CN112444472A - 模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验方法，其通过实验装置来实现，所述实验装置包括气体注入泵、水注入泵、水气混合器、可视模型、差压传感器和管路；气体注入泵向管路中注入气体，水注入泵向管路中注入水，气体和水在水气混合器中混合均匀后，共同进入可视模型并从另一侧流出；差压传感器用于测量该可视模型两侧的压力差；可视模型包括透明的孔径为0.1μm‑100μm的微细孔道，用于模拟地下含水层孔隙。本发明利用差压传感器定量监测计算微细孔道的堵塞程度，利用显微镜高速图像采集***对可视模型的微细孔道内气体聚集、累积过程进行采集，分析孔隙结构对气相堵塞程度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及多相流渗流实验技术领域，尤其涉及一种模拟地下水回灌过程中气泡堵塞含水层孔隙的微观可视化渗流实验方法。
背景技术
地下水人工回灌是地下水超采治理和实现余水调蓄的行之有效的办法。注水入井时，水中携带大量气泡，同时水中的溶解气体可能会因为压力和温度的改变而得到释放；再者，当水从井口经回灌管受到重力垂直跌落时，重力加速度使回灌管内水流不连续，产生负压导致回灌水产生严重的汽化并且一定程度上释放水中的溶解性气体；回灌水中还可能存有大量的微生物，这些微生物在一定条件下会发生反硝化反应，也会产生气体，主要包括氮氧化合物和氮气。回灌水中的气体在运移过程中会占据含水层孔隙，使含水层渗透性降低，导致回灌效率降低。因此，气相堵塞问题是制约人工回灌技术发展和推广的最重要因素之一。
现有关于气相堵塞的研究主要分为两类，一类是基于柱槽实验计算气相堵塞对渗透系数的影响，一类是基于场地试验观测气相堵塞对地下水回灌速率影响，两类研究方法对于直接观察含水层中气泡的运移和堵塞的发生都是非常困难的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验方法，用于实现气液两相微观可视化渗流实验，借助该实验，可以非常直观地获得地下水回灌过程中气液两相在含水层中的渗流特征及气体堵塞含水层孔隙的微观机理。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验方法，所述实验方法通过设计的一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验装置来实现；
所述实验装置包括气体注入泵、水注入泵、水气混合器、可视模型、差压传感器和管路；所述可视模型包含进水侧和出水侧；所述气体注入泵向管路中注入气体，所述水注入泵向管路中注入水，所述管路上设有所述水气混合器，所述气体注入泵注入的气体和所述水注入泵注入的水在所述水气混合器中混合产生水气混合物；水气混合物由管路从所述可视模型的进水侧进入所述可视模型中，并从出水侧出来；所述差压传感器两端分别连接在所述可视模型的进水侧和出水侧，用于测量所述可视模型的进水侧和出水侧的压力差；所述可视模型包括透明的微细孔道，所述微细孔道的孔径为0.1μm-100μm；所述微细孔道的两端分别连接所述进水侧和出水侧；所述可视模型模拟地下含水层孔隙；
利用所述差压传感器监测所述可视模型的进水侧和出水侧的压力差，定量监测计算孔隙的堵塞程度；利用显微镜高速图像采集***对气体在所述可视模型的微细孔道内聚集、累积过程进行实时采集，分析孔隙结构对气相堵塞程度的影响。
根据本发明的较佳实施例，所述可视模型采用玻璃、PMMA或PDMS制成；或者所述可视模型包含玻璃块，在所述玻璃块内部蚀刻有所述微细孔道。
根据本发明的较佳实施例，所述可视模型包含叠合粘接的两片玻璃，所述两片玻璃分别为底板和面板；所述面板上有进水孔和出水孔，所述底板设有被腐蚀出来的凹槽；所述底板和面板叠合粘接后，所述凹槽形成所述微细孔道，所述微细孔道的起始端和末端分别连接所述面板上的进水孔和出水孔。
根据本发明的较佳实施例，所述微细孔道为连续连通的I字形、U字形、Y字形等任意形状，具体可根据需求及实际条件进行设计。
根据本发明的较佳实施例，所述水气混合器内带有用于细化气泡的筛网，使气体注入泵注入的气体被细化成若干微米级气泡，并混合到水中；所述水气混合器位于所述可视模型的进水侧前端，实现水气混合同时注入。
根据本发明的较佳实施例，所述微细孔道内填充待考察区域地下砂土或岩心薄片。
根据本发明的较佳实施例，所述实验***还包含气源和水源，所述气源向所述气体注入泵供应气体，所述水源向所述水注入泵供应水。
根据本发明的较佳实施例，所述气源为储气瓶，所述水源为水槽。
根据本发明的较佳实施例，所述储气瓶与所述气体注入泵以管路连接，所述管路上设有气体减压阀、气压表。
根据本发明的较佳实施例，所述实验***还包含气水分离器，设于所述可视模型的出水侧，且位于所述差压传感器的检测点的后端；从所述可视模型出来的水气混合物进入所述气水分离器中实现分离，水气分离器的上部以管路连接一个密封罐的顶部，所述密封罐内装有水或非水液体，所述密封罐的底部设有一个排液管的一端，该排液管的另一端从所述密封罐的顶部连接至排液槽，所述排液槽底部设有重量传感器，用于监测可视模型出口侧的气体流出量。在其他实施例中，从可视模型流出的气体量可以采用在气水分离器的顶部气体导出管安装流量计的方式进行检测。
根据本发明的较佳实施例，所述气水分离器的底部设有排水口，所述排水口连接至集水槽，所述集水槽底部设有重量传感器，用于监测可视模型出口侧的水流出量。在其他实施例中，从可视模型流出的水的量可以采用在气水分离器的排水口安装流量计的方式进行检测。
根据本发明的较佳实施例，所述气体注入泵为双柱塞泵，所述水注入泵为双柱塞泵；以根据实验需求调节气体或水的注入速度，保证气液平稳注入。
根据本发明的较佳实施例，所述可视模型的出水侧还设有回压管路，所述回压管路的一端连接在所述差压传感器的检测点的后端、并在所述气水分离器的前端；所述回压管路的另一端连接至气源；所述回压管路上设有回压阀和压力表。该回压管路用于避免可视模型的两端压差过大(使可视模型的两端压差可控)，导致气水混合物过快流经所述可视模型的微细孔道，难以采集到所需的实验数据。
根据本发明的较佳实施例，所述实验装置还包括控制及计算模块，用于控制气体注入泵和水注入泵的工作参数(功率大小和启停时间)、采集重量传感器、差压传感器、气压表、压力表等的数据，控制各阀的开闭和开度；控制及计算模块还对采集的数据进行存储和整理及计算，将计算结果以图表形式导出或显示。
根据本发明的较佳实施例，还包括对水进行染色的步骤。其中，染色优先采用对水的密度、粘度、表面张力等影响非常小的水溶性无机颜料，便于提高显微镜高速图像采集***采集图像数据的清晰度。
(三)有益效果
本发明的模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验方法，可将微量气体与水的均匀混合注入，利用微细孔道模拟地下水回灌的孔隙，由于微细孔道为透明的，实现了水气两相在孔隙内运移过程的全程可视化实验，并借助差压传感器监测可视模型两端的压力差，用压力差定量监测微细孔道(孔隙)的堵塞程度，再利用显微镜高速图像采集***对气体在微细孔道内聚集、累积过程进行实时采集，分析孔隙结构对气相堵塞程度的影响。
本发明的实验***可以非常直观的获得地下水回灌过程中气液两相在含水层中的渗流特征及气体堵塞含水层孔隙的微观机理。结合理想与实际含水层特征条件，还可以通过调节气体的注入速度和注入量、调节水的注入速度和注入量的方式，进行不同气液比例、不同注入速率的渗流实验，考察孔隙结构、回灌方式等对回灌效率的影响，以及气液混合运移过程中气液在孔隙内分布特征与气相堵塞发生的机理。
附图说明
图1为本发明模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验装置的示意图。
图2为本发明的实验***中可视模型的一个实施例的示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验方法，该实验方法用到本发明设计的实验装置，所述实验装置包括储气瓶11、气体注入泵12、水槽13、水注入泵14、水气混合器15、可视模型16、差压传感器17、管路18、回压管路19、回压阀191、气水分离器20、密封罐21、排液管22、排液槽23、集水槽24、重量传感器25、气体减压阀26、气压表27。
如图1所示，储气瓶11向气体注入泵12供应气体，水槽13向水注入泵14供应水。气体注入泵12向管路18中注入气体，水注入泵14向管路18中注入水，气体和水一同进入水气混合器15中混合产生水气混合物，水气混合物由管路从可视模型16的进水侧161进入，并从出水侧162出来。差压传感器17两端分别连接在可视模型16的进水侧161和出水侧162，用于测量可视模型16的进水侧161和出水侧162间压力差，借此定量可视模型16内的堵塞情况。可视模型16包括透明的微细孔道，其两端分别连接进水侧161和出水侧162，微细孔道的孔径为0.1μm-100μm(可实验需求确定)，微细孔道用于模拟地下水回灌的岩土中的孔隙。可视模型16可采用玻璃、PMMA或PDMS等高透明度(雾度低于3％)的材质制成。其中，水气混合器15内带有用于细化气泡的筛网，使气体注入泵12注入的气体被细化成若干微米级气泡，以便于均匀地混合到水中，水气混合器15位于可视模型16的进水侧前端。水气混合器15用于实现将气体与水按照一定混合比例混合均匀后，共同注入可视模型16中。储气瓶11与气体注入泵12以管路连接，且在它们的管路上设有气体减压阀26和气压表27，还可以设置一个气体总阀。其中，气水分离器20设于可视模型16的出水侧162，且位于差压传感器17的检测点的后端，从可视模型16出来的水气混合物进入气水分离器20中实现分离，水气分离器17的上部以管路18(还有一个收集罩)连接一个密封罐21的顶部，而密封罐21内装有水或非水液体，密封罐21的内侧底部设有一个排液管22的一端，排液管22的另一端从密封罐21的顶部连接至排液槽23，排液槽23底部设有重量传感器24。由气水分离器20排出的气体将密封罐21内的液体挤压排出后进入到排液槽23中，通过重量传感器25对排液槽23内收集的液体称量，定量气体的流出量。气水分离器20的底部还设有排水口，排水口连接至集水槽24，集水槽24底部也设有重量传感器25，用于对集水槽24内收集的水进行称量，定量水的流出量。
优选地，气体注入泵12为双柱塞泵，水注入泵14为双柱塞泵；以根据实验需求调节气体或水的注入速度。
在可视模型16的出水侧还设有回压管路19，回压管路19的一端连接在出水侧162、且位于差压传感器17的检测点的后端、并在气水分离器20的前端，回压管路19的另一端连接至气源。回压管路19还设有回压阀191和气体减压阀26、气压表27。该回压管路19用于防止可视模型16的两端压差过大(使可视模型的两端压差可控)，导致气水混合物过快地流经可视模型16的微细孔道，显微镜高速图像采集***难以采集到所需的实验数据。
进一步地，本发明的实验***还包括控制及计算模块，用于控制气体注入泵12和水注入泵14的工作参数(功率大小和启停时间)、采集重量传感器25、差压传感器17、气压表27、压力表等的数据，控制各阀的开闭和开度等。
本发明提供模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验方法，即采用上述实验装置，利用差压传感器17监测可视模型16的进水侧和出水侧的压力差，定量监测堵塞程度；利用显微镜高速图像采集***对气体在可视模型16的微细孔道中聚集、累积过程进行实时图像采集，分析孔隙结构对气相堵塞程度的影响。
其中，在实验过程中，可对水进行染色，如使用墨水等染色，便于提高显微镜高速图像采集***采集图像数据的清晰度。其中，染色优先采用对水的密度、粘度、表面张力等影响非常小的水溶性无机颜料。
优选地，本发明设计的实验装置进一步包括控制及计算模块，用于控制气体注入泵和水注入泵的工作参数(功率大小和启停时间)、采集重量传感器、差压传感器、气压表、压力表等的数据，控制各阀的开闭和开度；同时控制及计算模块还对采集的数据进行存储和整理及计算，将计算结果以图表形式导出或显示。
本发明的实验***的意义在于：可以非常直观的获得地下水回灌过程中气液两相在含水层中的渗流特征及气体堵塞含水层孔隙的微观机理。结合理想与实际含水层特征条件，还可以通过调节气体的注入速度和注入量、调节水的注入速度和注入量的方式，进行不同气液比例、不同注入速率的渗流实验，考察孔隙结构、回灌方式等对回灌效率的影响，以及气液混合运移过程中气液在孔隙内分布特征与气相堵塞发生的机理。
其中，可视模型16为本发明技术方案实现的关键部件。如图2所示，为实验***中可视模型16的一个实施例的示意图。
可视模型16包含叠合胶结的两片玻璃，两片玻璃分别为底板16A和面板16B。面板16B上有进水孔161A和出水孔162B，底板16B设有被腐蚀出来的凹槽。当底板16B和面板16A叠合粘接后，凹槽被面板16A封闭形成微细孔道，微细孔道的起始端和末端分别连接面板16A上的进水孔161A和出水孔162B。
在本发明中，微细孔道为连续连通的I字形、U字形、Y字形等任意形状，具体形状则可根据需求和进行设计。
除上述两片玻璃的实时方式外，还可以是整块的有机玻璃或玻璃或其他高透明度的高分子树脂材料块，可在内部蚀刻出连续连通的微细孔道，制得所述可视模型。
优选地，为了进一步提高实验***模拟真实情况的接近程度，在部分实验中，可在微细孔道内填充待考察区域地下砂土或岩心薄片。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验方法，其特征在于，所述实验方法通过设计的一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验装置来实现；
所述实验装置包括气体注入泵、水注入泵、水气混合器、可视模型、差压传感器和管路；所述可视模型包含进水侧和出水侧；所述气体注入泵向管路中注入气体，所述水注入泵向管路中注入水，所述气体注入泵注入的气体和所述水注入泵注入的水在所述水气混合器中混合产生水气混合物；水气混合物从所述可视模型的进水侧进入所述可视模型中并从出水侧流出；所述差压传感器用于测量所述可视模型的进水侧和出水侧的压力差；所述可视模型包括透明的微细孔道，所述微细孔道的孔径为0.1μm-100μm；所述微细孔道的两端分别连接所述进水侧和出水侧；所述可视模型模拟地下含水层孔隙；
利用所述差压传感器监测所述可视模型的进水侧和出水侧的压力差，定量监测计算孔隙的堵塞程度；利用显微镜高速图像采集***对气体在所述可视模型的微细孔道内聚集、累积过程进行实时采集，分析孔隙结构对气相堵塞程度的影响。
2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述可视模型采用玻璃、PMMA或PDMS制成；或者所述可视模型包含玻璃块，在所述玻璃块内部蚀刻有所述微细孔道，微细孔道的形状根据需要进行设计。
3.根据权利要求2所述的实验方法，其特征在于，所述可视模型包含叠合粘接的两片玻璃，所述两片玻璃分别为底板和面板；所述面板上有进水孔和出水孔，所述底板设有被腐蚀出来的凹槽；所述底板和面板叠合粘接后，所述凹槽形成所述微细孔道；所述微细孔道的起始端和末端分别连接所述面板上的进水孔和出水孔。
4.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述水气混合器内带有用于细化气泡的筛网，使气体注入泵注入的气体被细化成若干微米级气泡，并混合到水中；所述水气混合器位于所述可视模型的进水侧前端。
5.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述微细孔道内填充待考察区域地下砂土或岩心薄片。
6.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述实验***还包含气源和水源，所述气源向所述气体注入泵供应气体，所述水源向所述水注入泵供应水；所述气源为储气瓶，所述水源为水槽；所述储气瓶与所述气体注入泵以管路连接，所述管路上设有气体减压阀、气压表。
7.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述实验***还包含气水分离器，设于所述可视模型的出水侧，且位于所述差压传感器的检测点的后端；从所述可视模型出来的水气混合物进入所述气水分离器中实现分离，水气分离器的上部以管路连接一个密封罐的顶部，所述密封罐内装有水或非水液体，所述密封罐的底部设有一个排液管的一端，该排液管的另一端从所述密封罐的顶部连接至排液槽，所述排液槽底部设有重量传感器，用于监测可视模型出口侧气体的流出量。
8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，所述气水分离器的底部还设有排水口，所述排水口连接至集水槽，所述集水槽底部设有重量传感器，用于监测可视模型出口侧液体的流出量。
9.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述可视模型的出水侧还设有回压管路，所述回压管路的一端连接在所述差压传感器的检测点的后端、并在所述气水分离器的前端；所述回压管路的另一端连接至气源；所述回压管路上设有回压阀和压力表。
10.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，所述实验装置还包括控制及计算模块，所述控制及计算模块用于控制气体注入泵和水注入泵的工作参数、采集重量传感器、差压传感器的数据，对采集的数据进行存储和整理及计算，将计算结果以图表形式导出或显示。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113216944A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-08-06 | 中国地质科学院水文地质环境地质研究所 | 研究深层基岩回灌影响因素的装置及方法 |
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2020
- 2020-11-23 CN CN202011320574.9A patent/CN112444472A/zh active Pending
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