确定岩石试验中产生滑脱效应的隐节理密度阈值的方法

摘要

本发明公开一种确定岩石试验中产生滑脱效应的隐节理密度阈值的方法，包括如下步骤：(1)制备不同隐节理密度的试样；(2)从隐节理密度最低的试样开始，测量该试样在相同围压不同渗压下的气体渗透率，并记录压力室的入口气体压力和出口气体压力、取两者的平均值作为平均压力；(3)绘制该试样的气体渗透率随平均压力倒数的变化曲线，通过函数对该曲线进行拟合；(4)若拟合相关系数大于0.90，则选择隐节理密度大于此试样的下一个试样，重复上述步骤；若相关系数小于0.90，则此试样的隐节理密度即为产生滑脱效应的隐节理密度阈值。本方法可将滑脱效应与隐节理密度直接联系起来，更直观、快捷的对不同隐节理密度试样气体渗透率测量结果进行评估。

说明书

技术领域

本发明属于地下洞室、采矿、地下核废料储存、水利水电等岩石工程中以节理岩体为研究对象的工程领域，具体是涉及一种确定含隐节理的致密岩石试验中产生滑脱效应的隐节理密度阈值的方法。

背景技术

当液体在多孔介质中流动时，孔道中心液体的流速比孔壁处液体的流速明显高，孔壁处固液接触面的液体速度流动速度几乎为零。而当气体在多孔介质中流动时，除了气体分子之间发生碰撞外，还有气体分子和孔壁之间的碰撞(固气边界的联结力)，当岩石孔隙半径接近气体分子自由程，气体分子和固体壁之间的碰撞频率增加，这样在边壁表面就产生了一个多余的流量，即滑脱流。导致气体测量的渗透率大于其绝对渗透率也大于液测渗透率，这种现象称为滑脱效应，又称林肯伯格效应(Klinkenberg effect)。由于滑脱效应的存在，使得气测渗透率大于试样本身固有渗透率而不能反映试样的真实渗透属性。特别是在孔隙度和渗透率极低的岩石内部，气体平均自由程和岩石内部平均孔隙半径接近时，管壁处的气体分子流动会更快，会产生明显的滑脱效应。

目前，地下水封洞库利用低渗透岩石的致密性来进行石油、石油液化气的储存。此类岩石一般有整体性好、裂隙少、弱透水性等特点，此时的气测渗透率的滑脱效应亦明显，而随着洞室的开挖与加固岩石的围压亦发生变化，导致岩石内部部分微裂隙扩展，当裂隙数量增大到一定程度时，渗透率也在显著增加，气渗中的滑脱效应也会随之减小到忽略不计。因此，研究岩石微裂纹的扩展中，产生滑脱效应的隐节理密度阈值对确定气测渗透率是否考虑滑脱效应具有非常重要的工程意义和科学意义。

发明内容

发明目的：本发明的针对现有技术中由于滑脱效应存在导致的气测渗透率不能反映试样的真实渗透的问题，提供一种确定岩石试验中产生滑脱效应的隐节理密度阈值的方法。

技术方案：本发明的确定岩石试验中产生滑脱效应的隐节理密度阈值的方法，包括如下步骤：

步骤1，制备不同隐节理密度的致密岩石试样；隐节理密度具体为节理法线方向上单位长度内的节理条数；

具体的，致密岩石试样的制备方法可包括下述步骤：

步骤11，依据天然致密岩石的强度及渗透特性，配制水泥砂浆作为制作试样的原料；

步骤12，将配制好的原料注入模具中，注至模具一半的位置，垂直放入用于模拟实际节理的锡片，然后继续注入原料，直至试样完全成形；

步骤13，养护、至原料固化成型，然后脱模、取出试样养护，试样制备完成。

优选的，步骤11中，控制水泥砂浆的配比，使得配制的原料制成不含隐节理的完整样时，完整样的渗透率量级与实际天然岩石的渗透率量级相同。实际天然岩石的渗透率量级为10^-14m²～10^-22m²。

步骤2，从隐节理密度最低的试样开始，测量该试样在相同围压不同渗压下的气体渗透率，并记录每一渗压下压力室的入口气体压力和出口气体压力、取两者的平均值作为平均压力；

具体的，试样在相同围压不同渗压下的气体渗透率测量方法包括下述步骤：

步骤21，将试样放入压力室中，加围压至与工程实际符合；

步骤22，待围压稳定后，设定不同的渗压等级，从低到高依次测量试样的气体渗透率。

优选的，利用致密岩石惰性气体测试系统测试试样的气体渗透率。

进一步的，不同渗压取自0.2～2.5MPa的压力范围。

步骤3，绘制该试样的气体渗透率随平均压力倒数的变化曲线，并通过函数对该曲线进行拟合；较优的，通过二次函数对试样的气体渗透率随平均压力倒数的变化曲线进行拟合。

步骤4，若拟合得到的相关系数大于0.90，则选择隐节理密度大于此试样的下一个试样，重复步骤1～4；若相关系数小于0.90，则此试样的隐节理密度即为产生滑脱效应的隐节理密度阈值。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：本发明将滑脱效应与隐节理密度直接联系起来，通过测量不同隐节理密度试样的气体渗透率，并对其结果进行评估，更直观、快捷的确定出隐节理密度的阈值，从而可有效判断实际工程中是否需要考虑气体渗透率的滑脱效应，为工程中预测含隐节理致密岩石的渗透率提供方法和科学依据，对实际工程有极大的运用价值。

附图说明

图1为本发明确定岩石试验中产生滑脱效应的隐节理密度阈值的方法流程图；

图2为隐节理密度为20条时，岩样的渗透率与平均压力倒数的函数关系拟合曲线；

图3为隐节理密度为40条时，岩样的渗透率与平均压力倒数的函数关系拟合曲线；

图4为隐节理密度为60条时，岩样的渗透率与平均压力倒数的函数关系拟合曲线；

图5为隐节理密度为80条时，岩样的渗透率与平均压力倒数的函数关系拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的确定岩石试验中产生滑脱效应的隐节理密度阈值的方法通过运用物模实验的手段，制备出不同隐节理密度的试样模型，测出不同渗压下试样的气体渗透率，再对其关系进行函数拟合进而判断是否存在滑脱效应，反复多次实验过程进而确定产生滑脱效应的隐节理密度阈值，为工程中预测含隐节理致密岩石的渗透率提供方法和科学依据，对实际工程有极大的运用价值。

如图1，本发明的确定在岩样试验中产生滑脱效应的隐节理密度阈值的方法，包括以下步骤：

步骤1，制备不同隐节理密度的致密岩石试样；隐节理密度具体为节理法线方向上单位长度内的节理条数，分别制备隐节理密度为20条、40条、60条和80条的试样；

具体的，致密岩石试样的制备方法包括如下步骤：

(1)选用0.1mm的锡片模拟实际隐节理，将锡片剪成边长10mm的正方形；

(2)依据天然致密岩石砂岩的强度及渗透特性，配制水泥砂浆作为制作岩样的原料，要求控制水泥砂浆的配比，使得配制的原料制成不含隐节理的完整样时，完整样的渗透率量级与实际天然岩石的渗透率量级(10^-14m²～10^-22m²)保持一致；

本次试验经多次测量标定，最终确定用于制备试样原料的组分配比，其中，水泥、砂、水等的配比为1:0.5:0.35，另外加入水泥质量0.2％的消泡剂和减水剂，依此配比作为制作试样的原料。

(3)将原料由注射器抽取后，注射到模具中。先注射到模具内一半的位置，根据隐节理密度垂直放入对应数量剪好的锡片，使裂隙面与渗流方向一致；当锡片放好后继续注射原料至试样完全成形，制成试样为直径50mm、高50mm的圆柱样。

(4)养护30h，然后脱模，取出试样养护，试样制备完成。

步骤2，从隐节理密度最低的试样开始，将试样在致密岩石惰性气体测试系统中进行不同渗压下的气体渗透率测量，具体测量步骤包括：

(1)首先将隐节理密度为20条的试样放入压力室，加围压至与工程实际较符合大小，本次试验围压加至25MPa；

(2)待围压稳定后，设定不同的渗压等级，由低到高，依次测量该试样在不同渗压下的气体渗透率；渗压的具体取值可在0.2～2.5MPa的范围内，本次实验选取在渗压0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa和1.0MPa下测试气体渗透率；

本步骤中，测量气体渗透率的同时，记录每一渗压下压力室的入口气体压力P₁和出口气体压力P₀，设置平均压力P_m，P_m＝(P₁+P₀)/2；

步骤3，根据获得的试验数据绘制该试样的气体渗透率随平均压力倒数的变化曲线，并用二次函数对渗透率与平均压力倒数的函数关系进行拟合，如图2；

步骤4，若拟合得到的相关系数大于0.90，则选择隐节理密度大于此试样的下一个试样，重复步骤1～4；若拟合得到的相关系数小于0.90，则此试样的隐节理密度即为产生滑脱效应的隐节理密度阈值。

通过对隐节理密度分别为20条、40条、60条、80条试样的试验，拟合曲线如图2～5，当隐节理密度为80条时，得到的相关系数为0.86，小于0.90，因此得到该类试样在此围压等级下产生滑脱效应的隐节理密度阈值为80条。说明小于此隐节理密度的岩石气测渗透率需要考虑其滑脱效应的影响，气测渗透率需要修正，否则过高的估计了其渗透性能的大小。