饱和介质下溶质运移中磁信号检测的大型实验装置及方法

摘要

本发明涉及溶质运移技术领域，尤其涉及一种饱和介质下溶质运移过程中的磁信号检测大型实验装置。装置包括进样单元、预处理单元和砂箱测试单元，进样单元通过管路与砂箱测试单元连接，预处理单元设置在进样单元与砂箱测试单元的连接管路上。装置通过调整砂箱比例让其适用于磁信号反演，并且可以在磁信号不足时加入定源磁场，产生交变电磁场增强磁信号，同时在侧壁钻入多个钻孔进行不同位置的样品采集，砂箱底部和底部四周通过木板进行加固，避免砂箱内部压力过大导致砂箱连接处的变形破碎，砂箱用隔热材料包裹，用于维持实验过程中温度稳定。整套实验装置不包含任何金属材料，避免对磁信号监测的干扰。

权利要求

1.一种饱和介质下溶质运移中磁信号检测的大型实验装置，其特征在于,所述大型实验装置包括进样单元、预处理单元和砂箱测试单元，所述进样单元，用于向实验装置内进样和补样，所述预处理单元，用于对砂箱测试单元内部压力稳定，避免实验过程中由于温度和压力的变化导致局部砂层塌陷；

所述砂箱测试单元，用于实现在磁场环境下模拟饱和介质下流体流动进行磁信号对溶质运移过程地反演，

其中，所述进样单元通过管路与所述砂箱测试单元连接，所述预处理单元设置在所述进样单元与所述砂箱测试单元的连接管路上；

所述进样单元包括水箱、样瓶、磁性颗粒和加热装置，其中，所述加热装置设置在所述水箱内部，所述水箱的出水口通过管路与所述砂箱测试单元的一端连接，所述磁性颗粒设置在所述样瓶内，所述样瓶与所述水箱与所述砂箱测试单元之间的管路连接，

所述样瓶的出口处设有样瓶阀门，所述水箱的出水口处设有水箱阀门，所述磁性颗粒设置在所述样瓶内部；

所述预处理单元包括：真空泵、第一测压计、第一蠕动泵和增压泵和第二蠕动泵；

其中，所述增压泵、第一蠕动泵和第一测压计依次设置在所述样瓶与所述砂箱测试单元之间的管路上，所述真空泵与所述砂箱测试单元的一端连接；

所述第二蠕动泵设置在所述砂箱测试单元的出水口处。

2.根据权利要求1所述的大型实验装置，其特征在于，所述砂箱测试单元包括砂箱、砂箱加固底座、有孔隔板、磁探头和能量发射装置，其中，所述砂箱的两端分别设有进水口和出水口，所述进水口分别与所述水箱的出水口连接的管路连接，

所述砂箱的砂箱顶板上设有用于安装所述磁探头的钻孔，所述磁探头通过所述钻孔插入到所述砂箱内部，

2个所述有孔隔板分别设置在所述砂箱内部的，且分别靠近进水口和出水口，所述发射装置设置在所述砂箱的内部或外部；

所述砂箱的置于所述砂箱加固底座上。

3.根据权利要求2所述的大型实验装置，其特征在于，所述砂箱测试单元还包括过滤网和保温层，

其中，所述过滤网设置在所述有孔隔板的出水端一侧，并与所述有孔隔板紧密接触，且所述过滤网的孔径小于所述砂层的颗粒粒径；

所述有孔隔板的底部两侧还设有加强装置；

所述保温层设置在所述砂箱的外侧壁上。

4.根据权利要求1所述的大型实验装置，其特征在于，所述砂箱顶板钻孔的数量为多个，且多个砂箱顶板钻孔之间等距设置；

所述砂箱的顶板与砂箱的侧壁的连接处设有密封垫。

5.根据权利要求4所述的大型实验装置，其特征在于，所述砂箱的长：高>6:1，

所述砂箱的体积不小于250l，所述钻孔与钻孔之间间距不超过500mm；

所述砂箱、有孔隔板、过滤网和砂箱加固底座均采用非金属材料制成。

6.根据权利要求2所述的大型实验装置，其特征在于，所述能量发射装置为磁发射装置。

7.一种采用如权利要求1‑6任意一项所述的大型实验装置对饱和介质下溶质运移中磁信号检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1）组装实验装置，将砂层填充到砂箱测试单元的砂箱内，用堵头封住钻孔，通过预处理单元对砂箱测试单元的砂箱的砂层进行压实处理，S2）启动加热装置维持水箱内介质维持在室温或室温以上，启动进样单元缓慢向砂箱内的砂层注入流体介质，待砂箱中的砂层内流体介质饱和后，打开砂箱测试单元的出水口，调节第二蠕动泵和第一蠕动泵使介质维持一定流速，后启动能量发射装置向砂箱内发射能量波，

S3）打开样瓶阀门，使样瓶中磁性 颗粒通过流动介质的进入砂箱内的砂层中，能量波产生的交变电磁场受到磁性 颗粒的干扰，顶部磁探头记录磁信号实现磁信号对溶质运移过程的反演实验。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述S2）中的流速为不高于20ml/s；砂箱中磁性颗粒的最高浓度不低于1mg/L，所述流体介质为去离子水。

说明书

饱和介质下溶质运移中磁信号检测的大型实验装置及方法

技术领域：

[0001] 本发明属于溶质运移技术领域，尤其涉及一种饱和介质下溶质运移过程中的磁信号检测大型实验装置及方法。
背景技术：

[0002] 深部饱和含水层储层结构特征的反演一直是目前勘探技术的瓶颈问题，面临最主要的问题就是目前应用的示踪技术时通过出水口浓度数据进行反演分析的，不能对含水层
内部的物质信号进行实时监测，同时示踪技术得出的结果是二维的，无法对储层进行三维
示踪。为了解决该问题，新的勘探技术研发成为重要的研究方向，其中磁探测技术有望解决
这一问题，在磁探测技术研发过程中，室内实验开展尤为重要，但目前实验往往很难模拟深
层含水层储层结构特点，这是由于在实验进行的同时，由于砂箱储层介质和注入流体温度
和压力的改变，会导致局部塌陷的存在，进而导致运移过程中存在优先流，影响实验的反演
结果，同时，磁信号的背景值较强，因而目前实验装置也缺少可以监测和增强并进行磁信号
反演的大型实验装置和实验方法。

发明内容

[0003] 本发明公开了一种饱和介质下溶质运移中磁信号检测的大型实验装置，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任意问题。

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种饱和介质下溶质运移中磁信号检测的大型实验装置，所述大型实验装置包括进样单元、预处理单元和砂箱测试单元，

[0005] 所述进样单元，用于向实验装置内进样和补样，

[0006] 所述预处理单元，用于对砂箱测试单元内部压力稳定，避免实验过程中由于温度和压力的变化导致局部砂层塌陷；

[0007] 所述砂箱测试单元，用于实现在磁场环境下模拟饱和介质下流体流动进行磁信号对溶质运移过程地反演，

[0008] 其中，所述进样单元通过管路与所述砂箱测试单元连接，所述预处理单元设置在所述进样单元与所述砂箱测试单元的连接管路上。

[0009] 进一步，所述进样单元包括水箱、样瓶、磁颗粒和加热装置，

[0010] 其中，所述加热装置设置在所述水箱内部，所述水箱的出水口通过管路与所述砂箱测试单元的一端连接，所述磁颗粒设置在所述样瓶内，所述样瓶与所述水箱与所述砂箱
测试单元之间的管路连接，

[0011] 所述样瓶的出口处设有样瓶阀门，

[0012] 所述水箱的出水口处设有水箱阀门。

[0013] 进一步，所述预处理单元包括：真空泵、第一测压计、第一蠕动泵和增压泵和第二蠕动泵；

[0014] 其中，所述增压泵、第一蠕动泵和第一测压计依次设置在所述样瓶与所述砂箱测试单元之间的管路上，所述真空泵与所述砂箱测试单元的一端连接；

[0015] 所述第二蠕动泵设置在所述砂箱测试单元的出水口处。

[0016] 进一步，所述砂箱测试单元包括砂箱、砂箱加固底座、有孔隔板、磁探头和能量发射装置，

[0017] 其中，所述砂箱的两端分别设有进水口和出水口，所述进水口分别与所述水箱的出水口连接的管路连接，

[0018] 所述砂箱的砂箱顶板上设有用于安装所述磁探头的钻孔，所述磁探头通过所述钻孔插入到所述砂箱内部，

[0019] 2个所述有孔隔板分别设置在所述砂箱内部的，且分别靠近进水口和出水口，

[0020] 所述发射装置设置在所述砂箱的进水口一端的侧壁上；

[0021] 所述砂箱的置于所述砂箱加固底座上。

[0022] 进一步，所述砂箱测试单元还包括过滤网和保温层，

[0023] 其中，所述过滤网设置在所述有孔隔板的出水端一侧，并与所述有孔隔板紧密接触；

[0024] 所述有孔隔板的底部两侧还设有加强装置；

[0025] 所述保温层设置在所述砂箱的外侧壁上。

[0026] 进一步，所述砂箱顶板钻孔的数量为多个，且多个砂箱顶板钻孔之间等距设置；

[0027] 所述砂箱的顶板与砂箱的侧壁的连接处设有密封垫。

[0028] 进一步，所述砂箱的长：高>6:1，

[0029] 所述砂箱的体积不小于250l，所述钻孔与钻孔之间间距不超过500mm；

[0030] 所述砂箱、有孔隔板、过滤网和砂箱加固底座均采用非金属材料制成。

[0031] 进一步，所述能量发射装置为磁发射装置。

[0032] 本发明的另一目的是提供一种采用上述的装置对饱和介质下溶质运移中磁信号检测方法，具体包括以下步骤：

[0033] S1)组装实验装置，将砂层填充到砂箱测试单元的砂箱内，通过预处理单元对砂箱测试单元的砂箱的砂层进行压实处理，

[0034] S1)组装实验装置，将砂层填充到砂箱测试单元的砂箱内，用堵头封住钻孔，通过预处理单元对砂箱测试单元的砂箱的砂层进行压实处理，

[0035] S2)启动加热装置维持水箱内介质维持在室温或室温以上，启动进样单元缓慢向砂箱内的砂层注入流体介质，待砂箱中的砂层内流体介质饱和后，打开砂箱测试单元的出
水口，调节第二蠕动泵和第一蠕动泵使介质维持一定流速，后启动能量发射装置向砂箱内
发射能量波，

[0036] S3)打开样瓶阀门，使样瓶中磁颗粒通过流动介质的进入砂箱内的砂层中，能量波产生的交变电磁场受到磁颗粒的干扰，顶部磁探头记录磁信号实现磁信号对溶质运移过程
的反演实验。

[0037] 进一步，所述S2)中的流速为不高于20ml/s；砂箱中磁性粒子的最高浓度不低于1mg/L，所述介质为去离子水。

[0038] 本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明的实验装置将水的注入和检测液可以分开注入，并且检测液可以随时注入，解决了目前饱和含水层中出现的优先流
问题，通过稳定整套实验过程中温度和压力，以及在实验前对砂层进行真空抽气压缩，为了
对磁信号进行反演，在顶板设置定间距地钻孔，并且将调整砂箱比例在长：高>6:1实现对磁
信号地反演，实验磁信号对溶质运移过程地反演，加入定源磁场和实施过程中加入磁纳米
颗粒，增强磁信号。本装置考虑到饱和介质下压力大，砂箱已破碎的问题，在有孔隔板和砂
箱底部使用非金属材料加固。
附图说明：

[0039] 为了说明本发明实例具体的技术方案，对实施例描述中的关键结构附图做介绍，图中所绘制的图以及标注的尺寸仅是用作解释和展示，并不构成对本发明的限制。

[0040] 本次使用的附图为了方便说明结构，不介绍砂箱外部包裹的隔热材料

[0041] 图1为本发明的饱和介质下溶质运移中磁信号检测的大型实验装置的结构示意图。

[0042] 图2为本发明的实施例的砂箱(无顶板)俯视图。

[0043] 图3为本发明的的有孔隔板结构图。

[0044] 图4为本发明的电磁法示意图。

[0045] 图中：

[0046] 1、砂箱顶板；2、砂箱顶板钻孔；3、磁探头；4、顶板螺丝；5、密封垫；6、出水口测压计；7、水阀和采样处；8、第二蠕动泵；9、砂箱侧壁竖直水阀和采样处；10、第三蠕动泵；11、砂
箱加固底座；12、砂箱侧壁水平水阀和采样处；13、有孔隔板和过滤网；14、有孔隔板加固装
置；15、真空泵水阀；16、进水口测压计；17、隔间；18、真空泵；19、进水口水阀；20、第一蠕动
泵；21、增压泵；22、样瓶；23、水箱；24、加热装置；25、水箱阀门；26、样瓶阀门；27、磁发射装
置；28、磁性颗粒。

[0047] 具体的实施方法

[0048] 下面将详细介绍本发明的实施方式，所述的实施方式是仅为本次发明实例的一部分实例，所描述的标号和元件表示具有相同或者类似功能的元件，因而，本领域的技术人员
在没有做出创造性劳动成果的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明实例的保护范
围。

[0049] 为了便于对本发明实施例的理解，将结合附图为具体的实施例进行描述，以下描述不构成对本发明实施例的限定。

[0050] 如图1所示，本发明一种饱和介质下溶质运移中磁信号检测的大型实验装置，所述大型实验装置包括进样单元、预处理单元和砂箱测试单元，

[0051] 所述进样单元，用于向实验装置内进样和补样，

[0052] 所述预处理单元，用于对砂箱测试单元内部压力稳定，避免实验过程中由于温度和压力的变化导致局部砂层塌陷；

[0053] 所述砂箱测试单元，用于实现在磁场环境下模拟饱和介质下流体流动进行磁信号对溶质运移过程地反演，

[0054] 其中，所述进样单元通过管路与所述砂箱测试单元连接，所述预处理单元设置在所述进样单元与所述砂箱测试单元的连接管路上。

[0055] 所述进样单元包括水箱、样瓶、磁颗粒和加热装置，

[0056] 其中，所述加热装置设置在所述水箱内部，所述水箱的出水口通过管路与所述砂箱测试单元的一端连接，所述磁颗粒设置在所述样瓶内，所述样瓶与所述水箱与所述砂箱
测试单元之间的管路连接，

[0057] 所述样瓶的出口处设有样瓶阀门，

[0058] 所述水箱的出水口处设有水箱阀门。

[0059] 所述预处理单元包括：真空泵、第一测压计、第一蠕动泵和增压泵和第二蠕动泵；

[0060] 其中，所述增压泵、第一蠕动泵和第一测压计依次设置在所述样瓶与所述砂箱测试单元之间的管路上，所述真空泵与所述砂箱测试单元的一端连接；

[0061] 所述第二蠕动泵设置在所述砂箱测试单元的出水口处。

[0062] 所述砂箱测试单元包括砂箱、砂箱加固底座、有孔隔板、磁探头和能量发射装置，

[0063] 其中，所述砂箱的两端分别设有进水口和出水口，所述进水口分别与所述水箱的出水口连接的管路连接，

[0064] 所述砂箱的砂箱顶板上设有用于安装所述磁探头的钻孔，所述磁探头通过所述钻孔插入到所述砂箱内部，

[0065] 2个所述有孔隔板分别设置在所述砂箱内部的，且分别靠近进水口和出水口，

[0066] 所述发射装置设置在所述砂箱的进水口一端的侧壁上；

[0067] 所述砂箱的置于所述砂箱加固底座上。

[0068] 所述砂箱测试单元还包括过滤网和保温层，

[0069] 其中，所述过滤网设置在所述有孔隔板的出水端一侧，并与所述有孔隔板紧密接触；

[0070] 所述有孔隔板的底部两侧还设有加强装置；

[0071] 所述保温层设置在所述砂箱的外侧壁上。

[0072] 所述砂箱顶板钻孔的数量为多个，且多个砂箱顶板钻孔之间等距设置；

[0073] 所述砂箱的顶板与砂箱的侧壁的连接处设有密封垫。

[0074] 所述砂箱的长：高>6:1，

[0075] 所述砂箱的体积不小于250l，所述钻孔与钻孔之间间距不超过500mm；

[0076] 所述砂箱、有孔隔板、过滤网和砂箱加固底座均采用非金属材料制成。

[0077] 所述能量发射装置为磁发射装置。

[0078] 本发明的另一目的是提供一种采用上述的装置对饱和介质下溶质运移中磁信号检测方法，具体包括以下步骤：

[0079] S1)组装实验装置，将砂层填充到砂箱测试单元的砂箱内，用堵头封住钻孔，通过预处理单元对砂箱测试单元的砂箱的砂层进行压实处理，

[0080] S2)启动加热装置维持水箱内介质维持在室温或室温以上，启动进样单元缓慢向砂箱内的砂层注入流体介质，待砂箱中的砂层内流体介质饱和后，打开砂箱测试单元的出
水口，调节第二蠕动泵和第一蠕动泵使介质维持一定流速，后启动能量发射装置向砂箱内
发射能量波，

[0081] S3)打开样瓶阀门，使样瓶中磁颗粒通过流动介质的进入砂箱内的砂层中，能量波产生的交变电磁场受到磁颗粒的干扰，顶部磁探头记录磁信号实现磁信号对溶质运移过程
的反演实验。

[0082] 所述S2)中的流速为不高于20ml/s；砂箱中磁性粒子的最高浓度不低于1mg/L，所述介质为去离子水。
实施例：

[0083] 如图1所示：本发明饱和介质下溶质运移中磁信号检测的大型实验装置，该装置包括：真空泵18、进水口水阀19、第一口蠕动泵20、增压泵21、样瓶22、水箱23、加热装置24、水
箱阀门25、样瓶阀门26；

[0084] 砂箱包括：砂箱顶板1、砂箱顶板钻孔2、磁探头3、顶板螺丝4、胶垫5、出水口测压计6、水阀和采样处7、第二蠕动泵8、砂箱侧壁竖直水阀和采样处9、侧壁采样处蠕动泵10、砂箱
底端加固装置11、砂箱侧壁水平水阀和采样处12、有孔隔板和不锈钢网13、有孔隔板加固装
置14、真空泵水阀15、进水口测压计16、隔间17.

[0085] 实验时：

[0086] 在砂箱内部填入砂层，并拧紧顶板螺丝4，并且进水口水阀15和出水口采样处水阀8，砂箱侧壁采样处的水阀12和水阀9，用堵头关闭顶板钻孔2，打开真空泵17，观察进水口测
压计16变化，在达到砂箱最大承压能力前(≈饱和介质下最大测压水头)关闭真空泵，打开
砂箱，重复以上步骤指导真空泵抽气后砂层不出现凹陷，此过程实现对砂层内部抽气，避免
砂层填入过程中存在的局部非均质或者空隙。

[0087] 实施例二，在实施例一的基础上，打开加热装置24开关，维持水温在25℃(室内温度以上)，缓慢注入流体，在水箱压力无法保证进水头高度时，打开增压泵21，第一蠕动泵
20，缓慢注入流体(流速应低于<20ml/s)，逐渐排除砂箱内部空气，待砂箱中介质饱和后，打
开砂箱系统出水口水阀7和第二蠕动泵8，并且调节蠕动泵8和蠕动泵20保证流速稳定(流速
应在蠕动泵可控的范围内)。

[0088] 实施例三，在砂层内部填入砂层，并拧紧顶板螺丝4，并且进水口水阀15和出水口采样处水阀8，砂箱侧壁采样处的水阀12和水阀9，用堵头关闭顶板钻孔2，打开真空泵18，观
察进水口测压计16变化，在达到砂箱最大承压能力前(≈饱和介质下最大测压水头)关闭真
空泵，打开砂箱，重复以上步骤指导真空泵抽气后砂层不出现凹陷，打开加热装置24开关，
维持水温在25℃(假定值)，缓慢注入流体，在水箱压力无法保证进水头高度时，打开增压泵
21，第一蠕动泵20，缓慢注入流体(流速应低于<20ml/s)，逐渐排除砂箱内部空气，待砂箱中
介质饱和后，同时关闭水箱水阀25和开启补(进)样瓶水阀(样瓶中装入为磁颗粒)26，并且
通过磁探头3记录磁信号，同时收集出水口的水样。

[0089] 实施例四：在实施案例一的基础上，打开加热装置24开关，维持水温在25℃(室内温度以上)，缓慢注入流体，在水箱压力无法保证进水头高度时，打开增压泵21，第一蠕动泵
20，缓慢注入流体(流速应低于<20ml/s)，逐渐排除砂箱内部空气，待砂箱中介质饱和后，打
开砂箱出水口和侧壁的所有水阀和蠕动泵(7、8、9、10、12)，并且调节蠕动泵速度保证流速
稳定(流速应稳定在蠕动泵可控的范围内)，同时关闭水箱水阀25和开启补(进)样瓶水阀
26，收集采样处的水样。

[0090] 实施例五：在砂箱内部填入砂层，并且在隔间17中加入定源磁场，并拧紧顶板螺丝4，并且进水口水阀15和出水口采样处水阀8，砂箱侧壁采样处的水阀12和水阀9，用堵头关
闭顶板钻孔2，打开真空泵18，观察进水口测压计16变化，在达到砂箱最大承压能力前关闭
真空泵(≈饱和介质下最大测压水头)，打开砂箱，重复以上步骤指导真空泵抽气后砂层不
出现凹陷，此过程实现对砂层内部抽气，避免砂层填入过程中存在的局部非均质或者空隙。
在补养瓶中加入可以增强磁信号的磁流体，继续实施例三。

[0091] 需要说明的时，本说明书中使用的实施例仅是流程中的部分环节，流程并不一定是必须的，也不是包含所有能做的实验，同样，步骤并非固定的，实施例强调的是与其他实
施例更注重的地方，表明实施例的创新型，所描述的步骤和过程也是针对某一研究进行组
合的，因而为实现的不同实验目的也可以有其他的组合，实施例仅举例说明。其次，本说明
书介绍发明实施例说描述的结构、单元以及对使用器材的命名也主要为了便于相关领域技
术人员的理解，也可以使用其他设备或者仪器实现该单元的目的，因而结构单元的简单替
换也在本发明的保护范围内，再者，由于图片的限制，没有添加部分单元结构说明，因而结
构单元的变化和部分类似结构的添加，都应该在本发明的保护范围内。