一种基于分布式测温的大陆热流探针

本发明提供一种基于分布式测温的大陆热流探针，属于地热资源勘探。

背景技术：

1、大地热流是指地球内部由热传导传输至地表并散发到太空中的热量，它是地球内部热力学过程最直接的表现之一，是地热资源勘探评价最基础且最重要的参数。传统热流测量方法需要进行深部钻井和长时间的岩芯热导率测试，成本高且限制较多。海底热流探针技术是一种操作简单、成本低廉且方便高效的热流测量方法，但并未在大陆地区得到广泛应用。

2、现有的热流探针技术均是针对海底的探针，适用于海底松散沉积物，探测深度浅，一般小于10米。现今广泛使用的海底热流调查设备有尤因型(ewing-type)地热探针和李斯特型(lister-type)地热探针。它们都是在20世纪五十、六十年代布拉德型探针(bullard-probe)和早期尤因型探针(corer-outrigger)(gerard et al.，1962)基础上，随着电路集成技术、数字存储技术以及计算机技术的进步而不断发展起来的。另外，还出现了适用于水下机器人作业的热探针和可以消除海底温度周期变化影响的海底热流长期观测设备。为了实现对水下作业设备的实时监控，有些设备还安装了声学通信单元(200)，可以把水下设备的状态参数以及测量数据按一定的采样率发送回调查船，以实现对水下设备的实时监控。

3、目前的热流探针主要针对海底环境进行测量，因此无法完全适用于陆地环境下的测量。主要存在以下四个方面的差异。首先，物性差异，海底松散沉积物的物性与陆地沉积层的物性存在差异，海底探针很容易插入到沉积物中；而在陆地上需要一个更坚固的探针来确保测量的准确性。其次，测量长度差异，海洋中存在着数千米深的海水，可以缓冲气候波动对海底沉积物的影响；然而，陆地上的沉积层直接接触大气，气候波动对地表沉积物的影响更为显著。第三，测量点差异，由于海底相对距离较近，测量点数通常只有数十个，测量方法一般采用串联和并联的形式，通过电阻测量热流；而在陆地上，需要测量更多的点，因此需要一种更为坚固的超长热流探针，以确保更精确的测量结果。第四，传感器封装方式不同，海底沉积物软，一般采用外挂式，以增加温度响应的速度；但大陆地区土壤更为坚硬，需要将传感器封装在探针内部以保护传感器。

4、因此，在进行陆地环境下的热流测量时，需要使用更为坚固和可靠的热流探针，并采用更为复杂的测量方案，以确保测量结果的准确性。同时，针对不同的物性和测量深度差异，还需要适当调整探针的设计和测量方法，以获得更好的测量效果。

5、本发明针对大陆热流测量领域的良好应用前景，提供了一种浅井热流测量一体式设备，以满足大陆热流测量市场的迫切需求。

技术实现思路

1、针对传统热流测量存在的问题，本发明提出了一种大地热流原位测量的超长地热探针。该探针可以直接在地下深部进行测量，不需要进行深部钻井和岩芯热导率测试，有效降低了测量成本和诸多限制。同时，该探针可以通过浅井长期温度观测和原位热物性参数测试获取热流值，可以作为地热勘探前期一种重要而又经济的勘探方法，对地热资源有利靶区定位和井位选区具有直接指导作用。

2、研发浅井热流测量一体式设备和超长地热探针可以有效改变目前大陆热流数据依赖于钻井的现状，提高热流测量的效率和准确性，有广阔的推广应用前景。

3、一种基于分布式测温的大陆热流探针，包括插入地下的探针、控制系统和电源系统。

4、探针包括空心管状的金属针探针和探针头。探针头呈锥形，头部直径20mm，尾部直径10mm，锥形角度为15度。

5、针探针的外壁有0.5毫米厚的高级金属外壁；针探针内部布设有分布式的温度传感器和加热装置；压力传感器设置在探针底端，实时监测探针插入时的轴向压力。

6、温度传感器，以串联的形式布置；温度传感器采用数字温度传感器，数字温度传感器采用单总线通信协议，通过一根信号线和一根地线与控制系统的连接。

7、加热装置为碳纤维加热线，碳纤维加热线布设在针探针的中间；

8、探针制成一米长的分布式的单元，每个单元上有20厘米间隔的温度传感器。单元之间通过四孔插头连接外部，连接处通过外部的螺旋结构外壳实现防水和固定作用。

9、单元连接处设有电热丝接触端和信号线接触端。

10、控制系统，包括温度采集器、数据采集与显示系统、温度输入端口、加热碳纤维输入端口、加热功率调节旋钮、电源输入端口、设备总开关、加热器开关；

11、控制系统采用单片机为核心的分布式控制系统；单片机通过rs-485总线与各个单元内的探针控制单元进行通信。每个探针控制单元内置stm8s微控制器，实现对应单元即探针段的精确监控。

12、控制系统用于实现：

13、对探针的插入力进行实时监测，控制和优化插入过程，避免探针损坏；

14、协调管理各个探针段的工作，控制加热装置的通断电和稳定输出；

15、精确采集各层温度传感器的数据，进行滤波去噪和校准，输出温度分布信息；

16、根据热流计算模型，处理温度和时间数据，得出热流密度分布结果；

17、通过总线向上传输探针状态、测量数据和处理结果，实现可视化监控。

18、电源系统采用锂电池单元作为电源。

19、热流(heat flow)在物理学上是指单位时间内传输的热能，标准单位是w，而热通量(heat flux)，又称热流密度(heat flow density)，则指通过单位面积的热流，标准单位是mw/m2。数值上热流等于地温梯度乘以热导率。因此，热流探针的使用旨在实现地温梯度和热导率的测试。地温梯度的测量只需要测试多个点的温度，而热导率的测量则需要通过模型计算地层加热后的温度变化，。

20、钻井原位探针热导率测试方法是以在二维非稳态传导的平面径向热流模型发展起来的，假设在无限大的介质中有一个无限长的线热源以恒定的功率发热，以此线热源所引起的任意点上温度变化是测点位置、时间、线热源功率和介质传热属性的函数。通过推导、简化热导率(k)可以表示为：

21、k＝q/4π(ln(t2)-ln(t1))/(t2-t1)

22、其中t1、t2是t1、t2时间点温度，q为单位长度线热源发热功率。因此，只需要记录恒定热功率条件下温度随时间的响应规律，即可计算地层原位热导率，通过数值反演技术求解可以计算复杂地质条件下地层的热导率。

23、该热流探针工作时，首先利用锥形的探针头在预定位置进行锤击插入。插入过程中，压力传感器实时监测轴向压力，避免过度插入造成探针损坏。待探针插入至设计深度后，系统切换至热流测量模式。

24、本发明温度传感器沿探针轴向分布，每隔2米设置一个测温点，实现对地温的垂直分布测量。控制系统通过信号线采集各深度点的温度数据。根据热平流理论，结合岩石热物性参数，可以运算获得热流密度值。

25、持续监测不同时间地温变化，可以消除气候影响，获得真实的地热流分布。该系统可以长期在同一测点工作，实现对地热流时空演化的监测。

26、本发明技术方案带来的有益效果：

27、该超深热流探针系统实现了对陆地地温及热流的原位测量。具有以下优点:

28、适应陆地环境，实现大范围、高精度的热流监测；

29、探针坚固抗压，传感器内置，避免损坏；

30、多个测温点分布，消除气候影响，获得真实地温分布；

31、长期监测同一点，实现地热流时空格局追踪。

32、低成本、高效，大幅提升了陆地热流测量的可靠性。

33、该系统可广泛应用于地热资源勘探、地下水评价等领域，具有重要的经济和应用价值。