[发明专利]一种野外便携式岩石热物性参数测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明专利属于岩土热物性测试系统，尤其涉及一种野外便携式岩石热物性参数测 试系统。

背景技术

21世纪人类面临着许多发展问题，无疑石油、煤、天然气资源短缺的问题尤为突出， 因此人类的可持续发展需要依靠清洁可再生能源。

地热资源是一种“绿色能源”、“清洁能源”，合理的开发利用关系到人类未来的可持 续发展。目前，人类对地热资源的开发利用主要包括地热发电、地热采暖、地热医疗和 旅游等等。在开发利用地热资源过程中，准确获得地区岩石热物性参数尤为重要，岩石 的热物性参数包括岩石的导热系数、比热容、热扩散系数等。以浅层地热开发技术地源 热泵为例，若对地下岩石的热物性参数测量不够准确，盲目地增加或减少换热井的数量， 极易造成机组选型过大，增加成本；或者导致用户供热制冷量不足，使热泵机组运行不 稳定，从而影响系统使用寿命。

岩石热物性参数受到岩石的矿物分布，含量，结构孔隙度，压力温度，含水量等诸 多因数的影响。这给测量岩石的热物性参数增加了难度。传统的野外岩石热物性测试技 术，虽然可以较准确测得岩石热物性参数的实际值，但前期准备工作量大，设备复杂， 周期长，花费大；同时室内实验对岩样平整光滑度要求高，需对岩样切割打磨，破坏了 岩样原始的含水率，结构等参数，使得测得参数与场地实际值存在较大的误差。现在需 要一种适用于野外便携式岩石热物性参数测试仪，能够在野外就方便的测出岩石的热物 性参数，缩短周期，降低成本，提高精度，更好的为地热开发利用服务。

现有岩土体热物性参数测试方法有野外现场原位测试和室内测试。

野外现场原位测试中岩土热响应试验最为常见，包括测试岩土初始平均温度，地埋 管换热器的循环水进出口温度、流量及试验过程中向地埋管换热器施加的加热功率。其 测试过程包含了：制作场区测试孔及平整场地；测试岩土体初始温度；测试仪器与测试 孔管道连接；设备检验；启动电加热、水泵等试验设备，待设备稳定后开始读取记录试 验数据；最后提取试验数据，分析计算得出岩石体综合热物性参数。

现有野外现场原位岩土体热物性测试相关专利设备有：河北省科学院能源研究所研 制的“变频热泵式岩土热物性测试仪”专利号CN103293185A；湖南凌天科技有限公司研 制的“测量地埋管地温装置及测量方法”专利号CN103134602A；浙江建设职业技术学院 研制的“一种岩土热物性测试仪”专利号CN103018274A；长安大学研制的“一种无人看管 型土壤源热泵岩土热物性测试仪”专利号CN102628817A；徐坚研制的“基于多因素影响 分析的岩土热物性测试评价系统和方法”专利号CN102411012A；东南大学研制的“地源 热泵用多功能岩土体热物性测试装置”专利号CN102243192A；南京大学与江苏南华地 下空间研究所有限公司研制的“地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪和 测试方法”专利号CN102033079A；张建国研制的“岩土热物性测试系统”专利号 CN101936931A；哈尔滨工业大学研制的“同步冷热响应岩土热物性测试仪”专利号 CN101887040A；中航勘察设计研究院研制的“浅层岩土体热物理性质原位测试仪”专利 号CN101477071A；上海交通大学研制的“地源热泵高精度土壤热物性测试仪”专利号 CN101393149A；山东建筑工程学院地源热泵研究所研制的“基于地源热泵的便携式岩土 热物性测试仪及其方法”专利号CN1815211A等。

稳态测试法是通过实验测量温度在具有定横截面积和厚度的岩土样品上的分布后， 根据傅里叶导热定律计算出土壤的导热系数。最具有代表性的稳态测试法是稳态平板 法，稳态平板法是基于岩石各向同性的假设。采用这种方式测试岩土导热系数的一般方 法是首先采集不同的岩石试样，测试对岩石样品表面平整光滑度要求较高,测试前需切割 打磨岩石试样成薄壁平板状。用游标卡尺测量厚度δ，导热面积F。然后将岩石试样安 装在加热器的上下面，试件表面应与铜板严密接触，加热试样，待试样温度稳定后，测 得平板两面的温差Δt，通过平板的导热量Q。根据在一维稳态情况下通过平板的导热量 Q和平板两面的温差Δt成正比，和平板的厚度δ成正比，以及和导热系数λ成正比。