本申请涉及实验系统，具体而言，涉及一种多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统。
背景技术：
作为一种清洁可再生能源，地热能具有储量丰富、分布广泛和低碳环保等优点。此外，与太阳能、风能和潮汐能等新能源不同，地热能不受天气等因素限制，可以稳定产热。因此，地热能已被广泛用于供暖和发电等，被作为应对传统化石能源带来的资源枯竭和环境污染等问题的重要接替能源。
我国地热资源丰富，据国土资源部2015年数据显示，全球5km以内地热资源量约4900万亿吨标煤，中国约占1/6。但我国已探明的地热资源中，砂岩地热储层占比较大，其具有产量低、回灌难等问题，使传统直井地热系统取热效率低，限制了地热资源的开发利用。
因此，目前已提出利用多分支井技术开发地热资源的方法，其原理是：利用径向水平井技术在直井上侧钻若干分支井眼，增加井眼与地热储层的连通性，提高系统的注入能力与生产能力，实现地热资源的高效开发。进一步，还可利用多分支井技术实现同井上注下采，减少钻井数量，降低地热开发成本。2008年，在立陶宛的一口地热注入井中，利用多分支井水平井技术在一口注入井内侧钻12个长为40m的分支井井眼，将注入量提高了14％。该现场实践证明了多分支井技术在地热开发领域的可行性和巨大潜力。
综上，对多分支井地热系统的研究具有重要意义，需要对其流动传热机制和分支井结构参数与运行工艺参数的优化设计开展深入研究。但目前有关多分支井地热系统的研究较少，并且停留在数值模拟和理论分析阶段，缺乏可以用于研究多分支井地热系统的实验系统，使其真正得以应用。
因此，非常有必要以多分支井技术和地热流动传热理论为基础，进一步研究多分支井地热系统的可行性，设计一种多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统。
技术实现要素：
本申请实施例中提供一种多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统，其能够针对多分支井开发地热技术，提供相配套的多功能模拟实验系统，以利于进一步研究多分支井开发地热能的可行性。
为实现上述目的，本申请提供了一种多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统，包括：
围压釜，所述围压釜包括上盖、釜壁以及下盖，所述上盖、釜壁以及所述下盖围构而成围压腔；
筒体，所述筒体设置在所述围压釜的围压腔内，所述筒体内能设置有岩样；
测试机构，所述测试机构穿设在所述围压釜的上盖上，并伸入所述筒体内；
注入机构，所述注入机构能与所述测试机构连通，用于注入取热流体；
开采机构，所述开采机构能与所述测试机构连通，用于取出取热流体；
地热循环控制机构，所述地热循环控制机构用于向所述围压釜和岩样提供地热流体；
控制机构，所述控制机构分别与所述注入机构、所述开采机构以及所述地热循环控制机构电性连接，用于分别对所述注入机构、所述开采机构以及所述地热循环控制机构进行控制。
优选地，所述围压釜外还罩设有保温套，所述控制机构能对所述保温套进行控制。
优选地，包括与所述控制机构电性连接的温度传感器，所述温度传感器设置在所述注入机构靠近所述测试机构处、所述开采机构靠近所述测试机构处、所述筒体内中的一个或多个。
优选地，包括与所述控制机构电性连接的压力传感器，所述压力传感器设置在所述注入机构靠近所述测试机构处、所述开采机构靠近所述测试机构处、所述筒体内中的一个或多个。
优选地，包括穿设在所述釜壁上的测温导管，所述测温导管位于所述筒体内的一端设置在岩样内，所述实验系统还包括与所述控制机构电性连接的温度传感器，所述温度传感器设置在所述测温导管内。
优选地，包括设置在釜壁内的加热机构，所述加热机构包括盘绕设置的电加热盘管。
优选地，所述测试机构包括主井筒、套设在所述主井筒内的内管、设置在所述主井筒上的注入分支井筒、设置在所述内管上的开采分支井筒，所述注入机构与所述主井筒与所述内管的间隙空间连通，所述开采机构与所述内管连通；或，
所述测试机构包括主井筒、设置在所述主井筒上的注入分支井筒，所述注入机构与所述主井筒连通；或，
所述测试机构包括内管、设置在所述内管上的开采分支井筒，所述开采机构与所述内管连通。
优选地，所述内管外设置有保温材料。
优选地，所述取热流体和所述地热流体为水或超临界二氧化碳中的任一种。
优选地，所述注入机构包括通过管路连通的储液罐、增压泵、流量计、安全阀、单向阀和普通开关阀门；所述开采机构包括通过管路连通的储液罐、流量计、安全阀、普通开关阀门、测温仪和冷却机构；所述地热循环控制机构包括通过管路连通的储液罐、增压泵、流量计、安全阀、普通开关阀门、预热机构、测温仪和冷却机构。
本发明提供的特点和优点是：本发明提出的模拟地热系统流动传热过程的多功能实验系统，可通过一个实验系统完成不同类型的多分支井地热系统的流动传热实验。该系统通过控制机构精确监测并采集系统的压力、温度和流量数据，并通过控制机构远程控制增压泵、冷却机构和预热机构等关键部件，利用安全阀设置系统压力上限，使系统可操作性强，测量数据精确，并保证安全性。该系统可以模拟高温高压条件下的多分支井地热系统的流动传热过程，研究分支井结构参数、注采流量和压力等工艺参数以及取热流体等因素对多分支井地热系统的取热效果的影响，客观真实反应多分支井地热系统的取热情况。模拟地热系统流动传热过程的多功能实验系统能够为新型的高效低成本多分支井地热系统的研究提供实验基础。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施方式中一种多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统的结构示意图；
图2为本申请实施方式中一种多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统中测试机构的结构示意图；
图3a为本申请实施方式中一种多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统中一种测试机构的俯视图；
图3b为本申请实施方式中一种多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统中另一种测试机构的俯视图；
图3c为本申请实施方式中一种多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统中另一种测试机构的俯视图；
图4为本申请实施方式中一种多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统中测温导管的结构示意图。
以上附图的附图标记：1、储液罐，2、增压泵，3、流量计，4、安全阀，5、单向阀，6、普通开关阀门，7、测温仪，8、冷却机构，9、预热机构，10、外保温套，11、围压釜，12、筒体，13、岩样，14、多分支井测试机构，15、主井筒，16、注入分支井筒，17、生产分支井筒，18、温度传感器，19、压力传感器，20、内管，21、保温材料，22、主井筒入口，23、内管出口，24、孔眼，25、测温导管，26、温度传感器的测温探头。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图4，本申请实施方式中提供一种多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统，该实验系统可以包括围压釜11、筒体12、测试机构14、注入机构、开采机构、地热循环控制机构以及控制机构。
具体的，参照图1所示，围压釜11具有相对的上盖、下盖和釜壁。上盖、下盖和釜壁围构而成围压腔。筒体12设置在围压釜11的围压腔内。筒体12内可以放置岩样13。在本实施方式中，筒体12的上部敞开。
其中，所述围压釜11可以采用三段式连接，即上盖、下盖与釜壁通过可拆卸连接。具体的，上盖与釜壁之间可以通过法兰连接的方式固定，以保证连接位置的密封性和牢固性。进一步的，该法兰之间可以通过螺栓固定。下盖与釜壁之间可以通过法兰连接的方式固定，以保证连接位置的密封性和牢固性。进一步的，该法兰之间可以通过卡箍连接，以便于后续进行拆卸和装配。
该围压釜11可以采用不锈钢制作，可耐压50mpa，可承受最高温度1000℃。围压釜11内的压力和温度通过所述地热循环控制机构循环高温高压的地热流体进行维持。例如，可以通过所述地热循环控制机构循环100℃，10mpa的水维持围压釜11内的温度和压力分别为100℃，10mpa。
优选地，在釜壁的夹层内设置有加热机构，具体的，该加热机构可以为电加热盘管的形式，该电加热盘管可以围绕釜壁盘绕，通过电能进行生热。该电加热盘管的电源与所述控制器通过电性连接，使用时，控制器启动电加热盘管的电源，在实验前对围压釜内的岩样快速加热到预定实验温度，达到预定实验温度后，控制器切断电加热盘管的电源。
优选地，围压釜外还可以设置有外保温套10。所述外保温套10套于所述围压釜11外部。该外保温套10用于防止围压釜11内部的热量散失，可以为聚氨酯保温材料，当然还可以为其他保温材料，本申请在此并不作具体的限定。
此外，在所述下盖上还可以设置有与所述围压釜11连通的安全阀4。安全阀4与围压釜11连通，用于泄出围压釜11内的过高压力，确保实验安全性。该安全阀4与控制机构电性连通，并且可以在控制机构内设定安全压力，该安全压力的上限可以为35mpa。实验时，所述控制机构实时监测围压釜11内的压力，当围压釜11内的压力超过该安全压力上限时，所述控制机构发送预警信号，控制机构再向安全阀4发送开启信号，所述安全阀4进行泄压。
在本实施方式中，所述筒体12安置于所述围压釜11内部。该岩心筒体12与所述围压釜11之间无需固定连接。该岩心筒体11用于固定安置岩样13，为了便于在实验前装入和实验后卸下高温岩样13。具体的，岩心筒体11的形状与岩样13相匹配，例如当岩样13为正方体时，该岩心筒体11的容纳腔也成正方体。
在本实施方式中，上盖上设置有用于安装所述测试机构14的接口，所述测试机构14与所述上盖之间通过可拆卸连接的方式连接；所述上盖中还设置有用于穿设所述测温导管25的接口。所述测温导管25与所述上盖之间通过可拆卸连接的方式配合。如图4所示。所述测温导管25为不同长度的空心不锈钢管，空心不锈钢管可以通过焊接的方式连接。进一步的，空心不锈钢管的数量可以为3，具体的，本申请在此并不作具体的限定。所述的测温导管25安置于所述的岩样13内部，所述温度传感器的测温探头26安置在测温导管25内。实验过程中温度和压力的测点数量和位置根据具体的实验要求确定，具体的，本申请在此并不作具体的限定。所述温度传感器的温度测量量程为0-500℃之间，测量误差为±0.5℃，所述压力传感器的压力测量量程为0-40mpa之间，测量误差为±0.1mpa。在实验过程中，由所述温度传感器18和压力传感器19测量的温度与压力数据由所述控制机构采集并传送至计算机保存。
釜壁上可以带有测温和测压接口，可以在实验过程中测量围压釜11内的温度和压力。釜壁上还带有所述恒温循环机构的入口和出口的接口，可以在实验过程中循环补给高温高压地热流体，维持围压釜11内的温度与压力。在本实施方式中，所有接口均可以采用金属硬密封，以保证密封位置的耐压性和可靠性。
测试机构14可以为至少三个不同的实施方式。在第一个可选的实施方式中，参照图2所示，所述测试机构14可以包括主井筒15、套设在所述主井筒15内的内管20、设置在所述主井筒15上的注入分支井筒16、设置在所述内管20上的开采分支井筒17，所述主井筒15穿设在上盖上并伸入所述筒体12内。主井筒15和内管20的下端封闭。所述内管20的下端低于所述主井筒15的下端。注入分支井筒16设置在主井筒15的侧壁上。开采分支井筒17设置在内管20的侧壁上。并且开采分支井筒17位于主井筒15的下端和内管20的下端之间。优选地，在所述内管20外可以设置有保温材料21，从而对内管20进行保温。在注入分支井筒16和开采分支井筒17上均设置有用于导流的孔眼24。注入分支井筒16和开采分支井筒17的数量可以根据实际需要确定。例如，参照图3a所示，注入分支井筒16的数量可以为2个。参照图3b所示，注入分支井筒16的数量可以为4个。参照图3c所示，注入分支井筒16的数量可以为8个。
其中，内管20、主井筒15、开采分支井筒17和注入分支井筒16可以采用不锈钢制作，内管20套上保温材料21后，内管20与主井筒15可以通过焊接的方式连接。注入分支井筒16和主井筒15也可以通过焊接的方式连接，开采分支井筒17和内管20也可以通过焊接的方式连接。
在第二个可选的实施方式中，所述测试机构14可以包括主井筒15、设置在所述主井筒15上的注入分支井筒16，主井筒15的下端封闭。在注入分支井筒16上设置有孔眼24。
在第三个可选的实施方式中，所述测试机构14可以包括内管20、设置在所述内管20上的开采分支井筒17。开采分支井筒17设置在内管20的侧壁上。在开采分支井筒17上设置有孔眼24。优选地，在所述内管20外可以设置有保温材料21，从而对内管20进行保温。
所述注入分支井筒16和开采分支井筒17的数量本申请在此并不作具体的限定。在实验过程中，通过更换分支井筒的数量，得到不同分支井结构参数对多分支井地热系统的取热效果影响规律。
所述注入机构能与所述测试机构连通，用于注入低温取热流体。具体的，所述注入机构可以包括：通过管路连通的储液罐1、增压泵2、流量计3、安全阀4、单向阀5和普通开关阀门6。其中，储液罐1可以用于存储取热流体和地热流体。增压泵2用于对低温取热流体进行增压，以便于注入围压釜11内的岩样13中，其最高压力为35mpa，最高流量为50l/h。增压泵2和安全阀4与所述控制机构通过电性连接，在控制机构中可以设定注入流量或者注入压力，然后控制机构控制增压泵2根据设定的注入排量或者注入压力注入取热流体。此外，当围压釜11中的压力超过所述安全压力上限时，控制机构向增压泵2发出关闭信号，切断增压泵电源，停止注入取热流体，并向安全阀4发出开启信号，进行泄压。流量计3与所述控制机构通过电性连接，实时监测实验过程中的注入流量。单向阀5用于防止倒流，普通开关阀门6用于手动开启或关闭注入机构。
所述开采机构能与所述测试机构连通，用于取出高温取热流体。具体的，所述开采机构可以包括通过管路连通的储液罐1、流量计3、安全阀4、普通开关阀门6、测温仪7和冷却机构8。其中，流量计3和测温仪7与所述控制机构通过电性连接，实时监测实验过程中生产出的取热流体的流量和经过冷却机构8冷却后的取热流体温度。其中，冷却机构8可以包括：冷却盘管和冷却水夹套，所述冷却盘管内过流的是需要被冷却的高温取热流体，所述冷却水夹套内循环的是冷却水，且具有循环冷水进口和出口。冷却机构8与所述控制机构通过电性连接，在控制机构中可以设定取热流体被冷却后的温度，然后通过控制冷却机构8中循环冷水的流速来使取热流体达到预设冷却温度。此外，普通开关阀门6用于手动开启或关闭开采机构。
所述地热循环控制机构用于向所述围压釜和岩样提供地热流体。具体的，所述地热循环控制机构可以包括通过管路连通的储液罐1、增压泵2、流量计3、安全阀4、普通开关阀门6、预热机构9、测温仪7和冷却机构8。其中，增压泵2用于对循环补给的地热流体进行增压，以便于维持围压釜11内的压力，其最高压力为35mpa，最高流量为10l/h。增压泵2和安全阀4与所述控制机构通过电性连接，在控制机构中可以设定补给流量或者补给压力，然后控制机构控制增压泵2根据设定的补给排量或者补给压力补给循环地热流体。
其中，预热机构9用于给循环补给的地热流体加热，以便于维持围压釜11内的温度，其最高可加热至300℃，工作压力最高达50mpa，加热功率最高为15kw。预热机构9可以包括：高压盘管、电加热管、保温层和外保温套10，所述高压盘管内过流的是待加热的循环地热流体。预热机构9与所述控制机构通过电性连接，在控制机构中可以设定预热温度，然后通过控制预热机构8中电加热管的加热功率来使循环地热流体达到预热温度。
其中，流量计3和测温仪7与所述控制机构通过电性连接，实时监测实验过程中循环的地热流体的流量和经过预热机构9预热后的地热流体温度。其中，冷却机构8用于冷却流出围压釜11的循环地热流体，该冷却机构8和所述控制机构电性连接，控制机构可控制冷却机构8使循环经过的地热流体达到预设的冷却温度。最后，经过冷却机构8冷却后的地热流体返回至储液罐1中。
控制机构，所述控制机构分别与所述注入机构、所述开采机构以及所述地热循环控制机构电性连接，用于分别对所述注入机构、所述开采机构以及所述地热循环控制机构进行控制。具体的，所述控制机构包括用于测量所述围压釜11、所述岩样13的内部和所述测试机构14的入口和出口附近的温度传感器18和压力传感器19，所述温度传感器18和压力传感器19分别与控制机构通过电性连接。在实验过程中，由所述温度传感器18和压力传感器19测量的温度与压力数据由所述控制机构采集并传送至计算机保存。
此外，该实验系统还可以设置实验配套组件，例如控制柜组成：计算机、总电源、增压泵电源、冷却机构电源、预热机构电源、所有流量显示仪表、所有检测压力显示仪表、所有检测温度显示仪表、急停按钮等。
在一个具体的实施方式中，所述的取热流体和地热流体可以为任何类型流体，比如水或者超临界二氧化碳。具体的，本申请在此并不作具体的限定。
在测试机构为第一个实施方式时，可开展多分支井地热系统的注采同井流动传热实验。所述注入机构向主井筒入口22注入恒定温度的低温取热流体，该取热流体沿着主井筒15和内管20的环空进入注入分支井筒16内，再由注入分支井筒16的孔眼24流入岩样13中，取热流体在岩样13中充分换热后，经过开采分支井筒17的孔眼24流入开采分支井筒17内，再进入内管20中，最后从内管出口23排出到所述开采机构中。实验过程中，通过所述温度传感器18、压力传感器19和流量计3测量所述测试机构14入口和出口的温度、压力和流量，以及所述岩样13内的温度与压力分布，以此分析多分支井地热系统的流动传热机理。
在测试机构为第二个实施方式时，可开展多分支井地热系统注入能力的流动传热实验。具体使用时，所述注入机构向主井筒入口22注入恒定温度的低温取热流体，该取热流体沿着主井筒15进入注入分支井筒16内，再由注入分支井筒16的孔眼24流入岩样13中。实验过程中，通过所述温度传感器18、压力传感器19和流量计3测量所述测试机构14入口的温度、压力和流量，以及所述岩样13内的温度与压力分布，以此分析多分支井地热系统的注入能力。
在测试机构为第三个实施方式时，可开展多分支井地热系统开采能力的流动传热实验。具体使用时，岩样13中的地热流体经过开采分支井筒17的孔眼24流入开采分支井筒17内，再进入内管20中，最后从内管出口23排出到所述开采机构中。实验过程中，通过所述温度传感器18、压力传感器19和流量计3测量所述测试机构14出口的温度、压力和流量，以及所述岩样13内的温度与压力分布，以此分析多分支井地热系统的开采能力。
所述测试机构14可以更换为测试机构的第一、第二和第三中的任何一种，进行相应的任何一种实验。
整体上，与现有技术相比，本发明提供的特点和优点是：本发明提出的多分支井用的模拟地热开发流动传热的实验系统，可通过一个实验系统完成不同类型的多分支井地热系统的流动传热实验。该系统通过控制机构精确监测并采集系统的压力、温度和流量数据，并通过控制机构远程控制增压泵、冷却机构和预热机构等关键部件，利用安全阀设置系统压力上限，使系统可操作性强，测量数据精确，并保证安全性。该系统可以模拟高温高压条件下的多分支井地热系统的流动传热过程，研究分支井结构参数、注采流量和压力等工艺参数以及取热流体等因素对多分支井地热系统的取热效果的影响，客观真实反应多分支井地热系统的取热情况。模拟地热系统流动传热过程的多功能实验系统能够为新型的高效低成本多分支井地热系统的研究提供实验基础。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
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多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。