一种基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体地说是涉及一种基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验方法。

背景技术

裂隙岩体渗流现象广泛存在于岩土工程领域中，在石油与天然气开采、矿井煤层注水、地层水运移等领域，均存在流体渗流的行为。研究流体在岩体裂隙中的渗流特性及流动机理，可以为相关工程技术的改进和发展提供基础理论指导。传统的物理渗流实验方法，难以实现可视化地观测液相流体在岩石孔裂隙结构中的动态渗流过程。随着计算机技术发展，数值模拟可以在一定程度上实现对岩体裂隙网络中的流体渗流模拟，但由于数值模拟边界条件和数值模型的理想化，很难准确表征流体在岩体裂隙网络中的流动特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验方法，以实现全程可视化地观测液相流体在岩石孔裂隙结构中的动态渗流过程。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：

一种基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验方法，采用基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验设备，所述基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验设备包括供压注液系统、渗流监测系统和数据采集系统；

所述供压注液系统包括加载容器、底座、上盖、上压头、下压头、轴压泵、围压泵和流压泵；

所述加载容器设置于底座上，所述加载容器由透明材料制成，加载容器的内部设置为加载腔，加载容器的上方开口，加载容器的上方可拆卸连接上盖；

加载腔的上端设置上压头，加载腔的下端设置下压头，上压头与下压头之间用于放置可视化相似模型，可视化相似模型与加载腔的侧壁之间留有空间，该空间定义为围压加载腔，所述下压头的上端面设置有注液口，所述上压头的下端面设置有排液口；

所述轴压泵经第一管路分别连接上压头和下压头，所述围压泵经第二管路连接围压加载腔，所述流压泵经第三管路连接注液口，所述排液口连接有排液管；

所述渗流监测系统包括激光源和高速摄像机，所述激光源布置于加载容器的左侧或右侧位置，所述激光源可将激光照射在加载容器内的可视化相似模型上，所述高速摄像机布置于加载容器的前侧或后侧位置；

所述数据采集系统分别信号连接轴压泵、围压泵、流压泵和高速摄像机；

所述方法包括如下步骤：

步骤1、可视化相似模型建立

采用CT扫描仪对天然岩样进行断层扫描得到图像数据，由图像数据构建岩体裂隙网络三维数据模型，将岩体裂隙网络三维数据模型导入3D打印机，以3D打印基础材料打印，得到可视化相似模型；

步骤2、三轴渗流

用透明热缩管将可视化相似模型包裹压紧，将可视化相似模型放置于加载腔内并固定于上压头和下压头之间，在可视化相似模型与上压头、下压头的接合处用封堵材料进行封堵；

数据采集系统设定轴压泵的输出压力，使上压头、下压头对可视化相似模型施加轴向压力；

数据采集系统设定围压泵的输出压力，使围压泵向围压加载腔内注入加载液，对可视化相似模型施加侧向围压；

数据采集系统设定流压泵的输出压力，使从下压头的注液口向可视化相似模型流入液相流体，液相流体渗流穿过可视化相似模型的孔裂隙并从上压头的排液口经排液管排出；

步骤3、动态渗流观测及分析

保持对可视化相似模型施加轴向压力，保持对可视化相似模型施加侧向围压，保持液相流体渗流穿过可视化相似模型；由激光源将激光照射在加载容器内的可视化相似模型上产生一个激光照射面，激光在穿过可视化相似模型的固体结构时发生明显的散射作用而呈现光亮的通路，激光在穿过可视化相似模型的孔裂隙内流动的液相流体时发生的散射作用很微弱而无光亮的通路；高速摄像机实时拍摄可视化相似模型上的激光照射面得到渗流状态图，渗流状态图上传至数据采集系统；沿着前、后方向移动激光源，保持激光照射在加载容器内的可视化相似模型上产生其他几个激光照射面，高速摄像机实时拍摄可视化相似模型上的其他几个激光照射面得到其他几个渗流状态图，其他几个渗流状态图也上传至数据采集系统；数据采集系统基于各个渗流状态图还原液相流体在岩石孔裂隙结构中的动态渗流过程。

优选的，以聚甲基丙烯酸甲酯为基体材料，以折射率不同于基体材料的二氧化硅为散射材料，以氟化锆为辅料，根据天然岩样的力学性质，确定基体材料、散射材料和辅料的配比，以十二烷胺盐酸盐为调节剂，将基体材料、散射材料、辅料和调节剂混合均匀制成所述3D打印基础材料，其中，调节剂的质量百分数为0.1％至2％。

优选的，采用正交实验进行复配以确定基体材料、散射材料和辅料的配比。

优选的，所述排液管上设置有流量计，所述数据采集系统还信号连接流量计；

步骤3中，流量计实时将流量数据上传至数据采集系统，由数据采集系统计算得到液相流体在岩石孔裂隙结构中的渗透率。

优选的，围压泵向围压加载腔内注入的加载液为水。

优选的，所述加载容器由石英玻璃材料制成。

优选的，所述激光源设置为条形激光源。

优选的，所述数据采集系统设置为计算机。

本发明的有益技术效果是：

本发明的基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验方法，实验可操作性高，实验数据自动、精准采集，可以实现全程可视化地观测液相流体在岩石孔裂隙结构中的动态渗流过程，能够分析和掌握岩体裂隙网络中的流体动态分布规律，为裂隙岩体渗流研究提供一种科学研究手段。

附图说明

图1为本发明实施例采用的基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验设备的布置图；

图2为本发明实施例激光源、加载容器及高速摄像机的布置图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实施例的一种基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验方法，请参考图1、图2所示。

一种基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验方法，采用基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验设备，基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验设备包括供压注液系统、渗流监测系统和数据采集系统。

供压注液系统包括加载容器11、底座12、上盖13、上压头21、下压头22、轴压泵31、围压泵32、流压泵33和储液罐34。

加载容器11设置于底座12上，由底座12实现对加载容器11的支撑，使加载容器11处于合适的高度位置，以便于激光源照射在加载容器11内的可视化相似模型4上。加载容器11由透明材料制成，透明材料具体设置为石英玻璃材料，以使激光穿过加载容器11，使激光照射在加载容器11内的可视化相似模型4上。加载容器11设置为圆柱形，加载容器11的内部中央位置设置为加载腔，加载容器11的上方开口，加载容器11的上方通过螺栓可拆卸连接上盖13。上盖13连接于加载容器11的上方时，上盖13封闭加载容器11的上方开口。

加载腔的上端设置上压头21，加载腔的下端设置下压头22。其中，上压头21可以设置于上盖13的内端面上，在上盖13连接加载容器11的上方时，使上压头21位于加载腔的上端。上压头21与下压头22之间用于放置可视化相似模型4。可视化相似模型4与加载腔的侧壁之间留有空间，该空间定义为围压加载腔，围压加载腔内用于注入加载液5。下压头22的上端面设置有注液口221，上压头21的下端面设置有排液口211。

轴压泵31、围压泵32、流压泵33的进口均经管路分别连接储液罐34。本实施例中，储液罐34中盛装水。换言之，轴压泵31向上压头21和下压头22提高的液压液为水，围压泵32向围压加载腔内注入加载液5为水，流压泵33向可视化相似模型4注入的液相流体也为水。液压液、加载液5采用水，成本较低。液相流体采用水，用于观测水在岩石孔裂隙结构中的动态渗流过程。此外，加载液5采用水，激光穿过水不会发生散射，使激光正常照射在加载容器11内的可视化相似模型4上。

轴压泵31经第一管路61分别连接上压头21和下压头22，轴压泵31可以通过上压头21、下压头22对可视化相似模型4施加轴向压力。围压泵32经第二管路62连接围压加载腔，围压泵32可向围压加载腔内注入加载液5，以对可视化相似模型4施加侧向围压。流压泵33经第三管路63连接注液口221，排液口211连接排液管64，排液管64上设置流量计641。流压泵33使液相流体从下压头22的注液口221流入可视化相似模型4，液相流体渗流穿过可视化相似模型4的孔裂隙后，再从上压头21的排液口211排出。流量计641用于记录排液管64流出的液相流体流量。

渗流监测系统包括激光源71和高速摄像机72，其中，激光源71设置为条形激光源，以便于激光照射在加载容器11内的可视化相似模型4上产生激光照射面。本实施例中，激光源71布置于加载容器11的左侧位置，激光源71可将激光照射在加载容器11内的可视化相似模型4上，高速摄像机72布置于加载容器11的前侧位置。

数据采集系统8分别经信号线缆信号连接轴压泵31、围压泵32、流压泵33、高速摄像机72和流量计641，其中，数据采集系统8设置为计算机。

本实施例的基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验方法包括如下步骤：

步骤1、可视化相似模型建立

采用Xradia 510Versa 3D X射线显微镜CT扫描仪对天然岩样进行断层扫描得到图像数据，将图像数据采用中值滤波方法进行降噪处理，由图像数据构建岩体裂隙网络三维数据模型，在构建模型过程中，不断调整阈值，最终确定最佳阈值。将岩体裂隙网络三维数据模型导入3D打印机，以3D打印基础材料打印，得到尺寸为15cm×15cm×15cm的可视化相似模型。

其中，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基体材料，以折射率不同于基体材料的二氧化硅为散射材料，以氟化锆(ZrF

采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基体材料，以模拟天然岩样的较高的力学强度，且其透光率极高约为93％，便于激光穿过。

采用二氧化硅为散射材料，具有如下优点：

(1)二氧化硅的折射率不同于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，在激光的照射下会发生明显的散射作用，呈现光亮的通路；

(2)二氧化硅自身具有较高的力学强度，可以在加入量较少的情况下，使可视化相似模型4与天然岩样力学强度保持一致；

(3)二氧化硅的化学性质稳定，可以使可视化相似模型4具备稳定的化学性质。

采用氟化锆(ZrF

采用十二烷胺盐酸盐为调节剂，用以调节可视化相似模型4表面的疏水性，使其疏水性与天然岩样表面保持一致。

步骤2、三轴渗流

用透明热缩管将可视化相似模型4包裹压紧，将可视化相似模型4放置于加载腔内并固定于上压头21和下压头22之间，在可视化相似模型4与上压头21、下压头22的接合处用封堵材料进行封堵，其中，封堵材料为防水绝缘密封耐温硅胶。

数据采集系统8设定轴压泵31的输出压力，使上压头21、下压头22对可视化相似模型4施加轴向压力。

数据采集系统8设定围压泵32的输出压力，使围压泵32向围压加载腔内注入加载液5，对可视化相似模型4施加侧向围压。

数据采集系统8设定流压泵33的输出压力，使从下压头22的注液口221向可视化相似模型4流入液相流体，液相流体渗流穿过可视化相似模型4的孔裂隙并从上压头21的排液口211经排液管64排出。

步骤3、动态渗流观测及分析

保持对可视化相似模型4施加轴向压力，保持对可视化相似模型4施加侧向围压，保持液相流体渗流穿过可视化相似模型4；开启激光源71，由激光源71将激光照射在加载容器11内的可视化相似模型4上产生一个激光照射面，激光在穿过可视化相似模型4的固体结构时发生明显的散射作用而呈现光亮的通路，即丁达尔效应，激光在穿过可视化相似模型4的孔裂隙内流动的液相流体时发生的散射作用很微弱而无光亮的通路；高速摄像机72实时拍摄可视化相似模型4上的激光照射面得到渗流状态图，渗流状态图上传至数据采集系统8；沿着前、后方向移动激光源71，保持激光照射在加载容器11内的可视化相似模型4上产生其他几个激光照射面，高速摄像机72实时拍摄可视化相似模型4上的其他几个激光照射面得到其他几个渗流状态图，其他几个渗流状态图也上传至数据采集系统8；数据采集系统8基于各个渗流状态图还原液相流体在岩石孔裂隙结构中的动态渗流过程，此外，由数据采集系统8计算得到液相流体在岩石孔裂隙结构中的渗透率。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验方法有了清楚的认识。本发明的基于激光散射的岩体动态渗流可视化实验方法，实验可操作性高，实验数据自动、精准采集，可以实现全程可视化地观测液相流体在岩石孔裂隙结构中的动态渗流过程，能够分析和掌握岩体裂隙网络中的流体动态分布规律，为裂隙岩体渗流研究提供一种科学研究手段。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。