CN102252951B - 高温裂隙岩体渗透测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温裂隙岩体渗透测试装置及其测试方法，涉及岩体力学试验技术。本装置的结构是：位移控制系统（30）、上游压力控制系统（10）和下游压力控制系统（40）分别与高温渗透试验箱（20）相连，实现对高温渗透试验箱（20）的控制；上游压力控制系统（10）、下游压力控制系统（40）和高温渗透试验箱（20）分别与数据采集系统（50）相连，实现数据采集。本发明适用于各种裂隙岩体的渗水和渗气的试验，并可以测得其渗透系数；可以模拟并实现干热岩地热开采、深层页岩气开采以及人工诱导裂缝应用等领域中裂隙的渗透系数测量。

Description

高温裂隙岩体渗透测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及岩体力学试验技术，尤其涉及一种高温裂隙岩体渗透测试装置及其测试方法。具体地说，本发明是测试高温条件下的含不同粒径支撑剂的裂隙在不同压力和张开度时的渗透特性。

背景技术

渗透性是孔隙和裂隙介质的一种重要性质。水在裂隙岩体中的流动与在土体中的运动具有明显不同的规律。最近这些年来，人们越来越重视岩体渗流本身所具有的特殊性和重要性。水利水电建设、岩质边坡稳定、石油和天然气开发、地下工程建设、矿业工程及核废料处理等工程领域均不可避免地遇到基岩内不同发育程度的断层、节理、裂隙等工程地质结构，这些地质结构中地下水的流动直接关系到工程的稳定、安全和运行。干热岩体地热开采、深部资源、能源高效开采都涉及到流体渗透的研究，或者为了开采必须人工诱裂，并确定其渗透系数；一般均需要注入支撑剂维持裂缝张开度，因此，研究裂隙岩体渗透系数是岩土工程界急需解决的课题。

通过研究认识到裂隙岩体中的流体流动和均匀孔隙介质渗流是不相同的。目前国内外关于岩体裂隙专门的试验装置还属空白，而一些其他的试验仪，不能很好地控制压力、工质流量和裂隙开度，不能做高温试验和变温试验，只能使用单一的流体工质-水，难以实现对CO₂等气体工质的使用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种可以控制温度、压力、裂隙、支撑体的高温裂隙岩体渗透测试装置及其测试方法，能有效地模拟实际地层中的裂隙和人工诱发裂隙，以测得较准确的渗透系数。

本发明的目的是这样实现的：

一、高温裂隙岩体渗透测试装置(简称装置)

本装置包括上游压力控制系统、高温渗透试验箱、位移控制系统、下游压力控制系统和数据采集系统；

位移控制系统、上游压力控制系统和下游压力控制系统分别与高温渗透试验箱相连，实现对高温渗透试验箱的控制；

上游压力控制系统、下游压力控制系统和高温渗透试验箱分别与数据采集系统相连，实现数据采集。

二、高温裂隙岩体渗透测试装置的测试方法(简称方法)

本方法包括下列步骤：

①钻取圆柱状岩样，沿直径纵向剖为两半，在切割面上按照试验设计粘贴支撑体；

②将两半岩样重新叠合，用热缩套管包裹并热缩紧固；

③将包好的试样置于槽形岩样夹持器中，并放入控温压力室内固定好，在试样圆柱两端面安装端压块，并与上、下游计量泵相连；

④启动三轴仪，控制裂隙开度，开启压力室内温度控制器达到预设温度，启动围压系统施加到预定法向压力；

⑤调整好上、下游泵的压力，即可开泵(泵中预先加流体工质)完成试验；

⑥裂隙-支撑体的渗透系数经验公式的计算。

$\frac{\mathrm{\ΔP}\left(t\right)}{{\mathrm{\ΔP}}_i}=\exp (-\mathrm{\αt})---\left(1\right)$

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{kA}}{\mathrm{\μL}}\left(\frac{1}{S_u+S_d}\right)---\left(2\right)$

式中：

ΔP(t)为上、下游水箱压差实测值；

ΔP_i为初始压差；

t为经过时间；

k为渗透系数；

A为试件截面积；

μ为水的黏滞系数；

L为试件长度；

S_u、S_d分别为上、下游水箱的容水量，定义为水箱内单位压力变化所需注入的流体体积。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、通过对围压的调节可以控制岩体的裂隙开度，实现对不同裂隙岩体的模拟；

2、通过温控，可以实现不同温度下的试验模拟，并且本装置采用的是耐高温材料，可以适应高温试验，对深层干热岩裂隙的模拟效果更好；

3、分别通过上下游两个计量泵对压力的精确控制，充分发挥了瞬态脉冲法的优势，并且可以通过对计量泵流量的控制进行恒流法等脉冲试验；

4、热缩套的使用，方便了岩样的拆卸和裂隙开度控制，并起到隔油的效果。

5、本装置可以通过试验来研究：渗透系数k、应力σ、温度T、裂隙-支撑体综合特征参数δ之间的关系。

本发明适用于各种裂隙岩体的渗水和渗气的试验，并可以测得其渗透系数；可以模拟并实现干热岩地热开采、深层页岩气开采以及人工诱导裂缝应用等领域中裂隙的渗透系数测量。

附图说明

图1是本装置的结构方框图；

图2是本装置的连接示意图；

______为连接管线，_ _ _ _ _ _为信号连接线，

为阀门开关。

图3是岩样夹持三维示意图；

图4高温渗透试验箱示意图；

图5是试验流程图。

图中：

10-上游压力控制系统；

20-高温渗透试验箱，

21-岩样，       22-高温液压油，   23-槽形岩样夹持器，

24-温控装置，   25-热缩套，       26-裂隙支撑体，

27-端块，       28-箱体；

30-位移控制系统；

40-下游压力控制系统；

50-数据采集系统，

51-上游压力传感器，52-下游压力传感器，53-差压计，

54-数据采集卡，    55-计算机；

F-阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：

一、测试装置

1、总体

如图1、2，本装置包括上游压力控制系统10、高温渗透试验箱20、位移控制系统30、下游压力控制系统40和数据采集系统50；

其连接关系是：

位移控制系统30、上游压力控制系统10和下游压力控制系统40分别与高温渗透试验箱20相连，实现对高温渗透试验箱20的控制；

上游压力控制系统10、下游压力控制系统40和高温渗透试验箱20分别与数据采集系统50相连，实现数据采集。

工作原理：

围压、轴压控制系统30用于控制裂隙开度并对试件施加轴向应力，实现对不同地层裂隙岩体的模拟；

高温渗透试验箱20盛装试样和液压油，并起到控制温度的作用；

上、下游压力控制系统10、40分别对试样上游、下游施加不同的压力，获得所需要的压力脉冲，完成渗透系数的测试或者设定一定的流量测试渗透系数。

2、功能部件

1)上游压力控制系统10和下游压力控制系统40

上游压力控制系统10和下游压力控制系统40均是计量泵，为一种常用试验设备，计量泵自带数据采集软件。

分别与岩样的上、下游相连，为其提供不同的上、下游压力，形成瞬态脉冲，完成渗透系数的相关测试。

2)高温渗透试验箱20

如图3、4，高温渗透试验箱20包括岩样21、高温液压油22、槽形岩样夹持器23、温控装置24、热缩套25、裂隙支撑体26、端块27和箱体28；

在箱体28内的围压、轴压液压油22中，裂隙支撑体26置于两块半圆形岩样21之间，岩样21两端连接端块27并一起放入热缩套25内热缩紧固，再一起放入槽形岩样夹持器23中；在围压、轴压液压油22中，还设置有温控装置24。

①岩样21设计加工为半圆圆柱形。

②高温液压油22为耐高温合成油。

③槽形岩样夹持器23为一种由两个半圆形槽体组成中空呈圆柱形的金属块，上下两侧有位移传动杆与位移传动系统30相连。

④温控装置24为标准件，带有温度显示。

⑤热缩套25为一种圆形塑胶管。

⑥裂隙支撑体26为一种颗粒状的填充物，如石英砂。

⑦端块27是一种带有螺纹紧固并且中间有孔的圆形金属板。

⑧箱体28，双层隔热箱体，自带水冷循环系统。

高温渗透试验箱20的功能：

通过盛放一定压力的高温液压油22，通过位移控制系统30来调节岩样的裂隙开度；由温控装置24来调节箱体28内的温度，完成试验前的准备工作。

3)位移控制系统30

位移控制系统30是一种常规三轴试验仪，并带有位移传感器和显示面板。

位移控制系统30通过位移传动杆与高温渗透试验箱20相连，实现对岩样裂隙开度的控制。

为装置提供围压和轴向压力。

4)数据采集系统50

如图2，数据采集系统50包括上、下游压力传感器51、52、差压计53、数据采集卡54和计算机55；

上、下游压力传感器51、52和差压计53分别与数据采集卡54连接，数据采集卡54和计算机55连接。

①上、下游压力传感器51、52为标准件，选用精度及采集频率较高的产品。

②差压计53为标准件。

③数据采集卡54为标准件。

④计算机55为常用电脑。

数据采集系统50使本装置测试数据得以数字化，通过LabVIEW采集软件来拟合试验所测得的压差-时间曲线图，自动记录被测试件各相关参数值。

5)本装置所有阀门F均为标准件。

二、测试方法

如图5，本测试方法的试验流程是：

第1、试样准备510，

①支撑体加工511，

②岩石取样与加工512，

第2、试验设计520，

试验方案与优化521；

第3、实验研究530，

δ1组试验531，

δ5组试验535，

每组试验包括温度试验T1、T2……Tn，还包括应力试验Y1、Y2……Yn；

第4、结果分析研究540，

渗透系数经验公式541。

Claims (2)

1.一种高温裂隙岩体渗透测试装置，其特征在于：

本装置包括上游压力控制系统（10）、高温渗透试验箱（20）、位移控制系统（30）、下游压力控制系统（40）和数据采集系统（50）；

其连接关系是：

位移控制系统（30）、上游压力控制系统（10）和下游压力控制系统（40）分别与高温渗透试验箱（20）相连，实现对高温渗透试验箱（20）的控制；

上游压力控制系统（10）、下游压力控制系统（40）和高温渗透试验箱（20）分别与数据采集系统（50）相连，实现数据采集；

所述的高温渗透试验箱（20）包括岩样（21）、围压轴压液压油（22）、槽形岩样夹持器（23）、温控装置（24）、热缩套（25）、裂隙支撑体（26）、端块（27）和箱体（28）；

在箱体（28）内的围压轴压液压油（22）中，裂隙支撑体（26）置于两块半圆形岩样（21）之间，岩样（21）两端连接端块（27）并一起放入热缩套（25）内热缩紧固，再一起放入槽形岩样夹持器（23）中；在围压轴压液压油（22）中还设置有温控装置（24）；

岩样（21）设计加工为半圆圆柱形；

槽形岩样夹持器（23）为一种中空呈圆柱形的金属块；

热缩套（25）为一种圆形塑胶管；

裂隙支撑体（26）为一种颗粒状的填充物；

端块（27）是一种中间有孔的圆形金属片。

2.按权利要求1所述的一种高温裂隙岩体渗透测试装置的测试方法，其特征在于本方法包括下列步骤：

①钻取圆柱状岩样，沿直径纵向剖为两半，在切割面上按照试验设计粘贴裂隙支撑体；

②将两半岩样重新叠合，用热缩套包裹并热缩紧固；

③将包好的试样置于槽形岩样夹持器中，并放入控温压力室内固定好，在试 样圆柱两端面安装端块，并与上、下游计量泵相连；

④启动三轴仪，控制裂隙开度，开启压力室内温度控制器达到预设温度，启动围压系统施加到预定法向压力；

⑤调整好上、下游计量泵的压力，即开泵完成试验，所述上、下游计量泵中预先加流体工质；

⑥裂隙支撑体的渗透系数经验公式的计算，

式中：

△P(t)为上、下游水箱压差实测值；

△P_i为初始压差；

t为经过时间；

k为渗透系数；

A为试件截面积；

μ为水的黏滞系数；

L为试件长度；

S_u、S_d分别为上、下游水箱的容水量，定义为水箱内单位压力变化所需注入的流体体积。 

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