CN112362551B - 致密岩石渗透性室内便捷测定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种致密岩石渗透性室内便捷测定方法及系统，能够在室内便捷、有效地测定岩石的渗透率并得出其渗透性质。本发明所提供的方法包括：步骤1.取待测岩石加工成内部具有圆柱形的空腔、且从空腔边界任一点到岩样外表面的最短距离均相等的岩样，空腔上部开口、下部不贯穿岩样；步骤2.将岩样架设在支撑座上，用不透水塞堵塞住空腔开口，对堵塞处进行防水密封，不透水塞上预留有一充气孔作为加压通道；步骤3.通过充气孔向空腔中进行充气储气，通过气压监测传感器实时监测气压变化，达到预定压力值后，充气完毕；步骤4.根据气压监测传感器实时监测的气压变化数据，采用公式进行计算，得到岩样的渗透率。
Description
技术领域
本发明属于岩石渗透特性研究领域，具体涉及一种致密岩石渗透性室内便捷测定方法及系统。
背景技术
岩石渗透性质的研究是岩土工程中一个比较重要的领域。便捷、有效的获取岩石的渗透率对于一些工程，如揭示地下水流或污染物运移等特性的水文地质规律、水利工程中大坝选址、边坡渗流稳定分析、油气田的开发、高放废物的深地质处置等工程问题，具有十分重要的意义。
自Darcy于1856年建立的渗流定律为测量岩石渗透率的稳态法奠定了基础之后，测量岩石渗透率的稳态法方法被大为推广应用，但稳态法测量渗透率耗时长，而且对于低渗岩石的渗透率测量误差较大。1951年Hvorslevr提出微水实验法，即振荡式渗透试验，通过波的振幅衰减和相移来得出渗透率。之后，Brace于1968年提出瞬态压力脉冲法并应用到花岗岩的渗透率测量，瞬态压力脉冲法的优点在于其可以在较短时间内得到较准确的测试结果，而且为致密岩石的渗透率测量提供了有效方法，但此方法对于岩样制备、实验装置密封性和压力监测仪器精度要求较高，过程较稳态法复杂。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种致密岩石渗透性室内便捷测定方法及系统，能够在室内便捷、有效地测定岩石的渗透率并得出其渗透性质。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<方法>
本发明提供一种致密岩石渗透性室内便捷测定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.制样
取待测岩石加工成内部具有圆柱形的空腔、且从空腔边界任一点到岩样外表面的最短距离均相等的岩样，将最短距离记为l，空腔上部开口、下部不贯穿岩样；
步骤2.装样
将岩样架设在支撑座上，用不透水塞堵塞住空腔开口，对堵塞处进行防水密封，不透水塞上预留有一充气孔作为加压通道；
步骤3.预充气平衡
通过充气孔向空腔中进行充气储气，通过气压监测传感器实时监测气压变化，达到预定压力值后，充气完毕；
步骤4.气体渗透
根据气压监测传感器实时监测的气压变化数据，采用如下公式进行计算，得到岩样的渗透率：
式中，Pu为通过气压监测传感器监测到的空腔充气完成后的初始压力，ΔP＝0.8Pu，t为通过气压监测传感器监测到的空腔内部压力从Pu降低了ΔP所经历的时间，Vu为空腔内的容积，μ为流体的动力粘滞系数，Cf为流体的压缩系数，A为空腔壁的面积，l为从空腔边界任一点到岩样外表面的最短距离，k为待测渗透率。
优选地，本发明所涉及的致密岩石渗透性室内便捷测定方法，还可以具有这样的特征：岩样为圆柱体状或者正方体状，空腔为圆柱体状，设圆柱体状岩样的外径或者正方体状岩样的边长为空腔内径为/>则/>
优选地，本发明所涉及的致密岩石渗透性室内便捷测定方法，还可以具有这样的特征：l＝50mm～100mm，设置成该尺寸可以有效保障测量精度。
优选地，本发明所涉及的致密岩石渗透性室内便捷测定方法，还可以包括：步骤5.排尽充气管路中的气体，使气压恢复至当地大气压，然后重复步骤3至4进行平行试验得到多个渗透率k，然后确定最终渗透率。
<系统>
本发明还提供一种致密岩石渗透性室内便捷测定系统，其特征在于，包括：供气瓶；储气室，与供气瓶相连通，并设有排气口；支撑座，用于支撑岩样；不透水塞，密封塞堵住空腔开口，并且不透水塞上设有一充气孔作为加压通道；控制阀，设置在供气瓶出口；减压阀，设置在供气瓶与储气室的连通管道上；送气管路，将不透水塞的充气孔与供气瓶和储气室相连通；气压监测传感器，设置在送气管路上靠近不透水塞的一侧，用于实时监测空腔内气压变化；阀门部，包括：设置在供气瓶与储气室的连通管道上的第一阀门，设置在储气室排气口处的第二阀门，设置在送气管路上的第三阀门；控制部，与控制阀、减压阀、气压监测传感器、阀门部均通信相连，控制它们的运行，获取数据，并根据如下公式计算得到岩样的渗透率：式中，Pu为通过气压监测传感器监测到的空腔充气完成后的初始压力，ΔP＝0.8Pu，t为通过气压监测传感器监测到的空腔内部压力从Pu降低了ΔP所经历的时间，Vu为空腔内的容积，μ为流体的动力粘滞系数，Cf为流体的压缩系数，A为空腔壁的面积，l为从空腔边界任一点到岩样外表面的最短距离，k为待测渗透率。
本发明所涉及的致密岩石渗透性室内便捷测定系统，还可以包括：制样部，将待测岩石加工成内部具有空腔、且从空腔边界任一点到岩样外表面的最短距离均相等的岩样，将最短距离记为l，空腔上部开口、下部不贯穿岩样。
本发明所涉及的致密岩石渗透性室内便捷测定系统，还可以具有这样的特征：岩样为圆柱体状或者正方体状，空腔为圆柱体状，l＝50mm～100mm。
本发明所涉及的致密岩石渗透性室内便捷测定系统，还可以具有这样的特征：支撑座包括：底座，和固定在底座上、用于固定支撑岩样的支撑环。
本发明所涉及的致密岩石渗透性室内便捷测定系统，还可以包括：输入显示部，与控制部通信相连，对该控制部获取的监控数据进行显示，并对计算得到岩样的渗透率进行显示。
本发明所涉及的致密岩石渗透性室内便捷测定系统，还可以具有这样的特征：不透水塞为不透水橡皮塞。
发明的作用与效果
本发明所提供的致密岩石渗透性室内便捷测定方法及系统由于采用了以上技术方案，因此能够更便捷有效的测出待测岩石的渗透率，尤其是对低渗、致密岩石的渗透率测量。并且，与现有技术方法相比，操作更方便，装置更简单，无需对试样的两端密封，也无需在三轴仪或渗透仪中完成试验，不会因为密闭性难以保证和容易漏气而给试验带来误差，误差更小，结果更准确，测量效果更好，非常适合大范围推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的致密岩石渗透性室内便捷测定系统的结构示意图；
图2是本发明实施例涉及的岩样的结构示意图；
图3是图2中A-A方向的剖视图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的致密岩石渗透性室内便捷测定方法及系统作详细阐述。
<实施例>
如图1所示，致密岩石渗透性室内便捷测定系统10包含制样部、供气瓶11、储气室12、支撑座13、不透水塞14、控制阀15、减压阀16、送气管路17、气压监测传感器18、阀门部19以及计算机20。
制样部对待测岩石进行加工，使得待测岩石内部形成具有空腔的岩样S，且从空腔边界任一点到岩样S外表面的最短距离均相等，空腔C上部开口、下部不贯穿岩样S。如图2和3所示，本实施例中，加工后的岩样S外表面呈圆柱体形状，将从空腔C边界任一点到岩样S外表面的最短距离记为l，岩样S的外径为空腔C内径为/>则/>l＝50mm～100mm。
供气瓶11用于供给试验用气体，本实施例中供气瓶11为氮气瓶。
储气室12与供气瓶11相连通，顶端设有进气口，低端设有排气口。
支撑座13包括底座131和支撑环132，支撑环132固定在底座131上，用于固定支撑岩样S，将岩样S“垫”起来。
不透水塞14密封塞堵住空腔C开口，并且不透水塞14上设有一充气孔作为加压通道。本实施例中，不透水塞14为不透水橡皮塞。
控制阀15设置在供气瓶11出口。
减压阀16设置在供气瓶11与储气室12的连通管道上。
送气管路17将不透水塞14的充气孔与供气瓶11和储气室12相连通。
气压监测传感器18设置在送气管路17上靠近不透水塞14的一侧，用于实时监测空腔C内气压变化。
阀门部19包括：设置在供气瓶11与储气室12的连通管道上的第一阀门191，设置在储气室12排气口处的第二阀门192，设置在送气管路17上的第三阀门193。
本实施例中，所有管道/管路均采用金属管。
计算机20用于控制整个致密岩石渗透性室内便捷测定系统10的运行并获取试验数据得到测量结果，它包括控制部和输入显示部。
控制部与控制阀15、减压阀16、气压监测传感器18、阀门部19均通信相连，控制它们的运行，获取数据，并根据如下公式计算得到岩样S的渗透率：
式中，Pu为通过气压监测传感器监测到的空腔C充气完成后的初始压力，ΔP＝0.8Pu，t为通过气压监测传感器监测到的空腔内部压力从Pu降低了ΔP所经历的时间，Vu为空腔C内的容积，μ为流体的动力粘滞系数，Cf为流体的压缩系数，A为空腔C壁的面积，l为从空腔C边界任一点到岩样外表面的最短距离。
输入显示部与控制部通信相连，对该控制部获取的监控数据进行显示，并对计算得到岩样S的渗透率进行显示。
以上是致密岩石渗透性室内便捷测定系统10的具体结构，下面对该致密岩石渗透性室内便捷测定系统10的试验操作过程进行说明。
本实施例所提供的致密岩石渗透性室内便捷测定方法，包括如下步骤：
步骤1.制样
取待测岩石，钻取标准岩样，将标准岩样制备好之后，在其基础上沿轴线再钻一/>的圆柱岩样，使标准岩样内部形成空腔C，得到制备好的岩样S。
步骤2.装样
将岩样S架设在支撑环132上，用不透水塞14堵塞住空腔C开口，对堵塞处进行防水密封，不透水塞14上预留有一充气孔作为加压通道。
步骤3.预充气平衡
将控制阀15和第三阀门193开启，调节减压阀16向岩样S的空腔C中进行充气储气，通过气压监测传感器18实时监测气压变化，达到预定压力值后，充气完毕，关闭控制阀15。
步骤4.气体渗透
计算机根据气压监测传感器18实时监测的气压变化数据，采用如下公式进行计算，得到岩样S的渗透率：
式中，Pu为通过气压监测传感器监测到的空腔C充气完成后的初始压力，ΔP＝0.8Pu，t为通过气压监测传感器监测到的空腔内部压力从Pu降低了ΔP所经历的时间，Vu为空腔C内的容积，μ为流体的动力粘滞系数，Cf为流体的压缩系数，A为空腔C壁的面积，l为从空腔C边界任一点到岩样外表面的最短距离，k为待测渗透率。
步骤5.卸压、多次试验
首先，将第一阀门191和第二阀门192开启，第三阀门193处于开启状态，排尽管路中的气体，使气压恢复至当地大气压。每次试验完毕之后，需要进行此步骤，来保证每次试验刚开始时候内部管路的气压状态保持一致。
之后，关闭第二阀门192，重复步骤3至步骤4，多次试验得出结果以减小试验误差。这些试验结果和监控数据均通过输入显示部显示给测量员。测试完成后，拆除岩样S，打开第二阀门192，排尽储气室12中的压力气体，检查并关闭好控制阀15和第三阀门193，试验完毕。
上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的致密岩石渗透性室内便捷测定方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种致密岩石渗透性室内便捷测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制样
取待测岩石加工成内部具有空腔、且从空腔边界任一点到岩样外表面的最短距离均相等的岩样，将所述最短距离记为l，所述空腔上部开口、下部不贯穿所述岩样；
步骤2，装样
将所述岩样架设在支撑座上，用不透水塞堵塞住所述空腔开口，对堵塞处进行防水密封，所述不透水塞上预留有一充气孔作为加压通道；
步骤3，预充气平衡
通过所述充气孔向所述空腔中进行充气储气，通过气压监测传感器实时监测气压变化，达到预定压力值后，充气完毕；
步骤4，气体渗透
根据气压监测传感器实时监测的气压变化数据，采用如下公式进行计算，得到岩样的渗透率k：
式中，Pu为通过所述气压监测传感器监测到的空腔充气完成后的初始压力，ΔP＝0.8Pu，t为通过所述气压监测传感器监测到的所述空腔内部压力从Pu降低了ΔP所经历的时间，Vu为所述空腔内的容积，μ为流体的动力粘滞系数，Cf为流体的压缩系数，A为空腔壁的面积，l为从所述空腔边界任一点到所述岩样外表面的最短距离。
2.根据权利要求1所述的致密岩石渗透性室内便捷测定方法，其特征在于：
其中，所述岩样为圆柱体状，所述空腔为圆柱体状，设圆柱体状岩样的外径为所述空腔的内径为/>则/>
3.根据权利要求1所述的致密岩石渗透性室内便捷测定方法，其特征在于：
其中，l＝50mm～100mm。
4.根据权利要求1所述的致密岩石渗透性室内便捷测定方法，其特征在于，还包括：
步骤5.排尽充气管路中的气体，使气压恢复至当地大气压，然后重复步骤3至4进行平行试验得到多个渗透率k，再确定最终渗透率。
5.一种致密岩石渗透性室内便捷测定系统，其特征在于，包括：
供气瓶；
储气室，与所述供气瓶相连通，并设有排气口；
支撑座，用于支撑岩样；其中，所述岩样的内部具有空腔、且从空腔边界任一点到岩样外表面的最短距离均相等，所述空腔上部开口、下部不贯穿所述岩样；
不透水塞，密封塞堵住所述空腔开口，并且所述不透水塞上设有一充气孔作为加压通道；
控制阀，设置在所述供气瓶出口；
减压阀，设置在所述供气瓶与所述储气室的连通管道上；
送气管路，将所述不透水塞的充气孔与所述供气瓶和所述储气室相连通；
气压监测传感器，设置在所述送气管路上靠近所述不透水塞的一侧，用于实时监测空腔内气压变化；
阀门部，包括：设置在所述供气瓶与所述储气室的连通管道上的第一阀门，设置在所述储气室排气口处的第二阀门，设置在所述送气管路上的第三阀门；控制部，与所述控制阀、减压阀、气压监测传感器、阀门部均通信相连，控制它们的运行，获取数据，并根据如下公式计算得到岩样的渗透率k：
式中，Pu为通过所述气压监测传感器监测到的空腔充气完成后的初始压力，ΔP＝0.8Pu，t为通过所述气压监测传感器监测到的所述空腔内部压力从Pu降低了ΔP所经历的时间，Vu为所述空腔内的容积，μ为流体的动力粘滞系数，Cf为流体的压缩系数，A为空腔壁的面积，l为从所述空腔边界任一点到所述岩样外表面的最短距离。
6.根据权利要求5所述的致密岩石渗透性室内便捷测定系统，其特征在于，还包括：
制样部，将待测岩石加工成所述岩样。
7.根据权利要求6所述的致密岩石渗透性室内便捷测定系统，其特征在于：
其中，所述岩样为圆柱体状，所述空腔为圆柱体状，l＝50mm～100mm。
8.根据权利要求5所述的致密岩石渗透性室内便捷测定系统，其特征在于：
其中，所述支撑座包括：底座，和固定在底座上、用于固定支撑所述岩样的支撑环。
9.根据权利要求5所述的致密岩石渗透性室内便捷测定系统，其特征在于，还包括：
输入显示部，与所述控制部通信相连，对该控制部获取的监控数据进行显示，并对计算得到岩样的渗透率进行显示。
10.根据权利要求5所述的致密岩石渗透性室内便捷测定系统，其特征在于：
其中，所述不透水塞为不透水橡皮塞。
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