低渗透岩石实验理论及装置

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1、第22卷第6期岩石力学与工程学报22(6)：919～9252003年6月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJune，2003低渗透岩石实验理论及装置张铭(产业技术综合研究所深部地质环境研究中心筑波305-8567日本)摘要为了快速准确地测定低渗透岩石的渗透系数，推导了各种渗透实验的解析解。设计开发了高精度通用渗透实验装置。该装置可在高围压及高孔隙水压力条件下采用定水位法、定流量法或压力脉冲法测试岩石的渗透系数。实验结果证实了理论解及实验装置的有效性。关键词岩石力

2、学，实验研究，低渗透岩石，解析解，实验装置分类号TU451文献标识码A文章编号1000-6915(2003)06-0919-07THEORYANDAPPARATUSFORTESTINGLOW-PERMEABILITYOFROCKSINLABORATORYZhangMing(ResearchCenterforDeepGeologicalEnvironments，AIST，Tsukuba305-8567Japan)AbstractInordertodeterminethelowpermeabilityofrocksb

3、othrapidlyandreliablyinlaboratory，therigor-ousanalyticalsolutionsforvariouskindsoflaboratorypermeabilitytestsarederived.Aversatilelaboratoryper-meabilitytestingsystemisalsodeveloped.Thissystemcanimplementconstant-head，constantflow-rateandtransient-pulsepermea

4、bilitytestsofspecimenunderhighconfiningandporepressures.Testingresultsdemonstratetheeffectivenessofboththerigorousanalyticalsolutionsandthetestingapparatus.Keywordsrockmechanics，testingstudy，low-permeabilityrocks，analyticalsolutions，testingapparatus必须模拟这种状态。1

5、前言按照实验原理，室内渗透实验方法可分为两大类：一类是在试件的两端施加一定或变化的水压低渗透地质媒体的水力学特性与逆掩断层的形差，通过测量渗透流量来计算试件的渗透系数，传成、地震的发生、地震波的传播以及地下异常水压统的定水位和变水位法即属于此类；另一类是向试的形成等地质过程直接关联。低渗透岩层的水力学件的一端以一定的流量注水或直接施加压力脉冲，研究对低渗透砂岩油田及天然气开发、核废弃物的通过测量试件两端间压力差随时间的变化来计算试地下埋储、各种地下储藏、地下扬水发电、压缩空件的渗透系数。20世纪60年代，文[16

6、，17]先后气地下储能以及温室气体的地下储留等领域都具有提议的定流量法以及压力脉冲法即属于此类。实验[1～15]非常重要的意义。中压力可实时测量，而流量则需要时间积分，这一一般来说，地下深处的岩石处于高地应力及高特性使得后一类实验方法比前一类方法节省不少实孔隙水压力状态，其中的水力梯度也很小。因此，验时间，但在测试低渗透试件时仍然需要较长时在实验室测定、评价地下深处岩石的水力学特性时间。根据试件的渗透性、储水性、试件尺寸及实验2002年7月3日收到初稿，2002年11月2日收到修改稿。作者张铭简介：男，1965年

7、生，1986年毕业于中国矿业大学，1989年获该校硕士学位，1996年获日本九州大学博士学位，现为日本产业技术综合研究所深部地质环境研究中心主任研究员，主要从事岩石力学、地下水动力学、环境工程地质及核废弃物地下埋储等方面的理论、实验和决策研究。•920•岩石力学与工程学报2003年装置本身的压缩储水性能的大小，实验时间可短至义见表1附注。几分钟，几小时；长则几天乃至几十天。表1汇总了定水位、定流量以及压力脉冲渗透为了有效地规划各种室内渗透实验，缩短渗透实验法的示意图、各实验的初始条件和边界条件。实验时间，并提高测

8、量的准确性，笔者等人对室内渗透实验的解析解可通过上述本构方程、实验的初[18～20][18～20，22，23]渗透实验进行了系统的研究，推导了有关实始及边界条件联合求解，并汇总于表2。验的理论解。在此基础上开发研制出一种可以在高为比较起见，各实验的稳定流状态下的简易解也列[16，17]围压、高孔隙水压力和相对小的水力梯度条件下采于此表。倘若将各解析解再对变量z进行微用定水