裂隙表面粗糙度的表征方法和渗流试验系统及试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种裂隙表面粗糙度的表征方法和渗流试验系统及试验方法，该表征方法将粗糙轮廓线微段的高差、斜率作为判断标准，将对渗流过程中压力降影响不大的线段忽略，并结合轮廓峰密度、分形计盒维数等多种参数对粗糙度φ1、φ2进行描述，将其应用到非达西流区域公式中时，无论数学形式还是物理意义上都能够保持一致；通过新的表征方法和公式的建立，使得非达西系数β和裂隙粗糙特性建立联系，该方法突出了沿水流方向的粗糙特性对流体流动过程中压力降的影响；通过对渗流试验系统的特别设计，可以准确测量隙宽变化，结合预制的不同裂隙面，可以研究无量纲量AD、BD与粗糙度参数φ1、φ2的具体函数形式及变化规律。

Characterization Method of Surface Roughness of Fractures and Test System and Method of Seepage Flow

The invention discloses a characterization method of fracture surface roughness and a seepage test system and a test method. The characterization method takes the height difference and slope of the rough contour micro-segment as the criterion of judgment, ignores the line segments which have little influence on the pressure drop in the seepage process, and describes the roughness 1 and 2 by combining the contour peak density, fractal box counting dimension and other parameters, and applies them to engineering. In the formula of non-Darcy flow region, it can be consistent in both mathematical and physical forms; through the establishment of new characterization methods and formulas, the non-Darcy coefficient beta is linked with the roughness of cracks, which highlights the influence of roughness along the flow direction on pressure drop in the process of fluid flow; through the special design of seepage test system, it can be accurate. By measuring the variation of fracture width and combining with different prefabricated fracture surfaces, we can study the specific function forms and variation rules of dimensionless AD, BD and roughness parameters 1 and 2.

【技术实现步骤摘要】
裂隙表面粗糙度的表征方法和渗流试验系统及试验方法
本专利技术涉及一种裂隙表面粗糙度的表征方法和渗流试验系统及试验方法，属于渗流研究领域。
技术介绍
裂隙岩体中的流体动量传输在大量工程现场应用普遍，包括矿山地热工作、地下隧道、地热能量提取、油气开采、污染物封存等，针对工程问题提取出的离散裂隙网络模型(DFN模型)普遍应用在渗流研究中，其中的单裂隙渗流是研究基础。单裂隙中水的流动过程满足N-S方程，对条件进行简化后得到达西流区域的关系，即通过平滑平板裂隙的流量Q与隙宽b的立方成正比，如下式所示：上式中，Q为渗流流量，m3/s；w为过流面宽度，m；b为裂隙的机械隙宽，m；μ为流体的动力黏度，Pa·s；为裂隙两端的压力梯度，Pa/m。其中AD值为f(12φ1)，φ1为代表粗糙度的一个无量纲数，当裂隙面完全光滑时，φ1＝1，当裂隙面粗糙时，φ1＞1。在水力、隧道、石油开采等一系列实际工程建设的渗流特性分析中，越来越多的试验资料和监测资料证实了很多偏离达西渗流规律现象的存在，即渗流速度和水力坡降不呈线性关系，目前对于这种非线性出现的主要原因归结为：①由于裂隙粗糙流线迂曲，当水的流量增大时，由于水流速度和方向的变化，惯性力不可忽略。②紊流过程中形成的涡流导致能量耗散，这种条件下导致的压力降更大。③粗糙面导致流动的水阻增大。可见，裂隙面的粗糙特性对单裂隙渗流过程有重要影响，国内外用Forchheimer公式来描述非达西流区域的流量Q和压力降之间的关系，在此基础上进行无量纲化，如下式所示：其中BD/b＝β，β为非达西系数，m-1，BD为一个代表裂隙粗糙度的一个无量纲数，更偏向反映流体渗流过程中的压力非线性损失。从以上的各公式可以看出，无论流体在达西流阶段或非达西流阶段，裂隙表面的粗糙特性都对流体状态的描述有重要影响，而由于裂隙粗糙面形状复杂，国内外大多用统计学方法或分形几何方法对其描述，但这些研究结果偏差较大。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种能够表征出表面裂隙粗糙度对非达西渗流的影响情况的裂隙表面粗糙度的表征方法，本专利技术还提供了用于研究裂隙表面粗糙度的渗流试验系统及试验方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种裂隙表面粗糙度的表征方法，首先取一段随机生成的具有平直基准线的粗糙曲线，该粗糙曲线由等间距的N个点组成，各个点的横坐标为xi，纵坐标为zi(1≤i≤N)，建立无量纲数AD、BD与粗糙度之间关系：AD＝f(12φ1)BD＝f(φ2)，式中，φ1、φ2为粗糙度，φ1反映曲线整体的粗糙特性，代表了粗糙特性对Forchheimer公式线性部分的影响，φ2反映曲线沿水流方向的粗糙性对水流压力降的影响，代表了粗糙特性对Forchheimer公式非线性部分的影响，φ1、φ2表达式如下：φ1＝DB其中，DB为粗糙曲线的分形计盒维数，l为粗糙曲线的基准线的长度，Sm为轮廓微观不平度的平均间距，轮廓微观不平度间距是含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段基准线长度，则l/Sm是粗糙曲线上轮廓峰的密度；M指粗糙曲线包括的所有线段；m为同时满足下列条件的线段数量，条件包括：①判断每一段的斜率，其中，Z2为表面轮廓线一次导数均方根，按下式求得：其中，N为该粗糙曲线包含的点数；②判断每一段的高差，zi到中线距离+zi+1到中线距离＜2Ra其中，Ra为轮廓的算术平均偏差，即每个点到基准线的距离的算术平均值，满足上述①和②条件的线段数为m；综上，单裂隙水渗流过程中非达西流阶段的Forchheimer公式可以表达为公式(1)：即：本专利技术还公开了用于上述裂隙表面粗糙度表征的渗流试验系统，包括夹持器，所述夹持器包括套筒，所述套筒中与其同轴设有胶套，套筒内壁与胶套外壁之间设有围压腔，且套筒外设有围压加载装置；一入口假岩芯和一入口堵头依次从夹持器的入口侧塞入胶套中，且夹持器的入口侧设有入口端盖，一出口假岩芯和一出口堵头依次从夹持器的出口侧塞入胶套中，所述入口假岩芯和出口假岩芯沿各自中轴线分别设有水流通道，且入口假岩芯和出口假岩芯彼此相对的侧面上各自从中心沿径向发散设有多个渗流槽；所述入口堵头中沿其中轴线设有水流通孔，水流通孔通过入口管路连通至外部的恒流恒压泵，入口管路上设有三通阀Ⅰ，三通阀Ⅰ的分支口上设有入口压力表；所述入口假岩芯、出口假岩芯、胶套围成的空腔中设有单裂隙试样，所述出口堵头中沿其中轴线设有水流引出孔，水流引出孔露出出口堵头的一端通过出口管路连接至一出水流量计，所述出口管路上设有三通阀Ⅱ和背压阀；三通阀Ⅱ的分支口上设有出口压力表，所述套筒外部设有隙宽测量装置，所述隙宽测量装置的探头垂直于裂隙面穿过套筒和胶套并顶住单裂隙试样的外壁。上述围压加载装置包括环压泵，所述套筒上设有进油孔，进油孔从围压腔通至套筒外部；所述环压泵的出口通过一加压管路连接至进油孔上。环压泵可将压力油泵出、通过加压管路注入进油孔，继而进入围压腔中向胶套加压。优选的，隙宽测量装置包括LVDT位移传感器，隙宽测量装置的探头与LVDT位移传感器连接，能够根据隙宽选择量程，可以测量试样裂隙的垂直变形量△b，且LVDT位移传感器连接至数据采集器上。测得的裂隙变形量可以直接在数据采集器上显示出来。所用的数据采集器可以选用研华科技的PCI720型采集器。优选的，所述胶套外壁设有定位柱，定位柱可配合嵌入套筒内壁的孔中，当定位柱嵌入套筒内壁的孔中时，单裂隙试样的裂隙面与隙宽测量装置的探头刚好垂直。装入时先将单裂隙试样推入胶套中，再将胶套通过定位柱定位在套筒内，定位柱方便了裂隙面的定位，能够保证装样后单裂隙试样的裂隙面与隙宽测量装置的探头始终垂直。本专利技术单裂隙试样的裂隙面是提前设计的，通过砂线切割机切割而成。优选的，为了保证连接稳固，入口端盖通过入口保护盖固定在套筒的入口侧，出口堵头通过出口保护盖固定在套筒的出口侧。进一步的，入口压力表、出口压力表、隙宽测量装置、出水流量计共同连接至一数据采集器上。数据采集器可以实时接收到各检测部件的检测数据并实时显示出来。用于裂隙表面粗糙度表征的渗流试验方法包括如下步骤：1)找组成粗糙曲线N个点的最小二乘中线，作为粗糙曲线的基准线，基准线方程为z＝ax+b；2)根据matlab程序计算该曲线的粗糙度相关的参数，包括分形计盒维数DB、表面轮廓线一次导数均方根Z2、轮廓的算术平均偏差Ra、轮廓峰的密度l/Sm,根据Z2、Ra求出该曲线的(M-m)/M，则该曲线的粗糙度可以表示为：φ1＝DB3)将在砂线切割机上用线径0.33mm的金刚砂线将单裂隙试样的裂隙切割成粗糙曲线，该曲线只在水流方向有粗糙特性，粗糙度由步骤2)得出；4)在裂隙中垫厚度300um的铜片，将单裂隙试样裂隙两侧用AB胶密封，推入夹持器中，用定位柱定位，保证隙宽测量装置与裂隙面垂直，试样放入后拧上夹持器的入口端盖和出口堵头，裂隙的初始隙宽为b0；5)施加围压σ3，此时测出裂隙变形为Δb，可以知道在围压σ3条件下的裂隙隙宽为b0-Δb；6)围压稳定后，设置背压阀的压力，用恒流恒压泵注入压力为P1的液体，流量稳定后出口压力表测得的出口压力值P2等于背压阀的压力，用出水流量计测出在压力梯度(P1-P2)/l的流量Q1，然后逐级加压，分别测出在不同压力梯度下的流量Qi，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种裂隙表面粗糙度的表征方法，其特征在于，首先取一段随机生成的具有平直基准线的粗糙曲线，该粗糙曲线由等间距的N个点组成，各个点的横坐标为xi，纵坐标为zi(1≤i≤N)，建立无量纲数AD、BD与粗糙度之间关系：AD＝f(12φ1)BD＝f(φ2)，式中，φ1、φ2为粗糙度，φ1反映曲线整体的粗糙特性，代表了粗糙特性对Forchheimer公式线性部分的影响，φ2反映曲线沿水流方向的粗糙性对水流压力降的影响，代表了粗糙特性对Forchheimer公式非线性部分的影响，φ1、φ2表达式如下：φ1＝DB

【技术特征摘要】
1.一种裂隙表面粗糙度的表征方法，其特征在于，首先取一段随机生成的具有平直基准线的粗糙曲线，该粗糙曲线由等间距的N个点组成，各个点的横坐标为xi，纵坐标为zi(1≤i≤N)，建立无量纲数AD、BD与粗糙度之间关系：AD＝f(12φ1)BD＝f(φ2)，式中，φ1、φ2为粗糙度，φ1反映曲线整体的粗糙特性，代表了粗糙特性对Forchheimer公式线性部分的影响，φ2反映曲线沿水流方向的粗糙性对水流压力降的影响，代表了粗糙特性对Forchheimer公式非线性部分的影响，φ1、φ2表达式如下：φ1＝DB其中，DB为粗糙曲线的分形计盒维数，l为粗糙曲线的基准线的长度，Sm为轮廓微观不平度的平均间距，轮廓微观不平度间距是含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段基准线长度，则l/Sm是粗糙曲线上轮廓峰的密度；M指粗糙曲线包括的所有线段；m为同时满足下列条件的线段数量，条件包括：①判断每一段的斜率，其中，Z2为表面轮廓线一次导数均方根，按下式求得：其中，N为该粗糙曲线包含的点数；②判断每一段的高差，zi到中线距离+zi+1到中线距离＜2Ra其中，Ra为轮廓的算术平均偏差，即每个点到基准线的距离的算术平均值，满足上述①和②条件的线段数为m；综上，单裂隙水渗流过程中非达西流阶段的Forchheimer公式可以表达为公式(1)：即：2.一种用于裂隙表面粗糙度表征的渗流试验系统，其特征在于，包括夹持器，所述夹持器包括套筒(9)，所述套筒(9)中与其同轴设有胶套(10)，套筒(9)内壁与胶套(10)外壁之间设有围压腔(7)，且套筒(9)外设有围压加载装置；一入口假岩芯(41)和一入口堵头(3)依次从夹持器的入口侧塞入胶套(10)中，且夹持器的入口侧设有入口端盖(2)，一出口假岩芯(42)和一出口堵头(13)依次从夹持器的出口侧塞入胶套(10)中，所述入口假岩芯(41)和出口假岩芯(42)沿各自中轴线分别设有水流通道(20)，且入口假岩芯(41)和出口假岩芯(42)彼此相对的侧面上各自从中心沿径向发散设有多个渗流槽(21)；所述入口堵头(3)中沿其中轴线设有水流通孔(3-1)，水流通孔(3-1)通过入口管路(1)连通至外部的恒流恒压泵(15)，入口管路(1)上设有三通阀Ⅰ(14)，三通阀Ⅰ(14)的分支口上设有入口压力表(19)；所述入口假岩芯(41)、出口假岩芯(42)、胶套(10)围成的空腔中设有单裂隙试样(5)，所述出口堵头(13)中沿其中轴线设有水流引出孔(13-1)，水流引出孔(13-1)露出出口堵头(13)的一端通过出口管路(11)连接至一出水流量计(17)，所述出口管路(11)上设有三通阀Ⅱ(12)和背压阀(16)；三通阀Ⅱ(12)的分支口上设有出口压力表(18)，所述套筒(9)外部设有隙宽测量装置(6)，所述隙宽测量装置(6)的探头垂直于裂隙面(5-1)穿过套筒(9)和胶套(10)并顶住单裂隙试样(5)的外壁。3.根据权利要求2所述的用于裂隙表面粗糙度表征的渗流试验系统，其特征在于，所述围压加载装置包括环压泵，所述套筒(9)上设有进油孔(8)，进油孔(8)从围压腔(7)通至套筒(9)外部；所述环压泵的出口通过一加压管路连接至进油孔(8)上。4.根据权利要求2所述的用于裂隙表面粗糙度表征的渗流试验系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王骏辉，万志军，张源，程敬义，熊路长，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32