CN111693440B - 一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，涉及岩石裂隙渗流试验技术领域。该高仿真岩石裂隙渗流试验方法，采用流体供给单元、岩石裂隙渗流试验装置、第一压力传感器、第二压力传感器、流量传感器、第一流体管路和第二流体管路；方法包括如下步骤：步骤一、试验装置布置；步骤二、岩石试样断裂面仿真；步骤三、数据采集及处理。本发明在室内试验中，高精度仿真模拟真实裂隙粗糙结构，高精度仿真模拟岩石裂隙渗流过程，仿真模拟真实裂隙粗糙结构的操作以及仿真模拟岩石裂隙渗流过程操作简单，数据采集方便，有助于方便快捷地研究岩石裂隙粗糙度和裂隙开度对岩石裂隙渗流特性的影响。
Description
技术领域
本发明涉及岩石裂隙渗流试验技术领域，具体地说是涉及一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法。
背景技术
地下水、油气、煤层气和地热等资源都只能在裂隙高度发展的岩层中开采，油气地层与煤层的水力压裂更需精准控制岩层裂隙中流体注入量，而放射性核废料的地质封存、CO2地下储存等则需尽量减少岩体中的流体渗透。岩石破裂后形成的裂隙是主要的渗流通道，而获取裂隙流动特征是控制岩石渗流影响的前提，因此岩石裂隙渗流一直是工程研究的热点。
针对岩石裂隙渗流问题，许多学者通过理论研究、数值模拟和物理试验等方法进行了大量的研究。对于复杂几何特征的天然裂隙，直接从现场进行试验的难度较大而且干扰因素较多，因此一般采用室内试验模拟天然裂隙渗流。
目前，在岩石裂隙渗流室内试验中，采用的裂隙试件一般都是简化制作的，比如采用光滑的平行玻璃板、在玻璃板上贴砂粒模拟粗糙壁面、通过随机方法产生粗糙裂隙面等等。这些粗糙裂隙面的模拟方法与真实岩石裂隙仍存在一定差距，不足以充分反映裂隙壁面的粗糙结构，导致岩石裂隙渗流试验结果不够准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，仿真岩石裂隙壁面并模拟岩石裂隙渗流，有助于研究岩石裂隙粗糙度和裂隙开度对岩石裂隙渗流特性的影响。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：
一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，采用流体供给单元、岩石裂隙渗流试验装置、第一压力传感器、第二压力传感器、流量传感器、第一流体管路和第二流体管路；岩石裂隙渗流试验装置包括透明盒体、活杆和软膜；所述透明盒体为长方体，透明盒体的左右两端分别设置有流体进口端和流体出口端，透明盒体设置为可拆卸的上盒体和下盒体；上盒体的顶板设置为上插板，上插板上均匀布置多个插管；下盒体的底板设置为下插板，下插板上均匀布置多个插管；所述插管内设置活杆，插管的末端设置有锁紧件，锁紧件用于限定活杆的位置；活杆位于透明盒体内的一端设置有粘膜件，所述软膜位于透明盒体内；所述粘膜件粘接软膜的外表面，软膜的内表面设置为磨砂面；
方法包括如下步骤：
步骤一、试验装置布置
将流体供给单元经第一流体管路连接透明盒体的流体进口端，将第二流体管路连接透明盒体的流体出口端，在第一流体管路上设置第一压力传感器，在第二流体管路上设置第二压力传感器和流量传感器；
从上插板伸入透明盒体内活杆上的粘膜件均粘接一片软膜的外表面，从下插板伸入透明盒体内活杆上的粘膜件均粘接另一片软膜的外表面；
步骤二、岩石试样断裂面仿真
将岩石试样破裂为两块，将其中一块破裂的岩石试样的断裂面挤压上插板上活杆位于透明盒体外的一端，将其中另一块破裂的岩石试样的断裂面挤压下插板上活杆位于透明盒体外的一端；所有活杆沿着插管移动，一片软膜的内表面呈现一块破裂的岩石试样断裂面的形状，另一片软膜的内表面呈现另一块破裂的岩石试样断裂面的形状，在同一竖直位置使两片软膜保持设定间距，用锁紧件限定活杆当前的位置，将两块破裂的岩石试样移走，密封各插管，一片软膜的边沿与上盒体的内壁密封连接，另一片软膜的边沿与下盒体的内壁密封连接，两片软膜之间形成模拟裂隙空间，流体进口端、流体出口端位于模拟裂隙空间横截面内的位置，将上盒体和下盒体密封连接；
步骤三、数据采集及处理
启动流体供给单元，流体经第一流体管路、流体进口端进入模拟裂隙空间，并从流体出口端、第二流体管路流出；
模拟裂隙空间沿流体流动方向的长度为L；
采集第一压力传感器和第二压力传感器的压力读数之差，记为ΔP；
计算得到流体在模拟裂隙空间沿流体流动方向的压力梯度J，
流量传感器的流量读数，记为Q；
根据非线性渗透定律公式J＝AQ+BQ2，多次拟合数据得到线性项系数A和非线性项系数B的变化趋势。
优选的，所述流体供给单元包括流体打压泵和流体容器，流体打压泵的进入端经流体供给管路连接流体容器；
步骤一中，流体打压泵的流出端经第一流体管路连接透明盒体的流体进口端。
优选的，所述粘膜件包括装配套和粘接片，装配套设置于粘接片上，活杆位于透明盒体内的一端连接装配套，所述粘接片由硅胶材料制成；通过粘接片粘接软膜的外表面；
步骤一中，从上插板伸入透明盒体内活杆上的粘接片均粘接一片软膜的外表面，从下插板伸入透明盒体内活杆上的粘接片均粘接另一片软膜的外表面。
优选的，所述锁紧件包括锁紧支承座、锁紧套筒和锁紧螺母；锁紧支承座的中间开设通孔，锁紧套筒的侧壁开设若干个沿锁紧套筒轴向布置的缝隙，锁紧套筒的外表面设置为外螺纹；锁紧螺母螺纹连接于锁紧套筒的外表面后，锁紧套筒收缩；锁紧支承座设置于插管的末端，锁紧支承座上设置锁紧套筒，锁紧套筒内的空腔、锁紧支承座的通孔及插管内的空腔连通；所述活杆依次穿过锁紧套筒内的空腔、锁紧支承座的通孔及插管内的空腔；
步骤二中，将锁紧套筒的外表面螺纹连接锁紧螺母，锁紧套筒收缩，锁紧套筒挤压活杆，以用锁紧件限定活杆当前的位置。
优选的，所述插管内填充有橡胶材料，橡胶材料内插入活杆；
步骤二中，活杆沿着插管内的橡胶材料移动，在用锁紧件限定活杆当前的位置之前，橡胶材料先初步限定活杆当前的位置；在用锁紧件限定活杆当前的位置之后，通过插管内的橡胶材料密封各插管。
优选的，所述软膜设置为聚氯乙烯薄膜。
优选的，所述活杆上设置有刻度尺。
优选的，所述流体为水。
本发明的有益技术效果是：
本发明的高仿真岩石裂隙渗流试验方法，在室内试验中，高精度仿真模拟真实裂隙粗糙结构，高精度仿真模拟岩石裂隙渗流过程，仿真模拟真实裂隙粗糙结构的操作以及仿真模拟岩石裂隙渗流过程操作简单，数据采集方便，有助于方便快捷地研究岩石裂隙粗糙度和裂隙开度对岩石裂隙渗流特性的影响。
附图说明
图1为本发明实施例高仿真岩石裂隙渗流试验方法的流程图；
图2为本发明实施例试验装置布置示意图；
图3为本发明实施例岩石裂隙渗流试验装置的结构示意图一，图中省略了粘膜件、插管、流体进口端和流体出口端，图中破裂的岩石试样的断裂面未挤压活杆；
图4为本发明实施例岩石裂隙渗流试验装置的结构示意图二，图中省略了粘膜件、插管、流体进口端和流体出口端，图中破裂的岩石试样的断裂面挤压活杆，软膜的内表面呈现破裂的岩石试样断裂面的形状；
图5为本发明实施例岩石裂隙渗流试验装置的部分结构示意图，图中设置了插管；
图6为本发明实施例活杆及粘膜件的结构示意图；
图7为图6中A处的局部放大图；
图8为本发明实施例锁紧件的结构示意图；
图9为本发明实施例插管的剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例的高仿真岩石裂隙渗流试验方法，请参考图1至图9所示。
一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，采用流体供给单元、岩石裂隙渗流试验装置2、第一压力传感器31、第二压力传感器32、流量传感器4、第一流体管路51和第二流体管路52等。
流体供给单元包括流体打压泵11和流体容器12，流体打压泵11的进入端经流体供给管路13连接流体容器12。流体供给单元根据试验的要求，为岩石裂隙渗流试验装置2提供设定压力的流体。
岩石裂隙渗流试验装置2包括透明盒体、活杆22和软膜23等。
透明盒体为长方体，透明盒体设置为可拆卸的上盒体211和下盒体212，透明盒体的左右两端分别设置有流体进口端和流体出口端。
上盒体211的顶板设置为上插板2111，上插板2111上均匀布置多个插管24；下盒体212的底板设置为下插板2121，下插板2121上均匀布置多个插管24。
插管24内设置活杆22，插管24的末端设置有锁紧件7，锁紧件7用于限定活杆22的位置。本实施例中的软膜23设置为聚氯乙烯薄膜，厚度为0.5mm，软膜23的内表面设置为磨砂面。活杆22位于透明盒体内的一端设置有粘膜件，软膜23位于透明盒体内，粘膜件粘接软膜23的外表面。活杆22的移动带动软膜23的内表面形状发生变化。软膜23的内表面形状发生变化，并且，软膜23设置磨砂面的内表面，以仿真模拟岩石试样断裂面的裂隙粗糙度。
活杆22的直径为0.5mm，活杆22的侧壁设置有刻度尺，试验操作人员可以通过刻度尺确定活杆22相对于插管24的移动距离，以确保所有活杆22沿着插管24移动。所有活杆22移动，则说明软膜23的内表面仿真模拟了岩石试样断裂面的形状。
本实施例的方法包括如下步骤：
步骤一、试验装置布置
将流体供给单元经第一流体管路51连接透明盒体的流体进口端，具体的，流体打压泵11的流出端经第一流体管路51连接透明盒体的流体进口端。将第二流体管路52连接透明盒体的流体出口端，在第一流体管路51上设置第一压力传感器31，在第二流体管路52上设置第二压力传感器32和流量传感器4。
从上插板2111伸入透明盒体内活杆22上的粘膜件均粘接一片软膜23的外表面，从下插板2121伸入透明盒体内活杆22上的粘膜件均粘接另一片软膜23的外表面。
步骤二、岩石试样断裂面仿真
将岩石试样破裂为两块，将其中一块破裂的岩石试样的断裂面挤压上插板2111上活杆22位于透明盒体外的一端，将其中另一块破裂的岩石试样的断裂面挤压下插板2121上活杆22位于透明盒体外的一端。所有活杆22沿着插管24移动，一片软膜23的内表面呈现一块破裂的岩石试样断裂面的形状，另一片软膜23的内表面呈现另一块破裂的岩石试样断裂面的形状。在同一竖直位置使两片软膜23保持设定间距，以仿真模拟岩石试样断裂面之间的裂隙开度。使上插板2111或者下插板2121上的活杆22同步相对于插管24移动，以实现调节裂隙开度的目的。用锁紧件7限定活杆22当前的位置，以保持软膜23的形状。将两块破裂的岩石试样移走。密封各插管24，一片软膜23的边沿通过密封胶与上盒体211的内壁密封连接，另一片软膜23的边沿通过密封胶与下盒体212的内壁密封连接，两片软膜23之间形成模拟裂隙空间。流体进口端、流体出口端位于模拟裂隙空间横截面内的位置，将上盒体211和下盒体212密封连接。
步骤三、数据采集及处理
启动流体供给单元的流体打压泵11，调节流体的压力，流体(本实施例的流体为水)经第一流体管路51、流体进口端进入模拟裂隙空间，并从流体出口端、第二流体管路52流出；
模拟裂隙空间沿流体流动方向的长度为L；
采集第一压力传感器31和第二压力传感器32的压力读数之差，记为ΔP；
计算得到流体在模拟裂隙空间沿流体流动方向的压力梯度J，
流量传感器4的流量读数，记为Q；
根据非线性渗透定律公式J＝AQ+BQ2，多次拟合数据得到线性项系数A和非线性项系数B的变化趋势。
对于不同裂隙开度和粗糙度的断裂岩石试样，通过分析线性项系数A和非线性项系数B的变化，以反映岩石裂隙粗糙度和裂隙开度对岩石裂隙渗流特性的影响。
本实施例的粘膜件包括装配套61和粘接片62，装配套61设置于粘接片62上，活杆22位于透明盒体内的一端连接装配套61，所述粘接片62由硅胶材料制成；通过粘接片62粘接软膜23的外表面。对应的，步骤一中，从上插板2111伸入透明盒体内活杆22上的粘接片62均粘接一片软膜23的外表面，从下插板2121伸入透明盒体内活杆22上的粘接片62均粘接另一片软膜23的外表面。如此，在粘接片62的外表面涂覆胶水，使粘接片622粘接软膜23的外表面，且避免活杆22戳破软膜23。
需要说明的是，本实施例的试验方法，其耗损件为软膜23，其他部件、装置可以循环使用。
本实施例的锁紧件7包括锁紧支承座71、锁紧套筒72和锁紧螺母73；锁紧支承座71的中间开设通孔，锁紧套筒72的侧壁开设两个缝隙721，缝隙721沿锁紧套筒72轴向布置。锁紧套筒72的外表面设置为外螺纹722，缝隙721经过外螺纹722；锁紧螺母73螺纹连接于锁紧套筒72的外表面后，锁紧套筒72收缩。锁紧支承座71设置于插管24的末端，锁紧支承座71上设置锁紧套筒72，锁紧套筒72内的空腔、锁紧支承座71的通孔及插管24内的空腔连通。活杆22依次穿过锁紧套筒72内的空腔、锁紧支承座71的通孔及插管24内的空腔。对应的，步骤二中，将锁紧套筒72的外表面螺纹连接锁紧螺73母，锁紧套筒72收缩，锁紧套筒72挤压活杆22，以用锁紧件7限定活杆22当前的位置。
本实施例的插管24内填充有橡胶材料241，橡胶材料241内插入活杆22。对应的，步骤二中，活杆22沿着插管24内的橡胶材料241移动，在用锁紧件7限定活杆22当前的位置之前，橡胶材料241先初步限定活杆22当前的位置；在用锁紧件7限定活杆22当前的位置之后，通过插管24内的橡胶材料241密封各插管24。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法有了清楚的认识。本发明在室内试验中，高精度仿真模拟真实裂隙粗糙结构，高精度仿真模拟岩石裂隙渗流过程，仿真模拟真实裂隙粗糙结构的操作以及仿真模拟岩石裂隙渗流过程操作简单，数据采集方便，有助于方便快捷地研究岩石裂隙粗糙度和裂隙开度对岩石裂隙渗流特性的影响。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，其特征在于，采用流体供给单元、岩石裂隙渗流试验装置、第一压力传感器、第二压力传感器、流量传感器、第一流体管路和第二流体管路；岩石裂隙渗流试验装置包括透明盒体、活杆和软膜；所述透明盒体为长方体，透明盒体的左右两端分别设置有流体进口端和流体出口端，透明盒体设置为可拆卸的上盒体和下盒体；上盒体的顶板设置为上插板，上插板上均匀布置多个插管；下盒体的底板设置为下插板，下插板上均匀布置多个插管；所述插管内设置活杆，插管的末端设置有锁紧件，锁紧件用于限定活杆的位置；活杆位于透明盒体内的一端设置有粘膜件，所述软膜位于透明盒体内；所述粘膜件粘接软膜的外表面，软膜的内表面设置为磨砂面；
方法包括如下步骤：
步骤一、试验装置布置
将流体供给单元经第一流体管路连接透明盒体的流体进口端，将第二流体管路连接透明盒体的流体出口端，在第一流体管路上设置第一压力传感器，在第二流体管路上设置第二压力传感器和流量传感器；
从上插板伸入透明盒体内活杆上的粘膜件均粘接一片软膜的外表面，从下插板伸入透明盒体内活杆上的粘膜件均粘接另一片软膜的外表面；
步骤二、岩石试样断裂面仿真
将岩石试样破裂为两块，将其中一块破裂的岩石试样的断裂面挤压上插板上活杆位于透明盒体外的一端，将其中另一块破裂的岩石试样的断裂面挤压下插板上活杆位于透明盒体外的一端；所有活杆沿着插管移动，一片软膜的内表面呈现一块破裂的岩石试样断裂面的形状，另一片软膜的内表面呈现另一块破裂的岩石试样断裂面的形状，在同一竖直位置使两片软膜保持设定间距，用锁紧件限定活杆当前的位置，将两块破裂的岩石试样移走，密封各插管，一片软膜的边沿与上盒体的内壁密封连接，另一片软膜的边沿与下盒体的内壁密封连接，两片软膜之间形成模拟裂隙空间，流体进口端、流体出口端位于模拟裂隙空间横截面内的位置，将上盒体和下盒体密封连接；
步骤三、数据采集及处理
启动流体供给单元，流体经第一流体管路、流体进口端进入模拟裂隙空间，并从流体出口端、第二流体管路流出；
模拟裂隙空间沿流体流动方向的长度为L；
采集第一压力传感器和第二压力传感器的压力读数之差，记为ΔP；
计算得到流体在模拟裂隙空间沿流体流动方向的压力梯度J，
流量传感器的流量读数，记为Q；
根据非线性渗透定律公式J＝AQ+BQ2，多次拟合数据得到线性项系数A和非线性项系数B的变化趋势。
2.根据权利要求1所述的一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，其特征在于：所述流体供给单元包括流体打压泵和流体容器，流体打压泵的进入端经流体供给管路连接流体容器；
步骤一中，流体打压泵的流出端经第一流体管路连接透明盒体的流体进口端。
3.根据权利要求1所述的一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，其特征在于：所述粘膜件包括装配套和粘接片，装配套设置于粘接片上，活杆位于透明盒体内的一端连接装配套，所述粘接片由硅胶材料制成；通过粘接片粘接软膜的外表面；
步骤一中，从上插板伸入透明盒体内活杆上的粘接片均粘接一片软膜的外表面，从下插板伸入透明盒体内活杆上的粘接片均粘接另一片软膜的外表面。
4.根据权利要求1所述的一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，其特征在于：所述锁紧件包括锁紧支承座、锁紧套筒和锁紧螺母；锁紧支承座的中间开设通孔，锁紧套筒的侧壁开设若干个沿锁紧套筒轴向布置的缝隙，锁紧套筒的外表面设置为外螺纹；锁紧螺母螺纹连接于锁紧套筒的外表面后，锁紧套筒收缩；锁紧支承座设置于插管的末端，锁紧支承座上设置锁紧套筒，锁紧套筒内的空腔、锁紧支承座的通孔及插管内的空腔连通；所述活杆依次穿过锁紧套筒内的空腔、锁紧支承座的通孔及插管内的空腔；
步骤二中，将锁紧套筒的外表面螺纹连接锁紧螺母，锁紧套筒收缩，锁紧套筒挤压活杆，以用锁紧件限定活杆当前的位置。
5.根据权利要求1所述的一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，其特征在于：所述插管内填充有橡胶材料，橡胶材料内插入活杆；
步骤二中，活杆沿着插管内的橡胶材料移动，在用锁紧件限定活杆当前的位置之前，橡胶材料先初步限定活杆当前的位置；在用锁紧件限定活杆当前的位置之后，通过插管内的橡胶材料密封各插管。
6.根据权利要求1所述的一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，其特征在于：所述软膜设置为聚氯乙烯薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，其特征在于：所述活杆上设置有刻度尺。
8.根据权利要求1所述的一种高仿真岩石裂隙渗流试验方法，其特征在于：所述流体为水。
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