CN103207138B - 一种动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法，包括围压控制装置、岩心压力室、下游储气瓶、上游储气瓶、气压加载装置、上游气压记录表、下游气压记录表、上下游气压差记录表和计算机。本发明的动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法所需要测量的物理量少，操作简单；实现了对渗透率、孔隙度在复杂应力下的动态测量，对于渗透率低于10^-17m²，孔隙度小于1.5%的致密岩石的测量时间短，精度高；实现了对试验数据的自动记录，试验结果更精确并提高了试验效率；得到不同压力下的试验数据，用以一次性计算渗透率、孔隙度。

Description

一种动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法

技术领域

本发明涉及一种动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法。

背景技术

随着国民经济的发展，地下资源的开发已由浅部转入深部岩层开采，以及在复杂地质条件地区修建水电站，开凿隧道等。上述地区的工程建设都面临着复杂应力条件下的设计、施工以及工程在渗流条件下的长期稳定性问题。因此如何快速高效的测定岩石的渗透特性参数如渗透率、孔隙度成为迫切需要解决的问题。

目前对渗透率、孔隙度的测量多采用单一的方法及设备，如采用渗透仪测量渗透率，用孔隙度仪测量孔隙度，一套设备只能测量一个参数，且不能完成岩石在复杂应力条件下渗透率、孔隙度在大范围变化的测量。这样测量的物理量多，既浪费了时间，又由于岩石加卸载的影响，使测出的渗透率、孔隙度随围压的动态变化规律不准确。

为了解决传统测量方法中不能联合测量渗透率、孔隙度；测量物理量多，方法繁琐，耗时耗力；更不能测量不同围压下的渗透率、孔隙度。

因此，需要一种动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中对致密岩石渗透率和孔隙度的测量方法存在的问题，提供一种可以有效的动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法采用如下技术方案：

一种动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法，采用致密岩石渗透率和孔隙度联合测试装置，所述致密岩石渗透率和孔隙度联合测试装置包括围压控制装置、岩心压力室、下游储气瓶、上游储气瓶、气压加载装置、上游气压记录表、下游气压记录表、上下游气压差记录表和气压数据采集装置，所述围压控制装置连通所述岩心压力室，所述岩心压力室的上端和下端分别连通所述下游储气瓶和上游储气瓶，所述岩心压力室的上端和所述下游储气瓶形成下游气路，所述岩心压力室的下端和所述上游储气瓶形成上游气路，所述岩心压力室和所述下游储气瓶之间设置有所述下游气压记录表，所述岩心压力室和所述上游储气瓶之间设置有所述上游气压记录表，所述下游储气瓶和上游储气瓶之间设置有所述上下游气压差记录表，所述上游气压记录表、下游气压记录表和上下游气压差记录表均连接所述气压数据采集装置，所述下游储气瓶和上游储气瓶均连通所述气压加载装置，所述下游储气瓶和所述气压加载装置之间设置有阀门，所述上游储气瓶和所述气压加载装置之间设置有阀门，其特征在于，包括以下步骤：

1）、将岩心放置在所述岩心压力室中；

2）、保持所述上游储气瓶打开，所述下游储气瓶关闭；

3）、打开所述围压控制装置为所述岩心压力室加压到设定值P₀，关闭所述围压控制装置；

4）、打开所述气压加载装置，使得所述下游气压记录表和上游气压记录表的读数相同并为步骤3）中所述设定值P₀；

5）、保持所述气压加载装置打开一段时间，为所述上游气路增加脉冲压力△P；

6）、利用所述气压数据采集装置每隔预订的时间间隔记录所述上游气压传感器、下游气压传感器和上下游气压传感器读数；

7）、打开所述围压控制装置为所述岩心压力室加压到另一设定值；

8）、重复步骤4）-7），得到不同围压下的试验数据；

9）、利用所述气压数据采集装置记录得到的试验数据，计算得到岩石渗透率和孔隙度。

更进一步的，所述渗透率k通过下式计算得到：

$k=\frac{\mathrm{c\μL}{V}_1{V}_2}{A{P}_f(V_1+V_2)},$ $P_f=P_0\frac{V_1\mathrm{\ΔP}}{V_1+V_2},$ P₁-P₂＝ΔPexp(-ct)

式中，A为岩心横截面的面积，c为计算过程中的参数，其大小随试样两端气压的变化而变化，由上述第三个方程确定，P_f为平衡压力，t为渗流时间，μ为气体粘度，V₁和V₂分别为岩心上下端导管及储气瓶的体积（m³）,P₀为试验开始时岩心两端的气压(MPa)，△P为脉冲压力(MPa)，P₁和P₂分别为脉冲试验过程中t时刻岩心上下两端压力值(MPa)。

更进一步的，所述孔隙度通过下式计算得到：

式中，A＝P_1jV₁/Z_1j+P_2jV₂/Z_2j，B＝P_1j/Z_1j+P_2j/Z_2j，

式中，V₁和V₂分别为上下游气路中气体体积（m³），P_1j和P_2j分别为脉冲试验过程中t时刻岩心上下两端压力值(MPa)，n为试验点的个数，Z_1j和Z_2j分别为上下游气路中气体偏差因子。

更进一步的，所述围压控制装置为液压泵。

更进一步的，所述气压加载装置为储气瓶。

更进一步的，所述气压加载装置的出口处设置有阀门。

更进一步的，所述上游储气瓶和下游储气瓶的两端均设置有阀门。

更进一步的，所述气压数据采集装置为计算机。

更进一步的，步骤6）中所述预定的时间间隔为5-100秒。

有益效果：本发明的动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法对于渗透率低于10^-17m₂，孔隙度小于1.5%的致密岩石测量速度快、精度高、满足工程的要求；实现了对渗透率、孔隙度的联合测定，即测量一组试验数据就可以完成对渗透率、孔隙度的计算；更可以改变围压的值，得到不同围压下渗透率、孔隙度的动态测量值，为复杂应力条件下的岩石工程提供试验依据。

附图说明

图1是本发明的致密岩石渗透率和孔隙度联合测试装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1所示，本发明的致密岩石渗透率和孔隙度联合测试装置包括围压控制装置1、岩心压力室2、下游储气瓶3、上游储气瓶4、气压加载装置5、上游气压记录表6、下游气压记录表7、上下游气压差记录表8、计算机9，以及阀门，管道等。围压控制装置1连通岩心压力室2，岩心压力室2的上端和下端分别连通下游储气瓶3和上游储气瓶4。其中，岩心压力室2的上端和下游储气瓶3形成下游气路，岩心压力室2的下端和上游储气瓶4形成上游气路。下游储气瓶3通过导管连通岩心压力室2的上端，上游储气瓶4通过导管连通岩心压力室2的下端。岩心压力室2和下游储气瓶3之间设置有下游气压记录表6，岩心压力室2和上游储气瓶4之间设置有上游气压记录表7，下游储气瓶3和上游储气瓶4之间设置有上下游气压差记录表8，上游气压记录表6、下游气压记录表7和上下游气压差记录表8均连接计算机9。下游储气瓶3和上游储气瓶4均连通气压加载装置5，下游储气瓶3和气压加载装置5之间设置有阀门，上游储气瓶4和气压加载装置5之间设置有阀门。其中，围压控制装置1为液压泵，气压加载装置5为储气瓶。储气瓶中存储有高纯度氩气。

具体的，液压泵通过橡胶软管连接到岩心压力室2；岩心压力室2的下端与上游储气瓶4连接，上端与下游储气瓶3连接；气压加载装置5分别通过钢制管道和阀门与上游储气瓶4和下游储气瓶3互联；在上游储气瓶4和下游储气瓶3与岩心压力室2之间分别安装着上游气压记录表6和下游气压记录表7，上游储气瓶4和下游储气瓶3之间安装有上下游气压差记录表8；上游气压记录表6、下游气压记录表7、上下游气压差记录表8都与计算机9相连。

岩心压力室2通过围压控制装置1加载围压并可以实现对围压的控制,储气瓶通过三通装置连接至上下游的管道提供整个装置的气源；其中上游储气瓶4通过钢制管道与岩心压力室2的底端相连提供第1气路，下游储气瓶3通过钢制管道与岩心压力室2的上端相连提供第2气路；岩心置于岩心压力室2中，岩心底端与第1气路相通，顶端与第2气路相通；计算机9中装有数据采集卡和程序实现对试验记录数据的自动采集。

请参阅图1所示，具体的测量方法如下：

1）、将岩心置于岩心压力室2中；

2）、保持上游储气瓶4打开，下游储气瓶3关闭；

3）、打开液压泵为岩心压力室2加围压直至设定值，关闭液压泵；

4）、打开储气瓶阀门，打开第1气路的阀门和第2气路的阀门，向两个气路里面冲入气体，使得上游气压记录表6和下游气压记录表7读数相同并等于设定值；

5）、保持整个装置在连通状态五分钟后增加上游气压值至设定值；

6）、利用计算机9每隔预定时间间隔记录上下游气压差记录表8读数、上游气压记录表6读数和下游气压记录表7读数；

7）、打开液压泵为岩心压力室2加压到另一设定值；

8）、重复步骤4）～7），直至满足试验要求，得到不同围压下的试验数据；

9）、利用试验记录的数据计算渗透率、孔隙度。

计算致密岩石的渗透率的原理如下：

假设气体介质为理想气体，满足理想气体的状态方程，即

$\frac{P}{\mathrm{\ρ}}=C---\left(1\right)$

实验过程中，气体的渗流满足介质流动的一维扩散方程：

$\frac{K}{2\mathrm{\μ}}\frac{{\∂}^2}{\∂x^2}=\mathrm{\φ}\frac{\∂P}{\∂t}---\left(2\right)$

岩样两端的气体均满足达西定律：

$\frac{d{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1}{\mathrm{dt}}=A{\mathrm{\ρ}}_1\frac{K}{\mathrm{\μ}}{\left(\frac{\∂P}{\∂x}\right)}_1---\left(3\right)$

$\frac{d{\mathrm{\ρ}}_2{v}_2}{\mathrm{dt}}=A{\mathrm{\ρ}}_2\frac{K}{\mathrm{\μ}}{\left(\frac{\∂P}{\∂x}\right)}_2---\left(4\right)$

其中，式（1）、（2）、（3）和（4）中，K为气体渗透率，μ为气体粘度，P为气压，φ为介质的孔隙度，t为渗流时间，ρ为气体密度，x为岩心内任一点处横截面距进气端岩心横截面的距离，A为岩心横截面的面积。

试验开始时，系统处于平衡状态，系统内气体压力记为P_i0；突然增大上游气路压强，升至P_i0+ΔP，从而给岩样一个脉冲压力，初始条件为：

P₁(t＝0⁺)＝P_io+ΔP,P₂(t＝0⁺)＝P_io  (5)

在t＝+∞，系统压力再次达到平衡，平衡压力P_f为：

$P_f=P_{\mathrm{io}}+\frac{V_1\mathrm{\ΔP}}{V_1+V_2+\mathrm{\φAL}}=P_{\mathrm{io}}+\frac{V_1\mathrm{\ΔP}}{V_1+V_2}---\left(6\right)$

分析求解可以得到测量气体渗透率的表达式为：

$k=\frac{\mathrm{c\μL}{V}_1{V}_2}{A{P}_f(V_1+V_2)},$ $P_f=P_0\frac{V_1\mathrm{\ΔP}}{V_1+V_2},$ P₁-P₂＝ΔPexp(-ct)  (7)

式中，V₁和V₂分别为岩心上下端导管及储气瓶的体积(m³),P₀为试验开始时岩心两端的气压(MPa)，△P为脉冲压力(MPa)，P₁和P₂分别为脉冲试验过程中,t时刻岩心上下两端压力值(MPa)。从公式可以看出，所涉及的参数只有k为未知，因此可以计算出渗透率的值。

计算孔隙度的原理如下：

初态(t=0)时，脉冲压力室体积为V₁′，其压力为p₁′＝P₀′+ΔP；孔隙体积为V_p，其压力为P₀′，下游气路的体积为V₂′，其压力为P₀′；

末态(平衡)时，整个压力容积V₁′、V₂′、V_p中压力均为末态平衡压力P₂′，由波义尔定律得：

p₁′V₁′+(V₂′+V_P)P₀′＝(V₁′+V₂′+V_P)P₂′(8)

则孔隙度

考虑到实际气体为非理想气体，引入气体偏差因子Z，气体状态方程为：

$\frac{\mathrm{PV}}{\mathrm{ZRt}}=n---\left(10\right)$

对于等温的过程则 $\∫\frac{\mathrm{PdV}}{Z}=C---\left(11\right)$

对于致密岩石，根据数值模拟和理论分析结果，可以认为在瞬时脉冲过程中系统处于准静态，岩心内部压力近似线型分布。式(11)可以写为：

$P_1{V}_1/Z_1+\frac{1}{2}(P_1{Z}_1+P_2{Z}_2)V_P+P_2{V}_2/Z_2-C=0---\left(12\right)$

考虑测量误差，采集n个试验点采用最小二乘法最后得：

其中A＝P_1jV₁/Z_1j+P_2jV₂/Z_2j，B＝P_1j/Z_1j+P_2j/Z_2j，为了保证精度，在测量前应取V₂远小于V₁。式中，V₁和V₂分别为上下游气路中气体体积（m³），P_1j和P_2j分别为脉冲试验过程中t时刻岩心上下两端压力值(MPa)，n为试验点的个数，Z_1j和Z_2j分别为上下游气路中气体偏差因子。

因此可以看出，测量同一个数据就可以联合完成渗透率、孔隙度的计算，并且随着围压的不同，渗透率、孔隙度的值也是动态变化的，其变化规律通过该方法也可以表示出来。

本发明的动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法利用一套装置测量上下游的压力室的体积以及上下游气体的压力完成对渗透率和孔隙度的联合测量，同时改变围压，可以得到复杂应力条件下的致密岩石的渗透率、孔隙度。该方法操作简单；测量精度高，可以对渗透率低于10^-17m²，孔隙度小于1.5%的致密岩石完成测量；应用范围广泛，为大型岩石工程的设计、施工以及长期稳定性评价提供试验依据。

Claims (6)

1.一种动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法，采用致密岩石渗透率和孔隙度联合测试装置，所述致密岩石渗透率和孔隙度联合测试装置包括围压控制装置(1)、岩心压力室(2)、下游储气瓶(3)、上游储气瓶(4)、气压加载装置(5)、上游气压记录表(6)、下游气压记录表(7)、上下游气压差记录表(8)和气压数据采集装置(9)，所述围压控制装置(1)连通所述岩心压力室(2)，所述岩心压力室(2)的上端和下端分别连通所述下游储气瓶(3)和上游储气瓶(4)，所述岩心压力室(2)的上端和所述下游储气瓶(3)形成下游气路，所述岩心压力室(2)的下端和所述上游储气瓶(4)形成上游气路，所述岩心压力室(2)和所述下游储气瓶(3)之间设置有所述下游气压记录表(6)，所述岩心压力室(2)和所述上游储气瓶(4)之间设置有所述上游气压记录表(7)，所述下游储气瓶(3)和上游储气瓶(4)之间设置有所述上下游气压差记录表(8)，所述上游气压记录表(6)、下游气压记录表(7)和上下游气压差记录表(8)均连接所述气压数据采集装置(9)，所述下游储气瓶(3)和上游储气瓶(4)均连通所述气压加载装置(5)，所述下游储气瓶(3)和所述气压加载装置(5)之间设置有阀门，所述上游储气瓶(4)和所述气压加载装置(5)之间设置有阀门，其特征在于，包括以下步骤：

1)、将岩心放置在所述岩心压力室(2)中；

2)、保持所述上游储气瓶(4)打开，所述下游储气瓶(3)关闭；

3)、打开所述围压控制装置(1)为所述岩心压力室(2)加压到设定值P₀，关闭所述围压控制装置(1)；

4)、打开所述气压加载装置(5)，使得所述下游气压记录表(6)和上游气压记录表(7)的读数相同并为步骤3)中所述设定值P₀；

5)、保持所述气压加载装置(5)打开4-6分钟，为所述下游气路增加脉冲压力△P；

6)、利用所述气压数据采集装置(9)每隔预定的时间间隔记录所述上游气压记录表(6)、下游气压记录表(7)和上下游气压差记录表(8)读数，所述预定的时间间隔为5-100秒；

7)、打开所述围压控制装置(1)为所述岩心压力室(2)加压到另一设定值；

8)、重复步骤4)-7)；

9)、利用所述气压数据采集装置(9)记录得到的试验数据，计算得到岩石渗透率和孔隙度,所述渗透率k通过下式计算得到：

$k=\frac{\mathrm{c\μ}{\mathrm{LV}}_1{V}_2}{{\mathrm{AP}}_f(V_1+V_3)},P_f=P_0+\frac{V_1\mathrm{\ΔP}}{V_1+V_2},P_1-P_2=\mathrm{\ΔPexp}(-\mathrm{ct})$

式中，A为岩心横截面的面积，c为计算过程中的参数，其大小随试样两端气压的变化而变化，由上述第三个方程确定，P_f为平衡压力，t为渗流时间，μ为气体粘度，V₁和V₂分别为岩心上下端导管及储气瓶的体积(m³),P₀为试验开始时岩心两端的气压(MPa)，△P为脉冲压力(MPa)，P₁和P₂分别为脉冲试验过程中t时刻岩心上下两端压力值(MPa)；

所述孔隙度通过下式计算得到：

式中，A＝P_1jV₁/Z_1j+P_2jV₂/Z_2j，B＝P_1j/Z_1j+P_2j/Z_2j，

式中，V_f为岩心的外表体积,V₁和V₂分别为岩心上下端导管及储气瓶的体积(m³)，P_1j和P_2j分别为脉冲试验过程中t时刻岩心上下两端压力值(MPa)，n为试验点的个数，Z_1j和Z_2j分别为上下游气路中气体偏差因子。

2.如权利要求1所述的动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法，其特征在于，所述围压控制装置(1)为液压泵。

3.如权利要求1所述的动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法，其特征在于，所述气压加载装置(5)为储气瓶。

4.如权利要求1所述的动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法，其特征在于，所述气压加载装置(5)的出口处设置有阀门。

5.如权利要求1所述的动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法，其特征在于，所述上游储气瓶(4)和下游储气瓶(3)的两端均设置有阀门。

6.如权利要求1所述的动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法，其特征在于，所述气压数据采集装置(9)为计算机。