[發明專利]一種用于超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試儀器

在審

• 申請號: 201910014063.5
• 申請日: 2019-01-08
• 公開（公告）號: CN109709016A
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 宋楊;王妍白;宋嘉軒;王嘉奕;王保元;周如珊
• 申請（專利權）人: 常州工學院
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 劉松

1.一種用于超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試儀器，它包括控制系統(13)、恒溫系統(9)、用于測試巖石試件(3)的固定單元、緩沖氣罐(15)、儲氣罐(12)、油泵(8)、油路(7)、氣體管路、氣壓表(17)和氣體開關，氣體開關包括上進氣開關(18)、下進氣開關(19)和儲氣開關(11)，氣體管路包括上進氣管路(16)、下進氣管路(20)和儲氣管路(10)，其特征在于：所述恒溫系統(9)內部設固定單元、緩沖氣罐(15)、油泵(8)、油路(7)、上進氣管路(16)、下進氣管路(20)、氣壓表(17)和上進氣開關(18)、下進氣開關(19)和儲氣開關(11)，固定單元包括上蓋(1)、單元主體(2)、下座(5)和固定螺栓(4)，下座(5)上設單元主體(2)，單元主體(2)上設上蓋(1)，下座(5)與上蓋(1)通過固定螺栓(4)相連接，單元主體(2)內設巖石試件(3)，巖石試件(3)設在下座(5)上，緩沖氣罐(15)上下兩端分別通過上進氣管路(16)和下進氣管路(20)與固定單元相連接，上進氣管路(16)上設上進氣開關(18)和氣壓表(17)，下進氣管路(20)上設下進氣開關(19)，油泵(8)通過油路(7)與固定單元的單元主體(2)內腔相連通；恒溫系統(9)外部設儲氣罐(12)和控制系統(13)，儲氣罐(12)通過儲氣管路(10)和儲氣開關(11)與緩沖氣罐(15)相連通，儲氣管路(10)上設儲氣開關(11)，控制系統(13)通過數據線(14)與氣壓表(17)相連接。

2.如權利要求1所述的用于超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試儀器，其特征在于：所述巖石試件(3)的上下兩側均安裝氣體分散片(21)，巖石試件(3)上面設壓頭(22)，巖石試件(3)通過基座(6)固定設在下座(5)上，并采用橡膠皮套(24)和金屬套箍(23)進行密封。

3.如權利要求1所述的用于超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試儀器，其特征在于：所述緩沖氣罐(15)用于為孔隙率測試提供壓力，緩沖氣罐(15)上端通過上進氣管路(16)與固定單元單元主體(2)內腔的測試巖石試件(3)相連接，緩沖氣罐(15)下端通過下進氣管路(20)與固定單元內腔的測試巖石試件(3)相連接。

4.如權利要求1所述的用于超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試儀器，其特征在于：所述儲氣罐(12)，用于為緩沖氣罐(15)提供測試氣體，儲氣罐(12)通過儲氣管路(10)與緩沖氣罐(15)相連通，并在儲氣管路(10)上設儲氣開關(1 1)。

5.如權利要求1所述的用于超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試儀器，其特征在于：所述氣壓表(17)為數字氣壓表(17)，用于測試緩沖氣罐(15)的氣體壓力。

6.如權利要求1所述的用于超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試儀器，其特征在于：所述油泵(8)用于為固定單元的單元主體(2)內腔提供圍壓，油泵(8)上設油壓表，用于測量固定單元單元主體(2)內腔的圍壓。

7.如權利要求1所述的用于超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試儀器，其特征在于：所述控制系統(13)，用于連接氣壓表(17)實時記錄和輸出緩沖氣罐(15)的氣體壓力隨時間的變化曲線，所述數據線(14)，用于連接數字氣壓表(17)與控制系統(13)。

8.如權利要求1所述的用于超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試儀器，其特征在于：所述氣體開關，用于控制氣體在管道內的流動，其中，上進氣開關(18)控制固定單元上進氣管路(16)，下進氣開關(19)控制固定單元下進氣管路(20)，儲氣開關(11)控制儲氣罐(12)為緩沖氣罐(15)注入氣體的氣體管路。

9.如權利要求1所述的用于超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試儀器，其特征在于：所述巖石試件(3)的直徑為50cm、高度為100mm的圓柱形巖石試件(3)。

10.一種用于超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試儀器的測試方法，其特征在于：某一固定溫度T₁，開裂超低滲開裂巖石氣體滲透率的測試步驟如下：

(1)采用游標卡尺測試巖石試件(3)的直徑d，高度h。

(2)安裝固定單元、連接氣體管路，安裝巖石試件(3)，并確定所有開關關閉，打開恒溫系統(9)設置固定溫度T₁。

(3)打開手動油泵(8)閥門，給固定單元提供圍壓Pv。

(4)打開儲氣開關(11)給緩沖氣罐(15)充入氣體并提供壓強；關閉儲氣開關(11)，連接數據線(14)，打開控制系統(13)，自動記錄數字氣壓表(17)的壓強數，記錄頻率為1數據/s,所述記錄頻率是指1秒記錄一個數據。直至氣體壓強穩定，此壓強讀數為P₁；

(5)打開下進氣開關(19)和上進氣開關(18)，數字氣壓表(17)顯現氣體壓力迅速降至P₂，然后開始緩慢降低；根據理想氣體方程，按照如下公式計算下進氣開關(19)和上進氣開關(18)密封管道、氣體分散片(21)等體積V₂為:

(6)繼續通過控制系統(13)記錄數字氣壓表(17)壓強，可以得到壓強變化曲線，P為壓強，T為時間，壓強逐漸降低，且降低速度越來越慢，直至壓強穩定至P₃，此時氣體從巖石試件(3)上下表面和裂縫(27)處進入巖石試件(3)，則此時可計算巖石試件(3)孔隙體積V_k為：

(7)此時，依據達西定律計算任意時刻T₄巖石試件(3)的氣體滲透率，其步驟如下：

(a)在時間T₄時，數字氣壓表(17)的壓強為P₄，則根據理想氣體方程，巖石試件(3)孔隙內的平均壓力Pa為:

(b)在此巖石試件(3)中，氣體壓力在壓差的作用下并非均勻分布，其分布函數P(x)為：

開裂巖石試件(3)具有上進氣口(25)、出氣口(26)、裂縫(27)和下進氣口(28)。

其中，P_進為進氣口的氣壓；P_出為出氣口(26)的氣壓。那么，氣壓表(17)壓力值為P₄時，巖石試件(3)氣壓的分布函數為：

其中，P_h/2為P₄時巖石試件(3)中間處的氣體壓強。

(c)根據理想氣體方程，

由于僅有P_h/2未知，可推導出P_h/2為：

P_h/2≈P₄-1.5P_a

(d)在氣壓值為P4時，Δt的時間內，氣壓變化了ΔP4，那么此時間內的壓力均值Pmean為P_mean＝P₄-0.5ΔP₄

(e)由理想氣體方程可得，在ΔT的時間內的平均流量Qmean為：

(f)最終可計算出此時氣體滲透率為：

。