一种可视化岩石裂隙渗流-溶蚀耦合作用机理装置及方法

本发明属于粗糙岩石裂隙渗流-溶蚀耦合作用机理研究领域，特别涉及一种可视化岩石裂隙渗流-溶蚀耦合作用机理装置及方法。

背景技术：

1、地壳中分布由大量的盐岩和石灰岩矿层，这些岩层分布从地表到地下几千米不等，盐岩矿中nacl含量通常较高，故可通过把水注入地下盐岩中使盐岩溶解然后把溶解的卤水抽出，最终可在盐岩矿层中形成很大的溶腔，盐岩矿层的溶腔现在已被广泛应用于石油和天然气储存及废弃物存放；同时，石灰岩矿层，由于石灰岩在一定条件下可以与溶有co2的水发生反应，因此可以将溶有co2的水注入石灰岩中，在石灰岩矿层中建造溶腔，这些溶腔通常都深埋于地下，处于地下较高的温度和较高压力环境，其溶解和渗流的耦合机制往往引起围岩应力的大幅改变，因此探究溶解渗流耦合机理十分重要。

2、岩石的渗透率和孔隙率将会因为溶解或沉淀等化学反应发生变化，因此在岩溶地区，流场、化学场同时影响这个岩石的裂隙特征和其内流体的渗流特征，流体主要沿裂隙通道流动，在该过程中，可与裂缝壁处的可溶性矿物发生溶解反应，矿物溶解一方面引起了溶液的化学组分和物理性质发生变化，另一方面也会引起岩石的裂隙开度和渗透率孔隙率发生变化，进一步影响渗流的形态；同时，流场的变化又会引起溶液的浓度发生变化，对进一步的溶解反应又会产生影响，因此对渗流-溶解的耦合作用机理复杂且有必要深入研究，为更加准确的预测岩溶地区的工程安全性提供保障。

3、而现有技术中关于渗流-溶解的耦合作用机理的研究存在无法直接观测到渗流-溶蚀耦合作用在岩石裂隙内部的流态，以及开度变化和“虫洞形成”捕获过程的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可视化岩石裂隙渗流-溶蚀耦合作用机理装置及方法，能够直接观测到渗流-溶蚀耦合作用在岩石裂隙内部的流态，以及开度变化和“虫洞形成”捕获的过程。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种可视化岩石裂隙渗流溶蚀耦合作用机理装置，包括流体控制系统、可视化可控开度岩体裂隙过流系统、光学监测系统、力学监测系统和数据采集分析系统；

4、所述可视化可控开度岩体裂隙过流系统包括升降支撑装置和设置于升降支撑装置内且相叠设置的透明nacl晶体盘和透明节理过流盘，所述透明nacl晶体盘和有透明节理过流盘相接侧均设置有相互吻合的裂缝；

5、所述透明nacl晶体盘和透明节理过流盘之间接入所述流体控制系统和力学监测系统，上下侧设置所述光学与力学监测系统，所述流体控制系统、光学监测系统和力学监测系统接入数据采集分析系统。

6、进一步的，所述升降支撑装置包括水平底座和竖直设置于水平底座上的竖杆，以及水平设置于竖杆上的第一可调支架和第二可调支架，所述第一可调支架和其竖直向投影于水平底座的区域设置有光学监测系统；

7、所述第二可调支架上设置有开度控制装置，所述开度控制装置内部设置有透明nacl晶体盘和透明节理过流盘。

8、进一步的，所述开度控制装置包括竖直设置于第二可调支架上的纵向升降装置，以及水平设置的透明承托下盘，所述纵向升降装置水平向设置有升降杆，所述升降杆底部设置有透明抵押上盘；

9、所述透明承托下盘内嵌合有透明节理过流盘，所述透明抵押上盘底部固定嵌合有透明nacl晶体盘；

10、所述透明承托下盘和透明抵押上盘边缘和贯穿设置有多个固定压紧螺栓。

11、进一步的，所述透明承托下盘和透明节理过流盘均设置有同轴注水螺纹通孔，所述透明承托下盘上侧竖直设置有限位环，所述透明节理过流盘卡接于限位环内，且所述透明节理过流盘边缘高度均大于限位环的高度，所述限位环外侧的透明承托下盘的表面为导水斜面。

12、进一步的，所述流体控制系统包括第一注射源和第二注射源，以及废液回收装置，所述第一注射源和第二注射源经第二多通阀接入可视化可控开度岩体裂隙过流系统，所述废液回收装置连接于可视化可控开度岩体裂隙过流系统的排液端。

13、进一步的，所述第一注射源包括第一蠕动泵和与第一蠕动泵连接的第一多通阀，所述第一多通阀还分别连接有溶液源、溶质源和第二多通阀；

14、所述第二注射源包括连接第二多通阀的第二蠕动泵，以及被驱替相流体源；

15、所述废液回收装置包括沿可视化可控开度岩体裂隙过流系统排液端依次设置的出液流量传感器、二通阀和废液回瓶，所述二通阀还依次连接有离子分析仪和数据采集分析系统。

16、进一步的，所述光学监测系统包括设置于升降支撑装置上的图像采集装置和平板光源，所述图像采集装置和平板光源之间为透明nacl晶体盘和透明节理过流盘。

17、进一步的，所述可视化可控开度岩体裂隙过流系统还包括照射于透明nacl晶体盘和透明节理过流盘四周的遮光罩。

18、进一步的，所述力学监测系统包括设置于可视化可控开度岩体裂隙过流系统上且采集端抵接透明nacl晶体盘的压力测试传感器；

19、还包括设置于流体控制系统输出端的流体压力传感器。

20、一种可视化岩石裂隙渗流溶蚀耦合作用机理装置的使用方法，包括以下步骤：

21、经升降支撑装置将透明nacl晶体盘和透明节理过流盘调节到预设开度；

22、经流体控制系统向透明nacl晶体盘和透明节理过流盘之间以固定流速注满被驱替相流体；

23、开启光学监测系统和力学监测系统，经流体控制系统向充满被驱替相流体的透明nacl晶体盘和透明节理过流盘之间注入预设体积的入侵相流体，光学监测系统和力学监测系统实时采集图像和压力数据，并传递至数据采集分析系统记录。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

25、本发明提供一种可视化岩石裂隙渗流-溶蚀耦合作用机理装置，包括流体控制系统、可视化可控开度岩体裂隙过流系统、光学监测系统、力学监测系统和数据采集分析系统；所述可视化可控开度岩体裂隙过流系统包括升降支撑装置和设置于升降支撑装置内且相叠设置的透明nacl晶体盘和透明节理过流盘，所述透明nacl晶体盘和有透明节理过流盘相接侧均设置有相互吻合的裂缝；所述透明nacl晶体盘和透明节理过流盘之间接入所述流体控制系统和力学监测系统，上下侧设置所述光学与力学监测系统，所述流体控制系统、光学监测系统和力学监测系统接入数据采集分析系统；本技术基于相叠的透明nacl晶体盘和透明节理过流盘具有高透特性以及类真实节理面的粗糙特性，配合流体控制系统、光学监测系统、力学监测系统和数据采集分析系统能够可视化的重复多次模拟渗流-溶蚀的过程，且结构简单，操作方便。

26、本发明提供一种可视化岩石裂隙渗流-溶蚀耦合作用机理装置的使用方法，包括以下步骤：经升降支撑装置将透明nacl晶体盘和透明节理过流盘调节到预设开度；经流体控制系统向透明nacl晶体盘和透明节理过流盘之间以固定流速注满被驱替相流体；开启光学监测系统和力学监测系统，经流体控制系统向充满被驱替相流体的透明nacl晶体盘和透明节理过流盘之间注入预设体积的入侵相流体，光学监测系统和力学监测系统实时采集图像和压力数据，并传递至数据采集分析系统记录；本方法操作简单，能够完成高相似性的仿粗糙节理岩石裂隙渗流-溶蚀耦合反应过程实验，同时对水流在节理内流动的全过程及裂隙开度变化的全过程进行实时直接的观察与监测。