CN103076268A - 一种岩石流变过程中渗透测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新的岩石流变过程中渗透系数的测定方法，轴压加载系统与三轴压力室的轴压室连接，围压加载系统与三轴压力室围压室连接，渗流控制系统连接液体排出系统，试样并联在渗流控制系统与液体排出系统上，计算机数据采集系统分别于轴压加载系统、围压加载系统、渗流控制系统相连；还包括上储水罐与下储水罐，渗流控制系统与液体排出系统之间分别连接上储水罐与下储水罐。该测定方法可以测定不同围压、不同偏应力水平下的岩石流变各阶段的渗透系数。根据岩石流变各阶段渗透系数试验结果和其他常规测试手段进行比较，可以评估该方法的可靠性和有效应。相对于传统的流量法，克服试验过程长、试验操作复杂的缺点，该方法有着试验过程短，操作简单方便等优点。

Description

一种岩石流变过程中渗透测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种新的岩石流变过程中渗透系数的测定方法，具体的说是涉及一种通过记录的不同时刻上下游压力差与时间的关系，通过绘图法求得岩石渗透系数的试验方法。

背景技术

在现代岩土工程中，岩石渗透系数是一种非常重要的技术参数，特别是在水利水电工程、地下石油存储和核废料地下存储工程。当前测定岩石渗透系数的方法主要集中在静水条件下的流量法，然而由于岩石材料所处环境复杂，岩石材料在其漫长的形成过程中，内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，他们的存在为地下水渗透提供了储存和运移的场所。渗透系数的物理意义是材料介质对某种特定流体的渗透能力，与此同时，岩体材料在应力条件下会产生进一步的流变变形，改变了岩石的渗透性能影响其渗透系数。渗透系数的现场试验操作复杂、试验周期长且经济消耗大。因此，迫切需要研究一种测定不同应力路径下的岩石流变过程中渗透系数的测定方法。在此基础上，开发了一种在岩石流变过程中测定渗透系数的试验方法，该方法通过记录上下游水压差与时间的关系，采用绘图法计算得出岩样不同应力路径下的渗透系数。

发明内容

本发明针对上述的不足提供了一种岩石流变过程中渗透测量装置及测量方法。

本发明提供如下技术方案：

本发明所述的一种岩石流变过程中渗透测量装置，包括轴压加载系统，围压加载系统，渗流控制系统，三轴压力室，液体排出系统，计算机数据采集系统；所述的轴压加载系统与三轴压力室的轴压室连接，围压加载系统与三轴压力室围压室连接，渗流控制系统连接液体排出系统，试样并联在渗流控制系统与液体排出系统上，计算机数据采集系统分别于轴压加载系统、围压加载系统、渗流控制系统相连；还包括上储水罐与下储水罐，渗流控制系统与液体排出系统之间分别连接上储水罐与下储水罐。

岩石流变过程中渗透测量装置的测量方法，步骤如下：

1）、选择岩样，制备成试样，真空饱和后装入三轴压力室中；

2）、通过围压泵施加围压至预定值；

3）、待围压稳定后，通过渗流控制系统施加渗压，至液体排出系统中有稳定渗透水流；

4）、待渗流稳定后，通过轴压泵系统施加偏应力至预定值；

5）、保持渗流控制系统中进水口压保持原值不变，形成稳定的孔压；

6）、通过渗流控制系统瞬时增大进水口压，使岩样进水口压力瞬时大于出水口压，形成瞬时的渗流压差，通过计算机数据采集系统记录上下储水箱压差实测值和经过的时间；

7）、当上下储水罐中水压相等后，调节渗流控制系统中压力值至原值，形成相应的孔压，继续进行流变试验；

8）、测定该级偏应力条件下流变不同阶段的渗透系数后，增加偏应力值，测量各偏应力等级下渗透系数值，直至最后一级偏应力出现加速蠕变破坏。

有益效果

该测定方法可适用于不同的岩石种类，如砂岩、石灰岩、花岗岩、粘土岩等。可以测定不同围压、不同偏应力水平下的岩石流变各阶段的渗透系数。根据岩石流变各阶段渗透系数试验结果和其他常规测试手段进行比较，可以评估该方法的可靠性和有效性。另外，相对于传统的流量法，克服试验过程长、试验操作复杂的缺点，该方法有着试验过程短，操作简单方便等优点。

附图说明

附图1是本试验的结构示意图；

附图2是本发明实施例1的ln(ΔP_(t）/ΔP)与时间曲线图；

附图3是本发明实施例2的ln(ΔP）_(t)/ΔP)与时间曲线图；

图中1是轴压加载系统，2是围压加载系统，3是渗流控制系统、4是三轴压力室，5是液体排除系统，6是计算机数据采集系统，7是上储水罐，8是下储水罐，11是第一开关，12是第二开关，13是第三开关，14是第四开关，15是第五开关，21是第一压力表，22是第二压力表，23是第三压力表，24是第四压力表，31是第一压力泵，32是第二压力泵，33是第三压力泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

如图所示：一种岩石流变过程中渗透测量装置，包括轴压加载系统1，围压加载系统2，渗流控制系统3，三轴压力室4，液体排出系统5，计算机数据采集系统6，上储水罐7，下储水罐8；第一开关11，第二开关12，第三开关13，第四开关14，第五开关15；第一压力表21，第二压力表22，第三压力表23，第四压力表24；第一压力泵31，第二压力泵32，第三压力泵33。

轴压加载系统1与三轴压力室4的轴压室连接，围压加载系统2与三轴压力室4围压室连接，渗流控制系统3连接液体排出系统5，试样并联在渗流控制系统3与液体排出系统5上，计算机数据采集系统6分别于轴压加载系统1、围压加载系统2、渗流控制系统3相连；还包括上储水罐7与下储水罐8，渗流控制系统3与液体排出系统5之间分别连接上储水罐7与下储水罐8。

试验过程中通过轴压泵系统1施加轴压，通过围压泵系统2施加围压，通过渗流控制系统3施加渗压，轴压泵系统1和围压泵系统2中采用油压控制，渗流控制系统3由采用水压控制。

本试验测定方法具体步骤如下：

1）、选择待测岩石，制作岩样，岩样尺寸直径50mm，高度100mm，真空饱和后安装在三轴压力室4中；

2）、向三轴压力室4中充入围压油，充满后，打开第二开关12，通过围压泵系统2施加预定围压至预定值，压力值通过第二压力表22读出；

3）、待围压稳定后，打开第三开关13和第五开关15，关闭第四开关14，通过渗流控制系统3施加进水口压至预定值，保持进水口压不变，直至液体排除系统5中有稳定渗流水流流出；

4）、待渗流稳定后，打开第一开关11，通过轴压泵系统1施加偏应力至预定值，偏应力大小通过第一压力表21读出；

5）、在偏应力作用下岩石产生流变变形，关闭第五开关15，打开第四开关14，渗流控制系统3中进水口压保持原值不变，第三压力表23和第四压力表24压力值相等，形成稳定的孔压；

6）、通过渗流控制系统3瞬时将进水口压增大，关闭第三开关13，使岩样进水口压力瞬时大于出水口压，形成瞬时的渗流压差ΔP，岩样两端由于不同的压力值产生渗流作用，进水口压逐渐减小，出水口压逐渐增大，通过计算机数据采集系统记录上下储水箱压差实测值ΔP_(t）和经过的时间t；根据公式（1）、（2）和（3）测定岩石不同流变阶段的渗流系数。

ΔP_(t)=P_ut-P_dt    (1)

$\ln \left(\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{\left(t\right)}}{\mathrm{\ΔP}}\right)=-\mathrm{\αt}---\left(2\right)$

$k=\frac{\mathrm{\α\μL}(S_U+S_D)}{A}---\left(3\right)$

式中：P_ut为上游水箱实测压力值；P_dt为下游水箱实测压力值；ΔP_(t）为上下储水箱压差实测值；t为上下储水箱压差下降ΔP_(t）所经过的时间；μ为水的粘滞系数；L为试样长度；A为岩样界面面积；k为岩样渗透系数；S_U和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，如果水箱内为单一介质流体且不考虑水箱变形，S_U和S_D可由下式近似得出：

S_U=C_UV_U  S_D=C_DV_D    (4)

式中：C_U、C_D分别为上、下游水箱内流体的压缩系数；V_U、V_D分别为上、下游水箱的容积。通过试验值，绘制ln(ΔP_(t）/ΔP)与时间曲线，求出α，带入(3)式中即可求出渗透系数。

7）、当上下储水罐中水压相等后，打开第三开关13、关闭第四开关14，调节渗流控制系统3中压力值至原值，形成相应的孔压，继续进行流变试验；

8）、测定该级偏应力条件下流变不同阶段的渗透系数后，增加偏应力值，测量各偏应力等级下渗透系数值，直至最后一级偏应力出现加速蠕变破坏。

实施例1：

1）、该实例为测量砂岩流变过程中的渗透系数，首先按照标准制作直径50mm，高度100mm的试验岩样，采用真空饱和装置将岩样饱和后装入三轴压力室中；

2）、施加围压至预定值2MPa，保持围压不变；

3）、待围压稳定后，施加进水口压至1MPa，出水口与大气接触，保持进水口压不变；

4）、待出水口有稳定渗流流出后，施加偏应力值，进行第一级偏应力作用下的流变实验，预定流变时间为48小时。

5）、关闭出水口阀门，将进水口压瞬时加载至1.5MPa，关闭进水口压，岩样两端形成0.5MPa渗透压差；

6）、选取三个时间点进行砂岩渗透系数的测定试验，分别进行各级偏应力作用下的渗透系数；

7)、根据试验结果，绘制ln(ΔP_(t）/ΔP)与时间t曲线(给出某一个时间点处的实验值)，根据式(1)~(4)，求出砂岩流变各阶段的渗透系数。

实施例2：

1）、该实例为测量花岗岩流变过程中的渗透系数，首先按照标准制作直径50mm，高度100mm的试验岩样，采用真空饱和装置将岩样饱和后装入三轴压力室中；

2）、施加围压至预定值2MPa，保持围压不变；

3）、待围压稳定后，施加进水口压至1MPa，出水口与大气接触，保持进水口压不变；

4）、待出水口有稳定渗流流出后，施加偏应力值，进行第一级偏应力作用下的流变实验，预定流变时间为48小时。

5）、关闭出水口阀门，将进水口压瞬时加载至1.5MPa，关闭进水口压，岩样两端形成0.5MPa渗透压差；

6）、选取三个时间点进行砂岩渗透系数的测定试验，分别进行各级偏应力作用下的渗透系数；

7)、根据试验结果，绘制ln(ΔP_(t）/ΔP)与时间t曲线(给出稳态蠕变阶段的实验值)，根据式(1)~(4)，求出砂岩流变各阶段的渗透系数。

Claims (2)

1.一种岩石流变过程中渗透测量装置，包括轴压加载系统（1），围压加载系统（2），渗流控制系统（3），三轴压力室（4），液体排出系统（5），计算机数据采集系统（6）；所述的轴压加载系统（1）与三轴压力室（4）的轴压室连接，围压加载系统（2）与三轴压力室（4）围压室连接，渗流控制系统（3）连接液体排出系统（5），试样并联在渗流控制系统（3）与液体排出系统（5）上，计算机数据采集系统（6）分别于轴压加载系统（1）、围压加载系统（2）、渗流控制系统（3）相连；其特征在于：还包括上储水罐（7）与下储水罐（8），渗流控制系统（3）与液体排出系统（5）之间分别连接上储水罐（7）与下储水罐（8）。

2.利用权利要求1的岩石流变过程中渗透测量装置的测量方法，其特征在于：步骤如下：

1）、选择岩样，制备成试样，真空饱和后装入三轴压力室（4）中；

2）、通过围压泵（2）施加围压至预定值；

3）、待围压稳定后，通过渗流控制系统（3）施加渗压，至液体排出系统（5）中有稳定渗透水流；

4）、待渗流稳定后，通过轴压泵系统（1）施加偏应力至预定值；

5）、保持渗流控制系统（3）中进水口压保持原值不变，形成稳定的孔压；

6）、通过渗流控制系统（3）瞬时增大进水口压，使岩样进水口压力瞬时大于出水口压，形成瞬时的渗流压差，通过计算机数据采集系统记录上下储水箱压差实测值和经过的时间；

7）、当上下储水罐中水压相等后，调节渗流控制系统（3）中压力值至原值，形成相应的孔压，继续进行流变试验；

8）、测定该级偏应力条件下流变不同阶段的渗透系数后，增加偏应力值，测量各偏应力等级下渗透系数值，直至最后一级偏应力出现加速蠕变破坏。

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