變?nèi)輭毫γ}沖法滲透系數(shù)測量技術(shù)測量范圍的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證_圖文

1、第29卷 增1巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) V ol.29 Supp.12010年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May ，2010 收稿日期：20081225；修回日期：20090319變?nèi)輭毫γ}沖法滲透系數(shù)測量技術(shù)測量范圍的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證王 穎，李小春，魏 寧(中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071摘要：針對(duì)變?nèi)輭毫γ}沖法進(jìn)行滲透系數(shù)測量這一新思路及其測量裝置，從實(shí)驗(yàn)角度探討原變?nèi)菅b置在滲透系數(shù)測量上的局限性，分析其原因進(jìn)行改進(jìn)，并采用改進(jìn)后的測量裝置對(duì)多種不同滲透性試件做滲透系數(shù)重復(fù)性

2、測量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證變?nèi)菝}沖法及測量裝置的有效性和穩(wěn)定性。通過細(xì)微調(diào)節(jié)變?nèi)菟鋬?nèi)氣體和液體的體積含量，使之由小到大代表不同量級(jí)的容水量值，對(duì)同一試件進(jìn)行滲透系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)，確定水箱容水量的實(shí)際變?nèi)莘秶?102102 mL/MPa；并通過測量多種不同滲透性試件的滲透系數(shù)，確定變?nèi)菅b置的有效量程(1 D 1 D和有效時(shí)間(10 s2.5 h以及重復(fù)性(偏差5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)后的變?nèi)菟湫阅芨臃€(wěn)定，同時(shí)有效驗(yàn)證變?nèi)菝}沖法實(shí)驗(yàn)裝置的水箱容水量、測量時(shí)間和滲透系數(shù)之間的關(guān)系符合理論關(guān)系。說明要縮短測量時(shí)間，只需減小氣體體積以獲得較小水箱容水量值，可用來測量滲透性較低的材料，避免長時(shí)間實(shí)驗(yàn)受裝置和環(huán)

3、境誤差影響；反之，要延長測量時(shí)間，只需增大氣體體積以獲得較大水箱容水量值，可用來測量滲透性較高的材料，避免實(shí)驗(yàn)太快受操作誤差影響。據(jù)此，變?nèi)菝}沖法滲透系數(shù)測量裝置可實(shí)現(xiàn)多種滲透性不同的巖石滲透系數(shù)的快速精確測定，亦可有效掌握巖石在多種條件作用下滲透性大幅度變化的規(guī)律，具有廣闊的室內(nèi)和工程應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；變?nèi)荩粔毫γ}沖法；滲透系數(shù)；測量范圍中圖分類號(hào)：O 35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：10006915(2010增1311309EXPERIMENTAL STUDY OF STORAGE-VARIABLE TRANSIENT PULSEMETHOD FOR PERMEABILITY

4、MEASUREMENTWANG Ying，LI Xiaochun，WEI Ning(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan ，Hubei 430071，China Abstract ：Based on the storage-variable transient pulse method and its experimental arrangement，the l

5、imitations of the old arrangement in measuring range have been discussed. As a result of the shortcomings，the old arrangement has been modified perfectly. The validity and repeatability of storage-variable transient pulse method have been improved greatly by using the new arrangement. The storage va

6、ried range of the new storage-variable apparatus has been testified over 102102 mL/MPa，by making the repeatability experiments for one and thesame sample at multi-order apparatus storages. The appropriate measuring range of the new experimental arrangement has been confirmed between 1 D and 1 D，as w

7、ell as the proper measuring time during 10 s2.5 h，moreover ，the new arrangement performs satisfactorily showing from high repeatability which is less than 5%. The test results show that the relations among specific storage of apparatus，decay time and permeability obtained 3114 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2010年from te

8、sts in accordance with those shown from theory. Small storage of apparatus can shorten measuring time，whereas large storage will prolong testing time. That is to say，small storage for impermeable sample and large storage for high-permeable one should be selected. Thus it is clear that many kinds of

9、rocks with different permeabilities and also those permeabilities varied widely can be measured efficiently by using transient pulse method experimental arrangement，thereby a broad application prospect will be looked forward. Key words：fluid mechanics；storage-variable ；transient pulse method；permeab

10、ility ；measuring range1 引 言滲透性是多孔介質(zhì)的一種非常重要的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)于低滲透材料的測量方法主要有壓力脈沖法113(李小春等1定義為定容脈沖法和變?nèi)菝}沖法2種 、恒流泵法13，14、恒壓法1214和壓力振蕩法15，16。其中，定容脈沖法、恒流泵法和恒壓法的局限是量程小，如果要擴(kuò)大量程，慣用的方法是延長測量時(shí)間，然而，長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)過程會(huì)帶來因泄漏、溫度以及微生物滋生等原因所產(chǎn)生的誤差，此外還帶來材料蠕變的影響；壓力振蕩法的局限是實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)頻率的依存性大，精度低，技術(shù)不成熟，可靠性差，而且造價(jià)低。李小春等1提出的變?nèi)菝}沖法彌補(bǔ)了以上各種方法的不足，具有測量速度快、量

11、程大、精度高、裝置簡單和適用性強(qiáng)(可測量花崗巖、巖鹽、泥巖等低滲透性巖石，亦可測量中砂、粗砂巖等高滲透性巖石的滲透系數(shù) 等優(yōu)點(diǎn)。壓力脈沖法首先由W. F. Brace等2提出并給出了近似解，P. A. Hsieh等3給出了其精確解析解，C. E. Neuzil等4提出精確解的圖解法，W. Lin5基于有限差分進(jìn)行參數(shù)分析，討論了近似解的成立條件，M. Zhang等6，7，14提出了反分析法。由此可見，眾多學(xué)者和專家只在壓力脈沖法的理論及計(jì)算方法上有所改進(jìn)，在實(shí)驗(yàn)方法及裝置上并沒有實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。李小春等1提出了變?nèi)輭毫γ}沖法測量滲透系數(shù)的新思路并成功開發(fā)了測量裝置，這在壓力脈沖法的發(fā)展史上創(chuàng)造了新

12、的突破。但是李小春等1的變?nèi)菅b置在實(shí)際操作過程中，由于其作為核心組件的變?nèi)菟湓趯?shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在諸多缺陷，這些缺陷限制了裝置的實(shí)際量程，無法達(dá)到變?nèi)菝}沖法的理論量程。本文因此探討了李小春等1中變?nèi)菟涞娜毕莶⑦M(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)和制作，然后通過使用改進(jìn)后的變?nèi)菅b置，進(jìn)行變?nèi)菝}沖法滲透系數(shù)測量技術(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第一部分實(shí)驗(yàn)是通過由小到大微尺度調(diào)節(jié)水箱內(nèi)氣體和液體的體積含量，獲得不同量級(jí)的容水量大小，對(duì)同一試件進(jìn)行多組滲透系數(shù)重復(fù)測量，明確了變?nèi)菟涞膶?shí)際變?nèi)莘秶?102102mL/MPa，分析其重復(fù)性和偏差值(5%，進(jìn)一步驗(yàn)證了變?nèi)菝}沖法及裝置的有效性和穩(wěn)定性；第二部分實(shí)驗(yàn)是通過測量多

13、種不同滲透性試件的滲透系數(shù)，明確了變?nèi)菅b置的有效測量量程(1 D 1D 和有效測量時(shí)間(10 s2.5 h，同時(shí)驗(yàn)證了變?nèi)菝}沖實(shí)驗(yàn)的滲透系數(shù)、水箱容水量和測量時(shí)間之間的相互關(guān)系符合理論關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了變?nèi)菝}沖法的理論量程。也為該方法的室內(nèi)和工程應(yīng)用前景奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2 變?nèi)菝}沖法滲透系數(shù)測量裝置2.1 變?nèi)菅b置瞬態(tài)壓力脈沖法(定容脈沖法1 首先由W. F. Brace 等2于1968年提出，同時(shí)設(shè)計(jì)制作了測量裝置(見圖1 ，并用于測量Westerly 花崗巖的滲透系數(shù)。因水箱容水量只與水箱容積和水箱內(nèi)流體壓縮性有關(guān)，而該裝置的上、下游水箱容積一定，水箱內(nèi)為單一流體介質(zhì)(水或氬氣 的壓縮系數(shù)

14、已知且在一定溫度壓力條件下為一常數(shù)，由此可知水箱容水量的大小為一定值不可變，故而稱之為定容脈沖法。李小春等1研究采用的測量時(shí)間為601 800 s，以此為基礎(chǔ)可知定容脈沖法因?yàn)樗淙菟繛橐欢ㄖ?，其測量范圍也具有一定的局限性，一般為2個(gè)數(shù)量級(jí)，無法滿足大量程或滲透性大范圍變化的測量需求?；诙ㄈ菝}沖滲透系數(shù)測量裝置的局限性，李小春等1提出了變?nèi)菝}沖法及其測量裝置(見圖2 ，水箱容水量大小設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的，也就是可變的，故而稱之為變?nèi)菝}沖法，則可以根據(jù)被測試件的需要調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)乃淙菟看笮?，從而在適宜的測量時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大測量量程，理論上可達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)。圖3為變?nèi)菝}沖法滲透測量裝置照片，包括巖芯夾持器、

15、堵頭、多孔墊片、上、下游水箱、管路、閥門和接頭等，都用316 L不銹鋼制成。變?nèi)菅b置第29卷 增1 王 穎，等. 變?nèi)輭毫γ}沖法滲透系數(shù)測量技術(shù)測量范圍的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 3115 圖1 壓力脈沖法實(shí)驗(yàn)裝置示意圖2Fig.1 Sketchof transient pulse experimental arrangement2圖2 變?nèi)菝}沖法實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1Fig.2Sketch of the developed storage-variable transient pulsetesting system1圖3 變?nèi)菝}沖法滲透測量裝置照片F(xiàn)ig.3 Photo of the storage-variab

16、le transient pulse testingarrangement在空間設(shè)計(jì)和各零部件尺寸和分布上為左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)(見圖2，3 ，左邊稱為上游，右邊稱為下游。上、下游通過閥門2(swagelok斷開或連通。上、下游之間的壓力差信號(hào)通過差壓計(jì)(validyne，DP15，338膜片，靈敏度為10 V/55 kPa，量程為55 kPa采集，再由數(shù)據(jù)采集卡(NIDAQ 記錄并保存。根據(jù)壓力脈沖法原理，分析數(shù)據(jù)采集卡所記錄的上、下游差壓隨時(shí)間的衰減曲線，即可求得被測試件的滲透系數(shù)。 2.2 變?nèi)菟渥內(nèi)菅b置的核心組件就是被測試件的上、下游變?nèi)菟?。變?nèi)菟鋭t是利用氣體壓縮性遠(yuǎn)大于液體壓縮性這一

17、物理特性，將氣液2種流體同置其內(nèi)，以通過調(diào)節(jié)不同的氣液體積比來改變水箱內(nèi)流體的綜合壓縮性。也就是說變?nèi)菟鋬?nèi)的流體是采用氣液兩種流體介質(zhì)的綜合體，通過分隔膜將這兩種流體分隔開，以免相互混合溶解，影響水箱容水量大小的計(jì)量。在水箱容積一定的情況下，水箱容水量大小是與水箱內(nèi)流體的壓縮性成正比，故而可以通過調(diào)節(jié)水箱內(nèi)的氣液體積比來改變流體壓縮性，從而實(shí)現(xiàn)水箱容水量大小的調(diào)節(jié)。所以在同一溫度壓力條件下，當(dāng)采用較小體積的氣體時(shí)，可以得到較小容水量值；反之采用較大體積的氣體時(shí)，可以得到較大容水量值。水箱內(nèi)的氣液綜合流體則采用純氮?dú)夂兔摎庹麴s水，水和氮?dú)庵g用以分界的分隔膜是采用厚0.03 mm的超薄高彈性天

18、然橡膠材料制成的薄膜，致密而不漏氣。在一定溫度和壓力條件下，通過增加或減少氮?dú)獾捏w積，即可實(shí)現(xiàn)變?nèi)菪Ч?，理論上變?nèi)莘秶蛇_(dá)5個(gè)量級(jí)以上。圖4為原變?nèi)菟浣Y(jié)構(gòu)示意圖1，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了變?nèi)菪Ч?，但因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在如下一些缺陷：圖4 原變?nèi)菟涫疽鈭D1Fig.4 Sketch of the original storage-variable apparatus1(1 圓筒形筒身設(shè)計(jì)存在死角，在裝置抽真空飽水過程中，不能完全飽水會(huì)造成容水量計(jì)量偏差；(2 分隔膜易撕裂、中心穿孔、或滑脫，造成實(shí)驗(yàn)中斷，同時(shí)對(duì)水箱內(nèi)氣體的體積大小有一定限制，實(shí)驗(yàn)證明原變?nèi)菟鋬?nèi)氮?dú)獾捏w積最大約為20分隔膜液氣 311

19、6 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2010年 mL(水箱容積為50 mL，實(shí)際變?nèi)莘秶鷥H3個(gè)量級(jí)。圖5為經(jīng)改進(jìn)后的新變?nèi)菟涫疽鈭D。圖5 新變?nèi)菟涫疽鈭DFig.5 Sketch of the new storage-variable apparatus新變?nèi)菟溆幸韵?點(diǎn)改進(jìn)： (1 新變?nèi)菟涞耐采頌閳A錐形； (2 在水箱底板進(jìn)氣口處設(shè)置墊片和墊網(wǎng)； (3 在固定分隔膜邊緣上設(shè)置兩道密封圈，為壓膜圈(外側(cè)密封圈 和密封圈(內(nèi)側(cè)密封圈 。圓錐形水箱不存在死角，在變?nèi)菅b置抽真空飽水的過程中可以達(dá)到完全飽水的效果，確保水箱容水量的精確計(jì)量，且圓錐形水箱錐角坡度較緩，分隔膜在膨脹隆起的過程中，其邊緣緊貼錐形

20、水箱內(nèi)壁隆起坡角較緩，所受剪力較小，分隔膜不會(huì)撕裂。水箱底板進(jìn)氣口處設(shè)置墊片(316 L不銹鋼粉末燒結(jié)而成的薄片 和墊網(wǎng)(316 L不銹鋼材質(zhì)制成的超薄致密網(wǎng) ，阻礙了分隔膜因瞬間收縮吸入進(jìn)氣口管路，分隔膜不會(huì)中心穿孔。壓膜圈有效嵌固分隔膜，密封圈有效密封水箱內(nèi)的氣體和液體，分隔膜不會(huì)滑脫。這3點(diǎn)改進(jìn)擴(kuò)大了水箱內(nèi)高氣液體積比(大容水量 和低氣液體積比(小容水量 這兩種極限條件下的容水量的可調(diào)范圍，水箱內(nèi)氮?dú)獾捏w積可以從0增加到50 mL以上(水箱容積為70 mL，實(shí)際變?nèi)莘秶_(dá)4個(gè)量級(jí)。這3點(diǎn)改進(jìn)同時(shí)提高了變?nèi)菝}沖法實(shí)驗(yàn)的可操作性、簡易性、穩(wěn)定性和連續(xù)性，使得實(shí)驗(yàn)效率更高，精度更高。3 變?nèi)菅b

21、置測量實(shí)驗(yàn)變?nèi)菅b置的測量實(shí)驗(yàn)共分為2個(gè)部分：第一部分是進(jìn)行變?nèi)菟淙菟糠秶膶?shí)驗(yàn)測定；第二部分是進(jìn)行變?nèi)菅b置滲透系數(shù)量程的實(shí)驗(yàn)測定。第一部分實(shí)驗(yàn)是對(duì)于同一個(gè)給定的被測試件，其滲透系數(shù)k 在1 mD量級(jí)上，采用變?nèi)菅b置，通過調(diào)節(jié)變?nèi)菟淙菟繌淖钚≈档阶畲笾?，共?jì)10種情況下，對(duì)被測試件進(jìn)行滲透系數(shù)重復(fù)測量實(shí)驗(yàn)，分析測量結(jié)果，確定變?nèi)菟淙菟靠烧{(diào)的實(shí)際范圍，同時(shí)驗(yàn)證了改進(jìn)后變?nèi)菟涞膬?yōu)越性。這10種情況下的實(shí)驗(yàn)都是采用同一個(gè)試件，整個(gè)系統(tǒng)裝置和外界環(huán)境的溫度為25 ，孔隙壓力為17 MPa，圍壓為18 MPa。被測試件礦物鑒定顯示為粉砂巖，粒徑為0.010.03 mm，顆粒成分主要是石英、長

22、石，膠結(jié)礦物主要是黏土、方解石和褐鐵礦。被測試件的尺寸要求制作成標(biāo)準(zhǔn)試件，長為L = 100 mm，截面直徑為D = 50 mm的圓柱形試件。變?nèi)菅b置經(jīng)7 MPa氮?dú)獾南到y(tǒng)壓力下檢測一周所得系統(tǒng)泄漏率為0.002 9R = L/(min·MPa 。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)對(duì)稱，且始終處于恒溫氣浴中，試件兩端上、下游壓力差并不受溫度和泄漏的顯著影響8。實(shí)驗(yàn)所采用滲流介質(zhì)為脫氣蒸餾水，此處用來脫氣的真空泵真空度為6.7×102 Pa。通過飽水稱重測得上游水箱容積V u = 69.44 mL，下游水箱容積V d =71.81 mL?？梢哉J(rèn)為上、下游水箱容積相等，即V u = V d = 70

23、 mL。這10種情況的測量，包括水箱內(nèi)氣液體積比為V g /V w = 0.0/70.0，0.1/69.9，0.5/69.5，1.0/69.0，5.0/65.0，10.0/60.0，20.0/50.0，30.0/40.0，40.0/30.0，50.0/20.0這10種情況(含分隔膜 ，每種情況都進(jìn)行了10次滲透系數(shù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，各種情況的10次滲透系數(shù)重復(fù)測量結(jié)果見圖6，這部分測量實(shí)驗(yàn)滿足近似解成立條件5，因而采用近似解求解其滲透系數(shù)，每種情況下的水箱容水量大小根據(jù)實(shí)測所得，實(shí)測容水量除了水箱內(nèi)流體的壓縮性大小，還包括了水箱本身、關(guān)聯(lián)管路以及分隔膜的變形等綜合因素影響，所以較之理論公式2更為準(zhǔn)確，

24、試件滲透系數(shù)測量參數(shù)列于表1。(aV g /V w = 0/700.95實(shí)驗(yàn)編號(hào)滲透系數(shù)k /m D第29卷 增1 王 穎，等. 變?nèi)輭毫γ}沖法滲透系數(shù)測量技術(shù)測量范圍的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 3117 (bV g /V w = 0.1/69.9(cV g /V w = 0.5/69.5(dV g /V w = 1/69(eV g /V w = 5/65(fV g /V w = 10/60(gV g /Vw = 20/50(hV g /V w = 30/40(iV g /V w = 40/300.970.9912345 6 7 8 910實(shí)驗(yàn)編號(hào)滲透系數(shù)k /m D0.98實(shí)驗(yàn)編號(hào)滲透系數(shù)k /m D123

25、45 6 7 8 910實(shí)驗(yàn)編號(hào)滲透系數(shù)k /m D0.920.940.960.981.0012345 6 7 8 910實(shí)驗(yàn)編號(hào)滲透系數(shù)k /m D0.970.991.011 2 3 4 56 7 8 910實(shí)驗(yàn)編號(hào)1.03滲透系數(shù)k /m D0.930.950.97 0.99 1.01 1.03 1.05 1 2 3 4 56 7 8 910實(shí)驗(yàn)編號(hào)滲透系數(shù)k /m D0.946 7 8 910實(shí)驗(yàn)編號(hào)1.04滲透系數(shù)k /m D0.970.991.011.031 2 3 4 56 7 8 910實(shí)驗(yàn)編號(hào)滲透系數(shù)k /m Dk 均 = 1.002 mD 偏差=±2%k 均 = 0

26、.986 mD 偏差=±2%k 均 = 0.998 mD偏差=±4% k 均 = 0.991 mD 偏差=±1%k 均 = 0.981 mD 偏差=±1%k 均 = 0.976 mD偏差=±2% 3118 1.03 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2010 年 中的 P(t-t50 曲線；同時(shí)，可以記錄下上游水箱的 實(shí)測容水量值和瞬時(shí)脈沖壓力大小，即 Su 和 Pi； 而求解公式中的試件尺寸 A，L 和滲流介質(zhì)水的黏 滯系數(shù) w 是已知的。滲透系數(shù) k 的求法是： 在半 對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作出差壓時(shí)間曲線，其斜率即為的 值，然后代入式(2即可求得滲透系數(shù)了。 k

27、均 = 0.984 mD 偏差=±2% 1.01 滲透系數(shù) k/mD 0.99 0.97 由表 1 可見，以上 10 種情況下的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)， 被測試件的滲透系數(shù) k 在 1 mD 量級(jí)上，且其重復(fù) 性和精度非常高。 0.95 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 實(shí)驗(yàn)編號(hào) (j Vg/Vw = 50/20 原則上，本實(shí)驗(yàn)裝置上下游變?nèi)菟淙菟?Su 的變化范圍是由水箱內(nèi)綜合流體的壓縮性大小決定 的，因?yàn)閷?duì)于既定的實(shí)驗(yàn)裝置，水箱的體積 Vu 是一 定的，不可改變，可調(diào)節(jié)變化的只有水箱內(nèi)綜合流 體的壓縮性，且綜合流體的壓縮性是由氣液體積含 量決定的。而氣體的壓縮性遠(yuǎn)大于液體，分隔膜

28、的 壓縮性介于氣體和液體之間，即 C 氣C 膜C 液。那 么當(dāng)變?nèi)菟浞指裟?nèi)注入的氣體使之充滿水箱時(shí) 圖6 Fig.6 不同容水量下滲透系數(shù)測量結(jié)果 Testing results of permeability under different specific storage situations 表1 試件 3 滲透系數(shù)測量參數(shù) 1 Table 1 Vg/Vw 0.0/70.0 0.1/69.9 0.5/69.5 1.0/69.0 5.0/65.0 Parameters of permeability testing for sample 3 Su/(mL·MPa 0.601

29、0.574 0.560 2.169 8.438 13.637 30.130 39.459 49.605 63.680 t50/s 11 10 10 39 152 243 506 659 888 1 200 k/mD 0.965 1.002 0.986 0.998 0.991 0.981 0.976 0.991 0.987 0.984 (即 Vg/Vw=70/0， u 最大。 S 由表 1 可知， Vg/Vw=50/20 當(dāng) 時(shí)， u = 63.68 mL/MPa， S 所以當(dāng) Vg/Vw=70/0 時(shí)， u S 90 mL/MPa，也就是說變?nèi)菟淙菟可舷?Sumax 在 102 mL/MP

30、a 量級(jí)上。至于水箱容水量的下限，則應(yīng) 該是將水箱內(nèi)充滿水(即 Vg/Vw=0/70， 且不考慮分隔 膜(取出分隔膜的影響，此時(shí) Su 最小，由實(shí)驗(yàn)實(shí)測 得此種情況下 Su=0.06 mL/MPa，也就是說變?nèi)菟?容水量下限 Sumin 在 10 2 10.0/60.0 20.0/50.0 30.0/40.0 40.0/30.0 50.0/20.0 mL/MPa 量級(jí)上。 注意：表 1 以及下文第二部分實(shí)驗(yàn)中 Vg/Vw=0/70 情況下，Su=0.601 mL/MPa，而非 0.06 mL/MPa，是 因?yàn)樵诒疚牡膶?shí)驗(yàn)研究中并未取出分隔膜，所以實(shí) 測水箱容水量包含了分隔膜的壓縮性影響，但并

31、不 妨礙本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證要說明的問題。 由上述可知，變?nèi)菟淙菟繉?shí)測范圍達(dá) 4 個(gè) 量級(jí)以上，為 10 2102 mL/MPa。 試件滲透系數(shù)按下式求解： P(t = exp( t Pi (1 kA 1 1 2kA = + = w L S u Sd w S u L (2 第二部分實(shí)驗(yàn)將通過對(duì)滲透性 k 在 10 3102 mD 范圍內(nèi)的 5 種不同滲透系數(shù)試件(編號(hào)為試件 15，其中試件 3 同第一部分實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行變?nèi)菝} 沖法測量，旨在確定變?nèi)菅b置的實(shí)際量程。這部分 實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)與第一部分實(shí)驗(yàn)相同。圖 7 為 式中： P (t 為上、下游水箱差壓實(shí)測值； Pi 為初 始差壓； 為經(jīng)過時(shí)間；

32、 為半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上做出的上 t 下游差壓時(shí)間曲線的斜率； 為試件滲透系數(shù)； w k 為水的黏滯系數(shù)；Su，Sd 分別為上、下游變?nèi)菟?的容水量大小，定義為單位壓力所引起的水箱內(nèi)流 體體積的改變量 V / P ， 此處 Su = Sd。 在實(shí)際測量 中，t 設(shè)計(jì)為實(shí)測差壓衰減到初始差壓的 50%時(shí)所 經(jīng)過的時(shí)間，稱為半衰期，用 t50 表示。 實(shí)際實(shí)驗(yàn)可記錄下瞬時(shí)壓力脈沖施加后，上下 游水箱之間的差壓隨時(shí)間的衰減曲線，即求解公式 5 種不同試件滲透系數(shù)測量結(jié)果。這 5 種試件的測 量參數(shù)和結(jié)果列于表 2。 將式(2代入式(1，其中時(shí)間參數(shù) t 取半衰期 t50 代入，整理可得 ln 2 2kA

33、= t50 w LSu (3 第 29 卷 1.2 增1 王 穎，等. 變?nèi)輭毫γ}沖法滲透系數(shù)測量技術(shù)測量范圍的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 3119 表2 滲透系數(shù) k/mD 5 種不同試件滲透系數(shù)測量參數(shù) Table 2 1.1 Parameters of permeability testing for 5 different samples Vg/Vw 0/70 0/70 5/65 5/65 30/40 30/40 50/20 50/20 Su/(mL·MPa 1 試件編號(hào) 1 k 均 = 1.136×10 偏差=±5% 3 t50/s 9 000 11 2 820 152

34、66 659 11 1 200 k/mD 1.136×10 0.965 6.592×10 0.991 10.159 0.991 0.94×102 0.984 2 3 0.614 0.601 8.608 8.438 39.899 39.459 66.374 63.680 mD 3 2 1.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3 4 3 實(shí)驗(yàn)編號(hào) (a 試件 1 6.75 k 均 = 6.592×10 mD 偏差=±1% 滲透系數(shù) k/mD 6.65 -2 5 3 由式(3可知， 對(duì)同一個(gè)試件(此處認(rèn)為試件滲透 6.55 系數(shù) k 為一恒

35、定常數(shù)進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)時(shí)，變?nèi)菟淙?水量 Su 與測量時(shí)間 t50 成正比， 也就是說小的容水量 可以縮短測量時(shí)間，反之，大的容水量可以延長測 量時(shí)間；如果水箱容水量 Su 為恒定不變，滲透系數(shù) 參數(shù) k 與測量時(shí)間 t50 成反比，也就是說試件滲透性 越小，測量時(shí)間越長，反之，試件滲透性越大，測 量時(shí)間越短。結(jié)合表 2 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，以上分 析 Su-t50 關(guān)系和 k-t50 關(guān)系均與實(shí)際情況相符。圖 8 表 示對(duì)數(shù)坐標(biāo)上不同容水量、滲透系數(shù) k 與測量時(shí)間 6.45 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 實(shí)驗(yàn)編號(hào) (b 試件 2 10.5 滲透系數(shù) k/mD t 之間的關(guān)系。 10

36、.0 104 k 均 = 10.159 mD 9.5 測量時(shí)間 t/s 偏差=±2% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 103 102 Vg/Vw = 0/70 Vg/Vw = 5/65 Vg/Vw = 30/40 Vg/Vw = 50/20 10 2 實(shí)驗(yàn)編號(hào) (c 試件 4 0.10 101 100 10 3 滲透系數(shù) k/mD 10 1 100 101 102 滲透系數(shù) k/mD 0.09 圖8 Fig.8 k 均 = 0.94×102 mD 偏差=±5% 不同容水量、滲透系數(shù) k 與測量時(shí)間 t 關(guān)系 Relationship between pe

37、rmeability k and time t during different specific storage situations 0.08 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4 討 論 實(shí)驗(yàn)編號(hào) (d 試件 5 (1 變?nèi)菟涞膶?shí)際變?nèi)莘秶?利用改進(jìn)后的變?nèi)菟鋺?yīng)用于變?nèi)菅b置對(duì)一個(gè) 圖 7 5 種不同試件滲透系數(shù)測量結(jié)果 Fig.7 Testing results of permeabilities for five different samples 1 mD 量級(jí)上的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的砂巖進(jìn)行滲透系數(shù)測量， 3120 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2010 年 多等級(jí)調(diào)節(jié)水箱容水量大小，即水

38、箱內(nèi)氮?dú)獾捏w積 由 0 增加到 50 ml，共分為 10 種情況，分別對(duì)每種 情況進(jìn)行滲透系數(shù)重復(fù)測量 10 次。圖 6 結(jié)果顯示， 被測試件的滲透系數(shù)值并不隨水箱容水量的改變而 改變，每一種情況所測得的滲透系數(shù)均有很好的重 復(fù)性，偏差值在 ± 4%以內(nèi)。此處，認(rèn)為變?nèi)菟鋬?nèi) 充 滿 氣 體 時(shí) ， 水 箱 容 水 量 達(dá) 到 最 大 ， 約 在 102 量結(jié)果的客觀性，同時(shí)也驗(yàn)證了變?nèi)菝}沖法的重復(fù) 性和改進(jìn)后變?nèi)菅b置的優(yōu)越性。 5 結(jié)論與展望 改進(jìn)后變?nèi)菅b置具有以下優(yōu)點(diǎn)： mL/MPa 量級(jí)上；當(dāng)變?nèi)菟鋬?nèi)充滿水，且去處分 隔膜時(shí)，水箱容水量為最小，約在 10 2 (1 滲透系數(shù)實(shí)

39、際量程更廣。改進(jìn)后變?nèi)菟?實(shí)際變?nèi)莘秶鼜V Su=10 2102 mL/MPa，在有效 mL/MPa 量 級(jí)上。由此可見，實(shí)際水箱容水量 Su 可以跨越 4 個(gè) 量級(jí)(10 2102 mL/MPa。由表 1 結(jié)果說明，當(dāng)水 箱內(nèi)氣液體積比較小時(shí)，分隔膜的壓縮性對(duì)水箱容 水量的計(jì)量影響較大，反之，氣液體積比較大時(shí)， 氣體的壓縮性對(duì)水箱容水量的計(jì)量影響較大；表 1 中 10 種不同水箱容水量情況下對(duì)同一試件測得的 偏差值為 ± 1%， 說明 滲透系數(shù)平均值為 0.986 mD， 改進(jìn)后的變?nèi)菅b置具有很高的穩(wěn)定性和精度；表 1 中水箱容水量大小與半衰期呈正比線性關(guān)系。 測量時(shí)間 t=10

40、 s2.5 h 內(nèi)，變?nèi)菅b置滲透系數(shù)實(shí)際 測量量程可達(dá) 6 個(gè)數(shù)量級(jí) k=1 D1 D，符合變?nèi)?脈沖法的理論量程。 (2 實(shí)驗(yàn)效率更高。改進(jìn)后變?nèi)菟浣Y(jié)構(gòu)更合 理，分隔膜更有效耐用，確保變?nèi)菝}沖實(shí)驗(yàn)的簡易 性、穩(wěn)定性、連續(xù)性和開操作性，水箱容水量計(jì)量 更精確，提高了測量實(shí)驗(yàn)的效率和精度。 本文所做的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不僅證明了變?nèi)菝}沖法及 裝置的有效性和可靠性，而且驗(yàn)證了本裝置實(shí)驗(yàn)所 測得的滲透系數(shù)、水箱容水量和半衰期之間的關(guān)系 符合理論關(guān)系，即：k 一定時(shí)，Su 與 t50 呈正比關(guān)系， 說明調(diào)節(jié)小容水量值可以縮短測量時(shí)間，反之，調(diào) 節(jié)大容水量值可以延長測量時(shí)間；Su 一定時(shí)，k 與 (2 變?nèi)菅b置

41、的實(shí)際滲透系數(shù)測量量程 通過對(duì) 5 種不同滲透性試件進(jìn)行滲透系數(shù)重復(fù) 測量，由圖 6，7 可見，這 5 種試件的滲透性由小到 大排列為： 試件 1k 試件 2k 試件 3k 試件 4k 試件 5。 7(a k 圖 表明，試件 1 在水箱容水量 Su 最小情況下，測量時(shí) 間為 t =2.5 h，測得滲透系數(shù) k 均=1.136×10 mD， 偏差= ± 5%；圖 7(d表明，試件 5 在水箱容水量 Su 最大情況下， 測量時(shí)間為 t =10 s， 測得滲透系數(shù) k = 2 0.92×10 mD，偏差= ± 5%。由表 2 可見，變?nèi)菅b置 的滲透系數(shù)實(shí)際測量

42、量程 k 跨越了 6 個(gè)量級(jí)(1 D 3 t50 呈反比關(guān)系，說明低滲透性材料測量耗時(shí)較長， 反之，高滲透性材料測量耗時(shí)較短。 以上兩點(diǎn)也說明了測量低滲透性材料需要將水 箱容水量調(diào)節(jié)至較小的值，可以縮短測量時(shí)間；反 之，測量高滲透性材料需要將水箱容水量調(diào)節(jié)至較 大的值，延緩測量時(shí)間。這樣就可以實(shí)現(xiàn)采用同一 套裝置測量多種巖石材料 ( 不同滲透性 的滲透系 數(shù)；同理，也可以實(shí)現(xiàn)測量同種巖石材料在多種作 用下滲透性大幅度變化的情況，及時(shí)準(zhǔn)確掌握巖石 變化過程中滲透性的變化規(guī)律。這也是變?nèi)菝}沖法 及裝置的最根本優(yōu)勢所在?？梢?，變?nèi)菝}沖法及裝 置能夠?yàn)槭覂?nèi)和工程應(yīng)用提供有效的測量工具和評(píng) 價(jià)手段，具有

43、廣闊的應(yīng)用前景。 變?nèi)菝}沖法及裝置還具有以下一些缺點(diǎn)，例如： 相對(duì)于商業(yè)化推廣和使用，其實(shí)驗(yàn)操作過程仍顯復(fù) 雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的理論及技術(shù)要求較高，不利于該 裝置的商業(yè)化發(fā)展。針對(duì)這一問題的下一步工作需研 發(fā)全自動(dòng)變?nèi)菝}沖法實(shí)驗(yàn)裝置。 采用新變?nèi)菅b置進(jìn)行滲透系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)因?yàn)樯?述眾多誤差源，存在不可避免的誤差影響，這也給 裝置的精度造成了一定的影響，針對(duì)這一問題的下 1 D，符合變?nèi)菝}沖法的理論量程。從表 2 數(shù)據(jù)還 可以看出，在水箱容水量值相同的情況下，滲透系 數(shù)與半衰期呈反比線性關(guān)系。由圖 8 表明，為把滲 透系數(shù)測量重復(fù)性偏差控制在 5%以內(nèi)，變?nèi)菅b置 的有效測量時(shí)間 t50 = 10 s2

44、.5 h。 (3 滲透系數(shù)測量重復(fù)性偏差 影響滲透系數(shù)測量重復(fù)性偏差的因素有溫度變 化、系統(tǒng)泄漏、裝置不對(duì)稱、脈沖壓力大小、傳感 器精度、差壓計(jì)膜片變形、分隔膜變形、巖芯脹縮 變形、巖芯膠套變形以及非線性滲透現(xiàn)象等等。因 為不可能達(dá)到絕對(duì)的恒溫或零泄漏等以上各因素的 理想情況，基于現(xiàn)有工藝技術(shù)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，本文?所做滲透系數(shù)測量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)偏差控制在 5%以內(nèi)。 由于沒有已知滲透系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試件，偏差因素的影 響程度難以明確說明，本文中的重復(fù)實(shí)驗(yàn)保證了測 第 29 卷 增1 王 穎，等. 變?nèi)輭毫γ}沖法滲透系數(shù)測量技術(shù)測量范圍的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 3121 一步工作需研究每一個(gè)誤差源的偏差影響程度，有 助于

45、誤差分析，進(jìn)一步改良裝置和操作，提高實(shí)驗(yàn) 精度。 參考文獻(xiàn)(References： 1 李小春， 王 穎， 魏 寧. 變?nèi)輭毫γ}沖滲透系數(shù)測量方法研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(12：2 4822 487.(LI Xiaochun， WANG Ying，WEI Ning. Study of measuring method of permeability by using storage-variable transient pulse methodJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(12：2

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