CN103913409A - 一种较致密岩石三向应力条件下气体渗透系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种较致密岩石三向应力条件下气体渗透系数测量方法，具体的说是涉及一种通过记录不同时刻上下游压力差与时间的关系，通过绘图法求得岩石气体渗透系数的试验装置及方法。其测量步骤包括制备式样，施加围压值，记录数值等。该测量方法适用于不同的岩石种类，如较致密的砂岩、花岗岩、页岩等。可以测定不同围压、不同偏压及三轴压缩破坏过程中的气体渗透系数。根据各应力路径下气体渗透系数试验结果和其他常规测试手段进行比较，可以评估该装置及方法的可靠性和有效性。

Description

一种较致密岩石三向应力条件下气体渗透系数测量方法

技术领域

本发明涉及一种较致密岩石三向应力条件下气体渗透系数测量方法，具体的说是涉及一种通过记录不同时刻上下游压力差与时间的关系，通过绘图法求得岩石气体渗透系数的试验装置及方法。

 

技术背景

在现代岩石工程中，岩石的气体渗透系数是一项非常重要的技术参数，特别是在地下天然气存储、页岩气开采和核废料地下存储工程中。当前测定岩石气体渗透系数的方法主要集中在静水条件下的流量法，然而由于岩石材料所处的环境复杂，静水条件无法完全模拟真实岩体的赋存环境，且岩石材料内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙及节理裂隙等宏观非连续面，其为气体渗透提供了存储和运移的场所。岩石材料在三向应力作用下会产生瞬时变形，特别是在瞬时力学试验过程中，变形速度较快，改变了岩石渗透性能，影响其渗透系数。气体渗透系数的现场试样操作复杂、试验周期长且耗资巨大，因此，迫切需要一种测定不同应力路径下岩石气体渗透系数的测定方法。

 

发明内容

本发明针对上述不足提供了一种一种较致密岩石三向应力条件下气体渗透系数测量方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明种较致密岩石三向应力条件下气体渗透系数测量方法，测量方法步骤如下：

1）、选择岩样，制备成试样，烘干后装入三轴压力室中；

2）、通过围压加载系统1施加围压至预定值；

3）、待步骤2）中的围压稳定后，通过偏压加载系统施加偏压至预定值；

4）、待步骤3）中的偏压稳定后，通过气压加载系统施加气压，至气体排出系统中有稳定的渗透气体；

5）、关闭气体排出系统，使试样两端气体压力基本维持平衡，形成稳定的气体压力；

6）、通过气体加载系统瞬时增大进口气压，使岩样进气口压力瞬时大于出气口压力，形成瞬时的渗流压差，通过计算机数据采集系统6记录上下储气罐压差实测值和压差变化经过的时间；

7）、当上下储气罐中气压相等后，调节气压加载系统中气压值至原值，形成相应的气压；

8）、通过偏压加载系统继续增加偏压，重复以上步骤4)至步骤7)测量该应力状态下气体渗透系数，直至岩石破坏。

有益效果

该测量方法适用于不同的岩石种类，如较致密的砂岩、花岗岩、页岩等。可以测定不同围压、不同偏压及三轴压缩破坏过程中的气体渗透系数。根据各应力路径下气体渗透系数试验结果和其他常规测试手段进行比较，可以评估该装置及方法的可靠性和有效性。

另外，相对于其他装置只能测量静水条件下的气体渗透系数，该试验装置可实现岩石三轴压缩破坏过程中气体渗透系数的测量，相比于传统的流量法，克服了试验过程中气体流量测量误差大、试验过程长、试验操作复杂和只能测量孔隙率较大岩石的缺点，该方法有着试验过程短、试验操作简单方便、可测量较致密岩石等优点。

附图说明

附图1是本试验的结构示意图；

附图2是本发明实施例1的ln(△P _（t） /△P)与时间曲线图

附图3是本发明实施例2的ln(△P _（t） /△P)与时间曲线图

图中1是围压加载系统，2是偏压加载系统，3是气压加载系统，4是三轴压力室，5是气体排出系统，6是计算机数据采集系统，7是上储气罐，8是下储气罐，9是气压罐，11是第一开关，12是第二开关，13是第三开关，14是第四开关，15是第五开关；21是第一压力表，22是第二压力表，23是第三压力表，24是第四压力表，25是第五压力表；31是第一围压泵，32是第二围压泵。

 

具体实施方式

如图所示：一种较致密岩石三向应力条件下气体渗透系数测量方法，包括围压加载系统1，偏压加载系统2，气压加载系统3，三轴压力室4，气体排出系统5，计算机数据采集系统6，上储气罐7，下储气罐8，气压罐9，第一开关11，第二开关12，第三开关13，第四开关14，第五开关15，第六开关16；第一压力表21，第二压力表22，第三压力表23，第四压力表24，第五压力表25；第一围压泵31，第二围压泵32。

试验过程中通过围压加载系统1施加偏压，通过偏压加载系统2施加偏压，通过气压罐9施加进气口气压，围压泵系统1和偏压泵系统2中采用油压控制，气压控制系统3通过气压罐9、第五开关5、第六开关6和上储气罐7控制。

本装置具体测定步骤如下：

1）、选择待测岩石，制作岩样，岩样尺寸为直径50mm，高度100mm，烘干后安装在三轴压力室4中；

2）、向三轴压力室4中充入围压油，充满后，打开第二开关12，通过围压泵系统1施加预定围压至预定值，压力值通过第二压力表22读出；

3）、待围压稳定后，打开第一开关11，通过偏压泵2施加偏应力至预定值，压力值通过第一压力表21读出；

4）、打开第四开关14，关闭第三开关13和第五开关15，打开第六开关16，通过气压罐9给上储气罐7中施加气压，气体压力值通过第五压力表25读出；

5）、待上储气罐中7中气体压力稳定后，关闭第六开关16和第四开关14，缓慢打开第五开关15施加进气口压至预定值后关闭第五开关15，气体压力值通过第四压力表24读出，气体通过岩样进入下储气罐8，气体排出系统5气体压力通过第三压力表23读出，第三压力表23和第四压力表24压力值相等，形成了稳定的气压；

6）、通过控制第五开关15瞬时将进气口压力增加，使岩样进气口压力瞬时大于出气口压力，形成瞬时的气体渗流压差△P，岩样两端由于不同的压力值产生气体渗流作用，进气口压力逐渐减小，出气口压力逐渐增大，通过计算机数据采集系统6记录上下压差实测值△P _（t） 和经过的时间t，根据公式（1）、（2）和（3）测定岩石不同应力路径下的渗透系数。

                                                                                          （1）

                     （2）

                    （3）

式中，P _ut 为岩样进气端实测压力值；P _dt 为岩样出气端实测压力值；△P _（t） 为进气端和出气端压差实测值；t为进气端和出气端压差下降△P _（t） 经过的时间；μ为气体的粘滞系数；L为试样长度；A为岩样截面面积；k为岩样气体渗透系数；S _u 和S _d 分别为上下游导管与储气罐的容气量，定义为导管和气罐内单位压力变化所需注入的气体体积，如果导管与气管内为单一气体且不考虑其变形，S _u 和S _d 可由下式近似得出：

                                        （4）

式中：C_u、C_d分别为上下游导管和气罐内气体的压缩系数；V_u、V_d分别为上下游导管和气罐的容积。通过试验值，绘制ln(△P _（t） /△P)与时间t曲线，求出α，带入（3）式中即可求出渗透系数。

7）、当第三压力表23和第四压力表24气体压力值再次相等时，打开第三开关13，使岩样上下端联通，通过偏压泵2增加偏应力值，测量各应力路径的气体渗透系数，直至岩石破坏。

8）结果分析：根据计算机数据采集系统记录的数据绘制出应力应变曲线，气体渗透率-轴向应变（体积应变）曲线，分析岩石渗透率与应力应变之间的关系。

实施例1：

1）、该实例为测量致密砂岩各应力路径作用下的渗透系数，首先按照标准制作直径50mm，高度100mm的试验岩样，采用烘箱将岩样烘干24小时后装入三轴压力室中；

2）、施加围压至预定值20MPa，保持围压不变；

3）、待围压稳定后，施加偏压至60MPa，保持偏压不变；

4）、待偏压稳定后，关闭出气口开关，增加进气口气体压力值至10MPa，由于压差的存在气体通过岩样逐渐流向气体排出系统，试样两端压力逐渐平衡至5MPa；

5）、待进气口压力值和出气口压力值相等时，将进气口压力瞬时增加0.5MPa至5.5MPa，试样两端形成0.5MPa渗透压差；

6）、待试样两端气体压力再次平衡后，打开连接上下游导管的开关，使上下游形成联通的通路，继续增加偏压至70、80、90、100MPa，继续进行渗透系数测定试验，直至岩石三轴压缩破坏；

7）、根据试验结果，绘制ln(△P _（t） /△P)与时间t曲线，根据式（1）~（4），求出致密砂岩各偏应力条件下的渗透系数。

实施例2：

1）、该实例为测量花岗片麻岩各应力路径下的渗透系数，首先按照标准制作直径50mm，高度100mm的试验岩样，采用烘箱将岩样烘干24小时后装入三轴压力室中；

2）、施加围压至预定值20MPa，保持围压不变；

3）、待围压稳定后，施加偏压至60MPa，保持偏压不变；

4）、待偏压稳定后，关闭出气口开关，增加进气口气体压力值至10MPa，由于压差的存在，气体通过岩样逐渐流向气体排出系统，试样两端压力逐渐平衡至5MPa；

5）、待进气口压力值和出气口压力值相等时，将进气口压力瞬时增加0.5MPa至5.5MPa，试样两端形成0.5MPa渗透压差；

6）、待试样两端气体压力再次平衡后，打开连接上下游导管的开关，使上下游形成联通的通路，继续增加偏压至80MPa，继续进行渗透系数测定试验，直至岩石三轴压缩破坏；

7）、根据试验结果，绘制ln(△P _（t） /△P)与时间t曲线，根据式（1）~（4），求出致密砂岩各应力路径下的渗透系数。

Claims (1)

1.一种较致密岩石三向应力条件下气体渗透系数测量方法，其特征在于：测量方法步骤如下：

1）、选择岩样，制备成试样，烘干后装入三轴压力室（4）中；

2）、通过围压加载系统（1）施加围压至预定值；

3）、待步骤2）中的围压稳定后，通过偏压加载系统（2）施加偏压至预定值；

4）、待步骤3）中的偏压稳定后，通过气压加载系统（3）施加气压，至气体排出系统（5）中有稳定的渗透气体；

5）、关闭气体排出系统（5），使试样两端气体压力基本维持平衡，形成稳定的气体压力；

6）、通过气体加载系统（3）瞬时增大进气口压，使岩样进气口压力瞬时大于出水口压力，形成瞬时的渗流压差，通过计算机数据采集系统（6）记录上下储气罐压差实测值和气压差变化经过的时间；

7）、当上下储气罐中气压相等后，调节气压加载系统（3）中气压值至原值，形成相应的气压；

8）、通过偏压加载系统（2）继续增加偏压，重复以上步骤4)至步骤7)测量该应力状态下气体渗透系数，直至岩石破坏。