一种确定含水层热物性参数的微热试验装置及方法

1.本发明涉及一种确定含水层热物性参数的微热试验装置及方法，属于微热试验技术领域。


背景技术：

2.开发利用绿色可再生的浅层地热能不仅可以有效缓解能源紧张问题，更能大大减少环境污染，是我国目前势在必行的研究项目。目前在我国开发利用浅层地热资源最常用的技术是地源热泵，主要有地埋管地源热泵和地下水源热泵两种利用形式。
3.含水层的传热问题在地热资源的开发与利用中是一个十分重要的研究方向，含水层的热物性主要包括有效导热系数、岩土体的导热系数、热机械弥散系数和热弥散度。其中有效导热系数作为解决多孔介质传热问题的关键性因素，有着举足轻重的地位，采用一定方法精准测定导热系数就具有重要的理论价值和实际工程意义。
4.目前应用最多的导热系数测量方法主要是室内试验法和现场热响应法两种，而室内试验法往往会改变的岩土体的结构和含水率等，导致结果误差较大，现场热响应法是目前较为成熟应用较多的测试手段，该试验原理是给予岩土体一定热源，观测热量的运移分布从而推导出岩土体的导热系数，是一种考虑岩土体内部地质结构和水分迁移等因素的原位试验。目前热源的激发方式主要有两种，一是以恒定热流密度法对环路流体进行加热，变换加热功率；二是以恒定水温法维持地埋管进口温度恒定，记录出口温度变化规律进而求取热物性参数。现场热响应法较为符合实际，参数求取精度高，但也存在试验周期长，试验装置操作复杂等问题。基于多孔介质热量运移理论研究，研究线状瞬时微热源在井附近径向流动规律，能够高效、准确确定含水层的热物性参数。但目前针对线状热源，特别是线状瞬时微热源的激发装置研究较少，还未有激发手段稳定、操作简便的试验装置。


技术实现要素：

5.为克服现有技术中的不足，实现含水层热物性参数的测定和研究，本发明提供了一种操作智能、适用条件广泛、试验高效、数据采集便捷的确定含水层热物性参数的微热试验装置及方法，简单易操作，稳定性好。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种确定含水层热物性参数的微热试验装置，包括计算机控制与数据采集系统、吊装导线、电机动力系统、旋转架、双层套管激发装置和水压温度一体传感探头；
8.双层套管激发装置顶部设有顶板盖，电机动力系统安装在顶板盖上，顶板盖的边缘设有进水阀口；
9.水压温度一体传感探头设在双层套管激发装置的外侧壁上；计算机控制与数据采集系统通过吊装导线与电机动力系统和水压温度一体传感探头相连；
10.电机动力系统通过旋转架连接双层套管激发装置，双层套管激发装置侧壁上设有渗透孔，在电机动力系统的驱动下、旋转架带动双层套管激发装置旋转，既可旋转至渗透孔
打开、也可旋转至渗透孔闭合，当渗透孔闭合时，进水阀口可通至双层套管激发装置内侧。
11.上述计算机控制与数据采集系统通过吊装导线与水压温度一体传感探头和电机动力系统相连，进行设备的控制、试验数据的传输与记录，计算机控制与数据采集系统的连接和控制的具体方式，参照现有技术成熟的技术即可。
12.吊装导线负责装置的吊装下井与数据传输。双层套管激发装置负责线状热源的瞬时激发。
13.上述当渗透孔闭合时，进水阀口可通至双层套管激发装置内侧，指当渗透孔闭合时，可通过进水阀口向双层套管激发装置内侧注水。进水阀口上连接进热水管，用于注水。
14.为了简化结构，方便操作，作为其中一种具体的实现方案，双层套管激发装置包括内层花管和外层花管；内层花管和外层花管均为圆柱状，内层花管设在外层花管内侧、且与外层花管内壁相贴；内层花管侧壁上设有内层渗透孔，外层花管侧壁上设有外层渗透孔；电机动力系统通过旋转架连接内层花管或外层花管，在电机动力系统的驱动下、旋转架带动内层花管或外层花管旋转，既可旋转至内层渗透孔与外层渗透孔完全重合(此时渗透孔打开)、也可旋转至内层渗透孔与外层渗透孔无任何重合(此时渗透孔闭合)，当渗透孔闭合时，进水阀口可通至内层花管内侧。
15.上述内层花管和外层花管均为圆柱状，圆度好、强度高、隔热性能好。
16.为了提高激发的稳定性，顶板盖上设有第一上孔，旋转架为设有顶面的短筒结构，旋转架的顶面中央位置与电机动力系统的转轴连接，旋转架的顶面设有第二上孔和与进水阀口相通的进水孔；当内层渗透孔与外层渗透孔完全重合时(此时渗透孔打开)，第一上孔和第二上孔也完全重合(此时上孔打开)，此时，井孔中水通过顶板盖上第一上孔和旋转架顶面的第二上孔均与内层花管内侧相通，外部水压力可以直接作用于花管顶部，可以用来控制作用于花管顶部的外部水压力大小；当内层渗透孔与外层渗透孔无任何重合(此时渗透孔闭合)，第一上孔和第二上孔也无任何重合(此时上孔闭合)，此时，旋转架顶面的进水孔与进水阀口相通，也即可通过进水阀口向内层花管内侧注水。也即顶板盖上也是设有可打开和闭合的渗透孔(上孔)的，其打开和闭合与双层套管激发装置上渗透孔的打开和闭合是同步的。这样可使热水能够稳定的激发，热源稳定消散，当从顶盖板进入的井孔中水压力与含水层水压力相等时，形成无渗流条件下的微热试验；而当从顶盖板进入的井孔中水压力大于含水层水压力时，形成有渗流条件下的微热试验，从而可以设置不同对流条件和不同激发强度试验。
17.试验开始前内外两层渗透孔错开闭合，顶板盖上的上孔关闭，形成一闭合防水的圆柱状空心管。试验时，由上部进水阀口向内层花管内侧注热水，进行试验；装填热水既不对环境和地下水进行污染，也能模拟出一种线状热源。
18.优选，旋转架连接外层花管，在电机动力系统的驱动下、旋转架带动外层花管旋转。若将旋转架连接内层花管，则不可避免会出现内层花管和外层花管之间的渗水或污染等；而将旋转架连接外层花管，则将内层花管和外层花管之间的分界有效的包裹在了旋转架内侧，避免了内层花管和外层花管之间的渗水或污染等，提高了实验的稳定性和准确性。
19.为了提高装置的适应性，上述确定含水层热物性参数的微热试验装置，还包括一组以上的增长管，每组增长管均包括一个内增长管和一个外增长管，内增长管的顶部设有第一上拼接接口，外增长管的顶部设有第二上拼接接口，内增长管的底部设有第一下拼接
接口，外增长管的底部设有第二下拼接接口；第一上拼接接口和第一下拼接接口相互匹配，第二上拼接接口和第二下拼接接口相互匹配；这样多根内增长管可沿轴向拼接在一起，同样多根外增长管也可沿轴向拼接在一起，以根据需要起到增长内层花管和外层花管的作用；
20.内层花管的底部均设有第三下拼接接口，外层花管的底部均设有第四下拼接接口，内层花管底部设有可拆卸连接的底盖；
21.内增长管的第一上拼接接口可活动连接在内层花管的第三下拼接接口上，然后在内层花管底部拼接所需数量的内增长管；外增长管的第二上拼接接口可活动连接在外层花管的第四下拼接接口上，同理，当需要增加激发装置长度时，可在外层花管底部拼接所需数量的外增长管。底盖可活动连接在内增长管的底部，当需要增加激发装置长度时，将底盖从内层花管底部拆下，将底盖连接在底部内增长管的底部即可。当然，在一次实验中，所需内增长管和外增长管的长度和数量是相同的。
22.上述内增长管侧壁上设有内层渗透孔，外增长管侧壁上设有外层渗透孔；当内层花管上的内层渗透孔和外层花管上的外层渗透孔完全重合时，内增长管上的内层渗透孔和外增长管上的外层渗透孔也完全重合；当内层花管上的内层渗透孔和外层花管上的外层渗透孔无任何重合时，内增长管上的内层渗透孔和外增长管上的外层渗透孔也无任何重合。也即内、外增长管上渗透孔的开合与内、外层花管上渗透孔的开合是同步的。
23.采用上述方式，是为了适用不同厚度的含水层测试。
24.为了提高防水性，顶板盖与内、外层花管顶部之间安装有防水橡胶圈，内、外层花管底部与底盖之间也安装有防水橡胶圈。
25.上述吊装导线包括芯部和保护层；保护层包覆在芯部外围，保护层由防水防电材质制备而成；芯部由数据传输线、电源线和吊装承重线并股形成，具有数据传输、动力控制、承重吊装和防水防电功能；计算机控制与数据采集系统通过数据传输线和电源线与水压温度一体传感探头和电机动力系统相连，并进行控制和数据采集。
26.为了方便热水的注入，进水阀口上连有进热水管。
27.上述装置是一种建立于多孔介质热量运移理论之上，在含水层中瞬时稳定地激发出线状热源，通过记录井孔温度变化，研究径向流条件下含水层热物性参数的微热试验装置。
28.一种利用上述确定含水层热物性参数的微热试验装置确定含水层热物性参数的方法，包括如下步骤：
29.1)将双层套管激发装置旋转至渗透孔闭合，由吊装导线将双层套管激发装置放入井孔中；
30.2)待由水压温度一体传感探头感应、并通过吊装导线传输到计算机控制与数据采集系统水压温度数据稳定后，通过进水阀口注入一定温度的热水至充满双层套管激发装置，计算机控制与数据采集系统控制电机动力系统带动旋转架旋转双层套管激发装置，打开渗透孔、瞬时释放热水，实现线状热源的激发；
31.3)通过计算机控制与数据采集系统记录水压温度一体传感探头感应的井孔中随时间变化的水压温度数据，待水压温度数据恢复到步骤2)中加热水之前的水压温度、并保持不变后，将双层套管激发装置从井孔中提出；
32.4)将双层套管激发装置内的水控干后，重复步骤1)-3)完成不同对流条件、不同激发强度的微热试验；
33.5)通过计算机控制与数据采集系统导出步骤2)-4)中的水压温度变化数据，根据微热试验理论得到的无量纲温度变化与无量纲时间的标准曲线和井孔中无量纲温度变化与时间的实测曲线，在标准曲线相同模数的对数纸上进行配线，拟合好后选取一匹配点，记录对应的坐标值，求取含水层的热物性参数。
34.进一步优选，上述方法包括如下步骤：
35.1)根据含水层试段长度确定双层套管激发装置长度，要求试段长度与双层套管激发装置长度一致，可以通过使用增长管来调节双层套管激发装置长度；
36.2)将双层套管激发装置旋转至渗透孔闭合，同时，第一上孔和第二上孔也完全闭合，由吊装导线将双层套管激发装置放入井孔中；
37.3)待由水压温度一体传感探头感应、并通过吊装导线传输到计算机控制与数据采集系统的水压温度数据稳定后，通过进水阀口注入一定温度的热水至充满双层套管激发装置，计算机控制与数据采集系统控制电机动力系统带动旋转架旋转双层套管激发装置，打开渗透孔、第一上孔和第二上孔，瞬时释放热水，实现线状热源的激发；
38.4)通过计算机控制与数据采集系统记录水压温度一体传感探头感应的井孔中随时间变化的水压温度数据，待水压温度数据恢复到步骤3)中加热水之前的水压温度、并保持不变后，将双层套管激发装置从井孔中提出；
39.5)将双层套管激发装置内的水控干后，重复步骤2)-4)完成不同对流条件和不同激发强度的微热试验；
40.6)通过计算机控制与数据采集系统导出步骤3)-5)中的水压温度变化数据，根据微热试验理论得到的无量纲温度变化与无量纲时间的标准曲线和井孔中无量纲温度变化与时间的实测曲线，在标准曲线相同模数的对数纸上进行配线，拟合好后选取一匹配点，记录对应的坐标值，求取含水层的热物性参数。上述不同对流条件可通过改变井孔中水位的高度实现，不同激发强度可通过改变注入热水的温度实现。
41.上述计算机控制与数据采集系统可以使试验人员在地面上利用计算机对试验装置顶端的电机动力系统进行远程控制，以打开或闭合渗透孔与上孔，同时完成试验数据的传输与记录。
42.本发明试验装置能够在室内或野外进行径向热源在含水层中的运移试验研究，通过模拟线状热源在井孔中的瞬时、稳定地激发，从而引起井孔的温度变化，处理试验数据进而求取含水层热物性参数。该装置具有适用条件广泛，设置灵活，数据采集便捷等优点，具有很好的推广应用价值。
43.本发明未提及的技术均参照现有技术。
44.本发明确定含水层热物性参数的微热试验装置，结构简单，操作智能方便，通过吊装导线将双层套管激发装置吊装进入井孔中，瞬时激发出一线热源，通过计算机控制与数据采集系统观测其温度的变化规律，研究含水层的热物性参数；进一步，该装置能通过改变双层套管的长度进而适应不同厚度的含水层，适用于室内试验和野外试验，适用性强。
附图说明
45.图1为本发明确定含水层热物性参数的微热试验装置的结构示意图；
46.图2为本发明双层套管激发装置的结构示意图；
47.图3为本发明微热试验流程图。
48.图中，1为计算机控制与数据采集系统，2为吊装导线，3为电机动力系统，4为进水阀口，5为顶板盖，6为水压温度一体传感探头，7为外层渗透孔，8为内层渗透孔，9 为拼接接口，10为防水橡胶圈，11为双层套管激发装置，12为旋转架。
具体实施方式
49.为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
50.本技术“中心”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等方位词为基于附图所示的相对方位或位置关系，不能理解为对本技术的限制。
51.实施例1
52.如图1所示，一种确定含水层热物性参数的微热试验装置，包括计算机控制与数据采集系统1、吊装导线2、电机动力系统3、旋转架12、双层套管激发装置11和水压温度一体传感探头6；
53.双层套管激发装置11顶部设有顶板盖5，电机动力系统3安装在顶板盖5上，顶板盖5的边缘设有进水阀口4；
54.水压温度一体传感探头6设在双层套管激发装置11的外侧壁上；计算机控制与数据采集系统1通过吊装导线2与电机动力系统3和水压温度一体传感探头6相连；
55.电机动力系统3通过旋转架12连接双层套管激发装置11，双层套管激发装置11侧壁上设有渗透孔，在电机动力系统3的驱动下、旋转架12带动双层套管激发装置11旋转，既可旋转至渗透孔打开、也可旋转至渗透孔闭合，当渗透孔闭合时，进水阀口4可通至双层套管激发装置11内侧。
56.如图3所示，一种利用上述确定含水层热物性参数的微热试验装置确定含水层热物性参数的方法，包括如下步骤：
57.1)将双层套管激发装置11旋转至渗透孔闭合，同时，第一上孔和第二上孔也完全闭合，由吊装导线将双层套管激发装置11放入井孔中；
58.2)待由水压温度一体传感探头6感应、并通过吊装导线2传输到计算机控制与数据采集系统1的水压温度数据稳定后，通过进水阀口4注入一定温度的热水(至充满双层套管激发装置11)，计算机控制与数据采集系统1控制电机动力系统3带动旋转架12旋转双层套管激发装置11，打开渗透孔、第一上孔和第二上孔，瞬时释放热水，实现线状热源的激发；
59.3)通过计算机控制与数据采集系统1记录水压温度一体传感探头6感应的井孔中随时间变化的水压温度数据，待水压温度数据恢复到步骤2)中加热水之前的水压温度、并保持不变后，将双层套管激发装置11从井孔中提出；
60.4)将双层套管激发装置11内的水控干后，重复步骤1)-3)完成不同对流条件、不同激发强度的微热试验；
61.5)通过计算机控制与数据采集系统1导出步骤2)-4)中的水压温度变化数据，根据
微热试验理论得到的无量纲温度变化与无量纲时间的标准曲线和井孔或者观测孔中无量纲温度变化与时间的实测曲线，在标准曲线相同模数的对数纸进行配线，拟合好后选取一匹配点，记录对应的坐标值，求取含水层的热物性参数。
62.实施例2
63.在实施例1的基础上，进一步作了如下改进：如图2所示，为了简化结构，方便操作，双层套管激发装置11包括内层花管和外层花管；内层花管和外层花管均为圆柱状，高度均为80cm，外层花管的外径为10cm，内层花管设在外层花管内侧、且与外层花管内壁相贴；内层花管侧壁上设有5层内层渗透孔8，外层花管侧壁上设有5层外层渗透孔7，5 层内层渗透孔8和5层外层渗透孔7的高度相等；电机动力系统3通过旋转架12连接外层花管，在电机动力系统3的驱动下、旋转架12带动外层花管旋转，既可旋转至内层渗透孔8与外层渗透孔7完全重合、此时渗透孔打开，也可旋转至内层渗透孔8与外层渗透孔7无任何重合、此时渗透孔闭合，当渗透孔闭合时，进水阀口4可通至内层花管内侧。
64.实施例3
65.在实施例2的基础上，进一步作了如下改进：为了提高激发的稳定性，顶板盖5上设有第一上孔，旋转架12为设有顶面的短筒结构，旋转架12的顶面中央位置与电机动力系统3的转轴连接，旋转架12的顶面设有第二上孔和与进水阀口4相通的进水孔；当内层渗透孔8与外层渗透孔7完全重合时，第一上孔和第二上孔也完全重合，此时，井孔中水通过顶板盖上第一上孔和旋转架顶面的第二上孔均与内层花管内侧相通；当内层渗透孔8 与外层渗透孔7无任何重合，第一上孔和第二上孔也无任何重合，此时，旋转架12顶面的进水孔与进水阀口4相通。这样可使热水能够稳定的激发，热源稳定消散，当从顶盖板进入的井孔中水压力与含水层水压力相等时，形成无渗流条件下的微热试验；而当从顶盖板进入的井孔中水压力大于含水层水压力时，形成有渗流条件下的微热试验，从而可以设置不同对流条件和不同激发强度试验。试验开始前内外两层渗透孔错开闭合，顶板盖上的上孔关闭，形成一闭合防水的圆柱状空心管。试验时该圆柱状空心管由上部进水阀口进行注水，在激发装置中填装热水进行试验，装填热水既不对环境和地下水进行污染，也能模拟出一种线状热源。
66.利用上述确定含水层热物性参数的微热试验装置确定含水层热物性参数的方法，包括如下步骤：
67.1)将双层套管激发装置11旋转至渗透孔和上孔闭合(内层渗透孔与外层渗透孔无任何重合，第一上孔与第二上孔无任何重合)，由吊装导线将双层套管激发装置11放入井孔中；
68.2)待由水压温度一体传感探头6感应、并通过吊装导线2传输到计算机控制与数据采集系统1的水压温度数据稳定后，迅速通过进水阀口4注入一定温度的热水至充满双层套管激发装置11，计算机控制与数据采集系统1控制电机动力系统3带动旋转架12旋转双层套管激发装置11，打开渗透孔与上孔(内层渗透孔与外层渗透孔完全重合，第一上孔与第二上孔完全重合)、瞬时释放热水，实现线状热源的激发；
69.3)通过计算机控制与数据采集系统1记录水压温度一体传感探头6感应的井孔中随时间变化的水压温度数据，待水压温度数据恢复到步骤2)中加热水之前的水压温度、并保持不变后，将双层套管激发装置11从井孔中提出；
70.4)将双层套管激发装置11内的水控干后，重复步骤1)-3)完成不同条件(不同对流
条件、不同激发强度等)的微热试验；
71.5)通过计算机控制与数据采集系统1导出步骤3)-4)中的水压温度变化数据，根据微热试验理论得到的无量纲温度变化与无量纲时间的标准曲线和井孔中无量纲温度变化与时间的实测曲线，在标准曲线相同模数的对数纸上进行配线，拟合好后选取一匹配点，记录对应的坐标值，求取含水层的热物性参数。
72.实施例4
73.在实施例3的基础上，进一步作了如下改进：为了提高装置使用的适应性，上述确定含水层热物性参数的微热试验装置，还包括一组以上的增长管，每组增长管均包括一个内增长管和一个外增长管，内增长管的顶部设有第一上拼接接口，外增长管的顶部设有第二上拼接接口，内增长管的底部设有第一下拼接接口，外增长管的底部设有第二下拼接接口；第一上拼接接口和第一下拼接接口相互匹配，第二上拼接接口和第二下拼接接口相互匹配；这样多根内增长管可沿轴向拼接在一起，同样多根外增长管也可沿轴向拼接在一起；
74.内层花管的底部均设有第三下拼接接口，外层花管的底部均设有第四下拼接接口，内层花管底部设有可拆卸连接的底盖；
75.内增长管的第一上拼接接口可活动连接在内层花管的第三下拼接接口上，然后在内层花管底部拼接所需数量的内增长管；外增长管的第二上拼接接口可活动连接在外层花管的第四下拼接接口上，同理，当需要增加激发装置长度时，可在外层花管底部拼接所需数量的外增长管。底盖可活动连接在内增长管的底部，当需要增加激发装置长度时，将底盖从内层花管底部拆下，将底盖连接在底部内增长管的底部即可。当然，在一次实验中，所需内增长管和外增长管的长度和数量是相同的。
76.内增长管侧壁上设有内层渗透孔，外增长管侧壁上设有外层渗透孔；当内层花管上的内层渗透孔和外层花管上的外层渗透孔完全重合时，内增长管上的内层渗透孔和外增长管上的外层渗透孔也完全重合；当内层花管上的内层渗透孔和外层花管上的外层渗透孔无任何重合时，内增长管上的内层渗透孔和外增长管上的外层渗透孔也无任何重合。也即内、外增长管上渗透孔的开合与内、外层花管上渗透孔的开合是同步的。
77.上述吊装导线2包括芯部和保护层；保护层包覆在芯部外围，保护层由防水防电材质制备而成；芯部由数据传输线、电源线和吊装承重线并股形成，具有数据传输、动力控制、承重吊装和防水防电功能；计算机控制与数据采集系统1通过数据传输线和电源线与水压温度一体传感探头6和电机动力系统3相连，并进行控制和数据采集。为了方便热水的注入，进水阀口4上连有进热水管。测试时，先根据含水层试段长度确定双层套管激发装置长度，要求试段长度与双层套管激发装置长度一致，通过使用增长管来调节双层套管激发装置长度。
78.实施例5
79.在实施例4的基础上，进一步作了如下改进：为了提高防水性，顶板盖5与内、外层花管顶部之间安装有防水橡胶圈10，内、外层花管底部与底盖之间也安装有防水橡胶圈 10。
80.以粒径在0.25mm-0.50mm的中细砂为含水层进行试验，不考虑流速，不改变井孔中水位，注入热水的温度为65℃、75℃和85℃，测得的中细砂的导热系数与技术手册公开的1.7～5.0w/(m
·
℃)完全吻合，每次测量用时为50分钟左右，高效、准确。
81.上述各例的试验装置能够在室内或野外进行径向热源在含水层中的运移试验研究，通过模拟线状热源在井孔中的瞬时、稳定地激发，从而引起井孔的温度变化，处理试验数据进而求取含水层热物性参数。该装置具有适用条件广泛，设置灵活，数据采集便捷等优点，具有很好的推广应用价值。