CN113624764A - 一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，其系统包括：过流系统、可视化岩体裂隙模型、光学与力学监测系统以及数据采集分析系统；可视化岩体裂隙模型包括岩体裂隙透明复制品，岩体裂隙透明复制品包括上下自然闭合的裂隙上部、裂隙下部和裂隙腔体；过流系统连接裂隙腔体用于实现裂隙腔体内部的多相流驱替迁移；光学与力学监测系统包括用于采集影像数据的相机组件以及用于对岩体裂隙透明复制品施加压力从而控制裂隙腔体的隙宽；数据采集分析系统包括计算机，根据压力值和影像数据对多相流驱替迁移过程进行监测分析。本发明能够完成岩体裂隙多相流驱替过程的光学与力学的可视化观测及测量的全过程分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，属于岩体渗流及多相流驱替试验技术领域。
背景技术
我国地下水资源中，含水层按介质类型主要分为平原、盆地松散沉积层地下水、喀斯特地下水和裂隙岩层地下水，裂隙岩层地下水为储量最丰富的地下水资源。由于易开采浅层区域的地下水的开采已达到饱和，而且由于利用所造成的地下水污染越来越严峻，人们逐渐将开发的重点转移至更深层的裂隙水，引发了与之相关的一系列环境方面的问题，如工矿业废水向地下排放，垃圾渗滤液及石油类物质的渗漏，深埋地下的管道老化而导致各种工业原料及污水下渗，储存于地层深部的核废料泄露等。开展岩体裂隙尺度渗流及多相流驱替的室内试验对揭示动态运动机理有重要的意义。然而，由于岩体裂隙具有强烈的非均质性和各向异性及试验装置的局限性，如传统的监测技术安装测压计和沿程取样分析等，往往只能控制进出口的边界条件和污染物浓度数据，得到的试验数据很局限，并且对原位监测数据有一定影响，不能对试验过程中的污染物在整个粗糙裂隙面的分布流态规律进行实时地、无干扰监测，无法解释多相流流态特征的控制因素及运动机理。
为了解决上述问题，本申请提供了一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，能够实现对裂隙腔体内多相流体进行实时观察和监测、数据分析处理，从而解决现有技术中无法直接观测多相流体在裂隙面的形态及对传统的扰动监测技术的问题
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，包括过流系统、可视化岩体裂隙模型、光学与力学监测系统以及数据采集分析系统；所述可视化岩体裂隙模型包括岩体裂隙透明复制品，所述岩体裂隙透明复制品包括上下自然闭合的裂隙上部和裂隙下部，所述裂隙上部和裂隙下部之间形成可供流体通过的裂隙腔体；所述过流系统连接裂隙腔体用于实现裂隙腔体内部的多相流驱替迁移；所述光学与力学监测系统包括设置于岩体裂隙透明复制品上方用于采集影像数据的相机组件以及设置于岩体裂隙透明复制品外侧用于对岩体裂隙透明复制品施加压力从而控制裂隙腔体的隙宽；所述数据采集分析系统包括计算机，通过所述计算机记录岩体外力控制装置施加的压力值以及相机组件采集的影像数据，并根据压力值和影像数据对多相流驱替迁移过程进行监测分析。
优选的，所述可视化岩体裂隙模型还包括设置于裂隙腔体前后两侧用于密封的橡胶垫片；所述裂隙腔体的左右两侧分别设置有进口水槽和出口水槽，所述进口水槽和出口水槽内分别设置有与裂隙腔体连通的长条形流通腔，所述进口水槽和出口水槽与裂隙腔体的连接处通过黏胶或软性橡胶进行密封。
优选的，所述过流系统包括第一贮液罐、第二贮液罐、蠕动泵、注射泵、三通接头以及三通阀，所述第一贮液罐通过管道连接至蠕动泵的输入端，所述三通接头分别通过管道连接进口水槽的流通腔、蠕动泵的输出端和三通阀的一端，所述三通阀的另外两端分别连接注射泵的输出端和第二贮液罐。
优选的，所述进口水槽的流通腔上还连接有第一通气阀、数字压力表以及废液回收容器，所述出口水槽的流通腔上还连接有第二通气阀、压力计、尾液回收容器以及温度计。
优选的，所述第一贮液罐与蠕动泵之间设置有侵入二通阀，所述废液回收容器与进口水槽之间设置有废液二通阀，所述尾液回收容器与出口水槽之间设置有尾液二通阀。
优选的，所述岩体外力控制装置包括铝型材框架，所述铝型材框架中部设置有承载岩体裂隙透明复制品的承载平台，所述铝型材框架顶部设置有多个用于固定压紧岩体裂隙透明复制品顶部的高强度螺栓，所述高强度螺栓上配置有用于记录高强度螺栓对岩体裂隙透明复制品施加压力的压力传感器。
优选的，所述相机组件包括CCD相机、三脚架以及LED平板光源，所述三脚架设置于岩体裂隙透明复制品一侧并固定连接CCD相机，所述LED平板光源设置于岩体裂隙透明复制品下方。
优选的，所述根据压力值和影像数据对多相流驱替迁移过程进行监测分析包括：根据压力值确定裂隙腔体的隙宽，根据影像数据确定裂隙腔体内被驱替相流体的饱和度分布；其中，所述饱和度分布的获取包括将影像数据中不同时刻的图像，分别利用Matlab软件的imsubtract指令，在两幅图像之间对应像素做减法运算，进一步处理噪点，生成修正后的迁移图像；使用图像处理软件image J对修正后的迁移图像进行饱和度测量计算；所述饱和度测量计算包括使用图像处理软件image J将“.png”格式的图像转换为RGB图像，然后对图像进行阈值调整，测量饱和度。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供的一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，可完成岩体裂隙多相流驱替过程的光学(影像数据)与力学(压力值)的可视化观测及测量的全过程分析，操作简单，试验装置成本低，可重复性高，数据采集过程简单，显示结果直观清晰；
裂隙复制品透明度高，可以不用取样，直接观测流体在裂隙面的流态，减少人为因素的影响，同时仿真岩石不会与流体发生反应，避免了氧化还原反应产生的其他固体物质对裂隙通道的堵塞及吸附作用对迁移过程的影响，可以更为真实的流体在裂隙中的迁移过程。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的光学与力学监测示意图；
图3是本发明实施例一提供的岩体裂隙透明复制品的结构示意图；
图4是本发明实施例一提供的岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统的工作流程示意图；
图中标记为：
1、可视化岩体裂隙模型，2、岩体裂隙透明复制品，21、裂隙上部，22、裂隙下部，23、裂隙腔体，3、橡胶垫片，4、进口水槽，41、第一通气阀，42、数字压力表，43、废液回收容器，5、出口水槽，51、第二通气阀，52、压力计，53、尾液回收容器，54、温度计，
6、过流系统，61、第一贮液罐，62、第二贮液罐，63、蠕动泵，64、注射泵，65、三通接头，66、三通阀，
7、光学与力学监测系统，8、相机组件，81、CCD相机，82、三脚架，83、LED平板光源，9、岩体外力控制装置，91、铝型材框架，92、承载平台，93、高强度螺栓，94、压力传感器，
10、数据采集分析系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1-3所示，本实施例提供了一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，包括过流系统6、可视化岩体裂隙模型1、光学与力学监测系统7以及数据采集分析系统10。
可视化岩体裂隙模型1包括岩体裂隙透明复制品2，岩体裂隙透明复制品2包括上下自然闭合的裂隙上部21和裂隙下部22，裂隙上部21和裂隙下部22之间形成可供流体通过的裂隙腔体23；可视化岩体裂隙模型1还包括设置于裂隙腔体23前后两侧用于密封的橡胶垫片3；裂隙腔体23的左右两侧分别设置有进口水槽4和出口水槽5，进口水槽4和出口水槽5内分别设置有与裂隙腔体23连通的长条形流通腔，进口水槽4和出口水槽5与裂隙腔体23的连接处通过黏胶或软性橡胶进行密封。
过流系统6连接裂隙腔体23用于实现裂隙腔体23内部的多相流驱替迁移；过流系统6包括第一贮液罐61、第二贮液罐62、蠕动泵63、注射泵64、三通接头65以及三通阀66，第一贮液罐61通过管道连接至蠕动泵63的输入端，三通接头65分别通过管道连接进口水槽4的流通腔、蠕动泵63的输出端和三通阀66的一端，三通阀66的另外两端分别连接注射泵64的输出端和第二贮液罐62；进口水槽4的流通腔上还连接有第一通气阀41、数字压力表42以及废液回收容器43，出口水槽5的流通腔上还连接有第二通气阀51、压力计52、尾液回收容器53以及温度计54；第一贮液罐61与蠕动泵63之间设置有侵入二通阀，废液回收容器43与进口水槽4之间设置有废液二通阀，尾液回收容器53与出口水槽5之间设置有尾液二通阀。
光学与力学监测系统7包括设置于岩体裂隙透明复制品2上方用于采集影像数据的相机组件8以及设置于岩体裂隙透明复制品2外侧用于对岩体裂隙透明复制品2施加压力从而控制裂隙腔体23的隙宽；岩体外力控制装置9包括铝型材框架91，铝型材框架91中部设置有承载岩体裂隙透明复制品2的承载平台92，铝型材框架91顶部设置有多个用于固定压紧岩体裂隙透明复制品2顶部的高强度螺栓93，高强度螺栓93上配置有用于记录高强度螺栓93对岩体裂隙透明复制品2施加压力的压力传感器94。相机组件8包括CCD相机81、三脚架82以及LED平板光源83，三脚架82设置于岩体裂隙透明复制品2一侧并固定连接CCD相机81，LED平板光源83设置于岩体裂隙透明复制品2下方。
数据采集分析系统10包括计算机，通过计算机记录岩体外力控制装置9施加的压力值以及相机组件8采集的影像数据，并根据压力值和影像数据对多相流驱替迁移过程进行监测分析。根据压力值和影像数据对多相流驱替迁移过程进行监测分析包括：根据压力值确定裂隙腔体23的隙宽，根据影像数据确定裂隙腔体23内被驱替相流体的饱和度分布；其中，饱和度分布的获取包括将影像数据中不同时刻的图像，分别利用Matlab软件的imsubtract指令，在两幅图像之间对应像素做减法运算，进一步处理噪点，生成修正后的迁移图像；使用图像处理软件image J对修正后的迁移图像进行饱和度测量计算；饱和度测量计算包括使用图像处理软件image J将“.png”格式的图像转换为RGB图像，然后对图像进行阈值调整，测量饱和度。在数字图像处理技术上采用了图像相减去除噪的技术，修正处理后的图像基本能去除没有多余的噪点，减少了光学上和物理设备制作时可能带来的误差。
本实施例针对一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统提出其工作流程，具体包括：
步骤1、通过岩体外力控制装置对岩体裂隙透明复制品施加预设压力值；
步骤2、将侵入相流体装入第一贮液罐(在本实施例中选取染色的蒸馏水作为侵入相流体)，将被驱替相流体装入第二贮液罐(在本实施例中选取柴油作为被驱替相流体)；
步骤3、通过过流系统分别以进口水槽和出口水槽作为注入口将侵入相流体和被驱替相流体注入裂隙腔体内实现相流驱替迁移；
步骤4、通过相机组件记录两次相流驱替迁移的影像数据；
步骤5、更改岩体外力控制装置对岩体裂隙透明复制品施加的预设压力值，并重复上述步骤至预设次数；
步骤6、数据采集分析系统的计算机采集预设次数的预设压力值以及相应的相流驱替迁移的影像数据，并根据压力值和影像数据对多相流驱替迁移过程进行监测分析。
以其中的过流系统以进口水槽作为注入口将侵入相流体和被驱替相流体注入裂隙腔体内实现相流驱替迁移为例，包括以下步骤：
步骤3.1、打开第一通气阀、第二通气阀、三通阀、注射泵以及尾液二通阀，关闭废液二通阀，注射泵将第二贮液罐中的被驱替相流体以恒定的、低流速注入进口水槽的流通腔内；
步骤3.2、当进口水槽的流通腔充满时，关闭第一通气阀，被驱替相流体在注射泵的作用下逐渐充满裂隙腔体；
步骤3.3、当裂隙腔体饱和后，关闭注射泵并依次开启第一通气阀和废液二通阀，依靠重力作用将进口水槽的流通腔残留的被驱替相流体排入废液回收容器；
步骤3.4、打开侵入二通阀和蠕动泵，关闭三通阀和废液二通阀，蠕动泵将第一贮液罐中的侵入相流体以恒定的、低流速注入进口水槽的流通腔内；
步骤3.5、当尾液二通阀处有有侵入相流体流出时，关闭尾液二通阀和第二通气阀；当进口水槽的流通腔充满时，依次关闭蠕动泵和第一通气阀；
步骤3.6、再次打开蠕动泵以预设的流速将侵入相流体注入裂隙腔体，通过相机实时记录裂隙腔体内的图片；
步骤3.7、当图片不再发生变化时，即被驱替相流体饱和度稳定，关闭蠕动泵并开启第一通气阀和废液二通阀，依靠重力作用将进口水槽的流通腔残留的侵入相流体排入废液回收容器；
步骤3.8、打开第二通气阀，维持进口水槽和出口水槽的流通腔内压力平衡至侵入相流体和被驱替相流体的形态不在发生变化，相流驱替迁移过程结束。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，其特征在于，包括过流系统、可视化岩体裂隙模型、光学与力学监测系统以及数据采集分析系统；
所述可视化岩体裂隙模型包括岩体裂隙透明复制品，所述岩体裂隙透明复制品包括上下自然闭合的裂隙上部和裂隙下部，所述裂隙上部和裂隙下部之间形成可供流体通过的裂隙腔体；
所述过流系统连接裂隙腔体用于实现裂隙腔体内部的多相流驱替迁移；
所述光学与力学监测系统包括设置于岩体裂隙透明复制品上方用于采集影像数据的相机组件以及设置于岩体裂隙透明复制品外侧用于对岩体裂隙透明复制品施加压力从而控制裂隙腔体的隙宽；
所述数据采集分析系统包括计算机，通过所述计算机记录岩体外力控制装置施加的压力值以及相机组件采集的影像数据，并根据压力值和影像数据对多相流驱替迁移过程进行监测分析。
2.根据权利要求1所述的一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，其特征在于，所述可视化岩体裂隙模型还包括设置于裂隙腔体前后两侧用于密封的橡胶垫片；所述裂隙腔体的左右两侧分别设置有进口水槽和出口水槽，所述进口水槽和出口水槽内分别设置有与裂隙腔体连通的长条形流通腔，所述进口水槽和出口水槽与裂隙腔体的连接处通过黏胶或软性橡胶进行密封。
3.根据权利要求2所述的一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，其特征在于，所述过流系统包括第一贮液罐、第二贮液罐、蠕动泵、注射泵、三通接头以及三通阀，所述第一贮液罐通过管道连接至蠕动泵的输入端，所述三通接头分别通过管道连接进口水槽的流通腔、蠕动泵的输出端和三通阀的一端，所述三通阀的另外两端分别连接注射泵的输出端和第二贮液罐。
4.根据权利要求3所述的一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，其特征在于，所述进口水槽的流通腔上还连接有第一通气阀、数字压力表以及废液回收容器，所述出口水槽的流通腔上还连接有第二通气阀、压力计、尾液回收容器以及温度计。
5.根据权利要求4所述的一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，其特征在于，所述第一贮液罐与蠕动泵之间设置有侵入二通阀，所述废液回收容器与进口水槽之间设置有废液二通阀，所述尾液回收容器与出口水槽之间设置有尾液二通阀。
6.根据权利要求1所述的一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，其特征在于，所述岩体外力控制装置包括铝型材框架，所述铝型材框架中部设置有承载岩体裂隙透明复制品的承载平台，所述铝型材框架顶部设置有多个用于固定压紧岩体裂隙透明复制品顶部的高强度螺栓，所述高强度螺栓上配置有用于记录高强度螺栓对岩体裂隙透明复制品施加压力的压力传感器。
7.根据权利要求1所述的一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，其特征在于，所述相机组件包括CCD相机、三脚架以及LED平板光源，所述三脚架设置于岩体裂隙透明复制品一侧并固定连接CCD相机，所述LED平板光源设置于岩体裂隙透明复制品下方。
8.根据权利要求1所述的一种岩体裂隙多相流驱替试验的可视化监测系统，其特征在于，所述根据压力值和影像数据对多相流驱替迁移过程进行监测分析包括：根据压力值确定裂隙腔体的隙宽，根据影像数据确定裂隙腔体内被驱替相流体的饱和度分布；
其中，所述饱和度分布的获取包括将影像数据中不同时刻的图像，分别利用Matlab软件的imsubtract指令，在两幅图像之间对应像素做减法运算，进一步处理噪点，生成修正后的迁移图像；使用图像处理软件image J对修正后的迁移图像进行饱和度测量计算；所述饱和度测量计算包括使用图像处理软件image J将“.png”格式的图像转换为RGB图像，然后对图像进行阈值调整，测量饱和度。
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Citations (7)
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| CN108709843A (zh) * | 2018-05-15 | 2018-10-26 | 长沙理工大学 | 一种测量岩石裂隙多相渗流特性的试验系统及试验方法 |
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2021
- 2021-06-18 CN CN202110677602.0A patent/CN113624764A/zh active Pending
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