CN113125203B - 一种模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置和方法，包括井筒单元，用于模拟不同深度下的井筒；地层单元，与井筒单元相连接，其包括高压玻璃填砂管，用于模拟及替换不同渗透率的地层；加压单位，与地层单元相连接，其包括水源、加压泵，水源通过加压泵与高压玻璃填砂管相连，用于向模拟井筒及模拟地层内注入流体并实现加载；取样单元，与井筒单元相连接，用于对井筒内的流体进行气体推动式流体取样及取样效果监测。本发明结构简单，使用方便，可实现不同地层深度(0～500m)下井筒内地下流体取样的三维可视化动态演示过程，可用于研究气体驱动式取样器在不同压力环境下的取样性能，对于气体推动式取样器的性能升级改造具有重要参考价值。

Description

一种模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置和方法
技术领域
本发明涉及地下水取样的技术领域，尤其涉及一种模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置，同时还涉及一种模拟井筒内地下流体取样可视化实验的方法。
背景技术
近年来随着社会发展和人类活动的不断增加，地下水资源普遍受到由城市化、工业化、农业和矿业等活动导致的污染威胁。据调查发现，目前中国90％城市地下水遭受有毒有害污染物的污染，已呈现由点向面、由浅到深、由城市到农村不断扩展和污染程度日益严重的趋势。地下流体取样，结合同位素追踪、地层残余气分析、化学成分测试等手段可提供大量地层信息，是开展地下环境监测的重要手段之一。地下流体取样对于工程安全开展和环境风险评估具有指导意义，存在大量工程需求。
根据取样原理、驱动力和结构设计的差异，地下流体取样器可分为三种类型：下井式定深取样器、泵式取样器和气体驱动式取样器。其中，气体驱动式取样器利用压缩气体作为动力源，当地下流体在静水压力作用下渗入取样器内后，流体被存储于进样段内，通过压缩气体的推动作用获取相应地下层位的流体。相对于筒式和泵式取样器，气体推动式取样器取样容量大、能实现连续快速分层取样，受水中污染颗粒物影响很小，性能稳定，且具有保压和被动取样的特点，在取样过程中对地下流体场的扰动小，能与其他井下监测技术实现搭接，实现地下流体环境的精确原位监测，是未来地下水资源调查及监测的重要手段。
然而，该技术目前主要集中在二氧化碳地质封存领域，主要关注地下封存的气体(如CO2、H2S、CH4)泄漏至浅地表，对浅地表地下水污染的监测预警与环境影响评估。若将该技术应用于地下水资源监测领域，根据不同应用领域和科学问题所导致的设备结构和技术方案略有区别。
发明内容
基于现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是在于提供了一种模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置，结构简单，使用方便，模拟气体推动式取样器在不同地层深度井筒内进行地下流体取样过程，同时实现全方位360°可视化观测。
本发明的另一个目的是在于提供了一种模拟井筒内地下流体取样可视化实验的方法，方法易行，操作简便，可实现不同地层深度(0～500m)及不同渗透率的地下环境，可用于探索气体驱动式取样器的地层适应性及研究在不同压力环境下的取样性能，有助于气体推动式取样器的性能结构优化。
为实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
一种模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置，包括井筒单元，用于模拟不同深度下的井筒；地层单元，与所述井筒单元相连接，其包括高压玻璃填砂管，用于模拟及替换不同渗透率的地层；加压单位，与所述地层单元相连接，其包括水源、加压泵，所述水源通过加压泵与所述高压玻璃填砂管相连，用于向模拟井筒及模拟地层内注入流体并实现加载；取样单元，与所述井筒单元相连接，其包括悬挂于所述井筒单元内的过滤渗析组件、位于所述井筒单元内并置于所述过滤渗析组件上方的高压玻璃储流容器、位于所述井筒单元外并对所述高压玻璃储流容器提供驱动压力的压力驱动器、位于所述井筒单元外并对所述高压玻璃储流容器内的流体进行取样的取样装置，用于对井筒内的流体进行气体推动式流体取样及取样效果监测。
优选的，所述压力驱动器包括通过注气导管与所述高压玻璃储流容器相连的氮气瓶、安装在所述注气导管上的减压阀和注气阀，氮气瓶内的高压氮气通过注气导管分别经过减压阀及注气阀后进入所述高压玻璃储流容器中，同时推动高压储流容器中的流体至所述取样装置中进行取样。
进一步的，所述取样装置包括通过取水管与所述高压玻璃储流容器相连的取样瓶、安装在所述取水管上的背压阀和流量计，所述压力驱动器的驱动压力大于背压阀设定的压力值时，背压阀开启，流体通过取水管分别经过背压阀及流量计进入到取样瓶中。
可选的，所述井筒单元包括高压玻璃井筒、用于密封高压玻璃井筒顶部开口的上堵头、以及排空管，所述排空管的下端穿过所述上堵头后悬空于所述高压玻璃井筒内，其上端依次与压力表和排空阀相连；所述压力表用于实时显示高压玻璃井内的流体压力。
进一步的，所述流量计与数据采集***及数据存储***相连，并通过数据采集***及数据存储***进行数据实时采集与监测。
可选的，所述过滤渗析组件上设置有三通阀，所述三通阀的三端分别与所述过滤渗析组件、注气导管与取水管相连。
进一步的，所述高压玻璃填砂管的两端分别设有高压玻璃填砂管拆装阀A和高压玻璃拆装阀B。
上述各部件中，过滤渗析组件当在其外部的高压玻璃井筒内的液面高于过滤渗析组件2CM时就开启，地层流体可通过过滤渗析组件进入至高压玻璃储流容器中。加压泵通过从水源中吸收流体，然后往高压玻璃填砂管中注入所吸取的流体。流体通过高压玻璃填砂管向模拟井筒内渗流，渗流过程中位于上堵头的排空阀打开，直至高压玻璃井筒注满流体后关闭，使整套加压装置处于一个封闭的状态，最后通过加压泵继续注入流体，增加模拟地层和模拟井筒内的流体压力，用于模拟不同地层深度的流体压力。当井筒内的流体液面高于过滤渗析组件2cm时，井筒内流体通过过滤渗析组件进入至高压玻璃储流容器中。当高压玻璃储流容器充满流体时，打开所述氮气瓶和注气阀，通过减压阀控制注气压力，当注气压力大于高压玻璃井筒内的流体压力时，高压玻璃储流容器中的流体便经过取水管、背压阀和流量计流入到取样瓶中进行流体取样。
由上，本发明的模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置能更好的提升气体驱动式取样器的工作性能，进一步扩展应用前景，对影响气体驱动式取样器的取样性能的控制因素进行大量的室内测试。通过在可视化模拟井筒内开展取样器流体取样全流程的室内模拟实验，对取样过程中的井筒压力、取样速率、取样量等参数进行实时监测，可实现不同结构取样器在不同取样环境下的工作性能的研究，对于优化取样器结构特征具有重要意义。此外，通过模拟地层结构，可同时对气体推动式取样器的地层弱扰动和取样代表性等特征进行充分的论证，为推动气体推动式取样器在地下水资源监测领域中的应用提供重要的参考价值。
相应的，采用上述模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置进行井筒内地下流体取样方法，包括以下步骤：
一、注水加压过程：首先，关闭加压泵的出水阀，打开加压泵的进水阀，加压泵从水源里面进行抽水；
加压泵内充满水后，关闭加压泵的进水阀，打开加压泵的出水阀，通过加压泵向高压玻璃填砂管中注水；
此时，保持高压玻璃填砂管拆装阀A和高压玻璃填砂管拆装阀B开启，加压泵中的水充满高压玻璃填砂管中后流入至高压玻璃井筒里面；
当高压玻璃井筒里面的液面高于过滤渗析组件2cm的时候过滤渗析组件里面的单向阀开启，高压玻璃井筒中的水穿过过滤渗析组件经过三通阀进入到两边的注气导管和取水管中；
随着高压玻璃井筒中的液面升高，流体会慢慢充满高压玻璃储流容器；当流体把高压玻璃井筒注满时，流体从排空管中溢出，此时关闭排空阀及注气阀，同时设置背压阀的压力设置成实验设定值；
加压泵继续加压至实验测试压力并保持恒压模式模拟地层压力；此时，压力表实时显示高压玻璃井内的流体压力；
二、取样过程：当整个***保持在实验测试压力时，打开氮气瓶，控制减压阀把氮气压力调至设定的驱替压力，打开注气阀，高压氮气通过注气导管分别经过减压阀及注气阀后进入高压玻璃储流容器中，同时推动高压储流容器中的流体经过三通阀后，通过取水管，分别经过背压阀和流量计至取样瓶中进行取样；
此时，由于驱替压力大于背压阀设定的压力值，背压阀开启；当水经过流量计时，流量计采集取水管中的水的流量数据，通过数据信号采集***实时存入至数据存储***中；
当高压玻璃储流容器里面的流体被全部取出后，关闭注气阀，停止注气；
当高压玻璃储流容器里面的压力小于背压阀和高压玻璃井筒的压力时，背压阀关闭，一次取样完成。
与现有技术相比，本发明的模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置和方法具有如下有益效果：
1、通过加压泵控制模拟井筒和模拟地层内的流体压力，可实现不同地层深度(0～500m)下的地下水压力环境，可用于研究气体驱动式取样器在不同深度下的取样性能。
2、采用可替换式填砂管用于模拟不同渗透率的地层，可实现气体驱动式取样器其取样性能与地层渗透率的关系研究，探索气体推动式取样器的地层适用性及取样性能评价。
3、本装置的结构简单，使用方便，采用无色透明高压玻璃管来模拟井筒，可实现取样全过程的直观观测，对于气体推动式取样器的性能升级改造具有重要参考价值。
附图说明
图1为本发明优选实施例的模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置的结构示意图。
其中：1-水源，2-加压泵的进水阀，3-加压泵，4-加压泵的出水阀，5-高压玻璃填砂管拆装阀A，6-高压玻璃填砂管，7-高压玻璃填砂管拆装阀B，8-过滤渗析组件，9-三通阀，10-高压玻璃井筒，11-高压玻璃储流容器，12-上堵头，13-氮气瓶，14-减压阀，15-注气导管，16-注气阀，17-排空管，18-压力表，19-排空阀，20-背压阀，21-流量计，22-取水管，23-取样瓶，24-数据信号采集***，25-数据存储***。
具体实施方式
下面参见图1对本发明的模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置和方法进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，本发明的模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置包括井筒单元、地层单元、加压单元和取样单元。其中，地层单元与井筒单元相连接，加压单位与地层单元相连接，取样单元与井筒单元相连接。
其中，井筒单元包括高压玻璃井筒10、上堵头12、压力表18、排空管17与排空阀19，高压玻璃井筒10与上堵头连接12，排空管17的下端悬空于高压玻璃井筒10内，排空管17的上端穿过上堵头12后，依次与压力表18及排空阀19相连，井筒单元用于模拟不同深度下的井筒。
地层单元包括高压玻璃填砂管6及设置在高压玻璃填砂管6两端的高压玻璃填砂管拆装阀A5和高压玻璃拆装阀B7，用于模拟及替换不同渗透率的地层。地层单元包含若干个不同型号的高压玻璃填砂管6，每种型号的高压玻璃填砂管6内固定均有恒定渗透率的石英砂，实验过程中根据具体地层情况进行填砂管替换，用于模拟不同渗透率地层。
加压单元包括水源1、加压泵的进水阀2，加压泵3，加压泵的出水阀4，水源1依次通过加压泵的进水阀2、加压泵3、加压泵的出水阀4与高压玻璃填砂管拆卸阀A5相连，用于向模拟井筒及模拟地层内注入流体并实现加载。加压泵3可通过定压力和定流量的控制方式向高压玻璃填砂管6中注入流体。
本发明的压玻璃井筒10、高压玻璃填砂管6和高压玻璃储流容器11均可耐5MPa高压，用于模拟地下500米以内的地层压力环境。
另外，本发明的取样单元包括过滤渗析组件8、三通阀9、高压玻璃储流容器11、氮气瓶13、减压阀14、注气导管15、注气阀16、背压阀20、流量计21、取水管22、取样瓶23、数据采集信号采集***24和数据存储***25，用于对井筒内流体进行气体推动式流体取样及取样效果监测。过滤渗析组件8、注气导管15与取水管22分别位于三通阀9的三端；其中，过滤渗析组件8悬挂于高压玻璃井筒10内，注气导管15与高压玻璃储流容器10相连，穿过上堵头12后与位于模拟井筒外部的注气阀16、减压阀14和氮气瓶13依次相连；取水管22直接穿过上堵头12后依次与位于模拟井筒外部的背压阀20、流量计21及取样瓶23依次相连；流量计21通过数据采集***24及数据存储***25进行数据实时采集与监测。背压阀20用于控制取水端的出水压力，即当流体压力大于设置的背压阀20的压力时，井筒内的流体才允许进入至取样瓶23中，进而实现地层流体的保压取样。
实施例2：
本发明的模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置的具体操作过程如下：
一、注水加压过程：首先，关闭加压泵的出水阀4，打开加压泵的进水阀2，加压泵3从水源1里面进行抽水；加压泵内充满水后，关闭加压泵的进水阀2，打开加压泵的出水阀4，通过加压泵3向高压玻璃填砂管6中注水。此时，保持高压玻璃填砂管拆装阀A5和高压玻璃填砂管拆装阀B7开启，加压泵3中的水充满高压玻璃填砂管6中后流入至高压玻璃井筒10里面；当高压玻璃井筒10里面的液面高于过滤渗析组件8大约2cm的时候过滤渗析组件8里面的单向阀开启，高压玻璃井筒10中的水穿过过滤渗析组件8经过三通阀9进入到两边的注气导管15和取水管22中；随着高压玻璃井筒10中的液面升高，流体会慢慢充满高压玻璃储流容器11。当流体把高压玻璃井筒10注满时，水从排空管17中溢出，此时关闭排空阀19及注气阀16，同时设置背压阀20的压力设置成实验设定值。加压泵3继续加压至实验测试压力并保持恒压模式模拟地层压力。此时，压力表18实时显示高压玻璃井内10内的流体压力。
二、取样过程：当整个***保持在实验测试压力时，打开氮气瓶13，控制减压阀14把氮气压力调至设定的驱替压力(驱替压力需大于加压泵3和背压阀20设定的压力值)，打开注气阀16，高压氮气通过注气导管15分别经过减压阀14及注气阀16后进入高压玻璃储流容器11中，同时推动高压储流容器11中的水经过三通阀9后，通过取水管22，分别经过背压阀20和流量计21至取样瓶23中进行取样。此时，由于驱替压力大于背压阀20设定的压力值，背压阀20开启。当水经过流量计21时，流量计21采集取水管22中的水的流量数据，通过数据信号采集***24实时存入至数据存储***25中。当高压玻璃储流容器11里面的流体被全部取出后，关闭注气阀16，停止注气。当高压玻璃储流容器11里面的压力小于背压阀20和高压玻璃井筒10的压力时，背压阀20关闭，一次取样完成。
本发明的模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置结构简单，使用方便，采用无色透明高压玻璃管来模拟井筒，可实现不同地层深度(0～500m)下井筒内地下流体取样的三维可视化动态演示过程，可用于研究气体驱动式取样器在不同压力环境下的取样性能，对于气体推动式取样器的性能升级改造具有重要参考价值。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (7)

1.一种采用模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置进行井筒内地下流体取样方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、注水加压过程：首先，关闭加压泵的出水阀，打开加压泵的进水阀，加压泵从水源里面进行抽水；
加压泵内充满水后，关闭加压泵的进水阀，打开加压泵的出水阀，通过加压泵向高压玻璃填砂管中注水；
此时，保持高压玻璃填砂管拆装阀A和高压玻璃填砂管拆装阀B开启，加压泵中的水充满高压玻璃填砂管中后流入至高压玻璃井筒里面；
当高压玻璃井筒里面的液面高于过滤渗析组件2cm时，过滤渗析组件里面的单向阀开启，高压玻璃井筒中的水穿过过滤渗析组件经过三通阀进入到两边的注气导管和取水管中；
随着高压玻璃井筒中的液面升高，流体会慢慢充满高压玻璃储流容器；当流体把高压玻璃井筒注满时，流体从排空管中溢出，此时关闭排空阀及注气阀，同时设置背压阀的压力设置成实验设定值；
加压泵继续加压至实验测试压力并保持恒压模式模拟地层压力；此时，压力表实时显示高压玻璃井内的流体压力；
二、取样过程：当整个***保持在实验测试压力时，打开氮气瓶，控制减压阀把氮气压力调至设定的驱替压力，打开注气阀，高压氮气通过注气导管分别经过减压阀及注气阀后进入高压玻璃储流容器中，同时推动高压储流容器中的流体经过三通阀后，通过取水管，分别经过背压阀和流量计至取样瓶中进行取样；
此时，由于驱替压力大于背压阀设定的压力值，背压阀开启；当水经过流量计时，流量计采集取水管中的水的流量数据，通过数据信号采集***实时存入至数据存储***中；
当高压玻璃储流容器里面的流体被全部取出后，关闭注气阀，停止注气；
当高压玻璃储流容器里面的压力小于背压阀和高压玻璃井筒的压力时，背压阀关闭，一次取样完成；
其中，模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置包括：
井筒单元，用于模拟不同深度下的井筒；
地层单元，与所述井筒单元相连接，其包括高压玻璃填砂管，用于模拟及替换不同渗透率的地层；加压单位，与所述地层单元相连接，其包括水源、加压泵，所述水源通过加压泵与所述高压玻璃填砂管相连，用于向模拟井筒及模拟地层内注入流体并实现加载；
取样单元，与所述井筒单元相连接，其包括悬挂于所述井筒单元内的过滤渗析组件、位于所述井筒单元内并置于所述过滤渗析组件上方的高压玻璃储流容器、位于所述井筒单元外并对所述高压玻璃储流容器提供驱动压力的压力驱动器、位于所述井筒单元外并对所述高压玻璃储流容器内的流体进行取样的取样装置，用于对井筒内的流体进行气体推动式流体取样及取样效果监测。
2.根据权利要求1所述的取样方法，其特征在于，所述压力驱动器包括通过注气导管与所述高压玻璃储流容器相连的氮气瓶、安装在所述注气导管上的减压阀和注气阀，氮气瓶内的高压氮气通过注气导管分别经过减压阀及注气阀后进入所述高压玻璃储流容器中，同时推动高压储流容器中的流体至所述取样装置中进行取样。
3.根据权利要求2所述的取样方法，其特征在于，所述取样装置包括通过取水管与所述高压玻璃储流容器相连的取样瓶、安装在所述取水管上的背压阀和流量计，所述压力驱动器的驱动压力大于背压阀设定的压力值时，背压阀开启，流体通过取水管分别经过背压阀及流量计进入到取样瓶中。
4.根据权利要求1所述的取样方法，其特征在于，所述井筒单元包括高压玻璃井筒、用于密封高压玻璃井筒顶部开口的上堵头、以及排空管，所述排空管的下端穿过所述上堵头后悬空于所述高压玻璃井筒内，其上端依次与压力表和排空阀相连；所述压力表用于实时显示高压玻璃井内的流体压力。
5.根据权利要求3所述的取样方法，其特征在于，所述流量计与数据采集***及数据存储***相连，并通过数据采集***及数据存储***进行数据实时采集与监测。
6.根据权利要求3所述的取样方法，其特征在于，所述过滤渗析组件上设置有三通阀，所述三通阀的三端分别与所述过滤渗析组件、注气导管与取水管相连。
7.根据权利要求1所述的取样方法，其特征在于，所述高压玻璃填砂管的两端分别设有高压玻璃填砂管拆装阀A和高压玻璃拆装阀B。
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