低渗透岩石实验理论及装置

文献标识码 A
1000-6915(2003)06-0919-07
THEORY AND APPARATUS FOR TESTING LOW-PERMEABILITY OF ROCKS IN LABORATORY
Zhang Ming
(Research Center for Deep Geological Environments AIST Tsukuba 305-8567 Japan)
始及边界条件联合求解 并汇总于表 2[18 20 22 23] 为比较起见 各实验的稳定流状态下的简易解也列 于此表[16 17] 倘若将各解析解再对变量 z 进行微 分 则可得各实验过程中试件内部的水力梯度随时 间的变化(表 2)[19 20 22] 利用这些解析解 笔者等 人对上述各种室内实验进行了系统的参数研究和评 价 系 统 研 究 设 定 试 件 基 本 参 数 为 直 径 50 mm 高 100 mm 渗透系数 10 11 m/s 储水系数 10 6 1/m 然后逐一改变各参数(直径加倍 高度减 半 渗透系数减至 1/10 及 1/100 储水系数增至 5 倍及减至 1/10)并分析比较其对渗透实验的影响 此外 在定流量法和压力脉冲法中还分别讨论了流 泵的压缩储水系数及上 下游渗透系统的压缩储水 系数对各渗透实验的影响 一系列参数研究结果表 明 在保证试件两端间的压力差测量精度的前提 下 缩短低渗透试件实验时间的最有效途径就是适 当缩短试件的长度 或称之为高度 同时适当增加 试件的横断面积 试件本身的水力特性值是固有 的 不可人为改变 不少研究学者通常延用岩石三
sin φ m
注
变量符号与参考文献有所不同
3
高精度通用渗透实验装置
160 mm 这种设计可根据被测试件的渗透性大小 灵活调整合理的试件尺寸 3.1 高 性 能 流 泵 施加围压和渗透实验用的 3 台流泵为同一型 号 耐压 69 MPa 在定流量控制条件下可以每分 钟 0.01 ul 到 50 ml 间任一设定的流量速度注水或 抽水 控制误差为 3% 并可以 0.01 ul 的精度监 测流量 在定压控制条件下可以 1psi(6.9 kPa) 的控 制精度施加高达 69 MPa 的水压 此外 3 台流泵 由 1 台控制器操纵 使系统组成非常紧凑 操纵方 3 .2 差 压 传 感 器 及 数 据 采 集 系 统 便 探测试件两端间的差压力传感器为高线性传感 器 其测量精度为全容量(98 kPa) 的 0.25% 该传 感器及多点热电偶的输出信号由 GP-IB 接口 各 流泵的流量及内藏式压力传感器的输出信号经同一 控制器并由 RS-232C 接口输入微型计算机 所有 被测物理量可由任意设定的时间间隔进行采集记 录 计算机屏幕上同时显示实测曲线和数据 因而
t
qL t) = AK
定流量法
K =−
q qL =− Ki A∆H
K 2 exp − βn t sin(β n z ) ∞ S z −2 s 1 1 L 2 n =0 Lδβ cos (β L ) L β + + n n n 2 δ δ Ce 1 δ = tan( βL ) = βδ AS s
实验法
t ) = ∆H •
定水位法
K =−
q qL =− Ki A ∆H
z 2 + L ð H(z
∑
n =1
∞
K n 2ð 2 cos( nð ) nð z sin exp − Ss L2 n L
•
∑ cos( nð ) cos
n=1
K n 2ð 2 nð z exp − S s L2 L
第 22 卷
第 6期
2003 年 6 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
22(6)
919 925 June 2003
低渗透岩石实验理论及装置
张 铭
(产业技术综合研究所深部地质环境研究中心 筑波 305-8567 日本)
t)
示意图
初始条件
流进边界 H = ∆H = 定值 H ( z 0) 0 z L H=0 H = ∆H z=0 z =L
流入流量 H ( z 0) H=0
Q(t) 0 z L H ( z 0) Sd KA Su KA L = 试件长度 (L2)
流进边界 H = H(L 0 z L z=0 z =L (L)
低渗透地质媒体的水力学特性与逆掩断层的形 成 地震的发生 地震波的传播以及地下异常水压 的形成等地质过程直接关联 低渗透岩层的水力学 研究对低渗透砂岩油田及天然气开发 核废弃物的 地下埋储 各种地下储藏 地下扬水发电 压缩空 气地下储能以及温室气体的地下储留等领域都具有 非常重要的意义[1
15]
一般来说 地下深处的岩石处于高地应力及高 孔隙水压力状态 其中的水力梯度也很小 因此 在实验室测定 评价地下深处岩石的水力学特性时 必须模拟这种状态 按照实验原理 室内渗透实验方法可分为两大 类 一类是在试件的两端施加一定或变化的水压 差 通过测量渗透流量来计算试件的渗透系数 传
t)
z=0 z =L
边界条件
∂H 1 ∂H = q − Ce ∂z KA ∂t (L2) z = 距试件端面的距离 (L) K = 渗透系数
∂H ∂H − =0 ∂t ∂z ∂H ∂H + =0 ∂t ∂z
H = 水压
(L)
A = 试件的横断面积
3
(L/T )
(L)
∆H = 定水压差 (T) Su
1
前 言
通过测量渗透流量来计算试件的渗透系数 传统 的定水位和变水位法即属于此类 另一类是向试件 的一端以一定的流量注水或直接施加压力脉冲 通 过测量试件两端间压力差随时间的变化来计算试件 的渗透系数 20 世纪 60 年代 文[16 17]先后提 议的定流量法以及压力脉冲法即属于此类 压力可实时测量 实验中 而流量则需要时间积分 这一特 性使得后一类实验方法比前一类方法节省不少实验 时间 但在测试低渗透试件时仍然需要较长时间 根据试件的渗透性 储水性 试件尺寸及实验装置 本身的压缩储水性能的大小 实验时间可短至几分 钟 几小时 长则几天乃至几十天 为了有效地规划各种室内渗透实验 缩短渗透 实验时间 并提高测量的准确性 笔者等人对室内 渗透实验进行了系统的研究[18 20] 推导了有关实 验的理论解 在此基础上开发研制出一种可以在高
z γφ m z sinφ m − β cos φ m L L 2 γφ 2 γ m 1 + β + γ − cos φ m − φ m 1 + γ + β β
2
室内渗透实验理论解析
虽然达西定律原则上只适用于多孔介质 扩展 应用到岩石上还存有不少疑问 但在实际工程问题 中仍被广泛应用 因此 下式所示一维渗流连续性 方程即为表达室内渗透实验的最基本的本构方程 ∂ 2 H Ss ∂H − =0 (1) ∂z 2 K ∂t 式中 Ss 为试件储水系数 其他各变量的物理含 义见表 1 附注 表 1 汇总了定水位 定流量以及压力脉冲渗透 实验法的示意图 各实验的初始条件和边界条件 渗透实验的解析解可通过上述本构方程
hu − hf = 压力脉冲 法* H Vd e −θ t Vu + Vd θρλ lVu Vd A(Vu + Vd )
H ( z t) 1 2 = +2 exp − αφ m H 1+ β + γ m=0
∑ (
∞
)
•
[cosφ mξ − (γφ m / β ) sin φ mξ ]
S AL β= s Su S γ= d Su
摘要 数
为了快速准确地测定低渗透岩石的渗透系数 实验结果证实了理论解及实验装置的有效性 岩石力学 实验研究 低渗透岩石 解析解
推导了各种渗透实验的解析解
设计开发了高精度通用渗透
实验装置 关键词
该装置可在高围压及高孔隙水压力条件下采用定水位法 实验装置 文章编号
定流量法或压力脉冲法测试岩石的渗透系
分 类 号 TU 451
表1
实验法 定水位法 流出边界 H = 0 = 定值
实验的初
初始及边界条件
压力脉冲法 流出边界 H = H(0
各种室内渗透实验的示意图
定流量法 流出边界 H = 0 = 定值
Table 1 Schematic diagrams initial and boundary conditions for laboratory permeability tests
万方数据
第 22 卷
第6期 表2
稳定流条件 下的简易解 H(z
张
铭. 低渗透岩石实验理论及装置 定流量法及压力脉冲法的解析解
非稳定流条件下的解析解 水压 水力梯度 i( z t t) = ∆H 1 + 2 2 Solutions to the constant-head constant flow-rate and transient-pulse permeability tests
Abstract In order to determine the low permeability of rocks both rapidly and reliably in laboratory the rigorous analytical solutions for various kinds of laboratory permeability tests are derived. A versatile laboratory permeability testing system is also developed. This system can implement constant-head constant flow-rate and transient-pulse permeability tests of specimen under high confining and pore pressures. Testing results demonstrate the effectiveness of both the rigorous analytical solutions and the testing apparatus. Key words rock mechanics testing study low-permeability rocks analytical solutions testing apparatus