CN109882165A - 微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置及操作方法，包括岩板加热模拟机构、分别连接在岩板加热模拟机构两端的流体加热器和流体测量机构、连接在岩板加热模拟机构上的压力控制机构以及分别连接在流体加热器上的供流机构和供气机构；操作方便，能够模拟地层条件，监测注入流体在通过岩板过程中岩板表面的温度变化情况，以及流体在岩板中温度达热平衡的时间，进而模拟注流体开采地热资源热开采效率；由温度记录仪测试驱替出流体的温度及红外线温度扫描仪监测岩石表面温度从而计算热开采效率，更好的指导地热田合理开采。

Description

微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置及操作方法

技术领域

本发明涉及地热资源技术领域，具体涉及一种微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置及操作方法。

背景技术

地热资源的分布广泛，地热储层的地质环境变化很大，大型地热田的储层中可涵盖各种岩层，包括石英岩、页岩、火山岩和花岗岩等。岩性复杂多样，各类岩性的导热率和储热效率有差别。全球地热资源丰富，在地热发电、采暖、温室、康复医疗等方面已获得广泛利用。浅层地热资源表现为火山、间歇泉、温泉和大规模热水型储层等，主要位于地质构造非常活跃的地区。这类资源的深度相对较浅，利用地源热泵即可开采。而另一部分地热资源的埋藏和开采条件较浅层地热资源差，需要通过技术开发进行开采。

现有的地热储集层开发面临两类问题，一是含水量达标且渗透率高的地层但其地热资源可能不足以达到开采标准，另一类是储层埋藏深但含水量不足或渗透率较低。对于这类地热资源的开采需进行大规模压裂和热交换开采，达到高效经济地开采地热资源的目的。

综合地热储层岩性多样性和开采的技术要求，精确评价地热资源开采效率、优选高效开采方法是地热资源开采的基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能模拟地热资源开采效率的模拟装置及其操作方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置，包括岩板加热模拟机构、分别连接在岩板加热模拟机构两端的流体加热器和流体测量机构、连接在岩板加热模拟机构上的压力控制机构以及分别连接在流体加热器上的供流机构和供气机构；

所述岩板加热模拟机构包括岩板夹持器、位于所述岩板夹持器外壁的微波加热器、与所述微波加热器可拆卸连接的红外线温度扫描仪以及设置在所述岩板夹持器内的岩板样体；所述流体加热器、流体测量机构以及压力控制机构分别与所述岩板夹持器相连接。

进一步，所述流体测量机构包括连接在岩板夹持器出口端的储流体容器、连接在储流体容器内的温度记录仪以及位于储流体容器下端的称重仪。

进一步，所述压力控制机构包括连接在岩板夹持器底部的自动环压泵以及连接在自动环压泵和岩板夹持器之间的第一调压阀和压力表。

进一步，所述供流机构包括通过供流管与流体加热器相连接的平流泵以及连接在平流泵与流体加热器之间的第一调控组件和第二调控组件，所述第一调控组件包括依次连接的第二调压阀和限流器，所述第二调控组件包括依次连接的第二调压阀和限压器。

进一步，所述供气机构包括通过供气管与流体加热器相连接的供气瓶以及连接在供气瓶和流体加热器之间的第三调压阀和控制阀。

进一步，所述岩板夹持器的内壁上设置有隔热胶套。

进一步，所述微波加热器外壁上设置有防辐射涂层。

本发明还公开了一种微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置的操作方法，包括以下步骤：

步骤①：制备岩板样体样本和注入流体；

步骤②：通过微波加热器和红外线温度扫描仪对注入流体过程中的热损失校正；

步骤③：结束注入流体热损失校正，撤离红外线温度扫描仪，关闭仪器；将实验岩板样体放入岩板夹持器中，确定实验仪器密闭性；

步骤④：打开自动环压泵给岩板施加围压至地层压力，打开微波加热器对岩板样体加热至地层温度T_i；

步骤⑤：打开平流泵连接的阀门，根据预设参数注入压力P₀及注入流体流量Q₀，调节调压阀、限压阀及限流器；再打开流体加热器加热注入流体，设定注入流体的初始温度为T₀(T₀-T_i)；

步骤⑥：岩板完成加热后，自动撤离岩板夹持器***的微波加热器，同时移动红外线扫描仪至岩板夹持器***，打开红外线扫描仪，监测模拟注流体开采地热资源时岩板表面温度的变化，记录单位时间t₀时刻岩板温度值T_i"及注流体过程中岩板夹持器内岩板表面温度达稳定时所消耗的时间t；

步骤⑦：用储流体容器收集从岩板夹持器流出的注入流体，使用温度记录仪及电子天平记录单位时间t₀流体流出时的温度值T_i'及质量m_i；

步骤⑧：通过控制变量法，改变参数数据，然后重复步骤①-步骤⑦的操作；

步骤⑨：对实验数据进行分析，确定最佳开采效率下对应的实验数据。

进一步，步骤②包括以下步骤：

a1:组装实验装置，岩板夹持器中不放入岩板；

a2:打开微波加热器给岩板夹持器加热到T₀，完成加热后，自动撤离岩板夹持器***的微波加热器，同时自动移动红外线温度扫描仪至岩板夹持器***；

a3:打开平流泵连接的阀门，根据需要注入压力P₀及注入流体流量Q₀，调节调压阀、限压阀及限流器；

a4:打开流体加热器加热，给注入流体一个初始温度T₀(微波加热器与流体加热器温度相同)；

a5:用储流体容器收集从岩板夹持器流出的注入流体，使用温度记录仪及电子天平记录规定时间t₀流体流出时的温度值T₀'及质量m₀；

a6:使用红外线温度扫描仪记录单位时间t₀时流体的温度值T₀"；

a7:根据记录的数据及热量计算公式，计算仪器的热损失为：Q_A＝cm₀(T₀'-T₀)其中，c为注入流体的比热容，J/(kg·℃)。

进一步，步骤⑨包括以下步骤：

b1：计算红外线温度监测热损失量Q_B

由热量计算公式得红外线温度监测热损失量为Q_B＝cm₀(T₀'-T₀")

式中，T₀"为单位时间t₀时红外线温度扫描仪(10)测得的流体温度值，℃；

b2：计算实验岩板实验中降低的热量Q₁

由热量计算公式得：

式中，ρ_γ为实验岩板密度kg/m³；V为实验岩板体积，m³；为实验岩板孔隙度；c_p为实验岩板的质量热容，J/(kg·℃)；T_i为实验岩板经微波加热器加热后的初始温度(即模拟地层温度)℃；T_i"为单位时间t₀岩板温度值，℃；

b3：计算注入流体流动中携带的热量Q₂

由热量计算公式得：Q₂＝cm_i(T_i'-T₀)

式中，m_i为单位时间t₀流体流出的质量，kg；T_i'为单位时间t₀流体流出时的温度值，℃；

b4：计算注流体开采地热资源的热开采效率：

b5：由β及t大小分析地热开采效率。

本发明具有以下有益效果：本发明提供的微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置及操作方法，操作方便，能够模拟地层条件，监测注入流体在通过岩板过程中岩板表面的温度变化情况，以及流体在岩板中温度达热平衡的时间，进而模拟注流体开采地热资源热开采效率；由温度记录仪测试驱替出流体的温度及红外线温度扫描仪监测岩石表面温度从而计算热开采效率，更好的指导地热田合理开采。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2本发明中岩板夹持器正面剖视图；

图3为本发明中岩板夹持器侧面剖视图；

图1至图3中所示附图标记分别表示为：1-岩板加热模拟机构，2-流体加热器，3-流体测量机构，4-压力控制机构，5-供流机构，6-供气机构，8-岩板夹持器，9-微波加热器，10-红外线温度扫描仪，12-岩板样体，31-储流体容器，32-温度记录仪，33-称重仪，41-自动环压泵，42-第一调压阀，43-压力表，51-平流泵，520-限压器，521-第二调压阀，522-限流器，61-供气瓶，62-控制阀，63-第三调压阀，16-隔热胶套，17-防辐射涂层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，注流体开采地热资源热开采效率实验装置，包括岩板加热模拟机构、分别连接在岩板加热模拟机构两端的流体加热器和流体测量机构、连接在岩板加热模拟机构上的压力控制机构以及分别连接在流体加热器上的供流机构和供气机构。流体加热器2用于加热注入流体的初始温度；流体测量机构3用于测试驱替出流体的温度从而反算热开采效率；压力控制机构4用于岩块体12施加围压模拟地层条件；供气机构6和供流机构5用于控制注入流体的类型。

所述岩板加热模拟机构包括岩板夹持器8、位于所述岩板夹持器8外壁的微波加热器9、与所述微波加热器9可拆卸连接的红外线温度扫描仪10以及设置在所述岩板夹持器8内的岩板样体12；所述流体加热器、流体测量机构以及压力控制机构分别与所述岩板夹持器8相连接。岩板样体为板状结构。微波加热器9，用于对岩板加热模拟地层条件；微波加热器9为环状，与红外线温度扫描仪10互为替换的活动槽装置，在移动红外线温度扫描仪10至岩板夹持器8***测温时微波加热器9自动撤离，用于避免微波加热器9对红外线温度扫描仪10工作造成影响；微波加热器9外层有防辐射涂层17，用于减少微波辐射对实验人员的伤害。红外线温度扫描仪10，用于动态监测模拟注流体开采地热资源时岩板表面温度变化；红外线温度扫描仪10为环状、与微波加热器9互为替换的活动槽装置，在岩板完成加热、自动撤离微波加热器9后，再移动红外线温度扫描仪10至岩板夹持器8***监测岩板表面温度变化；微波加热器的型号为SD-10KW，红外线温度扫描仪的型号为OS91。

供流机构5包括通过供流管与流体加热器2相连接的平流泵51以及连接在平流泵51与流体加热器2之间的第一调控组件和第二调控组件，第一调控组件包括依次连接的第二调压阀521和限流器522，第二调控组件包括依次连接的第二调压阀521和限压器520。

供气机构6包括通过供气管与流体加热器2相连接的供气瓶61以及连接在供气瓶61和流体加热器2之间的第三调压阀和控制阀62，第三调压阀和控制阀62位于供气管上。供气瓶61内盛装有气体，当需要通入气体时，打开供气瓶61，通过调节调节阀和控制阀62来调节压力的大小，使得气体能顺利的注入至岩板夹持器8内，流体加热器2与岩板夹持器8之间也设置有阀门，控制注入流体的流量。

流体测量机构3包括连接在岩板夹持器8出口端的储流体容器31、连接在储流体容器31内的温度记录仪32以及位于储流体容器31下端的称重仪33。通过温度记录仪32，测试驱替出流体的温度，通过称重仪33，测定规定时间内流出的流体的质量，称重仪33采用电子天平。

压力控制机构4包括连接在岩板夹持器8底部的自动环压泵41以及连接在自动环压泵41和岩板夹持器8之间的调压阀和压力表43。通过自动环压泵41的作用，对岩块体12施加围压从而模拟地层条件，通过调压阀和压力表43的配合，可有效的控制压力大小，准确的模拟地层压力条件。

为了减少岩板的热损失量，本发明中，岩板夹持器8内部有隔热胶套16。

本发明还提供了微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置的操作方法，包括以下步骤：

步骤①：制备岩板样体12样本和注入流体；

步骤②：通过微波加热器9和红外线温度扫描仪对注入流体过程中的热损失校正；具体包括以下步骤：

a1:组装实验装置，岩板夹持器8中不放入岩板；

a2:打开微波加热器9给岩板夹持器8加热到T₀，完成加热后，自动撤离岩板夹持器8***的微波加热器9，同时自动移动红外线温度扫描仪10至岩板夹持器8***；

a3:打开平流泵51连接的阀门，根据需要注入压力P₀及注入流体流量Q₀，调节调压阀521、限压阀520及限流器522；

a4:打开流体加热器2加热，给注入流体一个初始温度T₀(微波加热器9与流体加热器2温度相同)；

a5:用储流体容器31收集从岩板夹持器8流出的注入流体，使用温度记录仪32及电子天平记录规定时间t₀流体流出时的温度值T₀'及质量m₀；

a6:使用红外线温度扫描仪10记录单位时间t₀时流体的温度值T₀"；

a7:根据记录的数据及热量计算公式，计算仪器的热损失为：Q_A＝cm₀(T₀'-T₀)其中，c为注入流体的比热容，J/(kg·℃)。Q_A>0,注入流体流动过程中，岩板夹持器8装置残余热量使流体热量增加；Q_A<0,注入流体流动过程中，由于热传导岩板夹持器8消耗部分注入流体热量，使其热量损失。

步骤③：结束注入流体热损失校正，撤离红外线温度扫描仪10，关闭仪器；将实验岩板样体12放入岩板夹持器8中，确定实验仪器密闭性；

步骤④：打开自动环压泵41给岩板施加围压至地层压力，打开微波加热器9对岩板样体12加热至地层温度T_i；

步骤⑤：打开平流泵51连接的阀门，根据预设参数注入压力P₀及注入流体流量Q₀，调节调压阀521、限压阀520及限流器522；再打开流体加热器2加热注入流体，设定注入流体的初始温度为T₀(T₀-T_i)；

步骤⑥：岩板完成加热后，自动撤离岩板夹持器8***的微波加热器9，同时移动红外线扫描仪至岩板夹持器8***，打开红外线扫描仪，监测模拟注流体开采地热资源时岩板表面温度的变化，记录单位时间t₀时刻岩板温度值T_i"及注流体过程中岩板夹持器8内岩板表面温度达稳定时所消耗的时间t；

步骤⑦：用储流体容器31收集从岩板夹持器8流出的注入流体，使用温度记录仪32及电子天平记录单位时间t₀流体流出时的温度值T_i'及质量m_i；

步骤⑧：为了进一步模拟不同注入流体、不同注入压力、不同注入流量及注入流体不同初始温度对注流体开采地热资源热开采效率的影响及热开采效率最高的流体相关条件，通过控制变量法，改变参数数据，然后重复步骤①-步骤⑦的操作；

步骤⑨：对实验数据进行分析，确定最佳开采效率下对应的实验数据。对实验数据进行分析。包括以下步骤：

b1：计算红外线温度监测热损失量Q_B

由热量计算公式得红外线温度监测热损失量为Q_B＝cm₀(T₀'-T₀")

式中，T₀"为单位时间t₀时红外线温度扫描仪10测得的流体温度值，℃；若Q_B>0，红外线测温中，由于隔热胶套16存在不能直接测得岩板表面温度，使红外线测温热量损失；若Q_B<0，红外线测温中，由于加热中隔热胶套16表面热未散失，使红外线测温热量增加。

b2：计算实验岩板实验中降低的热量Q₁

由热量计算公式得：

式中，ρ_γ为实验岩板密度kg/m³；V为实验岩板体积，m³；为实验岩板孔隙度；c_p为实验岩板的质量热容，J/(kg·℃)；T_i为实验岩板经微波加热器9加热后的初始温度(即模拟地层温度),℃；T_i"为单位时间t₀岩板温度值，℃；

b3：计算注入流体流动中携带的热量Q₂

由热量计算公式得：Q₂＝cm_i(T_i'-T₀)

式中，m_i为单位时间t₀流体流出的质量，kg；T_i'为单位时间t₀流体流出时的温度值，℃；

b4：计算注流体开采地热资源的热开采效率：

b5：由β及t大小分析地热开采效率。β值越大，反映地热开采效率越高，反之；t值越大，反映流体热传导效率越低，地热开采效率较低，反之。

b6：观察观察注入流体在不同条件下(注入流体类型、注入压力P₀、注入流量Q₀及初始温度T₀)，β及t值的变化：

注气与注液相比，若β_g>β_L或t_g<t_L，说明注气时达热平衡时间短，注气地热开采效率高，反之；

若P₀越大，β越小或t越大，说明流体流速越快，地热开采效率越低，反之；

若Q₀越大，β越小或t越大，说明流体流速越快，地热开采效率越低，反之；

若T₀越大，β越小或t越大，说明流体初始温度影响其热传导效率，即流体初始温度越高，其地热开采效率越低。实际结果根据实际实验数据进行分析。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置，其特征在于，包括岩板加热模拟机构(1)、分别连接在岩板加热模拟机构(1)两端的流体加热器(2)和流体测量机构(3)、连接在岩板加热模拟机构(1)上的压力控制机构(4)以及分别连接在流体加热器(2)上的供流机构(5)和供气机构(6)；

所述岩板加热模拟机构(1)包括岩板夹持器(8)、位于所述岩板夹持器(8)外壁的微波加热器(9)、与所述微波加热器(9)可拆卸连接的红外线温度扫描仪(10)以及设置在所述岩板夹持器(8)内的岩板样体(12)；所述流体加热器(2)、流体测量机构(3)以及压力控制机构(4)分别与所述岩板夹持器(8)相连接。

2.根据权利要求1所述的微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置，其特征在于，所述流体测量机构(3)包括连接在岩板夹持器(8)出口端的储流体容器(31)、连接在储流体容器(31)内的温度记录仪(32)以及位于储流体容器(31)下端的称重仪(33)。

3.根据权利要求1所述的微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置，其特征在于，所述压力控制机构(4)包括连接在岩板夹持器(8)底部的自动环压泵(41)以及连接在自动环压泵(41)和岩板夹持器(8)之间的第一调压阀(42)和压力表(43)。

4.根据权利要求1至3任一项所述的微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置，其特征在于，所述供流机构(5)包括通过供流管与流体加热器(2)相连接的平流泵(51)以及连接在平流泵(51)与流体加热器(2)之间的第一调控组件和第二调控组件，所述第一调控组件包括依次连接的第二调压阀(521)和限流器(522)，所述第二调控组件包括依次连接的第二调压阀(521)和限压器(520)。

5.根据权利要求4所述的微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置，其特征在于，所述供气机构(6)包括通过供气管与流体加热器(2)相连接的供气瓶(61)以及连接在供气瓶(61)和流体加热器(2)之间的第三调压阀(63)和控制阀(62)。

6.根据权利要求5所述的微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置，其特征在于，所述岩板夹持器(8)的内壁上设置有隔热胶套(16)。

7.根据权利要求5所述的微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置，其特征在于，所述微波加热器(9)外壁上设置有防辐射涂层(17)。

8.根据权利要求1至7任一项所述的微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤①：制备岩板样体(12)样本和注入流体；

步骤②：通过微波加热器(9)和红外线温度扫描仪(10)对注入流体过程中的热损失校正；

步骤③：结束注入流体热损失校正，撤离红外线温度扫描仪(10)，关闭仪器；将实验岩板样体(12)放入岩板夹持器(8)中，确定实验仪器密闭性；

步骤④：打开自动环压泵(41)给岩板施加围压至地层压力，打开微波加热器(9)对岩板样体(12)加热至地层温度T_i；

步骤⑤：打开平流泵(51)连接的阀门，根据预设参数注入压力P₀及注入流体流量Q₀，调节调压阀(521)、限压阀(520)及限流器(522)；再打开流体加热器(2)加热注入流体，设定注入流体的初始温度为T₀(T₀-T_i)；

步骤⑥：岩板完成加热后，自动撤离岩板夹持器(8)***的微波加热器(9)，同时移动红外线扫描仪至岩板夹持器(8)***，打开红外线扫描仪，监测模拟注流体开采地热资源时岩板表面温度的变化，记录单位时间t₀时刻岩板温度值T_i"及注流体过程中岩板夹持器(8)内岩板表面温度达稳定时所消耗的时间t；

步骤⑦：用储流体容器(31)收集从岩板夹持器(8)流出的注入流体，使用温度记录仪(32)及电子天平记录单位时间t₀流体流出时的温度值T_i'及质量m_i；

步骤⑧：通过控制变量法，改变参数数据，然后重复步骤①-步骤⑦的操作；

步骤⑨：对实验数据进行分析，确定最佳开采效率下对应的实验数据。

9.根据权利要求5所述的微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置的操作方法，其特征在于，步骤②包括以下步骤：

a1:组装实验装置，岩板夹持器(8)中不放入岩板；

a2:打开微波加热器(9)给岩板夹持器(8)加热到T₀，完成加热后，自动撤离岩板夹持器(8)***的微波加热器(9)，同时自动移动红外线温度扫描仪(10)至岩板夹持器(8)***；

a3:打开平流泵(51)连接的阀门，根据需要注入压力P₀及注入流体流量Q₀，调节调压阀(521)、限压阀(520)及限流器(522)；

a4:打开流体加热器(2)加热，给注入流体一个初始温度T₀(微波加热器(9)与流体加热器(2)温度相同)；

a5:用储流体容器(31)收集从岩板夹持器(8)流出的注入流体，使用温度记录仪(32)及电子天平记录规定时间t₀流体流出时的温度值T₀'及质量m₀；

a6:使用红外线温度扫描仪(10)记录单位时间t₀时流体的温度值T₀"；

a7:根据记录的数据及热量计算公式，计算仪器的热损失为：Q_A＝cm₀(T₀'-T₀)其中，c为注入流体的比热容，J/(kg·℃)。

10.根据权利要求1所述的微波加热和红外测温的地热资源开采模拟装置的操作方法，其特征在于，步骤⑨包括以下步骤：

b1：计算红外线温度监测热损失量Q_B

由热量计算公式得红外线温度监测热损失量为Q_B＝cm₀(T₀'-T₀")

式中，T₀"为单位时间t₀时红外线温度扫描仪(10)测得的流体温度值，℃；

b2：计算实验岩板实验中降低的热量Q₁

由热量计算公式得：

式中，ρ_γ为实验岩板密度kg/m³；V为实验岩板体积，m³；为实验岩板孔隙度；c_p为实验岩板的质量热容，J/(kg·℃)；T_i为实验岩板经微波加热器(9)加热后的初始温度(即模拟地层温度)℃；T_i"为单位时间t₀岩板温度值，℃；

b3：计算注入流体流动中携带的热量Q₂

由热量计算公式得：Q₂＝cm_i(T_i'-T₀)

式中，m_i为单位时间t₀流体流出的质量，kg；T_i'为单位时间t₀流体流出时的温度值，℃；

b4：计算注流体开采地热资源的热开采效率：

b5：由β及t大小分析地热开采效率。