渗水试验
渗水试验是一种在野外现场测定包气带土（岩）层垂向渗透性的简易方法。在研究大气降水、灌水、渠水、暂时性表流对地下水的补给量时，常需进行此种试验。
试验方法主要有试坑法、单环法和双环法，其中，前两种方法多用于粗粒岩石和砂性土，后一种方法主要用于粘性土和其他松散岩层。
（1）试坑法：其方法是在试验层中开挖一个截面积不大（0.3～0.5m2）的方形或圆形试坑，不断将水注入坑中，并使坑底的水层厚度保持一定（一般为10cm 厚，图5-11），当单位时间注入水量（即包气带岩层的渗透流量）保持稳定时，则可根据达西渗透定律计算出包气带土层的渗透系数（K），即：
专门水文地质学
其中：
专门水文地质学
式中：Q为稳定渗入流量（m3/d）；V为渗透水流速度（m/d）；ω为渗水坑的底面积，即过水断面面积，m2；I为垂向水力坡度；Hk为包气带岩土层的毛细上升高度（m），可直接测定或用经验数据；Z为渗水坑内水层厚度（m）；L为水从坑底向下渗入的深度（m），可通过试验前在试坑外侧3～4m外和试验后在坑中钻两个小径钻孔取土样，测定其不同深度岩土的含水量（湿度）值的变化，经对比后确定之。
在通常情况下，当渗入水到达潜水面后，Hk=0，又因Z小于L，故由（5-9）式计算求得的水力坡度近似等于1（即I≈1）。于是（5-8）式可写成：
专门水文地质学
（5-10）式说明，在通常条件下，包气带土层的垂向渗透系数（K），实际上等于渗入水在包气带土层中的渗透速度（V），即等于试坑底单位面积上的渗透水量。
由于试坑法直接从试坑中渗水，未考虑渗入水向试坑以外土层中侧向渗入的影响（图5-11），故所求得的K值常常偏大。
（2）环渗法：为了克服试坑法侧向渗水的影响，常采用环渗法，环渗法有单环法和双环法。其中单环法是在试坑中嵌入一个铁环（直径约35.75cm，高一般为0.5m），以减少侧渗，提高精度，双环法的渗水试验装置如图5-12所示，整个装置置于试坑中，装置由内、外圆环及马氏瓶组成。内外环间水体下渗所形成的环状水围幕即可阻止内环水向侧向渗透，使其竖直渗入，以便用内环渗水资料更精确的计算渗透系数（K），马氏瓶为定水头自动给水装置，为防止冲刷，环内还应铺设2cm厚的砾石层。试验时，用两瓶分别向内、外环注水，并记录渗水量，直至流量稳定并延续2～4h，即可停止注水，此时通过内环的稳定渗透速度，就是包气带岩石的渗透系数，即K=V。一般双环法的精度高于单环法。
在野外进行渗水试验时，为了说明试验过程和渗透速度的变化情况，一般要求在试验现场绘制渗透速度（V）随时间（t）变化的过程线（图5-13），其稳定后的V值，即为包气带岩土层的渗透系数（K）。
图5-11 试坑渗水试验示意图
图5-12 双环法试坑渗入试验装置图
1—内环；2—外环；3—自动补充水瓶；4—水量标尺（单位为m）
由于水体下渗时常常不能完全排出岩层中的空气，对渗水试验结果有一定影响。
岩石绝对渗透率的主要测定条件有哪些
渗透率有压力差时岩石允许液体及气体通过的性质称为岩石的渗透性，渗透率是岩石渗透性的数量表示。它表征了油气通过地层岩石流向井底的能力，单位是平方米(或平方微米)。绝对渗透率绝对或物理渗透率是指当只有任何一相(气体或单一液体)在岩石孔隙中流动而与岩石没有物理�化学作用时所求得的渗透率。通常则以气体渗透率为代表，又简称渗透率.相(有效)渗透率与相对渗透率多相流体共存和流动于地层中时，其中某一相流体在岩石中的通过能力的大小，就称为该相流体的相渗透率或有效渗透率。某一相流体的相对渗透率是指该相流体的有效渗透率与绝对渗透率的比值。地层压力及原始地层压力油、气层本身及其中的油、气、水都承受一定的压力，称为地层压力。地层压力可分三种：原始地层压力，目前地层压力和油、气层静压力。油田未投入开发之前，整个油层处于均衡受压状态，没有流动发生。在油田开发初期，第一口或第一批油井完井，放喷之后，关井测压。此时所测得的压力就是原始地层压力。地层压力系数地层的压力系数等于从地面算起，地层深度每增加10米时压力的增量。低压异常及高压异常一般来说，油层埋藏愈深压力越大，大多数油藏的压力系数在0.7-1.2之间，小于0.7者为低压异常，大于1.2者为高压异常。油井酸化处理酸化的目的是使酸液大体沿油井径向渗入地层，从而在酸液的作用下扩大孔隙空间，溶解空间内的颗粒堵塞物，消除井筒附近使地层渗透率降低的不良影响，达到增产效果。压裂酸化在足以压开地层形成裂缝或张开地层原有裂缝的压力下对地层挤酸的酸处理工艺称为压裂酸化。压裂酸化主要用于堵塞范围较深或者低渗透区的油气井。压裂所谓压裂就是利用水力作用，使油层形成裂缝的一种方法，又称油层水力压裂。油层压裂工艺过程是用压裂车，把高压大排量具有一定粘度的液体挤入油层，当把油层压出许多裂缝后，加入支撑剂(如石英砂等)充填进裂缝，提高油层的渗透能力，以增加注水量(注水井)或产油量(油井)。常用的压裂液有水基压裂液、油基压裂液、乳状压裂液、泡沫压裂液及酸基压裂液5种基本类型。高能气体压裂用固体火箭推进剂或液体的**，在井下油层部位引火爆燃(而不是爆炸)，产生大量的高压高温气体，在几个毫秒到几十毫秒之内将油层压开多条辐射状，长达2～5m的裂缝，爆燃冲击波消失后裂缝并不能完全闭合，从而解除油层部分堵塞，提高井底附近地层渗透能力，这种工艺技术就是高能气体压裂。高能气体压裂具有许多优点，主要的有以下几点，不用大型压裂设备；不用大量的压裂液；不用注入支撑剂；施工作业方便快速；对地层伤害小甚至无伤害；成本费用低等。油田开发油田开发是指在认识和掌握油田地质及其变化规律的基础上，在油藏上合理的分布油井和投产顺序，以及通过调整采油井的工作制度和其它技术措施，把地下石油资源采到地面的全过程。油田开发程序油田开发程序是指油田从详探到全面投入开发的工作顺序。1.在见油的构造带上布置探井，迅速控制含油面积。2.在已控制含油面积内，打资料井，了解油层的特征。3.分区分层试油，求得油层产能参数。4.开辟生产试验区，进一步掌握油层特性及其变化规律。5.根据岩心、测井和试油、试采等各项资料进行综合研究，作出油层分层对比图、构造图和断层分布图，确定油藏类型。6.油田开发设计。7.根据最可靠、最稳定的油层钻一套基础井网。钻完后不投产，根据井的全部资料，对全部油层的油砂体进行对比研究，然后修改和调整原方案。8.在生产井和注水井投产后，收集实际的产量和压力资料进行研究，修改原来的设计指标，定出具体的各开发时期的配产、配注方案。由于每个油田的情况不同，开发程序不完全相同。油藏驱动类型油藏驱动类型是指油层开采时驱油主要动力。驱油的动力不同，驱动方式也就不同。油藏的驱动方式可以分为四类：水压驱动、气压驱动、溶解气驱动和重力驱动。实际上，油藏的开采过程中的不同阶段会有不同的驱动能量，也就是同时存在着几种驱动方式。可采储量可采储量是指在现有经济和技术条件下，从油气藏中能采出的那一部分油气量。可采储量随着油气价格上涨及应用先进开采工艺技术而增加。采油速度油田(油藏)年采出量与其地质储量的比例，以百分比表示，称做采油速度。采油强度采油强度是单位油层厚度的日采油量，就是每米油层每日采出多少吨油。采油指数油井日产油量除以井底压力差，所得的商叫采油指数。采油指数等于单位生产压差的油井日产油量，它是表示油井产能大小的重要参数。采收率可采储量占地质储量的百分率，称做采收率。
压水试验法
压水试验法是国内外长期用来测量和评价岩层渗透性的有效方法。因为在各种野外原地水力试验方法中(压水试验、注水试验和抽水试验)压水试验方法有其独特的优越性：操作简单、迅速，地下水位以上和以下均可使用，在同一钻孔中进行分段压水还可以测得岩层渗透性柱状剖面图，对矿床水文地质分层尤其对双层水位矿床具有不可替代的作用。尽管压水试验方法还有某些缺点，比如未考虑溶隙的方向和各向异性特点等，在双层水位矿床水文地质工作中，大多数情况下是可以满足矿山防治水需要的，这种方法仍不失为一种实际可行的好方法。
图6-1 a.双管压水器具；b.单管压水器具
(一)单孔单栓塞压水试验法
目前，国内外经常采用的是双管单栓塞压水试验器具(图6-1a)。这种压水试验器具的最大缺点：当钻孔较深时，双层管操作比较麻烦。故作者又将其改为单管单栓塞压水试验器具(图6-1b)。单管单栓塞压水试验器具的工作原理同双管单栓塞压水试验器具相同，只不过单管器具将加压的螺杆移到孔内栓塞的上部，而双管器具是在钻孔孔口。这样做的好处是操作简单，免去了双管的麻烦(深孔尤为突出)。试验时，孔内栓塞靠人力或机械旋转施加压力，使橡胶栓塞膨胀压紧孔壁，在栓塞与孔底之间形成一个封闭的压水区域。压水试验时，水从进水管进入压水段，水的压力则从孔口的压力表读取，在不考虑各向异性时，渗透系数可按下式计算：
双层水位矿床地下水深层局部疏干方法的理论与实践
式中：h为压水段的水头值(m)；Q为压水量(m3/d)；L为压水段长度(m)；K为渗透系数(m/d)；r为压水段半径(m)。
应该指出，单孔压水试验测得的渗透系数为压水段的平均渗透系数，更不是各向异性岩层的渗透系数。对双层水位矿床的研究，大多数情况下，只要搞清了溶隙含水层的平均渗透性，基本可以满足矿山生产的需要。因此，在矿床水文地质勘探初期，采取单孔压水试验方法，在矿床范围内根据勘探阶段的不同，选取一定比例的地质钻孔进行单孔分层压水试验，并据此作出钻孔渗透性柱状及剖面图，在充分考虑其他地质资料和物探资料的条件下，一般情况下便能够判断出矿床是否具有双层水位流，矿床是否是双层水位矿床。突变型双层水位矿床可以，渐变型双层水位矿床也可以。
如何根据单孔分层压水试验资料来判断矿床是否存在双层水位呢?其方法如下。
首先作出钻孔渗透性状柱剖面图，再在渗透性剖面图中，选择具有如下渗透特征的孔段：
(1)具有“V模式”渗透性特征的孔段，即渗透性具有“大—小—中”三元结构的孔段；
(2)具有“L模式”渗透性特征的孔段，即渗透性具有“大变小—突然膨大”的二元结构的孔段；
(3)整个钻孔的渗透性具有自上而下逐渐减少的特征。
不管上述哪种特征的孔段，只要能够具备下述条件之一，则可判断矿床能够形成双层水位流。
①具有1、2两项特征的钻孔可以在剖面中相互联系起来，既可以把同一个剖面中有一种模式的孔段联系起来，也可以在同一剖面中把两种以上的模式联系起来；②渗透性被联系起来的剖面，至少有一组空间上与矿体存在着密切的相互关系(比如剖面距离矿体比较近，在矿床开采的影响范围以内)；③渗透性具有逐渐减少特征的钻孔深度应足够大。
具有上述条件的矿床应该是双层水位矿床。
(二)其他压水试验法
单孔单栓塞压水试验法所得的结果，尽管比较粗糙，但因其方法操作简单、方便既可在地下水位以上进行，也可以在地下水位以下进行，而且还可以在同一钻孔中方便地进行分段多次压水，能够获得地层渗透性柱状图或剖面图，对于双层水位矿床的水文地质评价在大多数条件下可以满足矿山需要。当然，对于一些技术要求比较高的工程项目，单孔单栓塞压水试验的结果有时满足不了工程计算精度的要求，比如水工渗流计算等。因此，下面简单介绍几种更科学、更准确、更能够充分考虑岩体各向异性的试验方法。
1.校正系数法
1978年罗克哈等人提出了校正系数法，1989年田开铭和万力教授对罗克哈等提出的校正系数法进行了改进，并提出了一套具体的计算方法，还编制了程序，应用十分方便。
校正系数法是以裂隙测量法的计算结果为基础，利用单栓塞压水试验数据就可以求得比较粗略的各向同性渗透张量。较单纯的单孔单栓塞压水试验方法前进了一大步。这种方法的优点是简单易行。但它必须有裂隙测量的计算结果作前提，否则，无法计算。这种方法提供结果的准确性，在很大程度上取决于压水试验结果的精度。因此，它们也是一个粗略的方法。但相对我国具体的勘探水平而言，校正系数法仍不愧为一个有效的方法，特别是对于利用水文地质部门几十年来所积累的大量压水试验资料，把这些资料由各向同性转换成工程需要的各向异性渗透资料，具有很大的实际意义和实用价值(具体方法见《各向异性裂隙介质渗透性的研究与评价》一书)。
2.三段压水试验
三段压水试验的方法，是1972年由路易斯提出。基本思路是用压水试验分别确定单组裂隙的渗透系数，再根据每组裂隙的产状把渗透系数叠加，就可以求得岩体的总渗透张量。这种方法的关键在于其独特的压水试验器具——三段压水试验器(图6-2)。
图6-2 三段压水试验与器具
三段压水法，要求压水孔平行于裂隙组的交线方向，因此，选孔前必须要求对试验点周围的岩体进行裂隙测量，以确定裂隙组的产状，并求出裂隙组的交线方向。如果只有两组裂隙，则压水孔只要求平行于其中一组，与另一组可以相交。观测孔不能离压水孔太远，观测孔段只能在径向流场中，所以这种钻孔的位置通常只能靠在一起，试验场地范围受到限制，不宜太大。
由于三段压水试验要求压水孔与裂隙组的交线平行，尤其要求仅能与一组相交，所以当裂隙组超过三组时，就很难满足这种条件。三段压水试验与其他方法相比，技术设备太复杂且造价高。只适宜于做一些标准试验，很难在大规模的生产工程中推广应用。在双层水位矿床水文地质勘探中应用就更困难了。
3.交叉孔压水试验法
1985年谢赫(Hsieh P.A)提出了交叉孔压水试验方法。这种方法不要求预先了解裂隙发育情况，钻孔布置方法可以任意布置，不受限制。该方法的最大特点是技术方法简单，只要利用上述广泛采用的单栓塞压水试验器就可以。该方法的最大缺点是计算复杂。虽然谢赫(Hsieh P.A)给出了多种条件下的理论公式，但在计算渗透张量的过程中，他只给出了非稳定流条件下的求解方法(假定压水段和观测段都是一个点)，1989年万力教授又给出了交叉压水求解稳定流公式计算渗透张量的方法，并编制成程序，排除了谢赫(Hsieh P.A)方法中手工图解法的麻烦和不确定性，这种方法是一种大有前途的方法。
4.抽水试验法
传统水文地质抽水试验的方法，无论是稳定流还是非稳定流理论，只能解决各向同性的水文地质参数，对于各向异性含水层基本无能为力。据抽水试验获得的资料只能在一些特殊条件下才能反求参数，用来预测矿坑涌水量。
1966年由帕拉普斯(Papadopulos I.S.)首先提出在各向异性含水层中的井流公式，并提出了一阶渗透张量的计算方法。同年，汗吐斯(Hantugh M.S.)利用坐标变换法把一系列各向同性的非稳定井流公式转换为各向异性条件下的井流公式。维依(Ways)又提出了三维各向异性渗透系数的确定方法。纽曼(Neuman S.P.)提出了三孔两次抽水确定平面渗透张量的方法。1989年田开铭与万力教授又根据汗吐什的各向异性越流承压含水层不完整井非稳定流公式，用单纯形法和数值积分反求出三维各向异性渗透张量，并编有通用程序。
理论上虽然已经提出了许多各向异性渗透井流计算公式，但能够实际应用的却很少，方法还很不成熟，基本处于理论研究阶段。实际上，裂隙含水层中渗透性的非均质性和各向异性，两者在实际工程中对水位的影响很难分别开来，要想分别求得两者的影响，理论上需要进行不同钻孔的多次水力试验，才有可能得出比较合理的各向异性渗透系数，既麻烦又费钱，实际意义不大。压水试验，尤其是单栓塞压水试验造价低，操作简单，使用方便，易于大面积采用，地下水位以下和以上都可以使用，还可以在同一钻孔中进行多段次重复试验，相对于抽水试验更为经济、合理、方便、实用。
5.渗透性各向异性岩层双层水位深度的计算方法
如果我们在一个存在巨厚含水层矿床中，可以初步判断为渐变型双层水位矿床，而且可以通过一定手段(如：野外裂隙测量、压水试验或抽水试验)获得各向异性渗透主值的变化规律，那么，便可以通过下述方法初步确定出渐变型双层水位的产生深度。
例如，万力教授等对金岭铁矿铁山的3个剖面通过裂隙测量，根据大裂隙系统与小裂隙系统的相似性原理，最终提供的岩石渗透张量各向渗透主值的回归计算结果如表6-2，据此，可以求出产生双层水位的埋深和标高。
根据岩层水平渗透主值与垂直渗透主值随埋深增加而会逐渐交于某一深度Sα的规律，可以初步确定出双层水位形成的深度。
前面第三章第四节中已经说明，Sα点是各向异性溶隙含水层产生双层水位的位置。因此，可以采取下述方法求取Sα点的深度：
首先假定Kn=Kh，并据此计算出各条剖面中若干Sα点的位置，再据下述4种方法之一确定出矿床产生双层水位的深度：
①以Sα值最大值代表矿床产生双层水位的深度；②以所有Sα值的算术平均值代表矿床产生双层水位的深度；③选择Sα值平均值最大的剖面代表矿床产生双层水位的深度；④在联结所有Sα点的曲面上，工程实际位置与曲面相互重叠的最低位置即代表产生双层水位的深度。铁山矿床的计算结果见表6-2和表6-3。
表6-2 岩石渗透张量各渗透主值回归计算结果表
注：据田开铭，各向异位裂隙介质渗透性的研究与评价。
表6-3 各向异性渗透性岩层中双层水位深度计算表
什么是渗透系数 渗透系数的测定方法
渗透系数渗透系数 渗透系数正文表示岩土透水性能的数量指标.亦称水力传导度.可由达西定律求得：q＝KI式中q为单位渗流量,也称渗透速度（米/日）;K为渗透系数（米/日）；I为水力坡度,无量纲.可见,当I＝1时,q＝K,表明渗透系数在数值上等于水力坡度为1时,通过单位面积的渗流量.岩土的渗透系数愈大,透水性越强,反之越弱.渗透系数的大小主要不取决于岩土空隙度的值,而取决于空隙的大小、形状和连通性,也取决于水的粘滞性和容量,因此,温度变化,水中有机物、无机物的成分和含量多少,均对渗透系数有影响.在均质含水层中,不同地点具有相同的渗透系数;在非均质含水层中,渗透系数与水流方向无关,而在各向异性含水层中,同一地点当水流方向不同时,具有不同的渗透系数值.一般说来,对于同一性质的地下水饱和带中一定地点的渗透系数是常数；而非饱和带的渗透系数随岩土含水量而变,含水量减少时渗透系数急剧减少.渗透系数是含水层的一个重要参数,当计算水井出水量、水库渗漏量时都要用到渗透系数数值.渗透系数的测定方法很多,可以归纳为野外测定和室内测定两类.室内测定法主要是对从现场取来的试样进行渗透试验.野外测定法是依据稳定流和非稳定流理论,通过抽水试验(在水井中抽水,并观测抽水量和井水位)等方法,求得渗透系数.与渗透系数密切相关的另一参数为导水系数(coef-ficientoftransmissivity),它是渗透系数与含水层厚度的乘积,多用在地下水流的计算公式中.对某一垂直于地下水流向的断面来说,导水系数相当于水力坡度等于1时流经单位宽度含水层的地下水流量.导水系数大,表明在同样条件下,通过含水层断面的水量大,反之则小.导水系数只有当地下水二维流动时才有意义,对于三维流动是没有意义的.渗透系数配图渗透系数
渗透率怎么算
Q=KΔPA/μL。
式中：Q——单位时间内流体通过岩石的流量，cm3/s；A——液体通过岩石的截面积，cm2；
μ——液体的粘度，ΔP——液体通过岩石前后的压差，MPa；
渗透率单位和相对渗透率
其大小与孔隙度、液体渗透方向上孔隙的几何形状、颗粒大小以及排列方向等因素有关，渗透率（k）用来表示渗透性的大小。
与有效渗透率一样，相对渗透率的大小与液体饱和度有关。同一多孔介质中不同流体在某一饱和度下的相对渗透率之和永远小于1。根据测得的不同饱和度下的相对渗透率值绘制的相对渗透率与饱和度的关系曲线，称相对渗透率曲线。
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