CN117825261A - 一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩石力学试验技术与设备技术领域，具体为一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统及方法，系统包括反应腔体，反应腔体内设有反应腔室，其底部设有排气口，反应腔室内设有多块石膏岩试样，石膏岩试样侧壁上设有电热线圈，石膏岩试样顶部和底部均设有透水垫块，透水垫块一侧设有轴向压力加载块，两个透水垫块之间的反应腔室为溶蚀反应区，溶蚀反应区分为多个溶蚀反应分区，溶蚀反应分区内设有可渗透多孔介质，每个溶蚀反应分区处均设有进水通道和排水通道，进水通道连接有集成流体控制系统和注水泵，排水通道连接有分区储液器。本发明能够将渗流异质性可控地引入实验系统，实现对地下水不同渗流路径下石膏岩溶解过程的真实模拟。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学试验技术与设备技术领域，具体涉及一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统及方法。
背景技术
溶蚀是指水对可溶性岩石所进行的作用，主要分为物理溶蚀、化学溶蚀和生物溶蚀。已有大量文献表明，在常温常压下（20℃，1个标准大气压），硬石膏的溶解度（2.40000g/L）是方解石（0.00150g/L）的1600倍，是白云石（0.00115g/L）的2087倍，因此石膏类的硫酸岩溶蚀程度要远远大于碳酸岩。同时，含膏岩层作为一种化学可溶性岩石，在地下水的溶蚀作用下不仅会掏空围岩导致岩石内部结构软化，使岩体单元强度明显降低，而且其溶于水后产生的硫酸根离子具有强腐蚀性，严重威胁隧道等地下工程的安全建设和长久运维。因此为研究石膏岩对工程建设或环境的影响，进行石膏岩的溶蚀实验十分必要。
针对含膏岩样的室内溶蚀实验，主要分为静态溶蚀和动态溶蚀两种类型。目前在研究岩石试样静态溶蚀规律时，通常将岩石直接放置于简化水槽中，并通过控制浸水时长、加温、加压、注入不同离子浓度或酸碱度溶液的方法进行研究；在研究岩石试样动态溶蚀机理时，则通常是在叠加有上述静态溶蚀的条件的基础上，通过改变溶液流速进行研究。目前已有进行以上两种室内溶蚀实验的装置及方法，但普遍是采用水连续冲刷试样或旋转碟片法为原理进行设计的，仍存在较多不足，主要包括：（1）现有溶蚀实验的研究对象采用岩石薄片，目的是为了加速室内溶蚀试验的进程，但所采用的样品尺寸较小，有的甚至为岩石颗粒或粉末，难以研究岩石溶蚀后的力学特性；（2）受反应腔室容积的限制，实验中多只采用单一岩块，无法同时进行同条件下多岩块的重复实验，实验周期往往较长；（3）现有的装置主要是将岩石试样直接浸泡于水中，开展基于温度、水压等条件下的均质性实验，忽略了地下水空间流动方式和渗流特性差异对于石膏岩溶蚀规律的影响，实验的环境无法模拟自然地质的空间异质性，使得实验结果与实际情况存在较大差异。
因此，为了更好的模拟岩石溶蚀过程中地下水空间流动方式和渗流特性，将地质环境异质性可控的引入室内试验装置，提高实验结果的准确性，本发明提供了一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统及方法，以解决上述现有研究中所存在的问题。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统，本发明不仅能提供高温（0-100℃）、高压（0-100MPa）和地下水动/静循环流动的试验环境，而且能够将地质环境异质性可控的引入室内试验装置，实现对自然条件下化学可溶性岩石溶蚀过程的真实模拟，技术方案如下：包括反应腔体，所述反应腔体内设有反应腔室，反应腔体底部设有与反应腔室连通的排气口，反应腔室内放置有多块石膏岩试样，石膏岩试样的侧壁上设置有电热线圈，所述石膏岩试样顶部和底部均设置有透水垫块，透水垫块远离石膏岩试样的一侧设置有轴向压力加载块，所述轴向压力加载块远离透水垫块的一端延伸至反应腔体外并与反应腔体滑动连接；
两个所述透水垫块之间的反应腔室为溶蚀反应区，溶蚀反应区内通过隔水垫片分为沿轴向排布的多个溶蚀反应分区，溶蚀反应分区内设置有可渗透多孔介质，每个溶蚀反应分区处均设有进水通道和排水通道，所述进水通道连接有用于控制水流压力和流速的集成流体控制系统以及用于泵送水的注水泵，所述排水通道连接有分区储液器。
优选的，所述进水通道通过进水管依次连接集成流体控制系统和注水泵，集成流体控制系统与进水通道之间的管路上设有安全阀、流量计、水压计和泄压阀，所述排水通道通过出水管连接分区储液器，出水管上设有流量计、水压计和止水阀。
优选的，所述注水泵连接有注水泵调控系统，所述电热线圈连接有温控系统，所述安全阀连接有安全阀门控制系统。
优选的，所述溶蚀反应分区内设有分布式传感器网络，所述分布式传感器网络包括离子浓度传感器、水压传感器和温度传感器，所述分布式传感器网络连接有反馈与监控系统。
优选的，所述离子浓度传感器有十二个，水压传感器有一个，温度传感器有四个，所述水压传感器位于溶蚀反应分区的中心位置，四个温度传感器沿溶蚀反应分区周向间隔排布，四个所述离子浓度传感器位于靠近溶蚀反应分区中心的位置，并沿溶蚀反应分区周向间隔排布，另外八个所述离子浓度传感器位于靠近溶蚀反应分区侧边的位置，并沿溶蚀反应分区周向间隔排布，每个所述温度传感器径向上的两侧位置各对应有一个离子浓度传感器。
优选的，所述分区储水器内设有pH计，所述pH计与反馈与监控系统连接。
优选的，所述可渗透多孔介质采用各种粒度颗粒的混合物组成，或采用环氧树脂材料制成。
一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验方法，包括以下步骤：
S1、根据所要研究区域的石膏岩层的地质特征，识别并确定关键参数，关键参数包括地下水参数、不同天然地层的渗透率以及地层多孔结构分布情况，地下水参数包括地下水携带的离子类型、酸碱度、流速、温度、水压以及流量；
S2、根据关键参数确定溶蚀方案，溶蚀方案具体为：根据地下水参数确定实验用水的参数，根据天然地层的渗透率选择可渗透多孔介质，根据地层多孔结构分布情况进行溶蚀反应分区的划分，根据地下水参数和地层多孔结构分布情况确定实验系统的运行条件；
S3、选取所要研究区域的多块标准石膏岩试样，将多块标准石膏岩试样放入反应腔室固定，并将电热线圈安装在石膏岩试样侧面，然后根据溶蚀方案划分好溶蚀反应分区、选择并埋置可渗透多孔介质、布置分布式传感器网络；
S4、将各个溶蚀反应分区的进水通道通过进水管连接各自对应的注水泵，排水通道通过出水管连接各自对应的分区储液器，分布式传感器网络接线通过分区传感器窗口穿出并外接反馈与监控系统；
S5、校准集成流体控制系统、温控系统、安全阀门控制系统、反馈与监控系统以及注水泵调控系统；
S6、开启与最底部溶蚀反应分区连接的注水泵，并设置注水压力为1MPa，通水稳定10分钟，充分排出反应腔室内的空气后关闭排气口；
S7、依次开启各个溶蚀反应分区的注水泵，按照渗透率公式计算各溶蚀反应分区的渗透率，以确保实验渗透率与实际渗透率一致；
S8、按照溶蚀方案设置实验条件，实验条件包括反应腔室内的温度和轴压、通入反应腔室内的实验用水的流速和水压，并启动待测溶蚀反应分区所对应的安全阀和注水泵，然后根据溶蚀类型开启或关闭待测溶蚀反应分区所对应的止水阀，开始岩石溶蚀实验：当溶蚀类型为静态溶蚀时，开启待测溶蚀反应分区所对应的止水阀，当溶蚀类型为动态溶蚀时，关闭待测溶蚀反应分区所对应的止水阀；
S9、溶蚀反应后的液体流入分区储液器中，方便对反应后的液体离子成分进行分析；
S10、试验结束后，先关闭注水泵，使其停止注水，然后通过温控系统关闭电热线圈，待反应腔室内温度冷却至常温后，再卸载轴压至零，然后通过各个溶蚀反应分区的泄压阀使溶蚀反应分区内部水压缓慢泄压至大气压，最后关闭反馈与监控系统与安全阀门控制系统，将各个安全阀恢复至初始状态后关闭电源，完成实验。
优选的，所述步骤S3具体为：当采用各种粒度颗粒的混合物作为可渗透多孔介质时，根据溶蚀方案确定实验所需的可渗透多孔介质性质，并根据可渗透多孔介质性质选择合适粒度颗粒的混合物，埋置时先埋置最底部溶蚀反应分区的可渗透多孔介质，埋置过程中放置分布式传感器网络，并将分布式传感器网络接线从分区传感器窗口穿出，埋置完成后安装隔水垫片，通过隔水垫片进行可渗透多孔介质的分隔，重复以上步骤直到完成最顶层溶蚀反应分区中可渗透多孔介质的埋置；
当采用环氧树脂材料作为可渗透多孔介质时，根据溶蚀方案确定实验所需的可渗透多孔介质性质，并根据可渗透多孔介质性质对环氧树脂材料进行3D打印，将环氧树脂材料打印成型为可渗透多孔介质，打印时预留传感器安装通道，在可渗透多孔介质成型后将分布式传感器安装在预留通道中；埋置时只需从最底部溶蚀反应分区开始安装可渗透多孔介质，并将分布式传感器网络接线从分区传感器窗口穿出，安装隔水垫片，重复以上步骤直到完成最顶层溶蚀反应分区中可渗透多孔介质的埋置。
优选的，所述溶蚀方案还包括四种实验方案，四种实验方案分别为石膏岩完全浸水溶蚀实验、分区水平均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验、分区水平不均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验、无分区均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过隔水垫片进行轴向分区，各个溶蚀反应分区中可设置不同的可渗透多孔介质，实现对于岩石试样周围地层空间渗透特性和渗流通道的模拟，再现实际地层环境中在流体自然流动作用下的化学可溶性岩石的溶蚀过程，提高实验的结果准确性。
2、本发明溶蚀反应腔室内能够安装多块标准石膏岩试样，可同时进行同条件下多岩块的重复试验，大大缩短了岩石溶蚀实验的周期，提高了实验的效率和准确性，同时能够避免由于人为多次操作重复安装试样所造成的实验误差。
3、本发明实验系统可通过集成流体控制系统和温控系统等控制系统，实现对温度、水压、流速、轴压等多种条件的控制，进而能够进行复杂条件下的岩石室内溶蚀实验。同时本发明可开展化学可溶性岩石在地下水全封闭、分区封闭-开放、全开放状态下的溶蚀实验，应用灵活。
4、本发明有两种可渗透多孔介质的制成方式，仅考虑渗透系数差异时，可根据实际地层的渗透率选择不同粒度颗粒的混合物进行模拟，通过灵活调整颗粒物质的排列、形状和配比来控制孔隙率的变化，无需预制，使用方便且成本低；可渗透多孔介质也可通过3D打印环氧树脂材料成型，能够模拟具有不规则形状的渗流通道的地层。两种可渗透多孔介质的制成方式增加了实验的可选择性。
5、本发明实验系统中设置分布式传感器网络，可有效监测化学可溶性岩石溶蚀过程中离子浓度空间分布特征和运移规律。
附图说明
图1是本发明反应腔体的剖面图；
图2是本发明反应腔体的三维立体图；
图3是本发明反应腔体的三维剖面图；
图4是本发明分布式传感器网络的布置图；
图5是本发明四种实验方案的可渗透多孔介质的布置图，其中（a）为石膏岩完全浸水溶蚀实验的可渗透多孔介质布置图，（b）为分区水平均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验的可渗透多孔介质布置图，（c）为分区水平不均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验的可渗透多孔介质布置图，（d）无分区均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验的可渗透多孔介质布置图；
图6是本发明实验系统示意图。
图中标号：1、上部轴压加载块；201、第一进水通道；202、第二进水通道；203、第三进水通道；3、上端盖；4、反应腔体；5、排水通道；6、溶蚀反应分区；7、安全阀；8、隔水垫片；9、水压计；10、流量计；11、排气口；12、封水橡胶垫圈；13、下部轴压加载块；14、透水垫块；15、下端盖；16、电热线圈；17、分区传感器窗口；18、石膏岩试样；19、轴压加载油泵；20、反馈与监控系统；21、集成流体控制系统；22、安全阀门控制系统；23、温控系统；24、分区储液器；25、pH计；26、温度传感器；27、离子浓度传感器；28、水压传感器；29、泄压阀；30、止水阀；31、注水泵；32、注水泵调控系统；33、高渗透多孔介质；34、中渗透多孔介质；35、低渗透多孔介质；36、微渗透多孔介质。
具体实施方式
为了使本发明更为清楚、明白，以下结合附图说明和实施例，对本发明作进一步的详细说明，应当了解，所给出的实施例仅仅为实现方式的一种，并不代表所有实施例。
在本文中，“上、下、内、外”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定。
本发明提出了一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统，包括反应腔体4，所述反应腔体4内设有反应腔室，反应腔体4底部设有与反应腔室连通的排气口11，反应腔室内放置有多块石膏岩试样18，石膏岩试样18优选四块，石膏岩试样18的侧壁上设置有电热线圈16，所述石膏岩试样18顶部和底部均设置有透水垫块14，透水垫块14远离石膏岩试样18的一侧设置有轴向压力加载块，所述轴向压力加载块远离透水垫块14的一端延伸至反应腔体4外并与反应腔体4滑动连接；
两个所述透水垫块14之间的反应腔室为溶蚀反应区，溶蚀反应区内通过隔水垫片8分为沿轴向排布的多个溶蚀反应分区6，溶蚀反应分区6内设置有可渗透多孔介质，每个溶蚀反应分区6处均设有进水通道和排水通道5，所述进水通道连接有用于控制水流压力和流速的集成流体控制系统21以及用于泵送水的注水泵31，所述排水通道5连接有分区储液器24。具体地，所述反应腔体4包括耐高温高压的外部腔体、上端盖3和下端盖15，上端盖3和下端盖15分别固定在外部腔体的上端和下端，两个轴向压力加载块分别为上部轴压加载块1和下部轴压加载块13，上部轴压加载块1底端穿过上端盖3与位于顶部的透水垫块14接触连接，上部轴压加载块1的顶端位于反应腔体4外，下部轴压加载块13顶端穿过下端盖15与位于底部的透水垫块14接触连接，下部轴压加载块13的底端位于反应腔体4外，上部轴压加载块1和下部轴压加载块13均与轴压加载油泵19连接，由轴压加载油泵19对轴向加载块施加或卸载轴压。所述进水通道分为第一进水通道201、第二进水通道202以及第三进水通道203，第一进水通道201设置在上部轴压加载块1中，第一进水通道201与最顶部的溶蚀反应分区6连通，第三进水通道203设置在下部轴压加载块13中，第三进水通道203与最底部的溶蚀反应分区6连通，第一进水通道201和第三进水通道203沿反应腔室轴向设置，所述第二进水通道202设置在反应腔体4侧壁上，第二进水通道202与位于中间位置的溶蚀反应分区6连通。
所述透水垫块14和隔水垫片8均采用不锈钢材质，所述隔水垫片8上开设用于石膏岩试样18穿过的通孔，石膏岩试样18穿过通孔后，利用封水橡胶垫圈12密封石膏岩试样18与隔水垫片8之间的间隙。
具体地，所述进水通道通过进水管依次连接集成流体控制系统21和注水泵31，集成流体控制系统21与进水通道之间的管路上设有安全阀7、流量计10、水压计9和泄压阀29，所述排水通道5通过出水管连接分区储液器24，出水管上设有流量计10、水压计9和止水阀30。所述流量计10用于检测进水管和出水管中所流水的流量，所述水压计9用于检测进水管和出水管中所流水的水压，泄压阀29用于将反应腔室内压力泄出。
具体地，所述注水泵31连接有注水泵调控系统32，所述电热线圈16连接有温控系统23，所述安全阀7连接有安全阀门控制系统22。所述安全阀7用于控制进水通道的闭通，注水时安全阀7打开，当水压计9反馈进水通道的注水压力超过安全限制时，安全阀门控制系统22控制对应的安全阀7关闭，防止继续注水造成反应腔室内压力过大。
具体地，所述溶蚀反应分区6内设有分布式传感器网络，所述分布式传感器网络包括离子浓度传感器27、水压传感器28和温度传感器26，所述分布式传感器网络连接有反馈与监控系统20。分布式传感器网络用于动态检测化学可溶性岩石溶解离子的运输传递路径。所述每个溶蚀反应分区6对应的反应腔体4上均设有一个分区传感器窗口17，便于分布式传感器网络的接线从反应腔体4内穿出，连接反馈与监控系统20。离子浓度传感器27的类型可根据化学可溶性岩石的溶解离子类型选定，如石膏岩试样18，可选用硫酸根离子浓度传感器27和钙离子浓度传感器27。
具体地，所述离子浓度传感器27有十二个，水压传感器28有一个，温度传感器26有四个，所述水压传感器28位于溶蚀反应分区6的中心位置，四个温度传感器26沿溶蚀反应分区6周向间隔排布，四个所述离子浓度传感器27位于靠近溶蚀反应分区6中心的位置，并沿溶蚀反应分区6周向间隔排布，另外八个所述离子浓度传感器27位于靠近溶蚀反应分区6侧边的位置，并沿溶蚀反应分区6周向间隔排布，每个所述温度传感器26径向上的两侧位置各对应有一个离子浓度传感器27。
具体地，所述分区储水器内设有pH计25，所述pH计25与反馈与监控系统20连接。
具体地，所述可渗透多孔介质采用各种粒度颗粒的混合物组成，或采用环氧树脂材料制成。
一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验方法，包括以下步骤：
S1、根据所要研究区域的石膏岩层的地质特征，识别并确定关键参数，关键参数包括地下水参数、不同天然地层的渗透率以及地层多孔结构分布情况，地下水参数包括地下水携带的离子类型、酸碱度、流速、温度、水压以及流量；
S2、根据关键参数确定溶蚀方案，溶蚀方案具体为：根据地下水参数确定实验用水的参数，例如确定每个溶蚀反应分区6所需注水的水压、流量，根据天然地层的渗透率选择可渗透多孔介质，根据地层多孔结构分布情况进行溶蚀反应分区6的划分，根据地下水参数和地层多孔结构分布情况确定实验系统的运行条件，所述运行条件即为根据所需的水压和流量来设定集成流体控制系统21的工作参数、根据地下水温度设定温控系统23参数，使温控系统23控制电热线圈16进行所需温度的加热、根据实际轴压设定轴压加载油泵19的工作参数，使轴压加载油泵19对轴向加载块施加所需的轴压，从而对反应腔室内施加所需的轴压、根据不同地层多孔结构分布情况确定每一个溶蚀反应分区6内所需注水的情况，例如确定各溶蚀反应分区6分别是静态溶蚀还是动态溶蚀，从而确定每个溶蚀反应分区6所对应的注水泵31、安全阀7和止水阀30的工作状态；
S3、选取所要研究区域的多块标准石膏岩试样18，将多块标准石膏岩试样18放入反应腔室固定，并将电热线圈16安装在石膏岩试样18侧面，然后根据溶蚀方案划分好溶蚀反应分区6、选择并埋置可渗透多孔介质、布置分布式传感器网络；
S4、将各个溶蚀反应分区6的进水通道通过进水管连接各自对应的注水泵31，排水通道5通过出水管连接各自对应的分区储液器24，分布式传感器网络接线通过分区传感器窗口17穿出并外接反馈与监控系统20；
S5、校准集成流体控制系统21、温控系统23、安全阀门控制系统22、反馈与监控系统20以及注水泵调控系统32；
S6、开启与最底部溶蚀反应分区6连接的注水泵31，并设置注水压力为1MPa，通水稳定10分钟，充分排出反应腔室内的空气后关闭排气口11；
S7、依次开启各个溶蚀反应分区6的注水泵31，按照渗透率公式计算各溶蚀反应分区6的渗透率，以确保实验渗透率与实际渗透率一致；
S8、按照溶蚀方案设置实验条件，实验条件包括反应腔室内的温度和轴压、通入反应腔室内的实验用水的流速和水压，并启动待测溶蚀反应分区6所对应的安全阀7和注水泵31，然后根据溶蚀类型开启或关闭待测溶蚀反应分区6所对应的止水阀30，开始岩石溶蚀实验：当溶蚀类型为静态溶蚀时，开启待测溶蚀反应分区6所对应的止水阀30，使水无法流出溶蚀反应分区6，当溶蚀类型为动态溶蚀时，关闭待测溶蚀反应分区6所对应的止水阀30，使水可流出溶蚀反应分区6；
S9、溶蚀反应后的液体流入分区储液器24中，方便对反应后的液体离子成分进行分析；
S10、试验结束后，先关闭注水泵31，使其停止注水，然后通过温控系统23关闭电热线圈16，待反应腔室内温度冷却至常温后，再卸载轴压至零，然后通过各个溶蚀反应分区6的泄压阀29使溶蚀反应分区6内部水压缓慢泄压至大气压，最后关闭反馈与监控系统20与安全阀门控制系统22，将各个安全阀7恢复至初始状态后关闭电源，完成实验。
具体地，所述步骤S3具体为：当采用各种粒度颗粒的混合物作为可渗透多孔介质时，根据溶蚀方案确定实验所需的可渗透多孔介质性质，并根据可渗透多孔介质性质选择合适粒度颗粒的混合物，埋置时先埋置最底部溶蚀反应分区6的可渗透多孔介质，埋置过程中放置分布式传感器网络，并将分布式传感器网络接线从分区传感器窗口17穿出，埋置完成后安装隔水垫片8，通过隔水垫片8进行可渗透多孔介质的分隔，重复以上步骤直到完成最顶层溶蚀反应分区6中可渗透多孔介质的埋置；
当采用环氧树脂材料作为可渗透多孔介质时，根据溶蚀方案确定实验所需的可渗透多孔介质性质，并根据可渗透多孔介质性质对环氧树脂材料进行3D打印，将环氧树脂材料打印成型为可渗透多孔介质，打印时预留传感器安装通道，在可渗透多孔介质成型后将分布式传感器安装在预留通道中；埋置时只需从最底部溶蚀反应分区6开始安装可渗透多孔介质，并将分布式传感器网络接线从分区传感器窗口17穿出，安装隔水垫片8，重复以上步骤直到完成最顶层溶蚀反应分区6中可渗透多孔介质的埋置。
当需考虑可渗透多孔介质的复杂渗流通道时，例如需要研究渗流通道的流动方式对岩石溶蚀的影响规律时，可选择打印透明环氧树脂材料制成可渗透多孔介质，通过3D打印能够使可渗透多孔介质具有不规则形状的渗流通道或不同孔隙率；当仅考虑可渗透多孔介质的渗透系数差异时，可选择采用各种粒度颗粒的混合物组成可渗透多孔介质，通过灵活调整颗粒物质的排列、形状和配比来控制孔隙率的变化。
具体地，所述溶蚀方案还包括四种实验方案，四种实验方案分别为石膏岩完全浸水溶蚀实验（即石膏岩周围无可渗透多孔介质，如图5中（a）所示）、分区水平均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验（即石膏岩周围有不同渗透特性的可渗透多孔介质，例如高渗透多孔介质33、中渗透多孔介质34、低渗透多孔介质35、微渗透多孔介质36，每层可渗透多孔介质布置状态均水平且均匀，如图5中（b）所示）、分区水平不均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验（即石膏岩周围有不同渗透特性的可渗透多孔介质，可渗透多孔介质布置状态不水平且不均匀，如图5中（c）所示）、无分区均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验（即石膏岩周围仅有一种渗透特性的可渗透多孔介质，如图5中（d）所示）。在以上实验方案的溶蚀反应条件下可叠加进行石膏岩试样18在地下水全封闭、分区封闭-开放、全开放状态下的溶蚀实验。
还需要了解的是，除石膏岩外，本申请的实验系统及方法还可进行其它可溶性岩石的溶蚀试验。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统，其特征在于：包括反应腔体（4），所述反应腔体（4）内设有反应腔室，反应腔体（4）底部设有与反应腔室连通的排气口（11），反应腔室内放置有多块石膏岩试样（18），石膏岩试样（18）的侧壁上设置有电热线圈（16），所述石膏岩试样（18）顶部和底部均设置有透水垫块（14），透水垫块（14）远离石膏岩试样（18）的一侧设置有轴向压力加载块，所述轴向压力加载块远离透水垫块（14）的一端延伸至反应腔体（4）外并与反应腔体（4）滑动连接；
两个所述透水垫块（14）之间的反应腔室为溶蚀反应区，溶蚀反应区内通过隔水垫片（8）分为沿轴向排布的多个溶蚀反应分区（6），溶蚀反应分区（6）内设置有可渗透多孔介质，每个溶蚀反应分区（6）处均设有进水通道和排水通道（5），所述进水通道连接有用于控制水流压力和流速的集成流体控制系统（21）以及用于泵送水的注水泵（31），所述排水通道（5）连接有分区储液器（24）。
2.根据权利要求1所述的一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统，其特征在于：所述进水通道通过进水管依次连接集成流体控制系统（21）和注水泵（31），集成流体控制系统（21）与进水通道之间的管路上设有安全阀（7）、流量计（10）、水压计（9）和泄压阀（29），所述排水通道（5）通过出水管连接分区储液器（24），出水管上设有流量计（10）、水压计（9）和止水阀（30）。
3.根据权利要求2所述的一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统，其特征在于：所述注水泵（31）连接有注水泵调控系统（32），所述电热线圈（16）连接有温控系统（23），所述安全阀（7）连接有安全阀门控制系统（22）。
4.根据权利要求1所述的一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统，其特征在于：所述溶蚀反应分区（6）内设有分布式传感器网络，所述分布式传感器网络包括离子浓度传感器（27）、水压传感器（28）和温度传感器（26），所述分布式传感器网络连接有反馈与监控系统（20）。
5.根据权利要求4所述的一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统，其特征在于：所述离子浓度传感器（27）有十二个，水压传感器（28）有一个，温度传感器（26）有四个，所述水压传感器（28）位于溶蚀反应分区（6）的中心位置，四个温度传感器（26）沿溶蚀反应分区（6）周向间隔排布，四个所述离子浓度传感器（27）位于靠近溶蚀反应分区（6）中心的位置，并沿溶蚀反应分区（6）周向间隔排布，另外八个所述离子浓度传感器（27）位于靠近溶蚀反应分区（6）侧边的位置，并沿溶蚀反应分区（6）周向间隔排布，每个所述温度传感器（26）径向上的两侧位置各对应有一个离子浓度传感器（27）。
6.根据权利要求4所述的一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统，其特征在于：所述分区储水器内设有pH计（25），所述pH计（25）与反馈与监控系统（20）连接。
7.根据权利要求1所述的一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验系统，其特征在于：所述可渗透多孔介质采用各种粒度颗粒的混合物组成，或采用环氧树脂材料制成。
8.一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据所要研究区域的石膏岩层的地质特征，识别并确定关键参数，关键参数包括地下水参数、不同天然地层的渗透率以及地层多孔结构分布情况，地下水参数包括地下水携带的离子类型、酸碱度、流速、温度、水压以及流量；
S2、根据关键参数确定溶蚀方案，溶蚀方案具体为：根据地下水参数确定实验用水的参数，根据天然地层的渗透率选择可渗透多孔介质，根据地层多孔结构分布情况进行溶蚀反应分区（6）的划分，根据地下水参数和地层多孔结构分布情况确定实验系统的运行条件；
S3、选取所要研究区域的多块标准石膏岩试样（18），将多块标准石膏岩试样（18）放入反应腔室固定，并将电热线圈（16）安装在石膏岩试样（18）侧面，然后根据溶蚀方案划分好溶蚀反应分区（6）、选择并埋置可渗透多孔介质、布置分布式传感器网络；
S4、将各个溶蚀反应分区（6）的进水通道通过进水管连接各自对应的注水泵（31），排水通道（5）通过出水管连接各自对应的分区储液器（24），分布式传感器网络接线通过分区传感器窗口（17）穿出并外接反馈与监控系统（20）；
S5、校准集成流体控制系统（21）、温控系统（23）、安全阀门控制系统（22）、反馈与监控系统（20）以及注水泵调控系统（32）；
S6、开启与最底部溶蚀反应分区（6）连接的注水泵（31），并设置注水压力为1MPa，通水稳定10分钟，充分排出反应腔室内的空气后关闭排气口（11）；
S7、依次开启各个溶蚀反应分区（6）的注水泵（31），按照渗透率公式计算各溶蚀反应分区（6）的渗透率，以确保实验渗透率与实际渗透率一致；
S8、按照溶蚀方案设置实验条件，实验条件包括反应腔室内的温度和轴压、通入反应腔室内的实验用水的流速和水压，并启动待测溶蚀反应分区（6）所对应的安全阀（7）和注水泵（31），然后根据溶蚀类型开启或关闭待测溶蚀反应分区（6）所对应的止水阀（30），开始岩石溶蚀实验：当溶蚀类型为静态溶蚀时，开启待测溶蚀反应分区（6）所对应的止水阀（30），当溶蚀类型为动态溶蚀时，关闭待测溶蚀反应分区（6）所对应的止水阀（30）；
S9、溶蚀反应后的液体流入分区储液器（24）中，方便对反应后的液体离子成分进行分析；
S10、试验结束后，先关闭注水泵（31），使其停止注水，然后通过温控系统（23）关闭电热线圈（16），待反应腔室内温度冷却至常温后，再卸载轴压至零，然后通过各个溶蚀反应分区（6）的泄压阀（29）使溶蚀反应分区（6）内部水压缓慢泄压至大气压，最后关闭反馈与监控系统（20）与安全阀门控制系统（22），将各个安全阀（7）恢复至初始状态后关闭电源，完成实验。
9.根据权利要求8所述的一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：当采用各种粒度颗粒的混合物作为可渗透多孔介质时，根据溶蚀方案确定实验所需的可渗透多孔介质性质，并根据可渗透多孔介质性质选择合适粒度颗粒的混合物，埋置时先埋置最底部溶蚀反应分区（6）的可渗透多孔介质，埋置过程中放置分布式传感器网络，并将分布式传感器网络接线从分区传感器窗口（17）穿出，埋置完成后安装隔水垫片（8），通过隔水垫片（8）进行可渗透多孔介质的分隔，重复以上步骤直到完成最顶层溶蚀反应分区（6）中可渗透多孔介质的埋置；
当采用环氧树脂材料作为可渗透多孔介质时，根据溶蚀方案确定实验所需的可渗透多孔介质性质，并根据可渗透多孔介质性质对环氧树脂材料进行3D打印，将环氧树脂材料打印成型为可渗透多孔介质，打印时预留传感器安装通道，在可渗透多孔介质成型后将分布式传感器安装在预留的通道中；埋置时只需从最底部溶蚀反应分区（6）开始安装可渗透多孔介质，并将分布式传感器网络接线从分区传感器窗口（17）穿出，安装隔水垫片（8），重复以上步骤直到完成最顶层溶蚀反应分区（6）中可渗透多孔介质的埋置。
10.根据权利要求8所述的一种考虑空间渗流特性的石膏岩溶蚀实验方法，其特征在于：所述溶蚀方案还包括四种实验方案，四种实验方案分别为石膏岩完全浸水溶蚀实验、分区水平均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验、分区水平不均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验、无分区均匀渗透介质下的石膏岩溶蚀实验。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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