CN111595550B - 一种得到岩石裂缝中液体驱替面位置的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种得到岩石裂缝中液体驱替面位置的装置及方法，水箱的顶端连通有用于提供稳定压力的气体加压装置；包括法向应力架，所述法向应力架的之间通过支撑板组件安装有用于模拟实验的岩石裂缝模拟试样，所述岩石裂缝模拟试样的四周设置有用于对实验过程监控的多个高速摄像机；所述水箱的底端出水口通过高压水管与岩石裂缝模拟试样相连通的裂缝相连通；能够直接观察得到填充物的运动损失规律，方便研究人员从平面和立面观测驱替运行的规律，具有观测直观，操作简单，数据采集方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及岩石裂缝中液体驱替领域，即对传统驱替方法进行创新升级从而得到在任意时刻能得到驱替面位置变化的方法。
背景技术
驱替过程在工业生产的诸多方面都有应用，如果能提高对驱替过程的认识和了解程度将会提高工业生产的原料利用率和生产效率等。对于驱替过程，在现实的施工过程中一般采用的是传统仪器和方法来研究驱替过程。其优点是制作成本较低，运行设备的投资也较少。但同时缺点是通常只能用入口处和出口处物质（例如出口压力、入口压力、流速等）来推算物质在岩石裂缝空间中物质驱替的过程和空间内部岩石物质的掉落情况。这一驱替过程对于研究人员来说就相当于一个黑匣子，不能准确的知道其内部的情况。驱替过程不可视意味着不能进行数据采集和图像分析及图像处理，也不能快速直观的对实验过程及实验数据中出现的问题做出准确的判断和处理。
如何更好的观测到驱替过程中介质内液体的流动过程和实时平面位置成为研究人员的一大难题，本发明研究一种在任何时刻都能得到岩石裂缝中液体驱替过程中驱替面位置的变化的方法。为了得到液体在驱替过程中的驱替面位置变化，可以将传统的驱替方法进行改良升级。例如在模拟的岩石板下的凸起物上安置小型摄影机，将传统仪器没有办法检测出来的内部流动状况通过图像直观地、实时地展现出来，便于更好的了解和观测驱替效果。
发明内容
针对研究人员无法直接观测驱替过程中液体位置的变化也无法通过采集数据进行图像分析的问题，本发明提供一种得到岩石裂缝中液体驱替面位置的装置及方法，通过对实验装置和实验方法进行了创新性升级，能够直接观察得到填充物的运动损失规律，方便研究人员从平面和立面观测驱替运行的规律，具有观测直观，操作简单，数据采集方便的特点。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种得到岩石裂缝中液体驱替面位置的装置，它包括水箱，所述水箱的顶端连通有用于提供稳定压力的气体加压装置；
包括法向应力架，所述法向应力架的之间通过支撑板组件安装有用于模拟实验的岩石裂缝模拟试样，所述岩石裂缝模拟试样的四周设置有用于对实验过程监控的多个高速摄像机；
所述水箱的底端出水口通过高压水管与岩石裂缝模拟试样相连通的裂缝相连通；
所述水箱内部盛放有能够改变密度的示踪气泡和多种不同密度、不相容且具有不同颜色的溶液以清楚的观察到多种不相容液体的运动轨迹，进而区分经过驱替面的驱替液体与被驱替液体，再通过多个高速摄像机进行清晰拍摄，进而得到驱替面的运动轨迹和驱替面的形状变化，方便观察过程，以直观的得到驱替过程。
所述气体加压装置包括用于储存高压氮气的氮气瓶，所述氮气瓶的出气口连接有高压气管，所述高压气管上安装有气体控制阀门，所述高压气管的另一端与水箱的顶部进气口相连通。
所述法向应力架包括底部矩形框架和顶部矩形框架，所述底部矩形框架和顶部矩形框架之间通过对拉螺栓固定相连，并能够调节两者的间距。
所述支撑板组件包括设置在法向应力架的底部矩形框架上的底部透明支撑板，包括设置在法向应力架的顶部矩形框架上的顶部透明支撑板。
所述水箱的内部设置有能够升降的加压板，其底部设置有出液口，所述出液口通过高压水管与岩石裂缝模拟试样的岩石裂缝相连通。
所述岩石裂缝模拟试样由可固化的胶状物质与真实环境中的裂缝岩石表面接触拓印，待可固化的胶状物质固化后取出，切成需要的大小并与提供稳定受力面的支撑板组件和法向应力架相结合，由上、下两块已经拓好岩板的可固化的胶状物质固化后组合一起，模拟岩石裂缝，让驱替液在模拟裂缝中按事先选好的路径运动。
所述可固化的胶状物质采用环氧树脂胶水制作而成。
所述岩石裂缝模拟试样上连接有声波探伤设备，在实验开始前，运用该设备对岩石裂缝模拟试样的四周进行声波探伤检测，来得到岩石裂缝模拟试样中模拟裂缝各个横截面的长度和宽度，进而确定模拟裂缝在岩石裂缝模拟试样中的姿态，并在实验前进行调整以达到最优的实验效果，通过此声波探伤设备确定模拟裂缝的宽度，为后续的分析提供可靠的数据，所述声波探伤设备与数字化分析设备相连。
所述岩石裂缝模拟试样的模拟裂缝连接有示踪气体实验设备，所述示踪气体实验设备观察单个示踪气泡的具体流动路径，通过软件PowerDirector9.0对实验过程进行图像分帧，并截取各个阶段示踪气泡的图像，按照顺序导入CAD中，画出各个阶段的示踪气泡所在的位置，并与实际岩体的大小进行类比，即可得出示踪气泡所在岩体的具体位置，进而得到模拟裂缝的宽度，所述踪气体实验设备与数字化分析设备相连。
所述岩石裂缝中液体驱替面位置的装置进行实验的方法，包括以下步骤：
S1：通过气体加压装置提供稳定压力，打开氮气瓶的气体控制阀门，氮气瓶中压缩的氮气被释放，释放的氮气通过高压气管进入到水箱，提供气压；
S2：气体压力装换成水箱的水压，从氮气瓶中出来的气体压力给水箱中的驱替液压力，并推动驱替液向水箱的出口处运动；
S3：水箱中的驱替液的运动推动实验区内驱替液的运动来驱替被驱替液；
S4：在向岩石裂缝模拟试样注入驱替液的过程中，通过模拟裂缝中的透明土和模拟岩石表面的突起物来阻拦液体的驱替，以得到真实的现象；
S5：通过实验区内高速摄像机的观察和人为的设定得到数据，来得到驱替面各点随时间的位置变化；
S6：成通过数字化分析设备得到的一系列数据，分析出多个图表来用于实地的工作。
本发明有如下有益效果：
1、本发明提出的实验方法及需要的实验装置较为简单，可直观的观测驱替实验的具体实验过程及任意时刻驱替液体的平面位置，可有效的解决现阶段研究人员无法直接了解驱替过程的问题，本发明研究设计出一种全新的驱替实验的实验方法，在实际工业生产中有诸多方面的应用，其创新性巨大，思路合理可行，具有广泛应用于实际生产生活的前景。
2、通过用透明土模拟实验过程中掉落岩石替换土做填充物，既可以发挥阻碍液体流动的作用又可以通过肉眼观察得到填充物的运动损失规律，方便在平面和立面观测岩石裂缝中液体驱替过程中驱替面位置的变化。
3、通过在岩石裂缝中的驱替液体添加荧光物质的方法，在实验过程中可以制造出黑暗环境，将实验装置用紫外线照射，通过上述120帧高速摄影机实时显示出驱替过程的连续图像。
4、将驱替液体与被驱替液体用特殊性质的溶液使他们分层，通过120帧高速摄影机清晰拍摄多种不同密度不相容具有不同颜色的液体，可以方便的得到驱替面的运动轨迹和驱替液体的流动规律。
5、通过岩石板的局部可拆装的方法，设置合理的观测孔，将120帧高速摄影机安置在模拟岩石裂缝的装置四周，通过高速摄影机可以更加方便直接的看到某一时刻在具体的某一位置溶液的驱替过程，进而得到驱替过程中驱替面的变化。
6.此外，本发明的实验设备可以在局部化和整体化间转变，进行局部观察后可也以将局部合拢成整体继续实验，实验的效率可以得到大幅提高。
7、本发明创新的在输入驱替液体的同时向驱替液体中输入气泡，通过120帧高速摄影机来观察气泡的运动规律侧面得到岩石裂缝中液体驱替过程中驱替面的位置变化。
8、通过控制氮气瓶口的阀门进而控制氮气的流速，从而控制输出的气压，使得驱替液体沿着岩石裂缝向前运动，更加真实的模拟岩石裂缝中驱替时的压力值，实验结果真实可靠。
9、通过在岩石板平面上施加不同压力，可以用120帧高速摄影机观测在不同压力改变量下稳定面如何移动，在实验设备上可能会呈现等势或等值图像，综合相关公式可以将路径上水头损失定值化求出。
10、区域化流量不变单位时间内流出的液体的体积相同，将120帧摄影机拍摄得到的图像进行分析和位置追踪，进而将厚度用解析法解析出来。
11、可固化的胶状物质由环氧树脂胶水制作得到具有环保无毒，粘接强度高，韧性好，耐油，耐水，耐酸碱，绝缘性好等众多优点，无需加热，可常温固化。
12、在数字化分析设备中，将高速摄影机采集的数据和研究人员手动输入的数据结合，具有精度高、劳动强度小、便于保存管理及应用、易于发布等特点。还可以根据需要将处理后的数据进行再次加工，使得研究的效率得到大幅提高。体现了科学化，数字化和自动化的科研过程。
13、引用声波探伤设备和示踪气体实验设备可以较准确的得到裂缝宽度，为后续数字化分析提供数据，使实验的结果更科学更准确。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的整体装置图的结构示意图
图2为本发明的氮气瓶结构示意图。
图3为本发明的产生压力的底部矩形框架结构示意图。
图4为本发明的产生压力的顶部矩形框架结构示意图。
图5为本发明的气体压力转换成液压的水箱的结构示意图。
图6为本发明的采用高速摄像机观测时的主视图。
图7为本发明的采用高速摄像机观测时的俯视图。
图中：氮气瓶1、高压气管2、法向应力架3、支撑板组件4、透明土5、高压水管6、促进剂7、高速摄像机8、示踪气泡9、溶液10、气体控制阀门11、岩石裂缝模拟试样12、水箱13、胶状物质14、数字化分析设备15、声波探伤设备16、示踪气体实验设备17、模拟裂缝18、加压板19、顶部进气口20、出液口21、驱替面22；
底部矩形框架301、顶部矩形框架302；
底部透明支撑板401、顶部透明支撑板402。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参见图1-7，一种得到岩石裂缝中液体驱替面位置的装置，它包括水箱13，所述水箱13的顶端连通有用于提供稳定压力的气体加压装置；包括法向应力架3，所述法向应力架3的之间通过支撑板组件4安装有用于模拟实验的岩石裂缝模拟试样12，所述岩石裂缝模拟试样12的四周设置有用于对实验过程监控的多个高速摄像机8；所述水箱13的底端出水口通过高压水管6与岩石裂缝模拟试样12相连通的裂缝相连通；所述水箱13内部盛放有能够改变密度的示踪气泡9和多种不同密度、不相容且具有不同颜色的溶液10以清楚的观察到多种不相容液体的运动轨迹，进而区分经过驱替面22的驱替液体与被驱替液体，再通过多个高速摄像机8进行清晰拍摄，进而得到驱替面22的运动轨迹和驱替面的形状变化，方便观察过程，以直观的得到驱替过程。通过采用上述结构的装置，能够用于岩石裂缝中液体驱替面位置的监测，具体工作过程中，通过气体加压装置能够用于对实验过程中的水箱13进行加压，通过水箱13加压之后，能够将溶液10注入到岩石裂缝模拟试样12的内部，并通过高速摄像机8对模拟缝隙中的驱替进行监测。
进一步的，所述气体加压装置包括用于储存高压氮气的氮气瓶1，所述氮气瓶1的出气口连接有高压气管2，所述高压气管2上安装有气体控制阀门11，所述高压气管2的另一端与水箱13的顶部进气口20相连通。通过上述的气体加压装置能够实现加压，工作过程中，氮气瓶1在实验前装满标准压力的氮气，当实验开始时打开氮气瓶口的气体控制阀门11，通过调节氮气瓶口的气体控制阀门11将可提供稳定压力的氮气瓶1中的氮气输出，进而给实验设备提供实验所需的法向应力以及法向应力处于稳定状态。连接氮气瓶1阀门和水箱的高压气管2将氮气瓶口的气体控制阀门11与气体压力转换成液压的水箱13相连接，氮气瓶提供的气压经过连接氮气瓶阀门和水箱的高压气管2施加给水箱里的液体，使水箱13成为可以提供水压的装置。
进一步的，所述法向应力架3包括底部矩形框架301和顶部矩形框架302，所述底部矩形框架301和顶部矩形框架302之间通过对拉螺栓固定相连，并能够调节两者的间距。法向应力架3由上下各多条钢筋围成的口子形的形状和多根长钢筋杆构成稳定的结构，在连接的地方加上螺母进行固定，实验主体装置被固定在他们围成的长方体区域，通过调节螺母的松紧来达到可以提供法向应力的作用。
进一步的，所述支撑板组件4包括设置在法向应力架3的底部矩形框架301上的底部透明支撑板401，包括设置在法向应力架3的顶部矩形框架302上的顶部透明支撑板402。实验过程中，提供稳定受力面的支撑板组件4与可产生压力的法向应力架3紧密贴合，当可产生压力的法向应力架3提供法向应力时，应力作用到提供稳定受力面的底部透明支撑板401和顶部透明支撑板402上，可使力在提供稳定受力面的支撑板组件4上均匀分布，进而可以将稳定的法向应力作用到岩石裂缝模拟试样12，达到可进行实验的条件。此外，岩石裂缝模拟试样12由多块提供稳定受力面的透明支撑板紧密拼接完成，使实验装置可以做到通过局部化的观察来保证数据的准确性。
进一步的，所述水箱13的内部设置有能够升降的加压板19，其底部设置有出液口21，所述出液口21通过高压水管6与岩石裂缝模拟试样12的岩石裂缝18相连通。通过加压板19用于对水箱13内部液体进行加压。
进一步的，模拟实验过程中掉落岩石的透明土5由全氟磺酸物制作完成，透明土本身不透明，当透明土吸收足够的水分时，就会变得透明，在发挥阻碍液体流动作用的同时给实验的可视观察提供条件。
进一步的，氮气瓶口的气体控制阀门11可以控制氮气的流速从而控制输出的气压，使驱替液体沿裂缝向前运动，可以更加真实的模拟岩石裂缝中液体驱替时的压力差，让实验结果更加贴近实际。
进一步的，可使实验液体固化的硬化剂和促进剂7添加在驱替液中添加在水箱中，可使实验液体固化的硬化剂和促进剂7在有需要的时候可使液体快速硬化，得到稳定状态下的驱替面的静止状态，给实验进行更加细致的观察条件。
进一步的，所述岩石裂缝模拟试样12由可固化的胶状物质与真实环境中的裂缝岩石表面接触拓印，待可固化的胶状物质固化后取出，切成需要的大小并与提供稳定受力面的支撑板组件4和法向应力架3相结合，由上、下两块已经拓好岩板的可固化的胶状物质固化后组合一起，模拟岩石裂缝，让驱替液在模拟裂缝18中按事先选好的路径运动。
进一步的，所述可固化的胶状物质采用环氧树脂胶水制作而成。环氧树脂胶水制作得到具有环保无毒，粘接强度高，韧性好，耐油，耐水，耐酸碱，绝缘性好等众多优点，无需加热，可常温固化。
进一步的，所述岩石裂缝模拟试样12上连接有声波探伤设备16，在实验开始前，运用该设备对岩石裂缝模拟试样12的四周进行声波探伤检测，来得到岩石裂缝模拟试样12中模拟裂缝18各个横截面的长度和宽度，进而确定模拟裂缝18在岩石裂缝模拟试样12中的姿态，并在实验前进行调整以达到最优的实验效果，通过此声波探伤设备16确定模拟裂缝18的宽度，为后续的分析提供可靠的数据，所述声波探伤设备16与数字化分析设备15相连。
进一步的，所述岩石裂缝模拟试样12的模拟裂缝18连接有示踪气体实验设备17，所述示踪气体实验设备17观察单个示踪气泡9的具体流动路径，通过软件PowerDirector9.0对实验过程进行图像分帧，并截取各个阶段示踪气泡9的图像，按照顺序导入CAD中，画出各个阶段的示踪气泡9所在的位置，并与实际岩体的大小进行类比，即可得出示踪气泡9所在岩体的具体位置，进而得到模拟裂缝18的宽度，所述踪气体实验设备17与数字化分析设备15相连。
进一步的，数字化分析设备15由计算机通过分析摄像机拍摄和人工输入数据，得到法向应力，渗透压，时间，距离，扩散面积，高度，运动轨迹和宽度进而得到驱替面各点随时间的位置变化。
实施例2：
所述岩石裂缝中液体驱替面位置的装置进行实验的方法，包括以下步骤：
S1：通过气体加压装置提供稳定压力，打开氮气瓶1的气体控制阀门11，氮气瓶中压缩的氮气被释放，释放的氮气通过高压气管2进入到水箱13，提供气压；
S2：气体压力装换成水箱13的水压，从氮气瓶1中出来的气体压力给水箱中的驱替液压力，并推动驱替液向水箱13的出口处运动；
S3：水箱13中的驱替液的运动推动实验区内驱替液的运动来驱替被驱替液；
S4：在向岩石裂缝模拟试样12注入驱替液的过程中，通过模拟裂缝18中的透明土5和模拟岩石表面的突起物来阻拦液体的驱替，以得到真实的现象；
S5：通过实验区内高速摄像机8的观察和人为的设定得到数据，来得到驱替面22各点随时间的位置变化；
S6：成通过数字化分析设备15得到的一系列数据，分析出多个图表来用于实地的工作。
Claims (4)
1.采用岩石裂缝中液体驱替面位置的装置进行实验的方法，所述岩石裂缝中液体驱替面位置的装置包括水箱（13），所述水箱（13）的顶端连通有用于提供稳定压力的气体加压装置；
包括法向应力架（3），所述法向应力架（3）的之间通过支撑板组件（4）安装有用于模拟实验的岩石裂缝模拟试样（12），所述岩石裂缝模拟试样（12）的四周设置有用于对实验过程监控的多个高速摄像机（8）；
所述水箱（13）的底端出水口通过高压水管（6）与岩石裂缝模拟试样（12）相连通的裂缝相连通；
所述水箱（13）内部盛放有能够改变密度的示踪气泡（9）和多种不同密度、不相容且具有不同颜色的溶液（10）以清楚的观察到多种不相容液体的运动轨迹，进而区分经过驱替面（22）的驱替液体与被驱替液体，再通过多个高速摄像机（8）进行清晰拍摄，进而得到驱替面（22）的运动轨迹和驱替面的形状变化，方便观察过程，以直观的得到驱替过程；
所述法向应力架（3）包括底部矩形框架（301）和顶部矩形框架（302），所述底部矩形框架（301）和顶部矩形框架（302）之间通过对拉螺栓固定相连，并能够调节两者的间距；
所述支撑板组件（4）包括设置在法向应力架（3）的底部矩形框架（301）上的底部透明支撑板（401），包括设置在法向应力架（3）的顶部矩形框架（302）上的顶部透明支撑板（402）；
所述岩石裂缝模拟试样（12）由可固化的胶状物质与真实环境中的裂缝岩石表面接触拓印，待可固化的胶状物质固化后取出，切成需要的大小并与提供稳定受力面的支撑板组件（4）和法向应力架（3）相结合，由上、下两块已经拓好岩板的可固化的胶状物质固化后组合一起，模拟岩石裂缝，让驱替液在模拟裂缝（18）中按事先选好的路径运动；
所述可固化的胶状物质采用环氧树脂胶水制作而成；
所述岩石裂缝模拟试样（12）的模拟裂缝（18）连接有示踪气体实验设备（17），所述示踪气体实验设备（17）观察单个示踪气泡（9）的具体流动路径，通过软件PowerDirector9.0对实验过程进行图像分帧，并截取各个阶段示踪气泡（9）的图像，按照顺序导入CAD中，画出各个阶段的示踪气泡（9）所在的位置，并与实际岩体的大小进行类比，即得出示踪气泡（9）所在岩体的具体位置，进而得到模拟裂缝（18）的宽度，所述示踪气体实验设备（17）与数字化分析设备（15）相连；
其特征在于，所述实验的方法包括以下步骤：
S1：通过气体加压装置提供稳定压力，打开氮气瓶（1）的气体控制阀门（11），氮气瓶中压缩的氮气被释放，释放的氮气通过高压气管（2）进入到水箱（13），提供气压；
S2：气体压力装换成水箱（13）的水压，从氮气瓶（1）中出来的气体压力给水箱中的驱替液压力，并推动驱替液向水箱（13）的出口处运动；
S3：水箱（13）中的驱替液的运动推动实验区内驱替液的运动来驱替被驱替液；
S4：在向岩石裂缝模拟试样（12）注入驱替液的过程中，通过模拟裂缝（18）中的透明土（5）和模拟岩石表面的突起物来阻拦液体的驱替，以得到真实的现象；
S5：通过实验区内高速摄像机（8）的观察和人为的设定得到数据，来得到驱替面（22）各点随时间的位置变化；
S6：通过数字化分析设备（15）得到的一系列数据，分析出多个图表来用于实地的工作。
2.根据权利要求1所述采用岩石裂缝中液体驱替面位置的装置进行实验的方法，其特征在于：所述气体加压装置包括用于储存高压氮气的氮气瓶（1），所述氮气瓶（1）的出气口连接有高压气管（2），所述高压气管（2）上安装有气体控制阀门（11），所述高压气管（2）的另一端与水箱（13）的顶部进气口（20）相连通。
3.根据权利要求1所述采用岩石裂缝中液体驱替面位置的装置进行实验的方法，其特征在于：所述水箱（13）的内部设置有能够升降的加压板（19），其底部设置有出液口（21），所述出液口（21）通过高压水管（6）与岩石裂缝模拟试样（12）的模拟裂缝（18）相连通。
4.根据权利要求1所述采用岩石裂缝中液体驱替面位置的装置进行实验的方法，其特征在于：所述岩石裂缝模拟试样（12）上连接有声波探伤设备（16），在实验开始前，运用该设备对岩石裂缝模拟试样（12）的四周进行声波探伤检测，来得到岩石裂缝模拟试样（12）中模拟裂缝（18）各个横截面的长度和宽度，进而确定模拟裂缝（18）在岩石裂缝模拟试样（12）中的姿态，并在实验前进行调整以达到最优的实验效果，通过此声波探伤设备（16）确定模拟裂缝（18）的宽度，为后续的分析提供可靠的数据，所述声波探伤设备（16）与数字化分析设备（15）相连。
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