CN111504856B - 一种岩体裂隙气液两相渗流实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩体裂隙气液两相渗流实验装置和方法，涉及岩土工程技术领域，实验装置包括：气液预混部分，二氧化碳气体与清水在气液混合箱中完成预混过程；渗流部分，将两块岩样板胶结固定在渗流实验盒的内部，两块岩样板之间的缝隙模拟煤体裂隙，并作为渗流实验中气液混合流体流经的通道；监测控制部分，用于对渗流实验时时监测和控制。本发明的有益效果是，通过高压低温条件下，预先将二氧化碳气体溶解于清水中，之后再通过升温降压，使二氧化碳在水中凝聚成气泡并均匀分布，再结合气液混合流动形态实时显微观测的方法，为岩体裂隙中气液两相渗流的研究提供硬件基础。

Description

一种岩体裂隙气液两相渗流实验装置和方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种岩体裂隙气液两相渗流实验装置和方法。

背景技术

岩土工程技术领域中，由于地层岩体通常含有大量的裂隙，因此其中的渗流现象普遍存在，例如，地下水在岩层中的流动、煤层中的煤层气流动等等。值得注意的是，很多情况下，地层中流动的流体并非单一相态，而是气液两相的混合渗流。搞清岩体裂隙中气液两相渗流的机理，对油气开发等许多工程都有重要的指导意义。因此，岩体裂隙中气液两相渗流特性和机理，是长期以来的研究热点。

岩体裂隙中气液两相渗流行为较为复杂，对于这一问题，已有的物理实验方法通常是搭建渗流实验平台，在岩样上端头分别设置注气口和注液口，调节气液流量和压力，实现稳态渗流，并在岩样下端头分别测试气体流量和液体流量，从而计算渗透率。但该方法一方面实验效果通常不佳，主要表现在：气液难以实现均匀混合，即在气液分别注入的情况下，注入气体难以在液相中形成分布均匀的气泡，而是聚集在注气口处，导致难以在裂隙内形成稳态流动，因此，岩样下端头出口处的气液流量波动较大，影响渗透率测定效果。另一方面，现有的气液两相渗流实验，裂隙岩体通常是封闭在不透明的金属腔体中，无法有效观测到内部混合流体中气泡的数量、尺寸、分布均匀性，而这些参数势必成为影响渗透率的重要因素。因此，有效观测混合流体的形态特征，是能够深入研究岩体裂隙中气液两相渗流的必要条件。

基于此，开发能解决现有实验方法存在的技术问题，为岩体裂隙中气液两相渗流的研究提供硬件基础的实验装置成为本领域急需解决的问题。

发明内容

为解决现有岩体裂隙中气液两相渗流中存在的气液混合不匀导致的测定数据不准确，以及无法观测内部混合流体形态的技术问题，本发明公开了一种岩体裂隙气液两相渗流实验装置和方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种岩体裂隙气液两相渗流实验装置，包括：

气液预混部分，包括气液混合箱，二氧化碳气体与清水在气液混合箱中完成预混过程；

渗流部分，包括渗流实验盒，将两块岩样板胶结固定在渗流实验盒的内部，两块岩样板之间的缝隙模拟煤体裂隙，并作为渗流实验中气液混合流体流经的通道；

监测控制部分，用于对渗流实验时时监测和控制。

进一步地，所述气液混合箱的顶部设置进气口和进液口，进气口通过一高压软管与二氧化碳气瓶相连接，进液口通过另一高压软管与储液罐相连接。

进一步地，空气压缩制冷机产生的冷气通过冷却管流经气液混合箱的内部，在气液混合箱的内部还设有搅拌器。

进一步地，所述渗流实验盒为立方体结构形式，且左侧挡板可拆卸，渗流实验盒的顶部设置注液口，底部设置出液口，注液口通过高压管线与设置在气液混合箱一侧的出液口相连接，且在该段高压管线上还设置有微流阀和压力传感器，出液口通过另一高压管线与气液分离器相连接，且在该段高压管线上还是设置有温度传感器，所述气液分离器上设有出气管和出液管，出气管上安装有气体流量计，出液管上安装有液体流量计。

进一步地，两块岩样板为前岩样板和后岩样板，分别胶结固定于渗流实验盒的前挡板和后挡板上，在渗流实验盒的后挡板上还固定安装有电热板，所述渗流实验盒上方还开设有观测口，观测口的内部用钢化玻璃填充，前岩样板的厚度等于钢化玻璃超出前挡板的厚度，后岩样板的厚度等于电热板的厚度，前岩样板、后岩样板之间的缝隙成为气液混合流体流经的通道。

进一步地，监测控制部分包括显微摄像机和计算机，所述显微摄像机正对实验盒上的观测口，用于观测渗流实验盒内部流体中气泡形态的显微摄像机，计算机接收压力传感器、温度传感器、气体流量计、液体流量计传送来的监测数据，同时接收显微摄像机传送来的检测图像，计算机控制电热板、显微摄像机的启动与关闭，计算机内部的图像分析程序可实现监测图像中气泡数量、气泡平均直径、气液体积比例的分析。

进一步地，所述渗流实验盒按照内部电热板与观测口内钢化玻璃之间的间距不同可划分为多个不同型号。

本发明的另一个目的在于，公开一种岩体裂隙气液两相渗流实验方法，采用上述实验装置，具体包括如下步骤：

(1)水溶二氧化碳

通过储液罐向气液混合箱内加清水，开启搅拌器持续搅拌，通过二氧化碳气瓶向气液混合箱内注入二氧化碳，同时开启空气压缩制冷机进行制冷，在搅拌和低温条件下，高压二氧化碳会在水中逐渐溶解直至饱和，此时停止注入二氧化碳；

(2)渗流实验盒选型

设置实验过程中的裂隙开度，并选取相应型号的渗流实验盒；

(3)制备、安装岩样

现场采集煤样并切割成立方块形状，选取两块煤样进一步打磨，作为实验用前岩样板和后岩样板，分别胶结固定于渗流实验盒的前挡板和后挡板上，两块岩样板之间的缝隙模拟煤体裂隙，将左侧板安装、密封；

(4)注液、气液形态监测

开启微流阀，溶解有二氧化碳的清水会在气液混合箱内压力的作用下经注液口进入气液混合箱，在降压、加热作用下，溶解的二氧化碳会在清水中聚集形成二氧化碳气泡，成为气液混合两相流体，两相流体流经前岩样板、后岩样板之间的模拟裂隙后，从出液口进入气液分离器内实现二氧化碳气体和清水分离；气体流量、液体流量时时将监测数据传送至计算机，气液混合流动形态被显微摄像机实时拍摄并传送至计算机，经过分析计算可分别得到流体中气泡数量、气泡平均直径、气液体积比例参数；

(5)调节温度、压力

调整实验温度和压力，根据气液流量结合达西方程，分别计算不同温度和压力条件下的气液渗透率；

(6)绘制气液渗透率与流体参数相关性曲线

根据实验监测数据，分析实验过程中气体渗透率、清水渗透率、气泡平均直径与注入压力的关系，绘制气体渗透率、清水渗透率与流体参数的相关性曲线。

进一步地，步骤(5)中，实验过程中设定温度恒定在30℃，压力变化范围为1MPa至5MPa。

进一步地，步骤(6)中，流体参数包括气泡数量、气泡平均直径、气液体积比例、流体压力。

本发明的有益效果是，相比传统的气液两相渗流实验，本发明通过高压、低温条件下预先将二氧化碳气体溶解于清水中，之后再升温、降压使二氧化碳在水中凝聚成气泡并均匀分布，确保在两相渗流实验过程中，气泡在流体内部均匀分布，形成均质的气液两相混合流体，利于获得准确有效的渗透率数据。另外，在渗流实验盒中设置钢化玻璃观测口，实现了气液混合流动形态实时显微观测，可以有效分析气液渗透率与两相流体中气泡数量、气泡平均直径、气液体积比例的相关性，有利于深入分析岩体裂隙中气液两相渗流的特性和机理。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例2所得气液渗透率与流体参数相关性曲线图。

附图标记说明：

1、二氧化碳气瓶；2、储液罐；3、气液混合箱；4、搅拌器；5、空气压缩制冷机；6、冷却管；7、渗流实验盒；8、注液口；9、电热板；10、压力传感器；11、温度传感器；12、岩样板；13、气液分离器；14、气体流量计；15、液体流量计；16、微流阀；17、钢化玻璃；18、出气管；19、出液管；20、显微摄像机；21、计算机；22、二氧化碳气泡。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，一种岩体裂隙气液两相渗流实验装置，包括：

气液预混部分，包括气液混合箱3，二氧化碳气体与清水在气液混合箱3中完成预混过程，气液两相分别通入气液混合箱3中。

渗流部分，包括渗流实验盒7，将两块岩样板12胶结固定在渗流实验盒7的内部，两块岩样板12之间的缝隙模拟煤体裂隙，该裂隙即可作为渗流实验中气液混合流体流经的通道。

监测控制部分，用于对渗流实验时时监测和控制。

特别的，上述气液混合箱3的顶部设置进气口和进液口，进气口通过一高压软管与二氧化碳气瓶1相连接，二氧化碳气瓶1为实验提供所需的二氧化碳气体，进液口通过另一高压软管与储液罐2相连接，储液罐2为实验提供所需的液相，本发明中液相采用清水即可。

特别的，上述空气压缩制冷机5产生的冷气通过冷却管6流经气液混合箱3的内部，为实验过程提供降温用冷气，气液混合箱3的内部还设有搅拌器4，搅拌器4可不断对注入气液混合箱3中的二氧化碳气体与清水进行搅拌，保证气液两相混合均匀。

特别的，上述渗流实验盒7为立方体结构形式，且左侧挡板可拆卸，左侧挡板可拆卸便于向渗流实验盒7中安装岩样板12；渗流实验盒7的顶部设置注液口8，底部设置出液口，注液口8通过高压管线与设置在气液混合箱3一侧的出液口相连接，溶解有二氧化碳气体的清水经注液口8进入渗流实验盒7中，渗流实验结束后经出液口排出渗流实验盒7。且在该段高压管线上还设置有微流阀16和压力传感器10，出液口通过另一高压管线与气液分离器13相连接，且在该段高压管线上还是设置有温度传感器11，上述气液分离器13上设有出气管18和出液管19，出气管18上安装有气体流量计14，出液管19上安装有液体流量计15。

特别的，两块岩样板12为前岩样板和后岩样板，分别胶结固定于渗流实验盒7的前挡板和后挡板上，在渗流实验盒7的后挡板上还固定安装有电热板9，电热板9可为实验环境进行加热；上述渗流实验盒7上方还开设有观测口，观测口的内部用高强度的钢化玻璃17填充并密封，前岩样板的厚度等于钢化玻璃17超出前挡板的厚度，后岩样板的厚度等于电热板9的厚度，前岩样板、后岩样板之间的缝隙成为渗流实验中气液混合流体流经的通道。

特别的，监测控制部分包括显微摄像机20和计算机21，上述显微摄像机20正对实验盒上的观测口，用于观测渗流实验盒7内部流体中气泡形态的显微摄像机20；计算机21与压力传感器10、温度传感器11、气体流量计14、液体流量计15、显微摄像机20分别电连接，用于接收压力传感器10、温度传感器11、气体流量计14、液体流量计15传送来监测到的时时压力、温度、气体流量、液体流量等数据，同时接收显微摄像机20时时传送来的检测图像，计算机21还可控制电热板9、显微摄像机20的启动与关闭，计算机21内部安装有图像分析程序，可实现监测图像中气泡数量、气泡平均直径、气液体积比例的数据分析。

特别的，上述渗流实验盒7按内部安装的电热板9与观测口内填充的钢化玻璃17之间的间距不同可划分为多个不同型号，如0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm。

本发明中，通过高压低温条件下，预先将二氧化碳气体溶解于清水中，之后再通过升温升压，使二氧化碳在水中凝聚成气泡并均匀分布，再结合气液混合流动形态实时显微观测的方法，为岩体裂隙中气液两相渗流的研究提供硬件基础。

实施例2

本发明的还公开一种岩体裂隙气液两相渗流实验方法，采用上述实施例1中的岩体裂隙气液两相渗流实验装置，具体包括如下步骤：

(1)水溶二氧化碳

通过储液罐2向气液混合箱3内加入2L清水，开启搅拌器4持续搅拌气液混合箱3中的清水，通过二氧化碳气瓶1向气液混合箱3内注入二氧化碳，同时开启空气压缩制冷机5进行制冷，在搅拌和低温条件下，高压二氧化碳会在水中逐渐溶解直至饱和，此时停止注入二氧化碳。

(2)渗流实验盒选型

该气液两相混合流体在煤体裂隙中的渗流特性实验中，裂隙开度设定为0.2mm，并选取相应型号的渗流实验盒7，即渗流实验盒7内电热板9和观测口内钢化玻璃17之间的间距等于0.2mm。

(3)制备、安装岩样

现场采集煤样并切割成立方块形状，选取两块煤样进一步打磨，作为实验用前岩样板和后岩样板，前岩样板的厚度等于观测口内钢化玻璃17超出渗流实验盒7前挡板的厚度为0.8cm，后岩样板的厚度等于电热板9的厚度0.6cm，将前岩样板、后岩样板分别胶结固定于渗流实验盒7的前挡板和后挡板上，两块岩样板12之间的缝隙即可用于模拟煤体裂隙，将左侧板安装、密封。

(4)注液、气液形态监测

开启微流阀16，溶解有二氧化碳的清水会在气液混合箱3内压力的作用下经注液口8进入气液混合箱3，流至电热板9与钢化玻璃17之间的缝隙，在降压、加热作用下，溶解的二氧化碳会逐渐在清水中聚集形成二氧化碳气泡22，成为气液混合两相流体，两相流体流经前岩样板、后岩样板之间的模拟裂隙后，从气液混合箱3底部的出液口进入气液分离器13内，实现二氧化碳气体和清水分离；气体流量、液体流量时时将监测数据传送至计算机21，同时，气液混合流动形态被显微摄像机20实时拍摄并传送至计算机21，经过计算机21中图像分析程序分析计算，可分别得到流体中气泡数量、气泡平均直径、气液体积比例参数。

(5)调节温度、压力

调整实验温度和压力，根据气液流量结合达西方程，分别计算不同温度和压力条件下的气液渗透率；

实验过程中设定温度恒定在30℃，压力变化范围为1MPa至5MPa，调节不同压力，分别进行实验。

(6)绘制气液渗透率与流体参数相关性曲线

根据实验监测数据，分析实验过程中气体渗透率、清水渗透率、气泡平均直径与注入压力的关系，绘制气体渗透率、清水渗透率与流体参数的相关性曲线，如图2所示。

上述流体参数包括气泡数量、气泡平均直径、气液体积比例、流体压力。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种岩体裂隙气液两相渗流实验装置，其特征在于，包括：

气液预混部分，二氧化碳气体与清水在气液混合箱中完成预混过程；

渗流部分，将两块岩样板胶结固定在渗流实验盒的内部，两块岩样板之间的缝隙模拟煤体裂隙，并作为渗流实验中气液混合流体流经的通道；

监测控制部分，用于对渗流实验时时监测和控制；

所述气液混合箱的顶部设置进气口和进液口，进气口通过一高压软管与二氧化碳气瓶相连接，进液口通过另一高压软管与储液罐相连接；

空气压缩制冷机产生的冷气通过冷却管流经气液混合箱的内部，在气液混合箱的内部还设有搅拌器；

所述渗流实验盒为立方体结构形式，且左侧挡板可拆卸，渗流实验盒的顶部设置注液口，底部设置出液口，注液口通过高压管线与设置在气液混合箱一侧的出液口相连接，且在该段高压管线上还设置有微流阀和压力传感器，出液口通过另一高压管线与气液分离器相连接，且在该段高压管线上还是设置有温度传感器，所述气液分离器上设有出气管和出液管，出气管上安装有气体流量计，出液管上安装有液体流量计；

两块岩样板为前岩样板和后岩样板，分别胶结固定于渗流实验盒的前挡板和后挡板上，在渗流实验盒的后挡板上的后岩样板上方还固定安装有电热板，所述渗流实验盒上方还开设有观测口，观测口的内部用钢化玻璃填充，前岩样板的厚度等于钢化玻璃超出前挡板的厚度，后岩样板的厚度等于电热板的厚度，前岩样板、后岩样板之间的缝隙成为气液混合流体流经的通道。

2.如权利要求1所述的一种岩体裂隙气液两相渗流实验装置，其特征在于，监测控制部分包括显微摄像机和计算机，所述显微摄像机正对实验盒上的观测口，计算机接收压力传感器、温度传感器、气体流量计、液体流量计传送来的监测数据，同时接收显微摄像机传送来的检测图像。

3.如权利要求1所述的一种岩体裂隙气液两相渗流实验装置，其特征在于，所述渗流实验盒按照内部电热板与观测口内钢化玻璃之间的间距不同可划分为多个不同型号。

4.一种岩体裂隙气液两相渗流实验方法，采用如权利要求1-3中任一所述的实验装置，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)水溶二氧化碳

通过储液罐向气液混合箱内加清水，开启搅拌器持续搅拌，通过二氧化碳气瓶向气液混合箱内注入二氧化碳，同时开启空气压缩制冷机进行制冷，在搅拌和低温条件下，高压二氧化碳会在水中逐渐溶解直至饱和，此时停止注入二氧化碳；

(2)渗流实验盒选型

设置实验过程中的裂隙开度，并选取相应型号的渗流实验盒；

(3)制备、安装岩样

现场采集煤样并切割成立方块形状，选取两块煤样进一步打磨，作为实验用前岩样板和后岩样板，分别胶结固定于渗流实验盒的前挡板和后挡板上，两块岩样板之间的缝隙模拟煤体裂隙，将左侧板安装、密封；

(4)注液、气液形态监测

开启微流阀，溶解有二氧化碳的清水会在气液混合箱内压力的作用下经注液口进入气液混合箱，流至电热板与钢化玻璃之间的缝隙，在降压、加热作用下，溶解的二氧化碳会在清水中聚集形成二氧化碳气泡，成为气液混合两相流体，两相流体流经前岩样板、后岩样板之间的模拟裂隙后，从出液口进入气液分离器内实现二氧化碳气体和清水分离；气体流量、液体流量时时将监测数据传送至计算机，气液混合流动形态被显微摄像机实时拍摄并传送至计算机，经过分析计算可分别得到流体中气泡数量、气泡平均直径、气液体积比例参数；

(5)调节温度、压力

调整实验温度和压力，根据气液流量结合达西方程，分别计算不同温度和压力条件下的气液渗透率；

(6)绘制气液渗透率与流体参数相关性曲线

根据实验监测数据，分析实验过程中气体渗透率、清水渗透率、气泡平均直径与注入压力的关系，绘制气体渗透率、清水渗透率与流体参数的相关性曲线。

5.如权利要求4所述的一种岩体裂隙气液两相渗流实验方法，其特征在于，步骤(5)中，实验过程中设定温度恒定在30℃，压力变化范围为1MPa至5MPa。

6.如权利要求4所述的一种岩体裂隙气液两相渗流实验方法，其特征在于，步骤(6)中，流体参数包括气泡数量、气泡平均直径、气液体积比例、流体压力。

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