一种岩石材料气体渗透率测试装置及其测试方法与流程

本发明属于岩石材料表征技术领域，具体涉及一种岩石材料气体渗透率测试装置及其测试方法。

背景技术：

在页岩气开采、地下储气库开发以及放射性废物处置库研发等能源工程领域，硐室围岩等材料的气体渗透率是进行开采效率预测、密封性评估和安全性评价必需的核心参数。然而，目前气体渗透率的室内测试方法通常需要使用三轴测试系统施加围压，以保证试验过程的密封条件；同时需要气体加压系统，在试样中形成压差。上述方法的试验时间要求较长、试验条件复杂，并且无法实现现场测量。目前，工程现场所采用的渗透率测试方法主要为水压测试法，代价巨大、测试效率较低。因此，研发一种简单高效、便于现场应用的岩石材料气体渗透率的测试装置及测试方法，是材料性能现场快速评价的要求，对上述能源工程具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种岩石材料气体渗透率测试装置及其测试方法，解决气体渗透率室内试验效率低、代价大以及难于实现工程现场测试的问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种岩石材料气体渗透率测试装置，包括：环氧胶涂层、橡胶密封塞、金属导气头、阀门、橡胶管和手动真空抽气泵；在岩石试样的测试表面上开有测量孔，所述橡胶密封塞一端设置在测量孔内，橡胶密封塞的另一端连接有金属导气头一端，所述金属导气头另一端通过橡胶管与手动真空抽气泵连接；所述橡胶管上设置有阀门；岩石试样的测试表面还涂有环氧胶涂层。

如上所述手动真空抽气泵上还安装有气压计；所述橡胶密封塞整体为圆柱型，所述橡胶密封塞与金属导气头的连接面中心开有盲孔，所述盲孔中段内壁直径大于盲孔上、下两端内壁直径，且盲孔上、下两端孔内壁直径小于金属导气头的外径。

如上所述测量孔的直径为1cm、深度为5cm；

如上所述金属导气头中段外径尺寸大于金属导气头上、下两端外径尺寸。

一种如上所述的岩石材料气体渗透率测试装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一：钻取测试孔；

步骤二：组装测试装置；

步骤三：建立测试装置负压环境；

步骤四：记录压力恢复过程；

步骤五：计算渗透率。

如上所述步骤一：钻取测试孔，包括：利用手持式电钻在岩石试样或硐室岩壁上钻取直径为1cm、深度为5cm的圆柱形测量孔。

如上所述步骤二：组装测试装置，还包括：在橡胶密封塞与岩石试样或硐室岩壁的接触面上涂满快干环氧胶，将橡胶密封塞塞入测量孔，充分压实以便实现密封；将金属导气头塞入橡胶密封塞的中心孔内，确保密封；金属导气头与手动真空抽气泵通过橡胶管连接，并在橡胶管上安装阀门；手动真空抽气泵配有可以实时显示内部压力的气压计，将并将秒表调零用于记录测试时间。

如上所述步骤三，建立测试装置负压环境，还包括：利用手动真空抽气泵进行抽气，直至气压计的显示值达到设定的最小气压pmin，pmin取值小于0.5倍的大气压patm；停止抽气，关闭阀门，同时启动秒表记录时间。

如上所述步骤四：记录压力恢复过程，包括：记录压力恢复过程中不同时刻t的气压计的读数p，获得pv.s.t数据。

如上所述步骤五：计算渗透率包括：根据最小二乘法原理，利用圆孔辐射流理论解拟合步骤四中得到的pv.s.t数据，即可最终确定气体渗透率k；圆孔辐射流理论解为：

其中，p为t时刻的气压计读数，单位为pa；patm为大气压，单位为pa，室温条件下取为10⁵pa；pmin为关闭阀门时气压计的读数，单位为pa，pmin取值小于0.5倍的大气压patm；t-t0为对应于气压p的秒表读数；μ为空气的动力粘滞系数，单位为pa·s，室温条件下取为1.9×10^-5pa·s；dhole和dcover分别为测量孔和橡胶密封塞的直径，单位为m，且dcover/dhole>10。

本发明的有益效果是：

本发明设计的一种岩石材料气体渗透率测试装置及其测试方法，通过在岩石试样或硐室岩壁上钻取圆柱形测试孔，利用真空抽气设备在测试孔中形成负压环境；停止抽气后，记录小孔压力恢复过程；利用圆孔辐射流理论解拟合试验结果，获得岩石试样或硐室岩壁的气体渗透率。本方法测试过程简单、效率高，能够解决气体渗透率室内试验效率低、代价大以及难于实现工程现场测试的问题。

附图说明

图1为本发明设计的一种岩石材料气体渗透率测试装置结构示意图；

图2为本发明设计的一种岩石材料气体渗透率测试装置的测试孔气压变化过程示意图；

图3为本发明设计的一种岩石材料气体渗透率测试装置的测试孔和圆形橡胶密封塞的尺寸示意图。

其中：1为岩石试样、2为测量孔、3为环氧胶涂层、4为橡胶密封塞、5为金属导气头、6为阀门、7为橡胶管、8为气压计、9为手动真空抽气泵。

具体实施方式

一种岩石材料气体渗透率测试装置，包括：环氧胶涂层3、橡胶密封塞4、金属导气头5、阀门6、橡胶管7和手动真空抽气泵9；在岩石试样1测试表面上开有测量孔2，所述橡胶密封塞4一端设置在测量孔2内，橡胶密封塞4的另一端连接有金属导气头5一端，所述金属导气头5另一端通过橡胶管7与手动真空抽气泵9连接；所述橡胶管7上设置有阀门6；岩石试样1的测试表面还涂有环氧胶涂层3。

所述岩石材料气体渗透率测试装置还可安装在硐室岩壁上。

所述手动真空抽气泵9上还安装有气压计8；所述橡胶密封塞4整体为圆柱型，所述橡胶密封塞4与金属导气头5的连接面中心开有盲孔，所述盲孔中段内壁直径大于盲孔上、下两端内壁直径，且盲孔上、下两端孔内壁直径小于金属导气头5的外径。

所述测量孔2的直径为1cm、深度为5cm。

所述金属导气头5中段外径尺寸大于金属导气头5上、下两端外径尺寸。

一种如上所述的岩石材料气体渗透率测试装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一：钻取测试孔；

步骤二：组装测试装置；

步骤三：建立测试装置负压环境；

步骤四：记录压力恢复过程；

步骤五：计算渗透率。

所述步骤一：钻取测试孔，包括：利用手持式电钻在岩石试样1或硐室岩壁上钻取直径为1cm、深度为5cm的圆柱形测量孔2。

所述步骤二：组装测试装置，还包括：在橡胶密封塞4与岩石试样1或硐室岩壁的接触面上涂满快干环氧胶3，将橡胶密封塞4塞入测量孔2，充分压实以便实现密封；将金属导气头5塞入橡胶密封塞4的中心孔内，确保密封；金属导气头5与手动真空抽气泵9通过橡胶管7连接，并在橡胶管7上安装阀门6；手动真空抽气泵9配有可以实时显示内部压力的气压计8，将并将秒表调零用于记录测试时间。

所述步骤三，建立测试装置负压环境，还包括：利用手动真空抽气泵9进行抽气，直至气压计8的显示值达到设定的最小气压pmin，pmin取值小于0.5倍的大气压patm；停止抽气，关闭阀门，同时启动秒表记录时间。

所述步骤四：记录压力恢复过程，包括：记录压力恢复过程中不同时刻t的气压计8的读数p，获得pv.s.t数据。

所述步骤五：计算渗透率包括：根据最小二乘法原理，利用圆孔辐射流理论解拟合步骤四中得到的pv.s.t数据，即可最终确定气体渗透率k；圆孔辐射流理论解为：

其中，p为t时刻的气压计8读数，单位为pa；patm为大气压，单位为pa，室温条件下取为10⁵pa；pmin为关闭阀门时气压计8的读数，单位为pa，pmin取值小于0.5倍的大气压patm；t-t0为对应于气压p的秒表读数；μ为空气的动力粘滞系数，单位为pa·s，室温条件下取为1.9×10^-5pa·s；dhole和dcover分别为测量孔2和橡胶密封塞4的直径，单位为m，且dcover/dhole>10。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，上述实施例是本发明的一个优选技术方案，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。