[发明专利]一种多功能的低渗介质气体渗透性测试装置及测试方法

权利要求书

1.一种多功能的低渗介质气体渗透性测试装置的测试方法，其中，所述多功能的低渗介质渗透性测试装置包括试验装置(15)和气体注入装置；

所述试验装置(15)包括顶盖(18)、底座(23)、主体(21)和二片透水石(20)；所述主体(21)为一空心圆柱体，其内径记为L₁，高度记为h₁；所述顶盖(18)和底座(23)的形状完全相同，由直径不同的二个同轴圆柱体构成，记小同轴圆柱体的高度为h₂，直径为L₂，2h₂＜h₁，L₂＝L₁-△L，间隙△L为0.5mm-1.5mm；记小同轴圆柱体与大同轴圆柱体的非接触面为下底面(26)，下底面(26)的中心位置开有通道口B(25)，顶盖(18)和底座(23)的大同轴圆柱体外壁开有通道口A(24)，通道口A(24)与通道口B(25)之间开有通道(17)；二片透水石(20)分别镶嵌在顶盖(18)和底座(23)的下底面(26)上；将顶盖(18)和底座(23)的二个小同轴圆柱体从上下二个方向嵌入主体(21)的内腔，形成封闭的渗透室(22)；

所述气体注入装置包括空气储气罐(1)、不锈钢钢管(3)、气体缓冲罐(4)、两通接头A(5)、减压阀A(6)、压力传感器A(7)、二通球阀A(8)、减压阀B(9)、压力传感器B(10)、二通球阀B(11)、两通接头B(12)、三通球阀(13)和压力体积控制器(14)；气体缓冲罐(4)的一端通过不锈钢钢管(3)与空气储气罐(1)连接，另一端通过两通接头A(5)将气体分成两个支流进行分流，一路经减压阀A(6)、压力传感器A(7)以及二通球阀A(8)与底座(23)上的通道口A(24)相连；另一路经减压阀B(9)、压力传感器B(10)、二通球阀B(11)到达两通接头B(12)；所述两通接头B(12)的一端与顶盖(18)上的通道口A(24)相连，另一端经三通球阀(13)与压力体积控制器(14)相连；

其特征在于，所述测试方法将需要进行测试的试样干密度范围均分为F份，得到F种预设试样干密度和F个预定试样，对F个预定试样逐个进行注水饱和试验、稳态法气体渗透试验和瞬态法气体渗透试验，其中任一个预定试样的具体测试步骤均如下：

步骤1，试样装填

将预定试样的预设试样干密度记为ρ_d，计算填满渗透室(22)所需预定试样质量m_s，然后将预定试样倒入嵌有底座(23)的渗透室(22)中，且在预定试样顶部和底部均垫有滤纸，再将顶盖(18)完全嵌入主体(21)中并紧固，完成预定试样的装填；

步骤2，注水饱和试验

将试验装置(15)与压力体积控制器(14)连接，并将压力体积控制器(14)加满蒸馏水后，对渗透室(22)中的预定试样进行恒定压力P的注水饱和试验，同时记录蒸馏水注入水量V_w随时间的变化；当预定试样已达到饱和状态，注水饱和试验结束；

步骤3，接入气体注入装置

将试验装置(15)与气体注入装置进行连接；接入前，将压力体积控制器(14)中蒸馏水排空，并检查气体注入装置，确保各个阀门均处于断开状态；

步骤4，开始气体渗透试验

打开空气储气 罐(1)的阀门，使气体经不锈钢钢管(3)进入气体缓冲罐(4)，进行气体渗透试验；所述气体渗透试验包括稳态法气体渗透试验和瞬态法气体渗透试验，稳态法气体渗透试验按照步骤5执行，瞬态法气体渗透试验按照步骤6执行；

步骤5，稳态法气体渗透试验

步骤5.1，设定稳态法目标压力P₁，稳态法初始压力P₀，且P₀＞P₁≥0，所述目标压力P₁为稳态法试验中的反压端压力，由压力体积控制器(14)控制；所述稳态法初始压力P₀为气体注入压力；压力单位均为kPa；

步骤5.2，关闭减压阀B(9)和二通球阀B(11)；打开三通球阀(13)使压力体积控制器(14)与试验装置(15)之间连通；

调节压力体积控制器(14)至步骤5.1设定的稳态法目标压力P₁，并将气体体积调至0；调节减压阀A(6)至步骤5.1设定的稳态法初始压力P₀；

步骤5.3，打开二通球阀A(8)，对预定试样进行气体渗透试验，并记录气体体积V_a随时间t的变化；所述气体体积V_a是指在时间t内气体渗透预定试样并进入压力体积控制器(14)的气体体积；

步骤5.4，检验是否满足设定的试验终止条件，如果满足终止条件之一，计算预定试样的气体渗透率K，并结束稳态法气体渗透试验，进入步骤7；

所述试验终止条件为以下两种：

①渗透预定试样的气体充满压力体积控制器(14)；

②试验过程中，当渗透试样的气体流量Q_a趋于恒定值d，且在5min的时间内，气体流量Q_a与d的差值均不超过0.01ml/min；气体流量Q_a计算公式如下：

|Q_a-d|≤0.01，

其中，气体流量Q_a的单位为ml/min，Δv1为Δt1时间内流进压力体积控制器(14)的气体体积，单位为ml，d为气体流量的恒定值；

所述预定试样的气体渗透率K的计算公式如下：

其中，μ为气体的粘滞系数，单位为Pa·s；P′为大气压101.3kPa；L为预定试样高度，单位为m；A为预定试样横截面积，单位m²；

步骤6，瞬态法气体渗透试验

步骤6.1，设定瞬态法反压端压力P₃，瞬态法初始压力P₂，且P₂＞P₃≥0，所述瞬态法反压端压力由减压阀B(9)控制；所述瞬态法初始压力P₂为气体注入压力，由减压阀A(6)控制；压力单位均为kPa；

步骤6.2，断开三通球阀(13)，使试验装置(15)上下端形成闭合回路；打开减压阀A(6)和减压阀B(9)，分别将减压阀A(6)和减压阀B (9)调整至步骤6.1设定的瞬态法初始压力P₂和瞬态法反压端压力P₃；

步骤6.3，再打开二通球阀A(8)和二通球阀B(11)，待气压稳定后断开减压阀A(6)和减压阀B(9)；同时记录瞬态法初始压力P₂和瞬态法反压端压力P₃随时间的变化情况；

步骤6.4，检验是否满足设定的试验终止条件，如果满足终止条件，计算预定试样的气体渗透率K，并结束瞬态法气体渗透试验，进入步骤7；

所述试验终止条件为：试验时，P₂与P₃之间差距逐渐减小，并在10min时间之内，均满足P₂-P₃≤3kPa；

所述预定试样的气体渗透率K的计算如下：

其中，R为通用气体常数；T为试验时的温度，单位℃；d_n为气体在时间间隔dt内通过预定试样的物质的量，单位为mol，时间间隔dt的单位为s；

步骤7，检查F个预定试样中是否还有预定试样未进行以上试验，若有，返回步骤1，进行下一个预定试样的测试；否则，测试结束。