CN206248593U - 原位岩土热物性参数测试一体化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种原位岩土热物性参数测试一体化装置，其特征在于，包括一个螺旋钻杆，螺旋钻杆底部有一个含孔锥形探头，含孔锥形探头为圆锥形且内部装有填充物，含孔锥形探头的顶点处开有探头孔，螺旋钻杆内部有探杆，探杆底部连接有一根探针，探针和探杆内部封装有温度传感器和加热丝，加热丝与恒压直流电源连接，温度传感器和温度接收器连接，温度接收器和恒压直流电源通过可编程逻辑控制器与计算机连接，GPS导航仪与计算机连接，螺旋钻杆的外表面有成螺旋状分布的间隔均匀的螺旋叶片，螺旋钻杆与一个机械旋转器固定连接；本实用新型可方便的使螺旋钻杆以一定速度灌入土层并伸出探针，准确的测出原位岩土热物性参数。

Description

原位岩土热物性参数测试一体化装置

技术领域

本实用新型属于热物性测试装置领域，涉及岩土热物性参数测试装置，尤其涉及一种原位岩土体热物性参数测试一体化装置。

背景技术

随着经济的快速发展，传统能源煤炭、石油的大力使用，一方面使得能源的消耗迅速增加，另一方面使得环境演化愈来愈恶劣。因此，对于开发一种新能源是一个必然趋势，而地热能具有清洁、高效、可再生、储量巨大等优点。但是对于目前勘探原位岩土体浅层地热能的技术设备比较有限且不成熟，大多数都是进行实验室测试，少数能进行原位测试的一般都是先用贯入器进行成孔，然后进行热物性参数的测试，但是这样会导致原位土扰动和水分变化，测试数据不能反映真实情况，同时对于岩土体热物性测试参数数据少，大部分只得出导热系数，对于深入研究岩土体的热物性及地温变化有一定的局限性。

发明内容

本实用新型针对上述现有设备及技术的不足，提供了一种原位岩土热物性参数测试一体化装置。

本实用新型所采用的技术方案是：

原位岩土热物性参数测试一体化装置，其特征在于，包括一个中空的圆柱筒状的螺旋钻杆，螺旋钻杆底部螺纹连接有一个含孔锥形探头，含孔锥形探头为圆锥形且内部装有填充物，含孔锥形探头的顶点处开有探头孔，螺旋钻杆内部有可上下移动的探杆，探杆底部通过探针固定装置连接有一根探针，探针可穿过含孔锥形探头内的填充物从探头孔穿出，探针和探杆内部封装有温度传感器和加热丝，加热丝与恒压直流电源的电源输出端c连接，温度传感器与温度接收器的数据输入端a连接，温度接收器的数据输出端b和恒压直流电源的电源输入端d连接可编程逻辑控制器的数据输入端e，可编程逻辑控制器的数据输出端f与计算机连接，可编程逻辑控制器通过计算机的控制可以对加热丝随时加热或停止以及对温度传感器进行测温，GPS导航仪内嵌于计算机内部，螺旋钻杆的外表面有成螺旋状分布的间隔均匀的螺旋叶片，螺旋钻杆通过顶部的固定铰支座与一个机械旋转器固定连接。

进一步的技术方案包括：

所述的机械旋转器包括两个对称旋转杆、一个圆盘和固定在圆盘底面圆心处的固定绞，两个对称旋转杆的中心固定在圆盘的圆心处，两个对称旋转杆之间的夹角为60°。

所述的螺旋钻杆的长度为1000mm、直径为30mm，所述的螺旋叶片的螺旋外径为60mm，螺旋叶片的叶片间距为100mm。

所述的含孔锥形探头内部的填充物为土或者中砂，所述的含孔锥形探头底部的探头孔孔径为3.5mm。

所述的探杆直径为10mm，探针的直径为3mm，探针的长度为150mm。

所述的温度传感器采用PT1000铂电阻，加热丝采用漆包康铜丝。

本实用新型的有益效果：

本实用新型所述的原位岩土热物性参数测试一体化装置，仅需通过机械旋转杆对螺旋钻杆进行施加扭矩，从而使螺旋钻杆以一定速度贯入土层，待钻杆到达待测深度土层时，通过探杆作用使探针冲出含孔锥形探头，进行原位土热物性参数的测试，要求含孔锥形探头内部贯入前需充填一定量的土或者中砂，防止在螺旋钻杆贯入时土颗粒进入钻杆导致探针受损。待某土层测试完后，通过探杆将探针提至钻杆内部，继续向下贯入，以同样的方式进行测试，当达到1m深度后，螺旋钻杆上部连接不含螺旋叶片但带有中空的圆柱状钻杆继续向下贯入并测试任一深度土层。测试时可以通过计算机控制得出数据，并处理、分析，最终得到温度、热扩散系数、导热系数、比热容值，同时利用嵌入计算机里的GPS导航仪进行自动记录测试点位并可输入及记录测试地点地表环境温度、测试时间、周围环境、测试深度等。

附图说明

图1为本实用新型所述的原位岩土体热物性参数测试一体化装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型所述的原位岩土体热物性参数测试一体化装置的螺旋钻杆的结构示意图；

图3为本实用新型所述的原位岩土体热物性参数测试一体化装置的待测土层深度1m以上所连接钻杆整体示意图；

图4为本实用新型所述的原位岩土体热物性参数测试一体化装置的机械旋转器的平面俯视图；

图5为本实用新型所述的原位岩土体热物性参数测试一体化装置的机械旋转器正视图；

图6为本实用新型所述的原位岩土体热物性参数测试一体化装置的数据采集系统具体连接示意图

图中：1.含孔锥形探头，2.填充物，3.探针，4.探针固定装置，5.螺旋叶片，6.探杆，7.螺旋钻杆，8.螺纹，9.加热丝，10.温度传感器，11.固定铰支座，12.锥形探头孔径，13.温度接收器，14.恒压直流电源，15.可编程逻辑控制器，16.计算机，17.GPS导航仪，18.对称螺旋杆，19.圆盘，20.机械旋转器铰支座，a.温度接收器的数据输入端，b.温度接收器的数据输出端，c.恒压直流电源的电源输出端，d.恒压直流电源的电源输入端，e.可编程逻辑控制器的数据输入端，f.可编程逻辑控制器的数据输出端。

具体实施方式

.原位岩土热物性参数测试一体化装置，包括一个中空的圆柱筒状的螺旋钻杆7，螺旋钻杆7底部螺纹连接有一个含孔锥形探头1，含孔锥形探头1为圆锥形且内部装有填充物，含孔锥形探头1的顶点处开有探头孔，螺旋钻杆7内部有可上下移动的探杆6，探杆6底部通过探针固定装置4连接有一根探针3，探针3可穿过含孔锥形探头1内的填充物从探头孔穿出，探针3和探杆6内部封装有温度传感器10和加热丝9，加热丝9与恒压直流电源14的电源输出端c连接，温度传感器10与温度接收器13的数据输入端a连接，温度接收器13的数据输出端b和恒压直流电源14的电源输入端d连接可编程逻辑控制器15的数据输入端e，可编程逻辑控制器15的数据输出端f与计算机16连接，可编程逻辑控制器15通过计算机16的控制可以对加热丝9随时加热或停止以及对温度传感器10进行测温，GPS导航仪17内嵌于计算机16内部，螺旋钻杆7的外表面有成螺旋状分布的间隔均匀的螺旋叶片5，螺旋钻杆7通过顶部的固定铰支座11与一个机械旋转器固定连接。

机械旋转器包括两个对称旋转杆18、一个圆盘19和固定在圆盘底面圆心处的固定绞20，两个对称旋转杆18的中心固定在圆盘19的圆心处，两个对称旋转杆18之间的夹角为60°。

螺旋钻杆7的长度为1000mm、直径为30mm，所述的螺旋叶片5的螺旋外径为60mm，螺旋叶片5的叶片间距为100mm。

含孔锥形探头1内部的填充物为土或者中砂，所述的含孔锥形探头1底部的探头孔孔径12为3.5mm。

探杆6直径为10mm，探针3的直径为3mm，探针3的长度为150mm。

温度传感器10采用PT1000铂电阻，加热丝9采用漆包康铜丝。

一种原位岩土热物性参数测试一体化装置，包括贯入系统、测试系统、数据采集系统；

贯入系统利用螺旋钻杆7通过机械旋转器在外力的作用下，以旋转的方式进入一定深度的待测土层，螺旋钻杆7长1000mm，直径为30mm，内部中空，供探杆进行无障碍上下移动，其中螺旋外径为60mm，螺旋叶片5的叶片间距100mm。螺旋钻杆7通过固定铰支座与机械旋转器连接，通过外力对两个称旋转杆18进行旋转作用，将螺旋钻杆7贯入土层，机械旋转器上对称旋转杆18长度800mm，相近两杆角度为60°，通过有一定厚度的圆盘19固定在一起，圆盘厚度45mm。

测试系统主要封装在探针中，探针3长150mm，直径3mm，长径比为50，满足线热源测试原理，探针3中含有加热丝9和温度传感器10，在恒压直流电源14作用下对加热丝9进行加热，温度传感器10采用PT1000铂电阻，加热丝9采用较细的漆包康铜丝。在中空螺旋钻杆7底部，含孔锥形探头1与螺旋钻杆7连接，可以进行拆卸，含孔锥形探头1的孔径为3.5mm，且在进行贯入前含孔锥形探头1中应充填一定量的土或中砂。在螺旋钻杆7贯入待测土层深度后，通过探杆6作用使探针冲出钻杆进行热物性参数的测试，测试结束后，同样在探杆6的作用下将探针提到螺旋钻杆内部。螺旋钻杆7长度1000mm，当待测土层大于1m深度时，在螺旋钻杆7上部连接不含螺旋叶片但带有中空的圆柱状钻杆。

数据采集系统，数据采集系统主要是利用恒压直流电源14对加热丝9进行加热，温度传感器10对其测试温度变化，探针3中测试数据经过外部仪器温度接收器13转换，连接可编程逻辑控制器15传达到计算机16，并进行记录、处理和分析，得出沿土层深度方向上温度、热扩散系数、导热系数和比热容值。同时通过计算机16内部嵌入GPS导航仪17可以自动记录测试点位并可输入及记录测试地点地表环境温度、测试时间、周围环境、测试深度等。

根据非稳态线热源法，针对于探针模型温度响应公式为：Δθ＝Alnt+B，其中A＝q/(4πλ)，B＝(q/4πλ)·[ln(4a/r₂)-C_E]，式中，θ是过余温度，q为加热功率，λ为土导热系数，a为土热扩散系数，r在这里可以为底部探针的半径，可直接测出，C_E为欧拉常数，值为0.57726,t为测试时间，本设备可直接通过电源提供加热功率q，利用温度传感器可以测出温度随时间的变化，通过对土层原位测试，根据温度与时间的变化关系，取图像中近直线段，求得其斜率和截距，即可得到导热系数和热扩散系数，进一步可得体积比热容，导热系数λ＝q/4πA，热扩散系数体积比热容ρ_v＝λ/a。

本实用新型的使用过程：请参阅图1、图2、图3、图4、图5所示，本实用新型在贯入时，要求连接有探针3的探杆6放入螺旋钻杆7内部，并将含孔锥形探头1在贯入前充填一定量的土或中砂2，防止贯入时土颗粒进入探头对探针3损伤，通过操作机械旋转器将带有探杆6的螺旋钻杆7以一定速度贯入土层，当螺旋钻杆7到达待测土层内部时，通过探杆6带动探针3冲出钻杆进行原位岩土热物性的测试，在测试时可以通过计算机16对加热系统和测温系统进行控制，以得到该土层深度温度随时间的变化关系曲线，然后进一步根据测试原理计算出测试土层的原位热物性参数，待某深度测试结束，通过探杆6作用将探针3提至钻杆内部，继续向下贯入，可以得到1m深度范围内任意土层的热物性参数。本实用新型在1m深度测试结束后，取下机械旋转器，在螺旋钻杆7上部连接上不含螺旋叶片5但带有中空的圆柱状钻杆，且规格一致，通过螺纹连接，以此进行1m以下深度任意岩土热物性的测试。本实用新型在采集数据时，计算机16内部嵌入GPS导航仪17可以自动记录测试点位并可以同时输入及记录测试地点地表环境温度、测试时间、周围环境、测试深度等。通过对测试数据的处理，进行周边环境、气候等因素影响的修正，通过将测试点位投影在该区域地图上，画出不同深度温度等值线图，进行评价该区域岩土热物理性质，尤其是冻土区土层的热物性，以及对该区域温度热异常进行评估，对于寻找地热资源靶区具有重要意义。

Claims (6)

1.一种原位岩土热物性参数测试一体化装置，其特征在于，包括一个中空的圆柱筒状的螺旋钻杆(7)，螺旋钻杆(7)底部螺纹连接有一个含孔锥形探头(1)，含孔锥形探头(1)为圆锥形且内部装有填充物(2)，含孔锥形探头(1)的顶点处开有探头孔，螺旋钻杆(7)内部有可上下移动的探杆(6)，探杆(6)底部通过探针固定装置(4)连接有一根探针(3)，探针(3)可穿过含孔锥形探头(1)内的填充物从探头孔穿出，探针(3)和探杆(6)内部封装有温度传感器(10)和加热丝(9)，加热丝(9)与恒压直流电源(14)的电源输出端(c)连接，温度传感器(10)与温度接收器(13)的数据输入端(a)连接，温度接收器(13)的数据输出端(b)和恒压直流电源(14)的电源输入端(d)连接可编程逻辑控制器(15)的数据输入端(e)，可编程逻辑控制器(15)的数据输出端(f)与计算机(16)连接，可编程逻辑控制器(15)通过计算机(16)的控制可以对加热丝(9)随时加热或停止以及对温度传感器(10)进行测温，GPS导航仪(17)内嵌于计算机(16)内部，螺旋钻杆(7)的外表面有成螺旋状分布的间隔均匀的螺旋叶片(5)，螺旋钻杆(7)通过顶部的固定铰支座(11)与一个机械旋转器固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种原位岩土热物性参数测试一体化装置，其特征在于：所述的机械旋转器包括两个对称旋转杆(18)、一个圆盘(19)和固定在圆盘底面圆心处的固定绞(20)，两个对称旋转杆(18)的中心固定在圆盘(19)的圆心处，两个对称旋转杆(18)之间的夹角为60°。

3.根据权利要求1所述的一种原位岩土热物性参数测试一体化装置，其特征在于：所述的螺旋钻杆(7)的长度为1000mm、直径为30mm，所述的螺旋叶片(5)的螺旋外径为60mm，螺旋叶片(5)的叶片间距为100mm。

4.根据权利要求1所述的一种原位岩土热物性参数测试一体化装置，其特征在于：所述的含孔锥形探头(1)内部的填充物为土或者中砂，所述的含孔锥形探头(1)底部的探头孔孔径(12)为3.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种原位岩土热物性参数测试一体化装置，其特征在于：所述的探杆(6)直径为10mm，探针(3)的直径为3mm，探针(3)的长度为150mm。

6.根据权利要求1所述的一种原位岩土热物性参数测试一体化装置，其特征在于：所述的温度传感器(10)采用PT1000铂电阻，加热丝(9)采用漆包康铜丝。