一種深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法與流程

本發(fā)明屬于地?zé)衢_采，具體涉及一種深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

1、開發(fā)利用地?zé)崮鼙徽J(rèn)為是緩解極端氣候現(xiàn)象的最有效手段之一。我國(guó)陸上從淺到深分布有豐富的地?zé)崮?。目前，?guó)內(nèi)地?zé)衢_發(fā)與利用主要以淺層地?zé)岬闹苯永脼橹?，深層以及干熱巖的開發(fā)與利用也正在興起。隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)新能源尤其是地?zé)崮苄枨蠛屠玫牟粩嗉哟?，如何高效、可持續(xù)、環(huán)境友好地開采這些地?zé)崮苁悄壳八媾R的首要問題。

2、雖然國(guó)內(nèi)對(duì)地?zé)豳Y源的開發(fā)和利用已經(jīng)相對(duì)成熟，但人們往往僅僅對(duì)深層熱儲(chǔ)或者淺層熱儲(chǔ)進(jìn)行獨(dú)立評(píng)價(jià)和開發(fā)，很少對(duì)同一地?zé)嵯到y(tǒng)中淺層熱儲(chǔ)與深層熱儲(chǔ)之間的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行深入研究。一些傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為深層熱儲(chǔ)系統(tǒng)與淺層熱儲(chǔ)系統(tǒng)之間是相互隔絕的。然而，一些現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)和地球化學(xué)分析表明，深層熱儲(chǔ)和淺層熱儲(chǔ)之間存在水力連通(如北京北部某地?zé)崽?，并且可能擁有相同的補(bǔ)給區(qū)；深層熱儲(chǔ)通過構(gòu)造活躍區(qū)的斷裂帶為深部流體提供向上流動(dòng)通道和地下水補(bǔ)給通道，而且深層熱儲(chǔ)對(duì)淺層熱儲(chǔ)的影響程度還與地質(zhì)構(gòu)造明顯相關(guān)。在能量供給方面，淺層熱儲(chǔ)的能量除部分來自太陽輻射以外，還有部分來自深部?jī)?chǔ)層的熱傳導(dǎo)。這些深層熱儲(chǔ)與淺層熱儲(chǔ)之間相互影響的程度經(jīng)常被低估。因此，在地?zé)崮荛_發(fā)過程中，深部地?zé)豳Y源的開發(fā)和利用是否會(huì)造成淺層地?zé)豳Y源的枯竭、淺層地?zé)豳Y源的開發(fā)和利用是否會(huì)影響深層地?zé)豳Y源的可持續(xù)供給、淺層地?zé)峁┡貐^(qū)如何利用中深層熱補(bǔ)充淺層熱來解決熱不平衡問題等待確認(rèn)的問題，都會(huì)在一定程度上影響到人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

3、國(guó)內(nèi)一些地區(qū)存在豐富的深層和淺層地?zé)豳Y源，如北京北部地區(qū)、雄安新區(qū)等。其中，近年來，不少地區(qū)已開展了深層和淺層地?zé)崮芫C合應(yīng)用項(xiàng)目(如北京世界園藝博覽會(huì)主體建筑、鄭州鯤鵬軟件小鎮(zhèn)灃西新城等)。因此，認(rèn)清深層熱儲(chǔ)與淺層熱儲(chǔ)之間的傳熱傳質(zhì)機(jī)理，對(duì)于指導(dǎo)地?zé)崮芨咝ч_發(fā)與利用具有重要意義。但目前相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)手段缺乏，需要一種新的實(shí)驗(yàn)方法來揭示深層與淺層熱儲(chǔ)之間的生產(chǎn)干擾本質(zhì)，為后續(xù)調(diào)控措施決策提供指導(dǎo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法。本發(fā)明基于建立的深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究深層與淺層熱儲(chǔ)之間通過裂隙的傳熱傳質(zhì)機(jī)理以及生產(chǎn)調(diào)控方法，為進(jìn)一步研究該類熱儲(chǔ)的開發(fā)規(guī)律提供了有效的模擬實(shí)驗(yàn)手段。

2、本發(fā)明通過在高壓密封殼體內(nèi)自上往下依次設(shè)置淺層模擬模型、隔層模擬模型和深層模擬模型，并將裂縫模擬模型豎向設(shè)置在高壓密封殼體內(nèi)，通過在裂縫模擬模型中設(shè)置上下兩端分別與淺層模擬模型和深層模擬模型相連通的滲透性裂隙，并將隔層模擬模型分別與淺層模擬模型、深層模擬模型以及裂縫模擬模型相互隔離設(shè)置，從而形成了相互隔離的淺層模擬模型、深層模擬模型以及模擬淺層模擬模型與深層模擬模型之間的連通裂縫；利用淺層加熱裝置和深層加熱裝置控制淺層模擬模型和深層模擬模型的溫度，利用注采系統(tǒng)控制注采參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾的模擬。

3、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)、注采系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；

4、所述儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)包括高壓密封殼體、自上往下依次設(shè)置在高壓密封殼體內(nèi)的淺層模擬模型、隔層模擬模型和深層模擬模型以及豎向設(shè)置在高壓密封殼體內(nèi)的裂縫模擬模型，所述裂縫模擬模型包括上下兩端分別與淺層模擬模型和深層模擬模型相連通的滲透性裂隙，所述淺層模擬模型和深層模擬模型均為滲透材質(zhì)制備；

5、所述隔層模擬模型分別與淺層模擬模型、深層模擬模型以及裂縫模擬模型相互隔離；

6、所述注采系統(tǒng)包括模擬注水井筒、模擬采水井筒、與模擬注水井筒相連的注水控制系統(tǒng)以及與模擬采水井筒相連的出水控制系統(tǒng)；

7、所述模擬注水井筒位于淺層模擬模型內(nèi)，所述模擬采水井筒位于深層模擬模型內(nèi)；

8、或者所述模擬注水井筒位于深層模擬模型，所述模擬采水井筒位于淺層模擬模型；

9、所述加熱系統(tǒng)包括設(shè)置在淺層模擬模型內(nèi)的淺層加熱裝置、設(shè)置在深層模擬模型內(nèi)的深層加熱裝置以及分別與淺層加熱裝置、深層加熱裝置電連接的加熱控制系統(tǒng)；

10、所述溫度檢測(cè)系統(tǒng)包括設(shè)置在淺層模擬模型內(nèi)的淺層溫度檢測(cè)裝置、設(shè)置在深層模擬模型內(nèi)的深層溫度檢測(cè)裝置以及分別與淺層溫度檢測(cè)裝置、深層溫度檢測(cè)裝置連接的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。

11、本發(fā)明優(yōu)選的，還包括豎向設(shè)置在高壓密封殼體內(nèi)的中間擋板，所述裂縫模擬模型位于中間擋板內(nèi)；

12、所述中間擋板包括自上往下依次連通的淺層滲透腔、非滲透腔和深層滲透腔；

13、所述淺層滲透腔與淺層模擬模型之間以及所述深層滲透腔與深層模擬模型之間設(shè)置有滲透性網(wǎng)格狀擋板；

14、所述非滲透腔與隔層模擬模型相對(duì)應(yīng)，所述非滲透腔與隔層模擬模型之間設(shè)置有非滲透擋板。為了方便在高壓密封殼體內(nèi)對(duì)淺層模擬模型、隔層模擬模型、深層模擬模型以及裂縫模擬模型進(jìn)行布置，并不會(huì)造成模型材料進(jìn)入滲透性裂隙中，將裂縫模擬模型設(shè)置在中間擋板內(nèi)，通過在淺層滲透腔與淺層模擬模型之間以及深層滲透腔與深層模擬模型之間設(shè)置滲透性網(wǎng)格狀擋板，實(shí)現(xiàn)滲透性裂隙與淺層模擬模型、深層模擬模型的連通；通過將非滲透腔與隔層模擬模型相對(duì)應(yīng)設(shè)置，并在非滲透腔與隔層模擬模型之間設(shè)置非滲透擋板，實(shí)現(xiàn)了隔層模擬模型與裂縫模擬模型的隔離。

15、本發(fā)明優(yōu)選的，所述裂縫模擬模型還包括非滲透性裂隙左擋板、非滲透性裂隙右擋板、非滲透性裂隙頂部擋板和非滲透性裂隙底部擋板；

16、所述非滲透性裂隙頂部擋板和非滲透性裂隙底部擋板相互間隔設(shè)置，所述非滲透性裂隙左擋板、非滲透性裂隙右擋板相互間隔設(shè)置；

17、所述非滲透性裂隙左擋板、非滲透性裂隙右擋板、非滲透性裂隙頂部擋板和非滲透性裂隙底部擋板相互拼接形成滲透性裂隙。利用非滲透性裂隙左擋板、非滲透性裂隙右擋板、非滲透性裂隙頂部擋板和非滲透性裂隙底部擋板相互拼接形成滲透性裂隙，方便對(duì)滲透性縫隙的長(zhǎng)度、寬度和高度進(jìn)行調(diào)整。

18、本發(fā)明優(yōu)選的，所述淺層模擬模型和深層模擬模型分別由砂粒充填而成；

19、所述隔層模擬模型由非滲透性材料充填而成。砂粒之間能夠形成滲透間隙，因此利用砂粒模擬深層熱儲(chǔ)層與淺層熱儲(chǔ)層；利用非滲透性材料制備隔層模擬模型，使其不具有滲透性，用于模擬深層熱儲(chǔ)層與淺層熱儲(chǔ)層之間的隔離層。

20、本發(fā)明優(yōu)選的，所述注水控制系統(tǒng)包括供水罐、注水泵和流量計(jì)；

21、所述出水控制系統(tǒng)包括集水罐和節(jié)流控制閥；

22、所述注水泵和流量計(jì)設(shè)置在供水罐與模擬注水井筒之間，所述供水罐、注水泵和模擬注水井筒之間采用管道相連；

23、所述節(jié)流控制閥設(shè)置在集水罐與模擬采水井筒之間，所述集水罐與模擬采水井筒之間采用管道相連。利用注水泵將供水罐內(nèi)的水注入淺層模擬模型或深層模擬模型，利用集水罐采集模擬采水井筒排出的水，利用流量計(jì)檢測(cè)注入水的流量，利用節(jié)流控制閥控制出水的流量，進(jìn)而模擬不同流量下的深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾模擬實(shí)驗(yàn)。

24、本發(fā)明優(yōu)選的，所述模擬注水井筒和模擬采水井筒位于裂縫模擬模型的同一側(cè)；

25、或者所述模擬注水井筒和模擬采水井筒分別位于裂縫模擬模型的兩側(cè)。裂縫模擬模型將高壓密封殼體的能腔分隔為兩部分，模擬注水井筒和模擬采水井筒可以設(shè)置在裂縫模擬模型的同一側(cè)，也可以設(shè)置在裂縫模擬模型的兩側(cè)。

26、本發(fā)明優(yōu)選的，所述淺層加熱裝置和深層加熱裝置為水平盤繞設(shè)置的電加熱管線。通過在淺層模擬模型和深層模擬模型內(nèi)設(shè)置水平盤繞設(shè)置的電加熱管線，能夠?qū)\層模擬模型和深層模擬模型進(jìn)行快速均勻的加熱，提高實(shí)驗(yàn)效率。

27、本發(fā)明優(yōu)選的，所述淺層溫度檢測(cè)裝置和深層溫度檢測(cè)裝置為相互串聯(lián)設(shè)置在溫度采集線上的溫度傳感器，所述溫度傳感器相互間隔設(shè)置。通過在淺層模擬模型和深層模擬模型內(nèi)設(shè)置間隔分布的溫度傳感器，以對(duì)淺層模擬模型和深層模擬模型各處的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，便于研究淺層模擬模型和深層模擬模型的溫度變化規(guī)律。

28、本發(fā)明還公開了一種深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾模擬實(shí)驗(yàn)方法，利用上述的深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，適用于淺層采水、深層注水的工況以及深層采水、淺層注水的工況，包括以下步驟：

29、s1、搭建深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；

30、s2、打開注水控制系統(tǒng)和出水控制系統(tǒng)，利用注水控制系統(tǒng)通過模擬注水井筒向淺層模擬模型和深層模擬模型內(nèi)注水，以使淺層模擬模型和深層模擬模型充水飽和，關(guān)閉注水控制系統(tǒng)和出水控制系統(tǒng)；

31、s3、根據(jù)淺層和深層的實(shí)驗(yàn)溫度要求，利用加熱控制系統(tǒng)控制淺層加熱裝置、深層加熱裝置，分別將淺層模擬模型、深層模擬模型加熱到各自預(yù)定溫度；

32、溫度檢測(cè)系統(tǒng)通過淺層溫度檢測(cè)裝置和深層溫度檢測(cè)裝置分別采集淺層模擬模型、深層模擬模型內(nèi)的溫度數(shù)值；

33、s4、打開注水控制系統(tǒng)和出水控制系統(tǒng)，利用注水控制系統(tǒng)通過模擬注水井筒向淺層模擬模型中或深層模擬模型中按照設(shè)定流量進(jìn)行注水，溫度檢測(cè)系統(tǒng)通過淺層溫度檢測(cè)裝置和深層溫度檢測(cè)裝置分別采集淺層模擬模型、深層模擬模型內(nèi)的溫度數(shù)值；

34、s5、關(guān)閉注水控制系統(tǒng)和出水控制系統(tǒng)，完成實(shí)驗(yàn)；

35、s6、重復(fù)步驟s3，將淺層模擬模型的溫度和深層模擬模型的溫度加熱到預(yù)定值；

36、s7、改變注水控制系統(tǒng)注水的流量，重復(fù)步驟s4和步驟s5，完成不同流量的實(shí)驗(yàn)，得到相同初始儲(chǔ)層溫度情況下，不同注水量的采出水溫度以及儲(chǔ)層溫度的變化規(guī)律；

37、s8、改變步驟s3的預(yù)定溫度，重復(fù)步驟s3至步驟s7，完成不同溫度的實(shí)驗(yàn)，得到不同初始儲(chǔ)層溫度情況下，采出水溫度以及儲(chǔ)層溫度的變化規(guī)律；

38、s9、每次單獨(dú)改變滲透性裂隙的高度或滲透性裂隙的寬度或滲透性裂隙的長(zhǎng)度或模擬注水井筒的位置或模擬采水井筒的位置中的一個(gè)參數(shù)，重復(fù)步驟s1至步驟s8，即可完成不同滲透性裂隙高度或不同滲透性裂隙寬度或不同滲透性裂隙長(zhǎng)度或不同注水井筒位置或不同采水井筒位置情況下的采出水溫度以及儲(chǔ)層溫度的變化規(guī)律。

39、本發(fā)明優(yōu)選的，還包括步驟s10、改變淺層模擬模型、深層模擬模型的滲透材質(zhì)組成，重復(fù)步驟s1-步驟s9，完成不同滲透性情況下的深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾模擬實(shí)驗(yàn)。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明構(gòu)建的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用加熱控制系統(tǒng)控制淺層加熱裝置、深層加熱裝置分別對(duì)淺層模擬模型和深層模擬模型進(jìn)行加熱，可以實(shí)現(xiàn)不同溫度的熱儲(chǔ)層之間的生產(chǎn)干擾過程模擬，揭示層間的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象和規(guī)律。

41、(2)本發(fā)明構(gòu)建的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過更換層間連接通道大小，即調(diào)整裂縫模擬模型中上下兩端分別與淺層模擬模型和深層模擬模型相連通的滲透性裂隙的長(zhǎng)度、寬度或高度，可以實(shí)現(xiàn)不同裂隙性質(zhì)的模擬，從而揭示裂隙連通性質(zhì)對(duì)深層和淺層生產(chǎn)的影響。

42、(3)本發(fā)明構(gòu)建的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)模擬注水井筒、模擬采水井筒與滲透性裂隙之間的位置關(guān)系，能夠模擬井距對(duì)地?zé)衢_采的影響，為此類熱儲(chǔ)開采的井距優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

43、并且，本發(fā)明能夠模擬淺層采水、深層注水的工況以及深層采水、淺層注水的工況。

44、(4)目前的地?zé)衢_采模擬實(shí)驗(yàn)大多針對(duì)單一熱儲(chǔ)，本發(fā)明中淺層模擬模型和深層模擬模型的溫度不同，分別模擬淺層儲(chǔ)熱和深層儲(chǔ)熱，并且淺層模擬模型和深層模擬模型通過滲透縫隙相連，解決了深層與淺層熱儲(chǔ)生產(chǎn)干擾物模擬實(shí)驗(yàn)缺少的技術(shù)問題。