一种岩石裂缝导流换热测试装置

本实用新型涉及深部地热资源开发技术领域，特别涉及一种岩石裂缝导流换热测试装置。

背景技术：

常规的岩石裂隙导流换热试验是在特定温度和压力作用下，以蒸馏水为换热介质，针对预制的平滑或者粗糙岩样开展单裂隙的对流换热特性研究。并且由于无法测量岩石裂隙面温度，对流换热测试方法较为保守，无法精确计算。

显然，根据现有常规的岩石裂隙导流换热试验，所得到的裂隙换热往往在真正实施过程中，效果不甚理想。现有技术的具体缺点如下：1.无法准确测量岩石内部各测点温度，难以研究岩石的对流换热特性；2.原有对流换热测试方法无法完整地观测到温度场演化规律。

技术实现要素：

本实用新型提供一种岩石裂缝导流换热测试装置，解决了或部分解决了现有技术中岩石裂隙导流换热试验无法准确测量岩石内部各测点温度，难以研究岩石的对流换热特性的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种岩石裂缝导流换热测试装置，用于测试岩样，所述岩样由两个岩体拼接而成，两个所述岩体之间有裂缝，其特征在于，所述岩石裂缝导流换热测试装置包括：围压室、加热器、供水机构、排水机构、计量泵、控制器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器及若干第四温度传感器；所述岩样设置在所述围压室的内腔；所述加热器固定设置在所述围压室的外壁；所述供水机构与所述裂缝的进水口连通，所述裂缝的进水口设置在所述岩样的底部；所述计量泵设置在所述供水机构上；所述排水机构与所述裂缝的出水口连通，所述裂缝的出水口设置在所述岩样的顶部；所述第一温度传感器的检测端固定设置在所述岩样的进水口处，所述第二温度传感器的检测端固定设置在所述岩样的出水口处，所述第三温度传感器的检测端设置在所述围压室内，若干所述第四温度传感器的检测端设置在所述岩样侧壁上；所述计量泵、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器及若干第四温度传感器均与所述控制器连接。

进一步地，两个所述岩体相对面的边缘处通过密封胶固定连接。

进一步地，所述岩样的外壁上套设有热缩套。

进一步地，所述供水机构包括：压力泵、供水箱及供水管；所述压力泵设置在所述供水箱内；所述供水管的进水口与所述压力泵连通，所述供水管的出水口与所述裂缝的进水口连通；所述计量泵设置在所述供水管上。

进一步地，所述排水机构包括：排水池及排水管；所述排水管的进水口与所述裂缝的出水口连通，所述排水管的出水口与所述排水池连通。

进一步地，所述岩石裂缝导流换热测试装置还包括：夹持机构；所述夹持机构的固定端固定设置在所述围压室顶部，所述夹持机构的动作端穿过所述围压室与所述岩样的顶部接触。

进一步地，所述夹持机构包括：轴压室及活塞；所述轴压室固定设置在所述围压室的顶部；所述活塞穿过所述轴压室及所述围压室与所述岩样的顶部接触。

进一步地，所述夹持机构还包括：垫块；所述垫块设置在所述活塞与所述岩样顶部之间。

进一步地，所述岩石裂缝导流换热测试装置还包括：垫板；所述垫板设置在所述岩样底部与所述围压室内壁之间。

进一步地，所述岩石裂缝导流换热测试装置还包括：底座；所述底座固定设置在所述围压室的底部。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于由于岩样设置在围压室的内腔，加热器固定设置在围压室的外壁，供水机构与裂缝的进水口连通，裂缝的进水口设置在岩样的底部，计量泵设置在供水机构上，排水机构与裂缝的出水口连通，裂缝的出水口设置在岩样的顶部，第一温度传感器的检测端固定设置在岩样的进水口处，第二温度传感器的检测端固定设置在岩样的出水口处，第三温度传感器的检测端设置在围压室内，若干第四温度传感器的检测端设置在岩样侧壁上，计量泵、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器及若干第四温度传感器均与控制器连接，所以，当要获取对流换热系数时，将岩样放入围压室内，供水机构通过计量泵向裂缝的进水口供水，计量泵将流量信号发送给控制器，排水机构将裂缝内的水排出，同时，向围压室内注入耐高温硅油，加热器对围压室进行加温，第一温度传感器获取岩样的进水口温度信号，并将进水口温度信号发送给控制器，第二温度传感器获取岩样的出水口温度信号，并将出水口温度信号发送给控制器，第三温度传感器获取岩样的外表面温度信号，并将外表温度信号发送给控制器，若干第四温度传感器获取岩样的内部温度信号，并将内部温度信号发送给控制器，控制器根据进水口温度信号、出水口温度信号、外表面温度信号及内部温度信号获取岩样的对流换热系数，实时、准确测量对流换热过程温度场演化规律，真实模拟岩石裂隙的对流换热过程，提高了对流换热系数的计算精度。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的岩石裂缝导流换热测试装置的结构示意图；

图2为图1中岩石裂缝导流换热测试装置中岩样的结构示意图；

图3为图1中岩石裂缝导流换热测试装置中岩样内部温度分布示意图；

图4为图1中岩石裂缝导流换热测试装置中的岩样渗流传热模型图。

具体实施方式

参见图1-2，本实用新型实施例提供的一种岩石裂缝导流换热测试装置，用于测试岩样1，岩样1由两个岩体1-1拼接而成，两个岩体1-1之间有裂缝，所述岩石裂缝导流换热测试装置包括：围压室2、加热器3、供水机构4、排水机构5、计量泵6、控制器7、第一温度传感器8、第二温度传感器9、第三温度传感器10及若干第四温度传感器11。

岩样1设置在围压室2的内腔。

加热器3固定设置在围压室2的外壁。

供水机构4与裂缝的进水口连通，裂缝的进水口设置在岩样1的底部。

计量泵6设置在供水机构4上。

排水机构5与裂缝的出水口连通，裂缝的出水口设置在岩样1的顶部。

第一温度传感器8的检测端固定设置在岩样1的进水口处，第二温度传感器9的检测端固定设置在岩样1的出水口处，第三温度传感器10的检测端设置在围压室2内，若干第四温度传感器11的检测端设置在岩样1侧壁上。

计量泵6、第一温度传感器8、第二温度传感器9、第三温度传感器10及若干第四温度传感器11均与控制器7连接。

本申请具体实施方式由于岩样1设置在围压室2的内腔，加热器3固定设置在围压室2的外壁，供水机构4与裂缝的进水口连通，裂缝的进水口设置在岩样1的底部，计量泵6设置在供水机构4上，排水机构5与裂缝的出水口连通，裂缝的出水口设置在岩样1的顶部，第一温度传感器8的检测端固定设置在岩样1的进水口处，第二温度传感器9的检测端固定设置在岩样1的出水口处，第三温度传感器10的检测端设置在围压室2内，若干第四温度传感器11的检测端设置在岩样1侧壁上，计量泵6、第一温度传感器8、第二温度传感器9、第三温度传感器10及若干第四温度传感器11均与控制器7连接，所以，当要获取对流换热系数时，将岩样1放入围压室2内，供水机构4通过计量泵6向裂缝的进水口供水，计量泵6将流量信号发送给控制器7，排水机构5将裂缝内的水排出，同时，向围压室2内注入耐高温硅油，加热器3对围压室2进行加温，第一温度传感器8获取岩样1的进水口温度信号，并将进水口温度信号发送给控制器7，第二温度传感器9获取岩样1的出水口温度信号，并将出水口温度信号发送给控制器7，第三温度传感器10获取岩样1的外表面温度信号，并将外表温度信号发送给控制器7，若干第四温度传感器11获取岩样1的内部温度信号，并将内部温度信号发送给控制器7，控制器7根据进水口温度信号、出水口温度信号、外表面温度信号及内部温度信号获取岩样的对流换热系数，实时、准确测量对流换热过程温度场演化规律，真实模拟岩石裂隙的对流换热过程，提高了对流换热系数的计算精度。

其中，根据实验要求，室内试验需求的岩样1尺寸为：φ50×100mm圆柱体。加工标准参考gb/t50266－2013工程岩体试验方法标准。加工好的岩样1表面光滑，完整性好。

在岩样1上部，距离岩样1顶部端面5mm处，使用金刚石钻头钻取直径为2mm、深度为23mm的孔洞，用于放置第二温度传感器9。在岩样1下部，距离岩样1底部端面5mm处，使用金刚石钻头钻取直径为2mm、深度分别为23mm的孔洞，用于放置第一温度传感器8。在岩样1中部，使用金刚石钻头钻取若干直径为2mm、深度为25mm孔洞，用于放置若干第四温度传感器11，以实现在裂隙通道进出口处流体及裂隙面岩体的实时温度连续监测。

第一温度传感器8、第二温度传感器9、第三温度传感器10及若干第四温度传感器11均可以为wrnk-191铠装热电偶。

控制器7可以为tp700温度数据记录仪。

具体地，两个岩体1-1相对面的边缘处通过密封胶固定连接。

岩样1的外壁上套设有热缩套12。

用棉签蘸取酒精，在两个岩体1-1的边缘处擦拭，除去浮尘，擦拭面积大于粘贴面积，待酒精晾干后，两个岩体1-1相对面的边缘处涂抹一层耐高温高压的密封胶，将两个岩体1-1紧密贴合，静置12小时。将岩样放入热缩套12中，使用热风枪加热，热缩套12收缩固定岩样。

具体地，供水机构4包括：压力泵4-1、供水箱4-2及供水管4-3。

压力泵4-1设置在供水箱4-2内。

供水管4-3的进水口与压力泵4-1连通，供水管4-3的出水口与裂缝的进水口连通。

计量泵6设置在供水管4-3上，通过计量泵6控制水量。

当进行实验时，启动压力泵4-1，压力泵4-1抽取供水箱4-2内的水，通过供水管4-3供应到裂缝的进水口，通过裂缝的进水口进入岩样1内。

具体地，排水机构5包括：排水池5-1及排水管5-2。

排水管5-2的进水口与裂缝的出水口连通，排水管5-2的出水口与排水池5-1连通。

渗流完成后的水通过排水管5-2进入排水池5-1，通过排水池5-1对水进行收集。

具体地，岩石裂缝导流换热测试装置还包括：夹持机构13。

夹持机构13的固定端固定设置在围压室2顶部，夹持机构13的动作端穿过围压室2与岩样1的顶部接触。

夹持机构13包括：轴压室13-1及活塞13-2。

轴压室13-1固定设置在围压室2的顶部。

活塞13-2穿过轴压室13-1及围压室2与岩样1的顶部接触。

活塞13-2穿过轴压室13-1及围压室2与岩样1的顶部接触，将岩样1夹持住，避免岩样1在实验时动作，保证实验结果的精度。

具体地，夹持机构还包括：垫块14。

垫块14设置在活塞13-2与岩样1顶部之间，避免活塞13-2直接与岩样1顶部接触，保证实验结果的精度。

其中，垫块14内开设有第一流道，第一流道的进水口与裂缝的出水口连通，第一流道的出水口与排水机构5的排水管5-2连通。

具体地，岩石裂缝导流换热测试装置还包括：垫板15。

垫板15设置在岩样1底部与围压室2内壁之间，用于支撑岩样1。

其中，垫板15内开设有第二流道，第二流道的出水口与裂缝的进水口连通，第二流道的进水口与供水机构3的排供水管4-3连通。

具体地，岩石裂缝导流换热测试装置还包括：底座16。

底座16固定设置在围压室2的底部，用于支撑围压室2。

具体地，将第一温度传感器8、第二温度传感器9、第三温度传感器10及若干第四温度传感器11在伸出岩样1的部位使用耐高温高压的胶进行密封，保证密封性。

参见图3-4，控制器根据进水口温度信号、出水口温度信号、外表面温度信号及内部温度信号获取岩样的对流换热系数包括：

由于裂隙岩体的裂隙面往往为不规则起伏面，研究粗糙裂隙面的对流换热过程较为复杂，为了简化研究减少计算量，提出以下基本假设：

裂隙对流换热过程只考虑热传导、热对流，忽略热辐射的影响；

岩石裂隙的渗透率远远大于岩石基质的渗透率，忽略岩石基质的渗透性，水流只在裂隙范围内流动；

水流传热过程仅发生在裂隙通道内，忽略流动过程中的热量散失。

根据牛顿冷却公式：

q＝ha△t＝cwρwqw△t；

式中，q为对流换热过程的总热流量，h为对流换热系数(w/(m²·k))，a为换热面积(m²)，△t为对流换热的温度差(k)，cw为水的比热容(j/

(kg·k))，ρw为水的密度(kg/m³)，qw为水的体积流量(m³/s)。

根据牛顿冷却微分公式：

dq＝h(ti(x)-tw(x))da＝h(ti(x)-tw(x))ldx。

可得到

式中：ti(x)为岩样裂隙面的温度分布，tw(x)为水流流动的温度分布，l，r分别为岩样的长度和半径(m)。

确定ti和tw的值才能计算稳态下的传热方程，温度沿着半径方向是线性函数。

式中，ti0为半岩石裂隙面中心点的温度，tc为岩样外壁温度。

可得到

在此二维对流换热模型中，水流在裂隙内做二维运动，tw(x)可看作沿着裂隙纵向轴线的水温平均值，可以用试验测得的出入口水温平均值来近似代替，即tw1是进水口温度，出水口温度。

由于裂隙中心远离岩样边界，中心点的温度受外界环境影响较小，故ti0可看作分布裂隙中心点两侧裂隙面温度的平均值，即tr是岩样内部温度。

因此，对流换热系数h的计算公式为：

换热系数是描述流体通过裂隙面传热过程特征的重要参数，可用于预测强化型地热储层和常规地热系统的热水产量。本申请的第一温度传感器8的检测端固定设置在岩样1的进水口处，第二温度传感器9的检测端固定设置在岩样1的出水口处，第三温度传感器10的检测端设置在围压室2内，若干第四温度传感器11的检测端设置在岩样1侧壁上，通过岩样1的裂缝壁面位置布置多支热电偶，实时监测沿渗流传热路径裂缝表面温度演化过程，提高计算对流换热系数的准确性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。