CN102507407B - 同时测量岩石渗透系数、压缩系数及孔隙度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及同时测量岩石渗透系数、压缩系数及孔隙度的装置及方法，该装置由压力室、上游入口、下游入口、围压入口、上游泵、下游泵、围压泵、真空泵、围压阀、上游针阀、下游针阀、真空针阀、真空阀、分隔阀、真空计、上游压力计、下游压力计、差压计、温度计、控制台组成，该装置原理可靠，操作简便，适用于动态测量复杂应力变化条件下的岩石渗流特性参数及其变化特征。利用该装置可同时测量岩石在应力耦合作用下的渗透系数、压缩系数以及孔隙度，为渗流相关工程的设计、施工、安全性评价及定性定量分析岩石在复杂应力变化条件下的渗透变化特征及规律提供实验依据，更能满足实际工程的需求。

Description

同时测量岩石渗透系数、压缩系数及孔隙度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种对岩石渗流特性参数(包括渗透系数、压缩系数及孔隙度)同时进行测量的装置，及利用该装置测量岩石渗流特性参数的方法。

背景技术

随着低渗油气藏等工业工程的深部开采及安全评价，以及近年来对CO₂、核废料等能源与废弃物地质储存技术的需求与发展，对于上述工业工程储集层储存潜力、开采效能和封盖层封闭能力的研究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储层及封盖层在复杂地质、人为作用下的渗透特性变化特征快速、有效、准确的评价。

研究储盖层岩石渗透特性变化的主要微观参数有孔隙度、渗透系数、压缩系数等。目前多采用单一的方法及设备来分别测量岩石的渗透特性参数，如用渗透仪测量渗透系数、用孔隙度仪测量孔隙度、用流变仪测量或石油行业规范的压缩系数测量方法测量压缩系数，那么无法同时测量同一个岩样的上述三个渗流特性参数，更无法同时测量复杂应力变化条件下的上述三个渗透特性参数的变化特征。所以用传统方法或仪器是无法实现岩石渗流特性多参数同时测量的目的，更无法监测岩石渗流特性多参数在动态应力变化条件下的变化特征。

为了克服传统岩石渗流实验方法及装置功能单一、所测渗透特性参数单一、应用范围狭窄，不能同时、快速、准确测量岩石渗透特性参数，且不能同时测量岩石渗流特性参数在复杂应力变化条件下的变化特征的缺点和不足，有必要设计一种多功能集成的岩石渗流特性参数同时、快速、高效、准确测量的实验方法及测量系统，采用脉冲法测量岩石渗透系数、采用降内压法测量岩石压缩系数、采用排水法测量岩石孔隙度，用于解决深部低渗透性储层、盖层渗透特性参数动态变化特征快速准确测量的技术问题，为研究储层储备能力、开采效率、盖层封闭性能及相关工业工程的设计、施工、安全性评价工作提供一种高效的测量手段、实验依据和技术支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能同时测量岩石的渗透系数、压缩系数及孔隙度的装置，该装置原理可靠，操作简便，适用于动态测量复杂应力变化条件下的岩石渗流特性参数及其变化特征，为渗流相关工程的设计、施工及安全性评价提供实验依据。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对岩石渗流特性参数进行测量的方法，该方法可同时测量岩石在应力耦合作用下的渗透系数、压缩系数以及孔隙度的变化，为定性定量分析岩石在复杂应力变化条件下的渗透变化特征及规律提供实验手段，更能满足实际工程的需求。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明是采用瞬态脉冲法测量岩石渗透系数，排水法测量岩石孔隙度，降内压法测量岩石的压缩系数。

瞬态法测量岩石的渗透系数的原理如下：根据达西定律以及瞬态脉冲法的测试原理，即对岩石上游施加一个瞬时脉冲压力，在岩石内部产生一维渗流，岩石上游的压力逐渐降低，而岩石下游的压力逐渐升高，可得岩石上、下游之间压力差的衰减曲线，由该曲线即可换算出岩石的渗透系数，由于系统结构对称，被测岩石渗透系数k的换算公式表达如下：

$\frac{\mathrm{\ΔP}\left(t\right)}{\mathrm{\ΔP}}=e^{-\mathrm{\αt}}---\left(1\right)$

$k=\frac{0.5\mathrm{\α\μL}}{{\mathrm{AS}}_u}---\left(2\right)$

其中：k-被测岩石的渗透系数；ΔP(t)-岩石上、下游之间的差压应力实测值；ΔP-岩石上、下游之间的最大差压应力测定值；A-被测岩石截面积，已知；μ-渗流介质的粘滞系数，已知；L-实验岩石长度，已知；S_u(＝S_d)-分别为上游(下游)容水量，表示上游(下游)系统内单位压力引起的流体体积的变化量。在标定S_u(＝S_d)的基础上，所涉及的参数只有渗透系数是未知参数，通过建立压差与时间的关系，结合公式(1)可计算α，然后代入公式(2)中便可得到渗透系数。

目前常用的测试渗透系数的方法是稳态法，该方法最大的特点是测试通过岩心的稳定流量确定岩石的渗透系数。然而在复杂应力条件下，特别在测试低渗岩石时，稳态法不仅需要大量的测试时间，而且还会导致测试结果出现较大偏差。为此，本发明采用瞬态脉冲法测试岩石的渗透系数，该方法不再测试通过岩心中的流量，而是测试压力确定岩石的渗透系数，高精度的压力的测试比高流量的压力测试更容易实现，且成本低，时间短；再者测试过程中重复间隔使用正、逆向脉冲，这还可避免长期、频繁、单向测试引起岩石内部结构的破坏，从而保证测试的可靠性。

排水法测量岩石的孔隙度：根据孔隙度定义，即岩石孔隙体积占岩石总体积的百分比，可知孔隙度的表达式为：

$\mathrm{\φ}=\frac{V_p}{V}---\left(3\right)$

其中：φ-岩石孔隙度；V_p-岩石孔隙体积；V-岩石外表体积。

有效应力的增加将引起岩石孔隙体积的减小，从而排除部分孔隙水，通过检测这部分孔隙水的体积可得到孔隙体积的变化量以及对应应力状态下的孔隙体积，进而计算岩石的孔隙度，该方法可称为排水法。内压的降低或者围压的增加都将使有效应力增加，这里以内压降低的方式(围压保持不变)为例说明孔隙度的测试。

岩石的初始孔隙体积已知V_p0。在保持围压恒定降内压的实验过程中，内压的减小不仅将引起岩石孔隙体积的减小，也将会导致系统上下游管路和其中流体体积以及岩心中流体体积的变化；由于岩心孔隙体积很小，那么其中流体体积的变化可以忽略，于是上下游管路和其中流体体积的改变量和岩石孔隙体积的改变量这两部分就主要构成排除的孔隙流体的体积ΔV_pi，因此有必要消除管路和其中流体体积变化对测量结果的影响。由于系统对称，上下游管路的容水量已知为S_u＝S_d，那么系统管路总容水量为2S_u，内压变化导致的上下游管路和其中流体体积变化量为2S_uΔP_p＝2S_u(P₀-P_i)，内压变化导致岩石孔隙体积的减小量为ΔV_pi-2S_u(P₀-P_i)，那么该应力点对应的孔隙体积为：

V_pi＝V_p0+2S_u(P_p0-P_pi)-ΔV_pi    (4)

将公式(4)代入公式(3)，得到该应力状态下的岩石孔隙度为：

φ_i＝100％(V_p0+2S_u(P_p0-P_pi)-ΔV_pi)/V    (5)

降内压法测量岩石的压缩系数：根据质量守恒以及岩石压缩系数定义，即单位压力所引起的岩石体积的变化量，表达式为：

$C_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{V_i}\frac{{\∂V}_i}{\∂P_j}---\left(6\right)$

其中：C_ij-岩石压缩系数；V_i-岩石体积；P_j-压力。i和j-分别对应的是变化的体积类型和变化的压力类型；V_i-此处代表两个体积，分别是岩石总体积V_b和岩石的孔隙体积V_p；P_j-此处代表两个压力，分别是围压P_c和内压P_p，两个压力是相互独立的。于是存在四个对应的压缩系数C_bc、C_bp、C_pc和C_pp，具体表达式为：

$C_{\mathrm{bc}}=\frac{1}{V_b}\frac{{\∂V}_b}{\∂P_c}{|}_{P_p}---\left(7\right)$

$C_{\mathrm{bp}}=\frac{1}{V_b}\frac{{\∂V}_b}{\∂P_p}{|}_{P_c}---\left(8\right)$

$C_{\mathrm{pc}}=\frac{1}{V_p}\frac{{\∂V}_p}{\∂P_c}{|}_{P_p}---\left(9\right)$

$C_{\mathrm{pp}}=\frac{1}{V_p}\frac{{\∂V}_p}{\∂P_p}{|}_{P_c}---\left(10\right)$

以C_pp为例说明定义的压缩系数的含义，该参数表示围压恒定时改变内压时对应的岩石孔隙体积的压缩系数。采用本发明实施对应的方案便可以测定对应的压缩系数，这里以围压恒定降内压为例说明压缩系数C_bp和C_pp的测试。

岩石的初始孔隙体积已知V_p0和岩石总体积V_b0为已知。在实验过程中，围压保持恒定，从实验设定的初始内压P_p0按照设定步长逐渐降低至设定的最小值。假设对应的某一级的压力值为P_pi，那么内压的减小量ΔP_p＝P_p0-P_pi引起的孔隙体积的减小量可以根据前面介绍的排水法原理得到，即为ΔV_pi-2S_u(P₀-P_i)，该压力点对应的孔隙体积V_pi＝V_p0+2S_u(P_p0-P_pi)-ΔV_pi；同时监测围压泵的体积变化，该体积的变化量即为岩石总体积V_b的变化量ΔV_ci，则该压力点对应的岩石总体积V_bi＝V_b0-ΔV_ci。于是便可分别建立岩石孔隙体积V_pi和岩石总体积V_bi与内压P_pi的关系，进而求得压缩系数C_bp和C_pp的值。

同时测量岩石渗透系数、压缩系数及孔隙度的装置，由压力室、上游入口、下游入口、围压入口、上游泵、下游泵、围压泵、真空泵、围压阀、上游针阀、下游针阀、真空针阀、真空阀、分隔阀、真空计、上游压力计、下游压力计、差压计、温度计、控制台组成，其特征在于，所述压力室内有岩心，所述围压入口顺序连接围压阀和围压泵；所述上游入口分别连接上游压力计和上游针阀，所述上游针阀连接上游泵；所述下游入口分别连接下游压力计、下游针阀和真空针阀，所述下游针阀连接下游泵，所述真空阀顺序连接真空计、真空阀和真空泵；所述上游入口和下游入口之间分别连有分隔阀和差压计；该装置内有温度计，可位于任一位置；所述上游泵、下游泵、围压泵、真空计、上游压力计、下游压力计、差压计和温度计均与控制台连接。

所述控制台连接计算机，计算机内装采集卡和应用程序。

利用上述装置同时测量岩石渗透系数、压缩系数和孔隙度的方法，依次包括以下步骤：

(1)将饱和实验流体的岩心放入压力室，加载围压至设定值，对系统抽真空，加载内压至设定值，关闭分隔阀；

(2)待系统稳定之后，通过上游泵对系统施加一个瞬时脉冲压力，由差压计记录脉冲压力的衰减曲线，上游压力计、下游压力计、温度计分别记录上游压力、下游压力、系统温度的变化曲线，待差压计读数衰减至一半时，打开分隔阀，再通过上游泵控制系统压力至设计值，绘制lnΔP(t)～t的曲线获得初始系统应力状态下的渗透系数；

(3)通过下游泵对系统施加一个相同大小瞬时脉冲压力，同理获得反方向的初始系统应力状态下的渗透系数；

(4)重复步骤(2)、(3)至少三次，取所测均值作为初始系统应力状态下的渗透系数值；

(5)通过上游泵按照设计压力步长对系统减压，并由控制台记录围压泵中围压流体体积变化量和上游泵中系统流体体积变化量，通过上游泵控制系统压力恢复至设定值，得到该应力状态下的岩石孔隙体积和岩石总体积，同时可得到该应力状态下的岩石孔隙度和渗透系数；

(6)重复步骤(5)直到内压降至设计的最低值，同时同理获取每一变化步长下对应应力状态下岩石的孔隙度、孔隙体积、总体积和渗透系数，结束测量，打开分隔阀，卸载内压，卸载围压，取出实验岩心；

(7)分别绘制岩石孔隙体积和岩石总体积与内压的关系曲线，计算出各应力状态下对应的岩石孔隙压缩系数和岩石总体积压缩系数。

在实施本发明前首先确定系统上、下游的容水量，并完成压力泵和压力的标定。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明采用多功能集成的岩石渗流实验方法，采用瞬态法测量岩石渗透系数，采用降内压法测量岩石压缩系数，采用排水法测量岩石孔隙度，可以满足同时、快速、准确、高效测量多个岩石渗流特性参数值，适应性强，应用范围广。

(2)本发明采用多功能集成的岩石渗流实验方法，可在复杂应力变化条件下，同时测量多参数值，从而获得岩石在复杂应力变化条件下的各渗流特性参数的变化特征，满足实际工程的测量需求，灵活度高，应用领域广。

(3)本发明设计的测量系统可施加高围压、高孔隙压，可以满足测量超低渗透性、岩石在高应力条件下破坏过程中渗透特性变化的测量需求，满足深部、低渗储盖层岩石的测量和研究需求。

(4)本发明设计的测量系统可外接多个材料物性参数的测量仪器或设备，也可内置更换不同尺寸的岩石试件，可以满足被测岩石更多参数的测量需求，也可以满足不同尺寸或非标尺寸岩石试件的测量需求，为实际工程的设计、施工、安全性评价及各项准则制定提供更具体、全面、丰富、准确的测试手段和实验依据。

总之，本发明用于复杂应力变化条件下岩石渗流特性多参数(包括渗透系数、压缩系数、孔隙度)同时、有效、快速的测量工作，实现了多功能、多参数高效测量的特色效果，克服了传统渗流实验方法功能单一，往往一套设备只能测量一个参数，且不能监测岩石在复杂应力变化条件下渗流特性多参数的大范围变化特征等缺点，提供了一种多功能集成的岩石渗流实验进行渗流特性多参数同时测量(包括渗透系数、压缩系数、孔隙度)的测量系统及方法，为测试储盖层岩石在复杂自然作用或人为作用下的渗透变化特征，研究储层开采的设计、施工及安全性评价，提供了实验手段和技术支持。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参看图1，同时测量岩石渗透系数、压缩系数及孔隙度的装置，由压力室1、上游入口2、下游入口3、围压入口4、上游泵5、下游泵6、围压泵7、真空泵8、围压阀9、上游针阀10、下游针阀11、真空针阀12、真空阀13、分隔阀14、真空计15、上游压力计16、下游压力计17、差压计18、温度计19、控制台20组成，其特征在于，所述压力室1内有岩心，所述围压入口4顺序连接围压阀9和围压泵7；所述上游入口2分别连接上游压力计16和上游针阀10，所述上游针阀10连接上游泵5；所述下游入口3分别连接下游压力计17、下游针阀11和真空针阀12，所述下游针阀11连接下游泵6，所述真空针阀12顺序连接真空计15、真空阀13和真空泵8；所述上游入口2和下游入口3之间分别连有分隔阀14和差压计18；该装置内设置温度计19；所述上游泵5、下游泵6、围压泵7、真空计15、上游压力计16、下游压力计17、差压计18和温度计19均与控制台20连接。

在实验前先确定实验系统上、下游的容水量S_u和S_d，完成压力泵和压力的标定以及实验的准备，具体操作步骤如下：

1)将不锈钢岩心块放入压力室1中，通过围压泵7分级加载围压至实验设计的最大值，并保持围压恒定；同时，用机械压力表标定围压泵7；

2)保持系统处于封闭状态(关闭围压阀9、上游针阀10、下游针阀11和真空针阀12)，然后连通压力室1与真空泵8(打开真空针阀12，并保持真空阀13处于打开状态)，然后通过真空泵8对系统(包括岩样及上、下游)抽真空，直到系统处于高度真空状态，并用真空计15监测系统真空度；

3)通过上游泵5或下游泵6对系统进行大气压下饱和实验所用流体(此处以蒸馏水为例)，直到真空计15读数稳定恢复至0MPa(即实际大气压0.1MPa)，并用真空计15标定上游泵5、下游泵6；然后上游泵5(或下游泵6)稳定加载内压至实验设定的最大值，并用上游泵5(或下游泵6)标定上游压力计16和下游压力计17；

4)相同压降逐级降低内压至0MPa，通过上游泵5或者下游压力泵6计量每一级压力变化下的系统总体积变化值，同时绘制内压与累计系统总体积变化值的曲线，获取系统的总容水量值S_a；因为系统是对称的，上、下游容水量值相等，所以上、下游的容水量值是总容水量的一半，即S_u＝S_d＝0.5S_a；

5)卸载内压和围压，取出不锈钢岩心块，换上饱和蒸馏水的岩样；重复步骤1、2和3(不需要再进行标定工作)，岩心围压(P_c0)和内压(P_p0)加载至设计值；

同时测量岩石渗透系数、压缩系数及孔隙度的方法，依次包括以下步骤：

(1)将饱和实验流体的岩心放入压力室，加载围压至设定值，对压力室抽真空，加载内压至设定值，关闭分隔阀14；

(2)通过上游泵5对系统施加一个瞬时脉冲压力(ΔP，一般不超过对应内压的10％)，由差压计18记录脉冲压力的衰减曲线(曲线ΔP(t)-t)，上游压力计16记录上游压力的变化曲线，下游压力计17记录下游压力的变化曲线，温度计19记录系统温度的变化曲线，待差压计读数衰减至一半(ΔP/2)时，停止采集，打开分隔阀14，此时半衰期为t₀₁；最后通过上游泵5控制系统压力恢复至设计值(P_p0)；基于公式(1)，绘制lnΔP(t)～t的曲线，拟合求取初始点对应的α₀₁，然后代入公式(2)计算获取初始系统应力状态下的渗透系数k₀₁；

(3)通过下游泵6对系统施加一个相同瞬时脉冲，同理计算获取反方向的初始系统应力状态下的渗透系数k₀₂；

(4)重复步骤(2)和(3)至少三次，取所测均值作为初始系统应力状态下的渗透系数值k₀；

(5)通过上游泵5按照设计压力步长对系统减压至设计值P_p1(P_p1＜P_p0)，由控制台20记录围压泵7中围压流体体积变化量(ΔV_b1)和上游泵5中系统流体体积变化量(ΔV_p1)，通过上游泵5控制系统压力恢复至设定值P_p1，得到该应力状态下的岩石孔隙体积V_p1、岩石总体积V_b1，同时根据公式(5)可得到该应力状态下的孔隙度φ₁以及重复步骤(4)得到该应力状态下的渗透系数k₁；

(6)以此类推，通过上游泵5降低内压至设计值P_pi(P_pi＜P_pi-1)，重复步骤(5)，获取对应应力状态下岩石的孔隙体积V_pi、总体积V_bi、孔隙度φ_i和渗透系数k_i；直到内压降至设计的最低值P_pn时，结束测量，打开分隔阀14，卸载内压，卸载围压，取出实验岩心；

(7)最后分别绘制岩石孔隙体积V_pi和岩石总体积V_bi与内压P_pi的关系曲线，根据公式(8)和公式(10)计算各应力状态下对应的岩石孔隙压缩系数C_pp和岩石总体积压缩系数C_bp。

Claims (1)

1.利用装置同时测量岩石渗透系数、压缩系数及孔隙度的方法，所述装置由压力室（1）、上游入口（2）、下游入口（3）、围压入口（4）、上游泵（5）、下游泵（6）、围压泵（7）、真空泵（8）、围压阀（9）、上游针阀（10）、下游针阀（11）、真空针阀（12）、真空阀（13）、分隔阀（14）、真空计（15）、上游压力计（16）、下游压力计（17）、差压计（18）、温度计（19）、控制台（20）组成，所述压力室（1）内有岩心，所述围压入口（4）顺序连接围压阀（9）和围压泵（7）；所述上游入口（2）分别连接上游压力计（16）和上游针阀（10），所述上游针阀（10）连接上游泵（5）；所述下游入口（3）分别连接下游压力计（17）、下游针阀（11）和真空针阀（12），所述下游针阀（11）连接下游泵（6），所述真空针阀（12）顺序连接真空计（15）、真空阀（13）和真空泵（8）；所述上游入口（2）和下游入口（3）之间分别连有分隔阀（14）和差压计（18）；该装置内设置温度计（19）；所述上游泵（5）、下游泵（6）、围压泵（7）、真空计（15）、上游压力计（16）、下游压力计（17）、差压计（18）和温度计（19）均与控制台（20）连接；

所述方法，依次包括以下步骤：

（1）将饱和实验流体的岩心放入压力室，加载围压至设定值，对系统抽真空，加载内压至设定值，关闭分隔阀；

（2）待系统稳定之后，通过上游泵对系统施加一个瞬时脉冲压力，由差压计记录脉冲压力的衰减曲线ΔP(t)～t，上游压力计、下游压力计、温度计分别记录上游压力、下游压力、系统温度的变化曲线，待差压计读数衰减至一半时，打开分隔阀，再通过上游泵控制系统压力至设计值，绘制lnΔP(t)～t的曲线获得初始系统应力状态下的渗透系数；

（3）通过下游泵对系统施加一个相同大小瞬时脉冲压力，同理获得反方向的初始系统应力状态下的渗透系数；

（4）重复步骤（2）、（3）至少三次，取所测均值作为初始系统应力状态下的渗透系数值；

（5）通过上游泵按照设计压力步长对系统减压，并由控制台记录围压泵中围压流体体积变化量和上游泵中系统流体体积变化量，通过上游泵控制系统压力恢复至设定值，得到该应力状态下的岩石孔隙体积和岩石总体积，同时可得到该应力状态下的岩石孔隙度和渗透系数；

（6）重复步骤（5）直到内压降至设计的最低值，同时同理获取每一变化步长下对应应力状态下岩石的孔隙度、孔隙体积、总体积和渗透系数，结束测量，打开分隔阀，卸载内压，卸载围压，取出实验岩心；

（7）分别绘制岩石孔隙体积和岩石总体积与内压的关系曲线，计算出各应力状态下对应的岩石孔隙压缩系数和岩石总体积压缩系数。

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