CN106198932A - 一种模拟岩石裂隙中水岩相互作用的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟岩石裂隙中的水岩相互作用实验装置及方法，包括供水箱；所述的供水箱通过供水管与岩石裂隙水岩相互作用模拟器的入水口相连，所述的岩石裂隙水岩相互作用模拟器的出水口通过回水管又与供水箱相连，形成一个水循环装置；所述的岩石裂隙水岩相互作用模拟器包括由岩石试样拼接而成的岩石裂隙面，在所述的岩石试样的前后设有与岩石裂隙面连通的分水区和聚水区；且在所述的分水区与目标岩石试样之间、在所述的聚水区与目标岩石试样之间均设有水压传感器、温度传感器，所述的水压传感器和温度传感器与数据处理装置相连。

Description

一种模拟岩石裂隙中水岩相互作用的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟岩石裂隙内的水岩相互作用的实验装置及方法，具体的说是一种能够模拟出岩石裂隙内不同流态下的地下水和岩石之间相互作用效果的实验装置，本发明属于地下水科学与工程等技术领域。

背景技术

近年来，随着对地下空间如核废料处理洞室、石油和天然气的地下储存洞穴等的开发和利用，发生在岩石裂隙内的水岩相互作用引起了人们广泛的关注。在这些地下岩石工程中，岩石处在复杂的水化学条件下，将发生极其复杂的水岩相互作用。在水岩相互作用的进行过程中，岩石会被腐蚀溶解，其溶蚀物质被水溶液带走或被吸附沉淀，从而使得岩石结构面、岩石的孔隙结构发生很大的变化。这些变化主要发生在岩石裂隙中，它会导致岩石的性质发生重大改变，最终对这些地下岩石工程的安全产生重要影响。

目前阶段在对岩石裂隙水岩相互作用的研究中，研究主要集中水岩相互作用对裂隙岩石的力学性能和渗透特性的研究上。通过将裂隙岩石置于不同的水化学溶液中，以此来研究水岩相互作用对裂隙岩石的表面细观结构和力学性能的影响以及对岩石渗流特性的影响。一般情况下，实验周期较长，可控变量少，无法实现在不同的流态如在紊流状态下对岩石裂隙内的水岩相互作用的研究。

相对于之前的研究，该实验装置能模拟出不同流态下的水溶液和裂隙岩石之间的水岩相互作用的进行情况，通过调节水泵获得可控水压和流速，使水溶液以所需流态和裂隙岩石发生反应。其可控变量多，可以研究在不同的水压、流速、隙宽、水溶液初始状态等因素下岩石裂隙内水岩相互作用的进行情况，且结构简单，操作便捷，能大大缩短实验周期，具有广泛的适用性。故其在实际工程和科学研究中均有很大的用处。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术的不足，提供一种能模拟出岩石裂隙内处于不同流态的地下水和岩石之间相互作用的实验装置。

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作便捷、高效实用的模拟岩石裂隙内的水岩相互作用的实验装置。它能通过调节水泵获得可控水压和流速，在短期内模拟出岩石裂隙内处于紊流或层流状态下的地下水和岩石之间相互作用的进行情况。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种模拟岩石裂隙中的水岩相互作用实验装置，包括水箱；所述的水箱通过供水管与岩石裂隙水岩相互作用模拟器的进水口相连，所述的岩石裂隙水岩相互作用模拟器的出水口通过回水管连回水箱，形成一个水循环装置；所述的岩石裂隙水岩相互作用模拟器包括由岩石试样拼接而成的岩石裂隙面，在所述的岩石试样的前后设有与岩石裂隙面连通的分水区和聚水区；且在所述的分水区与目标岩石试样之间、在所述的聚水区与目标岩石试样之间均设有水压传感器、温度传感器，所述的水压传感器和温度传感器与数据处理装置相连，用于采集显示实验进行中水压和温度实时变化情况。

进一步的，所述的分水区、聚水区均由上下各1块嵌入在有空心位置的不锈钢板上对应槽位的有机玻璃板形成，即上下玻璃板之间形成的缝隙为分水区和聚水区。

进一步的，所述的岩石裂隙面由上下各3块嵌入在有空心位置的不锈钢板上对应槽位的岩石试样拼接而成，岩石试样由通用岩芯加工制成。

进一步的，所述的水压传感器、温度传感器插接在所述的有空心位置的不锈钢板内。

进一步的，所述的岩石裂隙水岩相互作用模拟器的裂隙由边缘完整里面空心的硅胶垫模拟而成，通过改变硅胶垫的厚度可改变隙宽。

进一步的，所述的目标岩石试样和有机玻璃板的外侧均由密封板密封。

进一步的，所述的水箱为封闭水箱，包括回水口、供水口、出气口和取水阀门；其中，回水口和出气口位于水箱顶部，供水口和取水阀门位于水箱底部。

进一步的，在所述的供水管上设有水泵和流量计；其中，所述的水泵为高压泵，通过调节水泵可使水溶液获得一定的水压和流速，使其处于紊流或层流状态。

模拟岩石裂隙中水岩相互作用的实验装置进行实验的方法，如下：

通过调节水泵使水箱中的水溶液获得可控水压和流速，使其流入岩石裂隙水岩相互作用模拟器；在岩石裂隙水岩相互作用模拟器中，水溶液首先流经分水区均匀的分散到裂隙中，然后流经水压传感器和温度传感器，以监测出进入岩石裂隙面前水溶液的水压和温度大小，然后水流流经岩石裂隙面与岩石发生相互作用，反应完后流出，测出水流的水压和温度大小，随后流经聚水区汇集到一起后再流出岩石裂隙水岩相互作用模拟器，然后通过回水管流回水箱形成水循环，最终实现动态条件下对岩石裂隙中的水岩相互作用实验模拟。

所述的方法中，每隔一段时间采集与岩石试样反应后的水溶液，开展目标指标分析测试，同时每隔一段时间取出其中一块岩石试样进行电镜扫描实验，研究岩石裂隙中的水岩相互作用对岩石表面的腐蚀情况；最终实现动态条件下岩石裂隙中的水岩相互作用的模拟。

与现有技术相比，本发明的具有的有益效果如下：

1.所述的岩石裂隙面由多块岩石试样拼接组成，岩石试样加工方便，可由通用岩芯加工而成；此外，在实验进行过程中，需要每隔一段时间取出其中一块岩石试样进行电镜扫描实验，此时可在其位置补充一新的岩石试样，这样不会耽误实验的进度，同时因为岩石试样的表面积不大也不会对实验精度产生不利的影响，故能有效的缩短实验周期。

2.岩石裂隙水岩相互作用模拟器的结构设计可使处于紊流下的水溶液和裂隙岩石发生反应，克服了之前只能在静止或者层流状态下进行实验的局限性，可实现不同流态下对岩石裂隙内的水岩相互作用的模拟。

3.实验装置中，所述的数据处理装置的显示屏上可直接显示出水压、温度实时变化曲线，并可直接生成数据文件，相对于其他的记录模式，这样能更加方便精确的记录出水压和温度的变化情况，提高实验效率和精度。

4.所述的密封水箱设有出气口，当往水箱中注入水溶液时，会将水箱中的气体通过出气口排出，这样在实验进行时可有效的抑止水箱中的气体溶于水溶液中，防止其对实验结果产生不利影响。

5.实验装置中，安装在裂隙面下部分的水压传感器能精确测量出水岩相互作用前后的水压，计算获得水压差和水力梯度。相对于将其安装在其他位置，安装在裂隙下面可获得更精确稳定的压力值，从而提高实验的精度。

6.该实验装置可根据工程实际需要或者实验需要配置不同的目标岩石试样和水溶液，适用范围广，实用性强。

附图说明

图1为本发明的一种模拟岩石裂隙中水岩相互作用的实验装置结构示意图。

图2为本发明的岩石裂隙水岩相互作用模拟器的剖面图。

图3为本发明的岩石裂隙水岩相互作用模拟器下侧裂隙面的平面图。

其中：1.水箱，2.供水管，3.水泵，4.流量计，5.岩石裂隙水岩相互作用模拟器，6.数据处理装置，7.水压传感器，8.温度传感器，9.回水管，10.进水口，11.模拟缝隙的空心密封垫，12.分水区，13.岩石裂隙面，14.聚水区，15.出水口，16.密封板，17.有空心位置的不锈钢板。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的一种模拟岩石裂隙中水岩相互作用的实验装置，其结构如图1、2、3所示。它包括依次相连的水箱1、供水管2、水泵3、流量计4、岩石裂隙水岩相互作用模拟器5、数据处理装置6、水压传感器7、温度传感器8和回水管9。所述的供水管2的始端与水箱1下部的供水口相连，之后依次连接水泵3、流量计4，然后供水管2的末端与岩石裂隙水岩相互作用模拟器5的进水口10相连；所述的回水管9的始端与岩石裂隙水岩相互模拟器5的出水口15相连，然后回水管9的末端和水箱1上部的回水口相连，由此形成一个水循环装置。

如图2、3所示，所述的岩石裂隙水岩相互作用模拟器5包括进水口10、模拟缝隙的空心密封垫11、有机玻璃板形成的分水区12、岩石裂隙面13、有机玻璃板形成的聚水区14、出水口15、密封板16和有空心位置的不锈钢板17。此外，在所述的分水区与目标岩石试样之间、在所述的聚水区与目标岩石试样之间均设有水压传感器7、温度传感器8，它们通过导线和数据处理装置6相连，数据处理装置6上的显示屏上可直接显示出水压和温度的实时变化情况。

进一步的，所述的有空心位置的不锈钢钢板17按水流方向依次有1个大小为48*48*10mm有机玻璃板槽位、1个测压孔(测温孔)、3个连接在一起的大小均为48*48*10mm的岩石试样槽位、1个测压孔(测温孔)、1个大小为48*48*10mm有机玻璃板槽位。其中，有机玻璃板槽位和岩石试样槽位的形位公差是1mm；测压孔(测温孔)是内螺纹结构，由两部分组成，底部是直径2mm，高2mm的圆柱孔，与裂隙面相连，顶部为直径6mm的圆柱孔，贯通不锈钢板，含有测压孔的不锈钢板位于裂隙面的下方，含有测温孔的不锈钢板位于裂隙面的上方。所述的岩石试样、有机玻璃板、水压传感器和温度传感器均安装在有空心位置的不锈钢板上的对应位置。

进一步的，所述的模拟缝隙的空心密封垫11是边缘完整里面空心的硅胶垫，其作用是模拟缝隙和控制隙宽；所述的密封板16和有空心位置的不锈钢板17以空心密封垫11为对称面呈对称结构放置，其中，从外到里分别是密封板16和有空心位置的不锈钢板17。

在实验进行过程中，水箱1中的水溶液通过供水管2依次流经水泵3和流量计4，调节水泵3使得水流获得一定的进水压力，再利用流量计4测出水流的流速和流量，随后水流流入岩石裂隙水岩相互作用模拟器5。在岩石裂隙水岩相互作用模拟器5内，圆柱形水流流首先经有机玻璃板形成的分水区12后均匀稳定的分散到裂隙面上；之后流经水压传感器7和温度传感器8，测出水岩相互作用前水流的水压和温度；随后水流流入岩石裂隙面13和岩石发生反应，反应完后的水化学溶液再次流经水压传感器7和温度传感器8，测出水岩相互作用完成后的水压和温度，随后流经有机玻璃板形成的聚水区14汇集到一起后从岩石裂隙水岩相互作用模拟器5的出水口15流出，再通过回水管9流回水箱1中，形成水循环。

每隔一段时间采集与岩石试样反应后的水溶液，开展目标指标分析测试，同时每隔一段时间取出其中一块岩石试样进行电镜扫描实验，研究岩石裂隙中的水岩相互作用对岩石表面的腐蚀情况。最终实现动态条件下岩石裂隙中的水岩相互作用的模拟。

本发明提供的一种模拟岩石裂隙中水岩相互作用的实验装置操作过程为：

步骤1、实验材料准备：配置实验水溶液，根据实验目的和在保证反应速率的情况下配置一定离子浓度和PH值的水溶液；根据实验目的从目标地区取回所需岩石试样，将其加工成表面平整光滑的大小为48*48*10mm岩石试样，之后用水将试样冲洗干净，以防止岩石试样表面杂质对实验产生不利影响，然后再将其置于温度为45℃的恒温干燥箱中48h，然后再将其置于真空环境下，以加快实验速率；

步骤2、连接各个装置：将目标岩石试样置于岩石裂隙水岩相互作用模拟器中，之后将水压传感器和温度传感器分别安装在测压孔和测温孔中，通过导线将它们与数据处理装置相连并调节好相关路线和电源，然后再分别用供水管和出水管将水箱、水泵、流量计，岩石裂隙水岩相互作用模拟器连接起来；

步骤3、实验前准备：往水箱中注入适量的水溶液，打开水泵开关，从小到大调节水泵水压值，观测整个试验装置是否漏水，若漏水则需重新安装漏水处的连接装置，确保其密封性。密封性满足要求后，调节水泵使得水溶液在所需流态下流经岩石裂隙水岩相互作用模拟器，接下来待数据处理装置的显示器上各个水压传感器的水压曲线稳定后，再开始读取各压力值和温度值；

步骤4、实验进行阶段：以显示器上各个水压传感器的水压曲线稳定时记为开始时间，此后每隔20天取一块岩石试样进行电镜扫描实验，观测出岩石表面的腐蚀情况，同时每隔20天打开水箱上的取水阀门取一小部分水溶液进行检测分析，研究水溶液中的离子浓度变化和PH值的变化情况；当水溶液中的离子浓度和PH值趋于稳定后，该组实验完成。

步骤5、当需要进行研究岩石裂隙中的水压、隙宽、水溶液的初始状态等因素对水岩相互作用的影响规律时，需进行对比实验。改变所需研究的目标因素，其他会影响水岩相互作用的因素则保持不变，重复步骤1-4，直至所需对比实验全部完成。

步骤6、所有实验完成后，放空水箱及所有回路中的水，将水泵和流量计中的水排净，归置好所有实验用具以备以后再用。

上述试验过程中，调节水泵可使水溶液获得一定的水压和流速，使得水溶液能在紊流或层流的状态下流经岩石裂隙水岩相互作用模拟器；通过水岩相互作用模拟器中的分水区和聚水区，实现水压稳定性输出；在水岩相互作用模拟器上安装精密的水压温度监测系统可测量水溶液和岩石反应前后的水压和温度，可解决水压温度测量问题；水岩相互作用模拟器上的岩石试样可单块取出替换，可缩短实验周期；合理的改变水溶液初始状态、岩石类型、水压、流速等因素，可实现不同工况下对岩石裂隙中的水岩相互作用的模拟。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种模拟岩石裂隙中的水岩相互作用实验装置，其特征在于，包括水箱；所述的水箱通过供水管与岩石裂隙水岩相互作用模拟器的入水口相连，所述的岩石裂隙水岩相互作用模拟器的出水口通过回水管又与水箱相连，形成一个水循环装置；所述的岩石裂隙水岩相互作用模拟器包括由岩石试样拼接而成的岩石裂隙面，在所述的岩石试样的前后设有与岩石裂隙面连通的分水区和聚水区；且在所述的分水区与目标岩石试样之间、在所述的聚水区与目标岩石试样之间均设有水压传感器、温度传感器，所述的水压传感器和温度传感器与数据处理装置相连。

2.如权利要求1所述的模拟岩石裂隙中的水岩相互作用实验装置，其特征在于，所述的岩石裂隙面由上下各3块嵌入在有空心位置的不锈钢板对应槽位的岩石试样拼接而成，岩石试样由通用岩芯加工制成。

3.如权利要求1所述的模拟岩石裂隙中的水岩相互作用实验装置，其特征在于，所述的分水区、聚水区均由上下各1块嵌入在有空心位置的不锈钢板上对应槽位的有机玻璃板形成，即上下玻璃板之间形成的缝隙为分水区和聚水区。

4.如权利要求1所述的模拟岩石裂隙中的水岩相互作用实验装置，其特征在于，所述的水压传感器、温度传感器均插接在所述的有空心位置的不锈钢板内对应的孔位上，水压传感器和温度传感器均和数据处理装置相连，数据处理装置上的显示屏可显示出水压和温度的实时变化情况并根据所测数据生成曲线图。

5.如权利要求1所述的模拟岩石裂隙中的水岩相互作用实验装置，其特征在于，所述的目标岩石试样和有机玻璃板均由密封板密封。

6.如权利要求1所述的模拟岩石裂隙中的水岩相互作用实验装置，其特征在于，在所述的供水管上设有水泵和流量计，所述水泵为高压泵。

7.据权利要求1所述的一种模拟岩石裂隙中的水岩相互作用实验装置，其特征在于，所述的水箱为封闭水箱，包括回水口、供水口、出气口和取水阀门；其中，回水口和出气口位于水箱顶部，供水口和取水阀门位于水箱底部。

8.采用权利要求1模拟岩石裂隙中水岩相互作用的实验装置进行实验的方法，其特征在于，

通过调节水泵使水箱中的水溶液获得可控水压和流速，使其流入岩石裂隙水岩相互作用模拟器；在岩石裂隙水岩相互作用模拟器中，水溶液首先流经分水区均匀的分散到裂隙中，然后流经水压传感器和温度传感器，以监测出进入岩石裂隙面前水溶液的水压和温度大小，然后水流流经岩石裂隙面与岩石发生相互作用，反应完后流出，测出水流的水压和温度大小，随后流经聚水区汇集到一起后再流出岩石裂隙水岩相互作用模拟器，然后通过回水管流回水箱形成水循环，最终实现动态条件下对岩石裂隙中的水岩相互作用实验模拟。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，每隔一段时间采集与岩石试样反应后的水溶液，开展目标指标分析测试，同时每隔一段时间取出其中一块岩石试样进行电镜扫描实验，研究岩石裂隙中的水岩相互作用对岩石表面的腐蚀情况；最终实现动态条件下岩石裂隙中的水岩相互作用的模拟。