CN114279898B - 一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统及实验方法 - Google Patents
一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统及实验方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统及实验方法，实验系统主要分为贯穿扩散法实验模块和模拟地层法实验模块两部分。贯穿扩散法实验模块通过多通道微量蠕动泵驱动溶液在岩心两端形成液膜，模拟弥散情况，定期更换收集瓶，通过拟合收集瓶中核素浓度计算扩散系数与容量因子；模拟地层法实验模块通过真空泵对岩心进行抽真空饱和，测量饱和前后质量计算孔隙度，通过模拟地层温度与压力条件下驱动溶液至夹持器一端，在出口端测量出液量，进而得到渗透率数据，因此形成了完备的核素迁移规律实验测量与实验研究体系，为综合分析关键核素在地质环境中的迁移规律与特征提供实验数据支持；同时为高放处置库的核安全评级等因素提供参考。
Description
技术领域
本发明属于核素迁移扩散测量实验系统技术领域，具体涉及一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统及实验方法。
背景技术
目前，每年核电站运行产生的放射性废物与日俱增，能否对其进行安全有效的处置关乎着环境保护与人类健康的未来，亦已成为制约核工业可持续发展的重要因素之一。高放废物通常由核工业和国防部门加工成固化体后，放进特制的贮存罐中，再埋入地下数百米深处，利用多重屏障体系阻滞核素迁移。尽管处置库工程设计的屏蔽时间尺度达到万年量级，但由于深地层环境的复杂性及罐体中富含放射性的水体对缓冲介质与填充材料的存在侵蚀作用，一旦发生核泄露事故，以天然围岩为主构成的围护结构将存在放射性核素随地下水向远场生物圈扩散的风险。因此，研究高放废物中关键核素在深地层环境下多重屏障中的迁移规律是核安全评价的关键问题之一，尤其是其中具体涉及到的核素在低渗透性围岩介质的扩散机理研究。
现阶段实验主要集中在室内实验室对核素在介质中的物理化学行为和迁移性能的实验研究。实验室研究核素在给定介质(工程屏障、填充材料等)中的分配系数、扩散系数、孔隙率等物理量来表征其迁移与吸附性质，主流方法主要有扩散池法、毛细管法和柱实验法三种。但目前学界的研究实验都相对零散、整体性差，不能具有一个完整的体系。尤其对于模拟的黏土岩、花岗岩、膨润土等介质，核素在其中扩散时所处核泄露大环境下包含有复杂的热-水-力-化多场耦合因素影响，为具有完备性的实验装置设计提出了很多困难。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统及实验方法，为了解决目前的研究实验相对零散、整体性差、体系不完整；以及核素在模拟的介质扩散时，受所处核泄露大环境下复杂的热-水-力-化多场耦合因素的影响，使得设计具有完备性的实验系统遇到困难的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统，包括贯穿扩散法实验模块和模拟地层法实验模块；贯穿扩散法实验模块包括多通道微量蠕动泵、第一特制收集瓶、第二特制收集瓶和贯穿扩散法岩心夹持器；多通道微量蠕动泵、第一特制收集瓶、贯穿扩散法岩心夹持器与第二特制收集瓶以闭环的方式连接；
模拟地层法实验模块包括恒压恒流高精密注入泵、快速注液容器、活塞容器、围压背压系统的手摇泵、模拟地层法岩心夹持器和真空泵；
所述恒压恒流高精密注入泵通过注入泵水源注入阀门与超纯水储存桶连接；活塞容器通过注入泵注入阀门连接恒压恒流高精密注入泵的输出端，活塞容器与恒压恒流高精密注入泵通过排出阀门连接排出口；注液口阀门连接快速注液容器，快速注液容器的出口端通过外部介质注入阀门连接活塞容器；
所述活塞容器的出口端一路通过介质注入阀门与模拟地层法岩心夹持器的入口端相连，另一路通过真空/注液阀门连接压力表与真空泵；模拟地层法岩心夹持器的出口端一路连接至超高精度数控电子天平，另一路通过真空阀门连接至真空泵；模拟地层法岩心夹持器的筒体通过手摇泵输出阀门与背压围压系统的手摇泵连接。
优选地，所述贯穿扩散法岩心夹持器包括夹持器筒体与第二岩心，第二岩心装配在夹持器筒体内，夹持器筒体的入口端设有岩心堵头和紧固件，夹持器筒体的出口端设有堵头固定螺钉和紧固件固定螺钉，O型圈设置在岩心堵头上，与第二岩心一起被聚四氟收缩管密封，紧固件由紧固件固定螺钉固定在夹持器筒体中。
优选地，所述贯穿扩散法岩心夹持器上还设有第一高精度控温热电偶传感器与热电偶传感器，贯穿扩散法岩心夹持器外部还设有铸铝加热器。
优选地，所述模拟地层法岩心夹持器包括进液岩心堵头、出口岩心堵头、第一岩心、胶筒堵头和胶筒，胶筒包裹第一岩心，进液岩心堵头上设有排液阀门，堵头弹性挡圈固定在进液岩心堵头上，胶筒堵头螺母将胶筒堵头和胶筒组成的整体固定在模拟地层法岩心夹持器的筒体中，出口岩心堵头、第一岩心、进液岩心堵头和过滤滤芯组合紧密固定在模拟地层法岩心夹持器的筒体中。
优选地，所述模拟地层法岩心夹持器上还设有第二高精度控温热电偶传感器和围压压力传感器，模拟地层法岩心夹持器外部还设有铸铝加热器；模拟地层法岩心夹持器的出口端通过出口压力传感器阀门与出口压力传感器相连，背压压力传感器直接与模拟地层法岩心夹持器的出口端相连，入口压力传感器通过入口压力传感器阀门连接在模拟地层法岩心夹持器的入口端；
第二高精度控温热电偶传感器、围压压力传感器、出口压力传感器、背压压力传感器和入口压力传感器与高精度导电传感器仪表连接。
优选地，所述恒压恒流高精密注入泵包括双泵恒压模式和双泵恒流模式，双泵恒压模式为岩心提供稳定的渗透压，双泵恒流模式为岩心提供恒定的液体流。
优选地，所述模拟地层法实验模块还包括无油静音空压机，无油静音空压机通过空压机压力输出阀门一路连接空压机排水阀门，另一路与恒压恒流高精密注入泵相连。
优选地，所述背压围压系统的手摇泵的入口端设置有手摇泵注液阀门，手摇泵注液阀门与外界连接，围压背压系统的手摇泵的出口端设置有手摇泵输出阀门，围压阀门和背压阀门由手摇泵输出阀门输出液体为模拟地层法岩心夹持器施加围压与背压。
优选地，所述贯穿扩散法实验模块实验系统的工作温度为室温～100℃，流速为0.002～8mL/min；
所述模拟地层法实验模块实验系统的工作温度为室温～100℃，工作压力为0～30MPa，流速为0.01～10mL/min。
本发明还公开了一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统的实验方法，分为贯穿扩散法实验模块的实验方法和模拟地层法实验模块的实验方法；
所述贯穿扩散法实验模块的实验方法，包括：
在第一收集瓶中加入配置的固定浓度待测溶液，在第二特制收集瓶中加入模拟地下水溶液作为对照组，启动多通道微量蠕动泵，以恒定速度驱动第一特制收集瓶和第二特制收集瓶中的液体，在贯穿扩散法岩心夹持器中的岩心两端形成液膜，从而模拟弥散环境下核素从岩心一端扩散到另一端的迁移情况，定期更换第二特制收集瓶测量浓度变化，拟合即得到扩散系数与容量因子；
所述模拟地层法实验模块的实验方法，包括：
采用真空泵对岩心进行抽真空加压饱和，其次进行岩心的装备，驱动背压围压系统的手摇泵进行压力输出，陆续转换介质注入阀门、注液口阀门、外部介质注入阀门、注入泵注入阀门和排出阀门，将快速注液容器中的实验溶液注入活塞容器，然后启动恒压恒流高精密注入泵，采取双泵恒压或双泵恒流模式对模拟地层法岩心夹持器入口端施加渗透压，计算机时刻记录模拟地层法岩心夹持器出口端的超高精度数控电子天平的读数，得到核素在岩心中的渗透参数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统，包括贯穿扩散法实验模块和模拟地层法实验模块，其中，贯穿扩散法实验模块中包含有多通道微量蠕动泵、第一特制收集瓶、第二特制收集瓶和贯穿扩散法岩心夹持器，可实现多通道微流量溶液的恒流稳定驱动，可以简单有效地完成贯穿扩散法模块实验体系的构建；模拟地层法实验模块中的恒压恒流高精密注入泵、围压背压系统的手摇泵和真空泵能完成真空饱和、围压背压装卸、稳定渗透压模拟功能，集成化的设备使得在有限的空间内能进行较完备的核素迁移实验；且真空泵的抽真空饱和功能，可以确保岩心为饱和岩心，避免计算渗透率与孔隙度参数时岩心中未饱和气体对结果的影响。
进一步地，模拟地层法岩心夹持器中胶筒包裹岩心、进液岩心堵头与出口岩心堵头，由围压背压系统驱液至胶筒外部施加围压与背压，从而在岩心上施加模拟地层压力的压力场，同时保障溶液只从岩心中进行渗透，夹持器外部的铸铝加热器则可使得系统加热到给定的温度，从而达到模拟地层温度场的效果，实现实验室模拟深地层的热-水-力耦合环境的构建；贯穿扩散法岩心夹持器创新性地在堵头与岩心外加一层聚四氟收缩管包裹密封，实现不同温度场条件下的密闭，使溶液只在岩心中迁移扩散，并且夹持器外部同样设有铸铝加热器，可达到模拟温度场的效果；本实验系统通过对复杂的地层中的压力场和温度场进行精确的模拟，更贴近于实际研究工况，实验数据更加真实有效，置信度高。
本发明还公开了一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统的实验方法，通过模拟地层法测量渗透参数，通过贯穿扩散法测量扩散系数与容量因子，形成了完备的核素迁移规律实验测量与研究体系，为研究关键核素在相应介质中的迁移规律提供实验数据支持；同时，针对我国未来建造高放处置库的选址问题所面对的核素泄露与扩散问题提供数据支持，为高放处置库的核安全评级等因素提供参考。
总之，本发明的覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统与实验方法适用范围广泛，普及性高，适配性宽泛的快速换液装置允许系统对不同种类岩石介质和不同种类的研究物质进行迁移规律的实验研究；且实验系统的全面性使得能针对物质在岩心中的扩散进行多组对照与平行实验，得到准确、丰富、立体的迁移-扩散数据体系。
附图说明
图1为本发明覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统整体示意图；
图2为本发明模拟地层法实验模块的岩心夹持器结构示意图；
图3为本发明贯穿扩散法实验模块的岩心夹持器结构示意图；
图1中，1-多通道微量蠕动泵，2-第一特制收集瓶，3-第二特制收集瓶，4-贯穿扩散法岩心夹持器，5-模拟地层法岩心夹持器，6-恒压恒流高精密注入泵，7-超纯水储存桶，8-无油静音空压机，9-快速注液容器，10-活塞容器，11-背压围压系统的手摇泵，12-第一高精度控温热电偶传感器、13-第二高精度控温热电偶传感器，14-围压压力传感器，15-出口压力传感器，16-背压压力传感器，17-入口压力传感器，18-真空泵，19-超高精度数控电子天平，39-高精度导电传感器仪表；
F-1-注入泵水源注入阀门，F-2-空压机压力输出阀门，F-3-空压机排水阀门，F-4-入口压力传感器阀门，F-5-介质注入阀门，F-6-真空/注液阀门，F-7-注液口阀门，F-8-外部介质注入阀门，F-9-注入泵注入阀门，F-10-排出阀门，F-11-手摇泵注液阀门，F-12-手摇泵输出阀门，F-13-围压阀门，F-14-背压阀门，F-15-真空阀门，F-16-出口压力传感器阀门；
图2中，20-进液岩心堵头，21-堵头弹性挡圈，22-胶筒堵头螺母，23-胶筒堵头，24-胶筒，25-第一岩心，26-过滤滤芯，27-加热器接口，28-出口岩心堵头，29-排液阀门；
图3中，30-岩心堵头，31-紧固件，32-O型圈，33-第二岩心，34-热电偶传感器，35-夹持器筒体，36-聚四氟收缩管，37-堵头固定螺钉，38-紧固件固定螺钉。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明的覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统包括贯穿扩散法实验模块和模拟地层法实验模块；贯穿扩散法实验模块包括多通道微量蠕动泵1、第一特制收集瓶2、第二特制收集瓶3和贯穿扩散法岩心夹持器4；多通道微量蠕动泵1通过特质软管分别连接第一特制收集瓶2、第二特制收集瓶3，两个特制收集瓶又由特质软管连接至贯穿扩散法岩心夹持器4两端，形成闭环回路；多通道微量蠕动泵1驱动第一特制收集瓶2、第二特制收集瓶3中的液体在贯穿扩散法岩心夹持器4两端形成液膜。
参见图3，贯穿扩散法岩心夹持器4具体结构主要包括：夹持器筒体35和第二岩心33，第二岩心33装配在夹持器筒体35内，O型圈32装配在夹持器筒体35的入口端岩心堵头30上后，和第二岩心33一起被聚四氟收缩管36密封，紧固件31由紧固件固定螺钉38固定在夹持器筒体35中，而后堵头固定螺钉37将密封的岩心堵头30和第二岩心33固定在夹持器筒体35中，夹持器筒体35上还设置有热电偶传感器34。
参见图1，模拟地层法实验模块包括恒压恒流高精密注入泵6、快速注液容器9、活塞容器10、围压背压系统的手摇泵11、模拟地层法岩心夹持器5和真空泵18；恒压恒流高精密注入泵6通过注入泵水源注入阀门F-1与超纯水储存桶7连接；活塞容器10通过注入泵注入阀门F-9连接注入泵的输出端，活塞容器10与恒压恒流高精密注入泵6通过排出阀门F-10连接排出口；注液口阀门F-7连接快速注液容器9，快速注液容器9的出口端则通过外部介质注入阀门F-8连接活塞容器10将液体注入活塞容器中；活塞容器10的出口端一路通过介质注入阀门F-5将实验溶液输入模拟地层法岩心夹持器5中，另一路通过真空/注液阀门F-6连接压力表与真空泵18；模拟地层法岩心夹持器5的出口端一路连接至超高精度数控电子天平19，另一路通过真空阀门F-15连接至真空泵18，模拟地层法岩心夹持器5的筒体通过手摇泵输出阀门F-12与背压围压系统的手摇泵11连接。
无油静音空压机8由空压机压力输出阀门F-2一路连接空压机排水阀门F-3，通过空压机压力输出阀门F-2控制压力输出，空压机排水阀门F-3负责空压机定期排水，另一路与恒压恒流高精密注入泵6相连；无油静音空压机8可将空压机压力输出阀门F-2拆卸，并由注液口阀门F-7连接至快速注液容器9；背压围压系统的手摇泵11的入口端连接手摇泵注液阀门F-11，手摇泵注液阀门F-11连接外界将液体注入背压围压系统的手摇泵11中，通过选择围压阀门F-13和背压阀门F-14由手摇泵输出阀门F-12输出液体为模拟地层法岩心夹持器5施加围压与背压。
参见图2，模拟地层法岩心夹持器5具体结构主要包括：进液岩心堵头20、出口岩心堵头28、第一岩心25、胶筒堵头23和胶筒24，进液岩心堵头20上设有排液阀门29，堵头弹性挡圈21固定在岩心堵头20上起缓冲作用，胶筒24包裹第一岩心25、胶筒堵头螺母22将胶筒堵头23和胶筒24组成的整体固定在模拟地层法岩心夹持器5的筒体中，加热器接口27设置在模拟地层法岩心夹持器5的筒体上，为铸铝加热器提供接口，出口岩心堵头28、第一岩心25、进液岩心堵头20和过滤滤芯26组合后紧密固定在模拟地层法岩心夹持器5的筒体中；
第一高精度控温热电偶传感器12与第二高精度控温热电偶传感器13分别固定在贯穿扩散法岩心夹持器4与模拟地层法岩心夹持器5上进行控温；围压压力传感器14设置在模拟地层法岩心夹持器5上，出口压力传感器15通过出口压力传感器阀门F-16与模拟地层法岩心夹持器5的出口端相连，背压压力传感器16直接与模拟地层法岩心夹持器5的出口端相连，入口压力传感器17通过入口压力传感器阀门F-4连接在模拟地层法岩心夹持器5的入口端，第二高精度控温热电偶传感器13、围压压力传感器14、出口压力传感器15、背压压力传感器16和入口压力传感器17与高精度导电传感器仪表39连接进行读数的显示。
本发明覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统的工作过程：
Ismatec IPC4型号的多通道微量蠕动泵1，由特质的内径0.8mm的软管连接带相应接头、容量为250mL的第一特制收集瓶2、第二特制收集瓶3和贯穿扩散法岩心夹持器4；其中贯穿扩散法岩心夹持器4外径最大为75mm，内径可容纳长度90～100mm、内径50mm的标准岩心；岩心被堵头30夹持后由内径≥50mm的聚四氟收缩管36包裹，之后使用热风枪设定300℃在收缩管四周循环吹风使得收缩管包紧岩心、堵头。第一特制收集瓶2、第二特制收集瓶3中的液体被多通道微量蠕动泵1以0.002～8mL/min范围内的恒定速度驱动至岩心两端，形成稳定液面，瓶中所装溶液通常一个为0.05mol/L的地下水溶液，一个为配置固定浓度待测溶液，两液膜中的溶质浓度差使得待测核素或示踪剂在岩心中发生渗透作用。定期更换第二特制收集瓶3测量浓度变化经由后处理即可拟合得到扩散系数与容量因子。
无油静音空压机8由220V电压驱动，可用最大0.8MPa的压力驱动气体由F-7注液口阀门连接至快速注液容器9中，快速注液容器9中液体被气压驱入进入活塞容器10上部，下部液体由F-10排出阀门口从排空口排出，而后关闭F-8外部介质注入阀门；旋转围压背压系统的手摇泵11，最多可容纳50mL液体，抽取F-11手摇泵注液阀门外的液体后关闭F-11，打开F-12手摇泵输出阀门使得围压背压系统的手摇泵11可以进行压力输出，分别开关F-13围压阀门和F-14背压阀门后驱动围压背压系统的手摇泵11即可将泵内液体打入模拟地层法岩心夹持器5中的胶筒外，输出压力范围为0～30MPa，完成围压与背压的装卸过程，该过程可时刻关注围压压力传感器14、出口压力传感器15、背压压力传感器16与入口压力传感器17连接的高精度导电传感器仪表39，压力仪表刻度精确到0.1MPa，对压力进行精准调整防止损坏设备。第二高精度控温热电偶传感器13配合铸铝加热器和高精度导电传感器仪表39，温度仪表刻度精确到0.1℃，通过电流的热效应对模拟地层法岩心夹持器5施加室温～100℃的温度场，模拟实际地层的温度环境。
打开F-15真空阀门后关闭模拟地层法岩心夹持器5的多余出口，使用围压背压系统为实验系统打上最大20MPa的压力，打开真空泵18以恒压方式驱动即可对岩心进行抽真空处理24h；开启恒压恒流高精密注入泵6与F-5介质注入阀门，选取恒压注入模式，注入液体渗透压调节至5MPa，抽真空24h、加压8h，完毕后岩心已完全饱和。恒压恒流高精密注入泵6驱动超纯水储存桶7中的超纯水由内径1.6mm的不锈钢管线经由F-9注入泵注入阀门处将活塞向上驱动，压力作用下，实验液体会以恒压恒流高精密注入泵6的驱动速度(0.01～10mL/min)进入模拟地层法岩心夹持器5入口，而后可进行岩心饱和操作或渗透实验；实验进行过程中超高精度数控电子天平19时刻记录出口端出液情况并将数据传至计算机进行数据后处理。
本发明使用所述覆压孔渗核素对流与弥散联测实验系统的实验方法，具体操作内容包括下述步骤：
1)饱和岩心的准备
选择长度范围在90～100mm之间，直径50mm的岩心，检查岩心规格与端面平整，防止因不平整导致的倾斜力使得岩心发生劈裂。首先，把岩心放到80～90℃的马弗炉中进行烘干，持续时间48h，而后进行称重并记录。把样品放到真空泵18中进行抽真空加压饱和，抽真空时间为24h，加压8h，加压压力最大20MPa，饱和完成后再次称重进行记录。
2)岩心的装备
针对模拟地层法实验模块的岩心夹持器的岩心装备：
首先卸掉模拟地层法岩心夹持器5周围管线与排液阀门29，用专用工具卸掉胶筒堵头螺母22，取出进液岩心堵头20、出口岩心堵头28，用专用工具在模拟地层法岩心夹持器5中装入岩心样品。观察模拟地层法岩心夹持器5堵头上的过滤滤芯26是否完好，如有问题请更换。确认没有问题后装回进液岩心堵头20、出口岩心堵头28与胶筒堵头螺母22，过程中注意保持进液岩心堵头20、出口岩心堵头28需与第一岩心25充分接触不能留有空隙，否则会损坏胶筒24。而后通过围压背压系统的手摇泵11为第一岩心25装上相应围压与背压强度，通过第二高精度控温热电偶传感器13与铸铝加热器对模拟地层法岩心夹持器5整体施加温度场。
针对贯穿扩散法实验模块的岩芯夹持器的岩心装备：
首先卸掉贯穿扩散法岩心夹持器4周围管线，而后使用六方卸掉两头岩心堵头30处的堵头固定螺钉37，取出岩心堵头30后与第二岩心33共同套入聚四氟收缩管36从而达到密封第二岩心33与岩心堵头30的作用，而后装回夹持器筒体35内，保持岩心堵头30与第二岩心33密切接触的前提下装回堵头固定螺钉37与相应管线。最后通过第一高精度控温热电偶传感器12与铸铝加热器对贯穿扩散法岩心夹持器4整体施加温度场。
3)启动实验系统
模拟地层法实验模块的启动：
驱动围压背压系统的手摇泵11，陆续转换介质注入阀门F-5、注液口阀门F-7、外部介质注入阀门F-8、注入泵注入阀门F-9、排出阀门F-10等阀门将快速注液容器9中的实验溶液注入活塞容器10，而后启动恒压恒流高精密注入泵6，以双泵恒压或双泵恒流方式对模拟地层法岩心夹持器5入口端施加渗透压，计算机时刻记录出口处超高精度数控电子天平19的读数，方便后续处理计算。
贯穿扩散法实验模块的启动：
在第一特制收集瓶2中加入一定浓度实验溶液，在第二特制收集瓶3中加入相应溶剂作为对照组。启动多通道微量蠕动泵1，按照一定流速驱动第一特制收集瓶2、第二特制收集瓶3中的液体，在贯穿扩散法岩心夹持器4中的第二岩心33两端形成液膜，从而模拟弥散环境下核素从第二岩心33一端扩散到另一端的迁移情况。
4)数据记录与处理
进行两个实验模块的实验前都需通过模拟地层法实验模块对岩心进行饱和处理，通过饱和前后记录的岩心质量变化与饱和溶液密度，直接计算出给定岩心的孔隙度，计算公式(a)、(b)如下：
式中m1为干燥岩心质量(g)，m0为岩心饱和后的质量(g)，ρl为给定温度下饱和溶液的密度(g/cm3)，Vp为岩心有效孔隙体积(cm3)，Vt为岩心总体积(cm3)，εacc为岩心的有效孔隙度。
贯穿扩散法实验模块通过定期更换第二特制收集瓶3测量浓度变化，若使用的为所测核素的离子溶液，则借由电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)的方法检测收集瓶中核素浓度的变化；若使用的为示踪剂，示踪剂浓度可由阴离子色谱仪测定。数据代入菲克定律(c)进行拟合，即可得到有效扩散系数与容量因子的模拟值：
边界条件(d)表示如下：
式中，L为实验第二岩心33的长度(m)；c0为第一特制收集瓶2中待测量核素溶液的初始浓度(mg/L)，Acum为时间t内L处扩散出来的待测核素的总质量(mg)，S为实验第二岩心33的横截面积(m2)，De为有效扩散系数，α为容量因子。
相对应的，t时刻低浓度端的扩散通量可由公式(e)表示：
结合上述公式对所得数据进行拟合，即可得到有效扩散系数De与容量因子α的模拟值。而容量因子与分配系数满足公式(f)：
其中εacc为有效孔隙度，ρd为岩心干密度(g/cm3)，将容量因子与有效孔隙度之后代入公式即可得到该种核素对于实验第二岩心33的分配系数Kd。
模拟地层法实验模块将饱和后的岩心放入设计的实验系统后，使用恒压恒流高精密注入泵6从岩心的一端以一定压力施压使得溶液在岩心中不断扩散，通过模拟地层法岩心夹持器5出口处的超高精度数控电子天平19记录出该实验条件下出口端溶液的流量，结合第一岩心25的尺寸与溶液性质，代入达西定律公式(g)计算即可得到该实验条件下一定浓度下核素在岩心中的渗透率参数：
式中，K为岩心液体渗透率(10-3μm2)，μ为测试条件下的流体黏度(mPa·s)，Δp为岩心两端压差(MPa)，Q为流体单位时间内通过岩心的体积(cm3/s)。
实施例1
首先配置浓度为0.05mol/L的氯化钠水溶液作模拟地下水的溶液，岩心规格为长90～100mm直径50mm的低渗透性黏土岩样品。通过真空饱和系统，使用真空泵18抽空模拟地层法岩心夹持器5中的液体，待压力仪表显示夹持器内压力为0.1MPa以下时，系统已达到真空状态，抽真空持续24h，围压最大加至20MPa，加压持续8h使岩心饱和；先通过贯穿扩散法实验模块模拟弥散情况测量扩散参数，而后通过模拟地层法实验模块模拟对流情况测量渗透参数。经过模拟地层法实验模块测试后的岩心内部结构受到温度与压力场的影响发生改变，再将岩心放入贯穿扩散法实验模块中进行弥散测量，可得到地层压力与温度场下岩心针对该种核素的弥散能力的改变情况，从而实现覆压孔渗核素对流与弥散的联测。
饱和多份岩心后，使用聚四氟收缩管36包裹岩心堵头30与第二岩心33，在300℃热风枪环绕吹风下完成第二岩心33的包裹，放入贯穿扩散法岩心夹持器4使用内径0.8mm的特质硅胶软管连接两个特制收集瓶；第一特制收集瓶2中放入以模拟地下水溶液为基底配置的0.025mol/L的CsCl溶液用来研究Cs离子的扩散规律，第二特制收集瓶3中放置模拟地下水溶液，启动多通道微量蠕动泵1以1.5mL/min的速度驱动两瓶中液体形成液膜，扩散实验开始进行。实验过程中每隔5d更换第二特制收集瓶3，将取出瓶中的溶液通过电感耦合等离子质谱仪测定浓度经由计算机拟合即可得到扩散参数。
将另一份饱和岩心装入模拟地层法岩心夹持器5中，模拟地下450m的地下环境，地层压力围压设定为8MPa，地下水渗透压背压设定为4MPa，温度控制为40℃。过程始终通过快速注液容器9，使用恒压恒流高精密注入泵6将预装溶液打入模拟地层法岩心夹持器5内，封闭其他出口后持续注入。选取岩心为低渗透性黏土岩，因此恒压恒流高精密注入泵6选择双泵恒压模式，注入压力选择5MPa，以模拟地下水溶液为基底配置的0.025mol/L的CsCl溶液经由快速注液容器9被注入泵推入第一岩心25一侧。第一岩心25出口处连接超高精度数控电子天平19，出口端质量变化每超过0.1g时记录一次读数，经电脑对数据进行计算得到渗透参数。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统，其特征在于，包括贯穿扩散法实验模块和模拟地层法实验模块；贯穿扩散法实验模块包括多通道微量蠕动泵（1）、第一特制收集瓶（2）、第二特制收集瓶（3）和贯穿扩散法岩心夹持器（4）；多通道微量蠕动泵（1）、第一特制收集瓶（2）、贯穿扩散法岩心夹持器（4）与第二特制收集瓶（3）以闭环的方式连接；
模拟地层法实验模块包括恒压恒流高精密注入泵（6）、快速注液容器（9）、活塞容器（10）、围压背压系统的手摇泵（11）、模拟地层法岩心夹持器（5）和真空泵（18）；
所述恒压恒流高精密注入泵（6）通过注入泵水源注入阀门（F-1）与超纯水储存桶（7）连接；活塞容器（10）通过注入泵注入阀门（F-9）连接恒压恒流高精密注入泵（6）的输出端，活塞容器（10）与恒压恒流高精密注入泵（6）通过排出阀门（F-10）连接排出口；注液口阀门（F-7）连接快速注液容器（9），快速注液容器（9）的出口端通过外部介质注入阀门（F-8）连接活塞容器（10）；
所述活塞容器（10）的出口端一路通过介质注入阀门（F-5）与模拟地层法岩心夹持器（5）的入口端相连，另一路通过真空/注液阀门（F-6）连接压力表与真空泵（18）；模拟地层法岩心夹持器（5）的出口端一路连接至超高精度数控电子天平（19），另一路通过真空阀门（F-15）连接至真空泵（18）；模拟地层法岩心夹持器（5）的筒体通过手摇泵输出阀门（F-12）与背压围压系统的手摇泵（11）连接；
所述贯穿扩散法岩心夹持器（4）包括夹持器筒体（35）与第二岩心（33），第二岩心（33）装配在夹持器筒体（35）内，夹持器筒体（35）的入口端设有岩心堵头（30）和紧固件（31），夹持器筒体（35）的出口端设有堵头固定螺钉（37）和紧固件固定螺钉（38），O型圈（32）设置在岩心堵头（30）上，与第二岩心（33）一起被聚四氟收缩管（36）密封，紧固件（31）由紧固件固定螺钉（38）固定在夹持器筒体（35）中；
所述模拟地层法岩心夹持器（5）包括进液岩心堵头（20）、出口岩心堵头（28）、第一岩心（25）、胶筒堵头（23）和胶筒（24），胶筒（24）包裹第一岩心（25），进液岩心堵头（20）上设有排液阀门（29），堵头弹性挡圈（21）固定在进液岩心堵头（20）上，胶筒堵头螺母（22）将胶筒堵头（23）和胶筒（24）组成的整体固定在模拟地层法岩心夹持器（5）的筒体中，出口岩心堵头（28）、第一岩心（25）、进液岩心堵头（20）和过滤滤芯（26）组合紧密固定在模拟地层法岩心夹持器（5）的筒体中；
所述模拟地层法岩心夹持器（5）上还设有第二高精度控温热电偶传感器（13）和围压压力传感器（14），模拟地层法岩心夹持器（5）外部还设有铸铝加热器；模拟地层法岩心夹持器（5）的出口端通过出口压力传感器阀门（F-16）与出口压力传感器（15）相连，背压压力传感器（16）直接与模拟地层法岩心夹持器（5）的出口端相连，入口压力传感器（17）通过入口压力传感器阀门（F-4）连接在模拟地层法岩心夹持器（5）的入口端；
第二高精度控温热电偶传感器（13）、围压压力传感器（14）、出口压力传感器（15）、背压压力传感器（16）和入口压力传感器（17）与高精度导电传感器仪表（39）连接。
2.根据权利要求1所述的一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统，其特征在于，所述贯穿扩散法岩心夹持器（4）上还设有第一高精度控温热电偶传感器（12）与热电偶传感器（34），贯穿扩散法岩心夹持器（4）外部还设有铸铝加热器。
3.根据权利要求1所述的一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统，其特征在于，所述恒压恒流高精密注入泵（6）包括双泵恒压模式和双泵恒流模式，双泵恒压模式为岩心提供稳定的渗透压，双泵恒流模式为岩心提供恒定的液体流。
4.根据权利要求1所述的一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统，其特征在于，所述模拟地层法实验模块还包括无油静音空压机（8），无油静音空压机（8）通过空压机压力输出阀门（F-2）一路连接空压机排水阀门（F-3），另一路与恒压恒流高精密注入泵（6）相连。
5.根据权利要求1所述的一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统，其特征在于，所述背压围压系统的手摇泵（11）的入口端设置有手摇泵注液阀门（F-11），手摇泵注液阀门（F-11）与外界连接，围压背压系统的手摇泵（11）的出口端设置有手摇泵输出阀门（F-12），围压阀门（F-13）和背压阀门（F-14）由手摇泵输出阀门（F-12）输出液体为模拟地层法岩心夹持器（5）施加围压与背压。
6.根据权利要求1所述的一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统，其特征在于，所述贯穿扩散法实验模块实验系统的工作温度为室温~100℃，流速为0.002~8mL/min；
所述模拟地层法实验模块实验系统的工作温度为室温~100℃，工作压力为0~30MPa，流速为0.01~10mL/min。
7.权利要求1~6任意一项所述的一种覆压孔渗核素对流与弥散联测的实验系统的实验方法，其特征在于，分为贯穿扩散法实验模块的实验方法和模拟地层法实验模块的实验方法；
所述贯穿扩散法实验模块的实验方法，包括：
在第一收集瓶（2）中加入配置的固定浓度待测溶液，在第二特制收集瓶（3）中加入模拟地下水溶液作为对照组，启动多通道微量蠕动泵（1），以恒定速度驱动第一特制收集瓶（2）和第二特制收集瓶（3）中的液体，在贯穿扩散法岩心夹持器（4）中的岩心两端形成液膜，从而模拟弥散环境下核素从岩心一端扩散到另一端的迁移情况，定期更换第二特制收集瓶（3）测量浓度变化，拟合即得到扩散系数与容量因子；
所述模拟地层法实验模块的实验方法，包括：
采用真空泵（18）对岩心进行抽真空加压饱和，其次进行岩心的装备，驱动背压围压系统的手摇泵（11）进行压力输出，陆续转换介质注入阀门（F-5）、注液口阀门（F-7）、外部介质注入阀门（F-8）、注入泵注入阀门（F-9）和排出阀门（F-10），将快速注液容器（9）中的实验溶液注入活塞容器（10），然后启动恒压恒流高精密注入泵（6），采取双泵恒压或双泵恒流模式对模拟地层法岩心夹持器（5）入口端施加渗透压，计算机时刻记录模拟地层法岩心夹持器（5）出口端的超高精度数控电子天平（19）的读数，得到核素在岩心中的渗透参数。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 页岩介质中放射性核素迁移的实验研究及其数学模型;刘阳,李水英,李春江,高宏成;长春科技大学学报(第03期);全文 * |
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