃层。
储料球2的内球10之中水银液在零摄氏度时的体积与内球10的容积值相吻合，且流液腔的容积值为内球10容积值的四分之一。
外导电球4、内导电球5均由铁铸成，通过设置由检测球1、储料球2、调压球3、外导电球4和内导电球5组合构成的测温装置，并通过在储料球2之中注入水银液，并在内导电球5、外导电球4之间设置流液腔，从而利用水银液的热胀冷缩，以让流液腔之中水银液的体积发生变化，从而有效改变外导电球4、内导电球5之间的有效导电面积，从而引起电阻的变化，从而达到改变电流值的目的，从而达到对温度进行测量的目的，并且水银热敏值较高，从而有效提高了对温度的测量准确性。
实施例三
在实施例二的基础上，外导电球4的外表面一体成型有外加固纹17，内导电球5的内表面一体成型有内加固纹18，外加固纹17一体成型在外球体6之中，内加固纹18一体成型在内球体7之中。
外加固纹17、内加固纹18均由横向加固纹和纵向加固纹组合构成，横向加固纹、纵向加固纹均为截面呈大割圆的环形结构，通过外加固纹17、内加固纹18的设置，从而有效避免外导电球4、内导电球5出现形变，从而有效保证结构实际使用过程中的可靠性。
实施例四
在实施例三的基础上，外保护层8、内保护层9、外球11均由铁铸成，且外保护层8、外球11之间为一体成型，且外保护层8的外表面、内保护层9的内表面、外球11的外表面均通过防锈涂层进行防锈处理，提高装置使用的安全性，以避免水银液泄漏。
实施例五
在实施例四的基础上，外保护层8、内保护层9之间成型有通孔16，且通孔16对称设置有一组，让流体进入装置内部，从而让装置由内外侧同时进行换热，从而提高装置对温度的感应敏感度。
尽管上面对本申请说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本申请，但是本申请不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本申请精神和范围内，一切利用本申请构思的申请创造均在保护之列。
Claims (10)
1.地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，其特征在于：所述地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法包括：
步骤一：地下水渗流与热量运移概念模型的建立过程，所述地下水渗流与热量运移概念模型的建立过程中，通过野外调查与试验研究结果，对地区水文地质条件、地下水动态特征、地下热水成因及地下水系统热量运移转化特征进行分析的基础上，建立地区地下水渗流与热量运移概念模型；
步骤二：数学模型的建立过程，所述数学模型的建立过程中，通过研究地区水文地质概念模型，建立研究区地下水渗流与热量运移三维耦合数学模型；
步骤三：计算机模型的建立过程，所述计算机模型的建立过程中，通过对上述数学模型进行分析，并借助地下水渗流和热量运移三维模拟评价软件系统Feflow6.2，构建研究区地下水非稳定渗流与热量运移三维有限元可视化计算机模型；
步骤四：模型的识别、验证过程，所述模型的识别、验证过程中，通过对研究区开采井的初始水位、指定深度测温监测资料及实测地温增温规律，确定模型初始流场和初始温度场，并采用抽水试验的数据进行水位拟合，进而对各分区水文地质参数进行反演求证；
步骤五：地下热水开发利用方案规划过程，通过对各分区水文地质参数进行反演求证，并根据实验数据确定地下热水开发方案。
2.根据权利要求1所述的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，其特征在于：所述模型的识别、验证过程中用于对指定深度测温的装置包括：
检测球(1)，所述检测球(1)由外球体(6)、内球体(7)、外保护层(8)和内保护层(9)组合构成，所述外保护层(8)设置在外球体(6)的外侧壁上，所述内保护层(9)设置在内球体(7)的内侧壁上；
储料球(2)，所述储料球(2)设置在检测球(1)的下方；
调压球(3)，所述调压球(3)设置在检测球(1)的上方，所述储料球(2)、调压球(3)均由内球(10)和外球(11)组合构成，所述内球(10)、外球体(6)、内球体(7)均由玻璃铸成，且内球(10)、外球体(6)之间为一体成型，所述外球体(6)、内球体(7)之间留有间隙；
外导电球(4)，所述外导电球(4)设置在外球体(6)的内侧壁上，且外导电球(4)上连接有一级导线(12)；
内导电球(5)，所述内导电球(5)设置在内球体(7)的外侧壁上，所述内导电球(5)的外侧壁与外导电球(4)的内侧壁之间并未接触，且内导电球(5)、外导电球(4)之间形成有流液腔，且内导电球(5)上连接有二级导线(13)；
所述一级导线(12)、二级导线(13)分别与电流计的正负极电信号连接。
3.根据权利要求2所述的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，其特征在于：所述储料球(2)的内球(10)之中储放有水银液，所述储料球(2)的内腔通过一级连接孔(14)与流液腔相连通，所述调压球(3)的内腔通过二级连接孔(15)与流液腔相连通，且储料球(2)的内球(10)之中注入有水银液。
4.根据权利要求3所述的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，其特征在于：所述一级导线(12)、二级导线(13)位于外保护层(8)内部的线体部分上均包覆设置有玻璃层。
5.根据权利要求4所述的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，其特征在于：所述储料球(2)的内球(10)之中水银液在零摄氏度时的体积与内球(10)的容积值相吻合，且流液腔的容积值为内球(10)容积值的四分之一。
6.根据权利要求5所述的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，其特征在于：所述外导电球(4)、内导电球(5)均由铁铸成。
7.根据权利要求6所述的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，其特征在于：所述外导电球(4)的外表面一体成型有外加固纹(17)，所述内导电球(5)的内表面一体成型有内加固纹(18)，所述外加固纹(17)一体成型在外球体(6)之中，所述内加固纹(18)一体成型在内球体(7)之中。
8.根据权利要求7所述的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，其特征在于：所述外加固纹(17)、内加固纹(18)均由横向加固纹和纵向加固纹组合构成，所述横向加固纹、纵向加固纹均为截面呈大割圆的环形结构。
9.根据权利要求8所述的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，其特征在于：所述外保护层(8)、内保护层(9)、外球(11)均由铁铸成，且外保护层(8)、外球(11)之间为一体成型，且外保护层(8)的外表面、内保护层(9)的内表面、外球(11)的外表面均通过防锈涂层进行防锈处理。
10.根据权利要求9所述的地热水系统抽灌循环水量和温度模拟预测方法，其特征在于：所述外保护层(8)、内保护层(9)之间成型有通孔(16)，且通孔(16)对称设置有一组。
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