CN110927041B - 一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，它解决了现有技术中对裂隙岩石渗透特性的描述不够全面和可靠的问题，能够反演瞬态压力曲线的任意走时，以更全面地描述裂隙岩石的三维渗透特性。其技术方案为：包括以下步骤：对具有裂隙的岩石试样进行密封处理，并在密封膜表面设置若干注入端口和测量端口；在注入端口以恒定压力向岩石试样中注入压缩气体，在测量端口测量气压值，得到压力曲线；对岩石试样的中心部分进行离散化处理，基于压力曲线中最大压力值的设定百分比所对应的走时与裂隙岩石扩散系数之间的关系进行反演，得到扩散系数剖面图；细化网格，对压力曲线包括峰值时间在内的多个走时进行反演，并对重构的图像进行比较。
Description
技术领域
本发明涉及岩石渗透研究领域，尤其涉及一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法。
背景技术
近年来，随着社会经济的发展，对裂隙岩石渗透特性的准确描述在污染物运移，放射性废物处置，地热能的使用以及许多岩土工程应用等地球科学领域受到了越来越多的关注。在裂隙地质介质中，裂隙和基质之间水力参数的巨大差异以及它们的空间变异性使得准确表征裂隙岩石渗透特性具有相当大的挑战。
传统的含水层调查方法(如抽水试验和微水试验)估算的水力参数不足以建立地下水模型。为了解决这个问题，使用了层析成像方法，包括地球物理层析成像以及水力层析成像，组合几组不同的定向测量值便可确定研究体内参数的三维分布。然而，发明人发现，诸如地震层析成像等地球物理方法所产生的地球物理参数分布并不与地下的水力性质一致，参数转换复杂且模糊。和地球物理层析成像不同，水力层析可以通过在层析成像阵列中进行一系列短期试验直接确定地下的水力性质。基于压力曲线的峰值到达时间与扩散系数之间的关系进行反演，得到扩散系数剖面图，通过观察扩散系数的大小便可以得知裂隙地质介质渗透特性的强弱。但由于只能反演瞬态压力曲线的峰值到达时间，获得的信息较为有限，因此对裂隙岩石渗透特性的描述不够全面和可靠。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，能够反演瞬态压力曲线的任意走时，从而更全面地描述裂隙岩石的三维渗透特性。
本发明采用下述技术方案：
一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，包括以下步骤：
对具有裂隙的岩石试样进行密封处理，并在密封膜表面设置若干注入端口和测量端口；
在注入端口以恒定压力向岩石试样中注入压缩气体，并在测量端口测量气压值，得到压力曲线；
对岩石试样的中心部分进行离散化处理，基于压力曲线中最大压力值的设定百分比所对应的走时与裂隙岩石扩散系数之间的关系进行反演，得到扩散系数剖面图；
细化网格，之后对压力曲线包括峰值时间在内的多个走时进行反演，并对重构的图像进行比较。
进一步的，所述岩石试样具有设定孔隙率，以使压缩气体顺利通过岩石试样。
进一步的，所述注入端口和测量端口在密封膜上均匀分布。
进一步的，通过选择不同位置注入端口注入压缩气体，不同位置测量端口测量压力进行多次试验。
进一步的，通过气泵向管路中输入压缩气体，所述管路上设置压力控制器，以使管路中的压缩气体具有恒定压力。
进一步的，所述管路的输入端还设置质量流量控制器，管路的输出端安装质量流量计；所述质量流量控制器、质量流量计分别连接数据采集器。
进一步的，采用压力传感器在测量端口测量压力值。
进一步的，利用转换因子fα，h得到压力曲线最大压力值的设定百分比所对应的走时与裂隙岩石的扩散系数分布之间的积分关系；基于对走时线积分的线性化得到满足设定函数的扩散系数分布。
进一步的，所述函数表示为：
扩散系数分布使得所述函数最小；其中，
表示走时的观测值，
表示走时的估计值。
进一步的，采用交错网格法细化网格以提升图像分辨率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明使用交错网格法细化网格，能够提升图像分辨率；对压力曲线包括峰值时间在内的多个走时进行反演，并对重构的图像进行比较，从而更好地解释裂隙岩石的渗透特性；
(2)本发明能够同时反演多个走时，通过比较不同反演结果所包含的信息，可以更加全面地描述裂隙岩石的渗透特性，从而为地下水污染防治以及岩土工程建设起到促进作用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例一的流程图；
图2为本发明实施例一的试验装置原理图；
其中：1、压缩气体，2、压力控制器，3、质量流量控制器，4、岩石试样，5、质量流量计，6、数据采集器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在对裂隙岩石渗透特性的描述不够全面和可靠的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法。
实施例一：
下面结合附图1-图2对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：
本实施例提供一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，可应用于地下水资源开发利用以及地下水污染防治，包括以下步骤：
步骤一、对选定的岩石试样4进行密封处理，并在密封膜上设置若干注入端口和测量端口。
选定的裂隙岩石试样4应具有一定的孔隙率，使得压缩气体可以顺利通过岩石试样4。在岩石试样4的密封膜上设置均匀分布在岩石试样4表面的注入端口、测量端口，注入端口、测量端口分布于岩石试样4相对的两个面；端口由密封膜中的空间构成。
应确保压缩气体1从一个端口到另一个端口的流动是通过岩石试样4进行的，而不是沿着岩石试样4表面进行的。本实施例中，采用环氧树脂对岩石试样4进行密封，密封厚度约5mm。
步骤二、在注入端口以恒定压力向岩石样品中注入压缩气体1。
利用气泵产生向管路中输入的压缩气体1，再利用安装在管路上的压力控制器2使得管路中的压缩气体具有恒定压力。所述管路的输入端还设置质量流量控制器3，管路的输出端安装质量流量计5，所述质量流量控制器3、质量流量计分别5连接数据采集器6。
步骤三、在测量端口测量气压值并得到压力随时间的变化曲线。
利用压力传感器在测量端口测量压力的变化，获得压力随时间的变化曲线(压力曲线)，利用不同注入端口、测量端口组合进行多次试验，以获得多组压力曲线测量数据。
步骤四、对岩石试样4的中心部分进行离散化处理。
由于岩石试样4中心部分的流线密度变化最小，因此对试样4的中心部分进行离散化处理，根据试验需求以及裂隙岩石试样4本身的情况，划分网格。
步骤五、基于压力曲线最大压力值的某一百分比所对应的走时与扩散系数之间的关系进行反演，得到扩散系数剖面图。
以恒定压力注入压缩气体1的情况下，利用转换因子fα，h，可以得到压力曲线最大压力值的某一百分比所对应的走时与裂隙岩石的扩散系数分布之间存在的积分关系：
其中，tα，h表示压力曲线最大压力值的某一百分比所对应的走时，D表示扩散系数，fα，h表示转换因子。
其中，tpeak表示脉冲响应的峰值到达时间,αh表示阶跃响应振幅的百分比。
反演步骤基于对走时线积分的线性化，得到的扩散系数分布应使得以下函数最小：
其中，
表示走时的观测值，
表示走时的估计值。
步骤六、使用交错网格法细化网格，以提升图像分辨率。
通过在x或y方向上移动网格获得不同的视点，对每一个走时反演四次，然后通过交错以获得所有网格的算术平均值，从而提升反演得到的图像的分辨率。
步骤七、对压力曲线包括峰值时间在内的多个走时进行反演，并对重构的图像进行比较，从而更好地解释裂隙岩石的渗透特性。
本实施例能够同时反演多个走时，通过比较不同反演结果所包含的信息，可以更加全面地描述裂隙岩石的渗透特性，从而为地下水污染防治以及岩土工程建设起到促进作用。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
对具有裂隙的岩石试样进行密封处理，并在密封膜表面设置若干注入端口和测量端口；
在注入端口以恒定压力向岩石试样中注入压缩气体，并在测量端口测量气压值，得到压力曲线；
对岩石试样的中心部分进行离散化处理，基于压力曲线中最大压力值的设定百分比所对应的走时与裂隙岩石扩散系数之间的关系进行反演，得到扩散系数剖面图，关系为积分关系：
其中，tα，h表示压力曲线最大压力值的某一百分比所对应的走时，D表示扩散系数，fα，h表示转换因子，表达式为
其中tpeak表示脉冲响应的峰值到达时间，tα，h表示压力曲线最大压力值的某一百分比所对应的走时；
细化网格，之后对压力曲线包括峰值时间在内的多个走时进行反演，并对重构的扩散系数剖面图进行比较。
2.根据权利要求1所述的一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，其特征在于，所述岩石试样具有设定孔隙率，以使压缩气体顺利通过岩石试样。
3.根据权利要求1所述的一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，其特征在于，所述注入端口和测量端口在密封膜上均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，其特征在于，通过选择不同位置注入端口注入压缩气体，不同位置测量端口测量压力进行多次试验。
5.根据权利要求1所述的一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，其特征在于，通过气泵向管路中输入压缩气体，所述管路上设置压力控制器，以使管路中的压缩气体具有恒定压力。
6.根据权利要求5所述的一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，其特征在于，所述管路的输入端还设置质量流量控制器，管路的输出端安装质量流量计；所述质量流量控制器、质量流量计分别连接数据采集器。
7.根据权利要求1所述的一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，其特征在于，采用压力传感器在测量端口测量压力值。
8.根据权利要求1所述的一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，其特征在于，利用转换因子
得到压力曲线最大压力值的设定百分比所对应的走时与裂隙岩石的扩散系数分布之间的积分关系，其中tpeak表示脉冲响应的峰值到达时间，tα，h表示压力曲线最大压力值的某一百分比所对应的走时；基于对走时线积分的线性化得到满足设定函数的扩散系数分布。
9.根据权利要求8所述的一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，其特征在于，所述函数表示为：
扩散系数分布使得所述函数最小；其中，
表示走时的观测值，
表示走时的估计值。
10.根据权利要求1所述的一种表征裂隙岩石渗透特性的层析成像方法，其特征在于，采用交错网格法细化网格以提升图像分辨率。
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