CN219891025U - 一种裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种裂隙介质渗流场‑温度场模拟实验装置，包括：裂隙介质模拟装置、恒温电热水器供水系统、上游溢流水回收系统、下游溢流水回收系统、实验箱体、抽水管、注水管、温度监测系统；裂隙介质模拟装置设于实验箱体中；恒温电热水器供水系统向实验箱体中注入热水；上游溢流水回收系统与上游水槽的外侧箱壁的一个出水孔连接；下游溢流水回收系统与下游水槽的外侧箱壁的一个出水孔连接；抽水管和注水管的下部埋设于填沙区中，上部连接储水箱；温度监测系统包括测温探头和水管温度计。本实用新型在实验室内对裂隙介质中地热过程进行试验模拟，对地下含水层中的渗流场和温度场开展三维监测，弥补了在裂隙介质地热实验模拟方面的不足。

Description

一种裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置

技术领域

本实用新型属于地下水地热能开发模拟技术领域，具体涉及一种裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置。

背景技术

地热能是一种清洁稳定、绿色环保、分布广泛的可再生能源，是支撑我国能源结构转型、满足未来日益增长能源需求的重要能源组成部分。

地热资源的开发方式取决于其温度和埋藏位置。根据埋藏特点，地热资源可分为浅层地热资源、水热型地热资源以及干热岩资源；浅层地热资源埋藏浅，开发利用难度小，但其温度低、资源量相对较小、难以规模化利用；水热型地热资源一般位于深部的孔隙或孔隙-裂隙含水层，同时具有热源、流体、渗透能力三要素，常与深部断裂或岩溶分布有关；干热岩资源温度高、埋藏深度大(一般大于3km)，一般只有热源而缺乏流体和渗透通道，需要通过水力压裂等工程手段制造额外裂隙，其中流体完全或几乎完全依靠人工强化过的裂隙网络进行循环流动，称为增强型地热系统(EGS)。裂隙是大部分水热型地热和增强型地热系统(EGS)的重要构成要素，甚至主导地热储层的形成、演化与开发。裂隙不仅决定了EGS的流体循环，也是众多水热型地热储层得以形成和维持的重要条件。

裂隙地下水流的热交换一直是地热资源开发的重要手段，而准确刻画裂隙介质中物质和能量交换是地热开发利用的基础保障。然而，裂隙普遍具有高度复杂性，如何实现裂隙介质准确刻画一直是水文地质学和地热开发领域最具挑战性的问题之一，也是阻碍地热开发利用的瓶颈问题。对于裂隙介质含水层中的温度场和渗流场的研究，主要包括有现场实验、室内模型实验、解析计算和数值模拟等方式。目前学者们对裂隙介质含水层中的温度场和渗流场的研究，大多是基于建立的数学模型进行数值模拟研究，室内模型实验研究比较缺乏。而现有的地下水热室内模型实验，多针对孔隙介质中浅层地下水热泵系统等开展，难以用于裂隙介质中的地热实验。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置，用于进行室内地热模型实验，以便对裂隙介质含水层中的渗流场、温度场变化及两者耦合过程进行可控的观测研究。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型的一种裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置，包括：裂隙介质模拟装置、恒温电热水器供水系统、上游溢流水回收系统、下游溢流水回收系统、实验箱体、抽水管、注水管、温度监测系统；

裂隙介质模拟装置埋设于实验箱体中；恒温电热水器供水系统通过水管向实验箱体中的上游水槽注入指定温度的热水；上游溢流水回收系统通过水管与上游水槽的外侧箱壁上设有的多个出水孔中的一个出水孔连接；下游溢流水回收系统通过水管与实验箱体中的下游水槽的外侧箱壁上设有的多个出水孔中的一个出水孔连接；抽水管和注水管的下部埋设于填沙区中，二者的上部分别连接储水箱；温度监测系统包括若干个测温探头和若干个水管温度计，测温探头布置在实验箱体填沙区中；水管温度计设置在注水管和抽水管中。

进一步地，所述抽水管和注水管下部由滤网包裹后埋入填沙区。

进一步地，所述裂隙介质模拟装置由冲孔的聚苯乙烯工程塑料管构成，截面为矩形，可选用不同的尺寸以模拟不同开度的裂隙。

进一步地，所述恒温电热水器供水系统由恒温电热水器和水管组成，恒温电热水器的出水端连接水管，水管的外表面用隔热材料进行覆盖。

进一步地，所述实验箱体包括：上游水槽、可升降隔水挡板、上游不锈钢过滤网、填沙区、下游不锈钢过滤网、下游水槽及可封闭溢流口，所述实验箱体的材料为隔热玻璃(用以削弱箱体内部与外界的热量交换)；所述实验箱体中部为填沙区，其与两端的上游水槽、下游水槽分别通过上游不锈钢过滤网、下游不锈钢过滤网隔开(以防止人工砂外溢)；所述可升降隔水挡板位于上游水槽靠近上游不锈钢过滤网的一侧，为抽拉式结构(可以改变高程位置以控制水流场进入填沙区的高度)；所述上游水槽、下游水槽的外侧箱壁上均设有多个出水孔，作为可封闭溢流口，通过水管与上游溢流水回收系统、下游溢流水回收系统连通或用橡皮塞堵塞，以通过不同高程孔的开闭来控制填沙区中的水位差。

进一步地，所述裂隙介质模拟装置埋设在填沙区中部。

进一步地，所述上游溢流水回收系统、下游溢流水回收系统分别设置在实验箱体上、下游侧，通过水管与实验箱体上游水槽、下游水槽的外侧箱壁上的可封闭溢流口相连通，以控制两侧水头。

进一步地，所述抽水管的一端和注水管的一端均与储水箱相连通，通过水泵进行注水与抽水，二者的另一端均埋入实验箱体的填沙区中，且二者的管壁靠下部分有冲孔，表面用滤网进行包裹，以透过水流并分隔人工砂，用于模拟注水井和抽水井。

本实用新型的有益效果：

本实用新型可以在实验室内对裂隙介质中地热过程进行试验模拟，对地下含水层中的渗流场和温度场开展实时、三维监测，弥补了现有技术在裂隙介质地热实验模拟方面的不足。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本实用新型的限定。

如图1所示的裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置，包括：裂隙介质模拟装置1、恒温电热水器供水系统2、上游溢流水回收系统3、下游溢流水回收系统4、实验箱体5、抽水管6、注水管7、温度监测系统8。

所述抽水管6和注水管7与自带的储水箱相连通，二者的一端埋入实验箱体填沙54中，用于模拟裂隙介质中地下水热泵系统的注水井和抽水井。所述抽水管6和注水管7通过水泵进行注水与抽水，注水管和抽水管的管壁靠下部分有冲孔并用滤网进行包裹，以隔离沙土并通过水流，表面以模拟注水管的注水段和抽水管的抽水段。

所述恒温电热水器供水系统2由恒温电热水器和水管组成，水管下端插入实验箱体的上游水槽51中，通过水管上的水泵为实验箱体的上游水槽51提供指定温度的热水，水管的外表面用隔热材料进行覆盖，以保持热水水温。

所述上游溢流水回收系统3、下游溢流水回收系统4分别设置在实验箱体5左右两侧，通过水管与实验箱体的上游水槽51、下游水槽56外侧箱壁上的可封闭溢流口57相连通，以接收上游水槽51、下游水槽56中从可封闭溢流口57流出的水，来控制填沙区54中的水位差。

所述实验箱体5包括上游水槽51、可升降隔水挡板52、上游不锈钢过滤网53、填沙区54、下游不锈钢过滤网55、下游水槽56、可封闭溢流口57；中部为填沙区54，两端分别设有上游水槽51和下游水槽56；所述实验箱体5的材料为隔热玻璃，以尽可能减少箱体内部与外界的热量交换；

所述填沙区54与上游水槽51、下游水槽56通过上游不锈钢过滤网53、下游不锈钢过滤网55隔开，以防止填沙区54中的沙土外溢；

所述上游水槽51靠近上游不锈钢过滤网53的一侧设有可升降隔水挡板52，为抽拉式，可以改变高程位置以控制水流场进入填沙区的高度；

所述上游水槽51为热水槽，由恒温电热水器供水系统2向其中不断提供指定温度的热水；

所述填沙区中部埋设冲孔工程塑料管作为裂隙介质模拟装置1以模拟地下裂隙，所述冲孔工程塑料管55为聚苯乙烯，截面为方形，尺寸可选0.5cm×2cm、1cm×2cm、2cm×2cm等，以模拟不同大小的裂隙；形状可根据模拟目标进行调整。

所述上游水槽51、下游水槽56的外侧箱壁上各有一列出水孔，作为可封闭溢流口57，可通过水管与上游溢流水回收系统3、下游溢流水回收系统4连通，或用橡皮塞堵塞，以通过不同高程孔的开闭来控制填沙区中的水位差。

所述温度监测系统8包括若干测温探头和水管温度计，所述测温探头布置在箱体填沙区中；所述水管温度计设置在注水管和抽水管中，以测量水管中的温度。所述测温探头在靠近裂隙介质模拟装置1的范围内布置得更加密集。为了防止测温探头发生移位，可利用木杆以及绑在沙箱中的尼龙线固定。

本实用新型装置的实验方法，如下：

(1)选择需要的上下游水位，将对应高度的可封闭溢流口57通过水管分别与上游溢流水回收系统3、下游溢流水回收系统4相连通，将选定可封闭溢流口以下的溢流口用橡皮塞堵塞。

(2)将注水管7与(冷水)储水箱相连通，将抽水管6与储水箱相连通。

(3)利用木杆以及绑在沙箱中的尼龙线，将测温探头固定在填沙区中，并连接至计算机。

(4)在填沙区54中填入洗净的沙，同时将抽水管6和注水管7靠下部分和裂隙介质模拟装置1埋入沙中。

(5)确定流场水起始温度，将恒温电热水器供水系统2设置在指定的温度，将水管插入实验箱体上游水槽51中，将可升降隔水挡板52调节至选定的高度。

(6)打开恒温电热水器供水系统2的水泵，为上游水槽51供水，当填沙区54中形成稳定的流场后，打开抽水管6和注水管7的水泵，进行注水和抽水。

(7)通过测温探头实时测量填沙区54中流场的温度，并通过水管温度计实时测量抽水管6和注水管7中的水流温度。

本实用新型具体应用途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置，其特征在于，包括：裂隙介质模拟装置(1)、恒温电热水器供水系统(2)、上游溢流水回收系统(3)、下游溢流水回收系统(4)、实验箱体(5)、抽水管(6)、注水管(7)、温度监测系统(8)；

裂隙介质模拟装置(1)埋设于实验箱体(5)中；恒温电热水器供水系统(2)通过水管向实验箱体(5)中的上游水槽(51)注入指定温度的热水；上游溢流水回收系统(3)通过水管与上游水槽(51)的外侧箱壁上设有的多个出水孔中的一个出水孔连接；下游溢流水回收系统(4)通过水管与实验箱体(5)中的下游水槽(56)的外侧箱壁上设有的多个出水孔中的一个出水孔连接；抽水管(6)和注水管(7)的下部埋设于填沙区(54)中，二者的上部分别连接储水箱；温度监测系统(8)包括若干个测温探头和若干个水管温度计，测温探头布置在实验箱体填沙区中；水管温度计设置在注水管和抽水管中。

2.根据权利要求1所述的裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置，其特征在于，所述抽水管(6)和注水管(7)下部由滤网包裹后埋入填沙区(54)。

3.根据权利要求1所述的裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置，其特征在于，所述裂隙介质模拟装置(1)由冲孔的聚苯乙烯工程塑料管构成，截面为矩形，可选用不同的尺寸以模拟不同开度的裂隙。

4.根据权利要求1所述的裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置，其特征在于，所述恒温电热水器供水系统(2)由恒温电热水器和水管组成，恒温电热水器的出水端连接水管，水管的外表面用隔热材料进行覆盖。

5.根据权利要求1所述的裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置，其特征在于，所述实验箱体(5)包括：上游水槽(51)、可升降隔水挡板(52)、上游不锈钢过滤网(53)、填沙区(54)、下游不锈钢过滤网(55)、下游水槽(56)及可封闭溢流口(57)，所述实验箱体的材料为隔热玻璃；所述实验箱体中部为填沙区(54)，其与两端的上游水槽(51)、下游水槽(56)分别通过上游不锈钢过滤网(53)、下游不锈钢过滤网(55)隔开；所述可升降隔水挡板(52)位于上游水槽(51)靠近上游不锈钢过滤网(53)的一侧，为抽拉式结构；所述上游水槽(51)、下游水槽(56)的外侧箱壁上均设有多个出水孔，作为可封闭溢流口(57)，通过水管与上游溢流水回收系统(3)、下游溢流水回收系统(4)连通或用橡皮塞堵塞，以通过不同高程孔的开闭来控制填沙区(54)中的水位差。

6.根据权利要求5所述的裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置，其特征在于，所述裂隙介质模拟装置(1)埋设在填沙区(54)中部。

7.根据权利要求5所述的裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置，其特征在于，所述上游溢流水回收系统(3)、下游溢流水回收系统(4)分别设置在实验箱体上、下游侧，通过水管与实验箱体上游水槽(51)、下游水槽(56)的外侧箱壁上的可封闭溢流口相连通，以控制两侧水头。

8.根据权利要求5所述的裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置，其特征在于，所述抽水管(6)的一端和注水管(7)的一端均与储水箱相连通，通过水泵进行注水与抽水，二者的另一端均埋入实验箱体的填沙区(54)中，且二者的管壁靠下部分有冲孔，表面用滤网进行包裹，以透过水流并分隔人工砂。