CN106290104A - 无围压渗透率测试装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无围压渗透率测试装置及其使用方法，解决了现有渗透率测试装置结构复杂、操作不便、准确可靠性差的问题。技术方案包括筒形的夹持器，所述夹持器的上、下两端分别与顶盖和底盖螺接或卡接，所述筒形夹持器的内表面设有与试样密封粘接用的胶结层；所述顶盖和底盖的中心点处均开有通孔。本发明结构简单、操作简便、准确性高、可靠性好、使用寿命长、经济实用。

Description

无围压渗透率测试装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种渗透率测试装置及其使用方法，具体地说是一种适用于岩石气体和液体渗透率测试和混凝土抗渗性能测试的无围压渗透率测试装置及其使用方法。

背景技术

岩石渗透率是表征渗透性，衡量其通过流体介质能力的参数，在油气资源勘探开采方面，储层岩石渗透率是产能评价和开发方案制定的必要指标。为了获得岩层(混凝土)的渗透性，常用的方法是在工程现场钻芯取样，然后将岩样加工规定尺寸(通常直径50mm，高度100mm的圆柱体)。然后室内进行实验。

现有常用基于Darcy定律的稳流技术测试渗透率的方法是通过在试样侧面施加围压或净水压力保持一维渗流状态并保持试样的固定，然后通入流体介质，待渗流稳定后，通过测得通过试样的进气压P₁和出气压P₂，及在压力差下单位时间内通过试样流体介质的流量Q即可用达西公式计算得到试样的渗透率。

对于气体渗透率计算，有式中K_a—气体渗透率,m²；Q—单位时间内通过试样的气体流量，m³/s；P_atm—大气压(绝对)，Pa；μ—气体粘度，Pa·s；L—试样长度，m；A—试样的横截面积，m；P₁—进气压(绝对压力)，Pa；P₂—通过试样的出气压(绝对压力),Pa,若气体出口端与空气相连通则等于大气压P_atm。

对于液体渗透率的计算,有式中K_w—液体渗透 率,m/s,也可化为与气体渗透相同的单位m²(1m/s＝10^-7m²)；Q—单位时间内通过试样的液体流量，m³/s；μ—液体介质的粘度，Pa·s；L—试样长度，m；A—试样的横截面积,m²；P—试样进出口端压力差,即(P₁-P₂)，Pa。

现有的渗透率测试装置，如专利CN 103776745中的渗透率测试装置，先用手摇围压泵调好围压，通过测试气釜注入甲烷气体给岩心一个初始压力并保持稳定，然后打开阀门使压力平衡，通过测得压力的变化计算出渗透率，该装置结构简单，但是测量精度较低，不适用于低渗透材料的渗透率测试，使用范围局限。为了提高测量精度，在专利CN102435537中公开的渗透率测试装置测试时，先在岩心上加比上游压力高0.5MPa的围压，通过增大岩心上游压力和提高气体流量的测量精度的方法来实现岩心气体渗透率和等效液体渗透率的测量，可以减小试验误差，但该装置使用高压气源，增大上游压力和提高流量测量精度系统较为复杂，对仪器要求高，成本较高。又如专利CN 103743661中公开的渗透率测试装置通过设置体积不同的2个腔体，通过其内部的气压变化的明显程度来适用于不同渗透率级别岩石的渗透率测试，提高数据准确度和测试各种渗透率岩石的使用范围，但是该装置较为复杂，成本也较高。

可见，现有渗透率测试装置都无一例外的在测试前都必须施加围压，然而围压的施加使得试样内部孔隙结构发生改变，改变了试样的真实状态，测得的结果偏离真实值。因此有必要寻找一种新的无围压渗透率测试装置，来克服现有装置的上述缺陷，提高测试结果的准确度和可靠性，同时具备结构简单，操作使用安全方便，经济实用的优点。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、操 作简便、准确性高、可靠性好、使用寿命长、经济可靠的无围压渗透率测试装置。

本发明还提供一种上述测试装置的使用方法。

技术方案包括筒形夹持器，所述夹持器的上、下两端分别与顶盖和底盖螺接或卡接，所述筒形夹持器的内表面设有与试样密封粘接用的胶结层；所述顶盖和底盖的中心点处均开有通孔。

所述顶盖和底盖的内端面上均嵌套有密封圈。

所述筒形夹持器顶端出口内径小于试样的外径。

所述筒形夹持器的内径尺寸大于试样外径4～10mm。

所述胶结层为凝结前有一定粘性和流动性，凝固后密实牢固、不吸水不溶于水、不与水发生反应的胶结材料。

所述胶结材料为硅胶。

所述渗透率测试装置的使用方法，包括以下步骤：(1)用胶布粘住试样的上下端面和筒形夹持器的顶端；(2)将筒形夹持器倒置，往筒形夹持器内倒入液态的胶结材料，同时将胶结材料均匀涂满夹筒形持器内壁及试样的侧表面，将试样缓缓塞入筒形夹持器中并调正位置，使胶结材料均匀饱满的填充在两者间隙；待胶结材料不流动时揭去筒形夹持器顶端的胶布，在空气中静置至胶结材料充分凝固形成胶结层；(3)除去试样两端面多余凝固的胶结材料，揭去胶布，用清洗附在试样端面的表面杂物，将顶盖和底盖分别与筒形夹持器的上端和下端通过卡槽或螺纹连接成一体；(4)将测试设备的流态介质进口端连接底盖上的通孔，流态介质出口端连接顶盖上的通孔，利用测试设备检测两通孔的流体压力及在压力差下流量，通过达西公式计算得到 试样的渗透率。

所述胶结材料为硅胶。

针对背景技术中存在的问题，发明人考虑采用制造一种无围压渗透率测试装置，创造性的使用了胶结材料，利用胶结材料凝固前有粘性和流动性，凝固后不吸水、不溶于水、不与水发生反应的特点，对夹持器中的试样进行侧向密封并与夹持器内壁面胶结固定，同时利用顶盖和底盖进一步对夹持器的两端进一步密封，从而使试样在试验过程中内部保持一维渗流状态并保持固定，无需加围压或静水压力装置，结构更为简单。由于实验过程中没有围压或静水压力的施加，使得试样内部的孔隙结构处于自然原始状态，测得的试验数据更加真实可靠。并且，每次试验胶结材料使用少，每次测试完成后，可用细刀片切除胶结材料便可方便的取出试样。本发明装置可多次使用，各部件可拆，易于更换和维修。

进一步的，优选在顶盖和底盖内的端面嵌套密封圈，顶盖和底盖分别与筒形夹持器上端和下端通过螺纹或卡槽连接成一体时，密封圈与夹持器端面紧密接触，确保测试时完全密封；所述筒形夹持器顶端出口内径小于试样的外径，当流态介质由下向上通入夹持器内时会对试样施加向上的力，而筒形夹持器顶端则会对试样限位，避免试样脱出，提高测试的稳定性和可靠性。优选所述筒形夹持器的内径尺寸大于试样外径4～10mm，使试样与筒形夹持器之间保持合理间隙，有利于将试样通过胶结材料固定在筒形夹持器中，若两者的间隙过小，则可能出现蜂窝孔洞，影响胶结材料填充的密实性；间隙过大则会降低 试样和夹持器胶结的牢固性，还得增大夹持器及相应构件的尺寸以配套，试验时增加胶结材料使用量，降低装置的简单轻便性。

综上，本发明装置结构极为简单、操作方法简便、各部件易于拆卸更换、无需施加围压，不改变试样内部孔隙结构，检测的准确性高，可靠性好、设备使用寿命长、经济实用特别适用于岩石气体和液体渗透率测试和混凝土抗渗性能测试。

附图说明

图1为本发明组装示意图。

图2渗透率随围压变化拟合曲线图。

其中，1、试样；2、筒形夹持器；3、胶结层；4、外螺纹；5、顶盖；6、底盖；7、内螺纹；8、通孔；9、密封圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释说明：

参见图1，本发明由筒形夹持器2、顶盖5和底盖6构成，所述筒形夹持器2的上、下两端外壁设有外螺纹4，顶盖和底盖的内侧壁设有可与外螺纹4螺接的内螺纹7(保证密封的前提下还可以采用卡接的方式)，所述筒形夹持器2的内径尺寸大于试样1外径尺寸4～10mm，内表面设有与试样1密封粘接用的胶结层3；所述顶盖5和底盖6的中心点处均开有可与测试装置的进、出口端连接的通孔8(所述通孔8可为螺栓孔，以方便和测试设备的端口连接)。所述顶盖5和底盖6的内端面上均嵌套有密封圈9，密封圈9大小与筒形夹持器2端面相适应，装配后可与筒形夹持器2端面紧密接触，确保测试时 的密封性，所述筒形夹持器2顶端出口内径小于试样1的外径，可起到对试样1限位和固定的作用；所述胶结层3优选为凝结前有一定粘性和流动性、凝固后密实牢固、不吸水不溶于水、不与水发生反应的胶结材料，如硅胶等。

测试方法包括以下步骤：

包括以下步骤：(1)用胶布粘住试样1的上下端面和筒形夹持器2的顶端；(2)将筒形夹持器2倒置，往筒形夹持器2内倒入筒形夹持器1/3高度的熔融状态的硅胶，同时将硅胶均匀涂满夹持器2内壁及试样1的侧表面，将试样1缓缓塞入筒形夹持器2中并调正位置，使硅胶均匀饱满填充两者间隙。待硅胶不流动时揭去夹持器顶端胶布，在空气中静置至充分凝固形成胶结层3；(3)除去试样1两端面多余的凝固硅胶，揭去胶布，用丙酮清洗附在试样1端部表面的杂物；将顶盖5和底盖6分别与筒形夹持器2上端和下端通过螺纹4、7连接成一体；

(4)将测试设备的介质进口端连接底盖6的通孔8，介质出口端连接顶盖5的通孔8，通入气体或液体介质，待压力稳定后，利用测试设备检测两端通孔8的流体压力P₁和P₂及在压力差下通过试样1的流体的流量Q，通过达西公式计算得到试样1的渗透率。

对比试验

发明人采用了渗透率极低，测试难度大的花岗岩对本发明进行对比实验：先采用本发明测试装置测试在无围压状态下的气体渗透率，再用现有的有围压的测试装置测试其在不同围压下的气体渗透率，然 后进行对比分析。

试验说明如下：花岗岩截面直径D为49.50mm.高度L为99.22mm,温度控制恒定为22℃，以氮气作为流体介质，该温度下的气体粘度μ为1.78X10^-5Pa·s,使用南大703硅胶作为胶结材料。先使用本发明装置在进行围压为0的花岗岩气体渗透率测试，而后使用现有的测试装置进行围压分别为2.5MPa、5MPa、7.5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、30MPa下的体渗透率测试。测试时通过试样的气体出口端与空气相通，即P₂等于大气压P_atm,取为1.0x10⁵Pa。数据结果如下表：

表1试验测试结果

根据以上数据结果进行分析，由各不同围压下对应的渗透率拟合成曲线见图2，从图2中可以看出，在使用本申请方法，围压为0时测得的渗透率最大。渗透率随围压的变化明显，采用对比装置时，随着围压的增加，渗透率不断减小；在围压较低时，渗透率随围压减小速率较快，围压较高时，渗透率随围压减小速率变慢。

分析渗透率随围压变化的原因，主要是由于围压的施加使得试样内部孔隙结构发生改变，改变了试样的真实状态。围压的施加总体表现为试样内部的孔隙压缩变小，渗透路径变窄或封闭，使得测得的渗透率变小；在较低围压下，孔隙结构发生改变较大，大量较易压缩的 孔隙被压密，渗透率减小速率较快；而随着围压的增大，能继续被压缩的孔隙越来越少，使得渗透率减小速率变慢。

因此，与现有围压的渗透率测试装置相比，本发明装置除了结构简单、操作使用安全方便，使用寿命长、经济实用等优点外，它改变了现有渗透率测试装置需施加围压使得试样内部孔隙结构发生变化，改变试样的真实状态而使得测试结果偏离真实值(一般而言测得的渗透率偏小)的现状。本发明装置无需施加围压使试样处于自然原始状态，使得测试结果真实准确可靠。

Claims (8)

1.一种无围压渗透率测试装置，包括筒形夹持器，其特征在于，所述夹持器的上、下两端分别与顶盖和底盖螺接或卡接，所述筒形夹持器的内表面设有与试样密封粘接用的胶结层；所述顶盖和底盖的中心点处均开有通孔。

2.如权利要求1所述的无围压渗透率测试装置，其特征在于，所述顶盖和底盖的内端面上均嵌套有密封圈。

3.如权利要求1或2所述的无围压渗透率测试装置，其特征在于，所述筒形夹持器顶端出口内径小于试样的外径。

4.如权利要求3所述的无围压渗透率测试装置，其特征在于，所述筒形夹持器的内径尺寸大于试样外径4～10mm。

5.如权利要求1所述的无围压渗透率测试装置，其特征在于，所述胶结层为凝结前有一定粘性和流动性，凝固后密实牢固、不吸水不溶于水、不与水发生反应的胶结材料。

6.如权利要求5所述的所述的无围压渗透率测试装置，其特征在于，所述胶结材料为硅胶。

7.一种权利要求1-6任一项所述的渗透率测试装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)用胶布粘住试样的上下端面和筒形夹持器的顶端；(2)将筒形夹持器倒置，往筒形夹持器内倒入液态的胶结材料，同时将胶结材料均匀涂满夹筒形持器内壁及试样的侧表面，将试样缓缓塞入筒形夹持器中并调正位置，使胶结材料均匀饱满的填充在两者间隙；待胶结材料不流动时揭去筒形夹持 器顶端的胶布，在空气中静置至胶结材料充分凝固形成胶结层；(3)除去试样两端面多余凝固的胶结材料，揭去胶布，清洗附在试样端面的表面杂物，将顶盖和底盖分别与筒形夹持器的上端和下端通过卡槽或螺纹连接成一体；(4)将测试设备的流态介质进口端连接底盖上的通孔，流态介质出口端连接顶盖上的通孔，利用测试设备检测两通孔的流体压力及在压力差下流量，通过达西公式计算得到试样的渗透率。

8.如权利要求7所述的渗透率测试装置的使用方法，其特征在于，所述胶结材料为硅胶。