变容压力脉冲渗透系数测量方法研究

论文摘要

渗透性是多孔介质材料的一种非常重要的性质，常用渗透系数来表示。天然岩石（多孔介质）的渗透系数分布范围超过10个数量级，此外，这些多孔介质材料（包括各种地质和工程材料）在复杂地质作用和／或人为作用（如力学、温度、化学、生物等）下，其渗透性能会发生大幅度变化，渗透系数变化达数个量级。现有的室内渗透系数测量方法并不能完全满足上述测量需求，迫切需要一种能够适应多时间尺度（即测量快速）和大量程变化且高效稳定的渗透系数测量方法，为流体矿藏的开采和废弃物的埋储等重大工程项目中关于储层及地层的渗透性及其变化规律的评价提供有效的手段和方法。本文总结前人的研究成果，基于瞬态压力脉冲法的特点及优势，针对该方法在测量量程上的局限，提出变容压力脉冲渗透系数测量新思路，并成功研发了变容测量装置。本文利用岩石水力学、渗流力学、有限元数值模拟以及室内试验对变容压力脉冲渗透系数测量方法进行了系统的研究，内容包括理论建立、系统设计、装置制作、实验验证、误差分析、应用延伸。室内渗透实验对多孔介质材料渗透系数测量结果的影响与被测试件本身的性质、实验系统的设计、装置的构造与性能等有关。所以同一块地质材料采用不同的渗透实验方法或测量装置所测得的渗透系数值是不一样的，同一块地质材料采用同种渗透实验方法及测量装置在不同的时期所测得的渗透系数值也是不一样的。因为没有已知渗透系数的标准试件，测量结果的精度难以明确说明，渗透实验方法及装置的精度和量程难以准确标定。如果渗透系数测量数据不准确，将会导致一些工程现象难以解释，甚至显得室内渗透实验毫无意义。迫切需要建立一套标定渗透实验的统一标准。本文利用粉末冶金学、流体力学、多孔介质力学以及室内试验对多孔介质标准试件进行了系统的研究，内容包括基于标定渗透实验的标准试件概念的建立、李氏标准件的设计、制备、保存、维护及使用、渗透实验的标定方法。本文研究的核心内容如下：第一，总结了各种室内渗透系数测量方法的原理及应用，分析了各种室内渗透实验方法的优缺点。为适应多时间尺度及大量程变化且高效稳定的渗透系数测量需求，利用瞬态压力脉冲法的非稳态流特点和测量快速的优势，提出一种快速、大量程且高精度的渗透系数测量新思路。（第二章和第四章）第二，分析了瞬态压力脉冲法的理论发展及参数分析，总结了该方法采用近似解法求解渗透系数的实验设计要点及注意事项，提出变容压力脉冲法的实验系统设计及装置结构设计方案。（第三章和第四章）第三，基于瞬态压力脉冲法的理论，针对该方法在测量量程上的局限，结合实验设计要点和测量经验，成功研发了变容脉冲渗透系数测量方法及测量装置，经理论和实践证明，该方法测量速度快（测量时间＜2.5h）、测量范围广(10-7～10-1D，跨越6个数量级)、测量精度高（偏差＜5％），满足多时间尺度和大量程变化且高效稳定的测量需求。（第四章）第四，基于变容压力脉冲法的理论进行思路扩展，提出了超低渗透测量方法及装置设计思路。理论表明，该超低渗透测量方法可以测量渗透性低至10-10D的材料，如岩盐、泥岩等地质材料，同时还可以满足高孔隙压（20MPa以上）条件下的测量要求，适应多种荷载作用下的渗透测量，以模拟现场复杂地质作用下的岩石材料的渗透性变化，准确把握这些超低渗透性的地质工程材料的渗透性及其变化规律。（第四章）第五，总结了变容压力脉冲法渗透实验的13种误差源，归结为6种误差因素，采用有限元数值模拟方法，分析了变容脉冲法渗透实验过程中的6种误差因素对测量结果的误差影响程度，为优化实验操作、改进测量装置、进行误差标定提供有效参考。（第四章）第六，分析了岩石试件本身的性质、实验系统的设计、装置的结构和性能对被测岩石试件渗透系数测量精度的影响，说明单纯依靠渗透实验所测得的结果，其精度难以明确说明。提出了基于标定渗透实验的概念，提出了基于标定渗透实验的标准试件的概念和设计思路，弥补渗透测量技术领域关于精度和量程有效标定的空白。（第五章）第七，采用粉末烧结的方法，将粉末冶金学应用于多孔介质试件的制备。利用多孔介质材料各个物理性质参数之间的关系，成功设计并制备了李氏标准件，经长期渗透实验检测以及各种渗透条件下检测，表明该标准件的渗透系数稳定不变，以它们的渗透系数作为参照基准，为渗透测量领域提供有信服力的校核平台。（第五章）第八，利用李氏标准件，提出了渗透实验的标定方法，建立渗透测量技术的统一标准，渗透测量领域的校核平台。（第五章）

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 研究目标和主要工作
• 第二章 岩石室内渗透系数测量方法
• 2.1 概述
• 2.2 渗透系数的概念
• 2.3 渗透系数的影响因素
• 2.4 渗透系数的测量
• 2.5 本章小结
• 第三章 瞬态压力脉冲法
• 3.1 概述
• 3.2 瞬态压力脉冲法
• 3.3 本章小结
• 第四章 变容压力脉冲法
• 4.1 概述
• 4.2 定容脉冲法局限性
• 4.3 变容脉冲法原理
• 4.4 变容脉冲法渗透实验测量装置
• 4.5 变容脉冲法渗透实验内容及相关结论
• 4.6 变容脉冲法渗透实验误差分析
• 4.7 变容脉冲法超低渗透测量
• 4.8 本章小结
• 第五章 渗透实验的标定方法
• 5.1 概述
• 5.2 岩石试件局限性
• 5.3 标准试件的概念
• 5.4 李氏标准件
• 5.5 渗透实验的标定示例
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录1 瞬态压力脉冲法近似解公式推导
• 附录2 瞬态压力脉冲法解析解公式推导
• 在读期间发表的论文及参加的项目
• 致谢