CN2903987Y - 盐岩裂隙渗流－溶解耦合试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验装置，涉及盐岩裂隙的渗流—溶解。本装置包含顶板(1)、进水分流板(2)、框架(3)、两块裂隙调节板(4)、裂隙调节螺钉(5)、有机玻璃试件(6)、两块裂隙密封压板(7)和底板(8)。主要是用于研究盐岩裂隙在不同成分和不同饱和度的水溶液渗透作用下的溶解过程、渗透性演化及其耦合关系，试验结果可应用于石油和天然气的盐岩地下储存工程、核废料的地下处置以及盐岩矿开采等领域。特点是：能使不同成分和不同饱和度的水溶液流经盐岩裂隙，通过分析试验数据，可以得出盐岩裂隙在不同成分和不同饱和度的水溶液的渗流—溶解耦合作用下的溶解过程、渗透性演化及其耦合关系。

Description

盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验装置

技术领域：

本实用新型涉及盐岩裂隙的渗流—溶解，主要是用于研究盐岩裂隙在不同成分和不同饱和度的水溶液渗透作用下的溶解过程、渗透性演化及其耦合关系，试验结果可应用于石油和天然气的盐岩地下储存工程、核废料的地下处置以及盐岩矿开采等领域。

背景技术：

盐岩在许多领域都具有广泛的用途，除了直接应用于石油化工工业、化学工业、通用动力工业、国防部门、农业以及环保等领域以外，近年来，随着世界范围内对能源的需求量急剧增加，能源危机日益突出，盐岩矿藏还被各国用于进行国家战略能源特别是石油和天然气地下储存以及核废料地下处置。

能源，特别是石油和天然气是一个国家的主要经济命脉，是21世纪人类发展最受关注的焦点之一，一旦能源发生危机，将会引起严重的社会动荡，严重破坏国家的政治稳定和经济发展。西方发达国家在争夺人才资源的同时，也非常重视对其国家战略能源安全的保护，采取非常积极的政策，进行能源战略储存。保障能源安全的重要手段之一是建立国家战略石油储备。目前，能源储存主要有陆上储罐、海上储罐和地下储存三种方式，而地下储存因安全性高，不容易遭到破坏，而被称为“高度战略安全的储备库”。因此，世界上目前有相当大一部分能源储存采用地下存储方式。由于盐岩的渗透率小于10^-20m²，具有极低的渗透特性，能够保证储存洞库的密闭性；且盐岩易溶解于水的特性使盐岩洞库的施工开挖更加容易和经济。因此，目前世界上大部分能源特别是石油、天然气储存库建在盐岩洞腔中。

由于国防军事、核电站以及民用医疗的需要，世界上已经产生了大量核废料，寻求安全、有效、永久性处置核废料的方法已经成为包括我国在内的世界各国所面临的非常紧迫的课题之一。从世界范围来看，由于盐岩本身所具有的低渗透性、良好的流变特性等性质，而被美国、德国、加拿大等发达国家作为核废料地下处置的首选岩层。

安全性问题是在盐岩中实施能源储存和核废料处置的首要问题。从本质上来看，其安全性主要涉及两个方面：盐岩洞室围岩的稳定性和盐岩体渗透性质变化所带来的安全性问题。前者是对储存空间安全性的要求，而后者则要求保证不能因为盐岩体渗透性和裂隙张开度的增大而使油气和放射性核素等与地下水导通和逸散。事实上，在实际的地下储场工程中，在一定的地层压力、地下水压力以及储存介质的共同作用下，形成了多因素并存、相互影响的复杂系统：在一定的应力和应力变化作用下，作为储场围岩的盐岩发生损伤破坏，产生不同尺度的裂隙；如果盐岩中的裂隙与地下水导通，地下水就可能会在裂隙网络中流动，对盐岩裂隙产生溶解作用，从而进一步使裂隙开度增大，诱发应力调整，产生新的破坏，同时，使围岩的渗透性发生变化。

可见，由于完整盐岩的渗透性极低，盐岩中的流体基本上是在其裂隙中流动和赋存的；同时，溶解对盐岩的损伤作用也主要是发生在裂隙中，并且渗流和溶解过程是同时存在和相互影响的。因此，要想对盐岩中的能源储存和核废料处置工程的安全性进行客观地评价，必须首先对盐岩裂隙的渗流—溶解耦合机理和特征进行系统研究。另外，盐岩能源储存成败的前提是能否通过水溶建腔形成合理形状和尺寸的盐腔，而由于盐岩细观裂隙的渗流—溶解耦合作用的存在，使得盐腔的宏观溶解机理、特征和过程发生很大变化，要想对实际盐腔的溶蚀建腔过程进行有效地控制，也必须对盐岩裂隙的渗流—溶解耦合机理和特征进行系统研究。

在盐岩溶蚀机理方面，从二十世纪六十年代开始，R.W.Durie、F.W.Jessen、Saberian等大批学者进行了大量试验研究，对盐岩表面光滑程度、溶蚀面倾角、环境温度、流速及岩石组成等因素对溶蚀速度的影响进行了分析。吴刚、杨俊六、赵晓华、刘成伦、黄德芳等从二十世纪八十年代开始进行了盐岩溶蚀模拟试验研究。但盐岩在受力后会产生裂隙，对于盐岩裂隙渗流—溶解耦合方面的研究甚少，考虑盐岩裂隙渗流—溶解耦合效应影响的盐岩溶蚀机理研究还不够完善。

发明内容：

本实用新型的目的是：提供一种盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验装置，该装置能使不同成分和不同饱和度的水溶液流经盐岩裂隙，为分析盐岩裂隙在不同成分和不同饱和度的水渗透作用下的溶解过程、渗透性演化及其耦合关系，以及研究盐岩裂隙渗流—溶解耦合效应影响下的盐岩溶蚀机理提供试验依据。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验装置包含顶板、进水分流板、框架、两块裂隙调节板、裂隙调节螺钉、有机玻璃试件、两块裂隙密封压板和底板；其中：框架为两个大小、形状相同，截面为方槽的钢块，两个钢块的槽底相对放置，两个槽的顶边相距15～25毫米，每个钢块方槽的底面开有螺孔，方槽的两个侧面分别开有螺孔，每个钢块两端为方槽截面，两端均开有螺孔；顶板是中心位置有一中空圆台的矩形板，其长宽与框架的两个钢块放置后形成的两端矩形的长宽相同，四周开有与框架两端螺孔相对应的圆孔，顶板的中空圆台朝外，顶板与框架的其中一端用螺钉连接；进水分流板是截面为方槽、长宽为顶板长宽1/4～3/4的矩形板，槽的顶边粘接在顶板有中空圆台的另一面；两块裂隙调节板为长宽与框架方槽长宽相同的矩形板，分别放置在框架两个钢块方槽的底面；裂隙调节螺钉分别从外面拧入框架方槽底面的螺孔中；有机玻璃试件为长方体，其宽度比框架方槽的宽度小0.2～0.5毫米、长度为框架方槽长度的1/2～3/4、厚度比框架两个方槽槽底之间间距的一半小6～16毫米，放置在框架两个钢块其中一块槽底的裂隙调节板上，在靠裂隙调节板另一面的两边开贯通上下的方形槽；两个裂隙密封压板为中间凸起的矩形板，凸起部分的长度与框架的长度相同、宽度与框架两个钢块槽的顶边距离相同、高度与框架方槽的厚度相同，凸起部分的两边开有与框架方槽侧面螺孔相应的圆孔，两个裂隙密封压板分别安置在两个钢块中间的两边，用螺钉连接在框架上；底板是与顶板大小、形状相同的部件，中空圆台朝外安置在顶板位置的另一端，用螺钉与框架连接。

本实用新型的特点是：能使不同成分和不同饱和度的水溶液流经盐岩裂隙，通过分析试验数据，可以得出盐岩裂隙在不同成分和不同饱和度的水溶液的渗流—溶解耦合作用下的溶解过程、渗透性演化及其耦合关系。

附图说明：

图1是盐岩裂隙渗透—溶解试验装置结构示意图。

其中：1.顶板、2.进水口水流分流板、3.试验装置框架、4.裂隙调节板、5.裂隙调节螺钉、6.有机玻璃试件、7.裂隙密封压板、8.底板。

图2是试验装置A-A剖面图。

其中：3.试验装置框架、4.裂隙调节板、5.裂隙调节螺钉、6.有机玻璃试件、7.裂隙密封压板。

图3是试验装置顶板图。

其中：图3-1为顶板的主视图，图3-2为顶板的俯视图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本实用新型作进一步的说明。

由图1和图2可知，盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验装置为上下中心均有中空圆台的长方体，包含顶板1、进水分流板2、框架3、两块裂隙调节板4、裂隙调节螺钉5、有机玻璃试件6、两块裂隙密封压板7和底板8。

框架3为两个大小和形状相同，截面为方槽的钢块，两个钢块的槽底相对放置，两个钢块槽的顶边相距15～25毫米，每个钢块方槽的底面有两排按方槽平行方向排列的螺孔，两排螺孔的中心线与方槽底面的中心线一致，每排有三个螺孔，按上中下均匀分布，方槽的两个侧面分别有三个均匀分布的螺孔，每个钢块两端为方槽截面，两端均开有5个螺孔，其中2个螺孔分别在方槽的拐角处、1个螺孔在方槽底边的中间、另2个螺孔分别在方槽的顶端；由图3-1和图3-2可知，顶板1是中心位置有一中空圆台的矩形板，其长宽与框架3的两个钢块放置后形成的两端矩形的长宽相同，四周开有与框架3两端螺孔相对应的圆孔，其中：中空圆台为进水口，圆台是为了便于接插水管，顶板1的中空圆台朝外，顶板与框架3的其中一端用螺钉连接；进水分流板2是截面为方槽、长宽为顶板1长宽1/4～3/4的矩形板，槽的顶边粘接在顶板1有中空圆台的另一面，其长宽方向与顶板1的长宽方向一致，中心点与顶板1的中心点对齐，主要作用是避免进水口的水流直接冲蚀盐岩试样；两块裂隙调节板4为长宽与框架3方槽长宽相同的矩形板，分别放置在框架3两个钢块方槽的底面；12个裂隙调节螺钉5分别从外面拧入框架3方槽底面的两排共12个螺孔中，顶在裂隙调节板4上，通过裂隙调节螺钉5拧入框架3方槽中的长度来调节两块裂隙调节板4的距离；有机玻璃试件6是由有机玻璃做成的长方体，其宽度比框架3方槽的宽度小0.2～0.5毫米、长度为框架3方槽长度的1/2～3/4、厚度比框架两个方槽槽底之间间距的一半小6～16毫米，放置在框架3两个钢块其中一块槽底的裂隙调节板4上，在靠裂隙调节板4另一面的两边开贯通上下的方形槽，贯通有机玻璃试件6的方形槽其宽与高分别为有机玻璃试件6的宽与高的1/10～1/6；两个裂隙密封压板7为中间凸起的矩形板，凸起部分的长度与框架3的长度相同、宽度与框架3两个钢块槽的顶边距离相同、高度与框架3方槽的厚度相同，凸起部分的两边开有与框架3方槽侧面螺孔相应的圆孔，两个裂隙密封压板7分别安置两个钢块中间的两边，用螺钉连接在框架3上；底板8是与顶板1大小、形状相同的部件，中空圆台朝外安置在顶板1位置的另一端，用螺钉与框架3连接，其中的中空圆台为出水口。

盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验装置除有机玻璃试件外所用的材料均为45#钢。由于整个试验装置都要与盐岩试样以及盐水接触，盐岩试样和盐水都对试验装置有极强的腐蚀作用，故在试验装置各个部件的表层都镀上一层发蓝，以防止盐岩试样和盐水对试验装置产生的腐蚀。

本装置可进行两种不同类型的盐岩裂隙的渗流—溶解耦合试验：①理想裂隙(两个裂隙面是光滑的)：这时，盐岩裂隙面必须加工光滑平整，凹凸起伏高差要控制在0.1mm之内。考虑到两块盐岩试样紧贴在一起时裂隙面很难达到平整闭合的要求，且盐岩强度较低，容易在安装过程中发生破坏，故设计了一块各面光滑的有机玻璃试件6来代替其中一块盐岩试样。②天然盐岩裂隙。

盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验装置在进行理想盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验时，按下列步骤顺序进行：

1、打开盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验装置的顶板1，取出有机玻璃试件6，将盐岩制成与有机玻璃试件6大小和形状相同的盐岩试件，但盐岩试件不开有机玻璃试件6中的槽；

2、取出两个裂隙调节板4，用703胶将盐岩试件和有机玻璃试件6分别与裂隙调节板4胶结在一起；

3、打开两边的裂隙密封压板7，将与裂隙调节板4胶结在一起的盐岩试件9和有机玻璃试件6分别放入框架3的两个方槽中，裂隙调节板4一面朝向方槽的底面；

4、调节裂隙调节螺钉5，使盐岩试件和有机玻璃试件6之间的空隙满足试验所需的裂隙开度；

5、在有机玻璃试件6两边的槽中灌入703胶，待胶干后用与两半边框架3之间的缺口大小相同的两个橡胶垫分别将两个缺口垫上，然后将裂隙密封压板7压上，并用螺钉与框架3固定；

6、再将顶板1与框架3用螺钉固定。

7、将顶板1的中空圆台与水管连接，打开水流；

8、水流从进水口流入，经进水分流板2到达盐岩试样，从试样中的裂隙通过，并从出水口流出。

9、通过使用不同成分、不同饱和度的水溶液，以及控制水溶液流量大小，观察和测试理想盐岩裂隙的溶解过程、渗透性演化及其耦合关系，来研究盐岩裂隙渗流—溶解耦合效应影响下的盐岩溶蚀机理。

盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验装置在进行天然盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验时，按下列步骤顺序进行：

1、打开盐岩裂隙渗流—溶解耦合试验装置的顶板1，取出有机玻璃试件6，将有着天然盐岩裂隙的盐岩试件放入方槽中；

2、在位于两个半边框架3之间的缺口处的盐岩试件的两个面上涂703胶，然后用与两个半边框架3之间的缺口大小相同的两个橡胶垫分别将两个缺口垫上，然后将裂隙密封压板7压上，并用螺钉与框架3固定；

3、再将顶板1与框架3用螺钉固定。

4、将顶板1的中空圆台与水管连接，打开水流；

5、水流从进水口流入，经进水分流板2到达盐岩试样，从试样中的裂隙通过，并从出水口流出。

6、通过使用不同成分、不同饱和度的水溶液，以及控制水溶液流量大小，观察和测试盐岩裂隙的溶解过程、渗透性演化及其耦合关系，来研究盐岩裂隙渗流—溶解耦合效应影响下的盐岩溶蚀机理。

Claims (3)

1、盐岩裂隙渗流-溶解耦合试验装置，其特征在于，该装置包含顶板(1)、进水分流板(2)、框架(3)、两块裂隙调节板(4)、12根裂隙调节螺钉(5)、有机玻璃试件(6)、两块裂隙密封压板(7)和底板(8)；框架(3)为两个大小和形状相同，截面为方槽的钢块，两个钢块的槽底相对放置，两个钢块槽的顶边相距15～25毫米，每个钢块方槽的底面开有螺孔，方槽的两个侧面分别开有螺孔，每个钢块两端为方槽截面，两端均开有螺孔；顶板(1)是中心位置有一中空圆台的矩形板，其长宽与框架(3)两个钢块放置后形成的矩形的长宽相同，四周开有与框架(3)两端螺孔相对应的圆孔，顶板(1)的中空圆台朝外，与框架(3)的其中一端用螺钉连接；进水分流板(2)是截面为方槽、长宽分别为顶板(1)长宽的1/4～3/4的矩形板，槽的顶边粘接在顶板(1)有中空圆台的另一面，中心点与顶板(1)的中心点对齐；两块裂隙调节板(4)为长宽与框架(3)方槽长宽相同的矩形板，分别放置在框架(3)两个钢块方槽的底面；裂隙调节螺钉(5)分别从外面拧入框架(3)方槽底面的螺孔中，顶在裂隙调节板(4)上；有机玻璃试件(6)是由有机玻璃做成的长方体，其宽度比框架(3)方槽的宽度小0.2～0.5毫米、长度为框架(3)方槽长度的1/2～3/4、厚度比框架(3)两个方槽槽底间距的一半小6～16毫米，放置在框架(3)两个钢块其中一块槽底的裂隙调节板(4)上，在靠裂隙调节板(4)另一面的两边开贯通上下的方形槽；两个裂隙密封压板(7)为中间凸起的矩形板，凸起部分的长度与框架(3)的长度相同、宽度与框架(3)两个钢块槽的顶边距离相同、高度与框架(3)方槽的厚度相同，凸起部分的两边开有与框架(3)方槽侧面螺孔相应的圆孔，两个裂隙密封压板(7)分别安置两个钢块中间的两边，用螺钉连接在框架(3)上；底板(8)是与顶板(1)大小、形状相同的部件，中空圆台朝外安置在顶板(1)位置的另一端，用螺钉与框架(3)连接，其中的中空圆台为出水口。

2、根据权利要求1所述的盐岩裂隙渗流-溶解耦合试验装置，其特征在于，所述的框架(3)每个钢块方槽的底面有两排按方槽平行方向排列的螺孔，两排螺孔的中心线与方槽底面的中心线一致，每排有三个螺孔，按上中下均匀分布，方槽的两个侧面分别有三个均匀分布的螺孔，每个钢块两端为方槽截面，两端均开有5个螺孔，其中2个螺孔分别在方槽的拐角处、1个螺孔在方槽底边的中间、另2个螺孔分别在方槽的顶端。

3、根据权利要求1所述的盐岩裂隙渗流-溶解耦合试验装置，其特征在于，有机玻璃试件(6)材料采用有机玻璃，其余部件材料采用45#钢，并在表层镀上发蓝。

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