一种光滑平行裂隙岩体渗流温度测量装置及其解译方法

1.本发明属于地热开发与水文地质领域，涉及一种测量装置，具体涉及一种光滑平行裂隙岩体渗流温度测量装置及其解译方法。


背景技术：

2.干热岩型地热资源是一种分布广泛、储量巨大的新型清洁能源，干热岩地热能的提取通常是在岩体的裂隙中进行的，即通过流体在与裂隙面流动接触中发生热交换进而提取热量。干热岩型地热资源开发的关键科学问题包括岩体裂隙网络中的流体换热机理，由于单裂隙是复杂裂隙网络的基本组成单元，因此进行光滑平行单裂隙岩体渗流过程中的传热试验研究是基础性研究工作。
3.裂隙渗流过程中的换热机理受裂隙的隙宽、岩体围压及岩体温度等多种因素的影响，在以往的单裂隙岩体渗流传热实验中，通常是以岩体裂隙入口端和出口端水温为研究对象，对裂隙沿程水温和岩体基质内部温度不做研究，无法研究不同因素对裂隙岩体沿程不同位置水热交换能力的影响；此外，实际研究中发现，进入和流出传统夹持器后水温会受到一定影响，导致夹持器入、出口端的水温与裂隙入、出口端的水温有一定差异。上述问题导致单裂隙岩体渗流传热的换热机理与影响因素研究不充分，无法对后续复杂裂隙网络渗流传热研究与生产实际提供足够的参考价值。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种能够准确测量岩体内部温度和裂隙沿程水温的光滑平行裂隙岩体渗流温度测量装置，与其传热过程的解译方法。
5.为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种光滑平行裂隙岩体渗流温度测量装置，包括：进水系统和岩芯夹持器，所述进水系统包括恒温水箱，所述岩心夹持器包括套管，所述套管中沿其轴向设有夹持套管；套管内壁与夹持套管外壁之间设有围压腔，所述围压腔通过套管上的进油孔和出油孔连接外部的围压加载装置；在套管两端塞入堵头，所述堵头沿中轴线设置有可调节张开度的水流通道，套管入口端堵头的水流通道连接进水系统；入口端堵头、出口端堵头和夹持套管围成的空腔设有光滑平行单裂隙岩样，岩样中沿其长度方向间隔分布设有多个测量孔组。
7.进一步地，所述测量孔组包括从岩样外壁沿其径向通至裂隙面的通孔、从岩样外壁沿其径向向内开设至近裂隙面处的沉孔和所述入口端堵头和出口端堵头中设置的从外壁沿其径向通至水流通道的通孔；所述测量孔组布设测温探头。
8.进一步地，所述测温探头皆通过测温线连接外部数据采集器，所述测温线通过套管中设置的引线孔共同引出夹持器，采用水泥材料灌注所述测量孔组的孔壁，使水泥材料完全填充测温孔，并将所述测温线和测温探头完全包裹。
9.进一步地，所述恒温水箱依次连接双向阀门、增压泵、进水口蠕动泵、进水口阀门
和进水口测压计。
10.进一步地，所述套管外设有隙宽控制装置，所述隙宽控制装置的一端垂直于裂隙面穿过套管并与夹持套管相连接，控制所述单裂隙岩样中的裂隙开度与所述入口端堵头和出口端堵头的水流通道开度。
11.在本发明的一种优选实施方式中，隙宽控制装置包括电动机、行程控制杆和开度指示器，所述行程控制杆连接电动机与所述夹持套管，所述开度指示器由一组位移传感器构成，所述位移传感器通过导线与数据采集器连接。
12.优选地，所述套管外设置有加热套，可采用电加热，热量从套管向内传递，从而控制岩体温度。
13.优选地，隙宽控制装置和进水口测压计、出水口测压计共同连接至一数据采集器上。
14.优选地，所述入口端堵头和出口端堵头采用非金属隔热材料，尽量减少夹持套管对水流的影响，降低夹持套管入口端与裂隙入口端水流的温差。
15.进一步地，所述出口端堵头水流通道依次连接一出水口测压计和出水口蠕动泵。
16.所述进水系统用于对岩芯夹持器的进水控制，包括控制进水压力、流量和进水温度；所述岩芯夹持器用于实验光滑平行单裂隙岩体渗流传热过程，并且能测量不同实验条件下单裂隙岩体内部的温度和裂隙沿程的水温。
17.所述围压加载装置与套管内的围压腔连接，液压油通过进油孔被围压加载装置压入围压腔，并通过出油孔返回，液压油持续循环流动，保证液压油温度均匀。
18.本发明还公开一种基于本发明装置的光滑平行单裂隙岩体渗流传热过程中的温度测量方法，包括如下步骤：
19.步骤一：将岩体切割成为光滑平行单裂隙岩样，并用钻头从单裂隙岩样外壁径向钻设多个测量孔组，将测温探头置入孔中，再用水泥材料灌浆注入孔中以至钻孔被完全填充，然后将岩样装入夹持器中，使隙宽控制装置垂直于裂隙面，测温探头通过测温线引出夹持器，并接入数据采集器；
20.步骤二：打开围压加载装置向围压腔中加入液压油，施加围压δ，稳压后调节隙宽控制装置至裂隙开度为d；打开水箱水阀、增压泵、进水口蠕动泵和进水口水阀，将恒温水箱中温度为的水以q的流量注入岩芯夹持器中，并打开出水口蠕动泵，水经过裂隙面从出水口流出，此时入口端堵头的测温探头测得的温度即为裂隙入口的水温t
in
；对夹持器入口水温和裂隙入口水温t
in
在不同的流量q条件下的关系进行标定，得到和t
in
的对应关系，以此确保t
in
与设计值一致；随后关闭恒温水箱水阀、增压泵、进水口蠕动泵和进水口水阀，停止注水，并从出水口将装置内部残留的水排走；
21.步骤三：利用加热套加热套管至设计温度t0，同时控制液压油进行循环加热保持均温；温度稳定后，套管温度、围压腔中的液压油温度、夹持套管温度与单裂隙岩样温度一致，均为t0；
22.步骤四：重新打开水箱水阀、增压泵、进水口蠕动泵和进水口水阀，根据步骤二中得到的不同的流量q条件下和t
in
的对应关系，控制进水系统将温度为的水流以流量q注入岩芯夹持器中，此时由各个测温探头测得光滑平行单裂隙岩样内部(裂隙沿程内表面)
的温度tm、裂隙沿程的水温tf以及裂隙出口水温t
out
，并根据测得的数据进行计算解译。
23.优选的，所述解译方法如下：
24.光滑平行单裂隙岩体裂隙中的渗流场数学模型如下公式：
[0025][0026]
同时岩样裂隙内的水流运动状态服从动量守恒定律：
[0027][0028]
其中sf为岩体贮水率，p为压力，t为时间，uf为裂隙中水的达西流速，g为重力加速度，ρw为水的密度，μ为水的动力粘度；
[0029]
假设水流不可压缩，则光滑平行单裂隙中水流运动状态方程如下：
[0030][0031][0032]
uf＝qf/(d
·
a)
[0033]
其中qf为所述岩样中的流量，a为光滑平行单裂隙岩体直径、j为水力坡降，δh为水头差，l为所述岩样的轴向长度，β为非达西系数，根据上式可确定不同实验条件下渗流的运动状态；
[0034]
光滑平行单裂隙岩体基质与裂隙中的温度场服从能量守恒定律：
[0035][0036][0037]
其中ρ、c和λ为密度、比热容以及热动力弥散系数，下标r与w分别代表岩体基质与水，q
t
为水岩界面的热量交换量；tm为各个测温探头测得光滑平行单裂隙岩样内部(裂隙沿程内表面)的温度、tf为裂隙沿程的水温；
[0038]
同时，根据测量得到的数据计算岩样整体的对流换热能力，计算过程如下：
[0039]
当水岩换热达到稳定后，岩石内部的传导热量、水岩界面的热量交换量以及水带走的热量三者相等，其中水带走的热量为：
[0040]qtout
＝ρ
wcw
qf(t
out-t
in
)
[0041]
水岩界面的热量交换量为：
[0042][0043]
其中，t
in
为水流进入裂隙入口温度、h为对流换热系数、t
out
为裂隙出口水温；
[0044]
上述热量相等，则计算得到岩体的平均对流换热系数
[0045][0046]
同理，裂隙岩体某一段的对流换热系数h的计算公式为：
[0047][0048]
其中，和分别为指定长度的裂隙内沿程水温tf以及岩体内部(裂隙沿程内表面)温度tm的平均值，即
[0049]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0050]
(1)本发明可通过装置改变实验条件，测量不同工况下光滑平行单裂隙岩体内部的温度与裂隙沿程的水温。
[0051]
(2)本发明中将岩体中的测温孔注浆填充，保证岩体内部的应力场不受挖孔影响。
[0052]
(3)本发明考虑到夹持器对水流传热过程的影响，设置带有水流通道的堵头，准确控制裂隙入口端水温。
[0053]
(4)本发明设置隙宽控制器，可以控制岩样裂隙开度。
[0054]
(5)本发明提供所述装置的解译方法研究，帮助计算并理解光滑平行单裂隙岩样传热过程。
附图说明
[0055]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0056]
图1为本次发明实例的结构示意图；
[0057]
图2为本次发明实例的岩芯夹持器轴向剖面图；
[0058]
图3为本次发明实例的单裂隙岩样的立体图；
[0059]
图4为本次发明实例的测量孔组的轴向剖面图；
[0060]
图5为本次发明实例的入口端堵头的径向剖面图；
[0061]
图6为本次发明实例的岩芯夹持器内测量的变量示意图；
[0062]
图中：1、恒温水箱；2、水箱阀门；3、增压泵；4、进水口蠕动泵；5、进水口水阀；6、进水口测压计；7、围压加载装置；8、出水口测压计；9、数据采集器；10、出水口蠕动泵；11、设备加固装置；12、围压腔；13、进油孔；14、出油孔；15、测温线引线；16、入口端堵头；17、光滑平行单裂隙岩样；18、隙宽控制装置；19、测量孔组；19-1、通孔(测温孔)；19、沉孔(测温孔)；20、加热套；21、套管；22、夹持套管；23、出口端堵头；24、裂隙(水流通道)；25、水泥材料(灌浆)；26、测温探头。
具体实施方式
[0063]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明
的保护范围。
[0064]
实施例1
[0065]
如图1～5所示，一种光滑平行裂隙岩体渗流温度测量装置，包括：进水系统和岩芯夹持器，所述的进水系统用于实验中对岩芯夹持器的进水控制，即控制进水压力、流量和进水温度；岩芯夹持器用于实验光滑平行单裂隙岩体渗流传热过程，并且能测量不同实验条件下单裂隙岩体内部的温度和裂隙沿程的水温。
[0066]
所述进水系统包括恒温水箱1以及与恒温水箱1依次连接的水箱阀门2、增压泵3、进水口蠕动泵4、进水口阀门5和进水口测压计6。
[0067]
所述岩心夹持器系统包括套管21、围压加载装置7和加热套20，所述套管21中沿其轴向设有夹持套管22；套管内壁与夹持套管外壁之间设有围压腔12，所述围压腔通过套管上的进油孔13和出油孔14连接外部的围压加载装置，所述围压加载装置7与套管内的围压腔12连接，液压油通过进油孔13被围压加载装置压入围压腔，并通过出油孔14返回，液压油持续循环流动，保证液压油温度均匀；
[0068]
在套管两端塞入堵头，所述堵头沿中轴线设置有可调节张开度的水流通道，套管入口端堵头16的水流通道连接进水系统；
[0069]
所述入口端堵头16、出口端堵头23和夹持套管22围成的空腔设有光滑单裂隙岩样17，岩样中沿其长度方向间隔分布设有多个测量孔组19，所述测量孔组包括一个从岩样外壁沿其径向通至裂隙面的通孔19-1和一个从岩样外壁沿其径向向内开设至近裂隙面处的沉孔19-2；所述入口端堵头和出口端堵头中设置从外壁沿其径向通至水流通道的通孔；所述通孔和沉孔均布设测温探头26，所述测温探头皆通过测温线15连接外部数据采集器，所述测温线通过套管中设置的引线孔共同引出夹持器；
[0070]
采用水泥材料25灌注所述孔壁，使所诉水泥材料完全填充测温孔，并将所诉测温线15和测温探头26完全包裹，保证岩体内部的应力场不受挖孔影响；
[0071]
所述出口端堵头水流通道连接一出水口测压计8和出水口蠕动泵10。
[0072]
所述加热套20套在套管21外，可采用电加热，热量从套管向内传递，从而控制岩体温度。
[0073]
所述夹持套管22可调节位置，所述套管外设有隙宽控制装置18，所述隙宽控制装置与夹持套管相连接。本实施例中隙宽控制装置18固定在加热套20的外表面上，一端垂直裂隙面穿过套管21，并固定在夹持套管22外表面上，可以通过调节隙宽控制装置的另一端(灵活端)调整夹持套管的位置，从而调节固定在夹持套管内的单裂隙岩样17、入口端堵头16以及出口端堵头23的裂隙(水流通道)24的开度。
[0074]
本实施例中，隙宽控制装置包括电动机、行程控制杆和开度指示器，所述行程控制杆连接电动机与所述夹持套管，所述开度指示器由一组高精度位移传感器构成，所述传感器通过导线与数据采集器连接。隙宽控制装置还包括手动控制机构，所述手动控制机构包括手-电动切换手柄与手动操作装置，可以在电源不畅时，通过手动形式进行操作，保证隙宽控制装置的正常工作。隙宽控制装置以电能为主要动力，通过电动机驱动行程控制杆，来实现调节夹持套管的位置，达到对夹持套管所夹持的单裂隙岩样开度(隙宽)控制的目的。
[0075]
所述测温线引线15由灌注的水泥材料支护固定，测温线引线引出夹持器的一端、隙宽控制装置18和进水口测压计6、出水口测压计8共同连接至一数据采集器9上；
[0076]
还包括设备加固装置11，设置在套管外侧及两端的非金属隔热部件，是用于固定加热套、套管及其内部各部件的零件，另外该装置形成的圆柱形空腔也连接了导水管与进出水口堵头。
[0077]
所述堵头16、23采用非金属隔热材料，尽量减少夹持器对水流的影响，降低夹持器入口端与裂隙入口端水流的温差。
[0078]
实施例2
[0079]
本发明光滑平行单裂隙岩体渗流传热过程中的温度测量方法，具体包括如下步骤：
[0080]
步骤一：用切割机和抛光机将岩体切割成为光滑平行单裂隙岩样17，并用钻头从单裂隙岩样外壁径向钻设多个测量孔组19，将测温探头26置入孔中，再用水泥材料25灌浆注入孔中以至钻孔被完全填充，然后将岩样装入夹持器中，使隙宽控制装置18垂直于裂隙面，测温探头通过测温线引出夹持器，并接入数据采集器9；
[0081]
步骤二：打开围压加载装置7向围压腔12中加入液压油，施加围压δ，稳压后调节隙宽控制装置18至裂隙开度为d(堵头水流通道的开度也为d，其与裂隙开度开度相同)打开水箱水阀2、增压泵3、进水口蠕动泵4和进水口水阀5，将恒温水箱1中温度为的水以q的流量注入岩芯夹持器中，并打开出水口蠕动泵10，水经过裂隙面24从出水口流出，此时入口端堵头的测温探头测得的温度即为裂隙入口的水温t
in
；对夹持套管入口水温和裂隙入口水温t
in
在不同的流量q条件下的关系进行标定，得到和t
in
的对应关系，以此确保t
in
与设计值一致；随后关闭水箱水阀2、增压泵3、进水口蠕动泵4和进水口水阀5，停止注水，并从出水口将装置内部残留的水排走；
[0082]
步骤三：为研究在裂隙入口水温为t
in
、裂隙开度为b、单裂隙岩样初始温度为t0以及注水流量为q的实验条件下光滑平行单裂隙岩体传热过程，先利用加热套20加热套管21至设计温度t0，同时控制液压油进行循环加热保持均温；温度稳定后，套管21温度、围压腔12中的液压油温度、夹持套管22温度与单裂隙岩样17温度一致，均为t0；
[0083]
步骤四：随后重新打开水箱水阀2、增压泵3、进水口蠕动泵4和进水口水阀5，根据步骤二中得到的不同的流量q条件下和t
in
的对应关系，控制进水系统将温度为的水流以流量q注入岩芯夹持器中，此时由各个测温探头测得光滑平行单裂隙岩样内部(裂隙沿程内表面)的温度tm、裂隙沿程的水温tf以及裂隙出口水温t
out
。根据测得的数据进行计算解译分析。
[0084]
具体的解译方法如下：
[0085]
所述光滑平行单裂隙岩体渗流传热过程中的温度测量方法的解译方法涉及到的变量如图6所示，包括岩体贮水率sf、水流进入裂隙入口温度t
in
、光滑平行单裂隙岩样初始温度t0、光滑平行单裂隙岩体直径a、岩体裂隙开度d、裂隙出口水温t
out
、裂隙内沿程水温tf以及岩体内部(裂隙沿程内表面)温度tm。
[0086]
岩体孔隙度较低，忽略岩体基质的渗透性。由于光滑平行单裂隙岩体裂隙中的渗流场服从质量守恒定律，则其数学模型如下公式：
[0087][0088]
同时岩样裂隙内的水流运动状态服从动量守恒定律：
[0089][0090]
其中p为压力，t为时间，uf为裂隙中水的达西流速，g为重力加速度，ρw为水的密度，μ为水的动力粘度，且水的密度和运动粘度随温度变化。假设水流不可压缩，则光滑平行单裂隙中水流运动状态方程如下(层流与紊流)：
[0091][0092][0093]
uf＝qf/(d
·
a)
[0094]
其中qf为所述岩样中的流量，j为水力坡降，δh为水头差，l为所述岩样的轴向长度，β为非达西系数，根据上式可确定不同实验条件下渗流的运动状态；
[0095]
光滑平行单裂隙岩体基质与裂隙中的温度场服从能量守恒定律：
[0096][0097][0098]
其中ρ、c和λ为密度、比热容以及热动力弥散系数，下标r与w分别代表岩体基质与水，q
t
为水岩界面的热量交换量；
[0099]
同时，可以根据测量得到的数据计算岩样整体的对流换热能力，计算过程如下：
[0100]
当水岩换热达到稳定后，岩石内部的传导热量、水岩界面的热量交换量以及水带走的热量三者相等，其中水带走的热量为：
[0101]qtout
＝ρ
wcw
qf(t
out-t
in
)
[0102]
水岩界面的热量交换量为：
[0103][0104]
上述热量相等，则计算得到岩体的平均对流换热系数
[0105][0106]
同理，裂隙岩体某一段的对流换热系数h的计算公式为：
[0107][0108]
其中，和分别为指定长度的裂隙内沿程水温tf以及岩体内部(裂隙沿程内表
面)温度tm的平均值，即
[0109]
需要说明的时，本说明书中使用的实施例仅是流程中的部分环节，流程并不一定是必须的，也不是包含所有能做的实验，同样，步骤并非固定的，实施例强调的是与其他实施例更注重的地方，表明实施例的创新型，所描述的步骤和过程也是针对某一研究进行组合的，因而为实现的不同实验目的也可以有其他的组合，实施例仅举例说明。其次，本说明书介绍发明实施例所描述的结构、单元以及对使用器材的命名也主要为了便于相关领域技术人员的理解，也可以使用其他设备或者仪器实现该单元的目的，因而结构单元的简单替换也在本发明的保护范围内，再者，由于图片的限制，没有添加部分单元结构说明，因而结构单元的变化和部分类似结构的添加，都应该在本发明的保护范围内。
[0110]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。