高富水卵砾石地层热物理参数试验研究

冻结法施工设计过程中地层的热物理参数是必须明确的指标, 为了探明高富水卵砾石地层热物理参数以及各参数与影响因素之间的相互作用关系, 本文以现场取回卵砾石样为研究对象, 通过自制试验装置测量试样起始冻结温度、比热容和导热系数, 探究含盐量对试样起始冻结温度的影响, 试样比热容、导热系数与冻结温度之间的相互作用关系, 试验结果表明:随着含盐量升高, 试样中水分的蒸气压不断下降, 造成试样需要更低的温度, 释放更多的能量才会发生冻结, 试样随着含盐量的升高起始冻结温度下降, 1、2、3号试样平均起始冻结温度从-0.46 ℃下降到-1.15 ℃; 随着冻结温度的降低试样中水分冻结, 卵砾石试样中含冰量增多, 未冻水含量减少, 由于冰的比热容是水的一半, 致使比热容不断下降, 卵砾石试样比热容从1.60 J·(g·℃)-1下降到1.06 J·(g·℃)-1; 随着冻结温度的降低试样含冰量增多, 含水量减少, 由于冰的导热系数远远大于水的导热系数, 致使卵砾石试样导热系数不断上升, 由1.71 W·(m·K)-1增加到2.13 W·(m·K)-1; 由于试样中含冰量、未冻水含量随温度不断变化, 固态和液态水的相变, 导致试样热物理性质随温度不断发生改变。     

基于未冻水含量的冻土热参数计算分析

为提升冻土温度场预测精度和减少热参数测试工作量,根据饱和冻土的土、水、冰三相组成,对基于导热系数的冻土未冻水含量反演公式进行了推导。根依据干土和饱和土体的二相构成,推导了适用于土体矿物导热系数预估的计算公式。实测了粉质黏土在不同负温下的比热和导热系数值,分别结合比热确定未冻水含量的递推方法和基于导热系数建立的冻土未冻水含量反演公式,计算得到了粉质黏土在不同负温下的未冻水含量。基于实测和反演获取的未冻水含量,确定了随不同负温变化的冻土导热系数、比热和潜热。将基于冻土未冻水含量确定的热参数代入数值计算软件ABAQUS,获取不同计算热参数下的冻土瞬态温度场计算值。分别将各温度场计算值与模型试验实测值进行了比较,结果表明,从未冻水含量角度出发对冻土温度场计算用热参数的测试工作量进行缩减是可行的;基于Johansen法反演获取未冻水含量,进而确定的热参数能够较好地预测冻土温度场。     

浅层岩土室内、外热物性测试的相关性

对于浅层岩土热物性参数测试中常用的实验室和现场热响应试验方法,结合上海某工程的实际情况,提出一种基于室内试验的岩土综合热物性参数确定方法。首先,根据室内、外试验测试结果的差异,选取地层厚度、含水率、密度及渗透系数作为影响二者热物性参数测试差异的主要因素,使用层次分析法确定各影响因素的权值,并按权值大小修正室内热物性参数测试结果。然后,分别模拟室外现场热响应试验和修正后的室内热物性参数以及实际地层的传热过程,得出三者在热量传导能力之间的差距分别为1.2%、1.1%及2.3%。最后,提出埋管深度和导热系数的乘积可代表岩土层的换热能力,且计算出修正后的室内热物性参数对应的均一导热系数与现场热响应试验测出的综合导热系数分别为1.832 W/(m·℃)和1.778 W/(m·℃)。     

热物性测试和导热数值模拟法在工程设计中的应用

针对泰安市城区地源热泵地埋管换热器工程,通过合理选择测试参数,采用数值模型方法,测得岩土体初始温度为15.74℃,综合导热系数为2.944 W/(m·℃),综合体积热容为2.25 MJ/(m3·℃),钻孔总热阻为0.0674 m·℃/W;将空调负荷需求与岩土体综合热物性参数输入数值计算模型,经过逐时计算,得到二十年、十年模拟周期不同换热孔数的长期温度响应与耗能数据,结合投资预算,分别得到最优化的钻孔数量240个、170-180个;推荐系统安装完成后,夏季首先运行,以提高地源换热器岩土体的平均初始地温。     

温度变化对碳酸盐岩储层岩石热物性的影响

以苏北盆地某地热井碳酸盐岩储层岩石为研究对象,对处于20、50、100、150、200 ℃ 5个实时温度点的3组岩石样品进行热物性参数测试,分析导热系数、比热容和热扩散系数随温度变化的规律,拟合趋势曲线和经验公式,探讨影响机制。结果表明：在20～200 ℃的温度区间内,随温度的升高,岩石的导热系数拟合曲线以二次多项式关系呈下降趋势,50 ℃的温度点是岩石导热系数由急速下降到缓速下降的拐点,导热系数平均值减小约31.47%;比热容拟合曲线以二次多项式关系呈上升趋势,比热容平均值增大约23.27%;热扩散系数随温度的变化趋势与导热系数一致,且二者具线性相关,100 ℃温度点是热扩散系数由急速下降到缓速下降的拐点,热扩散系数平均值减小约44.48%。随着温度的升高,比热容增大造成的补偿作用是导热系数下降幅度小于热扩散系数的主要原因。     

重庆永川煤矿煤岩热物性参数特征

煤岩热物性参数是矿井降温、防灭火治理工作所需要的重要基础资料。以重庆永川煤矿为研究对象,采用井下现场测定和实验室测试对该矿目前采掘区域内煤岩密度、比热、导热系数、导温系数以及原始温度、地温梯度等参数进行了测试。测试结果表明,在矿井标高-400 m水平,煤岩样的密度、比热、导热系数、导温系数均处在正常范围之内;在标高-357~-438 m,煤岩密度、比热、导热系数、导温系数不随标高的变化而变化。在标高-400 m水平,煤岩原始温度为35~36℃;矿井恒温带深度以下,-400 m水平以上的地温梯度为2.32/℃ hm,-400 m水平以下的地温梯度值为2.65/℃ hm,存在一个稍微递增的趋势,但仍然处于正常地温梯度范围。结合矿井地勘资料确定煤岩原始温度的实测值较理论计算值偏小,但误差不超过3%,精度符合工程实际要求。      

激光闪射法测量一种砂岩的高温热扩散系数和热导率

沉积岩的热扩散系数和热导率是十分重要的地质学和地热学参数,对精确获得地表热流密度及建立沉积盆地的热结构模型具有重要意义。本研究利用激光导热分析仪LFA 457测量了一种砂岩从298~773 K的热扩散系数,并结合比热容和密度参数计算获得了其这一温度区间的热导率。结果显示,在298 K时,砂岩的热扩散系数为1.20 mm2 s~(-1),比热容为0.80 J·g~(-1)K~(-1),热导率为2.38 W·m~(-1)K~(-1);温度升高时,热扩散系数迅速减小,比热容升高,总体结果是热导率减小(未考虑体积膨胀造成的密度变化)。在研究的温度区间内,热扩散系数减小了69%,热导率减小了54%。结果表明,高温原位的岩石热导率只有室温下的60%左右。因此,使用高温下的热导率值才能获得更准确的地表热流数据。     

祁连山冻土区天然气水合物储层岩石热物性实验研究

采用扫描电镜测试了祁连山冻土区天然气水合物储层泥岩和砂岩微观结构。在显微镜下观察到,泥岩由微小均匀的片状多边形块体构成,这种微观结构使得泥岩中水合物以浸染状赋存;而砂岩内部存在分散状孔隙,砂岩中水合物为孔隙赋存。采用瞬变平面热源法测试了含甲烷水合物储层岩石的导热系数和热扩散率。在温度为-941~941 ℃时,干泥岩导热系数为0577~0853 W·m-1·K-1,含甲烷水合物储层泥岩导热系数为0704~1050 W·m-1·K-1。在温度为-811~928 ℃时,干砂岩导热系数为0828~1271 W·m-1·K-1,含甲烷水合物储层砂岩导热系数为3850~4555 W·m-1·K-1。在温度为-941~941 ℃时,干泥岩热扩散率为0712~0894 mm2·s-1,含甲烷水合物储层泥岩热扩散率为0792~1006 mm2·s-1,干砂岩热扩散率为1198~1674 mm2·s-1,含甲烷水合物储层砂岩热扩散率为1403~1769 mm2·s-1。测试数据表明,对于孔隙型水合物,测定导热系数是一种较好的辨识水合物存在的辅助手段。     

近相变区细砂土导热系数试验及预测模型研究北大核心CSCD

近相变区冻土导热系数是影响寒区岩土工程热稳定性的关键物性参数,针对该温度区间冻土导热系数难以精确测量的问题,提出了一种稳态热流计法试验获得导热系数、量子粒子群寻优算法近似回归定性温度的近相变区冻土导热系数测试方法,采用核磁共振技术对细砂土近相变区未冻水含量进行测试并探究了其与导热系数的关系,分析了负温区细砂土导热系数的分布特征和参数影响规律,建立了不同温度区间的导热系数预测模型。结果表明:负温区细砂土未冻水含量变化曲线与其导热系数呈现出极为相似的变化规律,温度-导热系数曲线可划分为-3.2℃为界的近相变区和稳定相变区;冻结细砂土导热系数的增幅区间主要发生在近相变区,增长幅度约占整个负温区导热系数总增幅的50%,且随温度降低,导热系数的增幅逐渐减小;预测模型平均相对误差为4.14%,±10%误差内占比为94.7%,稳定相变区确定系数R2为0.892,近相变区确定系数R2为0.883,证明了该模型具有较好的准确性。研究成果可为寒区工程温度场的计算与分析提供基础参数,亦可为寒区重大基础设施精细化设计和冻土风险精细化防控提供数据支持。     

基于花岗闪长岩矿物成分的热导率预测模型

岩石矿物成分的种类及相应体积分数是影响岩石热导率的主要因素,通过室内实验测定花岗闪长岩的热导率及矿物成分的含量,研究矿物成分对岩石热导率的影响规律。将岩样各矿物成分体积分数转化为相同平板面积的壁面厚度,建立了花岗闪长岩矿物成分对其热导率影响规律的预测模型,预测值与实测值误差在0.2～0.6 W/(m·K)之间,通过修正系数调整模型使误差控制在5%范围,同时分析模型得到花岗闪长岩热导率随石英体积分数与长石体积分数比值的增加而变大,为开发利用干热岩地热能和岩石热物性研究提供理论参考。     

贵州主要岩石地层热物性参数特征及影响因素分析

岩石热物性是地表、地球内部温度分布及热传递研究不可缺少的参数,贵州乃至西南地区均尚未开展过系统性、区域性的岩石热物性参数研究工作。为给贵州及相邻区域开展地热、油气成藏以及岩土工程等研究工作提供依据和参考,本次采集了贵州主要地层的14种岩类,共计433件岩石样品,并进行热导率、比热容及热扩散率的测试,分析了不同岩石的热物性参数特征及影响因素。研究表明：贵州地区岩石热导率的实测平均值在1. 516±0. 264~5. 066±0. 521W/(m·K)之间,比热容的实测平均值在0. 272±0. 042~0. 603±0. 096kJ/(kg·℃)之间,热扩散系数的实测平均值在0. 752±0. 331~2. 854±0. 368mm2/s之间。区内岩石热物性与其矿物成分、结构、含水量等因素有关,其中,岩石年龄越老,热导率和热扩散系数越高;岩石的热导率和热扩散系数与高热导率矿物含量存在正相关关系,而比热容则相反;随着岩石中矿物颗粒粒度的增大,岩石热导率和热扩散系数也随之增加,而比热容与矿物颗粒粒度的关系则不明显;含水量对岩石的热物性影响较大,饱水条件下岩石的热导率比干燥条件下的热导率增加幅度在2%~17%,热扩散系数增加的幅度集中在1%~16%,而比热容则减少,减少幅度在3. 08%~21. 79%。     

天津地区地层热物性特征及影响因素分析

为分析天津地区地层热物性参数的地区分布特征和平面分布规律,布置88个勘查孔、现场采集1 076个岩土样、室内分析热导率、比热容、热扩散系数等地层热物性实验,对测试数据进行统计分析。结果表明:天津市岩土体热导率在1.26~1.70 W/(m·K),比热容在2 050~2 090 J/(kg·K),热扩散系数在0.45×10-6~0.74×10-6 m2/s。同一地区不同岩性的比热容,黏土最大、粉砂最小,热导率刚好相反,热扩散系数与比热容规律相同;不同地区同一岩性的热物性参数差别不大。天津市比热容与热导率呈现大致相反的趋势,热导率高值区位于蓟县、宝坻和宁河的东部、武清西部、静海南部以及滨海新区的中部地区;比热容高值区位于蓟县、宝坻和宁河西部、武清东部、静海北部以及滨海新区大部分地区。     

青藏高原北麓河地区原状多年冻土导热系数的试验研究

取自青藏高原北麓河试验段的原状冻土, 利用 QL-30 热物性分析仪测定原状冻土的导热系数. 结果表明: 原状冻土和重塑土的导热系数变化规律存在着较大差别. 对于浅部冻土层, 气体体积含量和含冰量是影响原状冻土导热系数的控制因素; 而对于地下冰层, 冰是控制其导热系数的最重要因素, 气体体积含量的大小也对其导热系数有影响. 对于深部强 全风化泥岩, 气体体积含量控制着它的导热系数的大小.     

河间潜山地热资源开发方案数值模拟

古潜山地热资源具备岩溶孔隙发育程度高、热储面积厚度大、地热水储量大的优点。冀中坳陷内古潜山分布密集且地热资源丰富, 河间潜山位于冀中坳陷饶阳凹陷中东部, 具有良好的地热地质条件, 开发潜力巨大。本文基于河间潜山及其周缘地区测井资料、岩石热物性并进行了计算, 发现其地温梯度为29.8 ℃/km到44.5 ℃/km之间, 平均值为40.7 ℃/km。大地热流值介于64.8~80.6 mW/m2之间, 平均值为 73.4 mW/m2。通过水热耦合模拟方法模拟选定的地热资源有利区的温度变化, 结果发现河间潜山合理的开采井距为800 m, 合理开采量为60 L/s, 回灌温度为35 ℃, 总可开采量为6.32×1016 J, 单年可开采量为 6.32×1014 J, 可供暖面积为1.22×106 m2, 对于冀中坳陷潜山地热资源的开发利用具有一定的指导意义。     

基于现场热响应测试方法的地下岩土热物性分析

目前获取导热系数的主要方法是现场热响应试验,但该方法缺乏统一的技术标准,导致计算结果可比较性差,难以应用。笔者开展了不同热响应试验设备的原位热物性测试系列试验,分析了测试与数据处理方法对测试结果的影响,探讨了试验过程中需要注意的问题。结果显示：为减少试验误差,两次热响应试验测试的时间间隔不应少于10 d;应尽量避免循环水与岩土介质以外的其他介质产生热量交换;对于恒热流热响应试验,导热系数值与舍弃时间（1.0~12.0 h）成正相关关系;而对于定进回循环水温差的热响应试验,导热系数值与舍弃时间（0.0~12.0 h）成负相关关系;舍弃时间大于12.0 h时,导热系数变化趋于稳定。按统一标准舍弃前12.0 h的测试数据进行导热系数计算,6家单位的导热系数计算值都在2.2～2.8 W/(m·℃)范围内,测试结果合理可靠。     

砾石地层冻土热物理特性研究

地铁建设中时有穿越富含砾石的地层,需使用冻结法施工,而砾石地层的热物理性质是冻结法设计的重要依据。为研究人工冻结砾石土热物理特性,通过自制试验仪器,开展了砾石土冻结温度、导热系数和容积热容量测定方法及其特性研究,并与黏土、粉土等典型土层进行对比分析。结果表明:砾石土冻结温度曲线变化符合常规变化规律,且冻结温度为-0.21 ℃,高于黏土、粉土等;砾石土容积热容量与黏土、粉土等相近,随颗粒粒径增大,常温和冻结状态下土体容积热容量比值减小,其中砾石土的比值为1.19;砾石土导热系数较大,冻结状态下达3.89 W/(m·k),是常温状态下的1.65倍,符合颗粒粒径对导热系数的影响规律。砾石土导热系数可按各组成物质的导热系数及其相应的体积比推算。     

江苏高邮地埋管热响应试验及浅层地热能资源评价

为研究江苏高邮浅层地热能资源储量,选取2个典型区块开展现场热响应试验,以线热源理论为建模基础,结合地埋管进出水温度试验数据,建立了典型区块内地埋管热传导模型,采用体积法对研究区浅层地热能资源作出定量评价。数据分析表明：在G001孔处,初始地层温度为17.69 ℃,导热系数为1.389 W/(m·K),钻孔内传热热阻为0.111 K/W,热扩散系数为0.921×10-6 m2/s,热容量为1.508×106J/K,单位延米换热量为104.98 W/m;在G002孔处,初始地层温度为18.58 ℃,导热系数为2.340 W/(m·K),钻孔内传热热阻为0.110 K/W,热扩散系数为0.229×10-6m2/s,热容量为10.200×106J/K,单位延米换热量为163.34 W/m。综上试验参数计算结果可知,区内每年可开发浅层地热能储量至少为6.47×1013kJ。试验设计合理,所得参数真实可靠,可为高邮浅层地埋管地源热泵工程后续设计工作提供基础数据与技术支撑。     

BTR-4000型地层热物性原位测试仪及其应用

地层热物性原位测试仪主要包括液路循环系统、数据采集和控制系统及电气控制系统等。利用测试仪对某热交换井进行现场测试,得到换热器进、出口循环水温度随时间逐渐趋于稳定,及换热器与周围土壤的换热量随时间基本保持恒定的相关曲线。采用线源和柱源传热模型,结合参数估计法,计算出平均热物性参数分别为：土壤热传导系数λ=2.428 W/(m·K),钻孔热阻R=0.102 (m²·K)/W,及λ=2.164 W/(m·K),R=0.086 (m²·K)/W。通过保证测试时间和准确的土壤比热容等参数,可得到准确的热物性参数,计算结果为地源热泵系统的准确设计提供了依据。     

不同遗址土的热物理参数研究

为了研究干密度、含水率和NaCl含量对遗址土热劣化的影响,采用Hot Disk热常数分析仪对良渚遗址、交河故城遗址和通古斯巴西古城遗址的遗址土重塑样进行了热物理参数的测试,分别确定了遗址土的导热系数、热扩散系数和体积比热随干密度和含水率的变化关系。对通古斯巴西古城遗址重塑样掺入了不同含量的NaCl,研究了含盐量对遗址土重塑样导热系数的影响。结果表明,当含水率与干密度增加时,3种遗址土的导热系数均呈线性增长,热扩散系数和体积比热也随着含水率与干密度的增加而增大;相同条件下3种遗址土的热物理参数存在差异,良渚遗址的较大,交河遗址的较小,通古斯巴西古城的居中总体上与土中SiO2含量成正相关关系。当干密度与含水率一定时, 掺入NaCl增加了遗址土的导热系数。     

秭归地区陆源碎屑岩导热系数试验研究

岩土体的导热系数是重要的物理参数,在岩土工程中有着广泛应用。秭归地区的黄陵背斜西翼是我国南方著名的标准地层剖面,以秭归地区黄陵背斜西翼岩层陆源碎屑岩为研究对象开展导热系数试验研究,可为我国南方地区开展地热能开发、隧道工程及矿产开采等科研工作提供重要的参考依据。探究了各岩层岩石导热系数与岩石颗粒组分、胶结物之间的变化规律及差异性。试验结果表明,黄陵背斜西翼陆源碎屑岩导热系数差异较大,在0.72～4.47 W/(m·K)之间,且导热系数大小为石英砂岩粉砂岩泥岩。陆源碎屑岩导热系数受岩石岩性、颗粒组分、粒径、胶结类型及含水状态的影响较大。