CN104897554A

CN104897554A - 气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置和测试方法

Info

Publication number: CN104897554A
Application number: CN201510380777.XA
Authority: CN
Inventors: 张玉; 金培杰; 李静; 杨文东; 栾雅琳
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: CN104897554B

Abstract

本发明属深部油气开采岩石力学测试领域，具体地，涉及一种气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置和测试方法。测试装置包括三轴压力室、高气压罐、低气压罐、围压加载器、轴压加载器、温度加热器和数据传输采集处理器；高气压罐、低气压罐和围压加载器、轴压加载器分别与三轴压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；温度加热器紧贴三轴压力室并将三轴压力室无缝包围，实现试验温度的控制；数据传输采集处理器分别与三轴压力室、高气压罐、低气压罐、围压加载器、轴压加载器、温度加热器相连，定时采集试验数据并予以存储处理。本发明具有如下有益效果可实现不同温度和不同应力加载路径低渗岩石气体渗透性测试。

Description

气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置和测试方法

技术领域

本发明属深部油气开采岩石力学测试领域，具体地，涉及一种气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置和测试方法，适用于深部高温和高压作用下油气田开发及气热力耦合作用下核废料地下储存工程中低渗透岩石材料气体渗透系数的研究和测定。

背景技术

温度、应力及气体渗透是影响油气低渗储层地质环境的主要因素，三者相互联系、相互影响、相互制约，形成岩石气热力多场耦合问题。作为西部石油和核废料储存工程常见复杂介质，低渗致密岩石在深部高温、高气压和高地应力耦合作用下，力学特性会产生显著变化，对工程建设及运行期安全起控制性作用。鉴于岩石渗透演化规律可从微细观力学角度反映岩石孔隙结构压缩、闭合、扩展贯通和坍塌破坏全过程，故开展低渗岩石复杂环境耦合条件下气体渗透测试研究对于油气开采工程具有重要的意义。

作为多孔介质，渗透性是指在流体作用下，岩石的孔隙和裂隙渗透的能力，是岩石的重要力学特性。但现有岩石渗透率和变形关系研究主要集中在水为渗透介质上，气体渗透演化规律并不多见，针对油气开采低渗岩石气体渗透特性测试更是鲜有介绍，仅存的部分气体渗透性测试结果如下：

潘伟义和伦增珉等在专利《一种高压下岩石气测渗透率的装置及方法》（申请号 201010520289.1）中提供了一种高压下岩石气测渗透率的装置及方法；但此装置仅考虑了围压的作用，无法模拟实际地层三向应力不等的状态和研究不同轴向应力对岩石气体渗透性的影响。岩石渗透性与荷载紧密相关，专利申请人和徐卫亚等在文《渗流-应力耦合作用下碎屑岩流变特性和渗透演化机制试验研究》（岩石力学与工程学报, 33(8): 1613-1625, 2014.）中认为加载将导致岩石渗透率发生2-5个数量级的变化，且具有强烈的方向性；此外，该装置为基于达西定律计算岩石气体渗透系数；但由于深部岩石致密度较高，渗透率较低、油汽水赖以流动的通道微细、渗流阻力较大，导致液固界面相互作用力显著，渗透存在明显的启动压力，导致经典的达西线性渗流关系并不适用，故此装置针对深部低渗岩石气体渗透性测试并不适用；

陈益峰和胡少华等在专利《低渗岩石瞬态气压脉冲渗透率测量装置及测量方法》（申请号201310207056.X）中提出了低渗岩石瞬态气压脉冲渗透率测量装置及测量方法，此装置采用压力脉冲法对低渗岩石的气体渗透性予以了测试，但未考虑实际地层三向应力不等的状态和温度对岩石气体渗透特性的影响，故此装置对深部高温、高渗透和高地应力状态下岩石气体渗透性测试亦不适用；

徐卫亚和王伟等在专利《一种岩石气体渗透测定装置和测定方法》（申请号201210590766.0）中提出了一种通过记录不同时刻岩石试样材料两端的轴向气压差推求岩石气体渗透性的测定装置与方法，此装置的计算方法类似于压力脉冲法，但仍未考虑实际地层三向应力不等的状态和温度对岩石气体渗透特性的影响；油气藏工程中，地层温度随埋藏深度增加而增加，温度升高，岩石骨架颗粒热膨胀，力学性能劣化，结合气体渗透的作用，结构将产生明显损伤，极易发生膨胀甚至崩解，造成致密岩石储层孔隙结构坍塌和强度大幅度降低，故温度的影响是开展岩石气体渗透性研究须要考虑的重要因素。

在参阅国内相关资料的基础上，认为原有岩石气体渗透测试技术均具有一定得局限性，存在无法考虑不同应力路径、温度不能控制、测试装置密封性不好、数据处理完全手工化等缺陷；本发明人将多场耦合岩石测试技术和气体渗透性测定技术及数据处理可视化技术相结合，发明一种气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置和测试方法，装置具有较高的准确性，可精确设置应力、温度和气渗压力等环境参数，实现了数据传输和自动化处理，数据和曲线同时输出，提高了数据采集处理效率，并保证了准确性，此项技术在国内外尚属首次，具有良好的实用性和前瞻性。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置和测试方法，以测量深部致密岩石材料在不同温度、不同应力和不同气体渗透压力单独或共同作用下渗透系数随应力、应变及温度的演化过程，并利用计算机程序予以可视化显示，弥补了现存装置未考虑多场耦合因素引起的数据结果的误差，提高测量准确性，且操作简单，结果可靠，亦可直观显示。

为实现上述目的，本发明采用的解决方案如下：

气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，包括：三轴压力室、高气压罐、低气压罐、围压加载器、轴压加载器、温度加热器和数据传输采集处理器；其中：高气压罐、低气压罐和围压加载器、轴压加载器分别与三轴压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；温度加热器紧贴三轴压力室并将三轴压力室无缝包围，实现试验温度的控制；数据传输采集处理器分别与三轴压力室、高气压罐、低气压罐、围压加载器、轴压加载器、温度加热器相连，定时采集试验数据并予以存储处理。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、可实现不同温度和不同应力加载路径低渗岩石气体渗透性测试；

2、采用勒紧项圈对高性能硅胶套装置分别与圆形底座装置和轴向加压圆盖装置接触部分予以勒紧、密封，确保了试验施加围压后气体压力的密封性；

3、采用数据自动采集、计算，自动化程度较高，避免人工主观处理数据带来的试验误差；

4、采用计算机语言，编制数据计算可视化程序，可直观显示计算得到岩石气体渗透性等参数，并绘制出岩石气体渗透性、温度、应力和应变参数间的相互关系曲线；

5、试验基于脉冲计算原理，解决了气热力耦合作用下低渗岩石渗透系数测试及数据处理方法；

6、设置三向应力加载系统，可实现岩石不同应力方式和路径的加载。

附图说明

图1是气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置的结构示意图；

图2是气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置中试样夹持器结构示意图；

图3是气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置中圆形底座与轴向加压圆盖结构示意图

图中：1、三轴压力室，2、高气压罐，3、低气压罐，4、围压加载器，5、轴压加载器，6、温度加热器，7、数据传输采集处理器。

具体实施方式

如图1所示，气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，包括：三轴压力室1、高气压罐2、低气压罐3、围压加载器4、轴压加载器5、温度加热器6和数据传输采集处理器7；其中：高气压罐2、低气压罐3和围压加载器4、轴压加载器5分别与三轴压力室1连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；温度加热器6紧贴三轴压力室1并将三轴压力室1无缝包围，实现试验温度的控制；数据传输采集处理器7分别与三轴压力室1、高气压罐2、低气压罐3、围压加载器4、轴压加载器5、温度加热器6相连，定时采集试验数据并予以存储处理；

三轴压力室1内设有试样夹持器11、圆形底座12、轴向加压圆盖13；圆形底座12位于三轴压力室底部，轴向加压圆盖13位于三轴压力室顶部，试样夹持器11安装于圆形底座12、轴向加压圆盖13之间。

如图2所示，试样夹持器11，包括：硅胶套111、两个轴向应变传感器112、三个环向应变传感器113、上圆形刚体垫块114和下圆形刚体垫块115；上刚体垫块114直径、下刚体垫块115直径、硅胶套111内径、试样直径与圆形底座12直径、轴向加压圆盖13直径相同，通常为50mm；硅胶套111高于试样，试样高度为100mm，硅胶套长度为130mm；上圆形刚体垫块114、下圆形刚体垫块115分别位于试样的上下两端，上圆形刚体垫块114、下圆形刚体垫块115、试样置于硅胶套111内；硅胶套不透水、不透气，以确保夹持器的密封性；上刚体垫块114、下刚体垫块115均分布有均匀渗透孔，用于确保气体压力的均匀性，垫块高度取3mm；硅胶套111上下端分别与轴向加压圆盖13和圆形底座12相连。

硅胶套111外部设有两个轴向应变传感器112和三个环向应变传感器113；两个轴向应变传感器112设在硅胶套111的轴向两侧，轴向应变值取两个轴向应变传感器112所测值之和的平均；三个环向应变传感器113分别设在硅胶套111外表面上部、中部和下部，环向应变值取三个环向应变传感器113三者之和的平均。

如图3所示，圆形底座12，包括：底部勒紧项圈121和底部带孔刚块122，底部带孔刚块122的1/3安置在硅胶套111内，并用勒紧项圈121将接触部分予以勒紧、密封，确保试验过程中底部的密封性；底部带孔刚块122的圆心上设有的圆孔123，且圆孔123贯通整个刚块；圆孔123通过管线32与低气压罐3连接，用于施加低气压力。该管线32上设有压力表31，用于测量管线内气体压力；

轴向加压圆盖装置13，包括：顶部勒紧项圈131和顶部带孔刚块132，顶部带孔刚块132的1/3安置在硅胶套111内，并用勒紧项圈131将接触部分予以勒紧、密封，确保试验过程中顶部的密封性；顶部带孔刚块132的圆孔由刚块侧面133和圆心134相互贯通，圆孔通过管线22与高气压罐2连接,用于施加高气压力，管线上设有压力表21，用于测量管线内气体压力；

三轴压力室1的外壁设有温度加热器6，温度加热器6将三轴压力室1无缝包围；温度施加范围值为10℃～150℃；三轴压力室1顶部设有温度表61，温度表可测量三轴压力室1内部温度，确保温度的准确控制；

围压加载器4和轴压加载器5均与三轴压力室系统连接，实现最高60MPa围压和120MPa轴压，用于实现不同应力方式和路径的加载；

数据传输采集处理器7由电子数据传感器71、数据交换口72和计算处理器73组成；其中电子数据传感器71分别与三轴压力室1、高气压罐2、低气压罐3、围压加载器4、轴压加载器5和温度加热器6连接，定时采集轴向和侧向应变数值、气体压力数值、轴向和围压应力数值和温度数值至数据交换口72，并传输至计算机后处理器73予以存储、计算处理；绘制出气体渗透性、温度、应力和应变参数间的关系曲线，并予以可视化显示。

气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试方法，采用前述的测量装置，包括如下步骤：

1、将圆柱形饱和试样放置于试样装置系统内，并调整轴向应变系统和侧向应变系统至初始值；此外，检查气体渗透测试系统的密封性；

2、对三轴压力室系统通过围压加载系统施加围压至预定值；待围压稳定，逐步通过温度控制系统施加温度环境至预定值；待温度稳定，通过气体渗透测试系统的高气压罐施加气压至预定值，待低气压罐数值和高气压罐相等，认为试样两端形成稳定的气体压力P₀₀ (单位MPa)；进而通过轴压加载系统施加轴向压力；

3、轴向应力加载过程中，瞬时增加高气压罐压力至P₁₀(单位MPa)并保持轴向应力不变；此时，试样两端形成渗压差△P₀₀= P₁₀-P₀₀，通过气体压力采集系统采集特定时刻试样两端高、低气压罐实测气体渗压值P_1i(单位MPa)和P_0i(单位MPa)，以及相对应的渗透时间t_i（单位s，设置P_1i= P₁₀，P_0i= P₀₀时刻，t取初始值t₀=0），此刻，试样两端渗压差△P_0i= P_1i-P_0i，并由计算机程序拟合计算得到该应力状态下岩石气体渗透计算参数 ;

4、当低气压罐数值和高气压罐相等P_1i=P_0i，认为试样两端气体压力再次达到稳定，计算机程序基于公式计算到该应力状态下岩石气体渗透率，其中k为岩石试样气体渗透率，单位m²；为特定温度下气体的粘滞系数，单位MPa·s；L为试样高度，单位m；S₁和S₂分别为高压储气罐和低压储气罐体积，单位m³；

5、再次调节气体渗透测试系统至原始稳定的气体压力P₀₀；继续轴压应力加载，重复步骤3，测定其它轴向应力状态下的气体渗透率，直至试样破坏；试验全程气体渗透性随应力、应变演化关系可基于计算机后处理系统予以可视化显示。

Claims

1.一种气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，包括：三轴压力室、高气压罐、低气压罐、围压加载器、轴压加载器、温度加热器和数据传输采集处理器；其中：高气压罐、低气压罐和围压加载器、轴压加载器分别与三轴压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；温度加热器紧贴三轴压力室并将三轴压力室无缝包围，实现试验温度的控制；数据传输采集处理器分别与三轴压力室、高气压罐、低气压罐、围压加载器、轴压加载器、温度加热器相连，定时采集试验数据并予以存储处理。

2.根据权利要求1所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：三轴压力室内设有试样夹持器、圆形底座、轴向加压圆盖；圆形底座位于三轴压力室底部，轴向加压圆盖位于三轴压力室顶部，试样夹持器安装于圆形底座、轴向加压圆盖之间。

3.根据权利要求1-2所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：试样夹持器，包括：硅胶套、两个轴向应变传感器、三个环向应变传感器、上圆形刚体垫块和下圆形刚体垫块；上刚体垫块直径、下刚体垫块直径、硅胶套内径、试样直径与圆形底座直径、轴向加压圆盖直径相同，通常为50mm；硅胶套高于试样，试样高度为100mm，硅胶套长度为130mm；上圆形刚体垫块、下圆形刚体垫块分别位于试样的上下两端，上圆形刚体垫块、下圆形刚体垫块、试样置于硅胶套内；硅胶套不透水、不透气，以确保夹持器的密封性；上刚体垫块、下刚体垫块均分布有均匀渗透孔，用于确保气体压力的均匀性，垫块高度取3mm；硅胶套上下端分别与轴向加压圆盖和圆形底座相连。

4.根据权利要求1-3所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：硅胶套外部设有两个轴向应变传感器和三个环向应变传感器；两个轴向应变传感器设在硅胶套的轴向两侧，轴向应变值取两个轴向应变传感器所测值之和的平均；三个环向应变传感器分别设在硅胶套外表面上部、中部和下部，环向应变值取三个环向应变传感器三者之和的平均。

5.根据权利要求1-4所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：圆形底座，包括：底部勒紧项圈和底部带孔刚块，底部带孔刚块的1/3安置在硅胶套内，并用勒紧项圈将接触部分予以勒紧、密封，确保试验过程中底部的密封性；底部带孔刚块的圆心上设有的圆孔，且圆孔贯通整个刚块；圆孔通过管线与低气压罐连接，该管线上设有压力表。

6.根据权利要求1-5所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：轴向加压圆盖装置，包括：顶部勒紧项圈和顶部带孔刚块，顶部带孔刚块的1/3安置在硅胶套内，并用勒紧项圈将接触部分予以勒紧、密封，确保试验过程中顶部的密封性；顶部带孔刚块的圆孔由刚块侧面和圆心相互贯通，圆孔通过管线与高气压罐连接,管线上设有压力表。

7.根据权利要求1-6所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：三轴压力室的外壁设有温度加热器，温度加热器将三轴压力室无缝包围；温度施加范围值为10℃～150℃；三轴压力室顶部设有温度表。

8.根据权利要求1-7所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：围压加载器和轴压加载器均与三轴压力室系统连接，实现最高60MPa围压和120MPa轴压，用于实现不同应力方式和路径的加载。

9.根据权利要求1-8所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：数据传输采集处理器由电子数据传感器、数据交换口和计算处理器组成；其中电子数据传感器分别与三轴压力室、高气压罐、低气压罐、围压加载器、轴压加载器和温度加热器连接，定时采集轴向和侧向应变数值、气体压力数值、轴向和围压应力数值和温度数值至数据交换口，并传输至计算机后处理器予以存储、计算处理；绘制出气体渗透性、温度、应力和应变参数间的关系曲线，并予以可视化显示。

10.一种气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试方法，采用权利要求1-9之一所述的测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、将圆柱形饱和试样放置于试样装置系统内，并调整轴向应变系统和侧向应变系统至初始值；此外，检查气体渗透测试系统的密封性；

(2)、对三轴压力室系统通过围压加载系统施加围压至预定值；待围压稳定，逐步通过温度控制系统施加温度环境至预定值；待温度稳定，通过气体渗透测试系统的高气压罐施加气压至预定值，待低气压罐数值和高气压罐相等，认为试样两端形成稳定的气体压力P₀₀ (单位MPa)；进而通过轴压加载系统施加轴向压力；

(3)、轴向应力加载过程中，瞬时增加高气压罐压力至P₁₀(单位MPa)并保持轴向应力不变；此时，试样两端形成渗压差△P₀₀= P₁₀-P₀₀，通过气体压力采集系统采集特定时刻试样两端高、低气压罐实测气体渗压值P_1i(单位MPa)和P_0i(单位MPa)，以及相对应的渗透时间t_i（单位s，设置P_1i= P₁₀，P_0i= P₀₀时刻，t取初始值t₀=0），此刻，试样两端渗压差△P_0i= P_1i-P_0i，并由计算机程序拟合计算得到该应力状态下岩石气体渗透计算参数 ;

(4)、当低气压罐数值和高气压罐相等P_1i=P_0i，认为试样两端气体压力再次达到稳定，计算机程序基于公式计算到该应力状态下岩石气体渗透率，其中k为岩石试样气体渗透率，单位m²；为特定温度下气体的粘滞系数，单位MPa·s；L为试样高度，单位m；S₁和S₂分别为高压储气罐和低压储气罐体积，单位m³；

(5)、再次调节气体渗透测试系统至原始稳定的气体压力P₀₀；继续轴压应力加载，重复步骤3，测定其它轴向应力状态下的气体渗透率，直至试样破坏；试验全程气体渗透性随应力、应变演化关系可基于计算机后处理系统予以可视化显示。