CN108051353A - 一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，属于渗流试验领域。转动装置为可调节转速的变频电动机，通过转速控制显示器控制输出转速，转动装置输出的转动通过传动轴传递到岩心固定器，岩心样本及岩心固定器为一整体，岩心固定器将从传动轴获得的转动动能施加到岩心样本上，通过调节转动装置输出的转速进而改变岩心样本转速，从而达到模拟不同液体流速下的实验环境。本发明装置可以定量的观察不同流动介质的流速、温度对于岩体裂隙渗透特性的影响。当实验周期较长时，本发明装置操作方便，不需要时刻留意围压以及前后压差的变化造成的窜流现象或实验数据不准确的现象。

Description

一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置
技术领域
本发明涉及一种探究液体流速对岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，属于渗流试验领域。
背景技术
岩体裂隙渗透试验通过测量试验前后岩体裂隙渗透系数变化值来观察流动介质对于岩体裂隙渗透特性的影响程度。
岩体裂隙渗流中，根据立方体定律 式中：q为通过裂隙的流量；A为裂隙横断面面积；V为通过裂隙的流速；K为裂隙的渗透系数；J为通过裂隙的水力坡降；D为裂隙岩体的直径；b为裂隙的平均开度；g为重力加速度；L岩体的长度；μ为水流的运动黏滞系数；ΔP为裂隙水流进出端的压力差。根据上述公式可知当温度一定时，试验前后的岩体裂隙渗透系数由上述物理量计算后得出。现有研究表明岩体前后压力差ΔP虽与液体流速V有关，但二者之间并无准确的比例关系公式。
现有的岩体裂隙渗流试验装置在试验时需要使流动介质循环流动过岩体，试验时要时刻注意岩样围压及前后压力差，否则会发生窜流的现象，试验时间较长时，操作十分不便，容易造成数据不准确的状况出现。同时，试验时虽然可以改变岩样两端的压力差以此来影响液体流速，但不能定量的观察不同流速下岩体裂隙渗透试验的结果。
因此设计一种用以模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，提升岩体裂隙渗透特性的量化研究效率非常重要。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于采用了一种研究液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，通过本装置实现液体流速、温度对岩体裂隙渗透特性的影响。
本发明采用的技术方案为一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，该装置包括转动装置1、转速控制显示器2、传动轴3、密封盖4、流体容器5、底座6、岩心固定器7、岩心样本和温度控制显示器9。
如图1所示，配有转速控制显示器2的转动装置1通过联轴器与传动轴3连接固定；流体容器5为流动介质贮存和密封设备，流体容器5放置在底座6上，流体容器5的顶部设有密封盖4；岩心固定器7分为上下两部分，岩心固定器7的下部分与底座6相连，岩心固定器7的上部分与传动轴3相连，岩心样本置于岩心固定器7的下部分与岩心固定器7的上部分之间，传动轴3与岩心固定器7连接。温度控制装置9由置于流体容器内的温度感应装置、温度调节装置及置于流体容器外的温度控制装置组成。
转动装置1为可调节转速的变频电动机，通过转速控制显示器2控制输出转速，转动装置1输出的转动通过传动轴3传递到岩心固定器7，岩心样本及岩心固定器7为一整体，岩心固定器7将从传动轴3获得的转动动能施加到岩心样本上，岩心固定器7与岩心样本一起转动，没有相对位移；岩心样本在岩心固定器7的约束下受到经由传动轴传输的转动动能而形成转动。实验时将岩心固定器7与岩心样本形成的组合装置一同固定于流体容器5中，岩心固定器7的下端与流体容器5内壁底部固定端连接，固定后将流动介质注入流体容器5中，实验时岩心样本的转动导致其与周围液体产生相对运动，通过调节转动装置1输出的转速进而改变岩心样本转速，从而达到模拟不同液体流速下的实验环境。
岩心样本分为内岩心样本8与外岩心样本13；内岩心样本8与外岩心样本13制作过程如下，取直径D＝25mm，长度L＝50mm或80mm圆柱体试件，在圆截面中心处，以直径d＝15mm沿圆柱体长度方向钻取试件，钻取长度与所取圆柱体试件相同，钻取后取出中心圆柱体试件，用60°粗糙化砂砾(432μm)磨料化合物对中心圆柱体外表面(除上下截面)进行打磨以保证试件表面粗糙度一致，打磨后的中心圆柱体试件作为内岩心样本8，钻取时余留的管状试件为外岩心样本13。打磨处理内岩心样本8的目的是保证实验时多个内岩心样本8具有相同的初始断裂表面粗糙度。使内岩心样本8模拟制出可控制形态的天然裂隙。
流体容器5的容器内壁10和容器内壁12之间填充有保温层11，容器内壁10由耐腐蚀耐高温钢材制成，保温层11为石棉板保温材料，耐热温度300～450摄氏度，容器外壁12由钢材制成。
岩心固定器7由钢材制成并覆盖耐腐蚀材料，岩心固定器7与岩心接触面设有橡胶垫圈以保证岩心固定器7与岩心样本紧密固定避免错动导致两者转速不一致。
转速控制显示器2为触屏式控制调节变频电动机频率的变频控制器
密封盖4和流体容器5均由钢材制成，密封盖4和流体容器5之间填充有保温材料；密封盖4的内壁涂覆有耐腐蚀材料层。
底座6由钢材制成。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果。
1、本发明装置可以定量的观察不同流动介质的流速、温度对于岩体裂隙渗透特性的影响。
2、当实验周期较长时，本发明装置操作方便，不需要时刻留意围压以及前后压差的变化造成的窜流现象或实验数据不准确的现象。
附图说明
图1为本发明的正视图。
图2为本发明的A-A剖面图。
图3为岩心样本试验前后制作及组合图。
图中：1、转动装置，2、转速控制显示器，3、转动轴，4、密封盖，5、流体容器，6、底座，7、岩心固定器，8、内岩心样本，9、温度控制显示器，10、容器外壁，11、保温层，12、容器内壁，13、外岩心样本。
具体实施方式
为了更清楚地描述本发明，下面结合附图对本发明具体实施方式进行进一步说明。
实验前准备工作共分为两部分，岩心样本准备以及仪器设备准备。
岩心样本制作时共有两种规格可供选择，分别为直径r＝15mm，长度L＝50mm的圆柱体以及直径r＝15mm，长度L＝80mm的圆柱体两种。制作时如图3所示，取直径D＝25mm，长度L＝50、80mm圆柱体试件，从中心钻取直径d＝15mm，长度L＝50、80mm圆柱体岩心作为内岩心样本8，余下部分作为外岩心样本13。钻取后用60°粗糙化砂砾(432μm)磨料化合物对岩心样本表面(除上下截面)进行打磨以保证试件表面粗糙度一致，打磨后将岩心样本与外岩心样本13组合，如图3所示，组合后将组合样本置于渗流试验仪中，施加围压和水压使流体从圆柱体组合岩样上部流至下部，测量相关物理量计算出初始岩体裂隙渗透系数K1。测量后将组合岩心样本取出并将内岩心样本8与外岩心样本13分离以便后续实验。
仪器设备准备时首先将流体容器5内部反复清理干净，避免有化学物质残留。随后将岩心样本固定在岩心固定器7上，固定时需拧紧固定器上的固定螺栓，防止固定器与岩心样本产生错动。完成后将岩心固定器7、传动轴3和底座6连接，固定后将传动轴3与转动装置1连接固定。然后将流动介质注入流体容器5，注入量以没过岩心样本固定器7上方10mm-15mm。最后将密封盖4固定于流体容器5上部后通过转速控制显示器2设定变频电动机转速，通过温度控制显示器设置9反应温度后开始进行反应试验。
试验后将岩心样本8从岩心固定器上取下，将岩心样本8与外岩心样本13按图3所示组合成组合岩心样本，组合后将组合岩心样本置于渗流试验仪中，设置围压和水压使流体从圆柱体组合岩样上部流至下部，测量相关物理量计算出初始岩体裂隙渗透系数K2，对比不同速率下的岩体裂隙渗透系数差值ΔK＝K1-K2分析速率对于岩体裂隙渗透特性的影响。

Claims (8)

1.一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，其特征在于：该装置包括转动装置(1)、转速控制显示器(2)、传动轴(3)、密封盖(4)、流体容器(5)、底座(6)、岩心固定器(7)、岩心样本和温度控制显示器(9)；
配有转速控制显示器(2)的转动装置(1)通过联轴器与传动轴(3)连接固定；流体容器(5)为流动介质贮存和密封设备，流体容器(5)放置在底座(6)上，流体容器(5)的顶部设有密封盖(4)；岩心固定器(7)分为上下两部分，岩心固定器(7)的下部分与底座(6)相连，岩心固定器(7)的上部分与传动轴(3)相连，岩心样本置于岩心固定器(7)的下部分与岩心固定器(7)的上部分之间，传动轴(3)与岩心固定器(7)连接；温度控制显示器(9)由置于流体容器内的温度感应装置、温度调节装置及置于流体容器外的温度控制装置组成。
2.根据权利要求1所述的一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，其特征在于：转动装置(1)为可调节转速的变频电动机，通过转速控制显示器(2)控制输出转速，转动装置(1)输出的转动通过传动轴(3)传递到岩心固定器(7)，岩心样本及岩心固定器(7)为一整体，岩心固定器(7)将从传动轴(3)获得的转动动能施加到岩心样本上，岩心固定器(7)与岩心样本一起转动，没有相对位移；岩心样本在岩心固定器(7)的约束下受到经由传动轴传输的转动动能而形成转动；实验时将岩心固定器(7)与岩心样本形成的组合装置一同固定于流体容器(5)中，岩心固定器(7)的下端与流体容器(5)内壁底部固定端连接，固定后将流动介质注入流体容器(5)中，实验时岩心样本的转动导致其与周围液体产生相对运动，通过调节转动装置(1)输出的转速进而改变岩心样本转速，从而达到模拟不同液体流速下的实验环境。
3.根据权利要求1所述的一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，其特征在于：岩心样本分为内岩心样本(8)与外岩心样本(13)；内岩心样本(8)与外岩心样本(13)制作过程如下，取直径D＝25mm，长度L＝50mm或80mm圆柱体试件，在圆截面中心处，以直径d＝15mm沿圆柱体长度方向钻取试件，钻取长度与所取圆柱体试件相同，钻取后取出中心圆柱体试件，用60°粗糙化砂砾磨料化合物对中心圆柱体外表面进行打磨以保证试件表面粗糙度一致，打磨后的中心圆柱体试件作为内岩心样本(8)，钻取时余留的管状试件为外岩心样本(13)；打磨处理内岩心样本(8)的目的是保证实验时多个内岩心样本(8)具有相同的初始断裂表面粗糙度；使内岩心样本(8)模拟制出可控制形态的天然裂隙。
4.根据权利要求1所述的一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，其特征在于：流体容器(5)的容器内壁(10)和容器内壁(12)之间填充有保温层(11)，容器内壁(10)由耐腐蚀耐高温钢材制成，保温层(11)为石棉板保温材料，耐热温度300～450摄氏度，容器外壁(12)由钢材制成。
5.根据权利要求1所述的一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，其特征在于：岩心固定器(7)由钢材制成并覆盖耐腐蚀材料，岩心固定器(7)与岩心接触面设有橡胶垫圈以保证岩心固定器(7)与岩心样本紧密固定避免错动导致两者转速不一致。
6.根据权利要求1所述的一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，其特征在于：转速控制显示器(2)为触屏式控制调节变频电动机频率的变频控制器。
7.根据权利要求1所述的一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，其特征在于：密封盖(4)和流体容器(5)均由钢材制成，密封盖(4)和流体容器(5)之间填充有保温材料；密封盖(4)的内壁涂覆有耐腐蚀材料层。
8.根据权利要求1所述的一种模拟液体流速对于岩体裂隙渗透特性影响的反应装置，其特征在于：底座(6)由钢材制成。
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