CN111157430A - 模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的方法 - Google Patents

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陈世壮
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徐卫亚
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    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change

Abstract

本发明公开了一种模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的方法，当岩样外壁水压力大于内壁水压力，水从外壁流向内壁，整个岩样处于受压状态；当岩样外壁水压力小于内壁水压力，水从内壁流向外壁，整个岩样处于受拉状态。本发明方法借用径向渗流试验原理，测量岩石试样受拉或受压应力状态下渗透系数，很好揭示了岩样渗透系数不仅与岩样本身的水物理化学性质有关，还与岩样所处的应力状态有关。

Description

模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的方法
技术领域
本发明涉及岩石渗透性试验技术领域，特别涉及一种模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的装置和方法。
背景技术
岩石渗透性是指流体通过岩石的能力。岩石渗流对岩石力学性质影响极大，其会改变岩石的受力状态，引起岩石变形、破裂、软化、泥化或溶融等，从而危及岩体的稳定性，因此研究岩石渗透性对岩石力学具有重要意义。通常情况下，岩体结构、岩体中的微裂纹、岩体应力和地下水物理化学性质都会影响到岩石的渗透性能。但现有的研究成果大多都只局限于岩体结构、地下水因素对岩石渗透性能的影响，对于岩体所处应力状态对岩石渗透性能产生的影响研究较少。故有必要设计一种模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的装置和方法。
发明内容
本发明的目的是通过径向渗流原理，对岩石在受拉或受压条件下的应力状态进行模拟，揭示了岩石渗透系数不仅与岩样本身与水物理化学性质有关，还与岩样所处的应力状态有关，并比较分析两种状态下渗透性的大小，建立渗透系数-应力状态的相关函数关系，对岩石内部渗透机理进一步揭示。
本发明采用如下技术方案：
一种模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的装置，包括试验机，试验机内部具有一个渗水腔，渗水腔底部设置有下透水石，待测定岩石试样放置于渗水腔中，且岩石试样的底端放置在下透水石上，岩石试样的顶端设置有上透水石，轴压系统通过上透水石作用在岩石试样的顶端；
岩石试样的导管上连接出水管一和水泵一，水泵一与导管连通的水管上设置有压力传感器一，渗水腔侧壁上连通有水泵二，连接水泵二的水管上设置有压力传感器二，下透水石上连接出水管二。
由于岩石属于低渗流体，具有较为致密的裂隙和微裂纹，因此该装置采用高压水泵进行供水，减少了渗透试验的时间，提高试验效率。
优选地，岩石试样的外侧壁上粘贴有若干个应力传感贴片，可与相同状态下的渗透系数对应，建立渗透系数-应力状态曲线图，进一步支管揭示对岩石内部渗透机理。
作为优选实施例，岩石试样整体是直径为60mm，高度为150mm的圆柱体结构，试样内部具有一个顶部敞口的圆柱形空腔，圆柱形空腔的直径为12mm，高度为125mm，圆柱形空腔中插入导管，导管插入圆柱形空腔中的深度为25mm。
一种模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的方法，包括：
第一步，采用浇筑的方法制备岩石试样；岩石试样整体是圆柱体结构，试样内部具有一个顶部敞口的圆柱形空腔，圆柱形空腔中插入导管，用密封管套将导管固定在岩石试样顶部，最后对岩石试样的上下端面涂抹防渗涂料，进行密封处理；
第二步，将已制作好的岩石试样安装在试验机上，在岩石试样顶端和底端分别设置上透水石和下透水石；通过轴压系统对岩石试样进行轴压加载，待加载数据稳定后，固定轴压应力水平；
第三步，模拟岩石试样受压状态；首先打开水泵二和出水口一，关闭水泵一和出水口二，将水沿径向压入放置岩石试样的压力腔中进行渗透试验；待压力传感器一显示数据p1和压力传感器二显示数据p2达到稳定时，记录数据p1、p2值和水泵二中流量值Q2并停止加压，则p＝p2-p1，通过达西定律公式得到岩石试样受压状态下渗透系数k1；其中，p为岩石试样内外压强差，γw为水的重度，Q2为水的流量值，L为岩石试样的高度，R为岩石试样断面外部直径，r为岩石试样断面内部直径；
第四步，模拟岩石试样受拉状态；首先打开水泵一和出水口二，关闭水泵二和出水口一，将水通过导管注入岩石试样的空腔内，沿径向压出岩石试样进行渗透试验；待压力传感器一显示数据p1和压力传感器二显示数据p2达到稳定时，记录数据p1、p2值和水泵一中流量值Q1并停止加压，则p＝p1-p2，通过达西定律公式得到岩石试样受拉状态下的渗透系数k2；其中，p为岩石试样内外压强差，γw为水的重度，Q1为水的流量值，L为岩样的高度，R为岩样断面外部直径，r为岩样断面内部直径。
本方法还可以包括第五步，在岩石试样外侧壁环向设置多个应力传感贴片，应力传感贴片上的应力值传输至应力传感器上，把应力传感器上记录的处于应力场中岩样中心处的应力σ，进行积分求和再除以圆周周长，得到应力值记为此状态下岩石内部所受应力特征值σ’，即为：与此状态下所求得的渗透系数对应，建立渗透系数-应力状态曲线图。
本发明的有益效果：
本发明装置借用径向渗流试验原理，可模拟岩石试样的受拉或受压应力状态，并测量受拉或受压应力状态下岩石渗透系数。
本发明方法借用径向渗流试验原理，测量岩石试样受拉或受压应力状态下渗透系数，很好揭示了岩样渗透系数不仅与岩样本身的水物理化学性质有关，还与岩样所处的应力状态有关。由于常规状态下，岩样在受拉时容易产生裂缝，层间渗流出现紊流现象，故该方法解决了在受拉状态下渗透系数不便测量的问题。
附图说明
图1显示了岩石试样的结构，其中，a显示了岩石试样受压状态下导管内的水流方向，b显示了岩石试样受拉状态下导管内的水流方向，c显示了岩石试样受压状态，d显示了岩石试样受拉状态；
图2显示了加载装置示意图；
图3显示了拉、压应力状态下渗透系数-应力状态曲线图。
1-密封管套，2-导管，3-岩石试样，4-空腔，5-出水口一，6-试验机，7水泵二，8压力传感器二，9-下透水石，10-轴压系统，11-水泵一，12-压力传感器一，13-上透水石，14-渗水腔，15-力学传感器，16-出水口二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
如图2，一种模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的装置，包括试验机6，试验机内部具有一个渗水腔14，渗水腔底部设置有下透水石9，待测定岩石试样放置于渗水腔中，且岩石试样的底端放置在下透水石上，岩石试样的顶端设置上透水石13，轴压系统作用通过上透水石作用在岩石试样的顶端；
岩石试样的导管上连接出水管一和水泵一，水泵一与导管连通的水管上设置有压力传感器一12，渗水腔侧壁上连通有水泵二7，连接水泵二的水管上设置有压力传感器二8，下透水石上连接出水管二。
岩石试样的外侧壁上粘贴有若干个应力传感贴片。
本实施例中，水泵一、二均为高压水泵。
一种模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的方法，包括：
第一步，采用浇筑的方法制备岩石试样；岩石试样3整体是直径为60mm，高度为150mm的圆柱体结构，试样内部中心位置具有一个顶部敞口的圆柱形空腔4，圆柱形空腔的直径为12mm，高度为125mm，圆柱形空腔中插入导管2，导管插入圆柱形空腔中的深度为25mm，用密封管套1将导管固定，最后对岩石试样的上下端面涂抹防渗涂料，进行密封处理；本实施例中，制作了10组相同的试样，编号为1、2....10；
第二步，将已制作好的岩石试样安装在试验机6上，在岩石试样顶端和底端分别设置上透水石和下透水石；通过轴压系统10对岩石试样进行轴压加载，待加载数据稳定后，固定轴压应力水平；
第三步，模拟岩石试样受压状态，本实施例中分别对编号为1、2、3、4、5的岩石试样进行受压状态下的渗透系数检测、计算；首先打开水泵二7和出水口一5，关闭水泵一11和出水口二16，将水沿径向压入放置岩石试样的渗水腔14中进行渗透试验；由于此时岩石试样外壁水压力大于内壁水压力，水从外壁流向内壁，整个岩石试样处于受压状态，如图1中a、c所示；待压力传感器一12显示数据p1和压力传感器二8显示数据p2达到稳定时，记录数据p1，p2值和水泵二中流量值Q2并停止加压，则p＝p2-p1，通过达西定律公式得到岩石试样受压状态下渗透系数k1；其中，p为岩石试样内外压强差，γw为水的重度，Q2为水的流量值，L为岩石试样的高度，R为岩石试样断面外部直径，r为岩石试样断面内部直径。得到的五组岩石试样受压状态下的渗透系数如表1所示：
表1
第四步，模拟岩石试样受拉状态，本实施例中分别对编号为6、7、8、9、10的岩石试样进行受拉状态下的渗透系数检测、计算；首先打开水泵一11和出水口二16，关闭水泵二7和出水口一5，将水通过导管注入岩石试样的空腔内，沿径向压出岩石试样进行渗透试验；由于此时岩石试样外壁水压力小于内壁水压力，水从内壁流向外壁，整个岩石试样处于受拉状态，如图1中b、d所示；待压力传感器一显示数据p1和压力传感器二显示数据p2达到稳定时，记录数据p1，p2值和水泵一中流量值Q1并停止加压，则p＝p1-p2，通过达西定律公式得到岩石试样受拉状态下的渗透系数k2；其中，p为岩石试样内外压强差，γw为水的重度，Q1为水的流量值，L为岩样的高度，R为岩样断面外部直径，r为岩样断面内部直径。得到的五组岩石试样受拉状态下的渗透系数如表2所示：
表2
比较分析上述两种状态下渗透系数的大小，试验结果说明：受拉状态下渗透系数大于受压状态下渗透系数，即k2>k1，也验证了"受压状态下有利于岩样裂纹闭合产生裂纹滑移，受拉状态有利于岩石张性裂纹的形成"的原理。
第五步，在岩石试样外侧壁环向设置多个应力传感贴片，应力传感贴片上的应力值传输至应力传感器15上，把应力传感器上记录的处于应力场中岩样中心处的应力σ，进行积分求和再除以圆周周长，得到应力值记为此状态下岩石内部所受应力特征值σ’，即为：结果如表1、2所示，与此状态下所求得的渗透系数对应，建立渗透系数-应力状态曲线图，如图3。

Claims (5)

1.模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的装置，其特征在于，包括试验机，试验机内部具有一个渗水腔，渗水腔底部设置有下透水石，待测定岩石试样放置于渗水腔中，且岩石试样的底端放置在下透水石上，岩石试样的顶端设置有上透水石，轴压系统通过上透水石作用在岩石试样的顶端；
岩石试样的导管上连接出水管一和水泵一，水泵一与导管连通的水管上设置有压力传感器一，渗水腔侧壁上连通有水泵二，连接水泵二的水管上设置有压力传感器二，下透水石上连接出水管二。
2.根据权利要求1所述的模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的装置，其特征在于，岩石试样的外侧壁上粘贴有若干个应力传感贴片。
3.根据权利要求1所述的模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的装置，其特征在于，岩石试样整体是直径为60mm，高度为150mm的圆柱体结构，试样内部具有一个顶部敞口的圆柱形空腔，圆柱形空腔的直径为12mm，高度为125mm，圆柱形空腔中插入导管，导管插入圆柱形空腔中的深度为25mm。
4.模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的方法，其特征在于，包括：
第一步，采用浇筑的方法制备岩石试样；岩石试样整体是圆柱体结构，试样内部具有一个顶部敞口的圆柱形空腔，圆柱形空腔中插入导管，用密封管套将导管固定在岩石试样顶部，最后对岩石试样的上下端面涂抹防渗涂料，进行密封处理；
第二步，将已制作好的岩石试样安装在试验机上，在岩石试样顶端和底端分别设置上透水石和下透水石；通过轴压系统对岩石试样进行轴压加载，待加载数据稳定后，固定轴压应力水平；
第三步，模拟岩石试样受压状态；首先打开水泵二和出水口一，关闭水泵一和出水口二，将水沿径向压入放置岩石试样的压力腔中进行渗透试验；待压力传感器一显示数据p1和压力传感器二显示数据p2达到稳定时，记录数据p1、p2值和水泵二中流量值Q2并停止加压，则p＝p2-p1，通过达西定律公式得到岩石试样受压状态下渗透系数k1；其中，p为岩石试样内外压强差，γw为水的重度，Q2为水的流量值，L为岩石试样的高度，R为岩石试样断面外部直径，r为岩石试样断面内部直径；
第四步，模拟岩石试样受拉状态；首先打开水泵一和出水口二，关闭水泵二和出水口一，将水通过导管注入岩石试样的空腔内，沿径向压出岩石试样进行渗透试验；待压力传感器一显示数据p1和压力传感器二显示数据p2达到稳定时，记录数据p1、p2值和水泵一中流量值Q1并停止加压，则p＝p1-p2，通过达西定律公式得到岩石试样受拉状态下的渗透系数k2；其中，p为岩石试样内外压强差，γw为水的重度，Q1为水的流量值，L为岩样的高度，R为岩样断面外部直径，r为岩样断面内部直径。
5.根据权利要求4所述的模拟在拉或压应力状态下测定岩石渗透性能的方法，其特征在于，还可以包括：第五步，在岩石试样外侧壁环向设置多个应力传感贴片，应力传感贴片上的应力值传输至应力传感器上，把应力传感器上记录的处于应力场中岩样中心处的应力σ，进行积分求和再除以圆周周长，得到应力值记为此状态下岩石内部所受应力特征值σ’，即为：与此状态下所求得的渗透系数对应，建立渗透系数-应力状态曲线图。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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