一种岩石试样气体渗透率测试装置及测试方法与流程

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

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，以实现试验所需的密封条件；同时需要气体加压系统，以便在试样中形成压差。上述试验系统的构成复杂、操作繁琐，并且需要使用三轴油压腔和气瓶等压力容器，安全防护要求高。

因此，研发一种简单高效的岩石试样气体渗透率的测试装置及测试方法，是快速准确评价材料性能的需求，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供一种岩石试样气体渗透率测试装置及测试方法，能够有效解决气体渗透率室内试验效率低及密封系统复杂的问题。

实现本发明目的的技术方案：一种岩石试样气体渗透率测试装置，所述装置包括：密封组件、加压组件和抽气组件，密封组件与岩石试样接合，用于岩石试样的密封；加压组件与密封组件接合，用于为岩石试样施加压力；抽气组件与密封组件连接，用于为岩石试样提供负压环境。

进一步地，所述密封组件包括上压头和下压头；所述加压组件包括压力机上活塞、压力机下活塞和压力机；所述抽气组件包括真空抽气泵；上压头的下表面与岩石试样的上表面接合，下压头的上表面与岩石试样的下表面接合；压力机连接有压力机上活塞和压力机下活塞，压力机上活塞的下表面与上压头的上表面接合，压力机下活塞的上表面与下压头的下表面接合；真空抽气泵上设置有连接管，连接管的自由端与通气孔的另一端连通。

进一步地，所述密封组件还包括：上密封垫和下密封垫，上密封垫设置于岩石试样的上表面与上压头的下表面之间，下密封垫设置于岩石试样的下表面与下压头的上表面之间。

进一步地，所述抽气组件还包括：压力表和阀门，压力表和阀门依次设置于连接管上，阀门位于压力表与真空抽气泵之间。

进一步地，所述岩石试样中心轴线位置开有测量孔，测量孔贯穿岩石试样的上下表面，上压头开有通气孔，通气孔贯穿上压头的右侧面和下表面，通气孔的一端与测量孔的一端连通。

进一步地，所述上密封垫的中心位置开有中心孔，中心孔与测量孔和通气孔对齐连通。

进一步地，所述上密封垫和下密封垫为橡胶材质。

进一步地，所述上密封垫和下密封垫为圆形。

进一步地，所述上压头和下压头为圆柱形。

进一步地，所述通气孔为l型。

一种岩石试样气体渗透率测试方法，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)、钻取岩石试样的测量孔；

步骤(2)、组装岩石试样的气体渗透率测试装置；

步骤(3)、建立岩石试样的气体渗透率测试装置的负压环境；

步骤(4)、记录岩石试样的测量孔内气体压力恢复过程；

步骤(5)、计算岩石试样的气体渗透率。

进一步地，所述步骤(1)具体为：沿岩石试样中心轴线钻取测量孔，测量孔贯穿岩石试样的上下表面。

进一步地，所述步骤(2)包括：

步骤(2.1)、连接抽气组件与密封组件；

步骤(2.2)、安装加压组件和密封组件，使密封组件与岩石试样接合，加压组件与密封组件接合；

步骤(2.3)、利用加压组件为岩石试样加压，使得密封组件充分密封岩石试样的上下表面。

进一步地，所述步骤(2.1)具体为：通过连接管连接真空抽气泵与上压头。

进一步地，所述步骤(2.2)具体为：将下压头安装在压力机下活塞上；将下密封垫放置在下压头上；将岩石试样放置在下密封垫上；将上密封垫放置在岩石试样的上表面上，对齐上密封垫的中心孔和岩石试样的测量孔；将上压头放置在上密封垫上，对齐上压头的通气孔和上密封垫的中心孔；将压力机上活塞安装在上压头上。

进一步地，所述步骤(2.3)具体为：启动压力机，调整压力机上活塞和压力机下活塞的位置，为岩石试样施加压力，使得上密封垫和下密封垫充分密封岩石试样的上下表面。

进一步地，所述步骤(3)具体为：打开阀门，启动真空抽气泵，进行抽气，直至压力表的显示值达到最小气压pmin，关闭阀门，关闭真空抽气泵；同时将此时记录为时刻t0。

进一步地，所述pmin的取值为小于0.5倍的大气压patm。

进一步地，所述步骤(4)具体为：通过压力表测量测量孔内的气压，记录压力恢复过程中不同时刻t的压力表的读数p，得到p-t数据。

进一步地，所述步骤(5)具体为：根据最小二乘法原理，利用圆孔辐射流理论解拟合步骤(4)中得到的p-t数据，计算获得最终的气体渗透率k。

进一步地，所述圆孔辐射流理论解公式为：

其中，

p为岩石试样测量孔内气体压力恢复过程中的气压，单位为pa；

patm为大气压，单位为pa；

pmin为设定的最小气压，单位为pa；

t0为压力表的读数为最小气压pmin时对应的时刻，单位为s；

t为压力表的读数为p时对应的时刻，单位为s；

μ为空气的动力粘滞系数，单位为pa·s；

dh和ds分别为测量孔和岩石试样的直径，单位为m。

本发明的有益技术效果在于：本发明提供的一种岩石试样气体渗透率测试装置及测试方法结构简单，操作过程简便、效率高，不需要使用三轴测试系统施加围压，也不需要使用气体加压系统，能够有效解决气体渗透率室内试验效率低及密封系统复杂的问题。

附图说明

图1为本发明所提供的一种岩石试样气体渗透率测试装置的结构示意图；

图2为本发明所提供的一种岩石试样气体渗透率测试装置测量的测量孔气压变化过程示意图；

图3为本发明所提供的一种岩石试样气体渗透率测试装置的岩石试样及其测量孔的位置示意图。

图中：

1为岩石试样、2为上密封垫、3为下密封垫、4为上压头、5为下压头、6为压力机上活塞、7为压力机下活塞、8为测量孔、9为通气孔、10为压力表、11为阀门、12为真空抽气泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种岩石试样气体渗透率测试装置，包括：密封组件、加压组件和抽气组件，密封组件与岩石试样1接合，用于岩石试样1的密封；加压组件与密封组件接合，用于为岩石试样1施加压力；所述抽气组件与密封组件连接，用于为岩石试样1提供压力环境。

如图1所示，密封组件包括：上密封垫2、下密封垫3、上压头4和下压头5；加压组件包括：压力机上活塞6、压力机下活塞7和压力机；抽气组件包括：压力表10、阀门11和真空抽气泵12。

如图1所示，岩石试样1为圆柱形，上压头4的下表面与岩石试样1的上表面接合，岩石试样1的上表面与上压头4的下表面之间设置有上密封垫2；下压头5的上表面与岩石试样1的下表面接合，岩石试样1的下表面与下压头5的上表面之间设置有下密封垫3；上压头4和下压头5均为圆柱形，上密封垫2和下密封垫3均为圆形橡胶垫。岩石试样1中心轴线位置开有测量孔8，测量孔8贯穿岩石试样1的上下表面，上压头4开有l型通气孔9，通气孔9贯穿上压头4的右侧面和下表面，通气孔9的一端与测量孔8的一端连通；上密封垫2的中心位置开有中心孔，中心孔与测量孔8和通气孔9对齐连通。

压力机连接有压力机上活塞6和压力机下活塞7，压力机上活塞6的下表面与上压头4的上表面接合，压力机下活塞7的上表面与下压头5的下表面接合；通过压力机调整压力机上活塞6和压力机下活塞7的位置，使得压力机上活塞6与上压头4紧密接合，压力机下活塞7与下压头5紧密接合，进而为岩石试样1施加一定的压力，确保上密封垫2和下密封垫3充分密封岩石试样1的上下表面。

如图1所示，真空抽气泵12上设置有连接管，连接管的自由端与通气孔9的另一端连通。连接管上依次设置有压力表10和阀门11，阀门11位于压力表10与真空抽气泵12之间，通过真空抽气泵12及阀门11调节、控制岩石试样1的测量孔8的压力，并通过压力表10读取测量孔8的压力值。

本发明提供的采用如上所述的一种岩石试样气体渗透率测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤(1)、钻取岩石试样1的测量孔8

利用岩石加工设备沿圆柱形岩石试样1的中心轴线钻取圆形测量孔8，测量孔8贯穿岩石试样1的上下表面。

步骤(2)、组装岩石试样1的气体渗透率测试装置

通过设置于真空抽气泵12上的连接管连接上压头4的通气孔9与真空抽气泵12，关闭连接管上的阀门11。

将下压头5安装在压力机下活塞7上；将下密封垫3放置在下压头5上；将岩石试样1放置在下密封垫3上；将上密封垫2放置在岩石试样1的上表面上，对齐上密封垫2的中心孔和岩石试样1的测量孔8；将上压头4放置在上密封垫2上，对齐上压头4的通气孔9和上密封垫2的中心孔；将压力机上活塞6安装在上压头4上。

启动压力机，调整压力机上活塞6和压力机下活塞7的位置，使得压力机上活塞6与上压头4紧密接合，压力机下活塞7与下压头5紧密接合；利用压力机为岩石试样1施加一定压力，使得上密封垫2和下密封垫3充分密封岩石试样1的上下表面。

步骤(3)、建立岩石试样1的气体渗透率测试装置的负压环境

打开设置于真空抽气泵12上的连接管上的阀门11，启动真空抽气泵12，进行抽气；直至压力表10的显示值达到最小气压pmin，pmin的取值为真空抽气泵12连续抽气所能达到的最小气压，pmin的取值小于0.5倍的大气压patm；关闭阀门11，关闭真空抽气泵12；同时将此时记录为时刻t0，启动秒表记录时间。

步骤(4)、记录岩石试样1的测量孔8内气体压力恢复过程

由于岩石试样1的气体渗透，测量孔8内的气压逐渐恢复，测量孔8通过通气孔9与连接管连通，通过连接管上的压力表10测量测量孔8内的气压。

记录压力恢复过程中不同时刻t的压力表10的读数p，得到p-t数据，以t为横坐标，p为纵坐标，制作测量孔气压变化过程示意图，如图2所示。

步骤(5)、计算岩石试样1的气体渗透率

根据步骤(4)得到的p-t数据计算获得不同的气体渗透率k的初始取值，利用圆孔辐射流理论解，计算获得p-t曲线；对比计算获得的p-t曲线和步骤(4)中得到的p-t数据，根据最小二乘法原理，计算获得最优的气体渗透率k的取值，作为最终的气体渗透率k的取值。

所述圆孔辐射流理论解公式为：

其中，

p为岩石试样测量孔内气体压力恢复过程中的气压，单位为pa；

patm为大气压，单位为pa，室温条件下取为10⁵pa；

pmin为设定的最小气压，单位为pa，取值为小于0.5倍的大气压patm；

t0为压力表10的读数为最小气压pmin时对应的时刻，单位为s；

t为压力表10的读数为p时对应的时刻，单位为s；

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；

dh和ds分别为测量孔和岩石试样的直径，单位为m，如图3所示。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，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。