CN214066998U - 物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置及方法，该装置包含与岩石渗透实验装置内岩石试样相接触的测温装置；所述测温装置包含测温端和连接端；所述测温端插入于所述岩石试样内，所述连接端与稳压电源和数显温度表电性连接；所述数显温度表的数据接口与电脑相连；使用时先用该模拟装置测得岩石试样热储的渗透率等参数，然后以数值模拟为桥梁和工具，用室内试验参数和结果校准数值模型，再用数值模型模拟大规模的工程现场，深化地热场认识，提高地热开采井和回灌井布置的合理性。

Description

物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置

技术领域

本实用新型涉及中深层水热型地热物理模拟和数学模拟，可用于水热型地热资源勘查评价以及开采、回灌井位设计。

背景技术

在地热资源勘查、评价和开发过程中，需要查明地热资源的储层、盖层、补给和径流条件，在此基础上才能优化开采井和回灌井位，进行地热资源开采。在确定进位的过程中，为了防止回灌井冷水直接与开采井贯通，降低开采井水温，形成所谓的热突破问题，需要选择较大的开采回灌井间距。但间距太大，占地面积增加，又会造成场地和地热资源浪费。

为了确定适宜的开采和回灌井间距，一般采用的方法有工程经验法、解析法和数值模拟方法等。工程经验法需要参考既有工程经验，需要既有工程条件基本匹配的工程实例。如果可参考工程的条件，如热储层渗透性、热物性参数、厚度、边界条件等，与本工程相差较大，则参考性不高。况且工程经验只能确定工程是可行的，并不能确定该方案还有多大余度。

解析法对简单的工程地质条件是一种较好的方法，但简单的地质条件不是每个工程所具备的。

数值模拟法分为有限元法、有限差分法以及二者的相结合的方法等等。该方法可模拟复杂的边界条件、热储层和盖层复杂的空间分布以及复杂的传热传质过程，但如何保证计算参数的准确性，进一步保证计算结果的可靠性一直是困扰数值模拟的瓶颈技术。

又，对于水热型地热模拟不仅要模拟地热水的渗流还要模拟水流过程的热传导，其复杂性大大增加，计算参数更多，其控制性方程更加复杂，计算结果的可靠度更低。

而现有的岩石渗透率测试和热传导测试都是分别使用不同的装置测得的，常常需要在测试完渗透率后将岩石试样移置另一热传导测试装置中进行操作，操作过程复杂繁琐、且试样的移至过程中还增加了测试结果的不准性。目前尚未有既可以测试渗透率同时又可以测得热传导的水热型地热模拟装置及方法。

实用新型内容

本实用新型的目的即在于提供一种物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置及方法。

本实用新型所采用的技术手段如下。

一种物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置，其包含与岩石渗透实验装置内岩石试样相接触的测温装置；所述测温装置包含测温端和连接端；所述测温端插入于所述岩石试样内，所述连接端与稳压电源和数显温度表电性连接；所述数显温度表的数据接口与电脑相连。

进一步的，所述测温装置为热针，所述热针包含针体，所述针体插入于所述岩石试样内；所述热针还包含有与所述针体顶部相连的测温线和加热线，所述测温线与所述数显温度表电性连接，所述加热线与所述稳压电源连接。

进一步的，所述针体与所述岩石试样之间填充有第一填充物，所述第一填充物为具有导热性但不导电的材料。

进一步的，所述针体包含具有中空腔体结构的针体外壳，所述针体外壳内设置有若干漆包铜丝；所述漆包铜丝之间以及所述漆包铜丝和所述针体外壳之间填充有第二填充物；所述第二填充物为具有导热性但不导电的材料。

进一步的，所述针体的直径为3mm~6mm之间。

进一步的，所述岩石渗透实验装置包含一压力室）；所述压力室顶部密封有上盖，所述上盖上开设有与流量监控系统相连的外接孔和供所述测温端插入的测温孔，底部连接有水源系统和加压装置；所述压力室内还设置有与所述加压装置相连的底座，所述底座在所述加压装置的驱动下可上下移动。

进一步的，所述底座为中心对称结构，其由下至上依次连接有带孔分隔板、支点球和下底托板，所述带孔分隔板上开设有若干通孔。

进一步的，所述带孔分隔板和所述下底托板之间还设置有弹簧。

本实用新型还揭露了一种物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置的模拟方法，其包含如下模拟步骤。

①，岩石试样的制备：通过地质钻孔取得工程场地热储岩样，打磨成与岩石渗透实验装置相匹配的圆柱形结构，同时在圆柱形的岩石试样中心开设一中心通孔。

②，将所述岩石试样置于下底托板上，在加压装置的驱动下，致使所述岩石试样被夹持在所述上盖和所述下底托板之间；同时，将针体穿过测温孔并沿着所述岩石试样顶面插入。

③，岩石渗透实验：按照岩石渗透试验的流程和方法进行渗透试验，求得所述岩石试样的径向渗透率。

④，将所述热针的测温线与所述数显温度表电性连接，所述数显温度表的数据接口与电脑相连；所述热针的加热线与所述稳压电源连接。

⑤，衰减曲线测试：利用所述电脑控制所述热针的针体发热，所述针体在瞬间加热后断电，测试并记录所述针体温度随时间的衰减曲线。

⑥，拟合曲线：将步骤③测得的渗透率代入数值计算模型获得计算曲线；调整所述数值计算模型的计算参数，使所述计算曲线与步骤⑤中的衰减曲线拟合，并记录拟合后符合要求的调整参数。

⑦，采用步骤⑥中的调整参数，根据工程实际，建立数值模型，并计算得到开采井和回灌井的位置。

本实用新型所产生的有益效果如下。

1、本实用新型基于小尺寸室内试验的精准模拟，为数值模型计算提供参数，并对数值模型的计算过程和结果提供校验，再用经过校验的数值模型模拟大规模的现场实物模拟，以提高数值模拟的准确性，为开采井和回灌井的合理设置提供依据，优化井间距的设计。

2、小尺寸室内试验在传统岩石渗透试验装置的基础上，加装了热针部分，可模拟注入井注入不同温度流体带来的影响，可实测注入井水温随时间的变化，是一种精准的非稳定流模拟装置。

3、本实用新型的技术思路是以小尺寸、可控的室内模型为基础，以数值模拟为桥梁和工具，用室内试验参数和结果校准数值模型，再用数值模型模拟大规模的工程现场，深化地热场认识，提高地热开采井和回灌井布置的合理性。本实用新型是精准模拟水热型地热流体的成套解决方案，是保证中深层水热型供热系统稳定运行的有效手段之一。

附图说明

图1为本实用新型的模拟装置示意图。

图2为岩石试样内的平面径向渗流示意图。

图3为热针纵向剖面结构示意图。

图4为热针横向剖面结构示意图。

图5为针体温度随时间的衰减曲线。

图6为本实用新型的模拟流程图。

具体实施方式

请参阅图6本实用新型的模拟流程图。本实用新型大致分为两部分，第一部分是小尺寸室内模拟装置。该部分改进了传统岩石渗透试验装置，在岩石试样中加装了热针，以模拟注入井的影响。工程实践当中，一般注入井水温较低，而开采井开采地下热水，温度较高。考虑到模拟的方便性，在不违背基本原理的前提下，小尺寸室内试验采用热针模拟注入井，能过瞬时加热热针，来模拟注入井注入高温地热流体。瞬时加热后，可测得热针温度随时间的衰减曲线，该曲线可用来校正数值模型的计算参数和计算过程。该小尺寸室内模拟装置所采用的岩石试验，使用工程现场取样，可得到热储的渗透率等参数，供数值计算模型使用。

第二部分是提出一种物理模型与数值模型相结合的模拟地热流体手段。以小尺寸、可控的室内模型为基础，以数值模拟为桥梁和工具，用室内试验参数和结果校准数值模型，再用数值模型模拟大规模的工程现场，深化地热场认识，提高地热开采井和回灌井布置的合理性。

以下将对上述两部分进行详细阐述。

请参阅图1本实用新型的模拟装置示意图。本实用新型的一种物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置，该模拟装置包含岩石渗透实验装置1和与所述岩石渗透实验装置1内岩石试样3相接触的测温装置。其中，所述测温装置包含测温端和连接端；所述测温端插入于所述岩石试样3内，所述连接端与稳压电源和数显温度表电性连接；所述数显温度表的数据接口与电脑相连。

所述岩石渗透实验装置1包含一压力室10，所述压力室10顶部密封有上盖113，所述上盖113上开设有与流量监控系统相连的外接孔111和供所述测温端插入的测温孔112，底部连接有水源系统和加压装置；所述压力室10内还设置有与所述加压装置相连的底座；所述底座的横截面积小于所述压力室10的横截面积；因此，所述底座在所述加压装置的驱动下可上下移动。

进一步的，在本实用新型的其一较佳实施例中，所述底座为中心对称结构，其由下至上依次连接有带孔分隔板101、支点球102和下底托板103。所述带孔分隔板101的横截面积大于所述下底托板103的横截面积，且所述带孔分隔板101上开设有若干通孔。所述带孔分隔板101和所述下底托板103之间还设置有弹簧100，以保证所述下底托板103在上下移动时的平衡。进一步的，所述支点球102优选为球形，其上表面位于所述下底托板103下表面的中心凹陷处，下表面位于所述带孔分隔板101上表面的中心凹陷处。所述支点球102的设置一方面用来平衡下底托板103和带孔分隔板101的连接，另一方面用来保证所述带孔分隔板101上的通孔不被堵塞。

进一步的，在本实用新型的其一较佳实施例中，所述加压装置包含一与所述压力室10底部中心相连的加压柱塞200，所述加压柱塞200具有一中空腔体，腔体内充满硅油。所述加压柱塞200与所述压力室10底部连接处开设一穿孔，可供加压轴201在所述压力室10和所述加压柱塞200腔体之间自由移动。所述加压轴201顶部连接有卡片202，所述卡片202远离所述加压轴201的一端与所述带孔分隔板101连接。进一步的，所述卡片202和所述加压轴201之间可以由卡片202中心的穿心丝扣连接。

在本实用新型的其一较佳实施例中，将岩石试样放置在下底托板上，进一步的，可以在下底托板和岩石试样之间放置一下橡胶垫32，在岩石试样和上盖113之间放置一上橡胶垫31。所述岩石渗透实验装置1在使用时，加压柱塞并不移动，加压住塞空间充满硅油，给硅油加压，硅油推动加压轴向上运动，加压轴带动卡片，卡片带动带孔分隔板、支点球和下底托板向上运行，将岩样上下橡胶垫与岩样压紧，堵住岩样上顶面和下底面的渗透通道，实现岩样的环向向内渗流条件。下底托板与带孔分隔板之间的弹簧保持下底托板平衡。

上文所述的关于加压装置、给硅油加压的加压方法、原理等均为现有技术，在此不做赘述。

请参阅图3和图4，本实用新型的一种物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置，还包含测温装置。在本实用新型的其一较佳实施例中，所述测温装置为热针2，所述热针2包含针体21，所述针体21插入于所述岩石试样3内。所述热针2还包含有与所述针体21顶部相连的测温线22和加热线23，所述测温线22与所述数显温度表电性连接，所述加热线23与所述稳压电源连接。

进一步的，所述针体21与所述岩石试样3之间填充有第一填充物（图中未示出），所述第一填充物为具有导热性但不导电的材料。所述针体21包含具有中空腔体结构的针体外壳211，所述针体外壳211内设置有若干漆包铜丝212。

进一步的，所述针体21可由绕制好的漆包铜丝212封装在一个小直径的不锈钢管（即上文所述针体外壳）内制成。相邻的所述漆包铜丝212之间、所述针体外壳与若干漆包铜丝之间的间隙填充有第二填充物；所述第二填充物为具有导热性但不导电的材料。

进一步的，所述第一填充物和所述第二填充物优选为导热硅脂。所述针体21的直径优选为3mm~6mm。

进一步的，所述热针2顶部还设置有与所述测温孔112相匹配的密封帽213，以保证压力室的良好密封条件。

请一并参阅图2。使用本实用新型所述的一种物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置时，还包含如下模拟步骤及方法。

①，岩石试样的制备：通过地质钻孔取得工程场地热储岩样，然后将其打磨成直径50mm，高100mm的圆柱形结构，一般为。同时在圆柱形的岩石试样中心开设一中心通孔30。

进一步的，考虑到边界效应，在岩石试样的半环中心处开设一钻孔，供以安装热针的针体，所述针体与该钻孔的孔壁之间用导热硅脂等填充密实，保持良好的导热性能。

进一步的，所述岩石试样的体积小于压力室的容积，以保证岩石试样和压力室之间形成可供流体流过的环空区域110。

②，将所述岩石试样3置于下底托板103上，启动加压装置，在加压装置的驱动下，致使所述岩石试样3被夹持在所述上盖113和所述下底托板103之间，堵住岩石试样3上顶面和下底面的渗透通道，实现岩样的环向向内渗流条件，流体在岩石试样内的渗流。同时，将针体21穿过上盖113上的测温孔并沿着所述岩石试样3顶面的钻孔插入岩石试样内部。

进一步的，岩石试样顶部和底部分别设有上橡胶垫31和下橡胶垫32，经上盖113、下底托板和加压桩塞加压后压紧，隔断岩石试样垂直向的渗流条件。试验流体通过外接水源管经调压阀进入压力室，到达岩石试样柱外侧。流体从外向内流动，形成稳定的平面径向向内的渗流。渗入试样中心孔的流体进入外接管，再进入流量计。弹簧和支点球保证试样轴心受压。带孔分隔板提供试样安置平台，并允许流体流过。

③，岩石渗透实验：按照岩石渗透试验的流程和方法进行渗透试验，求得所述岩石试样3的径向渗透率；岩石渗透试验的流程为现有技术，在此不再赘述。在岩石试样中形成稳定的地热流体渗流。根据岩石试样外侧流体压力和中心孔压力，以及试样尺寸等，可求得岩样的径向渗透率。该值可作为基本值，输入数值计算模型。数值计算模型其它参数如热容、热导率等可取经验值作为基本值。

④，将所述热针2的测温线22与所述数显温度表电性连接，所述数显温度表的数据接口与电脑相连；所述热针2的加热线23与所述稳压电源连接。

⑤，衰减曲线测试：利用所述电脑控制所述热针2的针体21发热，所述针体21在瞬间加热后断电，测试并记录所述针体21温度随时间的衰减曲线。

当对针体内的铜丝施加一稳恒电压时，针体就相当于一个单位长度上产生恒定功率的线热源，因此在对针体瞬间加热后断电，即可测得针体温度随时间的衰减曲线。

⑥，拟合曲线：用数值计算模型模拟室内试验的边界条件、热针、以及渗流条件，将步骤③测得的渗透率代入数值计算模型获得计算曲线；调整所述数值计算模型的计算参数，使所述计算曲线与步骤⑤中的衰减曲线拟合，拟合衰减曲线时计算参数的调整根据计算曲线与实测衰减曲线的偏差进行，最后记录拟合后符合要求的调整参数。

进一步的，衰减曲线可用来校正数值计算模型的计算参数和计算过程。即通过调整数值计算模型中岩样的渗透率、热容、热导等参数，使得计算曲线与实测衰减曲线相匹配，得到能反映工程实际的调整参数。

值得说明的是，边界条件括试样形状、尺寸试样周边压力条件等，渗流条件是指径向向内渗流，模拟采用数值建模模拟。此部分内容为现有方法，在此不再赘述。

拟合衰减曲线，直至达到满意为止，本文所述的满意可以依据本领域技术人员的经验判断，也可以在拟合过程中使得计算曲线无限接近衰减曲线即为满意。

⑦，采用步骤⑥中的调整参数，根据工程实际，建立数值模型，并计算得到开采井和回灌井的位置。

此时建立的数值模型根据工程实际进行，如工程边界条件、地层条件等，与上文的试验模型（即数值计算模型）相比要复杂的多；但计算的基本公式与试验模型一致。建立数值模型后，一并根据开采井和回灌井之间是否有热击穿确定最小井间距，计算分析合理的开采井和回灌井布置，为工程设计提供依据。

该实施流程实际是采用数值模拟作为小尺寸室内模拟装置和工程场地之间的桥梁与纽带。小尺寸室内模拟装置内部结构清晰、可控、可测。数值模型可方便对室内试样进行模拟，调整其计算参数和计算方法。结合工程场地实际再建立足尺模型，采用调整后的计算参数和计算方法对工程场地进行模拟，可大大增加模拟结果的准确度和可靠度。

Claims (8)

1.一种物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置，其特征在于，包含与岩石渗透实验装置（1）内岩石试样（3）相接触的测温装置；

所述测温装置包含测温端和连接端；所述测温端插入于所述岩石试样（3）内，所述连接端与稳压电源和数显温度表电性连接；

所述数显温度表的数据接口与电脑相连。

2.如权利要求1所述的物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置，其特征在于，所述测温装置为热针（2），所述热针（2）包含针体（21），所述针体（21）插入于所述岩石试样（3）内；

所述热针（2）还包含有与所述针体（21）顶部相连的测温线（22）和加热线（23），所述测温线（22）与所述数显温度表电性连接，所述加热线（23）与所述稳压电源连接。

3.如权利要求2所述的物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置，其特征在于，所述针体（21）与所述岩石试样（3）之间填充有第一填充物，所述第一填充物为具有导热性但不导电的材料。

4.如权利要求2所述的物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置，其特征在于，所述针体（21）包含具有中空腔体结构的针体外壳（211），所述针体外壳（211）内设置有若干漆包铜丝（212）；

所述漆包铜丝（212）之间以及所述漆包铜丝（212）和所述针体外壳（211）之间填充有第二填充物；所述第二填充物为具有导热性但不导电的材料。

5.如权利要求2所述的物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置，其特征在于，所述针体（21）的直径为3mm~6mm之间。

6.如权利要求1所述的物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置，其特征在于，所述岩石渗透实验装置（1）包含一压力室（10）；

所述压力室（10）顶部密封有上盖（113），所述上盖（113）上开设有与流量监控系统相连的外接孔（111）和供所述测温端插入的测温孔（112），底部连接有水源系统和加压装置；

所述压力室（10）内还设置有与所述加压装置相连的底座，所述底座在所述加压装置的驱动下可上下移动。

7.如权利要求6所述的物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置，其特征在于，所述底座为中心对称结构，其由下至上依次连接有带孔分隔板（101）、支点球（102）和下底托板（103），所述带孔分隔板（101）上开设有若干通孔。

8.如权利要求7所述的物理模型与数学模型相结合的水热型地热模拟装置，其特征在于，所述带孔分隔板（101）和所述下底托板（103）之间还设置有弹簧（100）。

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