本發(fā)明屬于壓水流量測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鉆孔壓水試驗多級流量高精度測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

放射性廢物地質(zhì)處置、co2地質(zhì)封存、石油戰(zhàn)略儲備等多選擇低滲透性巖體作為場址預(yù)先地下工程研究領(lǐng)域，裂隙巖體的滲透性特征研究是處置庫選址和性能評價的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。滲透系數(shù)是描述裂隙巖體滲透性的重要參數(shù)，通常通過壓水試驗的方法獲得，而壓水過程中的穩(wěn)定流量是計算滲透系數(shù)的重要參數(shù)之一。因此，如何準確、高精度的測量壓水試驗過程中的極低流量，對準確計算滲透系數(shù)進而描述滲透性特征等具有重要意義。

目前國內(nèi)外壓水試驗流量的測量主要通過機械流量表和電磁流量計，但是這兩種流量計均存在一定使用限制：1)機械流量表的流量通過一定時間內(nèi)的過水體積來推算，在體積記錄過程中，需要對指針位置進行估讀，人為增大了誤差；2)單個電磁流量計受其量程和精度的影響，對超量程或超精度范圍的流量無法測量；3)雖然可通過記錄電磁流量計顯示的體積值的變化來推導(dǎo)某一階段內(nèi)平均流量，但由于此種方法受流量計精度限制，在同一觀測時間內(nèi)，可獲得的有效數(shù)據(jù)較少，不能完整的反映壓水過程中流量的變化情況，而流量的變化情況可以描述滲流性質(zhì)(穩(wěn)定流/非穩(wěn)定流)；4)在深鉆孔壓水 試驗的現(xiàn)場操作中，特別是裂隙介質(zhì)鉆孔壓水試驗中，由于滲透系數(shù)的非均質(zhì)性，不同試驗段之間壓水流量的差別可能較大，甚至相差上百倍，現(xiàn)場試驗過程中頻繁更換不同量程的流量計會導(dǎo)致效率的大大降低。現(xiàn)有流量測量精度和方式的缺陷，限制了壓水試驗的效率和高精度滲透系數(shù)的求得。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：提供一種鉆孔壓水試驗多級流量高精度測量裝置及方法，能夠解決現(xiàn)有的流量測量系統(tǒng)精度不高和無法同時測量多個數(shù)量級的流量的問題。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種鉆孔壓水試驗多級流量高精度測量裝置，包括潛水泵回水管閥門、壓水壓力控制閥門、壓力表、高壓膠管、流量計前控制閥門一、流量計一、流量計后控制閥門一、流量計前控制閥門二、流量計二、流量計后控制閥門二、流量計前控制閥門三、流量計三、流量計后控制閥門三、流量計總控閥門一、流量計總控閥門二、三級電磁流量計保護閥門、壓水試驗用鉆桿、止水栓塞、高壓氮氣源、減壓閥一、控制閥門、尼龍管一、氣體輸入控制閥門一、氣體輸入控制閥門二、尼龍管二、減壓閥二、氣體壓力控制閥門、內(nèi)氣體壓力表、水流輸出控制閥門、內(nèi)輸水管、耐高壓密封容器、電子天平、尼龍管三、氣體壓力控制板、氣體輸出控制閥、潛水泵，潛水泵通過高壓膠管與壓水試驗用鉆桿連接，靠近潛水泵的高壓膠管上依次設(shè)有潛水泵回水管閥門、壓水壓力控制閥門、壓力表、流量計前控制閥門一、流量計一、 流量計后控制閥門一；在流量計后控制閥門一之后的高壓膠管增加回路，回路上依次設(shè)有流量計前控制閥門二、流量計二、流量計后控制閥門二，此段回路的主高壓膠管上設(shè)有流量計總控閥門一；之后的高壓膠管上再增加回路，回路上依次設(shè)有流量計前控制閥門三、流量計三、流量計后控制閥門三，此段回路的主高壓膠管上設(shè)有流量計總控閥門二；之后的高壓膠管上設(shè)有三級電磁流量計保護閥門，三級電磁流量計保護閥門與壓水試驗用鉆桿之間設(shè)有支路，支路連接有尼龍管三，尼龍管三與內(nèi)輸水管連接，之間設(shè)有水流輸出控制閥門，內(nèi)輸水管插入耐高壓密封容器中，耐高壓密封容器位于電子天平上，耐高壓密封容器上連接有內(nèi)氣體壓力表，內(nèi)氣體壓力表上設(shè)有氣體壓力控制閥門，內(nèi)氣體壓力表通過尼龍管二與氣體壓力控制板的一端連接，內(nèi)氣體壓力表與氣體壓力控制板之間的尼龍管二上設(shè)有減壓閥二，氣體壓力控制板的內(nèi)部管路上設(shè)有氣體輸入控制閥門一、氣體輸入控制閥門二、氣體輸出控制閥，氣體壓力控制板的另一端通過尼龍管一與高壓氮氣源連接，尼龍管一上設(shè)有減壓閥一、控制閥門。

流量計一的量程為1～100l；流量計二的量程為0.1～10l；流量計三的量程為0.01～1l；流量計總控閥門一的量程為0.1～10l；流量計總控閥門二的量程為0.01～1l；減壓閥一的量程為20mpa，精度為0.5mpa；尼龍管一、尼龍管二的壓力上限為10mpa；減壓閥二的量程為1mpa，精度為0.05mpa；耐高壓密封容器材質(zhì)為不銹鋼，容積為25l；潛水泵揚程為120m，流量為1m³/h。

一種鉆孔壓水試驗多級流量高精度測量方法，包括如下步驟：

步驟一、試驗開始前，確保閥門潛水泵回水管閥門、流量計前控制閥門一、流量計后控制閥門一、流量計總控閥門一、流量計總控閥門二、三級電磁流量計保護閥門處于打開狀態(tài)；

閥門壓水壓力控制閥門、流量計前控制閥門二、流量計后控制閥門二、流量計前控制閥門三、流量計后控制閥門三、水流輸出控制閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；

記錄電子天平此時的質(zhì)量數(shù)；

步驟二、接通潛水泵，將壓水試驗用鉆桿內(nèi)注滿水；打開閥門壓水壓力控制閥門、流量計前控制閥門一、流量計后控制閥門一、氣體輸入控制閥門二、氣體壓力控制閥門、水流輸出控制閥門、氣體輸出控制閥和減壓閥二，確保了在向鉆孔內(nèi)注水的同時亦可向耐高壓密封容器內(nèi)注水，待電子天平顯示質(zhì)量數(shù)增加20kg時關(guān)閉減壓閥二、氣體壓力控制閥門、水流輸出控制閥門；

步驟三、將耐高壓密封容器內(nèi)壓力調(diào)至0.35mpa；打開控制閥門，調(diào)節(jié)減壓閥一至輸出壓力為1mpa，打開氣體輸入控制閥門一、氣體輸入控制閥門二，調(diào)節(jié)減壓閥二至輸出壓力為0.3mpa，打開氣體壓力控制閥門，此時氮氣持續(xù)向耐高壓密封容器內(nèi)充氣，并維持在0.3mpa；

步驟四、將壓水試驗用鉆桿注滿水后，開始壓水試驗；

通過調(diào)節(jié)潛水泵回水管閥門和壓水壓力控制閥門使壓力表的示數(shù)在0.3mpa；先觀測流量計一顯示的流量數(shù)據(jù)，若流量在10l/min以上，則繼續(xù)壓水；若流量計一顯示流量小于10l/min或無流量顯示， 則打開流量計前控制閥門二和流量計后控制閥門二，關(guān)閉流量計總控閥門一，此時流量計二啟用；

步驟五、觀測流量計二顯示的流量數(shù)據(jù)，若流量計二顯示流量在1l/min以上，則繼續(xù)壓水；若流量計二顯示流量數(shù)據(jù)在1l/min以下或無流量顯示，則打開流量計前控制閥門三和流量計后控制閥門三，關(guān)閉流量計總控閥門二，此時流量計三啟用；

步驟六、繼續(xù)觀測流量計三顯示的流量數(shù)據(jù)，若有流量數(shù)據(jù)，則繼續(xù)壓水；若流量計三無流量數(shù)據(jù)，則依次關(guān)閉壓水壓力控制閥門、潛水泵、流量計總控閥門一、流量計總控閥門二、三級電磁流量計保護閥門、流量計前控制閥門一、流量計后控制閥門一、流量計前控制閥門二、流量計后控制閥門二、流量計前控制閥門三、流量計后控制閥門三，此時流量計一、流量計二、流量計三停用；

步驟七、打開水流輸出控制閥門，此時耐高壓密封容器內(nèi)水在恒定壓力氮氣推動下，經(jīng)內(nèi)輸水管、尼龍管三、高壓膠管進入鉆孔試驗段；

步驟八、電子天平質(zhì)量示數(shù)的記錄；首先按照30s的頻率記錄電子天平顯示的質(zhì)量數(shù)，若在30s內(nèi)顯示的質(zhì)量示數(shù)無變化，則記錄質(zhì)量減少0.5g時的時刻；

步驟九、壓水完成，依次關(guān)閉水流輸出控制閥門、控制閥門，打開氣體輸出控制閥，此時耐高壓密封容器內(nèi)氮氣排出，同時進行試驗段內(nèi)壓力恢復(fù)試驗；

步驟十、耐高壓密封容器內(nèi)氣體排凈且壓力恢復(fù)可停止時，即可 將所有閥門恢復(fù)至步驟一時的狀態(tài)。

步驟十一、流量計算。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供的一種鉆孔壓水試驗多級流量高精度測量裝置及方法，能夠監(jiān)測到小于1ml/min的流量，提高了流量監(jiān)測的精度，準確計算滲透系數(shù)進而描述滲透性特征；

本發(fā)明提供的一種鉆孔壓水試驗多級流量高精度測量裝置及方法，能夠滿足不同數(shù)量級別流量的測量，提高工作效率和數(shù)據(jù)準確度。

附圖說明

圖1為壓水試驗多級高精度流量測量裝置；

圖中：1-潛水泵回水管閥門；2-壓水壓力控制閥門；3-壓力表；4-高壓膠管；5-流量計前控制閥門一；6-流量計一；7-流量計后控制閥門一；8-流量計前控制閥門二；9-流量計二；10-流量計后控制閥門二；11-流量計前控制閥門三；12-流量計三；13-流量計后控制閥門三；14-流量計總控閥門一；15-流量計總控閥門二；16-三級電磁流量計保護閥門；18-壓水試驗用鉆桿；19-止水栓塞；20-高壓氮氣源；21-減壓閥一；22-控制閥門；23-尼龍管一；24-氣體輸入控制閥門一；25-氣體輸入控制閥門二；26-尼龍管二；27-減壓閥二；28-氣體壓力控制閥門；29-內(nèi)氣體壓力表；30-水流輸出控制閥門；31-內(nèi)輸水管；32-耐高壓密封容器；33-電子天平；34-尼龍管三；35-氣體壓力控制板；36-氣體輸出控制閥；37-潛水泵。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的一種鉆孔壓水試驗多級流量高精度測量裝置及方法作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明一種鉆孔壓水試驗多級流量高精度測量裝置，包括潛水泵回水管閥門1、壓水壓力控制閥門2、壓力表3、高壓膠管4、流量計前控制閥門一5、流量計一6、流量計后控制閥門一7、流量計前控制閥門二8、流量計二9、流量計后控制閥門二10、流量計前控制閥門三11、流量計三12、流量計后控制閥門三13、流量計總控閥門一14、流量計總控閥門二15、三級電磁流量計保護閥門16、壓水試驗用鉆桿18、止水栓塞19、高壓氮氣源20、減壓閥一21、控制閥門22、尼龍管一23、氣體輸入控制閥門一24、氣體輸入控制閥門二25、尼龍管二26、減壓閥二27、氣體壓力控制閥門28、內(nèi)氣體壓力表29、水流輸出控制閥門30、內(nèi)輸水管31、耐高壓密封容器32、電子天平33、尼龍管三34、氣體壓力控制板35、氣體輸出控制閥36、潛水泵37，潛水泵37通過高壓膠管4與壓水試驗用鉆桿18連接，靠近潛水泵37的高壓膠管4上依次設(shè)有潛水泵回水管閥門1、壓水壓力控制閥門2、壓力表3、流量計前控制閥門一5、流量計一6、流量計后控制閥門一7；在流量計后控制閥門一7之后的高壓膠管4增加回路，回路上依次設(shè)有流量計前控制閥門二8、流量計二9、流量計后控制閥門二10，此段回路的主高壓膠管4上設(shè)有流量計總控閥門一14；之后的高壓膠管4上再增加回路，回路上依次設(shè)有流量計前控制閥門三11、流量計三12、流量計后控制閥門三13，此段回路的主高壓膠管4上設(shè)有流量計總控閥門二15；之后的高壓膠 管4上設(shè)有三級電磁流量計保護閥門16，三級電磁流量計保護閥門16與壓水試驗用鉆桿18之間設(shè)有支路，支路連接有尼龍管三34，尼龍管三34與內(nèi)輸水管31連接，之間設(shè)有水流輸出控制閥門30，內(nèi)輸水管31插入耐高壓密封容器32中，耐高壓密封容器32位于電子天平33上，耐高壓密封容器32上連接有內(nèi)氣體壓力表29，內(nèi)氣體壓力表29上設(shè)有氣體壓力控制閥門28，內(nèi)氣體壓力表29通過尼龍管二26與氣體壓力控制板35的一端連接，內(nèi)氣體壓力表29與氣體壓力控制板35之間的尼龍管二26上設(shè)有減壓閥二27，氣體壓力控制板35的內(nèi)部管路上設(shè)有氣體輸入控制閥門一24、氣體輸入控制閥門二25、氣體輸出控制閥36，氣體壓力控制板35的另一端通過尼龍管一23與高壓氮氣源20連接，尼龍管一23上設(shè)有減壓閥一21、控制閥門22。

流量計一6的量程為1～100l；流量計二9的量程為0.1～10l；流量計三12的量程為0.01～1l；流量計總控閥門一14的量程為0.1～10l；流量計總控閥門二15的量程為0.01～1l；減壓閥一21的量程為20mpa，精度為0.5mpa；尼龍管一23、尼龍管二26的壓力上限為10mpa；減壓閥二27的量程為1mpa，精度為0.05mpa；耐高壓密封容器32材質(zhì)為不銹鋼，容積為25l；潛水泵37揚程為120m，流量為1m³/h。

一種鉆孔壓水試驗多級流量高精度測量方法，包括如下步驟：

實施例1

步驟一、試驗開始前，確保閥門潛水泵回水管閥門1、流量計前 控制閥門一5、流量計后控制閥門一7、流量計總控閥門一14、流量計總控閥門二15、三級電磁流量計保護閥門16處于打開狀態(tài)；

閥門壓水壓力控制閥門2、流量計前控制閥門二8、流量計后控制閥門二10、流量計前控制閥門三11、流量計后控制閥門三13、水流輸出控制閥門30處于關(guān)閉狀態(tài)；

記錄電子天平33此時的質(zhì)量數(shù)；

步驟二、接通潛水泵37，將壓水試驗用鉆桿18內(nèi)注滿水；打開閥門壓水壓力控制閥門2、流量計前控制閥門一5、流量計后控制閥門一7、氣體輸入控制閥門二25、氣體壓力控制閥門28、水流輸出控制閥門30、氣體輸出控制閥36和減壓閥二27，確保了在向鉆孔內(nèi)注水的同時亦可向耐高壓密封容器32內(nèi)注水，待電子天平33顯示質(zhì)量數(shù)增加20kg時關(guān)閉減壓閥二27、氣體壓力控制閥門28、水流輸出控制閥門30；

步驟三、將耐高壓密封容器32內(nèi)壓力調(diào)至0.35mpa；打開控制閥門22，調(diào)節(jié)減壓閥一21至輸出壓力為1mpa，打開氣體輸入控制閥門一24、氣體輸入控制閥門二25，調(diào)節(jié)減壓閥二27至輸出壓力為0.3mpa，打開氣體壓力控制閥門28，此時氮氣持續(xù)向耐高壓密封容器32內(nèi)充氣，并維持在0.3mpa；

步驟四、將壓水試驗用鉆桿18注滿水后，開始壓水試驗；

通過調(diào)節(jié)潛水泵回水管閥門1和壓水壓力控制閥門2使壓力表3的示數(shù)在0.3mpa；先觀測流量計一6顯示的流量數(shù)據(jù)，若流量在10l/min以上，則繼續(xù)壓水；若流量計一6顯示流量小于10l/min或 無流量顯示，則打開流量計前控制閥門二8和流量計后控制閥門二10，關(guān)閉流量計總控閥門一14，此時流量計二9啟用；

步驟五、觀測流量計二9顯示的流量數(shù)據(jù)，若流量計二9顯示流量在1l/min以上，則繼續(xù)壓水；若流量計二9顯示流量數(shù)據(jù)在1l/min以下或無流量顯示，則打開流量計前控制閥門三11和流量計后控制閥門三13，關(guān)閉流量計總控閥門二15，此時流量計三12啟用；

步驟六、繼續(xù)觀測流量計三12顯示的流量數(shù)據(jù)，若有流量數(shù)據(jù)，則繼續(xù)壓水；若流量計三12無流量數(shù)據(jù)，則依次關(guān)閉壓水壓力控制閥門2、潛水泵37、流量計總控閥門一14、流量計總控閥門二15、三級電磁流量計保護閥門16、流量計前控制閥門一5、流量計后控制閥門一7、流量計前控制閥門二8、流量計后控制閥門二10、流量計前控制閥門三11、流量計后控制閥門三13，此時流量計一6、流量計二9、流量計三12停用；

步驟七、打開水流輸出控制閥門30，此時耐高壓密封容器32內(nèi)水在恒定壓力氮氣推動下，經(jīng)內(nèi)輸水管31、尼龍管三34、高壓膠管4進入鉆孔試驗段；

步驟八、電子天平33質(zhì)量示數(shù)的記錄；首先按照30s的頻率記錄電子天平33顯示的質(zhì)量數(shù)，若在30s內(nèi)33顯示的質(zhì)量示數(shù)無變化，則記錄質(zhì)量減少0.5g時的時刻；

步驟九、壓水完成，依次關(guān)閉水流輸出控制閥門30、控制閥門22，打開氣體輸出控制閥36，此時耐高壓密封容器32內(nèi)氮氣排出，同時進行試驗段內(nèi)壓力恢復(fù)試驗；

步驟十、耐高壓密封容器32內(nèi)氣體排凈且壓力恢復(fù)可停止時，即可將所有閥門恢復(fù)至步驟1時的狀態(tài)；

步驟十一、流量計算。

實施例2

其他壓力條件下壓水試驗，步驟如下：關(guān)閉氣體壓力控制閥門28、水流輸出控制閥門30；調(diào)節(jié)減壓閥二27至設(shè)定壓力；打開氣體壓力控制閥門28，向耐高壓密封容器32內(nèi)充氣；內(nèi)氣體壓力表29顯示耐高壓密封容器32內(nèi)氣壓達到設(shè)定壓力時，打開水流輸出控制閥門30；此時重復(fù)步驟八至步驟十。