在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法
【专利摘要】本发明公开在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，能准确获得岩石样品的透水系数和单位储水系数。具体地，本发明的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法的特征在于，对岩石样品施加轴压和围压，在上述岩石样品连接上游段和下游段，在此状态下，从目标函数的图表读取表示等高线的最小值的坐标值，并将该坐标值决定为上述岩石样品的透水系数和单位储水系数，其中上述目标函数的图表中，在横轴和纵轴分别表示利用从外部施加压力脉冲的压力脉冲衰减试验法得出的透水系数和单位储水系数。并且，本发明的特征在于，将在不同的边界条件下重复进行上述压力脉冲衰减试验而获得的目标函数的图表重叠表示，能够减少岩石样品的透水系数和单位储水系数。
【专利说明】在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在测定岩石样品的透水系数和单位储水系数时减少不确定度的方法。
【背景技术】
[0002]在开发地下水资源或石油资源时，为了防止各种填埋地的污染扩散，或者为了勘察深地层地下储藏用地的地下岩石环境，并且在进行其他各种土木施工等时，需要对地基进行勘察，尤其需要对基岩的透水性或储水性进行测定。
[0003]其中，基岩的透水性是指，通过基岩内的空隙，沿着相连接的流路产生的流体的易流动性。由于通过上述流路的流动受人力或压力差等的阻力，因此其透水性随着基岩或地层而不同。
[0004]并且，储水性是指，沿着通过基岩内的空隙来相连接的流路注入流体时，岩石对流体储藏能力的特性。如果没有施加于流体的势能或动能，流体将不会移动，保持静止状态。
[0005]一般而言，流体(代表性的是“水”)流入地下基岩层或地层(以下统称为“基岩层”)内或者从地下基岩层或地层内流出时，该流体的压力扩散主要受形成基岩的岩石或该地层的透水性或储水性的影响。
[0006]此时，岩石层的透水性或储水性是预测流体的流入/流出地点以及预测根据时间变化的流体变化(扩散)所必需的参数。
[0007]这些岩石层的透水性和储水性是在地下的自然状态下产生的，现实中我们不可能准确掌握实际透水性或储水性，一般都是通过实验室的水利试验来获取所需的数据。
[0008]测定这些透水性或储水性的方法有多种，形成岩石层的岩石致密、具有不透水性时，为了减少测定时间，多利用向测定用岩石样品施加压力脉冲的脉冲-衰减(过渡)法。
[0009]通过如上所述的实验室的水利试验，能够计算出透水系数(hydraulicconductivity)和储水系数(storage coefficient),这两个系数是表示形成目标岩石层的岩石样品的水利特性的代表性值。
[0010]其中，上述透水系数的定义为水通过的速度，S卩，通过的距离除以时间的值。该透水系数的值越小，就意味着流体(水)在地下基岩层的流动越难。
[0011]并且，上述储水系数的定义为，根据单位水头的变化，流入/流出单位面积的含水
层的水量。
[0012]另一方面,单位储水系数(Specificstorage, specific storativity)的定义为，根据含水层内的单位体积的单位水头的上升或下降，流入/流出该含水层的水量(体积)，该单位储水系数乘以含水层厚度，即可求出储水系数。
[0013]以往的脉冲-衰减法将单位储水系数假设为0，只根据透水系数测定或者逆运算压力曲线，求出透水系数和单位储水系数。
[0014]利用现有技术来求出透水系数和单位储水系数的方法存在的第一个问题就是，完全没有提示各参数具有何种程度的不确定度(uncertainty )。[0015]g卩，由于在实验室通过水利试验来测定的压力值肯定存在实验误差，因此最终求出的透水系数和单位储水系数均具有某种程度的不确定度，这是不可避免的，但由于以往的技术并未提供与此相关的数据，因此完全无法得知实验的可信度。
[0016]第二个问题是，因实验误差而产生的参数的不确定度因实验系统(上游段和下游段的大小)(上游段和下游段分别参照图1中的附图标记10和20)而异，无法获知上述参数是在何种条件下求出的。
[0017]第三个问题是，可能会出现根据水利试验的组成条件，各参数之间的不确定度相互产生影响的情况，在此情况下，不知道任一个参数的不确定度时，其他参数的不确定度也不得而知。
[0018]现有的透水系数和单位储水系数计算方法对如上所述的问题完全没有拿出解决方案。
[0019]另一方面，本发明相关的现有技术文献有以下的非专利文献(论文)。
[0020](l)Brace, ff.F., J.B.Walsh, and ff.T.Frangos, Permeability of graniteunder high pressure (花岗岩在高压下的透水性能)，J.Geophys.(《地球物理学》)Res.1968732225-2236。
[0021](2)Hsieh, P.A., J.V.Tracy, C.E.Neuzil, J.D.Bredehoeft, and S.E.Si 1 liman, Atransient laboratory method for determining the hydraulic properties of tightrocks (用于确定致密岩石的水硬性的瞬时实验方法)-1.Theory (理论I)，Int.J.RockMech.Min.Sc1.&Geomech.Abstr.198118245-252。
[0022](3) Wang, H.F., and D.J.Hart, Experimental error for permeability andspecific storage from pulse decay measurements (脉冲式衰变测量的透水性及特定存储的实验误差)，Int.J.Mech.Min.Sc1.Geomech.Abstr.199330，1173-1176。
[0023](4) Zhang, Μ., M.Takahashi, R.H.Morin, and T.Esaki, Evaluation andapplication of the transient—pulse technique for determining the hydraulicproperties of 1 ow-permeabi 1 ity rocks_Part2 (确定低透水性岩石的水硬性的瞬时脉冲技术的演变及应用-第2部分):Experimental application (实验应用)，GeotechnicalTesting Journal (《地球技术测试期刊》)2000b; 23，091-099。
【发明内容】
[0024]本发明的一个目的是，明确提示各参数具有的不确定度(uncertainty)相关数据，来提高实验的可靠度。
[0025]并且，本发明的再一个目的是，指出各参数是在何种实验条件下求出的，来明确因实验误差而导致的参数不确定度。
[0026]并且，本发明的另一个目的是，在各参数的不确定度相互产生影响时，同样明确指出各参数的不确定度。
[0027]根据旨在解决上述本发明目的的本发明一个优选实施例，在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，包括如下步骤:将岩石样品位于外罩内的套管的内部的步骤；在上述岩石样品的左右侧分别安装端塞和多孔盘来固定上述岩石样品的步骤；在上述固定的岩石样品的多孔盘的轴方向外侧分别连接上游段和下游段的步骤；在上述上游段和上述下游段分别附着测压传感器的步骤；对上述岩石样品施加轴压和围压的步骤，对位于上述套管的内部的上述岩石样品施加轴压和围压以形成封闭的压力系统；通过上述上游段，对上述封闭的压力系统的内部的上述岩石样品施加压力脉冲的步骤；以及求出透水系数和单位储水系数的步骤，通过上述压力脉冲被衰减而获得的压力脉冲的变动来求出透水系数和单位储水系数。
[0028]其中，在上述求出透水系数和单位储水系数的步骤中，从表示通过计算获得的透水系数和单位储水系数的计算值与通过上述测压传感器获得的上述压力脉冲的变动测定值之差的和/或其平均值的目标函数的图表，读取表示上述图表内的等高线的最小值的坐标值，将上述最小值作为上述岩石样品的透水系数和单位储水系数。
[0029]并且，上述套管的材质优选为橡胶。
[0030]并且，上述对岩石样品施加轴压和围压的步骤可通过向流体流入空间供给流体并施加压力的方法来实现。
[0031 ] 并且，施加围压及轴压的上述流体优选为油(oil)。
[0032]根据旨在解决上述本发明目的的本发明的再一个优选实施例，在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，包括如下步骤:将岩石样品置于外罩的内部的套管内的步骤；在上述岩石样品的左右侧分别安装端塞和多孔盘来固定上述岩石样品的步骤；将固定的上述岩石样品与上游段和下游段相连接的步骤；在上述上游段和上述下游段分别附着测压传感器的步骤；分隔设置用于调节上述上游段的大小的两个阀的步骤；对岩石样品施加轴压和围压的步骤，对位于上述套管内的上述岩石样品施加轴压和围压来形成封闭的压力系统；施加压力脉冲的步骤，通过上述上游段，对上述封闭的压力系统内的上述岩石样品施加压力脉冲；以及求出透水系数和单位储水系数的步骤，通过上述压力脉冲被衰减而获得的压力脉冲的变动来求出透水系数和单位储水系数。
[0033]其中，优选地，在上述求出透水系数和单位储水系数的步骤中，从表示通过计算获得的透水系数和单位储水系数的计算值与通过上述测压传感器获得的上述压力脉冲的变动测定值之差的和或其平均值的目标函数的图表，读取表示上述图表内的等高线的最小值的坐标值，将上述最小值决定为上述岩石样品的透水系数和单位储水系数。
[0034]并且，优选地，在上述施加压力脉冲的步骤中，分别控制上述分隔的两个阀，在上述上游段的大小得到调节的状态下，通过上述上游段施加压力脉冲。
[0035]其中，通过重叠表示出多次重复上述施加压力脉冲的步骤而获得的目标函数的图表，可减少上述岩石样品的上述透水系数和单位储水系数的不确定度。
[0036]并且，上述套管的材质优选为橡胶。
[0037]并且，上述对岩石样品施加轴压和围压的步骤可通过向流体流入空间供给流体并施加压力的方法来实现。
[0038]并且，施加围压及轴压的上述流体优选为油。
[0039]由于本发明可提示因实验误差而导致的透水系数和单位储水系数的不确定度，因此可以评价实验的可靠度。
[0040]并且，由于本发明的实验条件明确，因此可以在进行实验前实施简单的模拟演练，以此来设计出最佳的实验系统。由此，可提示各参数间的不确定度相互不产生影响的边界条件，来减少不确定度。[0041]并且，根据本发明，由于在水利试验中各参数之间的不确定度相互产生影响的情况下，也可以通过其他实验来限制各参数中一个参数的不确定度，因此可以获得更加准确的水利试验结果。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1是为了测定岩石样品的透水系数和单位储水系数而在本发明的压力脉冲-衰减试验中使用的三轴-岩芯夹持装置的简要剖视图。
[0043]图2是同时表示目标函数的图表和相关测定误差(Error)的图，其中测定误差表示与压力脉冲大小的比例。
[0044]图3是同时表示相互产生影响的目标函数的图表和相关测定误差的图。
[0045]图4是表示将总共经过三次水利试验获得的各个目标函数重叠时的目标函数的图表中的透水系数和单位储水系数的不确定度的图。
[0046]附图标记的说明
[0047]500:三轴-岩芯夹持装置
[0048]2:上侧部夹持器维持部2’:下侧部夹持器维持部
[0049]4:外罩6:0型密封圈
[0050]8:上侧部夹持器8’:下侧部夹持器
[0051]10:上游段20:下游段
[0052]12:上侧部端塞22:下侧部端塞
[0053]30，35:多孔盘40:套管
[0054]50:本体部流体供给口 60:上侧部流体供给口
[0055]70:下游侧测压器80上游侧测压器
[0056]90、95:阀100:岩石样品
[0057]P:压力脉冲a、b:(流体流入)空间
【具体实施方式】
[0058]以下参照附图详细说明的实施例会让本发明的优点和特征以及实现这些优点和特征的方法更加明确。但是，本发明不局限于以下所公开的实施例，能够以互不相同的各种方式实施，本实施例只用于使本发明的公开内容更加完整，有助于本发明所属【技术领域】的普通技术人员完整地理解本发明的范畴，本发明根据权利要求书的范畴而定义。
[0059]以下，参照附图，对本发明的优选实施例的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法进行详细说明。
[0060]首先，对本发明的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法所使用的水利试验设备的结构进行说明。
[0061]图1是三轴-岩芯夹持装置的简要剖视图。
[0062]上述三轴-岩芯夹持装置500大分为上部、本体部及下部。在图中，左侧部分表示下部，右侧部分表示上部。
[0063]本发明的压力脉冲衰减试验中使用的岩石样品100位于装置500外罩4的套管40的内部，如图1所示，优选地 ，套管40以两侧稍微拉开的气缸形态形成。[0064]上述套管40的材质优选为橡胶，但如果在施加后述的围压(confiningpressure)时，只要是该围压可以适当地传达到岩石样品100的结构，就可以使用其他材料。
[0065]上述岩石样品100在本体部的套管40内部，依次被按上下部轴方向配置的上侧部端塞(end plug) 12和下侧部端塞22第一次固定；在上侧部端塞12和下侧部端塞22的上下部轴方向外侧，被多孔盘30、35第二次固定；在该多孔盘30、35的上下部轴方向外侧，被上侧部夹持器8和下侧部夹持器8’最终固定。
[0066]其中，上下部轴方向分别意味着图中的右侧及左侧方向。
[0067]并且，考虑到因流体而导致的腐蚀或耐久性问题，上侧部端塞12和下侧部端塞22的材质优选为不锈钢。
[0068]在三轴-岩芯夹持装置500的上部，相隔规定间距形成有从外部传达压力脉冲P的上游段10、用于测定上述上游段10的内部的压力脉冲P的上游侧测压器80、用于调节(控制)上述上游段10的大小的两个阀90、95。
[0069]并且，在装置的上部，分别形成有上侧部夹持器8、上侧部夹持器维持部2、上侧部流体供给口 60，上述上侧部夹持器8在上侧部端塞12的轴方向外侧，重新固定用于固定本体部内的岩石样品100的外侧的多孔盘35的上侧部端塞12，上述上侧部流体供给口 60围绕上述上侧部夹持器8，上述上侧部流体供给口 60与上侧部夹持器8和上侧部夹持器维持部2之间的空间b相连接。
[0070]其中，上游段10和下游段20的位置可倒置，上述两个阀90、95可调节下游段20的大小，而不是调节上游段10的大小。
[0071]为了向三轴-岩芯夹持装置500施加轴压(axial pressure),可将岩石样品100位于本体部之后,通过上述上侧部流体供给口 60，向流体流入空间b供给具有规定粘度的流体，该流体优选为油，在供给的油压作用下，上述上侧部夹持器8可向图中的左侧方向被推开的同时向岩石样品100施加所需的轴压。
[0072]此时，优选地，在上述上侧部流体供给口 60的外部形成有能够对油进行加压来供给的油加压部(未图示)。
[0073]本发明的三轴-岩芯夹持装置500的本体部中配置有:套管40，内部置有岩石样品100 ;多孔盘30、35，在上述套管40的内部用于从两侧支撑上述岩石样品100 ;上侧部端塞12和下侧部端塞22，分别支撑上述多孔盘30、35 ;流体流入空间a，位于上述套管40的外侧；以及本体部流体供给口 50、50，向上述流体流入空间a供给流体来赋予围压。
[0074]其中，优选地，用于形成上述围压的流体为与用于形成轴压的具有规定粘度的油相同的油。优选地，如同上侧部流体供给口 60—样，其外侧形成有油加压部(未图示)。
[0075]本发明的三轴-岩芯夹持装置500的下部配置有:下游段20，具有与上部侧的上游段10相对应的结构；下游侧测压器70，附着于上述下游段20的下侧部的端部，用于测定三轴-岩芯夹持装置500内的压力；下侧部夹持器8’，用于固定并维持形成于岩石样品100的下部的轴方向外侧的下侧部端塞22 ;以及下侧部夹持器维持部2’，围绕下侧部夹持器8，。
[0076]值得注意的是，就三轴-岩芯夹持装置500的上部而言，在上侧部夹持器8和上侧部夹持器维持部2之间形成有连通的流体流入空间b，就三轴-岩芯夹持装置500的下部而言，在下侧部夹持器8’和下侧部夹持器维持部2’之间并没有形成有连通空间。
[0077]另一方面，优选地，上述三轴-岩芯夹持装置500的上侧部夹持器8和上侧部夹持器维持部2之间、上侧部夹持器维持部2和外罩4之间以及外罩4和下侧部夹持器维持部2’之间设置有适当数量的流体密封用0型密封圈(o-ring) 6、6、6、6。
[0078]并且，优选地，上侧部夹持器维持部2和外罩4、外罩4和下侧部夹持器维持部2’以及下侧部夹持器8’和下侧部夹持器维持部2’分别进行螺丝结合。尤其是，下侧部夹持器8’和下侧部夹持器维持部2’的螺丝结合执行适当调节施加于岩石样品100的流体的轴压的功能。
[0079]即，如上所述，将岩石样品100位于套管40的内部，安装完三轴-岩芯夹持装置500之后，从上侧部流体供给口 60供给流体，以此可形成规定的轴压，但为了形成所需的轴压，最终可通过下侧部夹持器8’和下侧部夹持器维持部2’之间的螺丝结合来进行调节。
[0080]其次，对向本发明的三轴-岩芯夹持装置500赋予围压(confining pressure)的结构进行说明。
[0081]将岩石样品100位于套管40的内部，安装完三轴-岩芯夹持装置500之后，通过本体部流体供给口 50、50供给流体，如此供给的流体在气缸形状的套管40的同心圆方向的外侧向套管40实施加压，并向岩石样品100供给最终的围压。
[0082]其中，优选地，围压和轴压的形成顺序几乎同时进行。
[0083]并且，优选地，用于形成上述围压的流体为与用于形成轴压的具有规定粘度的油相同的油。优选地，如 同上侧部流体供给口 60—样，其外侧形成有油加压部(未图示)。
[0084]如上所示，以下参照在图1所示的三轴-岩芯夹持装置500固定岩石样品100的结构，对本发明的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法进行说明。
[0085]在三轴-岩芯夹持装置500固定岩石样品100之后，在岩石样品100的上游侧和下游侧的两侧分别连接上游段10和下游段20，将上述上游段10与泵(未图示)相连接，来施加压力脉冲P。
[0086]接着，如上所述，向岩石样品100施加轴压和围压，来形成封闭的压力系统，并向上游段10施加由上述泵生成的压力脉冲P。
[0087]随着时间的经过，上游段10和下游段20的压力脉冲将出现变化(衰减)，通过上游侧测压器80和下游侧测压器70来得出表示脉冲的压力变化的曲线之后，对其进行逆运算，来求出岩石样品100的透水系数和单位储水系数。
[0088]岩石样品100的透水系数和单位储水系数不是通过压力变化曲线来直接测定的，而是利用测定值和理论值的曲线拟合(curve fitting)法来求出，测定值和计算值的差异最小时，将预测的两个参数定为该岩石样品100的参数。
[0089]上游段和下游段的压力(pu和pd)的理论性变化曲线可依据以下数学式1来得出。
[0090]数学式1
【权利要求】
1.一种在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，包括如下步骤:将岩石样品置于外罩内的套管的内部的步骤；在所述岩石样品的左右侧分别安装端塞和多孔盘来固定所述岩石样品的步骤；在固定的所述岩石样品的多孔盘的轴方向外侧分别连接上游段和下游段的步骤；在所述上游段和所述下游段分别附着测压传感器的步骤；对所述岩石样品施加轴压和围压的步骤，对位于所述套管的内部的所述岩石样品施加轴压和围压以形成封闭的压力系统；通过所述上游段，对所述封闭的压力系统的内部的所述岩石样品施加压力脉冲的步骤；以及求出透水系数和单位储水系数的步骤，通过所述压力脉冲被衰减而获得的压力脉冲的变动来求出透水系数和单位储水系数。
2.根据权利要求1所述的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，在所述求出透水系数和单位储水系数的步骤中，从表示通过计算获得的透水系数和单位储水系数的计算值与通过所述测压传感器获得的所述压力脉冲的变动测定值之差的和/或其平均值的目标函数的图表，读取表示所述图表内的等高线的最小值的坐标值，将所述最小值决定为所述岩石样品的透水系数和单位储水系数。
3.根据权利要求1所述的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，所述套管的材质为橡胶。
4.根据权利要求1所述`的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，在所述对岩石样品施加轴压和围压的步骤中，向流体流入空间供给流体并施加压力。
5.根据权利要求4所述的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，所述流体为油。
6.一种在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，包括如下步骤:将岩石样品置于外罩的内部的套管内的步骤；在所述岩石样品的左右侧分别安装端塞和多孔盘来固定所述岩石样品的步骤；将固定的所述岩石样品与上游段和下游段相连接的步骤；在所述上游段和所述下游段分别附着测压传感器的步骤；分隔设置用于调节所述上游段的大小的两个阀的步骤；对所述岩石样品施加轴压和围压的步骤，对位于所述套管内的所述岩石样品施加轴压和围压来形成封闭的压力系统；施加压力脉冲的步骤，通过所述上游段，对所述封闭的压力系统内的所述岩石样品施加压力脉冲；以及求出透水系数和单位储水系数的步骤，通过所述压力脉冲被衰减而获得的压力脉冲的变动来求出透水系数和单位储水系数。
7.根据权利要求6所述的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，在所述求出透水系数和单位储水系数的步骤中，从表示通过计算获得的透水系数和单位储水系数的计算值与通过所述测压传感器获得的所述压力脉冲的变动测定值之差的和/或其平均值的目标函数的图表，读取表示所述图表内的等高线的最小值的坐标值，将所述最小值决定为所述岩石样品的透水系数和单位储水系数。
8.根据权利要求6所述的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，所述套管的材质为橡胶。
9.根据权利要求6所述的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，所述施加压力脉冲的步骤中，分别控制所述分隔的两个阀，在所述上游段的大小得到调节的状态下，通过所述上游段施加压力脉冲。
10.根据权利要求9所述的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，通过重叠表示出多次重复所述施加压力脉冲的步骤而获得的目标函数的图表，减少所述岩石样品的所述透水系数和单位储水系数的不确定度。
11.根据权利要求6所述的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，在所述对岩石样品施加轴压和围压的步骤中，向流体流入空间供给流体来施加压力。
12.根据权利要求11所述的在压力脉冲衰减试验中减少不确定度的方法，其特征在于，所述流体为油。
【文档编号】G01N33/24GK103674801SQ201310410037
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2012年9月11日
【发明者】宋寅先, 金正赞 申请人:韩国地质资源研究院