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与流程

技术特征：
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的标准曲线是根据该关系绘制而成的。6.根据权利要求5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中不同倾角裂隙情况下的振荡试验理论模型的推导过程为：对式(19)关于t
′
作拉普拉斯变换：
因为，当t
′
＝0时，h
′
＝0；式(22)是一个关于z
′
的二阶常微分方程，则式(22)的解为：或者写成：由于当r
′→
∞时，所以：或者写成：那么对关于r
′
求导，得：或者写成：当x低于设定值时，e
x
≈1 x，因此，式(27)简化为：那么，式(28)简化为，
对公式(20)关于t
′
作拉普拉斯变换：当t
′
＝0时，w
′
＝-1，所以：1，所以：取θ＝0
°
和θ＝180
°
的两者水力梯度的平均值，则得：将式(29)代入公式(33)，得：将式(30)代入公式(33)，得：将式(34)和式(35)进行比较后得：所以，a b＝a
′
b
′ꢀꢀꢀꢀꢀ
(36)那么对式(21)关于t
′
作拉普拉斯变换，则式(21)变为：因为，当t
′
＝0时，w
′
＝-1，这里取：或者写成：
根据式(38)和式(39)比较得：(a
′
b
′
)＝(a b)≈2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(40)因为，足够小，并且介于(0,1)之间，所以：其中，δ为小于2，但是接近2的一个数；将式(41)代入(37)，得：将式(34)代入式(42)后，整理得：令q(s)＝βs2 αs 1，即根据gille提到水位的变化是受变换函数的极点所控制的，而q(s)的零点与的极点相同，以及根据拉普拉斯逆变换原理，式(43)中要能拉普拉斯逆变换，则需要分母可分离，即要求出根，即q(s)＝βs2 αs 1＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(44)则方程式(44)的根为：取当时，p
j
＝γ iω为复数，即当时，即当时，p
j
＝γ
±
ω，因为，|p
j
|与的距离很小，认为为其极限值，所以，综上所述三种情况下，都认为因为，当t
′
＝0时，所以，当ζ＜1时，式(43)整理后为：
则式(45)经过逆变换后得：当β超过设定值时，式(46)近似为：当ζ＝1时，式(43)整理后为：则式(48)经过逆变换后得：当β超过设定值时，式(49)近似为：当ζ＞1时，式(43)整理后为：则式(51)经过逆变换后得：
当β超过设定值时，式(52)近似为：7.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s3中介质不同倾角裂隙渗透参数包括单裂隙的渗透系数、当量渗透系数和渗透系数张量。8.根据权利要求7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s3中采用配线法确定不同倾角裂隙渗透参数的具体过程为：a1：依据采集得到的钻孔中水位变化w与时间t的对应观测资料，在与标准曲线相同模数的半对数纸上，时间取对数，绘制试验钻孔中水位变化w与时间t的实测曲线；a2：使实测曲线坐标原点与标准曲线坐标原点在半对数纸上处于同一高度，通过平移实测曲线时间坐标轴t来匹配实测曲线与标准曲线；记录拟合标准曲线的相对阻尼系数ζ、无量纲系数α值；任选一个匹配点，记录匹配点在标准曲线上的值和w
′
值，同时在实测曲线坐标上记录匹配点的时间值t和水位变化值w；a3：根据得到的钻孔中裂隙结构面产状：倾向β
i
、倾角以及裂隙的宽度b
ij
，计算裂隙贮水率：和单裂隙的渗透系数：a4：对于岩体中某组非等宽度和非等间距的裂隙，计算同组结构面的当量渗透系数k
ei
：式中：k
eij
为第i组结构面第j条裂隙的渗透系数；m为第i组结构面裂隙的总条数；b
ij
为第i组结构面第j条裂隙的宽度；a5：当裂隙岩体发育有几组不同产状裂隙结构面时，若取直角坐标系的三个正轴ox1、oy2、oz3分别为正北、正东和铅直向上，计算裂隙岩体的渗透系数张量k：式中：i为第i组裂隙结构面的编号；k
ei
为第i组裂隙结构面的当量渗透系数；n为岩体中裂隙结构面发育的总组数。

技术总结
本发明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-裂隙含水层系统，建立井中水流振动方程的数学模型；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，得到确定介质不同倾角裂隙渗透参数的标准曲线；开展振荡试验，采用配线法确定介质不同倾角裂隙渗透参数。本发明具有严谨的数学模型和严格的数学理论推导，完善了振荡试验确定介质不同倾角裂隙渗透参数的相关理论与方法，解决了振荡试验在裂隙介质中应用所存在的问题，此外，采用配线的方法计算介质不同倾角裂隙渗透参数，简单易掌握，获取参数多且精度高，具有很好的应用推广价值。推广价值。推广价值。


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
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2021.09.23
技术公布日：2022/1/25