CN103645298B - 一种测定损伤岩盐自恢复量的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定损伤岩盐自恢复量的试验方法，步骤如下：1）制作损伤岩盐自恢复量测定装置；2）将需要进行损伤自恢复量测量的岩盐试件安装到损伤岩盐自恢复量测定装置上；3）模拟设定损伤岩盐的应力、温度、湿度自恢复环境；4）打开控制阀门（Ⅰ、Ⅱ）；5）打开控制阀门（Ⅲ～Ⅵ），记录压差计读数变化情况；6）直至满足损伤岩盐自恢复试验要求；7）计算公式计算出各时间段的渗透率；8）计算岩盐的损伤自恢复量。该方法实现了在损伤岩盐的自恢复过程中对损伤自恢复量的同步测量，测量速度快、精度高；可以通过改变损伤岩盐所处的应力、温度和湿度状态模拟真实复杂地质条件下的自恢复过程并实现自恢复量的全过程实时测量。

Description

一种测定损伤岩盐自恢复量的试验方法

技术领域

本发明涉及一种损伤岩盐自恢复的试验方法，特别是涉及一种测定损伤岩盐自恢复量的试验方法。

背景技术

盐岩体具有孔隙率低，渗透性小，损伤自恢复能力强等优点，加上水文地质条件简单、分布广等优良特性，被国际上公认为是石油、天然气储备和高放射性废物处置的理想场所。但在盐穴建腔期和储库运营期，仍时有腔体失效和油气泄露等事故的发生。在岩溶建腔期，由于腔体水溶开采扰动了岩盐原有的应力平衡状态，使得腔体围岩应力释放，势必在腔体周围产生岩石松动圈，引发岩盐的损伤破坏；在油气储存运营过程中，由于腔体内流体被频繁抽、注，腔内流体压力也不断波动，再加之地应力的共同作用，也会导致腔壁岩盐受到损伤并出现裂隙。这些损伤增加了岩盐的渗透性，不利于腔体的密封和稳定。同时，在一定地质条件下损伤岩盐晶体完全可以通过再结晶作用在损伤处形成新的晶体结构，促使损伤盐岩的裂隙愈合，改善盐岩腔体内部受损盐岩的力学特性，降低渗透率。因此，掌握岩盐的损伤自恢复机理对建腔期和油气储库运行期的灾害防治有着重要理论意义和实用价值。而对岩盐损伤-自恢复机理的研究就必须有准确测量损伤岩盐自恢复量的方法。目前，国内还没有针对损伤岩盐自恢复量研究的专门设备，相关的研究中，损伤岩盐自恢复的养护设施和自恢复量的测量设备是分开的，造成对损伤自恢复过程不能连续测量，且不能实现岩盐在复杂自恢复条件下进行自恢复量的测量。这种测量方法既浪费时间，又受岩盐自恢复环境改变的影响造成测量结果不准确。

为了解决传统测量损伤岩盐自恢复量方法中自恢复养护设施和测量设备分离，不能连续准确测量自恢复量，且耗时费力的问题，需要找到一种能联合自恢复养护平台和自恢复测量平台的损伤岩盐自恢复量测定试验方法。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种测定损伤岩盐自恢复量的试验方法。该方法是利用自恢复养护和自恢复测量综合系统，通过测量损伤岩盐渗透率来全程同步测定其自恢复量的试验方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种测定损伤岩盐自恢复量的试验方法，该方法包括如下步骤：

1）制作一个损伤岩盐自恢复量测定装置，所述损伤岩盐自恢复量测定装置包括筒体、加热垫片、底座、上盖、上压杆、下支撑杆、双路伺服液压站、上路储气罐、下路储气罐、压差计和气压加载装置；所述加热垫片设置在筒体的内壁上，所述底座设置在筒体的底部并与筒体的下端口密封配合，所述上盖设置在筒体的顶部并与筒体的上端口密封配合；所述上压杆竖直设置在上盖上，上压杆的底端伸进筒体内，所述下支撑柱竖直设置在底座上并位于筒体内，上压杆的底端与下支撑柱的顶端在竖直方向上对应；所述双路伺服液压站的出油口通过管路与筒体内连通；所述上压杆竖直设置进气通道，所述上路储气罐的出气口通过管路与进气通道连接并通过进气通道与筒体内连通；所述下支撑柱竖直设置进气通孔，所述下路储气罐的出气口通过管路与进气通孔连接并通过进气通孔与筒体内连通；所述压差计的一端口与上路储气罐内连通，压差计的另一端口与下路储气罐内连通；所述气压加载装置的出气口分别通过管路与上路储气罐的进气口和下路储气罐的进气口连接；所述气压加载装置的出气口与上路储气罐的进气口之间连接的管路上安装控制阀门Ⅰ，所述气压加载装置的出气口与下路储气罐的进气口之间连接的管路上安装控制阀门Ⅱ，所述压差计与上路储气罐连接的管路上安装控制阀门Ⅲ，所述压差计与下路储气罐连接的管路上安装控制阀门Ⅳ，所述上路储气罐与进气通道连接的管路上安装控制阀门Ⅴ，所述下路储气罐与进气通孔连接的管路上安装控制阀门Ⅵ；

2）将需要进行损伤自恢复量测量的岩盐试件安装到损伤岩盐自恢复量测定装置上，岩盐试件被压在上压杆和下支撑柱之间；

3）开启双路伺服液压站，加热垫片通电加热，通过上压杆和下支撑柱对岩盐试件施压，模拟设定损伤岩盐的应力、温度、湿度自恢复环境；

4）打开控制阀门Ⅰ和控制阀门Ⅱ，通过气压加载装置向上路储气罐和下路储气罐两个等体积的储气罐中充入气体，当上路储气罐气压达到设定值P ₁ 时关闭控制阀门Ⅰ，当下路储气罐气压达到设定值P ₂ 时关闭控制阀门Ⅱ；

5）打开控制阀门Ⅲ、控制阀门Ⅳ、控制阀门Ⅴ和控制阀门Ⅵ，每隔预定时间监测记录压差计读数变化情况，得出上路储气罐和下路储气罐的压差ΔP与时间t的函数关系ΔP =f(t)；

6）当压差计的读数接近底线阀值                                               （）时，重复步骤3）和4），直至满足损伤岩盐自恢复试验要求；

7）将试验数据代入渗透率计算公式计算出各时间段的渗透率k；

渗透率方程为：

式中：V是标准容器体积，cm³，V=V ₁ =V ₂ ，V ₁ 是上路储气罐的体积，V ₂ 是下路储气罐的体积；Δp _i /Δp _f 是最初压力差和最后压力差之比；Δt是试验持续时间，s；L _s 是岩盐试件长度，cm；A _s 是岩盐试件横截面积，cm²；μ是气体介质的粘度系数(pa. s)；β是气体介质的压缩系数(pa^-1);

8）通过渗透率的变化情况计算岩盐的损伤自恢复量;

其中，f(t)是上下路储气罐压差ΔP与自恢复时间t的函数，是自恢复过程中t时刻ΔP的变化率，是自恢复t ₀ 时刻开始时储气罐的压差，是t ₀ 时刻ΔP的变化率。

作为本发明的一种优选方案，所述压差计与计算机连接。

作为本发明的另一种优选方案，所述双路伺服液压站的进油口与油缸连接。

本发明的有益效果是：该方法实现了在损伤岩盐的自恢复过程中对损伤自恢复量的同步测量，测量速度快、精度高；更可以通过改变损伤岩盐所处的应力、温度和湿度状态模拟真实复杂地质条件下的自恢复过程并实现自恢复量的全过程实时测量，为研究岩盐的损伤自恢复机理提供全面的试验依据和理论支持。

附图说明

图1为损伤岩盐自恢复量测定装置的结构示意图。

附图中： 1—岩盐试样； 2—加热垫片； 3—双路伺服液压站； 4—油缸；5—计算机； 6—气压加载装置； 7—上路储气罐； 8—下路储气罐； 9—上路气压表； 10—下路气压表； 11—压差计； 12—计算机； 13—控制阀门Ⅰ； 14—控制阀门Ⅱ； 15—控制阀门Ⅲ； 16—控制阀门Ⅳ； 17—控制阀门Ⅴ； 18—控制阀门Ⅵ； 19—筒体； 20—底座； 21—上盖； 22—上压杆； 23—下支撑柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

一种测定损伤岩盐自恢复量的试验方法，该方法包括如下步骤：

1）制作一个损伤岩盐自恢复量测定装置，损伤岩盐自恢复量测定装置的结构如图1所示，损伤岩盐自恢复量测定装置包括筒体19、加热垫片2、底座20、上盖21、上压杆22、下支撑杆23、双路伺服液压站3、上路储气罐7、下路储气罐8、压差计11、气压加载装置6、计算机5、计算机12和油缸4。加热垫片2设置在筒体19的内壁上，底座20设置在筒体19的底部并与筒体19的下端口密封配合，上盖21设置在筒体19的顶部并与筒体19的上端口密封配合。上压杆22竖直设置在上盖21上，上压杆22的底端伸进筒体19内，下支撑柱23竖直设置在底座20上并位于筒体19内，上压杆22的底端与下支撑柱23的顶端在竖直方向上对应。双路伺服液压站3的进油口与油缸4连接，双路伺服液压站3的出油口通过管路与筒体19内连通，上压杆22竖直设置进气通道，上路储气罐7的出气口通过管路与进气通道连接并通过进气通道与筒体19内连通。计算机5通过多通道数据采集装置控制双路液压系统，下支撑柱23竖直设置进气通孔，下路储气罐8的出气口通过管路与进气通孔连接并通过进气通孔与筒体19内连通。压差计11的一端口与上路储气罐7内连通，压差计11的另一端口与下路储气罐8内连通，压差计11与计算机12连接。气压加载装置6的出气口分别通过管路与上路储气罐7的进气口和下路储气罐8的进气口连接。气压加载装置6的出气口与上路储气罐7的进气口之间连接的管路上安装控制阀门Ⅰ13，气压加载装置6的出气口与下路储气罐8的进气口之间连接的管路上安装控制阀门Ⅱ14，压差计11与上路储气罐7连接的管路上安装控制阀门Ⅲ15和上路气压表9，压差计11与下路储气罐8连接的管路上安装控制阀门Ⅳ16和下路气压表10，上路储气罐7与进气通道连接的管路上安装控制阀门Ⅴ17，下路储气罐8与进气通孔连接的管路上安装控制阀门Ⅵ18。

2）将需要进行损伤自恢复量测量的岩盐试件安装到损伤岩盐自恢复量测定装置上，岩盐试件被压在上压杆22和下支撑柱23之间。

3）开启双路伺服液压站3，加热垫片2通电加热，通过上压杆22和下支撑柱23对岩盐试件施压，模拟设定损伤岩盐的应力、温度、湿度自恢复环境。

4）打开控制阀门Ⅰ13和控制阀门Ⅱ14，通过气压加载装置向上路储气罐7和下路储气罐8两个等体积的储气罐中充入气体，当上路储气罐7气压达到设定值P ₁ 时关闭控制阀门Ⅰ13，当下路储气罐8气压达到设定值P ₂ 时关闭控制阀门Ⅱ14。

5）打开控制阀门Ⅲ15、控制阀门Ⅳ16、控制阀门Ⅴ17和控制阀门Ⅵ18，利用计算机12每隔预定时间监测记录压差计11读数变化情况，得出上路储气罐7和下路储气罐8的压差ΔP与时间t的函数关系ΔP =f(t)。

6）当压差计11的读数接近底线阀值（）时，重复步骤3）和4），直至满足损伤岩盐自恢复试验要求。

7）将试验数据代入渗透率计算公式计算出各时间段的渗透率k；

渗透率方程为：

式中：V是标准容器体积，cm³，V=V ₁ =V ₂ ，V ₁ 是上路储气罐（7）的体积，V ₂ 是下路储气罐（8）的体积；Δp _i /Δp _f 是最初压力差和最后压力差之比；Δt是试验持续时间，s；L _s 是岩盐试件长度，cm；A _s 是岩盐试件横截面积，cm²；μ是气体介质的粘度系数(pa. s)；β是气体介质的压缩系数(pa^-1)。

8）通过渗透率的变化情况计算岩盐的损伤自恢复量;

其中，f(t)是上下路储气罐压差ΔP与自恢复时间t的函数，是自恢复过程中t时刻ΔP的变化率，是自恢复t ₀ 时刻开始时储气罐的压差，是t ₀ 时刻ΔP的变化率。

损伤自恢复量的计算原理如下：

假设通过损伤岩盐试样的气体介质为理想气体且满足达西定律，气体管路无扩张，那么渗透率方程为：

                    （1）

式中：V是标准容器体积，cm³，这里V=V ₁ =V ₂ ；Δp _i /Δp _f 是最初压力差和最后压力差之比；Δt是试验持续时间，s；L _s 是岩盐试件长度，cm；A _s 是岩盐试件横截面积，cm²；μ是气体介质的粘度系数(pa. s)；β是气体介质的压缩系数(pa^-1)。

由于上述假设对渗透率的有效影响相对较小，该方法的计算结果可以合理地预测岩盐试件的渗透率变化情况。

对上下路储气罐压差与时间的函数关系ΔP =f(t)两边取对数得：

                           （2）

令：

                     （3）

则在极短的时间Δt内，

                         （4）

将式（4）代入式（1），得到损伤岩盐渗透率与时间的函数关系：                            （5）

定义损伤岩盐的自恢复量为：

               （6）

式中，R为损伤岩盐的自恢复量；k ₀ 是自恢复t ₀ 时刻开始时损伤岩盐试样的渗透率；k _t 是自恢复一段时间t时刻后损伤岩盐的渗透率。

联立式（3）、式（5）和式（6）就可以得出任意时刻损伤盐岩自恢复量的表达式为：

                    （7）

其中，f(t)是上下路储气罐压差ΔP与时间t的函数，可以通过计算机对采集的数据进行简单处理得到，从公式中可以看出，不再含有其他未知参数，因此可以计算出损伤岩盐自恢复过程中各个时间段的自恢复量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种测定损伤岩盐自恢复量的试验方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)制作一个损伤岩盐自恢复量测定装置，所述损伤岩盐自恢复量测定装置包括筒体(19)、加热垫片(2)、底座(20)、上盖(21)、上压杆(22)、下支撑柱(23)、双路伺服液压站(3)、上路储气罐(7)、下路储气罐(8)、压差计(11)和气压加载装置(6)；其中加热垫片(2)设置在筒体(19)的内壁上，底座(20)设置在筒体(19)的底部并与筒体(19)的下端口密封配合，上盖(21)设置在筒体(19)的顶部并与筒体(19)的上端口密封配合；上压杆(22)竖直设置在上盖(21)上，上压杆(22)的底端伸进筒体(19)内，下支撑柱(23)竖直设置在底座(20)上并位于筒体(19)内，上压杆(22)的底端与下支撑柱(23)的顶端在竖直方向上对应；双路伺服液压站(3)的出油口通过管路与筒体(19)内连通；上压杆(22)竖直设置进气通道，上路储气罐(7)的出气口通过管路与进气通道连接并通过进气通道与筒体(19)内连通；所述下支撑柱(23)竖直设置进气通孔，下路储气罐(8)的出气口通过管路与进气通孔连接并通过进气通孔与筒体(19)内连通；压差计(11)的一端口与上路储气罐(7)内连通，压差计(11)的另一端口与下路储气罐(8)内连通；气压加载装置(6)的出气口分别通过管路与上路储气罐(7)的进气口和下路储气罐(8)的进气口连接；所述气压加载装置(6)的出气口与上路储气罐(7)的进气口之间连接的管路上安装控制阀门Ⅰ(13)，所述气压加载装置(6)的出气口与下路储气罐(8)的进气口之间连接的管路上安装控制阀门Ⅱ(14)，所述压差计(11)与上路储气罐(7)连接的管路上安装控制阀门Ⅲ(15)，所述压差计(11)与下路储气罐(8)连接的管路上安装控制阀门Ⅳ(16)，所述上路储气罐(7)与进气通道连接的管路上安装控制阀门Ⅴ(17)，所述下路储气罐(8)与进气通孔连接的管路上安装控制阀门Ⅵ(18)；

2)将需要进行损伤自恢复量测量的岩盐试件安装到损伤岩盐自恢复量测定装置上，岩盐试件被压在上压杆(22)和下支撑柱(23)之间；

3)开启双路伺服液压站(3)，加热垫片(2)通电加热，通过上压杆(22)和下支撑柱(23)对岩盐试件施压，模拟设定损伤岩盐的应力、温度、湿度自恢复环境；

4)打开控制阀门Ⅰ(13)和控制阀门Ⅱ(14)，通过气压加载装置向上路储气罐(7)和下路储气罐(8)两个等体积的储气罐中充入气体，当上路储气罐(7)气压达到设定值P₁时关闭控制阀门Ⅰ(13)，当下路储气罐(8)气压达到设定值P₂时关闭控制阀门Ⅱ(14)；

5)打开控制阀门Ⅲ(15)、控制阀门Ⅳ(16)、控制阀门Ⅴ(17)和控制阀门Ⅵ(18)，每隔预定时间监测记录压差计(11)读数变化情况，得出上路储气罐(7)和下路储气罐(8)的压差ΔP与时间t的函数关系ΔP＝f(t)；

6)当压差计(11)的读数接近底线阀值ΔP′时，重复步骤3)和4)，直至满足损伤岩盐自恢复试验要求；

7)将试验数据代入渗透率计算公式计算出各时间段的渗透率k；

渗透率方程为： $k=\frac{\mathrm{\μ\β}{\mathrm{VL}}_s(1n{\mathrm{\Δp}}_i-1n{\mathrm{\Δp}}_f)}{2A_s\mathrm{\Δt}}$

式中：V是标准容器体积，cm³，V＝V₁＝V₂，V₁是上路储气罐(7)的体积，V₂是下路储气罐(8)的体积；Δp_i/Δp_f是最初压力差和最后压力差之比；Δt是试验持续时间，s；L_s是岩盐试件长度，cm；A_s是岩盐试件横截面积，cm²；μ是气体介质的粘度系数pa.s；β是气体介质的压缩系数pa^-1；

8)通过渗透率的变化情况计算岩盐的损伤自恢复量；

$R\left(t\right)=[1-\frac{f^{\′}\left(t\right)/f\left(t\right)}{f^{\′}\left(t_0\right)/f\left(t_0\right)}]\×100\%$

其中，f(t)是上下路储气罐压差ΔP与自恢复时间t的函数，f′(t)是自恢复过程中t时刻ΔP的变化率，f(t₀)是自恢复t₀时刻开始时储气罐的压差，f′(t₀)是t₀时刻ΔP的变化率；

所述压差计(11)与计算机(12)连接；

所述双路伺服液压站(3)的进油口与油缸(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种测定损伤岩盐自恢复量的试验方法，其特征在于，所述压差计(11)与上路储气罐(7)连接的管路上安装上路气压表(9)，所述压差计(11)与下路储气罐(8)连接的管路上安装下路气压表(10)。