CN102183448A - 一种多孔介质材料突破压力的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔介质材料突破压力的测量方法及装置，其步骤：A、将饱和浸润相被测试件放入夹持器中，对被测试件加载围压应力；B、关闭上游放空阀、下游放空阀和背压放空阀，抽真空；C、待装置处于真空状态稳定，通过上游非浸润相注入系统和下游浸润相注入系统；D、进行突破压力和渗透系数同时测量实验。夹持器通过管路连接围压控制阀，上游通过管路连接上游控制阀和上游压力计，下游通过管路分别连接下游控制阀、下游压力计和背压控制阀，连通阀通过管路分别连接上游非浸润相和下游浸润相，数据采集卡通过数据线分别连接上游压力计。操作简单、性能稳定、测量可靠，适用于多孔介质材料突破压力和渗透系数同时、快速、高效、精确测量。

Description

一种多孔介质材料突破压力的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及岩石类多孔介质材料突破压力的测量技术领域，更具体的涉及一种多方法集成的多孔介质材料突破压力和渗透系数同时测量的方法，同时还涉及一种多方法集成的多孔介质材料突破压力和渗透系数同时测量的装置，适用于大范围内岩石类多孔介质材料采用不同方法(包括分步法、连续法、瞬态法)进行多参数(包括突破压力、渗透系数)的同时、快速、宽幅、精确、高效的测量。

背景技术

随着天然气、煤层气等工业工程的深部开采及安全评价项目需求与发展，以及近年来对上述气藏、CO₂、核废料等能源与废弃物地质储存技术的迫切需求与急速发展，对于上述工业工程储集层储存潜力和封盖层封闭能力的研究业已成为全世界地质工作者的工作重点。诸如，对天然气成藏能力及含气高度的评价、对CO₂储存地层的选址评价、以及对CO₂注入地层后对该地层的风险评估及防泄漏处理技术等，对这类问题解决的关键技术在于对上述工业工程封盖层封闭能力的快速、有效、精确的评价。

研究盖层(盖岩)封闭性能的微观参数有孔隙度、渗透系数、比表面积、微孔隙结构、密度和突破压力等，其中突破压力是评价盖岩封闭能力的最直接、最根本的参数，大量的统计资料表明，盖岩突破压力越大，其封闭能力越强；反之则越弱。且突破压力可用来关联多孔介质孔隙度、渗透系数、孔隙中值半径等基本物性参数，还可结合恢复压力关联多孔介质的毛细滞后性质，还能够作为润湿性能和成岩作用的度量指标。本发明所述突破压力是指多孔介质中某些连通孔隙内的润湿相流体被非润湿相流体驱替时所需施加的最小压力，在数值上近似等于多孔介质中连通的最大孔隙的毛细管压力，是反映流体渗流通过多孔介质固有特性的特征压力。

目前多采用直接驱替法测量多孔介质材料的突破压力，传统的直接驱替测试方法主要有分步法和连续法，即采用分步压力加载或恒定流量加载气体从被测试件的一端直接驱替饱和在被测试件孔隙中的流体(水或煤油)，直至气体从被测试件的另一端逸出时，记录该气体压力被认为是被测试件的突破压力。多孔介质材料突破压力的大小主要取决于材料中连通的最大孔隙半径的状况，这些连通的最大孔隙半径在泥质岩中含量极小，而常见的盖层岩石主要有页岩、泥岩和石膏、岩盐等蒸发岩类，其最大连通孔隙都比较小。在实验时间有限的情况下，传统实验方法测得的突破压力值往往偏大，不符合实际，因为传统实验如果施加压力等于或稍大于被测试件的突破压力(最小毛管力)，由于气体驱替被测试件中的液体是极缓慢的过程，液体排出的量极少，很难观察到气体的突破；如果要在短时间内观察到气体的突破，则实验所需施加的压力(即突破压力)必须远远大于被测试件中最大连通孔隙的毛管压力，造成测试结果误差较大，此外，在实验过程中由于被测试件的长度不可避免存在细微差异，致使同一被测试件获得多个突破压力值，造成测试结果误差较大，所以用传统方法测量突破压力来评价盖层是不够准确且不够严谨的。

为了克服传统突破压力测量方法及装置不能快速、精确测量低渗透性多孔介质材料突破压力的缺点和不足，有必要设计一种采用瞬态法快速、宽幅、精确、高效测量多孔介质材料突破压力的方法及装置，用于解决低渗透性盖层突破压力快速精确测量的技术问题，为研究盖层封闭性能及相关工业工程的评价工作提供一种试验手段和技术支持。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种多孔介质材料突破压力和渗透系数同时测量的方法，采用分步法、连续法和瞬态法快速、宽幅、精确、高效测量多孔介质材料的突破压力，该方法可同时测量多孔介质材料的渗透系数，更能满足实际工程需求。

本发明的另一个目的是在于提供了一种多孔介质材料突破压力和渗透系数同时测量的装置，该装置设计结构简单、实时采集、稳定性好、可操作性强、测量效率及精度高，各组构件经久耐用，不易耗损，实用性强，可根据情况配置适合组件，灵活度和适应性强，具有广泛的应用前景。

为了实现本发明的目的，采用如下技术方案：

为了克服传统气体测突破压力的方法及装置不能快速准确同时测量低渗透性多孔介质突破压力和渗透系数的缺点和不足，有必要设计一种采用瞬态法快速、宽幅、高效、精确测量多孔介质材料突破压力和渗透系数的方法及装置，用于解决低渗透性(k＜＝10^-5D)多孔介质材料突破压力和渗透系数快速、准确测量的技术问题，同时仍然可以采用传统分步法或连续法测量高渗透性(k＞10^-5D)多孔介质材料突破压力和渗透系数，为研究盖层封闭性和相关工业工程的合理风险评估和防泄漏处理等提供试验手段和技术支持。

一种多孔介质材料突破压力的测量方法，其步骤是：

1)将饱和浸润相被测试件放入夹持器中，整个测量装置放置于恒温控制系统中，通过围压注入系统注入围压介质对被测试件加载围压应力；

2)关闭上游放空阀、下游放空阀和背压放空阀，断开连通阀，打开上游控制阀、下游控制阀和背压控制阀，通过上游非浸润相注入系统和下游浸润相注入系统分别、同时对测量装置的上、下游抽真空；

3)待装置处于真空状态稳定后，通过上游非浸润相注入系统和下游浸润相注入系统分别、同时对测量装置的上、下游注入非浸润相和浸润相加载孔压应力，待测量装置的上、下游压力稳定后(此处非浸润相和浸润相的压力在5-50MPa范围内，要求非浸润相压力比浸润相压力高0.1-30MPa)，连接并打开数据采集处理系统；

4)进行突破压力和渗透系数同时测量实验：

A、进行分步法(定义为逐步加载上游非浸润相注入压力，第一步注入较小压力，第二步注入比第一步较大压力，第三步注入比第二步较大压力，…，第n步注入比第n-1步较大压力，直至下游浸润相不断流出即可)(参考文献：吕延防等，盖岩排替压力研究，大庆石油学院学报，1993)实验是：断开下游浸润相注入系统，打开下游背压系统(背压初始设定值为P_b，P_b在5-50MPa范围内)，通过上游非浸润相注入系统对被测试件的上游分步注入非浸润相进行分级加载渗透压应力，每一级以恒定压力P_i注入(此处第一级压力P₁较小，在0-10MPa范围内，第二级压力P₂比P₁较大，第三级压力P₃比P₂较大，…，以此类推，第i级压力P_i比P_i-1较大(i＝1，2，…，n)，每级增幅在0.01-1MPa范围内)，直至背压放空阀出口处有浸润相不断流出时，记录此时测量装置的上、下游差压应力P_d，即为被测试件的非浸润相突破浸润相的突破压力P_c(P_c＝P_d)，同时由达西定律换算得被测试件的浸润相的渗透系数值k；或

B、进行连续法(定义为以恒定流量Q连续加载上游非浸润相注入压力，直至下游浸润相不断流出即可)(参考文献：付广等，盖层物性封闭能力的研究方法，中国海上油气[地质]1994)实验是：断开下游浸润相注入系统，打开下游背压系统，通过上游非浸润相注入系统对被测试件的上游以恒定流量Q连续注入非浸润相进行连续加载渗透压应力，直至背压放空阀出口处有浸润相不断流出时，记录此时测量装置的上、下游差压应力P_d，即为被测试件的非浸润相突破浸润相的突破压力P_c(P_c＝P_d)，同时由达西定律换算得被测试件的浸润相的渗透系数值k；或

C、进行瞬态法(定义为对上游非浸润相施加一个瞬时脉冲压力ΔP，直至下游浸润相压力值上升至恒定值即可)(参考文献：李小春等，变容压力脉冲渗透系数测量方法研究，岩石力学与工程学报，2008)实验是：断开下游背压系统，通过上游非浸润相注入系统对被测试件的上游瞬时加载一个压力脉冲ΔP(岩石的突破压＜ΔP＜＝10％*P_非浸润相)，直至下游压力计显示下游渗透压应力趋于稳定，记录此时测量装置的上、下游差压应力P_d，即为被测试件的非浸润相突破浸润相的突破压力P_c(P_c＝P_d)，同时依据达西定律，由测量装置的上、下游差压应力随时间的衰减曲线换算得被测试件的浸润相的渗透系数值k；所述的P_d差压应力视被测试件的渗透性而定，一般情况下渗透性低(k＜＝10^-5D)的材料Pd值较大(此处Pd＞＝0.1MPa)，渗透性低(k＞10^-5D)的材料Pd值较小(此处Pd＜＝10MPa)。对于渗透性较大的材料(k＞10^-5D)，适合采用分步法和连续法测量材料的突破压力值；对于渗透性较小的材料(k＜＝10^-5D)，适合采用瞬态法测量材料的突破压力值。

5)打开上游放空阀和下游放空阀卸载测量装置的上、下游渗透压应力，该被测试件的突破压力和渗透系数测量实验结束。从而获得该盖层岩石的浸润相渗透系数值k，同时获得该岩石在浸润相状态下被非浸润相突破时的突破压力值P_c。

一种多方法集成的多孔介质材料突破压力和渗透系数同时、快速、高效、精确测量的装置，包括夹持器系统、上游非浸润相注入系统、围压注入系统、下游浸润相注入系统、下游背压系统、差压监测系统、数据采集处理系统和恒温控制系统，其特征在于：夹持器系统中的夹持器通过管路连接围压注入系统中的围压控制阀，夹持器系统中的上游非浸润相通过管路连接上游非浸润相注入系统中的上游控制阀和上游压力计，夹持器系统中的下游浸润相通过管路分别连接下游浸润相注入系统中的下游控制阀和下游压力计，以及下游背压系统中的背压控制阀，差压监测系统中的上游过滤器通过管路分别连接夹持器系统中的上游非浸润相、上游非浸润相注入系统中的上游控制阀和上游压力计，差压监测系统中的下游过滤器通过管路分别连接夹持器系统中的下游浸润相、下游浸润相注入系统中的下游控制阀和下游压力计、下游背压系统中的背压控制阀，差压监测系统中的连通阀上游端口通过管路分别连接夹持器系统中的非浸润相、上游非浸润相注入系统中的上游控制阀和上游压力计、差压监测系统中的上游过滤器，差压监测系统中的连通阀下游端口通过管路分别连接夹持器系统中的浸润相、下游浸润相注入系统中的下游控制阀和下游压力计、差压监测系统中的下游过滤器，数据采集处理系统中的数据采集卡通过数据线分别连接上游非浸润相注入系统中的上游压力计、下游浸润相注入系统中的下游压力计和差压监测系统中的差压计，夹持器系统、上游非浸润相注入系统、下游浸润相注入系统、下游背压系统、差压监测系统都放置于恒温控制系统中(此处可随意放置，不作要求，视测量系统和恒温控制系统的空间大小而布置)；

所述的夹持器系统包括饱和浸润相被测试件、非浸润相、浸润相和围压相和夹持器系统(可为常规岩心夹持器或岩石三轴室等控制岩石围压和温度的装置，市场均能购置)，其中：非浸润相在被测试件的上游处，浸润相在被测试件的下游处，围压相包裹被测试件、非浸润相和浸润相，同时，被测试件、非浸润相、浸润相、围压相都在夹持器内；

所述的上游浸润相注入系统包括上游注入泵(注入泵范围可采用：流量Q＝0.001-100mL/min，最大压力P＞＝50MPa)、上游非浸润相、上游放空阀、上游控制阀和上游压力计(常规压力传感器)，其中：上游非浸润相在上游注入泵内，上游注入泵通过管路分别连接上游放空阀(常规球阀或针阀，市场均能购置)和上游控制阀(常规球阀或针阀，市场均能购置)，上游控制阀通过管路分别连接上游压力计、夹持器系统中的非浸润相和差压监测系统中的上游过滤器，上游压力计通过数据线连接数据采集处理系统中的数据采集卡；

所述的围压注入系统包括围压注入泵(注入泵范围可采用最大压力P＞＝50MPa的油泵等)、围压相、围压控制阀(常规球阀或针阀，市场均能购置)和围压压力计(常规压力表，市场均能购置)，其中：围压相在围压注入泵内，围压注入泵通过管路分别连接围压控制阀和围压压力计，围压控制阀通过管路连接夹持器系统中的夹持器；

所述的下游浸润相注入系统包括下游注入泵(同上游注入泵)、下游浸润相、下游放空阀(常规球阀或针阀，市场均能购置)、下游控制阀(常规球阀或针阀，市场均能购置)和下游压力计(同上游压力计)，其中：下游浸润相在下游注入泵内，下游注入泵通过管路分别连接下游放空阀和下游控制阀，下游控制阀通过管路分别连接下游压力计、夹持器系统中的浸润相、差压监测系统中的连通阀和下游过滤器、下游背压系统中的背压控制阀(常规球阀或针阀，市场均能购置)，下游压力计通过数据线连接数据采集处理系统中的数据采集卡；

所述的下游背压系统包括下游背压阀(常规球阀或针阀，市场均能购置)、背压放空阀(常规球阀或针阀，市场均能购置)和背压控制阀(常规球阀或针阀，市场均能购置)，其中：下游背压阀通过管路分别连接背压放空阀和背压控制阀，背压控制阀通过管路分别连接夹持器系统中的浸润相、下游浸润相注入系统中的下游控制阀和下游压力计、差压监测系统中的连通阀和下游过滤器；

所述的差压监测系统包括差压计(常规差压传感器，市场均能购置)、上游过滤器(常规过滤器，市场均能购置)、连通阀(常规球阀或针阀，市场均能购置)和下游过滤器(常规过滤器，市场均能购置)，其中：差压计通过数据线连接数据采集处理系统中的数据采集卡、通过管路分别连接上游过滤器和下游过滤器，上游过滤器通过管路分别连接连通阀、夹持器系统中的非浸润相和上游非浸润相注入系统中的上游控制阀和上游压力计，下游过滤器通过管路分别连接连通阀、夹持器系统中的浸润相、下游浸润相注入系统中的下游控制阀和下游压力计、和下游背压系统中的背压控制阀，连通阀通过管路分别连接夹持器系统中的上游非浸润相和下游浸润相、上游非浸润相注入系统中的上游控制阀和上游压力计、下游浸润相注入系统中的下游控制阀和下游压力计、下游背压系统中的背压控制阀、上游过滤器和下游过滤器；

所述的数据采集处理系统包括数据采集卡(常规数据采集卡，市场均能购置)和终端设备(包括计算机和自动采集程序)，其中：数据采集卡通过数据线分别连接上游非浸润相注入系统中的上游压力计、下游浸润相注入系统中的下游压力计、差压监测系统中的差压计和终端设备；

所述的恒温控制系统内放置夹持器系统、上游非浸润相注入系统、围压注入系统、下游浸润相注入系统、下游背压系统、差压监测系统(整个测量系统可随意放置于恒温控制系统内，视测量系统和恒温控制系统的空间大小进行布置)。

通过以上方案及措施设计的多方法集成的多孔介质突破压力和渗透系数同时测量的方法及装置，本发明有效解决了传统方法及装置不能准确测量低渗透性条件下多孔介质突破压力的问题，同时解决了传统方法及装置不能同时、快速、精确、高效测量大渗透性范围内多孔介质材料的突破压力和渗透系数问题，为测试帽岩突破压力和有效渗透系数，提出帽岩密封性的评价方法，同时为根据现场条件能够提出现场注气压力控制指标提供试验手段、技术支持和理论依据，效果显著。

本发明工作原理：

本发明设计的多方法集成的多孔介质材料突破压力和渗透系数同时测量的方法及装置可采用多种方法，包括传统分步法、连续法和本发明提出的瞬态法，利用同等温度条件下，非浸润相和浸润相与被测试件之间不同的物理特性，根据突破压力的测试原理，即多孔介质中的浸润相被非浸润相开始突破(或者驱替)所需的最小临界压力。虽然材料的突破压力受地层应力、温度应力、流体压力、非浸润相状态、岩石矿物分布等因素的影响，但主要受控于材料的空隙结构影响，同时与渗透系数具有非常好的负相关，随渗透系数的减小而增大。当采用传统分步法或连续法实验时，通过调节被测试件上游非浸润相的压力，同时通过背压阀控制下游浸润相的压力，将上游非浸润相压力增至大于或等于突破压力与下游浸润压力时，也即下游浸润相不断流出时，此时的上游非浸润相与下游浸润相之间的压力差被认为是该被测试件中的浸润相被非浸润相突破的最小临界压力。但在实验条件和测试时间有限的情况下，当测试低渗透性多孔介质材料时往往测试结果偏大很多，本发明提出的瞬态法则避免了传统分布法及连续法的局限，对上游非浸润相施加瞬时脉冲，则在饱和浸润相的被测试件内部形成一维渗流，此时下游浸润相压力逐渐上升，直至系统再次达到平衡状态，此时的上游非浸润相与下游浸润相之间的压力差即为被测试件中的浸润相被非浸润相突破的最小临界压力。瞬态法避免了传统分布法和连续法需要监测下游浸润相流量的局限，仅需通过监测上游非浸润相和下游浸润相的压力变化即可换算突破压力，同时根据监测的上游非浸润相和下游浸润相之间的压力差随时间的变化曲线，结合达西定律换算的瞬态脉冲法渗透系数计算公式即可换算被测试件的浸润相渗透系数。例如图1、图2分别为采用瞬态法测量多孔介质材料中卤水介质被CO₂介质突破时的突破压力和该材料的卤水渗透系数的测试原理图，其中：Pu0-上游非浸润相CO₂初始压力；Pd0-下游浸润相卤水初始压力；ΔP-瞬时脉冲压力；t-经过时间；Pco2-上游非浸润相CO₂压力变化曲线；Pbrine-下游浸润相卤水压力变化曲线；Pc-被测试件中浸润相被非浸润相突破的最小临界压力，即突破压力。被测试件的浸润相渗透系数k的换算公式如下：

$\frac{\mathrm{\Δ}{P}_i\left(t\right)-P_c}{\mathrm{\ΔP}-P_c}=e^{-\mathrm{\θt}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{kA}}{{\mathrm{\μ}}_{b}L}(\frac{1}{S_u}+\frac{1}{S_d})---\left(2\right)$

其中：ΔPi(t)-上游非浸润相CO₂与下游浸润相卤水之间的差压应力实测值，由高精度差压计计量；k-被测试件的浸润相卤水渗透系数，所需未知数；A-被测试件截面积，已知常数；ub-浸润相卤水的粘滞系数，已知常数；L-试件长度，已知常数；Su、Sd-分别为上游比贮留量、下游比贮留量，已知常数。可见k是唯一未知参数，即可方便换算得到。

整个测量过程实现了在不影响测试完整性、时效性和连续性条件下，完成饱和浸润相的被测试件中浸润相被非浸润相突破的突破压力值和被测试件的浸润相渗透系数值的同时、快速、精确和高效的测量。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)本发明采用多方法集成的测试方法，采用传统分布法和连续法测试渗透性较大(k＞10^-5D)的多孔介质材料，采用提出的瞬态法测试渗透性较低(k＜＝10^-5D)的多孔介质材料，可以满足各种渗透性质的多孔介质材料的测量要求，适应性强，使用范围广。

2)本发明采用多方法集成的测试方法，可同时测量多参数值，提出的瞬态法可快速、准确、高效测试多孔介质材料的突破压力值，同时精确获得材料的有效渗透系数值，满足实际工程的测量需求，灵活度高，应用领域广。

3)本发明设计的测量装置可施加高孔隙压，可以满足测量超低渗透性、更高孔隙压条件下的测量需求，满足深部盖层的测量需求。

4)本发明设计的测量装置可外接多个材料物性参数的测量仪器或设备，可以满足更多参数同时测量的需求，为实际工程评价及制定准则提供更具体、全面、丰富、准确的测试数据。

5)本发明设计的测量装置结构简单、上下游结构对称、稳定性好、可靠度高，所需的构件及材料不易耗损，经久耐用，经济实惠，降低了试验成本和复杂度，提高了试验可操作性和传承性，方便试验设备的维护及操作人员的培训，有助于推广和使用。

6)本发明的测试原理成熟、直观，瞬态法测试低渗透性材料精度高、效率高、稳定性好、重复性高、可靠度高。

总之，本发明用于大渗透性范围内各种多孔介质材料突破压力和渗透系数同时、有效、快速的测量工作，实现了多方法、多参数测量的功能效果，克服了传统突破压力测试方法不能测低渗透性材料、测较低渗透性材料数值误差较大以及时效性无法满足的不足，提供了一种多方法集成的(包括传统分步法和连续法，以及本发明提出的瞬态法)多参数同时测量(包括突破压力和渗透系数)的方法及装置，为测试帽岩突破压力和有效渗透系数，研究帽岩密封性的评价方法，同时为根据现场条件研究现场注气压力控制指标提供试验手段、技术支持和理论依据。

附图说明

图1为一种多孔介质材料突破压力的测量装置结构示意图。

图2为一种用瞬态法测量多孔介质材料中卤水介质(浸润相)被CO₂介质(非浸润相)突破时的突破压力的测试原理图。

图3为一种用瞬态法测量多孔介质材料中卤水介质被CO₂介质突破时的，该材料的卤水渗透系数的测试原理图

其中：

1-夹持器系统，

11-饱和浸润相被测试件，12-非浸润相，13-浸润相，14-围压相，15-夹持器；

2-上游非浸润相注入系统，

21-上游注入泵，22-上游非浸润相，23-上游放空阀，24-上游控制阀，25-上游压力计；

3-围压注入系统，

31-围压注入泵，32-围压相，33-围压控制阀，34-围压压力计；

4-下游浸润相注入系统，

41-下游注入泵，42-下游浸润相，43-下游放空阀，44-下游控制阀，45-下游压力计；

5-下游背压系统，

51-下游背压阀，52-背压放空阀，53-背压控制阀；

6-差压监测系统，

61-差压计，62-上游过滤器，63-连通阀，64-下游过滤器；

7-数据采集处理系统，

71-数据采集卡，72-终端设备；

8-温度控制系统。

P_u0-上游非浸润相CO₂初始压力；P_d0-下游浸润相卤水初始压力；ΔP-瞬时脉冲压力；t_i-经过时间；P_co2-上游非浸润相CO₂压力变化曲线；P_brine-下游浸润相卤水压力变化曲线；P_c-被测试件中浸润相被非浸润相突破的最小临界压力，即突破压力；t₀-初始时刻；ΔP_i-上游非浸润相CO₂与下游浸润相卤水之间的差压应力实测值。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明。

实施例1：

一种多方法集成的多孔介质材料突破压力和渗透系数同时、快速、高效、精确测量的方法，其步骤如下：

1)根据图1可知，将饱和浸润相被测试件11放入夹持器15中，整个测量装置放置于恒温控制系统8中，通过围压注入系统3注入围压介质对被测试件11加载围压应力；

2)关闭上游放空阀23、下游放空阀43和背压放空阀52，断开连通阀63，打开上游控制阀24、下游控制阀44和背压控制阀53，通过上游非浸润相注入系统2和下游浸润相注入系统4分别、同时对测量装置的上、下游抽真空；

3)待装置处于真空状态稳定后，通过上游非浸润相注入系统2和下游浸润相注入系统4分别、同时对测量装置的上、下游注入非浸润相22和浸润相42加载孔压应力，待测量装置的上、下游压力稳定后，连接并打开数据采集处理系统7；

4)进行突破压力和渗透系数同时测量实验：

a、进行分步法实验是：断开下游浸润相注入系统4，打开下游背压系统5，通过上游非浸润相注入系统2对被测试件11的上游分步注入非浸润相进行分级加载渗透压应力，每一级以恒定压力P_i注入，直至背压放空阀52出口处有浸润相不断流出时，记录此时测量装置的上、下游差压应力P_d，即为被测试件11的非浸润相12突破浸润相13的突破压力，同时由达西定律换算得被测试件11的浸润相13的渗透系数值k；

b、进行连续法实验是：断开下游浸润相注入系统4，打开下游背压系统5，通过上游非浸润相注入系统2对被测试件11的上游以恒定流量Q连续注入非浸润相进行连续加载渗透压应力，直至背压放空阀52出口处有浸润相不断流出时，记录此时测量装置的上、下游差压应力P_d，即为被测试件11的非浸润相12突破浸润相13的突破压力，同时由达西定律换算得被测试件11的浸润相13的渗透系数值k；

c、进行瞬态法实验是：断开下游背压系统5，通过上游非浸润相注入系统2对被测试件11的上游瞬时加载一个压力脉冲ΔP，直至下游压力计45显示下游渗透压应力趋于稳定，记录此时测量装置的上、下游差压P_d，即为被测试件11的非浸润相12突破浸润相13的突破压力，同时依据达西定律，由测量装置的上、下游差压应力随时间的衰减曲线换算得被测试件11的浸润相13的渗透系数值k；

5)打开上游放空阀23和下游放空阀43卸载测量装置的上、下游渗透压应力，该被测试件11的突破压力和渗透系数测量实验结束。由上述实验步骤所测得的一系列上游非浸润相压力变化数据、下游浸润相压力变化数据以及上游下游之间的差压应力变化数据，经过分析，得到被测试件中浸润相被非浸润相突破时的最小临界突破压力及该被测试件的浸润相有效渗透系数值，从而评价该多孔介质材料的封闭性能。

实施例2：

根据图1可知，一种多孔介质材料突破压力的测量，(一种多方法集成的多孔介质材料突破压力和渗透系数同时、快速、高效、精确测量的装置)，包括夹持器系统1、上游非浸润相注入系统2、围压注入系统3、下游浸润相注入系统4、下游背压系统5、差压监测系统6、数据采集处理系统7和恒温控制系统8，其特征在于：夹持器系统1中的夹持器15通过管路连接围压注入系统3中的围压控制阀33，其上游通过管路连接上游非浸润相注入系统2中的上游控制阀24和上游压力计25，其下游通过管路分别连接下游浸润相注入系统4中的下游控制阀44和下游压力计45、和下游背压系统5中的背压控制阀53，差压监测系统6中的连通阀63通过管路分别连接夹持器系统1中的上游非浸润相12和下游浸润相13，数据采集处理系统7中的数据采集卡71通过数据线分别连接上游非浸润相注入系统2中的上游压力计25、下游浸润相注入系统4中的下游压力计45、和差压监测系统6中的差压计61，夹持器系统1、上游非浸润相注入系统2、下游浸润相注入系统4、下游背压系统5、差压监测系统6都随意放置于恒温控制系统8中(可据整个测量系统和恒温控制系统的空间大小布置)；

所述的夹持器系统1包括饱和浸润相被测试件11、非浸润相12、浸润相13和围压相14和夹持器15，其中：非浸润相12在被测试件11的上游处，浸润相13在被测试件11的下游处，围压相14包裹被测试件11、非浸润相12和浸润相13，同时，被测试件11、非浸润相12、浸润相13、围压相14都在夹持器15内；夹持器系统1内的非浸润相12与上游非浸润相注入系统2中的上游控制阀24和上游压力计25连接并与差压监测系统6中的连通阀63和上游过滤器62连接，夹持器系统1内的浸润相13与下游浸润相注入系统4中的下游控制阀44和下游压力计45连接、与背压控制系统5中的背压控制阀(53)连接、与差压监测系统6中的连通阀63和下游过滤器64连接，夹持器系统1内的围压相14与围压注入系统3中的围压控制阀33连接。

所述的上游浸润相注入系统2包括上游注入泵21、上游非浸润相22、上游放空阀23、上游控制阀24和上游压力计25，其中：上游非浸润相22在上游注入泵21内，上游注入泵21通过管路分别连接上游放空阀23和上游控制阀24，上游控制阀24通过管路分别连接上游压力计25、夹持器系统1中的非浸润相12和差压监测系统6中的连通阀63和上游过滤器62，上游压力计25通过数据线连接数据采集处理系统7中的数据采集卡71；

所述的围压注入系统3包括围压注入泵31、围压相32、围压控制阀33和围压压力计34，其中：围压相32在围压注入泵31内，围压注入泵31通过管路分别连接围压控制阀33和围压压力计34，围压控制阀33通过管路连接夹持器系统1中的夹持器15和围压相14；

所述的下游浸润相注入系统4包括下游注入泵41、下游浸润相42、下游放空阀43、下游控制阀44和下游压力计45，其中：下游浸润相42在下游注入泵41内，下游注入泵41通过管路分别连接下游放空阀43和下游控制阀44，下游控制阀44通过管路分别连接下游压力计45、夹持器系统1中的浸润相13、差压监测系统6中的连通阀63和下游过滤器64和下游背压系统5中的背压控制阀53，下游压力计45通过数据线连接数据采集处理系统7中的数据采集卡71；

所述的下游背压系统5包括下游背压阀51、背压放空阀52和背压控制阀53，其中：下游背压阀51通过管路分别连接背压放空阀52和背压控制阀53，背压控制阀53通过管路分别连接夹持器系统1中的浸润相13、下游浸润相注入系统4中的下游控制阀44和下游压力计45、和差压监测系统6中的连通阀63和下游过滤器64；

所述的差压监测系统6包括差压计61、上游过滤器62、连通阀63和下游过滤器64，其中：差压计61通过数据线连接数据采集处理系统7中的数据采集卡71、通过管路分别连接上游过滤器62和下游过滤器64，上游过滤器62通过管路分别连接连通阀63、夹持器系统1中的非浸润相12和上游非浸润相注入系统2中的上游控制阀24和上游压力计25，下游过滤器64通过管路分别连接连通阀63、下游浸润相注入系统4中的下游控制阀44和下游压力计45和下游背压系统5中的背压控制阀53，连通阀63通过管路分别连接夹持器系统1中的非浸润相12及浸润相13、上游非浸润相注入系统2中的上游控制阀24和上游压力计25、下游浸润相注入系统4中的下游控制阀44和下游压力计45、下游背压系统5中的背压控制阀53、上游过滤器62和下游过滤器64；

所述的数据采集处理系统7包括数据采集卡71和终端设备72，其中：数据采集卡71通过数据线分别连接上游非浸润相注入系统2中的上游压力计25、下游浸润相注入系统4中的下游压力计45、差压监测系统6中的差压计61和终端设备72；

所述的恒温控制系统8内放置夹持器系统1、上游非浸润相注入系统(2)、围压注入系统3、下游浸润相注入系统4、下游背压系统5、差压监测系统6(可随意放置，不做任何要求)。

通过以上方案及措施设计的多方法集成的多孔介质突破压力和渗透系数同时测量的方法及装置，本发明有效解决了传统方法及装置不能准确测量低渗透性条件下多孔介质突破压力的问题，同时解决了传统方法及装置不能同时、快速、精确、高效测量大渗透性范围内多孔介质材料的突破压力和渗透系数问题，效果显著。

Claims (10)

1.一种多孔介质材料突破压力的测量方法，其步骤是：

1）将饱和浸润相被测试件(11)放入夹持器（15）中，整个测量装置放置于恒温控制系统（8）中，通过围压注入系统（3）注入围压介质对被测试件（11）加载围压应力；

2）关闭上游放空阀（23）、下游放空阀（43）和背压放空阀（52），断开连通阀（63），打开上游控制阀（24）、下游控制阀（44）和背压控制阀（53），通过上游非浸润相注入系统（2）和下游浸润相注入系统（4）分别、同时对测量装置的上、下游抽真空；

3）待装置处于真空状态稳定后，通过上游非浸润相注入系统（2）和下游浸润相注入系统（4）分别、同时对测量装置的上、下游注入非浸润相（22）和浸润相（42）加载孔压应力，待测量装置的上、下游压力稳定后，连接并打开数据采集处理系统（7）；

4）进行突破压力和渗透系数同时测量实验：

a、进行分步法实验：断开下游浸润相注入系统（4），打开下游背压系统（5），通过上游非浸润相注入系统（2）对被测试件（11）的上游分步注入非浸润相进行分级加载渗透压应力，每一级以恒定压力P_i注入，直至背压放空阀（52）出口处有浸润相不断流出时，记录此时测量装置的上、下游差压应力P_d，即为被测试件（11）的非浸润相（12）突破浸润相（13）的突破压力，同时由达西定律换算得被测试件（11）的浸润相（13）的渗透系数值k；或

b、进行连续法实验：断开下游浸润相注入系统（4），打开下游背压系统（5），通过上游非浸润相注入系统（2）对被测试件（11）的上游以恒定流量Q连续注入非浸润相进行连续加载渗透压应力，直至背压放空阀（52）出口处有浸润相不断流出时，记录此时测量装置的上、下游差压应力P_d，即为被测试件（11）的非浸润相（12）突破浸润相（13）的突破压力，同时由达西定律换算得被测试件（11）的浸润相（13）的渗透系数值k；或

c、进行瞬态法实验：断开下游背压系统（5），通过上游非浸润相注入系统（2）对被测试件（11）的上游瞬时加载一个压力脉冲ΔP，直至下游压力计（45）显示下游渗透压应力趋于稳定，记录此时测量装置的上、下游差压应力P_d，为被测试件（11）的非浸润相（12）突破浸润相（13）的突破压力，同时依据达西定律，由测量装置的上、下游差压应力随时间的衰减曲线换算得被测试件（11）的浸润相（13）的渗透系数值k；

打开上游放空阀（23）和下游放空阀（43）卸载测量装置的上、下游渗透压应力，该被测试件（11）的突破压力和渗透系数测量实验结束。

2.权利要求1所述的一种多孔介质材料突破压力的测量，包括夹持器系统（1）、上游非浸润相注入系统（2）、围压注入系统（3）、下游浸润相注入系统（4）、下游背压系统（5）、差压监测系统（6）、数据采集处理系统（7）和恒温控制系统（8），其特征在于：夹持器系统（1）中的夹持器（15）通过管路连接围压注入系统（3）中的围压控制阀（33），其上游通过管路连接上游非浸润相注入系统（2）中的上游控制阀（24）和上游压力计（25），其下游通过管路分别连接下游浸润相注入系统（4）中的下游控制阀（44）、下游压力计（45）、和下游背压系统（5）中的背压控制阀（53），差压监测系统（6）中的连通阀（63）通过管路分别连接夹持器系统（1）中的上游非浸润相（12）和下游浸润相（13），数据采集处理系统（7）中的数据采集卡（71）通过数据线分别连接上游非浸润相注入系统（2）中的上游压力计（25）、下游浸润相注入系统（4）中的下游压力计（45）和差压监测系统（6）中的差压计（61），夹持器系统（1）、上游非浸润相注入系统（2）、下游浸润相注入系统（4）、下游背压系统（5）、差压监测系统（6）放置于恒温控制系统（8）中。

3.根据权利要求2所述的一种多孔介质材料突破压力的测量，其特征在于：所述的夹持器系统（1）包括饱浸润相被测试件（11）、非浸润相（12）、浸润相（13）、围压相（14）和夹持器（15），非浸润相（12）在被测试件（11）的上游，浸润相（13）在被测试件（11）的下游，围压相（14）包裹被测试件（11）、非浸润相（12）和浸润相（13），被测试件（11）、非浸润相（12）、浸润相（13）、围压相（14）都在夹持器（15）内；夹持器系统（1）内的非浸润相（12）与上游非浸润相注入系统（2）中的上游控制阀（24）和上游压力计（25）连接，差压监测系统（6）中的连通阀（63）和上游过滤器（62）连接，夹持器系统（1）内的浸润相（13）与下游浸润相注入系统（4）中的下游控制阀（44）和下游压力计（45）连接，背压控制系统（5）中的背压控制阀（53）连接，差压监测系统（6）中的连通阀（63）和下游过滤器（64）连接，夹持器系统（1）内的围压相（14）与围压注入系统（3）中的围压控制阀（33）连接。

4.根据权利要求2所述的一种多孔介质材料突破压力的测量，其特征在于：所述的上游浸润相注入系统（2）包括上游注入泵（21）、上游非浸润相（22）、上游放空阀（23）、上游控制阀（24）和上游压力计（25），上游非浸润相（22）在上游注入泵（21）内，上游注入泵（21）通过管路分别连接上游放空阀（23）和上游控制阀（24），上游控制阀（24）通过管路分别连接上游压力计（25）、夹持器系统（1）中的非浸润相（12）和差压监测系统（6）中的连通阀（63）和上游过滤器（62），上游压力计（25）通过数据线连接数据采集处理系统（7）中的数据采集卡（71）。

5.根据权利要求2所述的一种多孔介质材料突破压力的测量，其特征在于：所述的围压注入系统（3）包括围压注入泵（31）、围压相（32）、围压控制阀（33）和围压压力计（34），围压相（32）在围压注入泵（31）内，围压注入泵（31）通过管路分别连接围压控制阀（33）和围压压力计（34），围压控制阀（33）通过管路连接夹持器系统（1）中的夹持器（15）和围压相（14）。

6.根据权利要求2所述的一种多孔介质材料突破压力的测量，其特征在于：所述的下游浸润相注入系统（4）包括下游注入泵（41）、下游浸润相（42）、下游放空阀（43）、下游控制阀（44）和下游压力计（45），下游浸润相（42）在下游注入泵（41）内，下游注入泵（41）通过管路分别连接下游放空阀（43）和下游控制阀（44），下游控制阀（44）通过管路分别连接下游压力计（45）、夹持器系统（1）中的浸润相（13）、差压监测系统（6）中的连通阀（63）和下游过滤器（64）和下游背压系统（5）中的背压控制阀（53），下游压力计（45）通过数据线连接数据采集处理系统（7）中的数据采集卡（71）。

7.根据权利要求2所述的一种多孔介质材料突破压力的测量，其特征在于：所述的下游背压系统（5）包括下游背压阀（51）、背压放空阀（52）和背压控制阀（53），下游背压阀（51）通过管路分别连接背压放空阀（52）和背压控制阀（53），背压控制阀（53）通过管路分别连接夹持器系统（1）中的浸润相（13）、下游浸润相注入系统（4）中的下游控制阀（44）和下游压力计（45）、和差压监测系统（6）中的连通阀（63）和下游过滤器（64）。

8.根据权利要求2所述的一种多孔介质材料突破压力的测量，其特征在于：所述的差压监测系统（6）包括差压计（61）、上游过滤器（62）、连通阀（63）和下游过滤器（64），差压计（61）通过数据线连接数据采集处理系统（7）中的数据采集卡（71）、通过管路分别连接上游过滤器（62）和下游过滤器（64），上游过滤器（62）通过管路分别连接连通阀（63）、非浸润相（12）、上游控制阀（24）和上游压力计（25），下游过滤器（64）通过管路分别连接连通阀（63）、下游控制阀（44）和下游压力计（45）和背压控制阀（53），连通阀（63）通过管路分别连接非浸润相（12）、浸润相（13）、上游控制阀（24）、上游压力计（25））、下游控制阀（44）、下游压力计（45）、背压控制阀（53）、上游过滤器（62）和下游过滤器（64）。

9.根据权利要求2所述的一种多孔介质材料突破压力的测量，其特征在于：所述的数据采集处理系统（7）包括数据采集卡（71）和终端设备（72），数据采集卡（71）通过数据线分别连接上游压力计（25）、下游压力计（45）、差压计（61）和终端设备（72）。

10.根据权利要求2所述的一种多孔介质材料突破压力的测量，其特征在于：所述的恒温控制系统（8）内放置夹持器系统（1）、上游非浸润相注入系统（2）、围压注入系统（3）、下游浸润相注入系统（4）、下游背压系统（5）、差压监测系统（6）。

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