一种基于振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的方法，包括如下步骤：基于井

【技术实现步骤摘要】
一种基于振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的方法


[0001]本专利技术涉及一种确定裂隙渗透参数的方法，具体涉及一种基于振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的方法。

技术介绍

[0002]裂隙岩体各向异性渗透参数(裂隙渗透系数、当量渗透系数、岩体渗透系数张量)是研究岩体地下水运动问题非常重要的参数。迄今为止，关于裂隙岩体各向异性渗透参数的确定方法，归纳起来可以分为四类：第一类是裂隙样本法，以单裂隙中地下水运动的立方定律为基础，考虑岩体中裂隙结构面的倾向、倾角、隙宽、隙间距等几何要素，计算岩体渗透系数张量；第二类是Papadopulos、Hantush、Way、Neuman、周志芳等相继提出的抽水实验方法，基于解析解原理，通过野外抽水实验资料确定岩体渗透系数张量；第三类是Snow、Rocha、Louis、Hsieh提出的压水试验的方法，包括现场三段压水试验方法、现场交叉孔压水试验方法等，该类方法试验成果较为客观、可信，确定的岩体渗透系数相对较准确，但往往受野外工作场地的限制，实际试验中耗资大；第四类是数值反演的方法，在给定初值和边界条件下通过已有实测地下水动态信息拟合而获得参数的一种方法，该方法要求地下水动态数据可靠、模型合理和反问题解唯一性好。所有的这些方法，要么对水文地质条件要求苛刻，费时费事，试验成本高，要么理论上不完善、精度差。
[0003]基于井流振动方程的振荡试验是通过瞬间井孔内微小水量的增加(或减少)而引起井孔水位随时间变化规律，来确定岩土体渗透参数的一种快速、简易方法，目前已有约60年的发展历史。由于振荡试验时间短、不需要抽水和附加的观测孔，因此，经济又简便，而且对地下水正常观测的影响也很小，同时，振荡试验几乎不会对地下水环境产生二次污染。但是，目前所有关于振荡试验的应用研究，主要都是针对孔隙介质含水层渗透性的测试，对于裂隙介质渗透性的测试原理和技术方法很少涉及；关于振荡试验的模型与理论推导也都是以水平层状含水层为物理模型构建的，没有考虑裂隙不同倾角情况下的井流振荡试验的理论研究。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的方法，不仅理论严谨，填补了关于振荡试验中裂隙介质渗透性测试技术的空白，而且方法简单，便捷高效，准确性好，具有很好的应用推广价值。
[0005]技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种基于振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的方法，包括如下步骤：
[0006]S1：基于井
‑
裂隙含水层系统，建立井中水流振动方程的数学模型；
[0007]S2：结合裂隙介质水动力学、振动方程和拉普拉斯(逆)变换求解该数学模型，推导出不同倾角裂隙情况下的振荡试验理论模型，得到确定不同倾角裂隙渗透参数的标准曲线；
[0008]S3：根据采集到的钻孔资料，开展振荡试验，基于标准曲线，采用配线法确定介质不同倾角裂隙渗透参数。
[0009]进一步地，所述步骤S2中振荡试验理论模型是基于假设条件建立的，假设条件具体为：
[0010](1)假设井
‑
裂隙含水层系统为圆柱模型，当裂隙厚度小于设定值时，假设裂隙含水层中的水位等势线垂直；
[0011](2)根据水量平衡原理，由振荡试验引起的井内流量变化等于井壁周边裂隙含水层的径向流量，其中井壁周边裂隙含水层边界由椭圆近似为圆；
[0012](3)考虑到水柱运动仍为在套管内的运动，因此，套管中水柱运动方程仍然采用水平层状含水层情况下的水柱运动方程；
[0013](4)井中摩擦水头损失可忽略不计；
[0014](5)井中平均水流速度在井孔横截面中大致相等；
[0015](6)水流通过井中裂隙处时是均匀分布进入整个裂隙含水层厚度；
[0016](7)水流从井中裂隙处的径向流改变为在井中的垂直流时的动量变化可忽略不计；
[0017](8)不考虑井孔薄壁效应。
[0018]进一步地，所述步骤S1中考虑裂隙各向异性的特点，基于地下水连续性方程、质量守恒定律和动量守恒定律建立井
‑
裂隙含水层系统中井孔微小水量瞬时变化条件下井中水流振动方程的数学模型，所述井中水流振动方程的数学模型的建立过程为：
[0019]建立坐标系，其中取裂隙含水层顶部井孔中心为柱坐标原点o，径向为r轴，垂直向上方向为z轴正坐标，在直角坐标系中，A和B点分别为椭圆裂隙面上两点，其中，取裂隙面上过原点o的最大倾斜线在水平面上的投影为x轴，即在水平面xoy内，ox为x轴正轴，oy为y轴正轴，o点垂直向上为z轴正轴方向；其中，为裂隙面倾角，θ为以ox为起始角的圆心角，A
′
为A在水平面xoy中投影点，C
′
为C在水平面xoy中投影点；
[0020]A点的直角坐标为(x,y,z)，A点的柱坐标为(r,θ,z)，那么，x＝rcosθ，y＝rsinθ，
[0021]根据地下水连续性方程：
[0022][0023]对应的初始条件：当t＝0时，h＝h0；边界条件：当r
→
∞时，h
→
h0；
[0024]因为，所以z与r，θ有关，那么，
[0025][0026][0027][0028][0029]将式(2)、(3)、(4)和(5)代入公式(1)，整理后得：
[0030][0031]根据水量平衡原理，振荡试验引起井内流量变化等于井壁周边裂隙含水层径向流量，其中井壁周边裂隙含水层边界由椭圆近似为圆，建立质量守恒方程为：
[0032][0033]其中，为井壁周边裂隙含水层平均水力梯度；
[0034]对应的初始条件：当t＝0时，w＝w0；
[0035]根据动量守恒定律，因为考虑到水柱运动仍为在套管内运动，因此，套管中水柱运动方程仍然采用水平层状含水层情况下的水柱运动方程，如式(8)所示：
[0036][0037]其中，初始条件：当t＝0时，w＝w0，h
s
＝L＝h0。
[0038]进一步地，所述步骤S1中井中水流振动方程的数学模型中的参数经过无量纲化处理，具体的处理过程为：
[0039]无量纲的水位变化量：
[0040][0041]无量纲水位：
[0042][0043]无量纲时间：
[0044][0045]无量纲半径：
[0046]无量纲贮水系数：
[0047]无量纲惯性系数：
[0048]无量纲纵坐标：
[0049]其中，r为柱坐标原点的径向距离；h为含水层水头；μ
s
为裂隙贮水率；k为裂隙渗透系数；b为裂隙宽度；L为套管中水柱高度；t为时间；h0为含水层的初始水头；w为井内水位变化量；h
s
为钻孔内套管与花管(试段位置)交界处的水头；r
s
为花管半径或试段位置井半径；r
c
为套管半径；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：基于井
‑
裂隙含水层系统，建立井中水流振动方程的数学模型；S2：结合裂隙介质水动力学、振动方程和拉普拉斯变换求解该数学模型，推导出不同倾角裂隙情况下的振荡试验理论模型，得到确定不同倾角裂隙渗透参数的标准曲线；S3：根据采集到的钻孔资料，开展振荡试验，基于标准曲线，采用配线法确定介质不同倾角裂隙渗透参数。2.根据权利要求1所述的一种基于振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的方法，其特征在于，所述步骤S2中振荡试验理论模型是基于假设条件建立的，假设条件具体为：(1)假设井
‑
裂隙含水层系统为圆柱模型，当裂隙厚度小于设定值时，假设裂隙含水层中的水位等势线垂直；(2)根据水量平衡原理，由振荡试验引起的井内流量变化等于井壁周边裂隙含水层的径向流量，其中井壁周边裂隙含水层边界由椭圆近似为圆；(3)考虑到水柱运动仍为在套管内的运动，因此，套管中水柱运动方程仍然采用水平层状含水层情况下的水柱运动方程；(4)井中摩擦水头损失可忽略不计；(5)井中平均水流速度在井孔横截面中相等；(6)水流通过井中裂隙处时是均匀分布进入整个裂隙含水层厚度；(7)水流从井中裂隙处的径向流改变为在井中的垂直流时的动量变化可忽略不计；(8)不考虑井孔薄壁效应。3.根据权利要求2所述的一种基于振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的方法，其特征在于，所述步骤S1中考虑裂隙各向异性的特点，基于地下水连续性方程、质量守恒定律和动量守恒定律建立井
‑
裂隙含水层系统中井孔微小水量瞬时变化条件下井中水流振动方程的数学模型，所述井中水流振动方程的数学模型的建立过程为：建立坐标系，其中取裂隙含水层顶部井孔中心为柱坐标原点o，径向为r轴，垂直向上方向为z轴正坐标，在直角坐标系中，A和B点分别为椭圆裂隙面上两点，其中，取裂隙面上过原点o的最大倾斜线在水平面上的投影为x轴，即在水平面xoy内，ox为x轴正轴，oy为y轴正轴，o点垂直向上为z轴正轴方向；其中，为裂隙面倾角，θ为以ox为起始角的圆心角，A
′
为A在水平面xoy中投影点，C
′
为C在水平面xoy中投影点；A点的直角坐标为(x,y,z)，A点的柱坐标为(r,θ,z)，那么，x＝rcosθ，y＝rsinθ，根据地下水连续性方程：对应的初始条件：当t＝0时，h＝h0；边界条件：当r
→
∞时，h
→
h0；因为，所以z与r，θ有关，那么，
将式(2)、(3)、(4)和(5)代入公式(1)，整理后得：根据水量平衡原理，振荡试验引起井内流量变化等于井壁周边裂隙含水层径向流量，其中井壁周边裂隙含水层边界由椭圆近似为圆，建立质量守恒方程为：其中，为井壁周边裂隙含水层平均水力梯度；对应的初始条件：当t＝0时，w＝w0；根据动量守恒定律，因为考虑到水柱运动仍为在套管内运动，因此，套管中水柱运动方程仍然采用水平层状含水层情况下的水柱运动方程，如式(8)所示：其中，初始条件：当t＝0时，w＝w0，h
s
＝L＝h0。4.根据权利要求3所述的一种基于振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的方法，其特征在于，所述步骤S1中井中水流振动方程的数学模型中的参数经过无量纲化处理，具体的处理过程为：无量纲的水位变化量：无量纲的水位变化量：无量纲水位：无量纲水位：无量纲时间：
无量纲半径：无量纲贮水系数：无量纲惯性系数：无量纲纵坐标：其中，r为柱坐标原点的径向距离；h为含水层水头；μ
s
为裂隙贮水率；k为裂隙渗透系数；b为裂隙宽度；L为套管中水柱高度；t为时间；h0为含水层的初始水头；w为井内水位变化量；h
s
为钻孔内套管与花管交界处的水头；r
s
为花管半径或试段位置井半径；r
c
为套管半径；对公式(6)进行无量纲化，整理后得：对应的初始条件：当t
′
＝0时，h
′
＝0；边界条件：r
′→
∞，h
′→
0；对式(7)采用无量纲化处理，处理后得：对应的初始条件：当t
′
＝0时，w
′
＝
‑
1；对式(8)进行无量纲化处理，处理后得：对应的初始条件：当t
′
＝0时，w
′
＝
‑
1，5.根据权利要求4所述的一种基于振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的方法，其特征在于，所述步骤S2中利用拉普拉斯变换求解该数学模型，得到不同相对阻尼系数情况下无量纲水位变化w
′
和无量纲时间的关系，所述不同倾角裂隙渗透参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵燕容，董小松，魏裕丰，马志恒，王锦国，戎荣，张子民，王浩楠，杨义锴，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：