本發(fā)明一種模擬原位熱解污染物在地下水中擴散運移的試驗裝置，主要用于油頁巖和低變質(zhì)煤等原位熱解采區(qū)地下水污染模擬研究，為研究熱解污染物在地下水中擴散運移規(guī)律提供試驗數(shù)據(jù)。

背景技術(shù)：

原位熱解開采是通過注熱井向地下目標礦層直接注入熱解流體，利用注入流體與礦層有用組分之間發(fā)生的物理化學作用，使目標礦層有用組分在原位發(fā)生熱解，最終將有用組分轉(zhuǎn)化為流體，然后通過生產(chǎn)井將其提取到地面的一種采礦方法。與傳統(tǒng)開采方式相比，不需要將礦產(chǎn)采掘至地表就可以獲取資源，具有工藝流程少，成本低，開采率高，占地少的優(yōu)點，是未來油頁巖和低變質(zhì)煤等開發(fā)利用的重要方式。

盡管原位熱解開采具有上述優(yōu)勢，但熱解會使得油頁巖和低變質(zhì)煤的滲透性發(fā)生巨大變化，從隔水層變?yōu)橥杆畬?，熱解過程中產(chǎn)生的重金屬、有機污染物等會進入到相鄰含水層中，造成地下水污染。目前原位熱解對地下水污染研究很少，且主要基于死水浸泡試驗，這與采區(qū)原位有地應力與水壓條件嚴重不符，所得試驗結(jié)果與真實情況相差較大。開發(fā)能模擬地應力和水壓的污染物擴散運移試驗裝置對真實反映原位采區(qū)地下水污染具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明一種模擬原位熱解污染物在地下水中擴散運移的試驗裝置的目的在于，克服傳統(tǒng)浸泡試驗方法的缺陷和不足，提供了一種能有效模擬原始地溫、地應力和水壓條件下的采區(qū)地下水中污染物擴散運移試驗裝置，能為研究熱解污染物在地下水中的遷移規(guī)律提供可靠的試驗數(shù)據(jù)。

一種模擬原位熱解污染物在地下水中擴散運移的試驗裝置，其特征在于包括水壓模擬系統(tǒng)、地溫地應力模擬系統(tǒng)、污染物擴散運移模擬系統(tǒng)，所述水壓模擬系統(tǒng)由氣體、氣體增壓泵、調(diào)壓閥、壓力表、進氣閥、第一水箱、第二水箱、補水閥、進水閥組成，氣體通過增壓泵進行增壓，并通過調(diào)壓閥和壓力表調(diào)節(jié)所需壓力，通過進氣閥、第一水箱、進水閥和壓力表將水壓傳遞至第二水箱中；水體通過補水閥對第一水箱中的水進行補充。

所述水壓模擬系統(tǒng)，通過將高壓氣體注入到水箱中，通過壓力傳遞，給試件加載不同的水壓，以模擬油頁巖和低變質(zhì)煤層等賦存的真實地下水環(huán)境。氣體通過增壓泵進行增壓，通過調(diào)壓閥和壓力表調(diào)節(jié)所需壓力，通過進氣閥、第一水箱、進水閥和壓力表將水壓傳遞至第二水箱中。水體通過補水閥對第一水箱中的水進行補充。

所述地溫地應力模擬系統(tǒng)，通過恒溫箱和伺服壓力機模擬地溫和地應力條件。所述地溫地應力模擬系統(tǒng)由恒溫箱、伺服壓力機、壓力傳感器組成。通過伺服壓力機對置于熱解巖層載臺中的熱解巖層試樣進行軸壓和圍壓加載，通過壓力傳感器對施加于熱解巖層試件的軸壓和圍壓進行精準監(jiān)控，通過伺服壓力機對置于相鄰透水層載臺中的透水巖層試樣進行軸壓和圍壓加載，通過壓力傳感器對施加于透水巖層試樣的軸壓和圍壓進行精準監(jiān)控，通過恒溫箱對熱解巖層試件和透水巖層試樣進行恒溫加熱。

污染物擴散運移模擬系統(tǒng)，通過將帶水壓的水體注依次注入到熱解巖層試件和透水巖層試樣中，以模擬熱解污染物在地下水中的擴散運移。污染物擴散運移模擬系統(tǒng)由水箱、熱解巖層載臺、滲透液箱、相鄰透水層載臺、滲透液箱、排液閥、集液器、補水閥、緊固螺栓組成，熱解巖層試件置于熱解巖層載臺中，熱解巖層載臺采用法蘭結(jié)構(gòu)并用緊固螺栓密封，透水巖層試件置于相鄰透水層載臺中，相鄰透水層載臺采用法蘭結(jié)構(gòu)并用緊固螺栓密封，在水壓作用下，水體從水箱進入熱解巖層載臺形成污染液，污染液進入滲透液箱，通過排液閥將不同高度位置處滲透液采集至集液器中，水壓作用下，經(jīng)滲透液箱的污染液經(jīng)相鄰透水層載臺進入到滲透液箱中，通過排液閥將不同高度位置處滲透液采集至集液器中，通過排液閥將滲透液收集至集液器中。排液閥流速與地下水流速相同，主要作用為模擬地下水的流動活水特性，補水閥的主要作用在于補充經(jīng)排液閥所取污染液等體積的水體，以減小滲透液箱中液體體積變化帶來的誤差。

本發(fā)明能夠在地溫條件下對試件加載軸壓和圍壓，同時模擬地下水水壓條件，試件尺寸為φ400×50mm，試件軸壓和圍壓0-20mpa，水壓0-10mpa，試件環(huán)境溫度0-80℃，模擬埋藏深度達800m的地質(zhì)環(huán)境。

上述的一種模擬原位熱解污染物在地下水中擴散運移的試驗裝置，其特征在于，所述熱解巖層載臺和相鄰透水層載臺可分別裝載熱解巖層試件和透水巖層試件，試件尺寸均為φ400×50mm。

上述的一種模擬原位熱解污染物在地下水中擴散運移的試驗裝置，其特征在于，所述的給試件加載的軸壓和圍壓為0-20mpa，水壓為0-10mpa，溫度為0-80℃。

上述的一種模擬原位熱解污染物在地下水中擴散運移的試驗裝置，其特征在于，所述的水壓模擬系統(tǒng)中的氣體1采用的是氮氣。

上述的一種模擬原位熱解污染物在地下水中擴散運移的試驗裝置的試驗方法，其特征在于所采用的裝置能夠恒溫高壓封裝試件，可模擬礦產(chǎn)埋藏深度達800m的地溫地應力水壓條件的裝置，該方法首先將熱解巖層試件和透水巖層試件分別置于熱解巖層載臺和相鄰透水層載臺中，并用緊固螺栓進行密封；開啟補水閥、進水閥，使水箱、滲透液箱充滿水，關閉補水閥；對恒溫箱設定目標溫度，當溫度達到設定值并穩(wěn)定30min后，開啟伺服壓力機對試件施加軸壓和圍壓，通過壓力傳感器控制壓力至設定值；開啟水壓模擬系統(tǒng)對試件施加水壓，通過氣體增壓泵、調(diào)壓閥、壓力表、進氣閥使水壓增至設定壓力值；打開排液閥，使排液閥流速與地下水流速相同，將滲透液收集至集液器中，試驗開始；在設定取樣時間點，打開排液閥收集污染液，取液時，應先放空排液閥中的舊液并沖洗，之后，從每個排液閥快速連續(xù)取三次樣，以三個平行污染液樣品濃度的平均值作為該部位污染液濃度值。在每次接取污染液完畢后，為減少溶液體積變化帶來的誤差，馬上通過補水閥導入與接取量等體積的水。通過分析測定不同位置污染液成分和濃度，對熱解污染物在地下水的擴散運移規(guī)律進行研究。

本發(fā)明一種模擬原位熱解污染物在地下水中擴散運移的試驗裝置優(yōu)點在于：與現(xiàn)有裝置和方法相比，該裝置充分考慮了礦產(chǎn)賦存的地溫、地應力、地下水壓條件，可以對試件分別加載0-20mpa的軸壓和圍壓，施加0-10mpa的水壓，試件環(huán)境溫度0-80℃，可模擬800m的地質(zhì)環(huán)境條件。本發(fā)明不僅是油頁巖和低變質(zhì)煤原位熱解污染物在地下水中擴散運移試驗方法和試驗裝置的重大革新，更為其他深埋礦產(chǎn)原位熱解開采帶來的地下水環(huán)境效應提供了可行的試驗研究方法。

附圖說明

圖1是原位熱解污染物在地下水中擴散運移的模擬試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中的標號：1——氣體；2——氣體增壓泵；3——調(diào)壓閥；4-1——第一壓力表；4-2——第一壓力表；5——進氣閥；6-1——第一水箱；6-2——第二水箱；7-1——第一補水閥；7-2——第二補水閥；7-3——第三補水閥：8——進水閥；9——恒溫箱；10-1——第一伺服壓力機；10-2——第二伺服壓力機；11-1——第一壓力傳感器；11-2——第二壓力傳感器；12——熱解巖層載臺；13-1——第一滲透液箱；13-2——第二滲透液箱；14——相鄰透水層載臺；15——排液閥；16——集液器；17——緊固螺栓。

具體實施方式

本試驗裝置可以模擬地下水中油頁巖原位熱解污染物的擴散運移，也可模擬地下水中褐煤原位熱解污染物的擴散運移。

圖1所示，一種模擬原位熱解污染物在地下水中擴散運移的試驗裝置，其特征在于包括水壓模擬系統(tǒng)、地溫地應力模擬系統(tǒng)、污染物擴散運移模擬系統(tǒng)，所述水壓模擬系統(tǒng)由氣體1、氣體增壓泵2、調(diào)壓閥3、第一壓力表4-1、進氣閥5、第一水箱6-1、第一補水閥7-1、進水閥8組成；

氣體通過增壓泵進行增壓，并通過調(diào)壓閥和壓力表調(diào)節(jié)所需壓力，通過進氣閥、第一水箱、進水閥和壓力表將水壓傳遞至第二水箱6-2中；水體通過補水閥對水箱中的水進行補充。

所述地溫地應力模擬系統(tǒng)，由恒溫箱9、壓力傳感器、伺服壓力機組成。通過第一伺服壓力機10-1對置于熱解巖層載臺12中的熱解巖層試樣進行軸壓和圍壓加載，通過第一壓力傳感器11-1對施加于熱解巖層試件的軸壓和圍壓進行精準監(jiān)控，通過第二伺服壓力機10-2對置于相鄰透水層載臺14中的透水巖層試樣進行軸壓和圍壓加載，通過第二壓力傳感器11-2對施加于透水巖層試樣的軸壓和圍壓進行精準監(jiān)控，通過恒溫箱對熱解巖層試件和透水巖層試樣進行恒溫加熱。

實施方式1：模擬地下水中油頁巖原位熱解污染物的擴散運移

本實施方式的試驗裝置采用上述模擬原位熱解污染物在地下水中擴散運移的試驗裝置。

具體實施操作步驟如下：

1、將尺寸為φ400×50mm的熱解油頁巖試件和透水巖層試件分別放入熱解巖層載臺12和相鄰透水層載臺14中，用緊固螺栓17對熱解巖層載臺12進行密封、相鄰透水巖層載臺14進行密封。

2、第一開啟補水閥7-1、第二開啟補水閥7-2、第三開啟補水閥7-3、進水閥8，使第一水箱6-1、第二水箱6-2、第一滲透液箱13-1、第二滲透液箱13-2充滿水，關閉第一補水閥7-1、第二補水閥7-2、第三補水閥7-3。

3、根據(jù)所需要模擬油頁巖層埋藏深度和水文地質(zhì)條件，計算油頁巖所在溫度環(huán)境、地應力環(huán)境和地下水壓力環(huán)境，對恒溫箱9設定目標溫度，當溫度達到設定值并穩(wěn)定30min后，開啟伺服壓力機對試件施加軸壓和圍壓，通過壓力傳感器控制壓力至設定值；開啟水壓模擬系統(tǒng)對試件施加水壓，通過氣體增壓泵2、調(diào)壓閥3、第一壓力表4-1、進氣閥5使水壓增至設定壓力值。

4、根據(jù)實際水文地質(zhì)條件，選定地下水流速，打開排液閥15，使排液閥15流速與地下水流速相同，試驗開始。

5、根據(jù)實際試驗需求，設定取樣時間和取樣量，取樣時，打開排液閥15收集污染液至集液器16中。

6、在每次接取污染液完畢后，為減少溶液體積變化帶來的誤差，馬上通過補水閥導入與接取量等體積的水。

7、通過分析測定不同位置污染液成分和濃度，研究油頁巖熱解污染物在地下水中的擴散遷移規(guī)律。

實施方式2：模擬地下水中褐煤原位熱解污染物的擴散運移

本實施方式的試驗裝置采用上述模擬原位熱解污染物在地下水中擴散運移的試驗裝置，它能夠滿足模擬地下水中褐煤原位熱解污染物的擴散運移，通過將熱解褐煤試件和透水巖層試件置于載臺中，密封，使設備充滿水，待恒溫箱溫度達到設定值并穩(wěn)定30min后，對試件施加軸壓、圍壓和水壓，打開底部排液閥15，使其流速與地下水流速相同。此后，定時開啟右側(cè)排液閥接取不同位置處污染液，分析污染液成分和濃度，研究褐煤熱解污染物在地下水中的擴散遷移規(guī)律。

綜上所述，本發(fā)明主要用于地下水中油頁巖和低變質(zhì)煤等原位熱解污染物擴散運移研究。

該試驗裝置能夠模擬不同的地應力條件、溫度條件、地下水壓力條件下的地下水中熱解污染物擴散運移問題，但是以上實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過參照本發(fā)明的實施方式已經(jīng)對本發(fā)明進行了描述，但本領域的科研技術(shù)人員應當明白，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變。