一种实验室模拟盐岩溶腔建造流场的试验装置

摘要

一种实验室模拟盐岩溶腔建造流场的试验装置，属于盐岩地下储气库造腔技术领域。包括水箱、影像记录仪和透明材质的模拟盐岩溶腔，模拟盐岩溶腔内设置有中心管和中间管；水箱的循环水出口依次连接恒流泵、第二阀门、第三阀门和第四阀门后与水箱的循环水进口连接，第二阀门和第三阀门之间、第四阀门的出口端分别旁接有第二管道、第二管道均与中间管连接，第二管道上均设置有第五阀门，中心管的上端旁接在第三阀门和第四阀门之间的第一管道上；影像记录仪设置在模拟盐岩溶腔的一侧。本发明相对于现场实际设计溶腔具有效率高、可靠性强的优点，对地下数千米深处的巨型溶腔内部流场形态可以进行相似性模拟。

说明书

技术领域

本发明属于盐岩地下储气库造腔技术领域，具体为一种实验室模拟盐岩溶腔建造流场的试验装置。

背景技术

随着经济与社会的快速发展，国家能源战略储备日益迫切。由于地质赋存条件优、密封性好、安全稳定程度高，地下盐岩溶腔被公认为是理想的油气储存及废物处置的理想场所。我国西气东输工程的下游配套储气库即选址于盐岩溶腔，目前我国中部地区石油储库也选择建于盐岩溶腔中。但是，利用传统水溶法建造盐岩溶腔过程中，溶腔内部的流场形态、浓度场分布、造腔管柱的应力以及应变情况、作业施工期间的腔体压力变化情况等研究目前还不充分，对于溶腔内壁的盐体上溶、侧溶状态难以把握，造成盐岩溶腔的形状控制存在一定的难度，对于作业施工前腔体泄压时间无法精确掌握，导致地下盐穴储气库的工期延误，建造速度缓慢。由于盐岩溶腔深埋于地下，现有的技术手段，无法对其进行直接观测，因此，通过在实验室模拟装置对盐岩溶腔建腔期的流场形态进行模拟，对于地下盐岩储气库的设计研究具有一定的指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种实验室模拟盐岩溶腔建造流场的试验装置，该试验装置根据相似模拟原则，计算出对应的套管尺寸、注水排量，选择合适的循环系统，对溶腔内流场形态进行模拟。还可以有效地模拟出实际盐岩溶腔运行过程中的浓度场分布，温度、压力变化并进行测量，从而研究造腔过程中卤水的浓度场分布规律、温度变化以及压力变化情况。

实现上述目的的技术方案是：一种实验室模拟盐岩溶腔建造流场的试验装置，其特征在于：包括水箱、影像记录仪和透明材质的模拟盐岩溶腔，所述模拟盐岩溶腔的底部设置有出水管，出水管上连接有第一阀门，模拟盐岩溶腔内设置有模拟泥岩夹层，所述模拟盐岩溶腔内竖向设置有中心管，中心管外套置有中间管，中心管和中间管均向上伸出模拟盐岩溶腔；所述水箱设置有循环水进口和循环水出口，水箱的循环水出口连接有恒流泵，恒流泵的进口端设置有着色剂注入口，恒流泵的出口通过第一管道连接水箱的循环水进口，所述恒流泵出口端的第一管道上依次设置有第二阀门、第三阀门和第四阀门，第二阀门和第三阀门之间的第一管道上旁接有第二管道，所述第四阀门的出口端旁接有第三管道，第二管道、第三管道分别与中间管的上端密封连接，所述第二管道和第三管道上均设置有第五阀门，所述中心管的上端旁接在第三阀门和第四阀门之间的第一管道上；所述影像记录仪设置在模拟盐岩溶腔的一侧。

试验装置还包括信号发射接收处理器，所述模拟盐岩溶腔的内壁的环周布置有第一光纤，第一光纤上连接有第一光纤温度传感器和第一光纤浓度传感器，中心管的外壁上设置有第二光纤，第二光纤上连接有第二光纤温度传感器、第二光纤浓度传感器以及光纤应力应变传感器；所述第一光纤和第二光纤分别连接信号发射接收处理器。

所述第四阀门出口端的第一管道上连接有流量计。

所述中间管通过悬挂器连接在中心管上。

模拟盐岩溶腔采用有机玻璃制成。

所述影像记录仪为数码摄像机和/或照相机。

流场分布状态试验过程：

1、注清水准备工作：打开第二阀门、第三阀门，关闭第一阀门、第四阀门以及第二管道、第三管道上的第五阀门，打开恒流泵，将模拟盐岩溶腔注满水，保证后续注水流场稳定，水注满后关闭恒流泵，关闭第二阀门、第三阀门；

2、模拟正循环方式采卤：打开第二阀门、第三阀门、第三管道上的第五阀门，启动恒流泵，根据实验方案要求调整注水流量，检查流量计的示数，带示数稳定后，启动影像记录仪，从恒流泵进口端的着色剂注入口注入染色液，通过影像记录仪记录腔内染色液扩散运移轨迹，完成后关闭第二阀门、第三阀门、第三管道上的第五阀门；

3、排空实验污水：打开第一阀门，将模拟盐岩溶腔内污水通过底部出水管排空；

4、更换不同长度的中心管与中间管，从而变换两管出口间距，重复1、2、3步骤，再次记录染色液运移轨迹；

5、模拟反循环方式采卤：重复步骤1，之后，打开第二阀门、第四阀门、第二管道上的第五阀门，启动恒流泵，根据实验方案要求调整注水流量，检查流量计的示数，带示数稳定后，启动影像记录仪，从恒流泵进口端的着色剂注入口注入染色液，通过影像记录仪记录腔内染色液扩散运移轨迹，继续记录染色液运移轨迹，完成后关闭第二阀门、第四阀门、第二管道上的第五阀门；

6、排空实验污水：打开第一阀门，将腔体内污水通过底部出水管排空；

7、更换不同长度的中心管与中间管，从而变换两管出口间距，重复1、5、3步骤，再次记录染色液运移轨迹；

8、通过观察分析影像记录仪记录的染色液运移轨迹，绘制盐岩溶腔建造流场分布状态；

9、溶腔流场模拟完成，结果用于地下盐穴储气库水溶建腔的效率评价与相关分析。

卤水的浓度场分布规律、温度变化以及压力变化情况的试验方法：

当需要测量模拟盐岩溶腔内的卤水浓度场分布规律、温度变化以及压力变化情况时，采用光纤传感技术进行测量。

确定需要测量浓度的位置，在相应的位置上安装光纤浓度传感器，将布置在模拟盐岩溶腔内第一光纤依次联接光纤浓度传感器，将第一光纤与光源发射接收处理器相连。

确定需要测量温度的位置，在相应的位置上安装光纤温度传感器，将布置在模拟盐岩溶腔内第一光纤依次联接光纤温度传感器，将第一光纤与光源发射接收处理器相连。

确定需要测量压力的位置，在相应的位置上安装光纤压力传感器，将布置在模拟盐岩溶腔内第一光纤依次联接光纤浓度传感器，将第一光纤与光源发射接收处理器相连。

当需要测量中心管上的压力及应变情况时，采用光纤传感技术进行测量。

确定需要测量压力及应变的位置，在相应的位置上安装光纤压力传感器，将布置在模拟盐岩溶腔内第二光纤依次联接光纤应力应变传感器，将第二光纤与光源发射接收处理器相连。

本发明的有益效果：

本发明经过严格地相似计算，得出符合比例要求的外形尺寸、管径大小、注水流量等，符合相似模拟的原则，能够真实有效地模拟出实际盐岩溶腔建造过程中的流场分布状态；另外通过设计的有机玻璃腔壁的可视性直接观察到腔体内染色液的运移状态，从而可以更加直观、高效地获得溶腔内的流场分布。

本发明内部设置的泥岩夹层模拟装置可以模拟夹层在盐岩中的分布情况，从而研究不同夹层位置大小对于盐岩溶腔内部流场的影响。

本发明相对于现场实际设计溶腔具有体积小、效率高、可靠性强的优点，对地下数千米深处的巨型溶腔内部流场形态可以进行相似性模拟。

本发明可以有效地模拟出实际盐岩溶腔运行过程中的浓度场分布，温度、压力变化并进行测量，从而研究造腔过程中卤水的浓度场分布规律、温度变化以及压力变化情况。

本发明可以有效地模拟出实际盐岩溶腔运行过程中的造腔管柱受力情况，并对应变进行测量，从而研究造腔过程中卤水的造腔管柱受力、应变情况。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括水箱1、影像记录仪2、有机玻璃制成的模拟盐岩溶腔3以及信号发射接收处理器24，模拟盐岩溶腔3内壁设置有模拟夹层装置23，影像记录仪2设置在模拟盐岩溶腔3的一侧，影像记录仪2为数码摄像机和/或照相机。

模拟盐岩溶腔3的底部设置有出水管4，出水管4上连接有第一阀门5，模拟盐岩溶腔3内竖向设置有中心管6，中心管6外套置有中间管7，中间管7通过悬挂器8连接在中心管6上，中心管6和中间管7均向上伸出模拟盐岩溶腔3,

水箱1设置有循环水进口12和循环水出口13，水箱1的循环水出口13连接有恒流泵9，恒流泵9的进口端设置有着色剂注入口10，恒流泵9的出口通过第一管道11连接水箱1的循环水进口12，恒流泵9出口端的第一管道11上依次设置有第二阀门14、第三阀门15和第四阀门16，第四阀门16出口端的第一管道11上连接有流量计17。

第二阀门14和第三阀门15之间的第一管道11上旁接有第二管道18，第四阀门16的出口端旁接有第三管道19，第二管道18、第三管道19通过第一三通接头20与中间管7的上端密封连接，第二管道18和第三管道19上均设置有第五阀门21，中心管6的上端通过第二三通接头22旁接在第三阀门15和第四阀门16之间的第一管道11上。

所述模拟盐岩溶腔的内壁的环周布置有第一光纤25，第一光纤25上连接有第一光纤温度传感器26和第一光纤浓度传感器27，中心管的外壁上设置有第二光纤28，第二光纤28上连接有第二光纤温度传感器29、第二光纤浓度传感器30和光纤应力应变传感器31；第一光纤25和第二光纤26分别连接信号发射接收处理器24。