一种深部地热开发地温场及位移场综合测试模型试验系统
阅读说明：本技术 一种深部地热开发地温场及位移场综合测试模型试验系统 (Deep geothermal development geothermal field and displacement field comprehensive test model test system ) 是由 贾超 丁朋朋 王辉 狄胜同 马宏源 卫如春 于 2021-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种深部地热开发地温场及位移场综合测试模型试验系统,包括伺服系统和箱体,所述箱体上设有滑轨,所述伺服系统安装在滑轨上；所述箱体内设有热水储水夹层,所述热水储水夹层内层壁上设有小孔,所述热水储水夹层与填土之间设有过滤筛网,所述箱体内的填土中设有回灌井、开采井、压力传感器和温度传感器。其优点在于,可以同时模拟地热开采过程中水热传递及土层变形特性。(The invention discloses a comprehensive test model test system for a geothermal development geothermal field and a displacement field in a deep part, which comprises a servo system and a box body, wherein the box body is provided with a slide rail, and the servo system is arranged on the slide rail; the hot water recovery device is characterized in that a hot water storage interlayer is arranged in the box body, small holes are formed in the inner wall of the hot water storage interlayer, a filter screen is arranged between the hot water storage interlayer and the filling soil, and a recharge well, a production well, a pressure sensor and a temperature sensor are arranged in the filling soil in the box body. The method has the advantages that the method can simultaneously simulate the water heat transfer and soil layer deformation characteristics in the geothermal exploitation process.)
技术领域
本发明属于环境岩土工程技术领域，尤其涉及一种深部地热开发地温场及位移场综合测试模型试验系统。
背景技术
中深层地热水由于大规模开发利用造成砂岩热储地下水水位持续下降。地热流体补给微弱，再生能力低，属消耗型地热资源。地下热水动态特征主要受人工开采影响较大，地热水水位多年来呈持续下降趋势。随着地热资源的进一步开发利用，地热水水位将会持续下降。因此，进行地热开采回灌对地面沉降影响的物理模型试验具有重要的意义。同时，由于热储层埋深较大，通过进行模型试验了解在地热井开采回灌过程中的传热机制也显得尤为重要。本试验装置可有效模拟深部地热开发对周边地质环境的影响，可为地热开采方案的制定以及地面沉降灾害的防治提供技术支撑。
近年来，虽然地热开采方法、开采模拟效率优化方法、开采井结构优化领域进行了大量研究，但至今尚无准确考虑热储层上部地应力，可以同时模拟地热开采过程中水热传递及土层变形特性的试验装置及试验方法。
发明内容
基于上述问题，本申请提供一种深部地热开发地温场及位移场综合测试模型试验系统，其技术内容为，
一种地热开发地温场及位移场综合研究模型试验装置，包括伺服系统和箱体，所述箱体上设有滑轨，所述伺服系统安装在滑轨上；所述箱体内设有热水储水夹层，所述热水储水夹层内壁上设有小孔，所述热水储水夹层与填土之间设有过滤筛网，所述箱体内的填土中设有回灌井、开采井、压力传感器、孔隙水压力传感器和温度传感器。
优选的，所述箱体上设有反力架，所述伺服系统底部穿过反力架与加载板固定连接，所述加载板位于填土上方；伺服系统顶部通过立柱固定在反力架上。
优选的，所述热水储水夹层设有加热管和温度传感器；所述箱体上设有出气孔、排水口，分别位于热水储水夹层的上方和下方，箱体侧面设有观察窗，与热水储水夹层相对应的一侧设有注水口。
优选的，所述回灌井和开采井采用亚克力玻璃管制成，所述回灌井和开采井中下部设有进水孔，所述回灌井和开采井上设有进水孔的部分围裹纱网。
优选的，所述开采井和回灌井顶部均设有缩孔接头，回灌井通过缩孔接头与的供水管连接，开采井通过缩孔接头与蠕动泵连接。
优选的，所述过滤筛网包括n层，相邻两层过滤筛网上的孔交替分布，且每层孔的直径Dn满足以下约束条件：
靠近填土一侧的过滤筛网为第一层过滤筛网。
优选的，利用软件拟合每层滤筛网的孔的个数P，
P＝2n-2(n-1)
靠近填土一侧的过滤筛网为第一层过滤筛网。
优选的，箱体外侧包裹保温隔热层，箱体内的压力传感器、温度传感器、孔隙水压力传感器、分层沉降标均与应变数据采集仪连接。
一种深部地热开发地温场及位移场综合测试模型试验系统，具体实施步骤为：
步骤一，将地热开采井和回灌井安置于箱体中，在模型试验箱中铺设砂土作为热储含水层介质，并埋设温度传感器、孔隙水压力传感器，所放砂土与储水夹层同高；接着在砂土层上放入饱和黏土作为热储含水层的盖层，分层铺设黏土，并埋设土压力传感器、温度传感器；将位移观测的分层沉降标埋入土层之中，以随时监测其土层沉降情况；
步骤二，调整反力架位置，使加载板刚好位于填土正上方，将反力架两侧的螺栓拧紧；
步骤三，打开伺服系统，使加载板缓慢下降，直至与黏土层表面接触后停止下降，并持续保持此时的压力，使压力均匀施加于模型土层上表面；
步骤四，打开热水储水夹层上侧的两个排气孔，将热水由箱体左右两侧和后侧管道缓慢注入热水储水夹层，直至到达预设的水位；注入热水的过程中，同时开启辅助加热设备，使热水储水夹层的加热管开始工作；
步骤五，将开采井连接蠕动泵，开启蠕动泵，将箱体中的热水经由蠕动泵抽出，同时将冷水以一定的压力经由回灌井注入箱体；在地热开采-回灌过程中，经由沉降标监测土层变形情况，经由与压力传感器、孔隙水压力传感器相连的应变采集仪分析土层中土压力、孔隙水压力的变化情况，通过与温度传感器相连的应变采集仪了解地热水开采与回灌的过程中其内部的传热机制。
有益效果
1.可以同时模拟地热开采过程中水热传递及土层变形特性；
2.可以重复试验，探讨不同上覆地应力、不同水温、不同时间、不同开采与回灌条件下的热质运移机理；
附图说明
图1为箱体剖视图；
图2为箱体主视图；
图3为本申请结构示意图；
图4为箱体左视图；
图5为箱体俯视图。
图6为开采井结构示意图；
图7为过滤筛网结构示意图；
其中1-箱体，2-反力架，3-液压油缸，4-加载板，5-支腿，6-温度传感器， 7-滑轨，8-数显设备，9-伺服加载控制器，10-排气孔，11-观察窗，12-开采井，13-回灌井，14-加热管，15-应变采集仪,16-蠕动泵，17-孔隙水压力传感器，18- 热水储水夹层，20-保温隔热层，21-沙土层，22-黏土层，23-分层沉降标，24- 过滤筛网，25-压力传感器，26-立柱,27-注水口。
具体实施方式
以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。
一种深部地热开发地温场及位移场综合测试模型试验系统，包括伺服系统和箱体1，箱体1内设有填土，底部填土为沙土层21，上层填土为黏土层22；伺服系统包括液压油缸3和伺服加载控制器9，所述箱体1上设有滑轨7，滑轨7 延伸出箱体1,固定在支腿5上，所述液压油缸3安装在滑轨7上；所述箱体1 内设有热水储水夹层18，所述热水储水夹层18内壁上设有10mm小孔，所述热水储水夹层18与沙土层21之间设有五层过滤筛网24，所述箱体1内的填土中设有回灌井13、开采井12、压力传感器25、孔隙水压力传感器17和温度传感器6。
伺服加载控制器9实现伺服自动加载，精度满足0.1kPa，加载时作动器作用于反力梁上，作动器最大行程为400mm。
所述箱体1上设有反力架2，所述液压油缸3底部穿过反力架2与加载板4 固定连接，所述加载板4位于沙土层21上方；液压油缸3顶部通过立柱26固定在反力架2上。
所述热水储水夹层18设有加热管14和温度传感器6；所述箱体1上设有出气孔10、排水口1801，分别位于热水储水夹层18的上方和下方，箱体1侧面设有观察窗11，与热水储水夹层18相对应的一侧设有注水口27，为减缓水压，注水口27的横截面积需要大些，占热水储水夹层18横截面积的1/8。
所述地热开采井和回灌井管采用亚克力玻璃管制成，在玻璃管底部均匀地打上进水孔，而后在管身外围裹砂网以防止含水层砂土颗粒进入井管堵塞小孔以及损坏开采泵，开采井及回灌井通过缩孔接头与其顶部相连接，再将缩孔接头与回灌井的供水管连接，蠕动泵通过缩孔接头与开采井连接，回灌井使用的回灌设备在试验过程中始终能将恒定压力的地热尾水注入到热储承压含水层中，压力水头范围为1.0m-4.1m。
箱体1外侧包裹保温隔热层20，有保温效果。箱体1内的压力传感器25、温度传感器6、孔隙水压力传感器17、分层沉降标23均与应变数据采集仪15 连接。
鲁西北砂岩热储开采区地热开采井的取水段为1321m-1464m，结合该地区地层剖面资料，取1200-1464m为模型试验研究地层，其中1200-1319m为热储盖层， 1319-1464m为热储含水层。热储含水层厚度为145m，上部粘土盖层的厚度为119m， 1200m以上地应力经相似理论计算后通过反力装置施加到热储盖层表面。根据热储含水层渗透系数和历年平均水位降深资料，确定地热开采井的影响半径为 160m，依据相似比尺，同时为了减小边界效应对实验结果的影响，将模型平面尺寸适当扩大，箱体1尺寸为1.2m×0.8m×0.88m。
设定几何相似比尺为300。根据相似比尺，热储含水层及其盖层的厚度分别取为0.48m和0.40m。上覆土层的平均重度取为20kN/m3。按照相似理论应力比换算，则需要20×1200÷300＝80kPa的补偿荷载，该部分荷载通过地应力加载装置加以实现。热储含水层采暖期内的年均水温为52.33～55.08℃，平均值为 54.04℃。保持模型与原型的初始温度不变，则温度的相似系数应为1，由此确定模型热储含水层中水温为54℃。
所述过滤筛网包括五层，实验效果最佳，如图7所示，相邻两层过滤筛网上的孔交替分布，且每层孔的直径Dn满足以下约束条件：
靠近填土一侧的过滤筛网为第一层过滤筛网。第一层过滤筛网孔直径为1mm、第二层过滤筛网孔直径为4mm、第三层过滤筛网孔直径为8mm、第四层过滤筛网孔直径为16mm、第三层过滤筛网孔直径为32mm。
利用matlab软件拟合每层滤筛网的孔的个数P，
P＝2n-2(n-1)
靠近填土一侧的过滤筛网为第一层过滤筛网。第一层过滤筛网孔个数为2、第二层过滤筛网孔个数为2个、第三层过滤筛网孔个数为4mm、第四层过滤筛网孔个数为10个、第五层过滤筛网孔个数为24个。
一种地热开发地温场及位移场综合研究模型试验装置，具体实施步骤为：
步骤一，将地热开采井12和回灌井的保护壁稳固安置于模型试验箱体1中，在箱体1中铺设砂土层21作为热储含水层介质，放土过程中按照图1所示埋设温度传感器6、压力传感器25，所放砂土层21与热水储水夹层18同高，为0.48m；接着在砂土层21上放入饱和黏土层22作为热储含水层的盖层，分层铺设黏土，直到厚度达到0.40m，按图1所示埋设土孔隙水压力传感器27和温度传感器6。同时将位移观测的分层沉降标23埋入土层之中，以随时监测其土层沉降情况。
步骤二，调整反力架2位置，使加载板4刚好位于土体正上方，将反力架2 两侧的螺栓拧紧。
步骤三，打开伺服加载控制器9，在数显设备8上设定液压油缸3下降的速率，开启其下降按钮，使加载板4缓慢下降，直至与黏土层22表面接触。在数显设备8上点击自动保压功能按钮，设定80kPa的地应力，并根据设定的上覆土层压力均匀施加于模型土层上表面。
步骤四，为了防止在热储层注入热水过程中破坏土层结构，打开热水储水夹层18上侧的两个排气孔10，将75℃的热水由模型箱左右两侧和后侧管道缓慢注入箱体1，直至到达预设的水位。注入热水的过程中，同时开启辅助加热设备，使热水储水夹层18的加热管14开始工作，维持热水储水夹层18内部温度保持在54℃左右，并通过观察窗11进行观察。
步骤五，将地热开采井12、回灌井13分别放入其护壁中，并将开采井连接蠕动泵16，开启蠕动泵16，将箱体1中的热水经由蠕动泵16抽出，同时将自来水管道中的冷水以一定的压力经由回灌井注入箱体1。在地热开采-回灌过程中，经由沉降标监测土层变形情况，并通过观察窗11进行观察，经由与压力传感器 25、孔隙水压力传感器17相连的应变采集仪15土层中土压力、孔隙水压力的变化情况，通过与温度传感器6连接的应变采集仪15了解地热水开采与回灌的过程中其内部的传热机制。
步骤六、数据采集完成后，伺服加载控制器9时液压油缸3升起，液压油缸 3沿滑轨移动至支腿处，清理填土可以进行下一个实验。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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