CN107063941A - 一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，属于热解反应污染物扩散运移技术领域，它包括水压模拟***、地温地应力模拟***、污染物扩散运移模拟***，所述水压模拟***由气体、气体增压泵、调压阀、压力表、进气阀、水箱、补水阀、进水阀组成；所述地温地应力模拟***，由恒温箱、伺服压力机、压力传感器组成；所述污染物扩散运移模拟***，包括水箱、热解岩层载台、渗透液箱、相邻透水层载台、排液阀、集液器、补水阀。本发明克服了现有试验装置处于无约束状态、对试件不进行加载、不注重地温环境和地下水流动状态的缺点和不足，对地下数百米深处的地下水中油页岩和低变质煤等原位热解污染物扩散运移进行可行性试验研究。
Description
技术领域
本发明一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，主要用于油页岩和低变质煤等原位热解采区地下水污染模拟研究，为研究热解污染物在地下水中扩散运移规律提供试验数据。
背景技术
原位热解开采是通过注热井向地下目标矿层直接注入热解流体，利用注入流体与矿层有用组分之间发生的物理化学作用，使目标矿层有用组分在原位发生热解，最终将有用组分转化为流体，然后通过生产井将其提取到地面的一种采矿方法。与传统开采方式相比，不需要将矿产采掘至地表就可以获取资源，具有工艺流程少，成本低，开采率高，占地少的优点，是未来油页岩和低变质煤等开发利用的重要方式。
尽管原位热解开采具有上述优势，但热解会使得油页岩和低变质煤的渗透性发生巨大变化，从隔水层变为透水层，热解过程中产生的重金属、有机污染物等会进入到相邻含水层中，造成地下水污染。目前原位热解对地下水污染研究很少，且主要基于死水浸泡试验，这与采区原位有地应力与水压条件严重不符，所得试验结果与真实情况相差较大。开发能模拟地应力和水压的污染物扩散运移试验装置对真实反映原位采区地下水污染具有重要意义。
发明内容
本发明一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置的目的在于，克服传统浸泡试验方法的缺陷和不足，提供了一种能有效模拟原始地温、地应力和水压条件下的采区地下水中污染物扩散运移试验装置，能为研究热解污染物在地下水中的迁移规律提供可靠的试验数据。
一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征在于包括水压模拟***、地温地应力模拟***、污染物扩散运移模拟***，所述水压模拟***由气体、气体增压泵、调压阀、压力表、进气阀、第一水箱、第二水箱、补水阀、进水阀组成，气体通过增压泵进行增压，并通过调压阀和压力表调节所需压力，通过进气阀、第一水箱、进水阀和压力表将水压传递至第二水箱中；水体通过补水阀对第一水箱中的水进行补充。
所述水压模拟***，通过将高压气体注入到水箱中，通过压力传递，给试件加载不同的水压，以模拟油页岩和低变质煤层等赋存的真实地下水环境。气体通过增压泵进行增压，通过调压阀和压力表调节所需压力，通过进气阀、第一水箱、进水阀和压力表将水压传递至第二水箱中。水体通过补水阀对第一水箱中的水进行补充。
所述地温地应力模拟***，通过恒温箱和伺服压力机模拟地温和地应力条件。所述地温地应力模拟***由恒温箱、伺服压力机、压力传感器组成。通过伺服压力机对置于热解岩层载台中的热解岩层试样进行轴压和围压加载，通过压力传感器对施加于热解岩层试件的轴压和围压进行精准监控，通过伺服压力机对置于相邻透水层载台中的透水岩层试样进行轴压和围压加载，通过压力传感器对施加于透水岩层试样的轴压和围压进行精准监控，通过恒温箱对热解岩层试件和透水岩层试样进行恒温加热。
污染物扩散运移模拟***，通过将带水压的水体注依次注入到热解岩层试件和透水岩层试样中，以模拟热解污染物在地下水中的扩散运移。污染物扩散运移模拟***由水箱、热解岩层载台、渗透液箱、相邻透水层载台、渗透液箱、排液阀、集液器、补水阀、紧固螺栓组成，热解岩层试件置于热解岩层载台中，热解岩层载台采用法兰结构并用紧固螺栓密封，透水岩层试件置于相邻透水层载台中，相邻透水层载台采用法兰结构并用紧固螺栓密封，在水压作用下，水体从水箱进入热解岩层载台形成污染液，污染液进入渗透液箱，通过排液阀将不同高度位置处渗透液采集至集液器中，水压作用下，经渗透液箱的污染液经相邻透水层载台进入到渗透液箱中，通过排液阀将不同高度位置处渗透液采集至集液器中，通过排液阀将渗透液收集至集液器中。排液阀流速与地下水流速相同，主要作用为模拟地下水的流动活水特性，补水阀的主要作用在于补充经排液阀所取污染液等体积的水体，以减小渗透液箱中液体体积变化带来的误差。
本发明能够在地温条件下对试件加载轴压和围压，同时模拟地下水水压条件，试件尺寸为Φ400×50mm，试件轴压和围压0-20MPa，水压0-10MPa，试件环境温度0-80℃，模拟埋藏深度达800m的地质环境。
上述的一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征在于，所述热解岩层载台和相邻透水层载台可分别装载热解岩层试件和透水岩层试件，试件尺寸均为Φ400×50mm。
上述的一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征在于，所述的给试件加载的轴压和围压为0-20MPa，水压为0-10MPa，温度为0-80℃。
上述的一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征在于，所述的水压模拟***中的气体1采用的是氮气。
上述的一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置的试验方法，其特征在于所采用的装置能够恒温高压封装试件，可模拟矿产埋藏深度达800m的地温地应力水压条件的装置，该方法首先将热解岩层试件和透水岩层试件分别置于热解岩层载台和相邻透水层载台中，并用紧固螺栓进行密封；开启补水阀、进水阀，使水箱、渗透液箱充满水，关闭补水阀；对恒温箱设定目标温度，当温度达到设定值并稳定30min后，开启伺服压力机对试件施加轴压和围压，通过压力传感器控制压力至设定值；开启水压模拟***对试件施加水压，通过气体增压泵、调压阀、压力表、进气阀使水压增至设定压力值；打开排液阀，使排液阀流速与地下水流速相同，将渗透液收集至集液器中，试验开始；在设定取样时间点，打开排液阀收集污染液，取液时，应先放空排液阀中的旧液并冲洗，之后，从每个排液阀快速连续取三次样，以三个平行污染液样品浓度的平均值作为该部位污染液浓度值。在每次接取污染液完毕后，为减少溶液体积变化带来的误差，马上通过补水阀导入与接取量等体积的水。通过分析测定不同位置污染液成分和浓度，对热解污染物在地下水的扩散运移规律进行研究。
本发明一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置优点在于：与现有装置和方法相比，该装置充分考虑了矿产赋存的地温、地应力、地下水压条件，可以对试件分别加载0-20MPa的轴压和围压，施加0-10MPa的水压，试件环境温度0-80℃，可模拟800m的地质环境条件。本发明不仅是油页岩和低变质煤原位热解污染物在地下水中扩散运移试验方法和试验装置的重大革新，更为其他深埋矿产原位热解开采带来的地下水环境效应提供了可行的试验研究方法。
附图说明
图1是原位热解污染物在地下水中扩散运移的模拟试验装置结构示意图。
图中的标号：1——气体；2——气体增压泵；3——调压阀；4-1——第一压力表；4-2——第一压力表；5——进气阀；6-1——第一水箱；6-2——第二水箱；7-1——第一补水阀；7-2——第二补水阀；7-3——第三补水阀：8——进水阀；9——恒温箱；10-1——第一伺服压力机；10-2——第二伺服压力机；11-1——第一压力传感器；11-2——第二压力传感器；12——热解岩层载台；13-1——第一渗透液箱；13-2——第二渗透液箱；14——相邻透水层载台；15——排液阀；16——集液器；17——紧固螺栓。
具体实施方式
本试验装置可以模拟地下水中油页岩原位热解污染物的扩散运移，也可模拟地下水中褐煤原位热解污染物的扩散运移。
图1所示，一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征在于包括水压模拟***、地温地应力模拟***、污染物扩散运移模拟***，所述水压模拟***由气体1、气体增压泵2、调压阀3、第一压力表4-1、进气阀5、第一水箱6-1、第一补水阀7-1、进水阀8组成；
气体通过增压泵进行增压，并通过调压阀和压力表调节所需压力，通过进气阀、第一水箱、进水阀和压力表将水压传递至第二水箱6-2中；水体通过补水阀对水箱中的水进行补充。
所述地温地应力模拟***，由恒温箱9、压力传感器、伺服压力机组成。通过第一伺服压力机10-1对置于热解岩层载台12中的热解岩层试样进行轴压和围压加载，通过第一压力传感器11-1对施加于热解岩层试件的轴压和围压进行精准监控，通过第二伺服压力机10-2对置于相邻透水层载台14中的透水岩层试样进行轴压和围压加载，通过第二压力传感器11-2对施加于透水岩层试样的轴压和围压进行精准监控，通过恒温箱对热解岩层试件和透水岩层试样进行恒温加热。
实施方式1：模拟地下水中油页岩原位热解污染物的扩散运移
本实施方式的试验装置采用上述模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置。
具体实施操作步骤如下：
1、将尺寸为Φ400×50mm的热解油页岩试件和透水岩层试件分别放入热解岩层载台12和相邻透水层载台14中，用紧固螺栓17对热解岩层载台12进行密封、相邻透水岩层载台14进行密封。
2、第一开启补水阀7-1、第二开启补水阀7-2、第三开启补水阀7-3、进水阀8，使第一水箱6-1、第二水箱6-2、第一渗透液箱13-1、第二渗透液箱13-2充满水，关闭第一补水阀7-1、第二补水阀7-2、第三补水阀7-3。
3、根据所需要模拟油页岩层埋藏深度和水文地质条件，计算油页岩所在温度环境、地应力环境和地下水压力环境，对恒温箱9设定目标温度，当温度达到设定值并稳定30min后，开启伺服压力机对试件施加轴压和围压，通过压力传感器控制压力至设定值；开启水压模拟***对试件施加水压，通过气体增压泵2、调压阀3、第一压力表4-1、进气阀5使水压增至设定压力值。
4、根据实际水文地质条件，选定地下水流速，打开排液阀15，使排液阀15流速与地下水流速相同，试验开始。
5、根据实际试验需求，设定取样时间和取样量，取样时，打开排液阀15收集污染液至集液器16中。
6、在每次接取污染液完毕后，为减少溶液体积变化带来的误差，马上通过补水阀导入与接取量等体积的水。
7、通过分析测定不同位置污染液成分和浓度，研究油页岩热解污染物在地下水中的扩散迁移规律。
实施方式2：模拟地下水中褐煤原位热解污染物的扩散运移
本实施方式的试验装置采用上述模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，它能够满足模拟地下水中褐煤原位热解污染物的扩散运移，通过将热解褐煤试件和透水岩层试件置于载台中，密封，使设备充满水，待恒温箱温度达到设定值并稳定30min后，对试件施加轴压、围压和水压，打开底部排液阀15，使其流速与地下水流速相同。此后，定时开启右侧排液阀接取不同位置处污染液，分析污染液成分和浓度，研究褐煤热解污染物在地下水中的扩散迁移规律。
综上所述，本发明主要用于地下水中油页岩和低变质煤等原位热解污染物扩散运移研究。
该试验装置能够模拟不同的地应力条件、温度条件、地下水压力条件下的地下水中热解污染物扩散运移问题，但是以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的实施方式已经对本发明进行了描述，但本领域的科研技术人员应当明白，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变。
Claims (10)
1.一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征在于包括水压模拟***、地温地应力模拟***、污染物扩散运移模拟***，水压模拟***与地温地应力模拟***连接，地温地应力模拟***与污染物扩散运移模拟***连接；所述水压模拟***由气体、气体增压泵、调压阀、压力表、进气阀、第一水箱、第二水箱、补水阀、进水阀组成，气体通过增压泵进行增压，并通过调压阀和压力表调节所需压力，通过进气阀、第一水箱、进水阀和压力表将水压传递至第二水箱中，水体通过补水阀对第一水箱中的水进行补充；
所述地温地应力模拟***，由恒温箱、伺服压力机、压力传感器组成；伺服压力机设置在恒温箱内；通过伺服压力机分别对置于热解岩层载台中的热解岩层试件、置于相邻透水层载台中的透水岩层试件进行轴压和围压加载；通过压力传感器分别对施加于热解岩层试件、透水岩层试样的轴压和围压进行精准监控，通过恒温箱对热解岩层试件和透水岩层试件进行恒温加热；
所述污染物扩散运移模拟***，包括第二水箱、热解岩层载台、渗透液箱、相邻透水层载台、排液阀、集液器、补水阀；第二水箱、热解岩层载台、渗透液箱、相邻透水层载台均设置在恒温箱内；热解岩层试件置于热解岩层载台中，透水岩层试件置于相邻透水层载台中；第二水箱位于热解岩层载台上方，热解岩层载台上面设有两个渗透液箱，两个渗透液箱之间设有相邻透水层载台；每个渗透液箱均连接有若干集液器；
水体经第二水箱进入热解岩层载台形成污染液，污染液进入第一渗透液箱，通过排液阀将不同高度位置处渗透液采集至不同的集液器中；在水压作用下，第一渗透液箱的污染液经相邻透水层载台进入到第二渗透液箱中，通过排液阀将不同高度位置处渗透液采集至不同的集液器中。
2.根据权利要求1所述一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征是所述水压模拟***通过将高压气体注入到水箱中，并通过压力传递，给试件加载不同的水压，以模拟油页岩和低变质煤层赋存的真实地下水环境。
3.根据权利要求1所述一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征是所述地温地应力模拟***，通过恒温箱和伺服压力机模拟矿产的真实埋藏地温条件和地应力条件。
4.根据权利要求1所述一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征是所述污染物扩散运移模拟***，通过将带水压的水体注依次注入到热解岩层试件和透水岩层试样中，模拟热解污染物在地下水中的扩散运移。
5.根据权利要求1所述一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征是它模拟矿产埋藏深度是800m的地质环境条件。
6.根据权利要求1所述的一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征在于，所述的热解岩层载台装载直径是400mm，高度是50mm的热解岩层试件。
7.根据权利要求1所述的一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试装置，其特征在于，所述的相邻透水层载台装载直径是400mm，高度是50mm的透水岩层试件。
8.按照权利要求1所述的一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征在于给试件加载的轴压和围压均是0-20MPa，给试件加载的水压为0-10MPa，水温温度为0-80℃。
9.按照权利要求1所述的一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验装置，其特征在于所述气体采用的是氮气。
10.一种模拟原位热解污染物在地下水中扩散运移的试验方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）将热解岩层试件置于权利要求1所述的热解岩层载台，并用紧固螺栓进行密封透水岩层试件置于权利要求1所述的相邻透水层载台中，并用紧固螺栓进行密封；
（2）开启补水阀、进水阀，使水箱、渗透液箱充满水，关闭补水阀；
（3）对恒温箱设定目标温度，当温度达到设定值并稳定30min后，开启伺服压力机对热解岩层试件和透水岩层试件施加轴压和围压，通过压力传感器控制压力至设定值；
（4）开启水压模拟***对热解岩层试件和透水岩层试件施加水压，通过气体增压泵、调压阀、压力表、进气阀使水压增至设定压力值；
（5）打开排液阀，使排液阀流速与地下水流速相同，将渗透液收集至集液器中；
（6）在设定取样时间点，打开排液阀收集污染液，取液时，应先放空排液阀中的旧液并冲洗，从每个排液阀连续取三次样；在每次接取污染液完毕后，马上通过补水阀导入与接取量等体积的水；
（7）以三个平行污染液样品浓度的平均值作为该部位污染液浓度值。
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