【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于地热开采，特别涉及一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置。
技术介绍
1、地热资源是一种分布范围广、稳定性好的清洁和可再生能源，开发利用地热资源有利于节能减排以及实现碳达峰和碳中和的战略目标。我国地热资源储量丰富，水热型地热资源每年可采量折合标准煤近7亿吨，潜力巨大。开发利用地热资源的历史悠久，据文献记载有五千多年历史，至二十世纪七十年代，地热资源的勘查开发以及开采飞速发展，目前对于地热资源的利用涉及工、农、医疗等各个领域，利用方式主要以直接利用和地热发电为主，养殖、种植、温泉洗浴等多种利用方式为辅。
2、地热资源相较常规能源有经济、绿色的优点，但开发利用过程中对于环境会造成一定的影响。传统的对井系统开发地热能的方式会引发地面沉降、地下水水位严重下降等问题。对此，多地政府相继出台政策鼓励取热不取水技术的应用。取热不取水技术是一种封闭式循环换热技术，无需抽取地下热水进行热量交换，而是通过回填材料与管壁，将岩石中的热量传输到循环换热工质中。与传统对井系统开发地热能的方式相比，具有占地面积小、不污染地下水、避免管道腐蚀等优点。同轴套管井即是我国目前利用取热不取水技术开发深层地热主要技术之一，在理论上可以应用于各种类型地热资源的开发。
3、在深部地热资源开发的实际过程中，通常需要在开发前进行评估，计算其产量、寿命、深部温度变化状况等。评估手段主要有现场试验、数值模拟和实验室实验等。现场试验最能准确反映工程实际情况，但其操作较为不便、试验周期长且成本较高；数值模拟作为一种灵活的评估手段，可以在短时间内
技术实现思路
1、为解决现有技术存在的缺陷或改进需求，本专利技术提供一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，通过建立实验室尺度下深井闭式循环取热实验系统，从而研究不同系统设计参数对于深部取热过程的影响，通过数据分析，该装置取得的实验数据可以揭示不同参数对深井闭式循环系统换热效率和深部地温场的影响，为实际工程的优化设计提供较为合理的参考依据，进而有利于深部地热资源高效可持续开发。
2、为实现以上目的，本专利技术提供的技术方案如下：
3、本专利技术实施例提供一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其包括地层模块、供热模块、同轴套管井模块和计算机(15)；所述同轴套管井模块用于模拟同轴套管井与地层的换热过程以及记录循环换热工质的温度变化；所述地层模块用于模拟深部地层状况；所述供热模块用于为所述地层模块进行供热，并可计算供热过程中的热量损耗，以便与换热量进行对照；
4、所述同轴套管井模块包括依次连接在第一保温管(32)上的外管(19)、第一压力传感器(5)、第二温度传感器(6)、第一超声波流量计(1)、第一多级泵(2)、冷箱控制系统(3)、第一温度传感器(4)、第一阀门(17)和内管(20)；
5、所述内管(20)位于所述外管(19)的内侧，所述内管(20)和所述外管(19)均位于所述砂箱(16)内，外管应采用高导热材料制成，可与地热储层充分热交换，其热导率应大于50w/(m·k)，内管应采用新型隔热材料制成，其热导率应小于0.5w/(m·k)，且形成有连贯的通路；其中，所述内管(20)与所述外管(19)之间形成的环形空间结构的顶部设有进液口，所述内管(20)顶部设有出液口，换热工质由所述内管(20)与所述外管(19)之间的环形空间结构的顶部均匀流入，再从所述内管(20)的顶部流出；所述冷箱控制系统(3)与所述计算机(15)通过电力管路电性连接；通过调节所述第一多级泵(2)转速使所述第一超声波流量计(1)读数达到设定的循环流量，以不大于25m3/h的循环流量进行换热工质循环，所述换热工质包括但不限于水、二氧化碳、有机工质和纳米流体；
6、所述供热模块包括依次连接在第二保温管(33)上的第三压力传感器(10)、第四温度传感器(11)、加液容器系统(12)、第二多级泵(13)、第二超声波流量计(14)、加热控温系统(7)、第三温度传感器(8)和第二压力传感器(9)；所述加热控温系统(7)与所述计算机(15)通过电力管路电性相连；在所述计算机中设置加热控温系统(7)的温度，通过调节所述第二多级泵(13)转速使所述第二超声波流量(14)计读数达到设定的循环流量，以该设定的循环流量进行加热液体循环，为所述地层模块提供稳定的热源；所述加液容器系统(12)为敞口，可向其中加入水；所述第二超声波流量计(14)用于测得水流量，流量范围为0.02-5m3/h；所述加热控温系统(7)加热温度范围为50-90℃，用于模拟实际地层温度；所述第三温度传感器(8)与所述第二压力传感器(9)介于所述砂箱(16)和所述加热控温系统(7)之间，靠近所述砂箱(16)进水口一侧；所述第三压力传感器(10)与所述第四温度传感器(11)介于所述砂箱(16)和所述加液容器系统(12)之间，靠近所述砂箱(16)出水口一侧；所述第三温度传感器(8)与所述第四温度传感器(11)之间差值为计算加热液体流经砂箱(16)的热量损失计算提供温差；
7、所述地层模块包括砂箱(16)、防砂网(28)砂箱外部保温套(31)、双层保温玻璃(29)以及砂箱内的平均粒径在0.25-1.5mm之间的填充颗粒(30)；
8、所述供热模块通过砂箱(16)左侧进水口以及右侧的出水口与所述地层模块相连；所述同轴套管井模块通过外管(19)外壁与所述地层模块中的填充颗粒(30)直接接触。
9、根据本专利技术一可选实施例，所述外管(19)为高热导率材料制成的金属外管，其长度与砂箱高度h2相同，h2满足0.2m≤h2≤5m。其直径为114-340mm，壁厚8-12mm。
10、根据本专利技术一可选实施例，所述外管(19)内设置有隔热保温材料制成的内管(20)，所述内管(20)长度h3满足0.99×h2≤h3≤0.995×h2、外径与壁厚根据实际取值，所述内管20的上部与所述外管(19)的上部齐平，所述内管(20)的下部高于所述外管(19)的下部的距离为h2-h3，以便留出空间供流体在所述内管(20)和所述外管(19)之间循环。
11、根据本专利技术一可选实施例，所述冷箱控制系统(3)包括冷却盘管与冷却水夹套，所述冷却盘管内为从所述内管(20)中流出的需要被冷却的换热工质，所述冷却水夹套内为温度较低的冷却水；所述冷箱控制系统(3)与所述计算机(15)电性相连，在计算机中可设置被冷却后的换热工质温度。
12、根据本专利技术一可选实施例，所述第一温度传感器(4)接所述内管(20)顶部的出液口和所述第一阀门(17)之后的液体，用于测定被所述砂箱(16本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，包括地层模块、供热模块、同轴套管井模块和计算机(15)；所述同轴套管井模块用于模拟同轴套管井与地层的换热过程以及记录循环换热工质的温度变化；所述地层模块用于模拟深部地层状况；所述供热模块用于为所述地层模块进行供热，并可计算供热过程中的热量损耗，以便与换热量进行对照；
2.根据权利要求1所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，所述外管(19)为高热导率材料制成的金属外管，其长度与砂箱高度h2相同，h2满足0.2m≤h2≤5m。其直径为114-340mm，壁厚8-12mm。
3.根据权利要求2所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，所述外管(19)内设置有隔热保温材料制成的内管(20)，所述内管(20)长度h3,h3满足0.99×h2≤h3≤0.995×h2、外径与壁厚根据实际取值，所述内管20的上部与所述外管(19)的上部齐平，所述内管(20)的下部高于所述外管(19)的下部的距离为h2-h3，以便留出空间供流体在所述内管20和所述外管(19)之间循环。
5.根据权利要求1所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，所述第一温度传感器(4)接所述第一阀门(17)之后的液体，用于测定被所述砂箱(16)加热之后的循环换热工质的温度，该温度为同轴套管井的出口温度。
6.根据权利要求5所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，所述第二温度传感器(6)位于同轴套管井模块进液口之前，且位于所述第一超声波流量计(1)之后，所述第二温度传感器(6)测得的温度为循环换热工质进入同轴套管井之前的温度，即同轴套管井的入口温度，第一超声波流量计(1)所测流量为循环换热工质的流量。
7.根据权利要求1所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，所述砂箱(16)的材质为304不锈钢，其长宽高分别为a、b、h2，其最外层套有由绝热材料制成的砂箱外部保温套(31)，其中，所述砂箱外部保温套(31)一个侧面为双层保温玻璃材质(29)，便于观察实验过程中的变化，并尽量防止热量散失；该两层玻璃的间距范围为2-5mm所述砂箱(16)顶面留有圆形空槽，供所述外管(19)通过；所述砂箱(16)左右两侧箱壁以内设置有防砂网(28)，记所述砂箱(16)左右两侧箱壁与所述防砂网(28)之间距离为d，则d满足0.05×a≤d≤0.15×a；所述防砂网(28)内填入有经去离子水洗净的填充颗粒(30)，其材质为均质砂或玻璃珠，平均粒径为0.25-1.5mm，将填充颗粒压实以保证其均质性，压实后渗透率范围应为1x10-5-1x10-3 m/s。
8.根据权利要求7所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，所述砂箱(16)的左侧顶部设有进水口，其右侧底部设有出水口；所述外管(19)底部设置有第二阀门(18)，所述第二阀门(18)为单向阀，作用为在所述外管(19)内压力过大的情况下紧急降压。
9.根据权利要求8所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，所述砂箱(16)内分两层设置14个温度传感器，可实时监测地层温度，其中7个温度传感器(21-27)设置在距所述砂箱(16)底面0.33×h2处，另外7个温度传感器设置在距所述砂箱(16)底面0.67×h2处，其中，每层有2个温度传感器紧邻防砂网(28)设置。
...【技术特征摘要】
1.一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，包括地层模块、供热模块、同轴套管井模块和计算机(15)；所述同轴套管井模块用于模拟同轴套管井与地层的换热过程以及记录循环换热工质的温度变化；所述地层模块用于模拟深部地层状况；所述供热模块用于为所述地层模块进行供热，并可计算供热过程中的热量损耗，以便与换热量进行对照；
2.根据权利要求1所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，所述外管(19)为高热导率材料制成的金属外管，其长度与砂箱高度h2相同，h2满足0.2m≤h2≤5m。其直径为114-340mm，壁厚8-12mm。
3.根据权利要求2所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，所述外管(19)内设置有隔热保温材料制成的内管(20)，所述内管(20)长度h3,h3满足0.99×h2≤h3≤0.995×h2、外径与壁厚根据实际取值，所述内管20的上部与所述外管(19)的上部齐平，所述内管(20)的下部高于所述外管(19)的下部的距离为h2-h3，以便留出空间供流体在所述内管20和所述外管(19)之间循环。
4.根据权利要求1所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，所述冷箱控制系统(3)包括冷却盘管与冷却水夹套，所述冷却盘管内为从所述内管(20)中流出的需要被冷却的换热工质，所述冷却水夹套内为温度较低的冷却水；所述冷箱控制系统(3)与所述计算机(15)电性相连，在所述计算机中可设置被冷却后的换热工质温度。
5.根据权利要求1所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，所述第一温度传感器(4)接所述第一阀门(17)之后的液体，用于测定被所述砂箱(16)加热之后的循环换热工质的温度，该温度为同轴套管井的出口温度。
6.根据权利要求5所述的一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗文行，孟博言，丁蕊，陈桂凡，周洋，何攀，张肖肖，陈金龙，
申请(专利权)人：长江三峡勘测研究院有限公司武汉，
类型：发明
国别省市：
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