CN215814752U - 一种水压式地热采灌模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种水压式地热采灌模拟装置，包括采灌模拟室，所述采灌模拟室的进水口连接有回灌注水系统；所述采灌模拟室的出水口连接有开采抽水系统；所述采灌模拟室放置有模拟地层模型；所述回灌注水系统包括清水注水罐和着色液注水罐，所述开采抽水系统包括第二缓冲室；本实用新型能够方便、快捷地观测不同地质条件、工程参数条件下的地热流体路径，在地热采灌井实施阶段的勘探开发领域具有较好的推广意义。

Description

一种水压式地热采灌模拟装置

技术领域

本实用新型涉及地热勘探开发技术领域，特别涉及一种水压式地热采灌模拟装置。

背景技术

地热资源是一种储量大、效率高、稳定性好的清洁可再生能源，对于节能减排、应对全球变暖、治理雾霾具有重大意义。然而，随着地热资源的不断开发，局部地区已出现地下水位明显下降的趋势，严重影响了当地水资源的供应保证，制约了水热资源的进一步开采。为了促进地热资源的可循环使用，部分省市已开展地热尾水回灌工作，并已在恢复地下水位方面起到了积极、显著的效果。

然而，由于地下沉积构造环境复杂，流体在地下的运移路径难以直接观察和预测，严重制约了地热采灌井前期设计的合理性与准确性。目前主要存在地热流体示踪、数值模拟等几种手段对地热流体运移进行预测。地热流体示踪手段主要是向地热井注入一定量的示踪剂，并通过在一定周期内对周围地热井进行取样检测，以达到流体预测的目的。但是，流体示踪手段需建立在已钻地热井的基础上，严格意义上仅属于后期评价；同时流体示踪周期通常多达数月甚至数年，不能及时有效地为下一步采灌井设计提供数据支撑。利用数值模拟手段也可对地下流体运移路径进行预测，但数值模拟参数设置受人为因素影响较大，且实际流体运移特征与力学理论也存在差异，因此预测结果与实际情况往往差距较大。部分学者也提出利用固体力学加压的方式开展实验模拟，但固体压力与流体压力作用效果并不一致，这种加压方式在可靠性上尚有欠缺。

由于地下地质条件复杂，尚未形成合适的实验室装置以对实际地质背景、地下水分布与地热特征进行有效模拟，更不用说对地热流体运移路径的合理预测。尽管少数学者已提出实验模拟装置的初步设想，但尚未提出利用自然水压模拟实际水压和水位的系统，也未详细描述具体的装置组合。因此，有必要形成一种水压式地热采灌实验模拟装置，以解决地热采灌井前期设计的关键问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种水压式地热采灌模拟装置，解决了现有技术中存在的上述不足，弥补了现有的地热采灌实验模拟装置的缺乏。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型提供的一种水压式地热采灌模拟装置，包括采灌模拟室，所述采灌模拟室的进水口连接有回灌注水系统；所述采灌模拟室的出水口连接有开采抽水系统；

所述采灌模拟室放置有模拟地层模型；

所述回灌注水系统包括清水注水罐和着色液注水罐，所述清水注水罐和着色液注水罐的出水口均连接至第一体积流量计的进水口；所述第一体积流量计的出水口连接采灌模拟室；

所述清水注水罐和着色液注水罐的出水口分别设置有第一阀门和第二阀门；

所述开采抽水系统包括第二缓冲室，所述第二缓冲室的进水口连接至第二体积流量计的出水口；所述第二体积流量计的进水口连接采灌模拟室。

优选地，所述回灌注水系统包括注水泵和注水钢管，其中，所述清水注水罐和着色液注水罐的出水口连接至三通导管；所述三通导管的自由接口连接注水泵；所述注水泵通过第一体积流量计连接注水钢管，所述注水钢管的出水口伸入至采灌模拟室内腔的底部。

优选地，所述注水钢管通过第一固定螺栓固定在模拟地层模型上。

优选地，所述清水注水罐上设置有第一测温计；所述着色液注水罐上设置有第二测温计。

优选地，所述开采抽水系统包括抽水钢管和抽水泵，所述抽水钢管的进水口伸入至采灌模拟室内腔的底部；所述抽水钢管的出水口通过第二体积流量计连接抽水泵的进水口；所述抽水泵的出水口连接第二缓冲室。

优选地，所述抽水钢管通过第二固定螺栓固定在模拟地层模型上。

优选地，所述模拟地层模型包括有用以模拟地层的透明石英珠；所述透明石英珠的上表面设置有储层挡板；所述储层挡板的上方设置有水位挡板。

优选地，所述水位挡板与采灌模拟室、以及储层挡板与采灌模拟室之间的连接处均设置有密封扣件。

优选地，所述采灌模拟室的侧壁上设置有刻度尺。

优选地，所述采灌模拟室的外侧放置摄录装置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的一种水压式地热采灌实验模拟装置，在采灌模拟室搭建模拟地层模型，并设置回灌注水系统和开采抽水系统，用以模拟实际条件下的回灌井、开采井和地下水位；同时，通过设置着色液注水罐并注入着色液，观测着色液在采灌模拟室内的运移情况，以达到在自然水压条件下模拟地热流体路径的目的；本实用新型克服了目前无法在在实验室条件下模拟水压状态采灌井周流体运移路径的缺点，能够在建立实验室地热采灌模型的基础上，观测地热尾水在地层中的运移路径，并为进一步采灌井设计提供数据支撑与指导性结论；同时，本实用新型还利用自然水压模拟实际水位或水压，逐渐接近实际地质背景下的地热采灌过程，研究不同变量对流体路径的影响，提高实验模拟结果的可靠性和准确性。本实用新型利用相对简易的装置，方便、快捷地观测不同地质条件、工程参数条件下的地热流体路径，在地热采灌井实施阶段的勘探开发领域具有较好的推广意义。

附图说明

图1是本实用新型涉及的模拟装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型主要是在获取研究区实测地热参数的基础上，在采灌模拟室内等比例搭建模型，并设置注水钢管、抽水钢管和水位挡板，以模拟实际条件下的回灌井、开采井和地下水位。其次，在确保各部件外观完好无损的条件下，组装并试运行模拟装置。再次，注入着色液，观测着色液在采灌模拟室内的运移情况，并利用摄录装置记录，以达到在自然水压条件下模拟地热流体路径的目的。最后，关闭注水系统与抽水系统，抽尽残液，清洗管路与设备，以备下次再用。

具体地，本实用新型提供的一种水压式地热采灌实验模拟装置，包括清水注水罐1、第一测温计2、第一阀门3、着色液注水罐4、第二测温计5、第二阀门6、三通导管7、第一缓冲室8、第一导管9、第三阀门10、第二导管11、注水泵12、第三导管13、第一体积流量计14、第四导管15、第一固定阀16、注水钢管17、采灌模拟室18、透明石英珠19、储层挡板20、水位挡板21、第一固定螺栓22、密封扣件23、刻度尺24、第二固定螺栓25、抽水钢管26、第二固定阀27、第五导管28、第二体积流量计29、第六导管30、抽水泵31、第二缓冲室33、第三测温计34、第七导管35、第四阀门36、排水管37、烧杯38和摄录装置39，其中，所述水注水罐1和着色液注水罐4分别通过第一阀门3和第二阀门6与三通导管7连通；所述三通导管7的另一接口依次经过第一缓冲室8、第一导管9、第三阀门10、第二导管11、注水泵12、第三导管13、第一体积流量计14、第四导管15和注水钢管17与采灌模拟室18的进水口连通。

所述采灌模拟室18的出水口依次经过抽水钢管26、第五导管28、第二体积流量计29、第六导管30、抽水泵31、第二缓冲室33、第七导管35、第四阀门36和排水管37与烧杯38的进水口连通。

所述水注水罐1上设置有第一测温计2。

所述着色液注水罐4上设置有第二测温计5。

所述第四导管15和注水钢管17之间设置有第一固定阀16。

所述注水钢管17通过第一固定螺栓22固定在采灌模拟室18上。

所述第二缓冲室33上设置有第三测温计34。

所述排水管37的出水口置于烧杯38的底部。

所述抽水钢管26通过第二固定螺栓25固定在采灌模拟室18上。

所述采灌模拟室18的外侧放置摄录装置39，所述摄录装置39与采灌模拟室18同轴布置。

所述采灌模拟室18的内腔中铺设有透明石英珠19，所述透明石英珠19的上表面设置有储层挡板20。

所述采灌模拟室18的内腔中还设置有水位挡板21，所述水位挡板21置于储层挡板20 的上方，且根据水位进行设置。

所述储层挡板20和水位挡板21与采灌模拟室18的连接处设置有密封扣件23。

所述采灌模拟室18的一侧侧壁上设置有刻度尺24。

所述的清水注水罐1和着色液注水罐4总容量分别在50L以上，且保证有足量的清水与着色液以供使用。清水注水罐1和着色液注水罐4保温性良好。

所述的三个测温计的量程均为0-100℃，测量精度为0.1℃。

所述的两个缓冲室保温性良好。

所述的注水泵12和抽水泵31能提供0-1MPa的注水/抽水动力，注水/抽水动力可调节，调节精度为0.01MPa。

所述的两个体积流量计的流量测试范围为0-1000ml/min，耐压1.0MPa。

所述的注水钢管17与抽水钢管26根据模拟需求设置1mm、2mm、5mm和10mm等不同直径尺寸，并在钢管管底设置滤网，防止在注水/抽水过程中透明石英珠19倒吸入管内。

所述的透明石英珠19透明度良好，以可在模拟室19内清楚观察为佳。透明石英珠19 根据模拟需求设置1mm、2mm、5mm、10mm和20mm等不同直径尺寸，耐压强度为1.0MPa。

所述的采灌模拟室18透明度与保温性良好，在0-100℃温度范围内不发生破裂与显著变形，采灌模拟室18外观直径应以1000mm(长)×400mm(宽)×1000mm(高)为佳，最大承压均在1MPa以上。

所述的排水管37伸入烧杯38底部，防止废液溅出。

所述的储层挡板20应设置为滤网板，滤网板的滤孔应以阻挡石英珠19通过且可保证水流和着色液正常通过为宜，最大承压应在1MPa以上。

所述的水位挡板21应完全阻挡水流通过，最大承压应在1MPa以上。

所述的密封扣件23应保证储层挡板20和水位挡板21不发生显著位移。

所述的摄录装置39应具有自动采集、保存数据和计时功能，正面放置于采灌模拟室18 前方，用于精确观察采灌模拟室18中着色液的运移过程；计时精度为0.01s，计时范围为 0-24h。

装置中所述的所有阀门、导管、固定阀密封性良好。

本实用新型的水压式地热采灌实验模拟装置操作步骤为：

步骤1，搭建采灌模拟室18

基于研究区的纵横范围，确定实验模拟的比例尺。通常比例尺应以1：1000至1：5000为宜。根据所确定的比例尺，结合实际地层展布情况，利用透明石英珠19在采灌模拟室18内铺设模拟地层。不同的模拟地层可用不同尺寸的透明石英珠19代替：粒度较大、孔渗条件较好的地层可用大尺寸透明石英珠19布设，而粒度较小、孔渗条件较差的地层则可用小尺寸石英珠19布设。模拟地层(透明石英珠19)设置完毕后，在其上部缓慢放置储层挡板20并扣上密封扣件23，保证透明石英珠19在采灌模拟室18内不发生明显滑移。

步骤2，设置注水钢管17、抽水钢管26和水位挡板21，模拟实际回灌井、开采井和地下水位。

根据实际地下水位或水压，结合刻度尺24，同比例地向采灌模拟室18灌注等深的清水，利用清水的自然水压模拟天然地热储层的实际压力。

待清水灌注完毕且水面稳定后，在水面处缓慢放置水位挡板21并扣上密封扣件23，保证水位在实验阶段不发生明显变动。根据实际钻井深度，选取合适长度的注水钢管17和抽水钢管26，将其底部插至采灌模拟室18内对应深度，并利用第一固定螺栓22和第二固定螺栓25将其固定在水位挡板21之上，防止其发生明显倾斜。

步骤3，检测各部件外观是否完好无损，组装模拟装置。

依据装置示意图，组装模拟室外的其余仪器设备。清水注水罐1内为足量的清水，着色液注水罐4内为足量的着色液。为了模拟采灌实际过程，应利用第一测温计2和第二测温计 5将清水和着色液调至实际回灌温度。注水泵12和第一体积流量计14内的流体应方向一致，抽水泵31和第二体积流量计29内的流体应方向一致。第四导管15、注水钢管17之间以及第五导管28、抽水钢管26之间应分别利用第一固定阀16和第二固定阀27做固定连接处理并密封。在启动模拟装置前，应关闭模拟装置内所有阀门，关闭注水泵12和抽水泵31，关闭第一体积流量计14和第二体积流量计29。在采灌模拟室18正面平行放置摄录装置39，以刚好可以摄录整个采灌模拟室18内的流体运移情况为佳。

步骤4，启动注水泵12与抽水泵31，试运行模拟装置。

打开第一阀门3、第三阀门10与第四阀门36，将加热后的清水通过第一测温计2测温并达到预计温度后，注入后续仪器，启动注水泵12和抽水泵31，并将泵内动力调至低值，观察注入清水是否在模拟地层(透明石英珠)19内流动顺畅，同时观察采灌模拟室18、第一固定阀16和第二固定阀25以及模拟装置其他各连接处是否出现明显泄漏现象。在模拟装置运行稳定后，逐渐调增注水泵12和抽水泵31动力，直至第一体积流量计14与第二体积流量计29内的流量与实际注水/抽水流量按比例一致，并随时观察模拟装置内是否出现异常现象。

步骤5，注入着色液，观测着色液在采灌模拟室18内的运移情况，并利用摄录装置39 记录。

待采灌模拟室18内水位与实际水位按比例基本一致后，关闭第一阀门3，启动摄录装置 39。待仪器7-17内残余清水基本排尽后，开启第二阀门6，保持注水泵14和抽水泵31内运行动力，观测着色液在采灌模拟室18内的运移情况，模拟采灌过程地热尾水的实际运移路径。

步骤6，实验后处理，关闭注水系统与抽水系统，抽尽残液，清洗管路与设备。

待模拟结束后，着色液注水罐4停止注液，依次关闭第二阀门6和注水泵12。待仪器7-28及采灌模拟室18内液体基本排尽后，停止抽水泵31，关闭第三阀门10和第四阀门36。将烧杯38内残液倒入专门容器进行后续处理，拆卸模拟装置各仪器，并利用清水或洗涤剂清洗各部件。收集整理透明石英珠19等仪器，以备下次使用。

本实用新型克服了目前无法在在实验室条件下模拟水压状态采灌井周流体运移路径的缺点，能够在建立实验室地热采灌模型的基础上，观测地热尾水在地层中的运移路径，并为进一步采灌井设计提供数据支撑与指导性结论。同时，本实用新型还可通过调节岩层组合和孔渗条件等方式，利用自然水压模拟实际水位或水压，逐渐接近实际地质背景下的地热采灌过程，研究不同变量对流体路径的影响，提高实验模拟结果的可靠性和准确性。本实用新型利用相对简易的装置，方便、快捷地观测不同地质条件、工程参数条件下的地热流体路径，在地热采灌井实施阶段的勘探开发领域具有较好的推广意义。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施例，不能以其限定实用新型的实施范围，所以其等同组件的置换，或依本实用新型保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本实用新型涵盖的范畴。

Claims (10)

1.一种水压式地热采灌模拟装置，其特征在于，包括采灌模拟室(18)，所述采灌模拟室(18)的进水口连接有回灌注水系统；所述采灌模拟室(18)的出水口连接有开采抽水系统；

所述采灌模拟室(18)放置有模拟地层模型；

所述回灌注水系统包括清水注水罐(1)和着色液注水罐(4)，所述清水注水罐(1)和着色液注水罐(4)的出水口均连接至第一体积流量计(14)的进水口；所述第一体积流量计(14)的出水口连接采灌模拟室(18)；

所述清水注水罐(1)和着色液注水罐(4)的出水口分别设置有第一阀门(3)和第二阀门(6)；

所述开采抽水系统包括第二缓冲室(33)，所述第二缓冲室(33)的进水口连接至第二体积流量计(29)的出水口；所述第二体积流量计(29)的进水口连接采灌模拟室(18)。

2.根据权利要求1所述的一种水压式地热采灌模拟装置，其特征在于，所述回灌注水系统包括注水泵(12)和注水钢管(17)，其中，所述清水注水罐(1)和着色液注水罐(4)的出水口连接至三通导管(7)；所述三通导管(7)的自由接口连接注水泵(12)；所述注水泵(12)通过第一体积流量计(14)连接注水钢管(17)，所述注水钢管(17)的出水口伸入至采灌模拟室(18)内腔的底部。

3.根据权利要求2所述的一种水压式地热采灌模拟装置，其特征在于，所述注水钢管(17)通过第一固定螺栓(22)固定在模拟地层模型上。

4.根据权利要求1所述的一种水压式地热采灌模拟装置，其特征在于，所述清水注水罐(1)上设置有第一测温计(2)；所述着色液注水罐(4)上设置有第二测温计(5)。

5.根据权利要求1所述的一种水压式地热采灌模拟装置，其特征在于，所述开采抽水系统包括抽水钢管(26)和抽水泵(31)，所述抽水钢管(26)的进水口伸入至采灌模拟室(18)内腔的底部；所述抽水钢管(26)的出水口通过第二体积流量计(29)连接抽水泵(31)的进水口；所述抽水泵(31)的出水口连接第二缓冲室(33)。

6.根据权利要求5所述的一种水压式地热采灌模拟装置，其特征在于，所述抽水钢管(26)通过第二固定螺栓(25)固定在模拟地层模型上。

7.根据权利要求1所述的一种水压式地热采灌模拟装置，其特征在于，所述模拟地层模型包括有用以模拟地层的透明石英珠(19)；所述透明石英珠(19)的上表面设置有储层挡板(20)；所述储层挡板(20)的上方设置有水位挡板(21)。

8.根据权利要求7所述的一种水压式地热采灌模拟装置，其特征在于，所述水位挡板(21)与采灌模拟室(18)、以及储层挡板(20)与采灌模拟室(18)之间的连接处均设置有密封扣件(23)。

9.根据权利要求1所述的一种水压式地热采灌模拟装置，其特征在于，所述采灌模拟室(18)的侧壁上设置有刻度尺(24)。

10.根据权利要求1所述的一种水压式地热采灌模拟装置，其特征在于，所述采灌模拟室(18)的外侧放置摄录装置(39)。

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