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　　《致密岩石渗透测试与渗流力学特性》适于水利水电、矿山、交通、环境、石油和核废料处置等行业从事岩石渗流力学和工程的科研人员使用，还可作为高等院校和科研院所相关专业研究生的教学参考书。

内容简介

　　《致密岩石渗透测试与渗流力学特性》以致密岩石的渗流力学特性为主题，介绍致密岩石渗透特性的试验测试设备、技术、方法和理论。通过开展大量典型致密岩石在不同条件下（不同围压、不同渗压、循环加卸载、渗流应力耦合等）的渗流力学特性试验，建立围压、渗压与渗透率和孔隙度之间的变化规律。通过试验论证气体在致密岩石中流动时存在滑脱效应现象。建立变形、屈服和破坏过程中致密岩石的渗流演化规律和渗透率演化概念模型。通过宏观和微观试验，探讨致密岩石的渗透破坏机制。

目　　录

序
前言
第1章　致密岩石气体渗透特性测试技术方法
　1.1　概述
　1.2　致密岩石气体渗透特性测试系统研发
　1.3　致密岩石气体渗透率测试原理与方法
　　1.3.1　准静态法测试原理与方法
　　1.3.2　气体压力脉冲法测试原理与方法
　　1.3.3　气体流量法测试原理与方法
　1.4　致密岩石有效孔隙度测试原理与方法
　　参考文献
第2章　致密岩石气体渗透特性试验研究
　2.1　概述
　2.2　致密岩石孔隙度与渗透率测试试验方案与程序

序 
前言 
第1章　致密岩石气体渗透特性测试技术方法 
　1.1　概述 
　1.2　致密岩石气体渗透特性测试系统研发 
　1.3　致密岩石气体渗透率测试原理与方法 
　　1.3.1　准静态法测试原理与方法 
　　1.3.2　气体压力脉冲法测试原理与方法 
　　1.3.3　气体流量法测试原理与方法 
　1.4　致密岩石有效孔隙度测试原理与方法 
　　参考文献 
第2章　致密岩石气体渗透特性试验研究 
　2.1　概述 
　2.2　致密岩石孔隙度与渗透率测试试验方案与程序 
　　2.2.1　渗透率测试试验(方案一) 
　　2.2.2　渗透率和孔隙度测试试验(方案二) 
　2.3　围压作用下致密岩石渗透率演化特征(方案一) 
　　2.3.1　不同围压下的渗透率变化特征 
　　2.3.2　加卸载过程对渗透率的影响 
　　2.3.3　加载过程中渗透率与围压函数关系 
　2.4　围压作用下致密岩石孔隙度与渗透率演化特征(方案二) 
　　2.4.1　不同围压下有效孔隙度与渗透率变化特征 
　　2.4.2　加载过程中渗透率与围压函数关系 
　　2.4.3　加载过程中有效孔隙度与围压函数关系 
　　2.4.4　有效孔隙度与渗透率函数关系 
　2.5　致密岩石渗透率影响因素 
　　2.5.1　微观结构排列 
　　2.5.2　微裂纹分布 
　　参考文献 
第3章　致密岩石气体渗流滑脱效应试验研究 
　3.1　概述 
　3.2　滑脱效应产生原因 
　3.3　气体滑脱效应试验方案 
　3.4　气体滑脱效应影响 
　　3.4.1　致密岩石气体流动特征 
　　3.4.2　孔隙压力对滑脱效应的影响 
　　3.4.3　气体滑脱效应对气测渗透率的贡献 
　　3.4.4　滑脱因子与绝对渗透率函数关系 
　　3.4.5　滑脱效应与克努森数 
　　参考文献 
第4章　致密岩石循环加卸载条件下渗透率演化规律试验研究 
　4.1　概述 
　4.2　试验方案和试样材料 
　4.3　循环加卸载作用下有效孔隙度随围压演化规律 
　　4.3.1　初次加卸载过程中有效孔隙度随围压变化关系 
　　4.3.2　多次循环加卸载过程中有效孔隙度与围压变化关系 
　4.4　循环加卸载作用下渗透率随围压演化规律 
　　4.4.1　初次加卸载过程中渗透率随围压变化关系 
　　4.4.2　多次循环加卸载过程中渗透率随围压变化关系 
　4.5　循环加卸载作用下渗透率与有效孔隙度变化关系 
　　4.5.1　初次加卸载过程中渗透率与有效孔隙度变化关系 
　　4.5.2　循环加卸载过程中渗透率与有效孔隙度变化关系 
　4.6　循环荷载作用下致密岩石有效孔隙度与渗透率演化影响因素 
　　参考文献 
第5章　致密岩石渗流应力耦合作用下渗流演化规律试验研究 
　5.1　概述 
　5.2　致密岩石渗流应力耦合作用下气体渗流演化规律 
　　5.2.1　试验设备与试验方法 
　　5.2.2　不同围压作用下致密岩石气体渗流规律 
　　5.2.3　不同围压作用下致密岩石气体渗流破坏特征 
　5.3　致密岩石渗流应力耦合作用下液体渗流演化规律 
　　5.3.1　试验设备 
　　5.3.2　不同围压和不同渗压条件下的试验方案及试验材料(方案一) 
　　5.3.3　不同渗压条件下的试验方案及试验材料(方案二) 
　5.4　致密岩石液体渗流演化规律(试验方案一) 
　　5.4.1　不同围压和渗压作用下的岩石应力-应变特征 
　　5.4.2　不同围压下的轴向应力-应变与渗透率变化关系 
　　5.4.3　不同围压下的体积应力-应变与渗透率变化关系 
　　5.4.4　渗压对岩石强度参数的影响 
　　5.4.5　不同围压和渗压作用下的岩石渗流破坏特征 
　5.5　致密岩石液体渗流演化规律(试验方案二) 
　　5.5.1　不同渗压作用下砂岩应力-应变特征 
　　5.5.2　不同渗压作用下砂岩渗流特征 
　　5.5.3　渗透率演化规律和概念模型 
　　5.5.4　不同渗压作用下的渗透破坏特征 
　参考文献 
附录　常见致密岩石气体渗透测试结果

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在线试读部分章节

　　第1章致密岩石气体渗透特性测试技术方法
　　1。1概述
　　致密岩石渗透特性测试是研究其渗流特性的前提。标准常规的测试岩石渗透特性的方法有液体测量法和气体测量法，两种方法都是基于达西定律，采用稳流技术(Jones et al。，1980；Zeynaly-Andabily et al。，1995；Dana et al。，1999；Davy et al。，2007)。液体稳流技术测量法的适用有一定的范围，当岩石的结构致密，液体流动速率小，通过岩样微小流量需要很长的时间才能达到稳定流速，长时间的试验过程增大了测量误差，也制约了致密岩石渗流规律以及渗流应力耦合规律的研究。1968年，Brace等首次提出了应用瞬时压力脉冲法测量Westerly花岗岩渗透率的测量方法，由于试验过程中监测的是压力而不是流量，高精度的压力测量比流量测量容易实现，同时压力可以实时测量，这一技术节约了不少试验时间，因此瞬时压力脉冲法后来被广泛应用于致密岩石渗透率的测量中(Brace，1980；Bourbie，1982；Jones，1997)。
　　西南石油学院研究和发展了这种技术，并建立了瞬时脉冲试验装置(高家碧等，1991)，所得测试结果与美国岩芯公司的常规气体渗透率测试仪的测试结果比较接近，说明了使用这一技术可测试渗透率低于10-17m2的致密岩石。为了缩短渗透试验时间，并提高测量的准确性，开发研制了定水位法、定流量法和压力脉冲法进行测量的通用渗透试验装置(Zhang et al。，2000；张铭，2003)。但这些方法的测试精度如何，其测试结果与真实值的误差有多大，一直为人们所关注，尤其是当使用液体作为渗透介质，在致密岩石中需要很长的时间才能达到稳定流速，长时间的试验过程增大了测量误差。
　　由于液体稳流测试法的种种局限和弊端，实验室和现场试验进而采用气体测试法。使用气体测试，其优点为：①使用惰性气体，渗透介质不与岩石固体骨架发生化学作用，岩石能够保持其原有的物理化学特性；②气体渗透速度快，试验时间较短，避免了长时间的试验引起泄露、温度变化等带来的测量误差；③可以直接使用达西定律来计算其流量；④在一定试验条件下，可以完成不同饱和度岩石的渗透率测定。要解决致密岩石渗透测试问题，除了需要一套适用于致密岩石渗透特性测量仪器，还需要掌握合理的测试方法和对测试结果准确性的校正，才能得到相对精确的致密岩石渗透属性(王欣，2013)。
　　1。2致密岩石气体渗透特性测试系统研发
　　致密岩石惰性气体渗透测试试验系统由河海大学岩石力学实验室与法国国家科研中心里尔力学研究所共同开发研制。试验主体装置如图1。1所示。该试验装置围压的施加范围为0~60MPa，高精度气体流量计的测量精度为10-4MPa，渗透率测量有效值可达到10-24m2。
　　图1。1致密岩石惰性气体渗透测试装置

第1章致密岩石气体渗透特性测试技术方法 
　　1。1概述 
　　致密岩石渗透特性测试是研究其渗流特性的前提。标准常规的测试岩石渗透特性的方法有液体测量法和气体测量法，两种方法都是基于达西定律，采用稳流技术(Jones et al。，1980；Zeynaly-Andabily et al。，1995；Dana et al。，1999；Davy et al。，2007)。液体稳流技术测量法的适用有一定的范围，当岩石的结构致密，液体流动速率小，通过岩样微小流量需要很长的时间才能达到稳定流速，长时间的试验过程增大了测量误差，也制约了致密岩石渗流规律以及渗流应力耦合规律的研究。1968年，Brace等首次提出了应用瞬时压力脉冲法测量Westerly花岗岩渗透率的测量方法，由于试验过程中监测的是压力而不是流量，高精度的压力测量比流量测量容易实现，同时压力可以实时测量，这一技术节约了不少试验时间，因此瞬时压力脉冲法后来被广泛应用于致密岩石渗透率的测量中(Brace，1980；Bourbie，1982；Jones，1997)。 
　　西南石油学院研究和发展了这种技术，并建立了瞬时脉冲试验装置(高家碧等，1991)，所得测试结果与美国岩芯公司的常规气体渗透率测试仪的测试结果比较接近，说明了使用这一技术可测试渗透率低于10-17m2的致密岩石。为了缩短渗透试验时间，并提高测量的准确性，开发研制了定水位法、定流量法和压力脉冲法进行测量的通用渗透试验装置(Zhang et al。，2000；张铭，2003)。但这些方法的测试精度如何，其测试结果与真实值的误差有多大，一直为人们所关注，尤其是当使用液体作为渗透介质，在致密岩石中需要很长的时间才能达到稳定流速，长时间的试验过程增大了测量误差。 
　　由于液体稳流测试法的种种局限和弊端，实验室和现场试验进而采用气体测试法。使用气体测试，其优点为：①使用惰性气体，渗透介质不与岩石固体骨架发生化学作用，岩石能够保持其原有的物理化学特性；②气体渗透速度快，试验时间较短，避免了长时间的试验引起泄露、温度变化等带来的测量误差；③可以直接使用达西定律来计算其流量；④在一定试验条件下，可以完成不同饱和度岩石的渗透率测定。要解决致密岩石渗透测试问题，除了需要一套适用于致密岩石渗透特性测量仪器，还需要掌握合理的测试方法和对测试结果准确性的校正，才能得到相对精确的致密岩石渗透属性(王欣，2013)。 
　　1。2致密岩石气体渗透特性测试系统研发 
　　致密岩石惰性气体渗透测试试验系统由河海大学岩石力学实验室与法国国家科研中心里尔力学研究所共同开发研制。试验主体装置如图1。1所示。该试验装置围压的施加范围为0~60MPa，高精度气体流量计的测量精度为10-4MPa，渗透率测量有效值可达到10-24m2。 
　　图1。1致密岩石惰性气体渗透测试装置 
　　该试验装置由七部分组成，结构示意图如图1。2所示。试验装置主要包括：围压加载系统（1）、岩样压力室（2）、气体控制面板（3、4）、气压加载系统（5）、气压传感器（6、7、8）及高精度气体压力计（见图1。3）。其中气体控制面板又由上游（4）和下游（3）压力储气罐、气体管道和阀门组成。通过调节围压加载系统（1）控制岩样所受围压。气压加载系统（5）可调节整个气体通道内的气压。 
　　图1。2致密岩石惰性气体渗透测试结构图 
　　图1。3高精度气体压力计 
　　通过调节气体控制面板控制岩样上、下端面所受气体压力，进而调节岩样所受孔隙压力。通过数据采集仪器可自动记录岩样上、下端面所受气体压力，其中上、下游气体管道内体积分别为0。2L，上、下游压力储气罐体积分别为0。5L。高精度压力计可连接至岩样压力室上游出气端，测量出气端微小的气体压力变化，其精度达1×10-4MPa。 
　　测试装置使用氩气为渗流介质，氩气为惰性气体，不与岩石固体骨架发生化学作用，使得测量值能够保持岩样原有的物理化学特性。 
　　1。3致密岩石气体渗透率测试原理与方法 
　　渗透率是多孔介质的一个重要特征参数，依据达西定律定义有 
　　Q=KAh1-h2L=kμAh1-h2L(1。1) 
　　式中，Q为多孔介质过水断面流量(m3/s)；A为多孔介质过水断面面积(m2)；h1-h2为多孔介质上下游过水断面水头(m)；L为流体渗流路径长度(m)；K为多孔介质渗透系数(m/s)；k为多孔介质渗透率(m2)；μ为流体黏度(Pa s)。 
　　在一定的压差下，岩石允许流体通过的性质称为岩石的渗透性。从数量上度量岩石渗透性的参数称作渗透率，渗透率又可以分为相对渗透率、绝对渗透率和单相渗透率。 
　　岩石中只有一种流体通过时，岩石允许该流体通过的能力称为单相渗透率。绝对渗透率是指当岩石中只有一种流体通过，且流体不与岩石发生任何物理和化学反应时，岩石允许该流体通过的能力。绝对渗透率是岩石本身具有的固有性质，它只与岩石的孔隙结构有关，与通过岩石的流体性质无关。 
　　实质上任何一种流体都会或多或少地与岩石发生物理和化学反应，绝对渗透率只是一个理论值。在实际应用中，只能选用一种与岩石反应非常少的流体的单相渗透率来近似代替绝对渗透率，通常采用气体如氩气、氮气、空气的渗透率作为绝对渗透率。试验系统使用单相流体氩气作为渗透介质，所研究的即为岩石的绝对渗透率。 
　　依据研发的致密岩石惰性气体渗透测试系统，提出三种使用气体作为渗流介质测量岩石绝对渗透率的方法，分别是准静态法、压力脉冲法、气体流量法。 
　　1。3。1准静态法测试原理与方法 
　　准静态法，即通过压力室进气端控制岩样下端面气体压力，而压力室出气端（即岩样上端面）与大气相连，待岩样上、下端面气压差形成稳态渗流后，通过记录进气端气体压力随时间的变化，推求岩试的气体渗透率。其原理示意图如图1。4所示。 
　　图1。4准静态法示意图 
　　P0。标准大气压；P。进气口气体压力；Pc。围压 
　　准静态法试验技术原理如下(王欣，2013)： 
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