CN105004650A - 气热力耦合作用下低渗岩石时效变形中气体渗透测试方法 - Google Patents
气热力耦合作用下低渗岩石时效变形中气体渗透测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属深部高温高压油气开采岩石力学测试领域，具体涉及一种气热力耦合作用下低渗岩石时效变形中气体渗透测试方法。包括以下步骤：将岩芯试件安装至夹持器内，检查气体渗透测试的密封性；对三轴压力室依次施加围压、温度、气压和轴压至预定值；瞬时增加高气压罐压力，计算该时间状态下气体渗透参数，由此计算低气压罐与高气压罐数值相等时岩石气体渗透率；调节气体压力至初始值，测定其它时刻气体渗透率，并予以计算机绘制输出。本发明可实现低渗岩石在不同时效尺度下气体渗透性的测定，并可实现计算机程序自动绘制渗透性、温度、时间、应力和应变参数间关系，弥补了现存装置未考虑多场耦合及时效因素引起数据结果的误差，提高了测量准确性。
Description
技术领域
[0001] 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时效变形过程中气体渗透测试方法，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长期变形过程中气体渗透系数的研究和测定。
背景技术
[0002] 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。且荷载作用下岩石具有明显的时效变形特性，亦称流变性。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的长期作用下，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长期变形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。
[0003] 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、不同时效作用对岩石气体渗透性的影响。岩石渗透性与荷载、时间紧密相关，专利申请人和徐卫亚等在文《渗流-应力耦合作用下碎肩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.)中认为加载和时效作用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、时效作用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时效变形过程中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、时效作用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，结合气体渗透和时效长期的作用，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，故温度和时效的影响是开展岩石气体渗透性研究须要考虑的重要因素。
[0004] 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、未考虑时效变形作用、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方法和气体渗透性测定方法及数据处理可视化方法相结合，发明一种气热力耦合作用下低渗岩石时效变形过程中气体渗透测试方法，方法具有较高的准确性，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
[0005] 为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种气热力親合作用下低渗岩石时效变形过程中气体渗透测试方法，以测量深部致密岩石材料在不同时间尺度、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、温度和时间的演化过程，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和时间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。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的解决方案如下:
一种气热力耦合作用下低渗岩石时效变形中气体渗透测试方法，包括以下步骤:
(1)岩石工程现场勘测采样，制作岩芯试件；
(2)将试样安装至夹持器内，调节轴向和侧向应变至初始值，并检查气体渗透测试的密封性；
(3)对三轴压力室依次施加围压、温度、气压和轴向压力至预定值；
(4)保持恒定应力，瞬时增加高气压罐压力值，使试样两端形成渗压差，通过采集高、低气压罐的实测气体渗压值以及相对应的渗透时间，计算得到该时间状态下气体渗透计算参数；
(5)基于气体渗透计算参数，计算当低气压罐数值与高气压罐数值相等状态下岩石气体渗透率；
(6)调节气体渗透测试装置至原始稳定的气体压力；继续保持恒定应力，固定时间段后，重复步骤(4)，测定其它时刻状态下的气体渗透率，并予以计算机绘制输出；直至试样产生时效破坏。
[0007] 所述步骤(I)中，岩石试件为圆柱形，尺寸符合际岩石力学学会推荐标准，为50mmX 10mm (直径X长度)的圆柱状试件或制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石试件。
[0008] 所述步骤(3)的具体方法为:对三轴压力室通过围压加载器施加围压至预定值；待围压稳定，逐步通过温度加热器施加温度至预定值；待温度稳定，通过气体渗透测试装置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，试样两端形成稳定的气体压力P。。(单位MPa);继而通过轴压加载器施加轴向压力至预定值，并保持恒定。
[0009] 所述步骤(4)的具体方法为:恒定应力作用下，某个时间点，瞬时增加高气压罐压力至Pw (单位MPa);此时，试样两端形成渗压差Λ P。。= Ρ1(:-Ρ。。，通过数据采集器获取特定时刻试样两端高、低气压罐实测气体渗压值P11 (单位MPa)和Pqi (单位MPa)，以及相对应的渗透时间^ (单位S，设置P11= P10, P01= P。。时刻，t取初始值％=0)，此刻，试样两端渗压差AP01= P11-Pw，由此拟合得到该时间状态下岩石气体渗透计算参数。
[0010] 所述步骤(5)的具体方法为:当低气压罐数值和高气压罐相等Pll=Pw，认为试样两端气体压力再次达到稳定，计算得到该时间状态下岩石气体渗透率，其中k为该时间段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 A1和S 2分别为高压储气罐和低压储气罐体积，单位m 3O
[0011] 一种适用于所述方法的装置，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和数据传输米集处理器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I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I并将三轴压力室I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I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。
[0012] 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、时间、温度、应力和应变参数间的关系曲线，并予以可视化显示。
[0013] 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，不同时间效应及不同应力加载路径低渗透岩石气体渗透性测试；
2、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;
3、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、时间、温度、应力和应变参数间的相互关系曲线；
4、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；
5、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
[0014] 图1为本发明的流程图；
图2为本发明的所需的低渗岩石时效变形中气体渗透测试装置；
图2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
[0015] 如图1所示，一种气热力耦合作用下低渗岩石时效变形中气体渗透测试方法，依次包括以下步骤:
步骤S1:岩石工程现场勘测采样，制作岩芯试件；岩芯试件为圆柱形，尺寸符合际岩石力学学会推荐标准，为50mmX100mm (直径X长度)的圆柱状试件或制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石试件。
[0016] 步骤S2:将试样安装至夹持器内，调节轴向和侧向应变至初始值，并检查气体渗透测试的密封性；
步骤S3:对三轴压力室依次施加围压、温度、气压和轴向压力至预定值；具体方法为:对三轴压力室通过围压加载器施加围压至预定值；待围压稳定，逐步通过温度加热器施加温度至预定值；待温度稳定，通过气体渗透测试装置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，试样两端形成稳定的气体压力Pm (单位MPa);继而通过轴压加载器施加轴向压力至预定值，并保持恒定。
[0017] 步骤S4:保持恒定应力，瞬时增加高气压罐压力值，使试样两端形成渗压差，通过采集高、低气压罐的实测气体渗压值以及相对应的渗透时间，计算得到该时间状态下气体渗透计算参数；具体方法为:恒定应力作用下，某个时间点，瞬时增加高气压罐压力至Piq(单位MPa);此时，试样两端形成渗压差Λ P00= P10-P00,通过数据采集器获取特定时刻试样两端高、低气压罐实测气体渗压值P11 (单位MPa)和Pqi (单位MPa)，以及相对应的渗透时间(单位S，设置P11= P10, P01= P。。时刻，t取初始值t。=0)，此刻，试样两端渗压差Λ P01=P11-P01,由此拟合得到该时间状态下岩石气体渗透计算参数。
[0018] 步骤S5:基于气体渗透计算参数，计算当低气压罐数值与高气压罐数值相等状态下岩石气体渗透率；具体方法为:当低气压罐数值和高气压罐相等Pll=Pw,认为试样两端气体压力再次达到稳定，计算得到该时间状态下岩石气体渗透率，其中k为该时间段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 ；SjP S 2分别为高压储气罐和低压储气罐体积，单位m 3O
[0019] 步骤S6:调节气体渗透测试装置至原始稳定的气体压力P。。;继续保持恒定应力，固定时间段后，重复步骤(4)，测定其它时刻状态下的气体渗透率，并予以计算机绘制输出；直至试样产生时效破坏。
[0020] 如图2所示，一种适用于所述方法的装置，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I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I并将三轴压力室I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I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。
[0021] 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、时间、温度、应力和应变参数间的关系曲线，并予以可视化显示。
Claims (8)
1.一种气热力耦合作用下低渗岩石时效变形中气体渗透测试方法，其特征是:包括以下步骤: (1)岩石工程现场勘测采样，制作岩芯试件； (2)将试样安装至夹持器内，调节轴向和侧向应变至初始值，并检查气体渗透测试的密封性； (3)对三轴压力室依次施加围压、温度、气压和轴向压力至预定值； (4)保持恒定应力，瞬时增加高气压罐压力值，使试样两端形成渗压差，通过采集高、低气压罐的实测气体渗压值以及相对应的渗透时间，计算得到该时间状态下气体渗透计算参数； (5)基于气体渗透计算参数，计算当低气压罐数值与高气压罐数值相等状态下岩石气体渗透率； (6)调节气体渗透测试装置至原始稳定的气体压力；继续保持恒定应力，固定时间段后，重复步骤(4)，测定其它时刻状态下的气体渗透率，并予以计算机绘制输出；直至试样产生时效破坏。
2.如权利要求1所述的一种气热力耦合作用下低渗岩石时效变形中气体渗透测试方法，其特征是:所述步骤(I)中，岩石试件为圆柱形，尺寸符合际岩石力学学会推荐标准，为50mmX 10mm (直径X长度)的圆柱状试件或制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石试件。
3.如权利要求1所述的一种气热力耦合作用下低渗岩石时效变形中气体渗透测试方法，其特征是:所述步骤(3)的具体方法为:对三轴压力室通过围压加载器施加围压至预定值；待围压稳定，逐步通过温度加热器施加温度至预定值；待温度稳定，通过气体渗透测试装置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，试样两端形成稳定的气体压力P。。(单位MPa);继而通过轴压加载器施加轴向压力至预定值，并保持恒定。
4.如权利要求1所述的一种气热力耦合作用下低渗岩石时效变形中气体渗透测试方法，其特征是:所述步骤(4)的具体方法为:恒定应力作用下，某个时间点，瞬时增加高气压罐压力至Pw (单位MPa);此时，试样两端形成渗压差Λ P。。= Ρ1(:-Ρ。。，通过数据采集器获取特定时刻试样两端高、低气压罐实测气体渗压值P11 (单位MPa)和Pidi (单位MPa)，以及相对应的渗透时间L (单位S，设置P11= P10, P01= P。。时刻，t取初始值％=0)，此刻，试样两端渗压差Λ P01= P11-P01,由此拟合得到该时间状态下岩石气体渗透计算参数。
5.如权利要求1所述的一种气热力耦合作用下低渗岩石时效变形中气体渗透测试方法，其特征是:所述步骤(5)的具体方法为:当低气压罐数值和高气压罐相等Pli=Pw,认为试样两端气体压力再次达到稳定，计算得到该时间状态下岩石气体渗透率，其中k为该时间段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 A1和S 2分别为高压储气罐和低压储气罐体积，单位m 3O
6.一种适用于如权利要求1-5中任一项所述方法的装置，其特征是: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。
7.如权利要求6所述的装置，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。
8.如权利要求6所述的装置，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、时间、温度、应力和应变参数间的关系曲线，并予以可视化显不O
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