一種地層水熱參數原位檢測方法

2023-05-26 11:24:21

一種地層水熱參數原位檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種地層水熱參數原位檢測方法，方法如下：先用三針複合式探頭測得各監測點處地層的溫度，再由檢測儀器的CPU控制三針複合式探頭中間探針發出熱脈衝，同時開始採集三針複合式探頭下探針的溫度值及其對應時間，採集從熱脈衝發出到80秒這段時間內下探針測得的全部溫度值數據，從中截取20秒至75秒之間段的數據，由CPU利用內嵌的熱導率處理程序計算出地層的熱導率；再利用含水率和熱導率之間的經驗公式得到各監測點處地層的含水率；開始溫差測量，獲取三針複合式探頭上、下兩側探針處的溫差ΔT值，用數據擬合反演軟體處理，得到該監測點處地層水參數的滲透速度值。用本發明方法測量精度高，實用性強；監測成本低。
【專利說明】-種地層水熱參數原位檢測方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於水文地質方法監測（含地熱學）及地源熱累領域，W及其他所有需要 地層水熱參數的領域，尤其設及一種地層水熱參數原位檢測方法。

【背景技術】
[0002] 地層的熱參數包括地層的溫度、熱導率等參數，地層水參數包括含水率、滲透速度 等。查明各地層熱參數分布情況和水的運移規律對環境地質、水文地質、±壤學等許多領域 都具有十分重要的意義。由於地層巨大的空間和時間變異性，即使是同一質地、顆粒均勻礦 物組成的地層，其熱導率、滲透速度也是隨含水率的變化而變化的，其複雜性導致到目前為 止還沒有原位分層檢測地層水、熱參數的商品化儀器系統問世，而熱傳導方程在研究地層 的水、熱參數方面具有先天的優勢，因為熱量在地層中的運移過程和地層的水、熱參數密切 相關。
[0003] 本 申請人:單位於1987年研製的溫差式微流速儀的理論基礎是熱傳導方程的穩態 階段，其在測量地層飽和狀態下水的流速效果還是令人滿意的，但受限於其理論基礎，擺脫 不了笨重、測量速度慢和對現場擾動大的缺點。本發明專利的理論基礎是熱傳導方程的瞬 態階段。
[0004] 在地源熱累系統中，如果想了解地層水熱參數，都是模擬向地下排熱的工況，算出 地層的熱導率和比熱能，不僅許多影響因素未考慮，而且計算出的是某個孔的一定深度內 各個地層的平均值，不能獲取單個地層的參數值，導致對地層的放熱（吸冷）能力計算錯 誤。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的是提供一種地層水熱參數原位檢測方法，依靠該種方法可選取監測 點直接獲得水文地質、環境地質和工程地質W及地源熱累所需要的地層水熱參數。
[0006] 為實現上述目的，本發明採取W下設計方案：
[0007] 一種地層水熱參數原位檢測方法，包括有一個地層水熱參數原位檢測儀器，該檢 測儀器帶有一組=針複合式探頭且內置有熱脈衝控制電路，各=針複合式探頭由間距相 同、位置固定的=根探針組成，兩側的探針中均裝配有一支銷電阻溫度傳感器，中間的一根 探針裝配有熱脈衝發生器，在該檢測儀器的中屯、處理器中內嵌有熱導率處理程序和數據擬 合反演軟體；將該組=針複合式探頭分別埋設地層下面預定的各監測點處，且各=針複合 式探頭的=針豎向布設；所述的地層水熱參數包括地層溫度、熱導率兩個熱參數和含水率、 滲透速度兩個水參數；所述的方法如下：
[000引 1)首先通過各S針複合式探頭兩側的探針依次測得各監測點處地層的溫度，將測 得的地層溫度值存入檢測儀器的RAM中；
[0009] 2)由檢測儀器或檢測儀器的中屯、處理器CPU控制各=針複合式探頭中間探針發 出熱脈衝，同時開始採集各=針複合式探頭下探針的溫度值及其對應的時間，採集從熱脈 衝發出到80秒該段時間內下探針測得的全部溫度值數據，從中截取20秒至75秒之間段的 數據，由中屯、處理器CPU利用內嵌的熱導率處理程序計算出地層的熱導率；
[0010] 3)再利用含水率和熱導率之間的經驗公式得到各監測點處地層的含水率；
[0011] 4)把各監測點處地層的熱導率和含水率值存入檢測儀器存儲器RAM中；
[0012] 5)開始溫差測量，獲取各=針複合式探頭上、下兩側探針處的溫差AT值，用數據 擬合反演軟體處理，得到該監測點處地層水參數的滲透速度值，將其存入檢測儀器或檢測 儀器的RAM中。
[0013] 所述地層水熱參數原位檢測方法步驟2中，所述熱導率處理程序是先用獲取的20 秒至75秒之間的數據，求溫度對時間的線性回歸，得出回歸方程，再對求出的熱導率K值做 如下修正：
[0014] K = aK'+b，其中，a = 0. 85，b = -0. 006 ;
[0015] 其中，K為修正後的熱導率。
[0016] 所述地層水熱參數原位檢測方法步驟3中，對於含水砂±組成的地層，含水率0 和熱導率K之間的經驗公式為；K = bu+bi 0 +b2 0 ° 5其中，b。，bi，b2是經驗常數，b。，bi，b2分 別為 0.228,-2. 406,4.909。
[0017] 所述地層水熱參數原位檢測方法步驟5中；在開始溫差測量前，讓前序步驟中= 針複合式探頭髮出熱脈衝的中間探針放熱，最少持續2分鐘。
[0018] 所述地層水熱參數原位檢測方法中，所述的一組=針複合式探頭埋設於地層的不 同深度，安裝過程中採用人工開挖豎井的方法，由工人下到豎井裡面，把探頭豎直插進不同 深度的井壁中，探頭安裝完畢後，用原位±回填至孔口。
[0019] 所述地層水熱參數原位檢測方法中，將=針複合式探頭兩側的探針中標有W字樣 的探針作為下側探針，該下側探針接檢測儀器差分放大電路單元的正極，上側探針接檢測 儀器差分放大電路單元的負極。
[0020] 所述地層水熱參數原位檢測方法中，所述=針複合式探頭中間的裝配有熱脈衝發 生器探針的參數為；探針外徑3mm，內徑2. 4mm，壁厚0. 3mm，探針長度100mm。各鄰接的兩個 探針間距離為20mm。
[0021] 本發明的優點是：
[0022] 1.本發明地層水熱參數原位檢測方法能夠實現地層溫度、熱導率、含水率和滲透 速度的分層原位測量，測量參數多，精度高，實用性強；
[002引 2.利用S針複合式探頭監測，可W解決目前地層中水熱參數不能同時原位監測的 問題；且=針複合式探頭具有結構簡單、測量時間短、功耗小、使用方便和價格便宜等特點， 因此，監測成本低；
[0024] 3.由於實現了多參數數據採集和處理，使得監測成本大大降低；
[0025] 4.對特定地質條件下探頭的安裝埋設工藝提出的精細設計，確定了 W含水砂上為 主地質條件下的=針複合式探頭埋設方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明地層水熱參數原位檢測探頭的安裝示意。
[0027] 圖2為本發明方法中所使用的S針複合式探頭結構示意圖。
[002引圖3為本發明方法中所使用的檢測儀器方框結構示意圖。
[0029] 圖4為溫度和時間對數曲線關係圖。
[0030] 圖5為熱脈衝、熱導率和滲透速度工作時序圖。
[0031] 圖6為熱脈衝原理示意圖。
[0032] 下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步的說明。

【具體實施方式】
[0033] 本發明地層水熱參數原位檢測方法是利用一個地層水熱參數原位檢測儀器，該檢 測儀器包括有一組=針複合式探頭。
[0034] 參閱圖1所示，工作時，為了得到不同深度地層的水熱參數，需用一組探頭埋設於 地層的不同深度，為了使探針在安裝過程中發生的變形最小，安裝過程中需採用人工開挖 豎井的方法。本發明監測方法適用於監測深度小於10米的地層。豎井挖好後，由工人下到 豎井裡面，把探頭水平插進不同深度的井壁中。探頭安裝完畢後，用原位±回填至孔口，盡 量使其密實程度和原位±相當。
[0035] 參見圖2所示，本發明一較佳實施例是採用了 =針複合式探頭，該=針複合式探 頭上帶有=個探針，中間為一熱脈衝探針6(本實施例的熱脈衝探針內部線性熱源的絕緣 電阻絲用鑲絡絲特製），上、下兩側是一對溫度傳感器探針1 ;一探頭座3用於固定所述的一 組探針及實現探測現場的固定安裝；一電纜5, 一端與=個探針全部電連接，另一端用於實 現與外接設備的連接，在電纜5從探頭座引出段置有密封件4。該=針複合式探頭兩側的探 針中都裝配有一支銷電阻溫度傳感器2,其中一支探針上標有W字樣，該探針測量的溫度值 為地層溫度，在埋設時位於埋設位置地層的最下面。
[0036] 在材料選擇上，熱脈衝探針6選用不誘鋼管制作。為了防止安裝過程中探針變形， 鋼管要保證一定的強度，所W不誘鋼管的壁厚和長度受到限制。不誘鋼管中要裝配加熱絲 和銷電阻溫度傳感器，它們的直徑決定了對不誘鋼管直徑的選擇。水熱參數傳感器的探針 直徑（d)決定了探針的長度（L)，也就是探針長度要滿足L/d〉30的線性熱源要求。相鄰兩 根探針中屯、間的距離越小，對探頭的加工和裝配工藝要求越高，對數據採集巧片的採集速 度和精確度要求越高。本發明最後確定熱脈衝傳感器的參數為：探針外徑3mm，內徑2. 4mm， 壁厚0. 3mm，探針長度100mm，各探針間的距離20mm，經大量的反覆試驗證明收到了極好的 使用效果。
[0037] 採用的檢測儀器必須滿足便攜、低功耗的特點才能方便地實現原位測量，同時還 要有數據存儲功能，並可W通過RS-232串行通信方式把實測數據導出到終端的計算機中。 參閱圖3,本發明實施例採用檢測儀器模塊設計，由電源管理及電壓基準、恆流源、主控單元 CPU、A/D轉換、數據處理、存儲、通訊接口及加熱控制、光電隔離、加熱供電等功能電路組成。 電源管理及電壓基準、恆流源功能是為了實現電源的交直流轉換和穩定電壓的作用，是整 個系統正常工作的基礎。為減少檢測儀器體積和降低功耗，測量、A/D轉換和自動控制功能 可W用一片高精度微處理巧片完成，實現了系統的高集成度、低功耗和可攜式。
[003引 自動控制包括定時控制和測量控制兩部分。定時功能主要由定時巧片完成，監測 周期從5分鐘到1年任意設定，測量控制由CPU和控制電路組成。檢測儀器可通過RS-232和筆記本進行數據通訊。
[0039] 檢測儀器內置的自控軟體控制儀器系統的定時和工作流程的建立，負責將採集的 數據存入RAM(數據儲存器），並將下一次採集時間寫入定時系統，根據程序設定指令進入 相應的監測流程。該部分包括熱脈衝的產生W及時間、溫度、溫差的精確測量，直接影響擬 合結果，是整個監測系統的核屯、軟體。
[0040] 數據擬合反演軟體W上面闡述的熱脈衝理論為基礎，由測得的時間、溫度、溫差數 據擬合得出地層的熱導率、滲透速度和含水率。
[0041] 計算機數據接收和管理軟體能把檢測儀器傳回的數據W資料庫和數據文件兩種 方式保存，保存的數據具有顯示、查詢、作圖、輸出等功能。
[0042] 綜上所述，該檢測儀器應具有W下特點：
[0043] ①嵌入式低功耗設計；兩路測溫，採用銷電阻作為溫度傳感器。測溫範圍0到50 攝氏度；
[0044] ②高精度測量，溫度分辨達到0. 002攝氏度，精度高於10%，採樣速率IHz ;
[0045] ⑨具有一路熱脈衝控制器，能控制加熱絲的加熱時間。（加熱絲0. 5W，每個加熱脈 衝佔空時間8秒）每1秒進行一次溫度採樣，每次測量持續時間10分鐘；
[0046] ④模塊具有數據通訊接口，存儲在模塊內的實測數據可方便地導入計算機中。
[0047] 該檢測儀器模塊的具體電路設計可W由現有技術實現，此處不寶述。
[0048] 參見圖4所示，本發明地層水熱參數原位檢測方法的具體過程是：
[0049] (1)地層溫度測量
[0050] 首先啟動檢測儀器，開機工作後，檢測儀器CPU發出指令給熱脈衝控制電路，S針 複合式探頭中間的熱脈衝探針6發出功率為60J/ms、持續時間為120s的熱脈衝，同時CPU 開始採集上、下探針1的溫度值及其對應的時間，採集頻率是IHz，持續時間是80秒，把得 到的溫度值（T)存在存儲器中。
[0化1] (2)熱導率含水率的測量
[0052] 在檢測儀器CPU內嵌有熱導率處理程序，該程序是依據線狀熱源非穩態法對前面 採集到的溫度值（T)進行整合運算，最終求得熱導率K。
[0化3] 具體原理是；熱脈衝探針6的熱脈衝發熱強度為q，從加熱開始，熱脈衝探針6的 溫度將上升，在接近熱脈衝探針6表面的介質中有一溫度梯度，於是熱量就向介質中傳導， 在溫度場未達到穩定之前，溫度場中某一點溫度為：

【權利要求】
1. 一種地層水熱參數原位檢測方法，包括有一個地層水熱參數原位檢測儀器，該檢測 儀器帶有一組三針複合式探頭且內置有熱脈衝控制電路，各三針複合式探頭由間距相同、 位置固定的三根探針組成，兩側的探針中均裝配有一支鉑電阻溫度傳感器，中間的一根探 針裝配有熱脈衝發生器，在該檢測儀器的中心處理器中內嵌有熱導率處理程序和數據擬合 反演軟體；將該組三針複合式探頭分別埋設地層下面預定的各監測點處，且各三針複合式 探頭的三針豎向布設；所述的地層水熱參數包括地層溫度、熱導率兩個熱參數和含水率、滲 透速度兩個水參數；其特徵在於所述的方法如下： 1) 首先通過各三針複合式探頭兩側的探針依次測得各監測點處地層的溫度，將測得的 地層溫度值存入檢測儀器的RAM中； 2) 由檢測儀器的中心處理器CPU控制各三針複合式探頭中間探針發出熱脈衝，同時開 始採集各三針複合式探頭下探針的溫度值及其對應的時間，採集從熱脈衝發出到80秒這 段時間內下探針測得的全部溫度值數據，從中截取20秒至75秒之間段的數據，由中心處理 器CPU利用內嵌的熱導率處理程序計算出地層的熱導率； 3) 再利用含水率和熱導率之間的經驗公式得到各監測點處地層的含水率； 4) 把各監測點處地層的熱導率和含水率值存入檢測儀器存儲器RAM中； 5) 開始溫差測量，獲取各三針複合式探頭上、下兩側探針處的溫差AT值，用數據擬合 反演軟體處理，得到該監測點處地層水參數的滲透速度值，將其存入檢測儀器或檢測儀器 的RAM中。
2. 如權利要求1所述的地層水熱參數原位檢測方法，其特徵在於：步驟2中，所述熱導 率處理程序中是先用獲取的20秒至75秒之間的數據求溫度對時間的線性回歸，得出回歸 方程，再對求出的熱導率K'值做如下修正： K = aK'+b，其中，a = 0.85, b = -0.006 ; 其中，K為修正後的熱導率。
3. 如權利要求1所述的地層水熱參數原位檢測方法，其特徵在於所述步驟3中對於含 水砂土組成的地層，含水率0和熱導率K之間的經驗公式為：K = bfbi 9 +b2 9 °_5其中，b0， bl，b2是經驗常數， b。，bp b2分別為 0? 228, -2. 406,4. 909。
4. 如權利要求1所述的地層水熱參數原位檢測方法，其特徵在於所述步驟5中：在開 始溫差測量前，讓前序步驟中三針複合式探頭髮出熱脈衝的中間探針放熱，最少持續2分 鍾。
5. 如權利要求1所述的地層水熱參數原位檢測方法，其特徵在於：所述的一組三針復 合式探頭埋設於地層的不同深度，安裝過程中採用人工開挖豎井的方法，由工人下到豎井 裡面，把探頭豎直插進不同深度的井壁中，探頭安裝完畢後，用原位土回填至孔口。
6. 如權利要求5所述的地層水熱參數原位檢測方法，其特徵在於：將三針複合式探頭 兩側的探針中標有W字樣的探針作為下側探針，該下側探針接檢測儀器差分放大電路單元 的正極，上側探針接檢測儀器差分放大電路單元的負極。
7. 如權利要求1所述的地層水熱參數原位檢測方法，其特徵在於：所述三針複合式探 頭中間的裝配有熱脈衝發生器探針的參數為：探針外徑3_，內徑2. 4_，壁厚0. 3_，探針 長度100mm。
8.如權利要求7所述的地層水熱參數原位檢測方法，其特徵在於：所述三針複合式探 頭的各鄰接的兩個探針間距離為20mm。
【文檔編號】G01K7/18GK104502404SQ201410841024
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月30日 優先權日:2014年12月30日
【發明者】馮蒼旭, 劉軍, 張磊, 李康 申請人:中國地質調查局水文地質環境地質調查中心