變容壓力脈沖法滲透系數(shù)測量技術測量范圍的實驗驗證_圖文

1、第29卷 增1巖石力學與工程學報 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變容壓力脈沖法滲透系數(shù)測量技術測量范圍的實驗驗證王 穎，李小春，魏 寧(中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071摘要：針對變容壓力脈沖法進行滲透系數(shù)測量這一新思路及其測量裝置，從實驗角度探討原變容裝置在滲透系數(shù)測量上的局限性，分析其原因進行改進，并采用改進后的測量裝置對多種不同滲透性試件做滲透系數(shù)重復性

2、測量實驗，進一步驗證變容脈沖法及測量裝置的有效性和穩(wěn)定性。通過細微調節(jié)變容水箱內氣體和液體的體積含量，使之由小到大代表不同量級的容水量值，對同一試件進行滲透系數(shù)測量實驗，確定水箱容水量的實際變容范圍(102102 mL/MPa；并通過測量多種不同滲透性試件的滲透系數(shù)，確定變容裝置的有效量程(1 D 1 D和有效時間(10 s2.5 h以及重復性(偏差5%。實驗結果顯示，改進后的變容水箱性能更加穩(wěn)定，同時有效驗證變容脈沖法實驗裝置的水箱容水量、測量時間和滲透系數(shù)之間的關系符合理論關系。說明要縮短測量時間，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，避免長時間實驗受裝置和環(huán)

3、境誤差影響；反之，要延長測量時間，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，避免實驗太快受操作誤差影響。據(jù)此，變容脈沖法滲透系數(shù)測量裝置可實現(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，具有廣闊的室內和工程應用前景。 關鍵詞：流體力學；變容；壓力脈沖法；滲透系數(shù)；測量范圍中圖分類號：O 35 文獻標識碼：A 文章編號：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 巖石力學與工程學報 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的一種非常重要的性質。實驗室內對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容脈沖法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，如果要擴大量程，慣用的方法是延長測量時間，然而，長時間的實驗過程會帶來因泄漏、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驗裝置對頻率的依存性大，精度低，技術不成熟，可靠性差，而且造價低。李小春等1提出的變容脈沖法彌補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(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。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，眾多學者和專家只在壓力脈沖法的理論及計算方法上有所改進，在實驗方法及裝置上并沒有實質性改進。李小春等1提出了變容壓力脈沖法測量滲透系數(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的變容裝置在實際操作過程中，由于其作為核心組件的變容水箱在實際操作過程中發(fā)現(xiàn)其在結構設計上存在諸多缺陷，這些缺陷限制了裝置的實際量程，無法達到變容脈沖法的理論量程。本文因此探討了李小春等1中變容水箱的缺陷并進行改進設計和制作，然后通過使用改進后的變容裝置，進行變容脈沖法滲透系數(shù)測量技術的實驗驗證。第一部分實驗是通過由小到大微尺度調節(jié)水箱內氣體和液體的體積含量，獲得不同量級的容水量大小，對同一試件進行多組滲透系數(shù)重復測量，明確了變容水箱的實際變容范圍(102102mL/MPa，分析其重復性和偏差值(5%，進一步驗證了變容脈沖法及裝置的有效性和穩(wěn)定性；第二部分實驗是通過測量多

13、種不同滲透性試件的滲透系數(shù)，明確了變容裝置的有效測量量程(1 D 1D 和有效測量時間(10 s2.5 h，同時驗證了變容脈沖實驗的滲透系數(shù)、水箱容水量和測量時間之間的相互關系符合理論關系，進一步驗證了變容脈沖法的理論量程。也為該方法的室內和工程應用前景奠定了實驗基礎。2 變容脈沖法滲透系數(shù)測量裝置2.1 變容裝置瞬態(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，同時設計制作了測量裝置(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流體壓縮性有關，而該裝置的上、下游水箱容積一定，水箱內為單一流體介質(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研究采用的測量時間為601 800 s，以此為基礎可知定容脈沖法因為水箱容水量為一定值，其測量范圍也具有一定的局限性，一般為2個數(shù)量級，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提出了變容脈沖法及其測量裝置(見圖2 ，水箱容水量大小設計成可調節(jié)的，也就是可變的，故而稱之為變容脈沖法，則可以根據(jù)被測試件的需要調節(jié)適當?shù)乃淙菟看笮?，從而在適宜的測量時間內擴大測量量程，理論上可達6個數(shù)量級。圖3為變容脈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。變容裝置第29卷 增1 王 穎，等. 變容壓力脈沖法滲透系數(shù)測量技術測量范圍的實驗驗證 3115 圖1 壓力脈沖法實驗裝置示意圖2Fig.1 Sketchof transient pulse experimental arrangement2圖2 變容脈沖法實驗裝置示意圖1Fig.2Sketch of the developed storage-variable transient pulsetesting system1圖3 變容脈沖法滲透測量裝置照片F(xiàn)ig.3 Photo of the storage-variab

16、le transient pulse testingarrangement在空間設計和各零部件尺寸和分布上為左右對稱的結構(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通過差壓計(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、下游差壓隨時間的衰減曲線，即可求得被測試件的滲透系數(shù)。 2.2 變容水箱變容裝置的核心組件就是被測試件的上、下游變容水箱。變容水箱則是利用氣體壓縮性遠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，以通過調節(jié)不同的氣液體積比來改變水箱內流體的綜合壓縮性。也就是說變容水箱內的流體是采用氣液兩種流體介質的綜合體，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量。在水箱容積一定的情況下，水箱容水量大小是與水箱內流體的壓縮性成正比，故而可以通過調節(jié)水箱內的氣液體積比來改變流體壓縮性，從而實現(xiàn)水箱容水量大小的調節(jié)。所以在同一溫度壓力條件下，當采用較小體積的氣體時，可以得到較小容水量值；反之采用較大體積的氣體時，可以得到較大容水量值。水箱內的氣液綜合流體則采用純氮氣和脫氣蒸餾水，水和氮氣之間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，通過增加或減少氮氣的體積，即可實現(xiàn)變容效果，理論上變容范圍可達5個量級以上。圖4為原變容水箱結構示意圖1，在一定范圍內實現(xiàn)了變容效果，但因結構設計上存在如下一些缺陷：圖4 原變容水箱示意圖1Fig.4 Sketch of the original storage-variable apparatus1(1 圓筒形筒身設計存在死角，在裝置抽真空飽水過程中，不能完全飽水會造成容水量計量偏差；(2 分隔膜易撕裂、中心穿孔、或滑脫，造成實驗中斷，同時對水箱內氣體的體積大小有一定限制，實驗證明原變容水箱內氮氣的體積最大約為20分隔膜液氣 311

19、6 巖石力學與工程學報 2010年 mL(水箱容積為50 mL，實際變容范圍僅3個量級。圖5為經(jīng)改進后的新變容水箱示意圖。圖5 新變容水箱示意圖Fig.5 Sketch of the new storage-variable apparatus新變容水箱有以下3點改進： (1 新變容水箱的筒身為圓錐形； (2 在水箱底板進氣口處設置墊片和墊網(wǎng)； (3 在固定分隔膜邊緣上設置兩道密封圈，為壓膜圈(外側密封圈 和密封圈(內側密封圈 。圓錐形水箱不存在死角，在變容裝置抽真空飽水的過程中可以達到完全飽水的效果，確保水箱容水量的精確計量，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、水箱內壁隆起坡角較緩，所受剪力較小，分隔膜不會撕裂。水箱底板進氣口處設置墊片(316 L不銹鋼粉末燒結而成的薄片 和墊網(wǎng)(316 L不銹鋼材質制成的超薄致密網(wǎng) ，阻礙了分隔膜因瞬間收縮吸入進氣口管路，分隔膜不會中心穿孔。壓膜圈有效嵌固分隔膜，密封圈有效密封水箱內的氣體和液體，分隔膜不會滑脫。這3點改進擴大了水箱內高氣液體積比(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范圍，水箱內氮氣的體積可以從0增加到50 mL以上(水箱容積為70 mL，實際變容范圍達4個量級。這3點改進同時提高了變容脈沖法實驗的可操作性、簡易性、穩(wěn)定性和連續(xù)性，使得實驗效率更高，精度更高。3 變容裝

21、置測量實驗變容裝置的測量實驗共分為2個部分：第一部分是進行變容水箱容水量范圍的實驗測定；第二部分是進行變容裝置滲透系數(shù)量程的實驗測定。第一部分實驗是對于同一個給定的被測試件，其滲透系數(shù)k 在1 mD量級上，采用變容裝置，通過調節(jié)變容水箱容水量從最小值到最大值，共計10種情況下，對被測試件進行滲透系數(shù)重復測量實驗，分析測量結果，確定變容水箱容水量可調的實際范圍，同時驗證了改進后變容水箱的優(yōu)越性。這10種情況下的實驗都是采用同一個試件，整個系統(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準試件，長為L = 100 mm，截面直徑為D = 50 mm的圓柱形試件。變容裝置經(jīng)7 MPa氮氣的系統(tǒng)壓力下檢測一周所得系統(tǒng)泄漏率為0.002 9R = L/(min·MPa 。整個裝置結構對稱，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。實驗所采用滲流介質為脫氣蒸餾水，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 ，每種情況都進行了10次滲透系數(shù)重復實驗，各種情況的10次滲透系數(shù)重復測量結果見圖6，這部分測量實驗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)實測所得，實測容水量除了水箱內流體的壓縮性大小，還包括了水箱本身、關聯(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實驗編號滲透系數(shù)k /m D第29卷 增1 王 穎，等. 變容壓力脈沖法滲透系數(shù)測量技術測量范圍的實驗驗證 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實驗編號滲透系數(shù)k /m D0.98實驗編號滲透系數(shù)k /m D123

25、45 6 7 8 910實驗編號滲透系數(shù)k /m D0.920.940.960.981.0012345 6 7 8 910實驗編號滲透系數(shù)k /m D0.970.991.011 2 3 4 56 7 8 910實驗編號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實驗編號滲透系數(shù)k /m D0.946 7 8 910實驗編號1.04滲透系數(shù)k /m D0.970.991.011.031 2 3 4 56 7 8 910實驗編號滲透系數(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 巖石力學與工程學報 2010 年 中的 P(t-t50 曲線；同時，可以記錄下上游水箱的 實測容水量值和瞬時脈沖壓力大小，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 對數(shù)坐標上作出差壓時間曲線，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 種情況下的重復性實驗， 被測試件的滲透系數(shù) k 在 1 mD 量級上，且其重復 性和精度非常高。 0.95 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 實驗編號 (j Vg/Vw = 50/20 原則上，本實驗裝置上下游變容水箱容水量 Su 的變化范圍是由水箱內綜合流體的壓縮性大小決定 的，因為對于既定的實驗裝置，水箱的體積 Vu 是一 定的，不可改變，可調節(jié)變化的只有水箱內綜合流 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 么當變容水箱分隔膜內注入的氣體使之充滿水箱時 圖6 Fig.6 不同容水量下滲透系數(shù)測量結果 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 時， u = 63.68 mL/MPa， S 所以當 Vg/Vw=70/0 時， u S 90 mL/MPa，也就是說變容水箱容水量上限 Sumax 在 102 mL/MP

30、a 量級上。至于水箱容水量的下限，則應 該是將水箱內充滿水(即 Vg/Vw=0/70， 且不考慮分隔 膜(取出分隔膜的影響，此時 Su 最小，由實驗實測 得此種情況下 Su=0.06 mL/MPa，也就是說變容水箱 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 量級上。 注意：表 1 以及下文第二部分實驗中 Vg/Vw=0/70 情況下，Su=0.601 mL/MPa，而非 0.06 mL/MPa，是 因為在本文的實驗研究中并未取出分隔膜，所以實 測水箱容水量包含了分隔膜的壓縮性影響，但并

31、不 妨礙本文實驗驗證要說明的問題。 由上述可知，變容水箱容水量實測范圍達 4 個 量級以上，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 第二部分實驗將通過對滲透性 k 在 10 3102 mD 范圍內的 5 種不同滲透系數(shù)試件(編號為試件 15，其中試件 3 同第一部分實驗試件進行變容脈 沖法測量，旨在確定變容裝置的實際量程。這部分 實驗的系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)與第一部分實驗相同。圖 7 為 式中： P (t 為上、下游水箱差壓實測值； Pi 為初 始差壓； 為經(jīng)過時間；

32、 為半對數(shù)坐標上做出的上 t 下游差壓時間曲線的斜率； 為試件滲透系數(shù)； w k 為水的黏滯系數(shù)；Su，Sd 分別為上、下游變容水箱 的容水量大小，定義為單位壓力所引起的水箱內流 體體積的改變量 V / P ， 此處 Su = Sd。 在實際測量 中，t 設計為實測差壓衰減到初始差壓的 50%時所 經(jīng)過的時間，稱為半衰期，用 t50 表示。 實際實驗可記錄下瞬時壓力脈沖施加后，上下 游水箱之間的差壓隨時間的衰減曲線，即求解公式 5 種不同試件滲透系數(shù)測量結果。這 5 種試件的測 量參數(shù)和結果列于表 2。 將式(2代入式(1，其中時間參數(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. 變容壓力脈沖法滲透系數(shù)測量技術測量范圍的實驗驗證 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 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 實驗編號 (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， 對同一個試件(此處認為試件滲透 6.55 系數(shù) k 為一恒

35、定常數(shù)進行滲透實驗時，變容水箱容 水量 Su 與測量時間 t50 成正比， 也就是說小的容水量 可以縮短測量時間，反之，大的容水量可以延長測 量時間；如果水箱容水量 Su 為恒定不變，滲透系數(shù) 參數(shù) k 與測量時間 t50 成反比，也就是說試件滲透性 越小，測量時間越長，反之，試件滲透性越大，測 量時間越短。結合表 2 中的實驗結果可見，以上分 析 Su-t50 關系和 k-t50 關系均與實際情況相符。圖 8 表 示對數(shù)坐標上不同容水量、滲透系數(shù) k 與測量時間 6.45 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 實驗編號 (b 試件 2 10.5 滲透系數(shù) k/mD t 之間的關系。 10

36、.0 104 k 均 = 10.159 mD 9.5 測量時間 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 實驗編號 (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 與測量時間 t 關系 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 實驗編號 (d 試件 5 (1 變容水箱的實際變容范圍 利用改進后的變容水箱應用于變容裝置對一個 圖 7 5 種不同試件滲透系數(shù)測量結果 Fig.7 Testing results of permeabilities for five different samples 1 mD 量級上的標準尺寸的砂巖進行滲透系數(shù)測量， 3120 巖石力學與工程學報 2010 年 多等級調節(jié)水箱容水量大小，即水

38、箱內氮氣的體積 由 0 增加到 50 ml，共分為 10 種情況，分別對每種 情況進行滲透系數(shù)重復測量 10 次。圖 6 結果顯示， 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 復性，偏差值在 ± 4%以內。此處，認為變容水箱內 充 滿 氣 體 時 ， 水 箱 容 水 量 達 到 最 大 ， 約 在 102 量結果的客觀性，同時也驗證了變容脈沖法的重復 性和改進后變容裝置的優(yōu)越性。 5 結論與展望 改進后變容裝置具有以下優(yōu)點： mL/MPa 量級上；當變容水箱內充滿水，且去處分 隔膜時，水箱容水量為最小，約在 10 2 (1 滲透系數(shù)實

39、際量程更廣。改進后變容水箱 實際變容范圍更廣 Su=10 2102 mL/MPa，在有效 mL/MPa 量 級上。由此可見，實際水箱容水量 Su 可以跨越 4 個 量級(10 2102 mL/MPa。由表 1 結果說明，當水 箱內氣液體積比較小時，分隔膜的壓縮性對水箱容 水量的計量影響較大，反之，氣液體積比較大時， 氣體的壓縮性對水箱容水量的計量影響較大；表 1 中 10 種不同水箱容水量情況下對同一試件測得的 偏差值為 ± 1%， 說明 滲透系數(shù)平均值為 0.986 mD， 改進后的變容裝置具有很高的穩(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系。 測量時間 t=10

40、 s2.5 h 內，變容裝置滲透系數(shù)實際 測量量程可達 6 個數(shù)量級 k=1 D1 D，符合變容 脈沖法的理論量程。 (2 實驗效率更高。改進后變容水箱結構更合 理，分隔膜更有效耐用，確保變容脈沖實驗的簡易 性、穩(wěn)定性、連續(xù)性和開操作性，水箱容水量計量 更精確，提高了測量實驗的效率和精度。 本文所做的實驗驗證不僅證明了變容脈沖法及 裝置的有效性和可靠性，而且驗證了本裝置實驗所 測得的滲透系數(shù)、水箱容水量和半衰期之間的關系 符合理論關系，即：k 一定時，Su 與 t50 呈正比關系， 說明調節(jié)小容水量值可以縮短測量時間，反之，調 節(jié)大容水量值可以延長測量時間；Su 一定時，k 與 (2 變容裝置

41、的實際滲透系數(shù)測量量程 通過對 5 種不同滲透性試件進行滲透系數(shù)重復 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 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，變容裝置 的滲透系數(shù)實際測量

42、量程 k 跨越了 6 個量級(1 D 3 t50 呈反比關系，說明低滲透性材料測量耗時較長， 反之，高滲透性材料測量耗時較短。 以上兩點也說明了測量低滲透性材料需要將水 箱容水量調節(jié)至較小的值，可以縮短測量時間；反 之，測量高滲透性材料需要將水箱容水量調節(jié)至較 大的值，延緩測量時間。這樣就可以實現(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，及時準確掌握巖石 變化過程中滲透性的變化規(guī)律。這也是變容脈沖法 及裝置的最根本優(yōu)勢所在?？梢姡內菝}沖法及裝 置能夠為室內和工程應用提供有效的測量工具和評 價手段，具有

43、廣闊的應用前景。 變容脈沖法及裝置還具有以下一些缺點，例如： 相對于商業(yè)化推廣和使用，其實驗操作過程仍顯復 雜，對實驗人員的理論及技術要求較高，不利于該 裝置的商業(yè)化發(fā)展。針對這一問題的下一步工作需研 發(fā)全自動變容脈沖法實驗裝置。 采用新變容裝置進行滲透系數(shù)測量實驗因為上 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，針對這一問題的下 1 D，符合變容脈沖法的理論量程。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系。由圖 8 表明，為把滲 透系數(shù)測量重復性偏差控制在 5%以內，變容裝置 的有效測量時間 t50 = 10 s2

44、.5 h。 (3 滲透系數(shù)測量重復性偏差 影響滲透系數(shù)測量重復性偏差的因素有溫度變 化、系統(tǒng)泄漏、裝置不對稱、脈沖壓力大小、傳感 器精度、差壓計膜片變形、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 為不可能達到絕對的恒溫或零泄漏等以上各因素的 理想情況，基于現(xiàn)有工藝技術和實驗能力，本文中 所做滲透系數(shù)測量重復性實驗偏差控制在 5%以內。 由于沒有已知滲透系數(shù)的標準試件，偏差因素的影 響程度難以明確說明，本文中的重復實驗保證了測 第 29 卷 增1 王 穎，等. 變容壓力脈沖法滲透系數(shù)測量技術測量范圍的實驗驗證 3121 一步工作需研究每一個誤差源的偏差影響程度，有 助于

45、誤差分析，進一步改良裝置和操作，提高實驗 精度。 參考文獻(References： 1 李小春， 王 穎， 魏 寧. 變容壓力脈沖滲透系數(shù)測量方法研究J. 巖石力學與工程學報，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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