CN108709843A - 一种测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统，包括供水装置、供气装置、多相渗流工作室、水收集装置和气体收集装置，多相渗流工作室包括压紧在裂隙试样两侧的夹板、分别安装在裂隙试样相对表面上的裂隙处的进口端帽和出口端帽，供水装置和供气装置均与进口端帽连接，水收集装置和气体收集装置均与出口端帽连接。该实验系统相对于其他成型方式(如微雕机械加工)，结构简单、经济实用，在较小的投入下仍能较好的完成实验过程，实用性强，便于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及工程地质、水文地质的众多工程及地球科学技术领域，尤其涉及测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统及试验方法。
背景技术
岩石裂隙多相流是十分常见的，如在研究暴雨诱发岩质边坡滑坡、核废料迁移、地下能源与矿产开采及环境工程领域中都有涉及，并且对工程的经济效益与安全都起到至关重要的作用。岩石裂隙的多相渗透特性的确定是分析岩体多相渗流运动规律的前提，岩石裂隙多相渗流特性始终是地质技术领域热门课题。
岩石裂隙多相渗流特性，包含了岩石裂隙的饱和度、相对渗透性、毛细压力及其它们之间的相互关系，这些关系可以通过研究裂隙的表面粗糙程度、起伏度、开度来进行描述。现有的测量岩石裂隙多相渗透特性的技术存在着诸多方面的局限：
首先，在测量岩石裂隙的多相饱和度方面，现有技术多采用岩石裂隙进行试验，不能观察到裂隙内部流体相结构的变化特征，也较难测量裂隙的局部饱和度；其次，在毛细压力测量方面，现有技术多在岩石裂隙上打孔，将张力计插入到岩石裂隙内部进行测量，一方面它损坏了裂隙的局部，另一方面张力计布置的位置对测量的准确性影响极大；裂隙微观形貌测量方面，多采用激光扫描裂隙上、下两面，然后通过多点定位对两部分数据进行对接获取裂隙开度分布，并没有直接测量裂隙的开度分布，测量误差较大，由两个裂隙面拼接组合而成的裂隙的整体微观形貌特征、曲折度等也难精确获取。
因此，在上述因素的组合影响下，岩石裂隙的多相渗透特征并不能准确测量。
发明内容
本发明目的在于提供一种精准测量岩石裂隙饱和度、毛细压力、相对渗透性等多相渗透参数的试验系统及试验方法，为建立裂隙多相渗透理论模型和各类涉及裂隙多相渗透的工程应用提供技术支撑，从而解决上述问题。
为实现上述目的，本发明首先公开了一种测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统，包括供水装置、供气装置、多相渗流工作室、水收集装置和气体收集装置，所述多相渗流工作室包括压紧在裂隙试样两侧的夹板、分别安装在裂隙试样相对表面上的裂隙处的进口端帽和出口端帽，所述供水装置和供气装置均与进口端帽连接，所述水收集装置和气体收集装置均与所述出口端帽连接。
进一步的，所述供水装置包括储水箱和流体蠕动泵，所述流体蠕动泵的一端通过输液管与储水箱连接，另一端通过输液管与进口端帽连接。
进一步的，所述供气装置包括气体蠕动泵，所述气体蠕动泵的一端与大气连接，另一端通过输气管与进口端帽连接。
进一步的，所述夹板上设置有多个通孔，所述多相渗流工作室还包括相互配合以压紧设置于所述夹板间的裂隙试样的螺栓和螺母。
进一步的，所述水收集装置包括第一电子秤和第一储水容器，所述第一储水容器设置于第一电子秤上，所述第一储水容器通过回液管与出口端帽连接，所述气体收集装置包括收集装置包括第二电子秤、第二储水容器、盛有水的分支容器和倒扣在分支容器内的气体收集瓶，所述第二储水容器设置于第二电子秤上，所述气体收集瓶通过一回气管与出口端帽连接，所述分支容器内的出液口与所述第二储水容器连接。
然后本发明公开了上述测量岩石裂隙多相渗流特性的试验方法，包括如下步骤：
S1：将方形岩石试件通过劈裂法得到第一半裂隙原样和第二半裂隙原样，所述第一半裂隙原样和第二半裂隙原样具有可吻合的裂隙表面；
S2：在第一半裂隙原样上的四周贴合压板，形成以所述第一半裂隙原样的裂隙表面为底面的成型容腔；
S3：向所述成型容腔内注入液态环氧树脂，待固化后形成具有所述裂隙表面的第一半裂隙试样；
S4：重复步骤S2-S3，形成具有所述裂隙表面的第二半裂隙试样；
S5：将第二半裂隙试样和第一半裂隙试样贴合形成裂隙试样和位于裂隙试样内的裂隙，在裂隙试样的裂隙两端采用夹板压紧，将进口端帽和出口端帽相对固接在裂隙试样相对两侧的裂隙处，并对进口端帽、出口端帽和其余裂隙处进行止水处理；
S6、利用工业计算机断层扫描设备扫描复制裂隙试样，获取裂隙的微观形貌特征，分析不同类型裂隙的微观结构特征；
S7、将供水装置、供气装置、裂隙试样、水收集装置及气体收集装置依次连接，启动气体蠕动泵和气体蠕动泵，泵送不同颜料染色的水和气，在水收集装置和气体收集装置处记录液、气两相的进出量；
S8：采用高清数码相机记录裂隙中两相驱替与平衡全过程，记录进、出裂隙表面的各项流体参数；
S9：采用图像解析技术计算出气体、液体饱和度，测量并计算出裂隙的毛细压力曲线、两相饱和渗透系数、不同饱和度条件下的相对渗透系数。
进一步的，所述步骤S1中，所述方形岩石试件横置于压力实验平台上，在所述方形岩石试件的上下放置一根细钢条，对所述细钢条加压至方形岩石试件劈裂为所述第一半裂隙原样和第二半裂隙原样。
进一步的，在所述步骤S2中，在第一半裂隙原样上四周的面上贴上双面胶，在双面胶上密封贴合压板；在所述步骤S3中，在注入液态环氧树脂前，在所述第一裂隙面上涂一层脱模剂。
进一步的，所述步骤S3、S4中，液态环氧树脂的固化温度为15°-25°。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)采用环氧树脂复制出大量的相同开度分布的裂隙，用于重复实验，保证每次实验试件都具有相同的原始表面粗糙度，保证实验精度，尤其是在进行具有破坏性的裂隙错动两相渗流实验；相比于三维扫描机床后微雕加工复制裂隙，本方法能够直接将裂隙的表面粗糙情况完全反应在复制裂隙上；
(2)利用高精度工业计算机断层扫描设备(ICT)扫描复制裂隙试样，所得到的微观形貌特征、曲折度及裂隙的开度分布精准，有利于实验进行；
(3)固化后的环氧树脂是透明的，使得含色素的水在透明的环氧树脂试件中运动规律容易被捕捉和摄像记录，便于利用拍摄图像通过数字技术，结合ICT扫描结果，精确捕捉裂隙饱和度变化和相结构驱替特征；
(4)利用蠕动型(气、液)流量泵及循环水箱，提供稳定、可控的水流和气流，可实现对进出口流量、压力及驱替过程进行精密控制；
(5)该方法的毛细压力测量技术，也是基于高精度的ICT分布获取，可以持续获取裂隙内部的毛细压力快速变化(如果采用针入式的测量方案，测量难度大，会对裂隙结构造成破坏，测量点的布置和实测范围也极为有限)；
(6)该试验系统和试验方法的原理与思路完全适用于其它流体的多相渗流，如气-油两相渗流、油-水两相渗流和油-水-气渗流等，仅需替换或新增流体供应装置即可，方便其他两相流试验的推广与应用；
(7)该实验系统相对于其他成型方式(如微雕机械加工)，结构简单、经济实用，在较小的投入下仍能较好的完成实验过程，实用性强，便于推广应用。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统的结构示意图；
图2是本发明实施例公开的测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统的多相流工作室示意图；
图3是本发明实施例公开的裂隙试样成型第一示意图；
图4是本发明实施例公开的裂隙试样成型第二示意图；
图5是本发明实施例公开的裂隙试样ICT扫描示意图。
图例说明：
1、储水箱；2、流体蠕动泵；3、输液管；4、输气管；5、回气管；6、回液管；7、第一电子秤；8、第一储水容器；9、分支容器；10、气体收集瓶；11、裂隙试样；12、进口端帽；13、出口端帽；15、螺栓；17、夹板；18、止水条；19、压板；20、第一半裂隙试样；21、裂隙表面；22、第一半裂隙原样；23、第二半裂隙原样；25、气体蠕动泵；27、螺母；28、第二电子秤；29、第二储水容器；30、出液口；31、成型容腔；32、第二半裂隙试样；33、ICT；34、平台。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1-图5所示，本发明首先公开了一种测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统，包括供水装置、供气装置、多相渗流工作室、水收集装置和气体收集装置，多相渗流工作室包括压紧在裂隙试样11两侧的夹板17、分别安装在裂隙试样11相对表面的裂隙处的进口端帽12和出口端帽13(裂隙由第一半裂隙试样20的裂隙表面21、第二半裂隙试样32的裂隙表面21紧靠形成)，供水装置和供气装置均与进口端帽12连接，从而向进口端帽12内泵入水和气体，水收集装置和气体收集装置均与出口端帽13连接，从而可以测量从出口端帽13流出的水和气体的量。
在具体设置时，供水装置包括储水箱1和流体蠕动泵2，流体蠕动泵2的一端通过输液管3与储水箱1连接，另一端通过输液管3与进口端帽12连接。而供气装置包括气体蠕动泵25，气体蠕动泵25的一端与大气连接，另一端通过输气管4与进口端帽12连接，从而通过该种简单的结构完成水和气体的泵入。
在本实施例中，夹板17上设置有多个通孔，多相渗流工作室还包括相互配合以压紧设置于夹板17间的裂隙试样11的螺栓15(从通孔中穿过)和螺母27，从而可连续调节夹紧力的大小。
在本实施例中，水收集装置包括第一电子秤7和第一储水容器8，第一储水容器8设置于第一电子秤7上，第一储水容器8通过回液管6与出口端帽13连接，气体收集装置包括收集装置包括第二电子秤28、第二储水容器29、盛有水的分支容器9和倒扣在分支容器9内的气体收集瓶10，第二储水容器29设置于第二电子秤28上，气体收集瓶10通过一回气管5与出口端帽13连接，分支容器9内的出液口30与第二储水容器29连接，出口端帽13流出的水会进入第一储水容器8内，而从出口端帽13流出的气体则通过进入气体收集瓶10，排出分支容器9内的水进入第二电子秤28上的第二储水容器29中，即可测量气、液两相的变化速率及大小，进而可以求得气、液两相的渗流量，调整气、液泵可测出不通饱和度下裂隙的渗透系数，相对渗透系数(不同饱和下渗透系数与饱和渗透系数的比值)即可求出，而压力传感器分别布置于输液管3、输气管4、回气管5和回液管6中,以测出毛细压力值。
然后，本发明公开了一种基于上述测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统的试验方法，具体包括如下步骤：
S1：将方形岩石试件通过劈裂法得到第一半裂隙原样22和第二半裂隙原样23，具体操作为可通过从石料加工厂订购20cm×10cm×10cm的花岗岩试件，将试件横置于压力试验平台，岩样上、下两面中心线上各放置一根细钢条，压力通过细钢条传导至裂隙上、下面中心线更易形成应力集中，加压直至将岩石劈裂形成第一半裂隙原样22和第二半裂隙原样23，其中，第一半裂隙原样22和第二半裂隙原样23具有可吻合的裂隙表面21，裂隙表面21近似平行于岩样的中轴面。
S2：清理第一半裂隙原样22、第二半裂隙原样23的裂隙表面21上的微小碎屑，在第一半裂隙原样22上的四周贴上一圈双面胶，然后贴合压板19(为亚克力材质)，形成以第一半裂隙原样22的裂隙表面21为底面的成型容腔31，再在成型容腔31内四个角落贴上一层双面胶增强密封性，防止后续步骤的液态环氧树脂从四个角落泄露，然后在裂隙表面21上涂上一层脱模剂(本实施采用凡士林，避免环氧树脂与裂隙表面21发生粘结，从而便于脱模)。
S3：向成型容腔31内注入液态环氧树脂，其中，可用重物顶在四块亚克力板后，防止环氧树脂在重力作用下冲开压板19，待固化后形成具有裂隙表面21的第一半裂隙试样20，同时，该实验适宜在15～25摄氏度下进行，温度过高或过低都会影响环氧树脂固化，导致复制裂隙失败，试验温度在20摄氏度时，环氧树脂固化时间为14h。
S4：重复步骤S2-S3，形成具有裂隙表面21的第二半裂隙试样32和位于裂隙试样11内的裂隙(裂隙由第一半裂隙试样20的裂隙表面21、第二半裂隙试样32的裂隙表面21紧靠形成)，该种拓印的成型方式，不仅实现了裂隙表面21的完全镜像复制(避免微雕机械加工的较大误差)，相对于三维扫描和微雕加工的成型方式，成型投入成本低，更加适用用于实验室工况(取消了三维扫描机和微雕设备)。
S5：将第二半裂隙试样32和第一半裂隙试样20贴合形成裂隙试样11，在裂隙试样11的裂隙表面21两端采用夹板17压紧，将进口端帽12和出口端帽13相对固接在裂隙试样11两侧的裂隙处，并对进口端帽12、出口端帽13和其余裂隙处进行止水处理；其中，裂隙试样11的长边上的裂隙采用涂硅胶和止水条18(亚克力材质，其中间封住长边的裂隙，上下侧分别与第二半裂隙试样32和第一半裂隙试样20粘接密封，从而增强裂隙内压力较大时的密封性能)以进行止水处理，而裂隙试样11的短边上进口端帽12、出口端帽13外侧采用止水止气704胶进行密闭处理，而进口端帽12、出口端帽13的内侧则与裂隙连通，从而得到多相渗流工作室。
S6、将裂隙试样11通过平台34送入工业计算机断层扫描设备(即ICT33)，扫描复制裂隙试样11，获取裂隙的微观形貌特征，分析不同类型裂隙的微观结构特征。
S7、将供水装置、供气装置、裂隙试样11、水收集装置及气体收集装置依次连接，启动气体蠕动泵25和流体蠕动泵2，泵送不同颜料染色的水和气，在水收集装置和气体收集装置处记录液、气两相的进出量。
S8：用高精度相机拍摄气液两相平衡时裂隙试样11的图像，通过MATLAB数学软件分析图像中试件颜色分布(试件水中掺进颜料，以便相机清晰捕捉裂隙中气体与液体的站位，有水的地方有色，无水的地方无色)得到岩石复制裂隙的气体、液体饱和度。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统，其特征在于，包括供水装置、供气装置、多相渗流工作室、水收集装置和气体收集装置，所述多相渗流工作室包括压紧在裂隙试样两侧的夹板、分别安装在裂隙试样相对表面上的裂隙处的进口端帽和出口端帽，所述供水装置和供气装置均与进口端帽连接，所述水收集装置和气体收集装置均与所述出口端帽连接。
2.根据权利要求1所述的测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统，其特征在于，所述供水装置包括储水箱和流体蠕动泵，所述流体蠕动泵的一端通过输液管与储水箱连接，另一端通过输液管与进口端帽连接。
3.根据权利要求1所述的测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统，其特征在于，所述供气装置包括气体蠕动泵，所述气体蠕动泵的一端与大气连接，另一端通过输气管与进口端帽连接。
4.根据权利要求1-3任一所述的测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统，其特征在于，所述夹板上设置有多个通孔，所述多相渗流工作室还包括相互配合以压紧设置于所述夹板间的裂隙试样的螺栓和螺母。
5.根据权利要求4所述的测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统，其特征在于，所述水收集装置包括第一电子秤和第一储水容器，所述第一储水容器设置于第一电子秤上，所述第一储水容器通过回液管与出口端帽连接，所述气体收集装置包括第二电子秤、第二储水容器、盛有水的分支容器和倒扣在分支容器内的气体收集瓶，所述第二储水容器设置于第二电子秤上，所述气体收集瓶通过一回气管与出口端帽连接，所述分支容器内的出液口与所述第二储水容器连接。
6.一种如权利要求1-5任一所述的测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将方形岩石试件通过劈裂法得到第一半裂隙原样和第二半裂隙原样，所述第一半裂隙原样和第二半裂隙原样具有可吻合的裂隙表面；
S2：在第一半裂隙原样上的四周贴合压板，形成以所述第一半裂隙原样的裂隙表面为底面的成型容腔；
S3：向所述成型容腔内注入液态环氧树脂，待固化后形成具有所述裂隙表面的第一半裂隙试样；
S4：重复步骤S2-S3，形成具有所述裂隙表面的第二半裂隙试样；
S5：将第二半裂隙试样和第一半裂隙试样贴合形成裂隙试样和位于裂隙试样内的裂隙，在裂隙试样的裂隙两端采用夹板压紧，将进口端帽和出口端帽相对固接在裂隙试样相对两侧的裂隙处，并对进口端帽、出口端帽和其余裂隙处进行止水处理；
S6、利用工业计算机断层扫描设备扫描复制裂隙试样，获取裂隙的微观形貌特征，分析不同类型裂隙的微观结构特征；
S7、将供水装置、供气装置、裂隙试样、水收集装置及气体收集装置依次连接，启动气体蠕动泵和气体蠕动泵，泵送不同颜料染色的水和气，在水收集装置和气体收集装置处记录液、气两相的进出量；
S8：采用高清数码相机记录裂隙中两相驱替与平衡全过程，记录进、出裂隙的各项流体参数；
S9：采用图像解析技术计算出气体、液体饱和度，测量并计算出裂隙的毛细压力曲线、两相饱和渗透系数、不同饱和度条件下的相对渗透系数。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述方形岩石试件横置于压力实验平台上，在所述方形岩石试件的上下放置一根细钢条，对所述细钢条加压至方形岩石试件劈裂为所述第一半裂隙原样和第二半裂隙原样。
8.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在第一半裂隙原样上四周的面上贴上双面胶，在双面胶上密封贴合压板；在所述步骤S3中，在注入液态环氧树脂前，在所述第一裂隙面上涂一层脱模剂。
9.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S3、S4中，液态环氧树脂的固化温度为15°-25°。
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