本發(fā)明屬于地下洞室、采礦、地下核廢料儲(chǔ)存、水利水電等巖石工程中以節(jié)理巖體為研究對象的工程領(lǐng)域，具體是涉及一種確定含隱節(jié)理的致密巖石試驗(yàn)中產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的隱節(jié)理密度閾值的方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)液體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，孔道中心液體的流速比孔壁處液體的流速明顯高，孔壁處固液接觸面的液體速度流動(dòng)速度幾乎為零。而當(dāng)氣體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，除了氣體分子之間發(fā)生碰撞外，還有氣體分子和孔壁之間的碰撞(固氣邊界的聯(lián)結(jié)力)，當(dāng)巖石孔隙半徑接近氣體分子自由程，氣體分子和固體壁之間的碰撞頻率增加，這樣在邊壁表面就產(chǎn)生了一個(gè)多余的流量，即滑脫流。導(dǎo)致氣體測量的滲透率大于其絕對滲透率也大于液測滲透率，這種現(xiàn)象稱為滑脫效應(yīng)，又稱林肯伯格效應(yīng)(Klinkenberg effect)。由于滑脫效應(yīng)的存在，使得氣測滲透率大于試樣本身固有滲透率而不能反映試樣的真實(shí)滲透屬性。特別是在孔隙度和滲透率極低的巖石內(nèi)部，氣體平均自由程和巖石內(nèi)部平均孔隙半徑接近時(shí)，管壁處的氣體分子流動(dòng)會(huì)更快，會(huì)產(chǎn)生明顯的滑脫效應(yīng)。

目前，地下水封洞庫利用低滲透巖石的致密性來進(jìn)行石油、石油液化氣的儲(chǔ)存。此類巖石一般有整體性好、裂隙少、弱透水性等特點(diǎn)，此時(shí)的氣測滲透率的滑脫效應(yīng)亦明顯，而隨著洞室的開挖與加固巖石的圍壓亦發(fā)生變化，導(dǎo)致巖石內(nèi)部部分微裂隙擴(kuò)展，當(dāng)裂隙數(shù)量增大到一定程度時(shí)，滲透率也在顯著增加，氣滲中的滑脫效應(yīng)也會(huì)隨之減小到忽略不計(jì)。因此，研究巖石微裂紋的擴(kuò)展中，產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的隱節(jié)理密度閾值對確定氣測滲透率是否考慮滑脫效應(yīng)具有非常重要的工程意義和科學(xué)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的針對現(xiàn)有技術(shù)中由于滑脫效應(yīng)存在導(dǎo)致的氣測滲透率不能反映試樣的真實(shí)滲透的問題，提供一種確定巖石試驗(yàn)中產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的隱節(jié)理密度閾值的方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的確定巖石試驗(yàn)中產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的隱節(jié)理密度閾值的方法，包括如下步驟：

步驟1，制備不同隱節(jié)理密度的致密巖石試樣；隱節(jié)理密度具體為節(jié)理法線方向上單位長度內(nèi)的節(jié)理?xiàng)l數(shù)；

具體的，致密巖石試樣的制備方法可包括下述步驟：

步驟11，依據(jù)天然致密巖石的強(qiáng)度及滲透特性，配制水泥砂漿作為制作試樣的原料；

步驟12，將配制好的原料注入模具中，注至模具一半的位置，垂直放入用于模擬實(shí)際節(jié)理的錫片，然后繼續(xù)注入原料，直至試樣完全成形；

步驟13，養(yǎng)護(hù)、至原料固化成型，然后脫模、取出試樣養(yǎng)護(hù)，試樣制備完成。

優(yōu)選的，步驟11中，控制水泥砂漿的配比，使得配制的原料制成不含隱節(jié)理的完整樣時(shí)，完整樣的滲透率量級與實(shí)際天然巖石的滲透率量級相同。實(shí)際天然巖石的滲透率量級為10^-14m²～10^-22m²。

步驟2，從隱節(jié)理密度最低的試樣開始，測量該試樣在相同圍壓不同滲壓下的氣體滲透率，并記錄每一滲壓下壓力室的入口氣體壓力和出口氣體壓力、取兩者的平均值作為平均壓力；

具體的，試樣在相同圍壓不同滲壓下的氣體滲透率測量方法包括下述步驟：

步驟21，將試樣放入壓力室中，加圍壓至與工程實(shí)際符合；

步驟22，待圍壓穩(wěn)定后，設(shè)定不同的滲壓等級，從低到高依次測量試樣的氣體滲透率。

優(yōu)選的，利用致密巖石惰性氣體測試系統(tǒng)測試試樣的氣體滲透率。

進(jìn)一步的，不同滲壓取自0.2～2.5MPa的壓力范圍。

步驟3，繪制該試樣的氣體滲透率隨平均壓力倒數(shù)的變化曲線，并通過函數(shù)對該曲線進(jìn)行擬合；較優(yōu)的，通過二次函數(shù)對試樣的氣體滲透率隨平均壓力倒數(shù)的變化曲線進(jìn)行擬合。

步驟4，若擬合得到的相關(guān)系數(shù)大于0.90，則選擇隱節(jié)理密度大于此試樣的下一個(gè)試樣，重復(fù)步驟1～4；若相關(guān)系數(shù)小于0.90，則此試樣的隱節(jié)理密度即為產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的隱節(jié)理密度閾值。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明將滑脫效應(yīng)與隱節(jié)理密度直接聯(lián)系起來，通過測量不同隱節(jié)理密度試樣的氣體滲透率，并對其結(jié)果進(jìn)行評估，更直觀、快捷的確定出隱節(jié)理密度的閾值，從而可有效判斷實(shí)際工程中是否需要考慮氣體滲透率的滑脫效應(yīng)，為工程中預(yù)測含隱節(jié)理致密巖石的滲透率提供方法和科學(xué)依據(jù)，對實(shí)際工程有極大的運(yùn)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明確定巖石試驗(yàn)中產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的隱節(jié)理密度閾值的方法流程圖；

圖2為隱節(jié)理密度為20條時(shí)，巖樣的滲透率與平均壓力倒數(shù)的函數(shù)關(guān)系擬合曲線；

圖3為隱節(jié)理密度為40條時(shí)，巖樣的滲透率與平均壓力倒數(shù)的函數(shù)關(guān)系擬合曲線；

圖4為隱節(jié)理密度為60條時(shí)，巖樣的滲透率與平均壓力倒數(shù)的函數(shù)關(guān)系擬合曲線；

圖5為隱節(jié)理密度為80條時(shí)，巖樣的滲透率與平均壓力倒數(shù)的函數(shù)關(guān)系擬合曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的確定巖石試驗(yàn)中產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的隱節(jié)理密度閾值的方法通過運(yùn)用物模實(shí)驗(yàn)的手段，制備出不同隱節(jié)理密度的試樣模型，測出不同滲壓下試樣的氣體滲透率，再對其關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合進(jìn)而判斷是否存在滑脫效應(yīng)，反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)而確定產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的隱節(jié)理密度閾值，為工程中預(yù)測含隱節(jié)理致密巖石的滲透率提供方法和科學(xué)依據(jù)，對實(shí)際工程有極大的運(yùn)用價(jià)值。

如圖1，本發(fā)明的確定在巖樣試驗(yàn)中產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的隱節(jié)理密度閾值的方法，包括以下步驟：

步驟1，制備不同隱節(jié)理密度的致密巖石試樣；隱節(jié)理密度具體為節(jié)理法線方向上單位長度內(nèi)的節(jié)理?xiàng)l數(shù)，分別制備隱節(jié)理密度為20條、40條、60條和80條的試樣；

具體的，致密巖石試樣的制備方法包括如下步驟：

(1)選用0.1mm的錫片模擬實(shí)際隱節(jié)理，將錫片剪成邊長10mm的正方形；

(2)依據(jù)天然致密巖石砂巖的強(qiáng)度及滲透特性，配制水泥砂漿作為制作巖樣的原料，要求控制水泥砂漿的配比，使得配制的原料制成不含隱節(jié)理的完整樣時(shí)，完整樣的滲透率量級與實(shí)際天然巖石的滲透率量級(10^-14m²～10^-22m²)保持一致；

本次試驗(yàn)經(jīng)多次測量標(biāo)定，最終確定用于制備試樣原料的組分配比，其中，水泥、砂、水等的配比為1:0.5:0.35，另外加入水泥質(zhì)量0.2％的消泡劑和減水劑，依此配比作為制作試樣的原料。

(3)將原料由注射器抽取后，注射到模具中。先注射到模具內(nèi)一半的位置，根據(jù)隱節(jié)理密度垂直放入對應(yīng)數(shù)量剪好的錫片，使裂隙面與滲流方向一致；當(dāng)錫片放好后繼續(xù)注射原料至試樣完全成形，制成試樣為直徑50mm、高50mm的圓柱樣。

(4)養(yǎng)護(hù)30h，然后脫模，取出試樣養(yǎng)護(hù)，試樣制備完成。

步驟2，從隱節(jié)理密度最低的試樣開始，將試樣在致密巖石惰性氣體測試系統(tǒng)中進(jìn)行不同滲壓下的氣體滲透率測量，具體測量步驟包括：

(1)首先將隱節(jié)理密度為20條的試樣放入壓力室，加圍壓至與工程實(shí)際較符合大小，本次試驗(yàn)圍壓加至25MPa；

(2)待圍壓穩(wěn)定后，設(shè)定不同的滲壓等級，由低到高，依次測量該試樣在不同滲壓下的氣體滲透率；滲壓的具體取值可在0.2～2.5MPa的范圍內(nèi)，本次實(shí)驗(yàn)選取在滲壓0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa和1.0MPa下測試氣體滲透率；

本步驟中，測量氣體滲透率的同時(shí)，記錄每一滲壓下壓力室的入口氣體壓力P₁和出口氣體壓力P₀，設(shè)置平均壓力P_m，P_m＝(P₁+P₀)/2；

步驟3，根據(jù)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制該試樣的氣體滲透率隨平均壓力倒數(shù)的變化曲線，并用二次函數(shù)對滲透率與平均壓力倒數(shù)的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，如圖2；

步驟4，若擬合得到的相關(guān)系數(shù)大于0.90，則選擇隱節(jié)理密度大于此試樣的下一個(gè)試樣，重復(fù)步驟1～4；若擬合得到的相關(guān)系數(shù)小于0.90，則此試樣的隱節(jié)理密度即為產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的隱節(jié)理密度閾值。

通過對隱節(jié)理密度分別為20條、40條、60條、80條試樣的試驗(yàn)，擬合曲線如圖2～5，當(dāng)隱節(jié)理密度為80條時(shí)，得到的相關(guān)系數(shù)為0.86，小于0.90，因此得到該類試樣在此圍壓等級下產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的隱節(jié)理密度閾值為80條。說明小于此隱節(jié)理密度的巖石氣測滲透率需要考慮其滑脫效應(yīng)的影響，氣測滲透率需要修正，否則過高的估計(jì)了其滲透性能的大小。