本發(fā)明涉及地下能源儲存領(lǐng)域，特別涉及一種超低溫lng地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、液化天然氣(liquefied?natural?gas，lng)是天然氣經(jīng)冷卻至其凝點溫度(約-162℃)后變成的液體，其體積約為同質(zhì)量氣態(tài)體積的1/625，可以極大地減小儲存空間，以及方便常壓儲存，節(jié)約了儲存和運輸成本。天然氣的儲存方式主要有地面儲罐和地下儲氣庫，而地下儲庫具有容量大、經(jīng)濟、安全性高等諸多優(yōu)點。世界上已成功建設(shè)運行的天然氣地下儲氣庫主要以枯竭油氣藏儲氣庫為主，但均為常溫氣態(tài)儲存，其缺點是儲量相對較少，且面臨庫址資源不足及密封效果難以保證等問題。因此，探索采用可以自由選擇場地的人工開挖地下巖洞或廣泛分布的廢棄礦洞等建設(shè)lng地下儲庫是重要的發(fā)展方向。

2、為避免lng地下儲庫圍巖受-162℃低溫沖擊而發(fā)生強烈凍脹變形破壞，在注入lng前先要對圍巖進行排水疏干，然后注入lng使圍巖僅發(fā)生冷卻而不會凍脹破壞，待低溫傳導(dǎo)至一定范圍(即0℃等溫線距儲庫距離)后停止排水使地下水回流，地下水回流至0溫線時逐漸發(fā)生凍結(jié)，從而形成一定厚度的冰封圈。冰封圈可以阻斷外圍地下水滲入到內(nèi)部圍巖引起凍脹破裂，因此冰封圈對儲庫建造是否成功至關(guān)重要。然而，目前l(fā)ng地下儲庫僅停留在淺埋小型巖洞試驗論證階段，尚無正式建設(shè)投用的儲庫，其關(guān)鍵原因之一是冰封圈形成機制及調(diào)控技術(shù)仍有待深入研究。由于采用現(xiàn)場巖洞試驗成本太高，亟需一種物理模擬試驗來開展相關(guān)研究，以促進lng地下儲庫建造技術(shù)的發(fā)展，但目前為止尚缺乏這方面的模擬試驗裝置。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明意在提供一種超低溫lng地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置及方法，解決了現(xiàn)有的巖洞試驗難度大且成本高的問題。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明提供的一種技術(shù)方案如下：一種超低溫lng地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置，包括鋼框架，所述鋼框架的上側(cè)開設(shè)有一端貫穿鋼框架的溢水槽，所述鋼框架的下側(cè)開設(shè)有貫穿鋼框架左右兩側(cè)的輸水槽，所述輸水槽的兩端分別設(shè)有進水孔和排水孔，所述鋼框架的內(nèi)部設(shè)有巖體模型，所述鋼框架的前后兩側(cè)還設(shè)有高強度隔熱有機玻璃板，所述高強度隔熱有機玻璃板通過固定組件與鋼框架連接，所述高強度隔熱有機玻璃板上設(shè)有傳感器組件，所述傳感器組件用于監(jiān)測巖體模型的相關(guān)變化，所述鋼框架外還包覆有嵌設(shè)在巖體模型上的冷卻筒，所述冷卻筒用于對鋼框架內(nèi)部進行降溫冷卻。

3、進一步的，所述鋼框架包括橫截面均為矩形的上梁、下梁、左立柱、右立柱和底座，所述上梁、下梁、左立柱和右立柱圍合形成矩形框架結(jié)構(gòu)，所述矩形框架結(jié)構(gòu)通過下梁固定連接在底座上，所述底座的寬度大于上梁、下梁、左立柱、右立柱，所述溢水槽設(shè)置在上梁的底部并貫穿左立柱，所述輸水槽設(shè)置在下梁的頂部并貫穿左立柱和右立柱，所述排水孔設(shè)置在左立柱上，所述進水孔設(shè)置在右立柱上。

4、進一步的，所述固定組件包括固定板和橡膠墊，所述固定板的數(shù)量為四個，每個所述固定板的橫截面形狀均為l形，四個所述固定板分別抵觸上高強度隔熱有機玻璃板的側(cè)邊上，所述固定板通過螺栓連接在鋼框架上，所述橡膠墊的寬度與固定板上與高強度隔熱有機玻璃板相抵觸一側(cè)的寬度相同，所述橡膠墊的形狀為回字形，所述橡膠墊貼附在高強度隔熱有機玻璃板的邊緣，所述橡膠墊和固定板分別設(shè)置在高強度隔熱有機玻璃板的兩側(cè)。

5、進一步的，任一所述高強度隔熱有機玻璃板上開設(shè)有四個放置槽，每個所述放置槽的一端均靠近高強度隔熱有機玻璃板的中心，每個所述放置槽的另一端均貫穿高強度隔熱有機玻璃板的側(cè)壁，所述傳感器組件設(shè)置在放置槽內(nèi)。

6、進一步的，所述傳感器組件包括溫度傳感器和應(yīng)變片。

7、進一步的，所述冷卻筒嵌設(shè)在巖體模型的中心，所述冷卻筒的上下兩側(cè)分別連通有穿過高強度隔熱有機玻璃板的進液管和出液管，所述進液管與外界的冷卻液注入設(shè)備連通，所述出液管上設(shè)有控制閥。

8、進一步的，所述巖體模型上設(shè)有與溢水槽和輸水槽均連通的第一裂縫和第二裂縫，所述第一裂縫和第二裂縫呈正交分布且相互連通，所述第一裂縫和第二裂縫將巖體模型表面切割出多個離散塊體，每個所述離散塊體上切割有第三裂縫，所述第三裂縫未貫穿離散塊上任意兩側(cè)且與第一裂縫或第二裂縫連通。

9、進一步的，所述試驗裝置的試驗方法如下：

10、s1、將任一高強度隔熱有機玻璃板固定在鋼框架上的后側(cè)；

11、s2、將巖體模型和冷卻筒放入鋼框架內(nèi)；

12、s3、在放置槽內(nèi)粘貼傳感器組件；

13、s4、將另一高強度隔熱有機玻璃板固定在鋼框架上的前側(cè)；

14、s5、封堵排水孔后，通過進水孔向鋼框架內(nèi)注水，待巖體模型潤濕后通過排水孔將水排出；

15、s6、封堵排水孔和進水孔后，通過進液管注入冷卻液對巖體模型進行冷卻；

16、s7、打開進水孔并向鋼框架內(nèi)注水，待注水逐漸水位上升，水遇零溫線逐漸形成冰封圈；

17、s8、對試驗過程進行錄像，并監(jiān)測記錄冷卻液注入量、巖體模型溫度、巖體模型應(yīng)變、裂縫擴展量、注水壓力、水位上升速率、零溫線及冰封圈范圍這些數(shù)據(jù)。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案的有益效果：

19、1、本方案提供了一種可以用于模擬超低溫lng地下巖洞儲庫冰封圈形成過程的試驗裝置及方法，解決了現(xiàn)有的巖洞試驗難度大且成本高的問題，可以實現(xiàn)圍巖地下水滲流、溫度及應(yīng)變場演化、裂縫凍脹擴展、冰封圈形態(tài)等多種重要研究對象的模擬。

20、2、本方案為研究超低溫lng地下巖洞儲庫設(shè)計中，冰封防滲圈的形成及調(diào)控提供了一種有效的試驗手段，且試驗裝置結(jié)構(gòu)簡易、操作方便、實用性高。

技術(shù)特征：

1.一種超低溫lng地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置，其特征在于：包括鋼框架，所述鋼框架的上側(cè)開設(shè)有一端貫穿鋼框架的溢水槽，所述鋼框架的下側(cè)開設(shè)有貫穿鋼框架左右兩側(cè)的輸水槽，所述輸水槽的兩端分別設(shè)有進水孔和排水孔，所述鋼框架的內(nèi)部設(shè)有巖體模型，所述鋼框架的前后兩側(cè)還設(shè)有高強度隔熱有機玻璃板，所述高強度隔熱有機玻璃板通過固定組件與鋼框架連接，所述高強度隔熱有機玻璃板上設(shè)有傳感器組件，所述傳感器組件用于監(jiān)測巖體模型的相關(guān)變化，所述鋼框架外還包覆有嵌設(shè)在巖體模型上的冷卻筒，所述冷卻筒用于對鋼框架內(nèi)部進行降溫冷卻。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超低溫lng地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置，其特征在于：所述鋼框架包括橫截面均為矩形的上梁、下梁、左立柱、右立柱和底座，所述上梁、下梁、左立柱和右立柱圍合形成矩形框架結(jié)構(gòu)，所述矩形框架結(jié)構(gòu)通過下梁固定連接在底座上，所述底座的寬度大于上梁、下梁、左立柱、右立柱，所述溢水槽設(shè)置在上梁的底部并貫穿左立柱，所述輸水槽設(shè)置在下梁的頂部并貫穿左立柱和右立柱，所述排水孔設(shè)置在左立柱上，所述進水孔設(shè)置在右立柱上。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超低溫lng地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置，其特征在于：所述固定組件包括固定板和橡膠墊，所述固定板的數(shù)量為四個，每個所述固定板的橫截面形狀均為l形，四個所述固定板分別抵觸上高強度隔熱有機玻璃板的側(cè)邊上，所述固定板通過螺栓連接在鋼框架上，所述橡膠墊的寬度與固定板上與高強度隔熱有機玻璃板相抵觸一側(cè)的寬度相同，所述橡膠墊的形狀為回字形，所述橡膠墊貼附在高強度隔熱有機玻璃板的邊緣，所述橡膠墊和固定板分別設(shè)置在高強度隔熱有機玻璃板的兩側(cè)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超低溫lng地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置，其特征在于：任一所述高強度隔熱有機玻璃板上開設(shè)有四個放置槽，每個所述放置槽的一端均靠近高強度隔熱有機玻璃板的中心，每個所述放置槽的另一端均貫穿高強度隔熱有機玻璃板的側(cè)壁，所述傳感器組件設(shè)置在放置槽內(nèi)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超低溫lng地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置，其特征在于：所述傳感器組件包括溫度傳感器和應(yīng)變片。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超低溫lng地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置，其特征在于：所述冷卻筒嵌設(shè)在巖體模型的中心，所述冷卻筒的上下兩側(cè)分別連通有穿過高強度隔熱有機玻璃板的進液管和出液管，所述進液管與外界的冷卻液注入設(shè)備連通，所述出液管上設(shè)有控制閥。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超低溫lng地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置，其特征在于：所述巖體模型上設(shè)有與溢水槽和輸水槽均連通的第一裂縫和第二裂縫，所述第一裂縫和第二裂縫呈正交分布且相互連通，所述第一裂縫和第二裂縫將巖體模型表面切割出多個離散塊體，每個所述離散塊體上切割有第三裂縫，所述第三裂縫未貫穿離散塊上任意兩側(cè)且與第一裂縫或第二裂縫連通。

8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一所述的一種超低溫lng地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置，其特征在于：所述試驗裝置的試驗方法如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明專利公開了一種超低溫LNG地下巖洞儲庫冰封模擬試驗裝置及方法，具體涉及地下能源儲存領(lǐng)域。包括鋼框架，鋼框架的上側(cè)開設(shè)有溢水槽，鋼框架的下側(cè)開設(shè)有貫穿鋼框架左右兩側(cè)的輸水槽，輸水槽的兩端分別設(shè)有進水孔和排水孔，鋼框架的內(nèi)部設(shè)有巖體模型，鋼框架的前后兩側(cè)還設(shè)有高強度隔熱有機玻璃板，高強度隔熱有機玻璃板通過固定組件與鋼框架連接，高強度隔熱有機玻璃板上設(shè)有傳感器組件，鋼框架外還包覆有嵌設(shè)在巖體模型上的冷卻筒，冷卻筒用于對鋼框架內(nèi)部進行降溫冷卻。采用本發(fā)明技術(shù)方案解決了現(xiàn)有的巖洞試驗難度大且成本高的問題，可以實現(xiàn)圍巖地下水滲流、溫度及應(yīng)變場演化、裂縫凍脹擴展、冰封圈形態(tài)等多種重要研究對象的模擬。

技術(shù)研發(fā)人員：岑奪豐,余淑琳,夏才初,徐晨,盧輝
受保護的技術(shù)使用者：寧波大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23