在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法

2023-05-14 12:33:41

在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法
【專利摘要】本發明公開在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，能準確獲得巖石樣品的透水係數和單位儲水係數。具體地，本發明的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法的特徵在於，對巖石樣品施加軸壓和圍壓，在上述巖石樣品連接上遊段和下遊段，在此狀態下，從目標函數的圖表讀取表示等高線的最小值的坐標值，並將該坐標值決定為上述巖石樣品的透水係數和單位儲水係數，其中上述目標函數的圖表中，在橫軸和縱軸分別表示利用從外部施加壓力脈衝的壓力脈衝衰減試驗法得出的透水係數和單位儲水係數。並且，本發明的特徵在於，將在不同的邊界條件下重複進行上述壓力脈衝衰減試驗而獲得的目標函數的圖表重疊表示，能夠減少巖石樣品的透水係數和單位儲水係數。
【專利說明】在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在測定巖石樣品的透水係數和單位儲水係數時減少不確定度的方法。
【背景技術】
[0002]在開發地下水資源或石油資源時，為了防止各種填埋地的汙染擴散，或者為了勘察深地層地下儲藏用地的地下巖石環境，並且在進行其他各種土木施工等時，需要對地基進行勘察，尤其需要對基巖的透水性或儲水性進行測定。
[0003]其中，基巖的透水性是指，通過基巖內的空隙，沿著相連接的流路產生的流體的易流動性。由於通過上述流路的流動受人力或壓力差等的阻力，因此其透水性隨著基巖或地層而不同。
[0004]並且，儲水性是指，沿著通過基巖內的空隙來相連接的流路注入流體時，巖石對流體儲藏能力的特性。如果沒有施加於流體的勢能或動能，流體將不會移動，保持靜止狀態。
[0005]一般而言，流體(代表性的是「水」)流入地下基巖層或地層(以下統稱為「基巖層」)內或者從地下基巖層或地層內流出時，該流體的壓力擴散主要受形成基巖的巖石或該地層的透水性或儲水性的影響。
[0006]此時，巖石層的透水性或儲水性是預測流體的流入/流出地點以及預測根據時間變化的流體變化(擴散)所必需的參數。
[0007]這些巖石層的透水性和儲水性是在地下的自然狀態下產生的，現實中我們不可能準確掌握實際透水性或儲水性，一般都是通過實驗室的水利試驗來獲取所需的數據。
[0008]測定這些透水性或儲水性的方法有多種，形成巖石層的巖石緻密、具有不透水性時，為了減少測定時間，多利用向測定用巖石樣品施加壓力脈衝的脈衝-衰減(過渡)法。
[0009]通過如上所述的實驗室的水利試驗，能夠計算出透水係數(hydraulicconductivity)和儲水係數(storage coefficient),這兩個係數是表示形成目標巖石層的巖石樣品的水利特性的代表性值。
[0010]其中，上述透水係數的定義為水通過的速度，S卩，通過的距離除以時間的值。該透水係數的值越小，就意味著流體(水)在地下基巖層的流動越難。
[0011]並且，上述儲水係數的定義為，根據單位水頭的變化，流入/流出單位面積的含水
層的水量。
[0012]另一方面,單位儲水係數(Specificstorage, specific storativity)的定義為，根據含水層內的單位體積的單位水頭的上升或下降，流入/流出該含水層的水量(體積)，該單位儲水係數乘以含水層厚度，即可求出儲水係數。
[0013]以往的脈衝-衰減法將單位儲水係數假設為0，只根據透水係數測定或者逆運算壓力曲線，求出透水係數和單位儲水係數。
[0014]利用現有技術來求出透水係數和單位儲水係數的方法存在的第一個問題就是，完全沒有提示各參數具有何種程度的不確定度(uncertainty )。[0015]g卩，由於在實驗室通過水利試驗來測定的壓力值肯定存在實驗誤差，因此最終求出的透水係數和單位儲水係數均具有某種程度的不確定度，這是不可避免的，但由於以往的技術並未提供與此相關的數據，因此完全無法得知實驗的可信度。
[0016]第二個問題是，因實驗誤差而產生的參數的不確定度因實驗系統(上遊段和下遊段的大小)(上遊段和下遊段分別參照圖1中的附圖標記10和20)而異，無法獲知上述參數是在何種條件下求出的。
[0017]第三個問題是，可能會出現根據水利試驗的組成條件，各參數之間的不確定度相互產生影響的情況，在此情況下，不知道任一個參數的不確定度時，其他參數的不確定度也不得而知。
[0018]現有的透水係數和單位儲水係數計算方法對如上所述的問題完全沒有拿出解決方案。
[0019]另一方面，本發明相關的現有技術文獻有以下的非專利文獻(論文)。
[0020](l)Brace, ff.F., J.B.Walsh, and ff.T.Frangos, Permeability of graniteunder high pressure (花崗巖在高壓下的透水性能)，J.Geophys.(《地球物理學》)Res.1968732225-2236。
[0021](2)Hsieh, P.A., J.V.Tracy, C.E.Neuzil, J.D.Bredehoeft, and S.E.Si 1 liman, Atransient laboratory method for determining the hydraulic properties of tightrocks (用於確定緻密巖石的水硬性的瞬時實驗方法)-1.Theory (理論I)，Int.J.RockMech.Min.Sc1.&Geomech.Abstr.198118245-252。
[0022](3) Wang, H.F., and D.J.Hart, Experimental error for permeability andspecific storage from pulse decay measurements (脈衝式衰變測量的透水性及特定存儲的實驗誤差)，Int.J.Mech.Min.Sc1.Geomech.Abstr.199330，1173-1176。
[0023](4) Zhang, Μ., M.Takahashi, R.H.Morin, and T.Esaki, Evaluation andapplication of the transient—pulse technique for determining the hydraulicproperties of 1 ow-permeabi 1 ity rocks_Part2 (確定低透水性巖石的水硬性的瞬時脈衝技術的演變及應用-第2部分):Experimental application (實驗應用)，GeotechnicalTesting Journal (《地球技術測試期刊》)2000b; 23，091-099。

【發明內容】

[0024]本發明的一個目的是，明確提示各參數具有的不確定度(uncertainty)相關數據，來提高實驗的可靠度。
[0025]並且，本發明的再一個目的是，指出各參數是在何種實驗條件下求出的，來明確因實驗誤差而導致的參數不確定度。
[0026]並且，本發明的另一個目的是，在各參數的不確定度相互產生影響時，同樣明確指出各參數的不確定度。
[0027]根據旨在解決上述本發明目的的本發明一個優選實施例，在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，包括如下步驟:將巖石樣品位於外罩內的套管的內部的步驟；在上述巖石樣品的左右側分別安裝端塞和多孔盤來固定上述巖石樣品的步驟；在上述固定的巖石樣品的多孔盤的軸方向外側分別連接上遊段和下遊段的步驟；在上述上遊段和上述下遊段分別附著測壓傳感器的步驟；對上述巖石樣品施加軸壓和圍壓的步驟，對位於上述套管的內部的上述巖石樣品施加軸壓和圍壓以形成封閉的壓力系統；通過上述上遊段，對上述封閉的壓力系統的內部的上述巖石樣品施加壓力脈衝的步驟；以及求出透水係數和單位儲水係數的步驟，通過上述壓力脈衝被衰減而獲得的壓力脈衝的變動來求出透水係數和單位儲水係數。
[0028]其中，在上述求出透水係數和單位儲水係數的步驟中，從表示通過計算獲得的透水係數和單位儲水係數的計算值與通過上述測壓傳感器獲得的上述壓力脈衝的變動測定值之差的和/或其平均值的目標函數的圖表，讀取表示上述圖表內的等高線的最小值的坐標值，將上述最小值作為上述巖石樣品的透水係數和單位儲水係數。
[0029]並且，上述套管的材質優選為橡膠。
[0030]並且，上述對巖石樣品施加軸壓和圍壓的步驟可通過向流體流入空間供給流體並施加壓力的方法來實現。
[0031 ] 並且，施加圍壓及軸壓的上述流體優選為油(oil)。
[0032]根據旨在解決上述本發明目的的本發明的再一個優選實施例，在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，包括如下步驟:將巖石樣品置於外罩的內部的套管內的步驟；在上述巖石樣品的左右側分別安裝端塞和多孔盤來固定上述巖石樣品的步驟；將固定的上述巖石樣品與上遊段和下遊段相連接的步驟；在上述上遊段和上述下遊段分別附著測壓傳感器的步驟；分隔設置用於調節上述上遊段的大小的兩個閥的步驟；對巖石樣品施加軸壓和圍壓的步驟，對位於上述套管內的上述巖石樣品施加軸壓和圍壓來形成封閉的壓力系統；施加壓力脈衝的步驟，通過上述上遊段，對上述封閉的壓力系統內的上述巖石樣品施加壓力脈衝；以及求出透水係數和單位儲水係數的步驟，通過上述壓力脈衝被衰減而獲得的壓力脈衝的變動來求出透水係數和單位儲水係數。
[0033]其中，優選地，在上述求出透水係數和單位儲水係數的步驟中，從表示通過計算獲得的透水係數和單位儲水係數的計算值與通過上述測壓傳感器獲得的上述壓力脈衝的變動測定值之差的和或其平均值的目標函數的圖表，讀取表示上述圖表內的等高線的最小值的坐標值，將上述最小值決定為上述巖石樣品的透水係數和單位儲水係數。
[0034]並且，優選地，在上述施加壓力脈衝的步驟中，分別控制上述分隔的兩個閥，在上述上遊段的大小得到調節的狀態下，通過上述上遊段施加壓力脈衝。
[0035]其中，通過重疊表示出多次重複上述施加壓力脈衝的步驟而獲得的目標函數的圖表，可減少上述巖石樣品的上述透水係數和單位儲水係數的不確定度。
[0036]並且，上述套管的材質優選為橡膠。
[0037]並且，上述對巖石樣品施加軸壓和圍壓的步驟可通過向流體流入空間供給流體並施加壓力的方法來實現。
[0038]並且，施加圍壓及軸壓的上述流體優選為油。
[0039]由於本發明可提示因實驗誤差而導致的透水係數和單位儲水係數的不確定度，因此可以評價實驗的可靠度。
[0040]並且，由於本發明的實驗條件明確，因此可以在進行實驗前實施簡單的模擬演練，以此來設計出最佳的實驗系統。由此，可提示各參數間的不確定度相互不產生影響的邊界條件，來減少不確定度。[0041]並且，根據本發明，由於在水利試驗中各參數之間的不確定度相互產生影響的情況下，也可以通過其他實驗來限制各參數中一個參數的不確定度，因此可以獲得更加準確的水利試驗結果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是為了測定巖石樣品的透水係數和單位儲水係數而在本發明的壓力脈衝-衰減試驗中使用的三軸-巖芯夾持裝置的簡要剖視圖。
[0043]圖2是同時表示目標函數的圖表和相關測定誤差(Error)的圖，其中測定誤差表示與壓力脈衝大小的比例。
[0044]圖3是同時表示相互產生影響的目標函數的圖表和相關測定誤差的圖。
[0045]圖4是表示將總共經過三次水利試驗獲得的各個目標函數重疊時的目標函數的圖表中的透水係數和單位儲水係數的不確定度的圖。
[0046]附圖標記的說明
[0047]500:三軸-巖芯夾持裝置
[0048]2:上側部夾持器維持部2』:下側部夾持器維持部
[0049]4:外罩6:0型密封圈
[0050]8:上側部夾持器8』:下側部夾持器
[0051]10:上遊段20:下遊段
[0052]12:上側部端塞22:下側部端塞
[0053]30，35:多孔盤40:套管
[0054]50:本體部流體供給口 60:上側部流體供給口
[0055]70:下遊側測壓器80上遊側測壓器
[0056]90、95:閥100:巖石樣品
[0057]P:壓力脈衝a、b:(流體流入)空間
【具體實施方式】
[0058]以下參照附圖詳細說明的實施例會讓本發明的優點和特徵以及實現這些優點和特徵的方法更加明確。但是，本發明不局限於以下所公開的實施例，能夠以互不相同的各種方式實施，本實施例只用於使本發明的公開內容更加完整，有助於本發明所屬【技術領域】的普通技術人員完整地理解本發明的範疇，本發明根據權利要求書的範疇而定義。
[0059]以下，參照附圖，對本發明的優選實施例的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法進行詳細說明。
[0060]首先，對本發明的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法所使用的水利試驗設備的結構進行說明。
[0061]圖1是三軸-巖芯夾持裝置的簡要剖視圖。
[0062]上述三軸-巖芯夾持裝置500大分為上部、本體部及下部。在圖中，左側部分表示下部，右側部分表示上部。
[0063]本發明的壓力脈衝衰減試驗中使用的巖石樣品100位於裝置500外罩4的套管40的內部，如圖1所示，優選地 ，套管40以兩側稍微拉開的氣缸形態形成。[0064]上述套管40的材質優選為橡膠，但如果在施加後述的圍壓(confiningpressure)時，只要是該圍壓可以適當地傳達到巖石樣品100的結構，就可以使用其他材料。
[0065]上述巖石樣品100在本體部的套管40內部，依次被按上下部軸方向配置的上側部端塞(end plug) 12和下側部端塞22第一次固定；在上側部端塞12和下側部端塞22的上下部軸方向外側，被多孔盤30、35第二次固定；在該多孔盤30、35的上下部軸方向外側，被上側部夾持器8和下側部夾持器8』最終固定。
[0066]其中，上下部軸方向分別意味著圖中的右側及左側方向。
[0067]並且，考慮到因流體而導致的腐蝕或耐久性問題，上側部端塞12和下側部端塞22的材質優選為不鏽鋼。
[0068]在三軸-巖芯夾持裝置500的上部，相隔規定間距形成有從外部傳達壓力脈衝P的上遊段10、用於測定上述上遊段10的內部的壓力脈衝P的上遊側測壓器80、用於調節(控制)上述上遊段10的大小的兩個閥90、95。
[0069]並且，在裝置的上部，分別形成有上側部夾持器8、上側部夾持器維持部2、上側部流體供給口 60，上述上側部夾持器8在上側部端塞12的軸方向外側，重新固定用於固定本體部內的巖石樣品100的外側的多孔盤35的上側部端塞12，上述上側部流體供給口 60圍繞上述上側部夾持器8，上述上側部流體供給口 60與上側部夾持器8和上側部夾持器維持部2之間的空間b相連接。
[0070]其中，上遊段10和下遊段20的位置可倒置，上述兩個閥90、95可調節下遊段20的大小，而不是調節上遊段10的大小。
[0071]為了向三軸-巖芯夾持裝置500施加軸壓(axial pressure),可將巖石樣品100位於本體部之後,通過上述上側部流體供給口 60，向流體流入空間b供給具有規定粘度的流體，該流體優選為油，在供給的油壓作用下，上述上側部夾持器8可向圖中的左側方向被推開的同時向巖石樣品100施加所需的軸壓。
[0072]此時，優選地，在上述上側部流體供給口 60的外部形成有能夠對油進行加壓來供給的油加壓部(未圖示)。
[0073]本發明的三軸-巖芯夾持裝置500的本體部中配置有:套管40，內部置有巖石樣品100 ;多孔盤30、35，在上述套管40的內部用於從兩側支撐上述巖石樣品100 ;上側部端塞12和下側部端塞22，分別支撐上述多孔盤30、35 ;流體流入空間a，位於上述套管40的外側；以及本體部流體供給口 50、50，向上述流體流入空間a供給流體來賦予圍壓。
[0074]其中，優選地，用於形成上述圍壓的流體為與用於形成軸壓的具有規定粘度的油相同的油。優選地，如同上側部流體供給口 60—樣，其外側形成有油加壓部(未圖示)。
[0075]本發明的三軸-巖芯夾持裝置500的下部配置有:下遊段20，具有與上部側的上遊段10相對應的結構；下遊側測壓器70，附著於上述下遊段20的下側部的端部，用於測定三軸-巖芯夾持裝置500內的壓力；下側部夾持器8』，用於固定並維持形成於巖石樣品100的下部的軸方向外側的下側部端塞22 ;以及下側部夾持器維持部2』，圍繞下側部夾持器8，。
[0076]值得注意的是，就三軸-巖芯夾持裝置500的上部而言，在上側部夾持器8和上側部夾持器維持部2之間形成有連通的流體流入空間b，就三軸-巖芯夾持裝置500的下部而言，在下側部夾持器8』和下側部夾持器維持部2』之間並沒有形成有連通空間。
[0077]另一方面，優選地，上述三軸-巖芯夾持裝置500的上側部夾持器8和上側部夾持器維持部2之間、上側部夾持器維持部2和外罩4之間以及外罩4和下側部夾持器維持部2』之間設置有適當數量的流體密封用0型密封圈(o-ring) 6、6、6、6。
[0078]並且，優選地，上側部夾持器維持部2和外罩4、外罩4和下側部夾持器維持部2』以及下側部夾持器8』和下側部夾持器維持部2』分別進行螺絲結合。尤其是，下側部夾持器8』和下側部夾持器維持部2』的螺絲結合執行適當調節施加於巖石樣品100的流體的軸壓的功能。
[0079]即，如上所述，將巖石樣品100位於套管40的內部，安裝完三軸-巖芯夾持裝置500之後，從上側部流體供給口 60供給流體，以此可形成規定的軸壓，但為了形成所需的軸壓，最終可通過下側部夾持器8』和下側部夾持器維持部2』之間的螺絲結合來進行調節。
[0080]其次，對向本發明的三軸-巖芯夾持裝置500賦予圍壓(confining pressure)的結構進行說明。
[0081]將巖石樣品100位於套管40的內部，安裝完三軸-巖芯夾持裝置500之後，通過本體部流體供給口 50、50供給流體，如此供給的流體在氣缸形狀的套管40的同心圓方向的外側向套管40實施加壓，並向巖石樣品100供給最終的圍壓。
[0082]其中，優選地，圍壓和軸壓的形成順序幾乎同時進行。
[0083]並且，優選地，用於形成上述圍壓的流體為與用於形成軸壓的具有規定粘度的油相同的油。優選地，如 同上側部流體供給口 60—樣，其外側形成有油加壓部(未圖示)。
[0084]如上所示，以下參照在圖1所示的三軸-巖芯夾持裝置500固定巖石樣品100的結構，對本發明的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法進行說明。
[0085]在三軸-巖芯夾持裝置500固定巖石樣品100之後，在巖石樣品100的上遊側和下遊側的兩側分別連接上遊段10和下遊段20，將上述上遊段10與泵(未圖示)相連接，來施加壓力脈衝P。
[0086]接著，如上所述，向巖石樣品100施加軸壓和圍壓，來形成封閉的壓力系統，並向上遊段10施加由上述泵生成的壓力脈衝P。
[0087]隨著時間的經過，上遊段10和下遊段20的壓力脈衝將出現變化(衰減)，通過上遊側測壓器80和下遊側測壓器70來得出表示脈衝的壓力變化的曲線之後，對其進行逆運算，來求出巖石樣品100的透水係數和單位儲水係數。
[0088]巖石樣品100的透水係數和單位儲水係數不是通過壓力變化曲線來直接測定的，而是利用測定值和理論值的曲線擬合(curve fitting)法來求出，測定值和計算值的差異最小時，將預測的兩個參數定為該巖石樣品100的參數。
[0089]上遊段和下遊段的壓力(pu和pd)的理論性變化曲線可依據以下數學式1來得出。
[0090]數學式1
【權利要求】
1.一種在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，包括如下步驟:將巖石樣品置於外罩內的套管的內部的步驟；在所述巖石樣品的左右側分別安裝端塞和多孔盤來固定所述巖石樣品的步驟；在固定的所述巖石樣品的多孔盤的軸方向外側分別連接上遊段和下遊段的步驟；在所述上遊段和所述下遊段分別附著測壓傳感器的步驟；對所述巖石樣品施加軸壓和圍壓的步驟，對位於所述套管的內部的所述巖石樣品施加軸壓和圍壓以形成封閉的壓力系統；通過所述上遊段，對所述封閉的壓力系統的內部的所述巖石樣品施加壓力脈衝的步驟；以及求出透水係數和單位儲水係數的步驟，通過所述壓力脈衝被衰減而獲得的壓力脈衝的變動來求出透水係數和單位儲水係數。
2.根據權利要求1所述的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，在所述求出透水係數和單位儲水係數的步驟中，從表示通過計算獲得的透水係數和單位儲水係數的計算值與通過所述測壓傳感器獲得的所述壓力脈衝的變動測定值之差的和/或其平均值的目標函數的圖表，讀取表示所述圖表內的等高線的最小值的坐標值，將所述最小值決定為所述巖石樣品的透水係數和單位儲水係數。
3.根據權利要求1所述的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，所述套管的材質為橡膠。
4.根據權利要求1所述`的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，在所述對巖石樣品施加軸壓和圍壓的步驟中，向流體流入空間供給流體並施加壓力。
5.根據權利要求4所述的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，所述流體為油。
6.一種在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，包括如下步驟:將巖石樣品置於外罩的內部的套管內的步驟；在所述巖石樣品的左右側分別安裝端塞和多孔盤來固定所述巖石樣品的步驟；將固定的所述巖石樣品與上遊段和下遊段相連接的步驟；在所述上遊段和所述下遊段分別附著測壓傳感器的步驟；分隔設置用於調節所述上遊段的大小的兩個閥的步驟；對所述巖石樣品施加軸壓和圍壓的步驟，對位於所述套管內的所述巖石樣品施加軸壓和圍壓來形成封閉的壓力系統；施加壓力脈衝的步驟，通過所述上遊段，對所述封閉的壓力系統內的所述巖石樣品施加壓力脈衝；以及求出透水係數和單位儲水係數的步驟，通過所述壓力脈衝被衰減而獲得的壓力脈衝的變動來求出透水係數和單位儲水係數。
7.根據權利要求6所述的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，在所述求出透水係數和單位儲水係數的步驟中，從表示通過計算獲得的透水係數和單位儲水係數的計算值與通過所述測壓傳感器獲得的所述壓力脈衝的變動測定值之差的和/或其平均值的目標函數的圖表，讀取表示所述圖表內的等高線的最小值的坐標值，將所述最小值決定為所述巖石樣品的透水係數和單位儲水係數。
8.根據權利要求6所述的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，所述套管的材質為橡膠。
9.根據權利要求6所述的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，所述施加壓力脈衝的步驟中，分別控制所述分隔的兩個閥，在所述上遊段的大小得到調節的狀態下，通過所述上遊段施加壓力脈衝。
10.根據權利要求9所述的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，通過重疊表示出多次重複所述施加壓力脈衝的步驟而獲得的目標函數的圖表，減少所述巖石樣品的所述透水係數和單位儲水係數的不確定度。
11.根據權利要求6所述的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，在所述對巖石樣品施加軸壓和圍壓的步驟中，向流體流入空間供給流體來施加壓力。
12.根據權利要求11所述的在壓力脈衝衰減試驗中減少不確定度的方法，其特徵在於，所述流體為油。
【文檔編號】G01N33/24GK103674801SQ201310410037
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2012年9月11日
【發明者】宋寅先, 金正贊 申請人:韓國地質資源研究院