CN116698696B - 饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台及方法 - Google Patents

饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台及方法 Download PDF

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CN116698696B CN202310603568.1A CN202310603568A CN116698696B CN 116698696 B CN116698696 B CN 116698696B CN 202310603568 A CN202310603568 A CN 202310603568A CN 116698696 B CN116698696 B CN 116698696B
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Abstract

本发明提出了饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台及方法。研究平台包括主体腔室、气体渗透测量系统、外部供压装置、温控系统、数据采集和处理装置；主体腔室用以放置试样开展气体渗透试验；气体渗透测量系统包括上游端气室、下游端气室、真空泵、两个安全阀；外部供压装置包括气源、增压泵、空气压缩机、气体缓冲罐、调压阀；温控系统包括玻璃纤维电热带、温度传感器、温度控制器。本发明在温控条件下，通过逐级递增气压的方式确定气体突破压力，并基于每一级气压下的压力变化曲线计算实时气体渗透率，且提供了两种气体渗透率计算方法，为深地质处置库的研究工作提供充分的理论依据。

Description

饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台及方法
技术领域
本发明涉及一种在土木工程(岩土)及地质工程技术领域。
背景技术
核能的开发与利用将不可避免地产生大量放射性强、毒性大、释热量高和半衰期长的高水平放射性废弃物(简称“高放废物”)，必须对其进行科学有效的处置。目前，国际社会广泛接受的处置方案为“深地质处置”，即将高放废物封存于地下500-1000米深的地质体内，借助多重屏障系统(废物罐、膨润土缓冲/回填材料及围岩)实现高放废物与人类生存环境的永久隔离；其中，高压实膨润土因具有高膨胀性、低渗透性以及良好的导热性能，在业内被认为是首选缓冲/回填材料。
在深地质处置库的运营过程中：
围岩中的地下水会冲刷和水化高压实膨润土，同时还会腐蚀金属构件(废物罐等)；同时又因为存在地下水辐解以及有机质的降解等作用，会产生大量二氧化碳、甲烷和硫化氢等气体。
因水化饱和后的高压实膨润土是一种超低渗介质(渗透率小于1×10-19m2)，产生的气体将在膨润土中不断积聚，形成高气压(峰值压力可达30MPa)。研究表明，气体在膨润土中的渗透过程具有典型的分段特征(参考文献：[1]中国专利申请公开号：CN109655391B一种岩土体材料气体突破/渗透特性双模块控制测试系统；[2]叶为民,刘樟荣,崔玉军等公开的“高放废物地质处置库缓冲/回填材料的气体渗透问题研究进展”,岩土工程学报,2018,40(06):1125-1134.)：当气压水平较低时，气体主要以离散渗透的形式在土体中迁移，此时的气体渗透流量十分微弱以至于无法直接测取，但由于处置库运营过程中长期处于低气压状态，因此获取该阶段的气体渗透率对处置库的气体防渗性能评价具有重要的工程价值；此外，随着气压的不断增大，并当其达到某一临界值时(气体突破压力)，气体将在高压实膨润土中形成大量优势渗流通道，随后的气体流量大幅增加且呈高度非线性增长，该现象也被称为“气体突破”，气体突破将会直接削弱高压实膨润土的力学强度与缓冲性能，因此确定气体突破压力这一数值对处置库的安全性能评价同样至关重要。
目前，饱和高压实膨润土等超低渗介质的气体渗透试验的研究方法主要是稳态法，即在试样底面施加恒定注气压力，同时使用流量计监测试样顶面的气体流量，该方法能准确获取高压实膨润土的气体突破压力(流量大幅增加)，但因其无法准确测量气体突破之前的气体流量，进而无法获取气体渗透率指标。此外，由于缺乏相关的试验装置，目前尚无法通过改变温度边界的方式去研究温度对饱和高压实膨润土等超低渗介质的气体全过程渗透特性的影响规律。
发明内容
深地质处置库的研究工作中，由于高压实膨润土中的气体渗透将不可避免的遭受核素衰变热的影响，因此开展温控条件下、饱和高压实膨润土的气体渗透问题研究，以及获取气体渗透率和气体突破压力两项评价气体全过程渗透特性的指标，对实现高放废物安全处置、保障核能行业可持续发展具有重要的现实意义。
基于上述背景，本发明公开一种气体渗透测量系统及其两个气体渗透率的计算模型，以及测量饱和超低渗介质气体全过程渗透参数的装置，能同时获取气体渗透率和气体突破压力两项指标。本发明可广泛应用于高放废物深地质处置、煤层气和页岩气开采、城市垃圾填埋和CO2地质封存等领域的气体渗透问题研究，准确获取气体气体渗透率和气体突破压力两项指标，具有重要的理论和工程实践价值。
本发明技术方案如下。
一种气体渗透测量系统，包括上游端气室2、下游端气室3、所述真空泵4,所述真空泵4与上游端气室2、下游端气室3相连。
所述上游端气室2与主体腔室1底部气孔输入口相连，其下游端气室3与主体腔室1顶部气孔输出口相连。
所述上游端气室2，其一端与外部供压装置相连，所述上游端气室2还同时通过第一双通球阀16-1和第二双通球阀16-2分别连接主体腔室1与真空泵4。
上游端气室2顶部装有第一安全阀14-1和第一高精度气压传感器15-1。
所述下游端气室3，其一端与主体腔室1的顶部气孔输出口相连，用于储存气体渗透流量，另一端通过第三双通球阀16-3连接真空泵4。
所述真空泵4用于在气体渗透试验开始前先抽出上游端气室2、下游端气室3中杂质气体。
试验过程中，在初始阶段，下游端气室3内的压力始终小于上游端气室2的压力，从而保证气体渗透方向始终沿试样1-6底面向试样顶面渗透。此外，下游端气室3顶部同样装有第二安全阀14-2和第二高精度气压传感器15-2。
所述真空泵4为水环式真空泵，通过第二双通球阀16-2和第三双通球阀16-3分别与上游端气室2和下游端气室3相连。试验开始前，使用真空泵4抽出整套试验装置及管路中的杂质气体，以消除试验误差。
上游端气室2、下游端气室3由不锈钢材料制成，内部容量恒定为30mL。
气体渗透率的计算模型一
气体渗透率的计算模型二
进一步的，基于渗透率的计算模型和装置，进一步开发软硬件而公开一种测量饱和超低渗介质气体全过程渗透参数的试验系统。
基于上述测试系统所进行的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台及研究使用方法。开展不同温度条件下的相关气体渗透试验，为深地质处置库的研究工作提供充分的理论依据。
饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，包括主体腔室、气体渗透测量系统、外部供压装置、温控系统、数据采集和处理装置；
所述主体腔室是装置的试验主体部分，用以放置试样开展气体渗透试验；
所述气体渗透测量系统包括上游端气室2、下游端气室3、真空泵4、两个安全阀；
所述外部供压装置包括气源8、增压泵9、空气压缩机10、气体缓冲罐11、调压阀12；
所述温控系统包括玻璃纤维电热带5、温度传感器6、温度控制器7。
基于上述饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台的研究方法，其步骤如下：
S1、启动温度控制器7加热主体腔室1，建立试样1-6内部温度与温度控制器7设置温度二者之间的校正关系；
S2、关闭调压阀12和设置于下游端气室3的双通球阀16-4，同时打开第一双通球阀16-1、第二双通球阀16-2和第三双通球阀16-3，随后开启真空泵4，将整套试验装置抽真空，保证操作结束后的上游端气室2和下游端气室3处于真空状态；抽真空结束后，断开第一双通球阀16-1、第二双通球阀16-2和第三双通球阀16-3；
S3、打开第五双通球阀16-5，开启气源8，向增压泵10中补充气体，同时启动空气压缩机9，向增压泵10持续输出驱动压力，缓慢将气体缓冲罐11内的气体增压至气压设定值，所述的气压设定值高于预估的试样气体突破压力；
S4、关闭气源8、空气压缩机9和增压泵10，同时断开双通球阀16-5；随后，利用调压阀12将气体缓冲罐11内的气体输出至上游端气室2，当上游端气室2内的气压达到预设的第一级压力时，关闭调压阀12，使上游端气室2与气体缓冲罐11保持断开；
S5、开启上游端气室2与主体腔室1之间的第一双通球阀16-1，开始气体渗透试验；渗透过程中，所述数据采集和处理装置13实时记录上游端气室2和下游端气室3内的气体压力数据以及称重传感器1-5测取的竖向应力数据；若上游端气室2、下游端气室3中的气压以及称重传感器1-5测量的竖向压力均未出现明显突变时，打开调压阀12，将上游端气室2内的气压调增至第二级气体压力，并继续监测上述数据，逐级试验；所述第二级气体压力高于第一级气体压力。
S6、重复S5步骤，直至上游端气室2和下游端气室3内的气体压力，以及称重传感器1-5测量的竖向压力出现突变，即出现了气体突破现象，停止试验。
S7、根据步骤S5和S6得到气压时程曲线，以及竖向压力曲线，确定试样1-6的气体渗透率和气体突破压力。
与现有技术相比，本发明公开了一种测量饱和超低渗介质气体全过程渗透参数的装置与方法，在温控条件下，通过逐级递增气压的方式确定气体突破压力，并基于每一级气压下的压力变化曲线计算实时气体渗透率，且本发明提供了基于上游端气室或下游端气室内的压力变化曲线的两种气体渗透率计算方法，为深地质处置库的研究工作提供充分的理论依据。
附图说明
图1为本发明实施例测试系统示意图；
图2为图1中主体腔室的剖面结构示意图(在领域内属于已有结构)；
图3为图1中气体渗透测量系统的构成示意图；
图4为本发明实施例的电连接原理图；
图5为本发明测试系统的软件模块流程示意图；
图6为本发明实施例中试样温度与温度传感器设置温度二者的校正曲线；
图7为本发明实施例中基于上游端和下游端气室压力计算的气体渗透率曲线；
图8为本发明实施例中确定的气体突破压力范围。
标记说明：
主体腔室1：
底座1-1、侧环1-2、顶板1-4、“O”型圈1-7；活塞1-3、不锈钢多孔板1-8；试样1-6；称重传感器1-5、第三A/D转换器1-9；
气体渗透测量系统：
上游端气室2、下游端气室3、真空泵4；
第一安全阀14-1、第二安全阀14-1；
第一双通球阀16-1、第二双通球阀16-2、第三双通球阀16-3、第四双通球阀16-4；
第一A/D转换器17-1、第二A/D传感器17-2
温控系统：
玻璃纤维电热带5、温度传感器6、温度控制器7；
外部供压装置：
气源8、增压泵9、空气压缩机10、气体缓冲罐11、调压阀12、第五双通球阀16-5；
数据采集和处理装置13：
第一高精度气压传感器15-1、第二高精度气压传感器15-2。
具体实施方式
现有方法(之前方法)：
当高压实膨润土所施加的气体压力较低时(“气体突破”发生之前)，流量极其微弱，几乎测不到；当施加的气体压力逐渐增大到气体突破压力时，出现气体突破现象，随后的气体流量大幅增加。因此，常规手段多是稳态法，通过监测流量的方式来研究高压实膨润土的气体渗透问题，故仅能测到“气体突破压力”一项指标(通过流量突增来判断)。
应对现有技术存在的技术瓶颈，本发明首次公开测试方式(创新思路)，其原理为：
一方面，放弃测流量，改测压力来绕开在气体突破之前难以测流量的技术难题，即提出一种全新测试方法；与前人测流量相比，本发明测取的压力既可用来计算气体渗透率(推导过程见下文)，也可根据其突变情况来判断气体突破的发生(对应于之前方法里的流量突增)。
另一方面，进一步给出关键的创新措施，即采用“间接测流量”，通过利用和控制小体积下的压力敏感度，并测其累计压力。经试验验证，控制气室容积在10mL～50mL的有效范围内，容积过小则无法控制误差影响。即在图1、图3中，通过设计上游端气室2、下游端气室3、真空泵4构成了“气体渗透测量系统”，即通过加装“气体渗透测量系统”以支持一种全新测试方法的有效实施。
实施例中推荐气室容积为30mL。
在控制“气体渗透测量系统”温度不变(设置恒定值)为前提，气体渗透率的计算原理，包括两个气体渗透率的计算模型，分别基于下游端气室和上游端气室内的气体压力变化曲线求解。理论推导如下：
其中，气体渗透率的计算模型一：
根据下游端气室3压力变化计算全过程气体渗透率的推导过程为：
首先，气体渗透的体积流量可由考虑气体压缩性的达西定律进行描述，
其中，Qg-out为试样出口端的气体流量，单位为m3/s，对应于本发明中下游端气室收集的气体流量，p1和p2分别为试样进口端和出口端的气体压力，对应于本发明中上游端和下游端气室内的气体压力，单位Pa，A为试样横截面积，单位m2，L为试样长度，单位m，μ为气体的动力粘度，单位Pa·s。
根据波义耳定律可知，密闭容器内的气体压力p(Pa)与气体体积V(m3)满足理想气体状态方程：
pV＝nRT或
其中，n为气体的物质的量，单位mol，R为理想气体常数，8.314J/(K·mol)，T为热力学温度，单位K。
因此，联立(2)式，可以将(1)式中气体流量的体积形式转换成质量形式，
与此同时，根据理想气体状态方程式(2)可知，在给定时间增量(dt)内，气体渗透流量的微分形式为：
从式(4)中可以看出，等号右边包含体积和压力两个微分项，求解过程非常复杂。然而，本发明提供的试验装置巧妙地将上游端和下游端气室体积设置为恒定值，式(2)中的第二项可以省略，相应的简化形式为，
最后，将式(3)和式(5)联立，可以求解出任意一级注气压力下的气体渗透率的解析形式
其中，气体渗透率的计算模型二：
本发明提供的气体渗透率的解析形式还可以根据上游端气室2的压力变化进行计算，其求解过程与基于下游端气室计算形式类似，直接给出解析解：
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明是实验室测试装置，非直接应用于现场的测试装置。
实施例1
如图1所示，本发明的测量饱和超低渗介质气体全过程渗透参数的试验系统，包括主体腔室1、气体渗透测量系统、外部供压装置、温控系统、数据采集和处理装置13，所述主体腔室1是装置的试验主体部分，用以放置试样开展气体渗透试验；所述气体渗透测量系统包括上游端气室2、下游端气室3、真空泵4、两个安全阀(第一安全阀14-1、第二安全阀14-2)，所述外部供压装置包括气源8、增压泵9、空气压缩机10、气体缓冲罐11、调压阀12；所述温控系统包括玻璃纤维电热带5、温度传感器6、温度控制器7，应用设计时还需要设置五个双通球阀(第一双通球阀16-1、第二双通球阀16-2、第三双通球阀16-3、第四双通球阀16-4、第五双通球阀16-5)；
其中：
如图2所示的主体腔室1是气体渗透装置的主体部分，用以放置试样1-6开展气体渗透试验。
所述主体腔室，包括底座1-1、侧环1-2、活塞1-3、顶板1-4，它们都由不锈钢材料制成，通过外六角螺栓紧密连接在一起，从而保证试样1-6处于恒定体积条件；其中，活塞1-3、底座1-1和侧环1-2之间设置有“O”型圈1-7，用于保障试验装置的气密性；所述试样1-6置于底座1-1顶面和活塞1-3底面之间的腔体；所述活塞1-3内部设置出气管线，该管线通往气体渗透测量系统的下游端气室3；底座1-1内部设有进气管线，该管线与气体渗透测量系统的上游端气室2相连。进一步优化，底座1-1和活塞1-3的端面均嵌入不锈钢多孔板1-8，从而保证气流均匀地从试样1-6表面流入或流出。
如图3所示的气体渗透测量系统：
作为实施例，举例而非限定，气体渗透测量系统中，所述上游端气室2、下游端气室3由不锈钢材料制成，内部容量恒定为30mL。
所述上游端气室2与主体腔室1底部气孔输入口相连，其下游端气室3与主体腔室1顶部气孔输出口相连。
所述上游端气室2，其一端与外部供压装置的气体缓冲罐11相连，两者中间设置有调压阀12，气体缓冲罐11内的高压气体通过调压阀12送入上游端气室2。所述上游端气室2还同时通过第一双通球阀16-1和第二双通球阀16-2分别连接主体腔室1与真空泵4。上游端气室2顶部装有第一安全阀14-1和第一高精度气压传感器15-1。第一安全阀14-1在气室内压力超过14MPa时自动泄压，直至气压降低至MPa以下，保障试验安全。
所述下游端气室3，其一端与主体腔室1的顶部气孔输出口相连，用于储存气体渗透流量，另一端通过第三双通球阀16-3连接真空泵4。
所述真空泵4用于在气体渗透试验开始前先抽出上游端气室2、下游端气室3中杂质气体，确保两者平衡且无杂质气体干扰，以消除试验系统的误差，因此可以推荐将上游端气室2、下游端气室3抽真空。试验过程中，在初始阶段，下游端气室3内的压力始终小于上游端气室2的压力，从而保证气体渗透方向始终沿试样1-6底面向试样顶面渗透。此外，下游端气室3顶部同样装有第二安全阀14-2和第二高精度气压传感器15-2。
所述真空泵4为水环式真空泵，极限真空3.3kPa，其通过第二双通球阀16-2和第三双通球阀16-3分别与上游端气室2和下游端气室3相连。试验开始前，使用真空泵4抽出整套试验装置及管路中的杂质气体，以消除试验误差。
外部供压装置这部分属于常规技术，与气体渗透测量系统配套用。在外部供压装置中，所述增压泵9与空气压缩机10、气源8和气体缓冲罐11相连，空气压缩机10输出的空气压力为增压泵9提供驱动力，增压泵9将气源8中的气体增压至预设值后送入气体缓冲罐11。所述空气压缩机10和增压泵9之间设置有第五双通球阀16-5。在试验前，所述的气体缓冲罐11内的压力预设值需高于试样1-6的预估气体突破压力，从而保证试样1-6能够发生气体突破现象。所述气体缓冲罐11一端连接增压泵9，另一端通过调压阀12连接上游端气室2，用于储存增压泵9送来的高压气体，并在试验过程中使用调压阀12逐级增大上游端气室2内的气体压力。
在温控系统这部分属于常规技术。在温控系统中，所述温度控制器7分别连接玻璃纤维电热带5和温度传感器6，所述玻璃纤维电热带5紧密缠绕在主体腔室外壳表面用于提供热源，温度传感器6嵌入主体腔室1外壳用于采集主体腔室外壳表面的实时温度。温度控制器7通过比较温度传感器6测定的主体腔室外壳表面温度数值与预设值来控制玻璃纤维电热带5的通断，三者构成温度闭路控制，以间接实现试验过程中的试样1-6温度的恒定。由于温度控制器7设置的温度与试样1-6温度存在温差，因此在试验开始前系统需对二者进行标定，并建立校正关系曲线，从而实现对试样1-6温度的精确控制，并可进一步研究温度对饱和超低渗介质气体渗透参数的影响规律。
如图4所示，所述数据采集和处理装置13：
包括PC，PC包括软件模块和人机界面；
以及包括称重传感器1-5和第三A/D转换器1-9；称重传感器1-5设置贴合在起负载作用的顶板1-4的底部，依次与第三A/D转换器1-9、PC连接，用于实时监测试验过程中的竖向压力，进而判断气体突破的发生；
以及包括两个高精度气压传感器(第一高精度气压传感器15-1、第二高精度气压传感器15-2)和两个A/D转换器(第一A/D转换器17-1和第二A/D转换器17-2)；第一高精度气压传感器15-1用于测量气体渗透过程中的上游端气室2内压力变化情况：在气体突破之前，上游端气室2内的压力仅会出现微弱的降低，而在气体突破发生时发生陡降。与此类似，第二高精度气压传感器15-2用于测量气体渗透试验过程中的下游端气室3内的压力变化情况：在发生气体突破现象之前，下游端气室3压力仅会出现微弱的增大，而在气体突破发生时则迅速出现陡增。
所述软件模块如图5所示，包括气体渗透率计算模块和气体突破压力的计算模块。
所述软件模块描述为：
L1、通过使用界面执行系统初始化；
L2、记录当前施加的第一级气体压力；
L3、读取从温度传感器6(实施例采用WZPT-035-GK-FY3PF型PT100热电偶)提供的温度变化(T)；
L4、读取从上游端气室和下游端气室的高精度气压传感器(实施例采用SIN-P300压力传感器)提供来的两端气室压力变化(p1和p2)；
L5、读取从称重传感器1-5(实施例采用LCZ-205A)提供来的竖向压力(F)；
L6、依据两个计算模型，输出显示实时气体渗透率(kg-in和kg-out)；
L7、判断上游端气室、下游端气室压力变化以及竖向压力变化，如若没有发生明显变化，则记录当前施加的下一级气体压力，继续执行L3-L6；
如若出现明显突变，则认为气体突破现象发生，在人机界面上输出并显示气体突破压力，结束流程。
以高压实膨润土材料为例，判断标准为：dF/dt>0.5kg/h且d(p1-p2)/dt<-40kPa/h。
气体突破现象对应的是上游端和下游端气室压力出现突变，以及竖向应力出现突变；相应的，气体突破压力即是出现本级气体突破时的上游端气室压力与上一级上游端气室压力范围之间。
实施例2
基于上述测试系统所进行的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量及研究使用方法，步骤如下：
S1、启动温度控制器7加热主体腔室1，建立试样1-6内部温度与温度控制器7设置温度二者之间的校正关系。基于该校正关系，一方面可以精确控制试验过程中的试样温度；另一方面，还可据此校正关系设置不同的控制温度，进而分析研究温度对饱和超低渗介质的气体渗透参数的影响规律。
S2、关闭调压阀12和设置于下游端气室3的双通球阀16-4，同时打开第一双通球阀16-1、第二双通球阀16-2和第三双通球阀16-3，随后开启真空泵4，将整套试验装置抽真空，保证操作结束后的上游端气室2和下游端气室3处于真空状态；抽真空结束后，断开第一双通球阀16-1、第二双通球阀16-2和第三双通球阀16-3。
S3、打开第五双通球阀16-5，开启气源8，向增压泵10中补充气体，同时启动空气压缩机9，向增压泵10持续输出驱动压力，缓慢将气体缓冲罐11内的气体增压至气压设定值，所述的气压设定值高于预估的试样气体突破压力；
S4、关闭气源8、空气压缩机9和增压泵10，同时断开双通球阀16-5；随后，利用调压阀12将气体缓冲罐11内的气体输出至上游端气室2，当上游端气室2内的气压达到预设的第一级压力时，关闭调压阀12，使上游端气室2与气体缓冲罐11保持断开。
S5、开启上游端气室2与主体腔室1之间的第一双通球阀16-1，开始气体渗透试验。渗透过程中，所述数据采集和处理装置13实时记录上游端气室2和下游端气室3内的气体压力数据以及称重传感器1-5测取的竖向应力数据。若上游端气室2、下游端气室3中的气压以及称重传感器1-5测量的竖向压力均未出现明显突变时，打开调压阀12，将上游端气室2内的气压调增至第二级气体压力，并继续监测上述数据，逐级试验。所述第二级气体压力高于第一级气体压力。
这一步骤的目的是确定气体突破压力。气体突破压力是一个临界值，通过逐级递增气压的方式确定气体突破压力。比如，施加第一级气压1MPa，如果未观察到气体突破现象，那么把气压提升到2MPa，如果还未出现气体突破，则继续加到3MPa，以此类推，举例依次4MPa、5MPa、6MPa，如果在6MPa时发生气体突破了，那么认为气体突破压力处于5MPa到6MPa之间。如果为了提升精度，只需不同气压的级差减小，比如以0.5MPa甚至0.1MPa的级差逐级增大气压。
S6、重复S5步骤，直至上游端气室2和下游端气室3内的气体压力，以及称重传感器1-5测量的竖向压力出现突变(以高压实膨润土材料为例，判断标准为：dF/dt>0.5kg/h且d(p1-p2)/dt<-40kPa/h)，即出现了气体突破现象，停止试验。
S7、根据步骤S5和S6得到气压时程曲线，以及竖向压力曲线，确定试样1-6的气体渗透率和气体突破压力。所述气体突破压力处于本次出现气体突破时的上游端气室压力与上一级上游端气室压力之间。
所述数据采集和处理装置13具备20kHz的采样频率。
所述高精度气压传感器为SIN-P300压力传感器，其气压量程为0-10MPa，分辨率为1kPa。
所述空气压缩机采用静音无油空气压缩机，其输出压力为0-1.25MPa。
所述真空泵为水环式真空泵，极限真空3.3kPa。
所述温度控制器为TE4-RC10W电子式温控器,测量精度±0.5％F.S。
所述温度传感器采用WZPT-035-GK-FY3PF型PT100热电偶，温度范围为-50～200℃。
所述的称重传感器采用LCZ-205A电阻应变式称重传感器，其量程为0-3t。
所述模拟量传感器采用LFAL-201外接式单路电流传感器，额定输出4-20mA信号。
所述数据采集和处理装置采用MLT16-SDAQ多通道同步数据采集和处理装置，具备20kHz的采样频率。
下面结合本装置开展的具体试验过程及计算数据对本发明提出的方法进行验证。
一、试验材料
试验材料选用高庙子膨润土，通过气相法控制膨润土粉末含水量后，称取目标干密度试样所需的膨润土粉末质量，基于静力压实法压制圆柱形膨润土待测试样。随后，采用常水头法将膨润土试样注水饱和。其中，所需的膨润土粉末质量根据如下公式计算：
其中，mf是需称量的膨润土粉末质量，单位g；d是需制备试样的直径，单位cm；l是需制备试样的高度，单位cm；ρd是试样干密度，单位g/cm3；ω是膨润土粉末含水量。
表1为膨润土试样的主要物理性质指标。
表1膨润土试样的主要物理性质
二、气体选取
处置库内主要气体类型为氢气，从安全性角度考虑，拟选用分子量较为接近的氦气作为试验气源。试验使用的气样为纯度为99.999％的高纯氦气。
三、气体全过程渗透参数测定试验
(1)将饱和膨润土试样装入本发明的试验装置，启动温度控制器加热主体腔室，并将温度控制器的温度预设值分别设置在40℃，50℃，60℃和70℃，监测对应工况下的试样温度，建立的二者之间校正关系和曲线图如下式和图6。
T试样＝0.835·T温控器+2.1，R2＝0.999
其中，T试样为试样温度，单位℃；T温控器为温度控制器设置的温度，单位℃。
使用温度控制器将主体腔室外壳温度设置在45.4℃，对应的试样温度为40℃。
启动真空泵，将整套试验装置抽真空。
将气体缓冲罐中的气体压力增至15MPa，并使用气体调压阀将上游端气室的第一级气体压力补充至0.5MPa左右，若在当前气压条件下未出现气体突破，则以0.5MPa级差逐步提升上游端气室内的气体压力，直至气体突破并停止试验。
四、气体渗透率的计算
(1)根据上游端气室压力变化计算全过程气体渗透率的公式为：
(2)根据下游端气室压力变化计算全过程气体渗透率的公式为：
其中，40℃下的氦气动力粘度为1.98×10-5Pa·s，试样横截面积为1.96×10-4m2，试样长度为0.01m，上游端和下游端气室的容积均为3×10-5m3。计算结果如图7所示，可以看出气体突破之前，两种气体渗透率的计算结果均处于10-20m2数量级左右，具有十分典型的超低渗特征。
五、气体突破压力的确定
根据图8所示的试验结果，当上游端和下游端气室内的气体压力、以及称重传感器的竖向压力发生突变时(由于本实例的测试材料为高压实膨润土试样，判断标准为：dF/dt>0.5kg/h且d(p1-p2)/dt<-40kPa/h)，判定为发生了气体突破现象(即图8曲线陡增点A,大约发生在598小时附近)。相应地，气体突破压力处于当前上游端气室压力与上一级压力之间，即：2.01MPa～2.53MPa之间。需要注意的是，气体突破压力的数值区间可以通过降低气压级差来进一步缩小，上述的2.01MPa～2.53MPa是本发明用于阐述测试方法可行性而给出的一个案例。
以上所述仅为本发明的优选内容而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述内容对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各内容所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，包括主体腔室（1）、气体渗透测量系统、外部供压装置、温控系统、数据采集和处理装置（13）；
所述主体腔室是装置的试验主体部分，用以放置试样开展气体渗透试验；
所述气体渗透测量系统包括上游端气室（2）、下游端气室（3）、真空泵（4）、两个安全阀；控制两个气室容积在10 mL~50 mL 的有效范围内;
所述外部供压装置包括气源（8）、增压泵（9）、空气压缩机（10）、气体缓冲罐（11）、调压阀（12）；
所述温控系统包括玻璃纤维电热带（5）、温度传感器（6）、温度控制器（7）；
所述气体渗透测量系统中：
所述上游端气室（2）与主体腔室（1）底部气孔输入口相连，其下游端气室（3）与主体腔室（1）顶部气孔输出口相连；
所述上游端气室（2），其一端与外部供压装置的气体缓冲罐（11）相连，所述上游端气室（2）还同时通过第一双通球阀（16-1）和第二双通球阀（16-2）分别连接主体腔室（1）与真空泵（4），上游端气室（2）顶部装有第一安全阀（14-1）和第一高精度气压传感器（15-1）；
所述下游端气室（3），其一端与主体腔室（1）的顶部气孔输出口相连，用于储存气体渗透流量，另一端通过第三双通球阀（16-3）连接真空泵（4），下游端气室（3）顶部同样装有第二安全阀（14-2）和第二高精度气压传感器（15-2）；
所述真空泵（4）用于在气体渗透试验开始前先抽出上游端气室（2）、下游端气室（3）中杂质气体；
试验过程中，在初始阶段，下游端气室（3）内的压力始终小于上游端气室（2）的压力，从而保证气体渗透方向始终沿试样（1-6）底面向试样顶面渗透；
所述数据采集和处理装置（13），包括：
PC，PC包括软件模块和人机界面；
以及包括称重传感器（1-5）和第三A/D转换器（1-9）；称重传感器（1-5）设置贴合在起负载作用的顶板（1-4）的底部，依次与第三A/D转换器（1-9）、PC连接，用于实时监测试验过程中的竖向压力，进而判断气体突破的发生；
以及包括两个高精度气压传感器和两个A/D转换器，两个高精度气压传感器分别为第一高精度气压传感器（15-1）、第二高精度气压传感器（15-2）和两个A/D转换器分别为第一A/D转换器（17-1）和第二A/D转换器（17-2）；第一高精度气压传感器（15-1）用于测量气体渗透过程中的上游端气室（2）内压力变化情况；第二高精度气压传感器（15-2）用于测量气体渗透试验过程中的下游端气室（3）内的压力变化情况；
所述软件模块，包括气体渗透率计算模块和气体突破压力的计算模块；所述软件模块描述为：
L1、通过使用界面执行系统初始化；
L2、记录当前施加的第一级气体压力；
L3、读取从温度传感器（6）提供的温度变化；
L4、读取从上游端气室和下游端气室的高精度气压传感器提供来的两端气室压力变化，即p1和p2；
L5、读取从称重传感器（1-5）提供来的竖向压力；
L6、依据两个计算模型，输出显示实时气体渗透率，即：
气体渗透率的计算模型一，
气体渗透率的计算模型二，
其中，分别是进口端和出口端的气体渗透率，
μ为气体的动力粘度，单位Pa·s，
L为试样长度，单位m，
A为试样横截面积，单位m2，
p 1和p 2分别为试样进口端和出口端的气体压力，单位Pa，
V1、V2为分别对应上游端气室2和下游端气室3的容量；
微分形式中dt为时间增量，dp 1为进口端的气体压力增量，dp 2为出口端的气体压力增量；
L7、判断上游端气室、下游端气室压力变化以及竖向压力变化，如若没有发生明显变化，则记录当前施加的下一级气体压力，继续执行L3-L6；
如若出现明显突变，则认为气体突破现象发生，在人机界面上输出并显示气体突破压力，结束流程。
2.如权利要求1所述的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，所述主体腔室（1），包括底座（1-1）、侧环（1-2）、活塞（1-3）、顶板（1-4），所述底座（1-1）、侧环（1-2）、活塞（1-3）、顶板（1-4）紧密连接在一起以保证试样（1-6）处于恒定体积条件；其中，活塞（1-3）、底座（1-1）和侧环（1-2）之间设置有“O”型圈（1-7），用于保障试验装置的气密性；所述试样（1-6）置于底座（1-1）顶面和活塞（1-3）底面之间的腔体；所述活塞（1-3）内部设置出气管线，所述出气管线通往气体渗透测量系统的下游端气室（3）；底座（1-1）内部设有进气管线，所述进气管线与气体渗透测量系统的上游端气室（2）相连。
3.如权利要求2所述的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，所述底座（1-1）、侧环（1-2）、活塞（1-3）、顶板（1-4）由不锈钢材料制成，通过外六角螺栓紧密连接在一起。
4.如权利要求2所述的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，所述底座（1-1）和活塞（1-3）的端面均嵌入不锈钢多孔板（1-8），以保证气流均匀地从试样（1-6）表面流入或流出。
5.如权利要求1所述的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，所述外部供压装置中：
所述增压泵（9）与空气压缩机（10）、气源（8）和气体缓冲罐（11）相连，所述空气压缩机（10）输出的空气压力为增压泵（9）提供驱动力，增压泵（9）将气源（8）中的气体增压至预设值后送入气体缓冲罐（11）；所述空气压缩机（10）和增压泵（9）之间设置有第五双通球阀（16-5）；所述气体缓冲罐（11）一端连接增压泵（9），另一端通过调压阀（12）连接上游端气室（2），用于储存增压泵（9）送来的高压气体，并在试验过程中使用调压阀（12）逐级增大上游端气室（2）内的气体压力。
6.如权利要求1所述的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，所述温控系统中，所述温度控制器（7）分别连接玻璃纤维电热带（5）和温度传感器（6），所述玻璃纤维电热带（5）紧密缠绕在主体腔室外壳表面用于提供热源，温度传感器（6）嵌入主体腔室（1）外壳用于采集主体腔室外壳表面的实时温度；温度控制器（7）通过比较温度传感器（6）测定的主体腔室外壳表面温度数值与预设值来控制玻璃纤维电热带（5）的通断，三者构成温度闭路控制，以间接实现试验过程中的试样（1-6）温度的恒定。
7.一种基于权利要求1-6任一所述平台的研究方法，其特征在于，步骤如下：
S1、启动温度控制器（7）加热主体腔室（1），建立试样（1-6）内部温度与温度控制器（7）设置温度二者之间的校正关系；
S2、关闭调压阀（12）和设置于下游端气室（3）的第四双通球阀（16-4），同时打开第一双通球阀（16-1）、第二双通球阀（16-2）和第三双通球阀（16-3），随后开启真空泵（4），将整套试验装置抽真空，保证操作结束后的上游端气室（2）和下游端气室（3）处于真空状态；抽真空结束后，断开第一双通球阀（16-1）、第二双通球阀（16-2）和第三双通球阀（16-3）；
S3、打开第五双通球阀（16-5），开启气源（8），向增压泵（9）中补充气体，同时启动空气压缩机（10），向增压泵（9）持续输出驱动压力，缓慢将气体缓冲罐（11）内的气体增压至气压设定值，所述的气压设定值高于预估的试样气体突破压力；
S4、关闭气源（8）、增压泵（9）和空气压缩机（10），同时断开第五双通球阀（16-5）；随后，利用调压阀（12）将气体缓冲罐（11）内的气体输出至上游端气室（2），当上游端气室（2）内的气压达到预设的第一级压力时，关闭调压阀（12），使上游端气室（2）与气体缓冲罐（11）保持断开；
S5、开启上游端气室（2）与主体腔室（1）之间的第一双通球阀（16-1），开始气体渗透试验；渗透过程中，所述数据采集和处理装置（13）实时记录上游端气室（2）和下游端气室（3）内的气体压力数据以及称重传感器（1-5）测取的竖向应力数据；若上游端气室（2）、下游端气室（3）中的气压以及称重传感器（1-5）测量的竖向压力均未出现明显突变时，打开调压阀（12），将上游端气室（2）内的气压调增至第二级气体压力，并继续监测上述数据，逐级试验；所述第二级气体压力高于第一级气体压力；
S6、重复S5步骤，直至上游端气室（2）和下游端气室（3）内的气体压力，以及称重传感器（1-5）测量的竖向压力出现突变，即出现了气体突破现象，停止试验；
S7、根据步骤S5和步骤S6得到气压时程曲线，以及竖向压力曲线，确定试样（1-6）的气体渗透率和气体突破压力。
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