CN107655811B - 一种测量低渗透岩石孔隙率的装置及方法 - Google Patents

一种测量低渗透岩石孔隙率的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量低渗透岩石孔隙率的装置及方法，其特征在于，包括真空压力容器，真空压力容器的顶部压板和底部压板通过不锈钢棒连接，顶部压板设有水压力表，压力安全阀和两个顶部压板开口，其中一个顶部压板开口连接水箱，另一个顶部压板开口连接真空泵，底部压板在中心开口连接压力装置，本发明创造涉及一种使用真空压力饱和法测量低渗透岩石的孔隙率的新型设备和方法，其解决了现有技术中无法对高密度、低渗透岩石的孔隙实现完全饱和的技术缺陷；通过橡胶膜的设置使施加压力时不引起空气夹带，压力不直接施加到水中；为了确保真空压力容器的气密系统。

Description

一种测量低渗透岩石孔隙率的装置及方法
技术领域
本发明创造涉及一种使用真空压力饱和法测量低渗透岩石的孔隙率的新型设备和方法，其解决了现有技术中无法对高密度、低渗透岩石的孔隙实现完全饱和的技术缺陷。
背景技术
低渗透岩石是地下石油和天然气储存、CO2储存、核废料处置的主要介质和地质环境，也是水利水电、矿山和隧道等工程建设中常见的一种复杂介质。目前能源储备、环境保护、资源开发等重大工程中都已加强了对低渗透岩石的研究，低渗透岩石虽然结构致密，但不能简单地将它归为不透水或隔水体，对其研究已成为岩石渗流力学和工程建设的前沿课题。
孔隙率是描述岩石物理、力学、渗流等特性的重要参数。为了研究岩石的性能，了解其孔隙率至关重要。孔隙率是空隙体积占据总体积的比例分数，现有多种技术可用于测量孔隙率，最常用技术是氦比重测定法，水银注射孔隙法和饱和法。在所有方法中，饱和法可能是最简单、最好的方法，通过将样品浸入水中以延长周期或将样品在水中煮沸数个小时可以确定吸水率。然而由于岩石中存在大量非常细小的孔，所以对现有的这些方法可以实现孔隙的完全饱和提出质疑。我们发现：现有方法无法实现将岩石的孔隙用水完全填充。虽然一些研究人员通过使用利兹真空孔隙度计得到了不同的真空孔隙度法，但目的不是为了得到低渗透岩石的孔隙率。因此，为了实现这些低渗透岩石孔隙的饱和，开发了能够使压力为2.0MPa的真空压力装置。
发明内容
本发明创造为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种使用真空压力饱和法测量低渗透岩石的孔隙率的新型装置，其可以实现用水完全填充岩石的孔隙。
为了解决上述技术问题，本发明创造提供了一种测量低渗透岩石孔隙率的装置，其特征在于，包括真空压力容器，真空压力容器的顶部压板和底部压板通过不锈钢棒连接，顶部压板设有水压力表，压力安全阀和两个顶部压板开口，其中一个顶部压板开口连接水箱，另一个顶部压板开口连接真空泵，底部压板在中心开口连接压力装置，底部压板在中心开口，有助于压力供应和排水，底部压板朝向开口倾斜以便于清洁，该装置可以对高密度、低渗透岩石的孔隙产生完全饱和。
进一步的，压力装置包括压力池和压力源，压力源为氮气气瓶，压力源与压力池之间设有压力安全阀、压力表以及压力调节器，所述压力池内设置有橡胶膜，橡胶膜为有机硅橡胶膜，对橡胶膜施加压力，其以相同的压力膨胀并推动水施压，所述压力池顶部设置有排水管和排气管，所述压力池底部分别连接底部压板和水箱，压力池安装有三个不锈钢压板，顶部设有两个压力池压板，以方便橡胶膜的安装以及空气和水的流通，压板连接在一起，四个不锈钢螺丝在两端拧上滚花螺母，顶部压力池压板设置有连接到压力源和排气口的开口，另一个顶部压板提供了排水口的连接，压力池底部压板设有两个开口，一个连接到水箱供水，另一个连接到真空压力容器。
进一步的，真空压力容器的顶部压板和底部压板通过六个不锈钢棒连接，其中两个不锈钢棒在两端拧有滚花螺母。
进一步的，水箱为10L的塑料水箱。
进一步的，真空泵为旋转式真空泵，真空压力容器能够承受2.0MPa压力和0.2MPa的真空度，真空压力容器和真空泵之间设置有真空捕集器，阻止水流入真空泵中。
进一步的，真空压力容器由丙烯酸橡胶瓶制成，顶部压板和气缸之间设有橡胶O形圈，保证了真空压力容器的气密系统。
一种测量低渗透岩石孔隙率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：取下真空压力容器的顶部压板，将烘干的试件称重记为mA，放入真空压力容器中，关闭顶部压板并使橡胶O形圈处于密封状态，关闭所有阀门；水箱设置有阀门V1，真空压力容器和真空捕集器之间设置有阀门V2，真空捕集器和真空泵之间设置有阀门V4，真空压力容器和水箱之间设置有阀门V3，压力池和水箱之间设置有阀门V7，真空压力容器和压力池之间设置有阀门V6和V8，压力源和压力池之间设置有阀门V5。
步骤二：打开阀门V2、V4，放入真空弹簧，真空计读数为0.1MPa，并在真空下放置试件24小时；关闭阀门V2和V4，打开阀门V1和V3，将储存在水箱中的水放入真空压力容器中，并将水淹没到真空压力容器顶部，若水通过阀门V2进入真空捕集器，表明真空压力容器完全充满水；
步骤三：关闭阀门V1和V3，打开阀门V2和V4并将试件在真空状态下放置一段时间，直到气泡停止上升；关闭阀门V2和V4并关闭真空泵，使真空压力容器中的水淹没顶部，并且没有空气留在容器中；
步骤四：如真空压力容器中残留空气，重复以上步骤三直到真空压力容器完全充满水；
步骤五：打开阀门V1和V7，并用水填充压力池(即橡胶膜外的区域))，保持V5和排气管关闭，打开排水管(water vent)并允许水通过它，使压力池完全充满水，关闭阀V1和V7和排水口，使真空压力容器和压力池都充满水，准备施加压力；
步骤六：打开压力调节器并释放2MPa压力，确保压力表读数为2MPa，如果压力超过2MPa，压力安全阀将自动释放额外的压力；打开阀门V5，橡胶膜开始膨胀，打开水压表阀门；真空计和水压表为2MPa，并保持24小时；系统恢复到大气压力后，关闭压力调节器和阀门V5，V6和V8，敞开排气管，然后打开V5，V6和V8；
步骤七：关闭阀门V6，并将试件置于真空压力容器中24小时以达到平衡状态，测量试件在空气中和水中的重量，分别记为mB和mC，
通过渗透到试件中的水的量来确定孔隙率，孔隙率计算公式如下：
式中：P为试件孔隙率，mA为试件烘干的重量，mB为试件饱和表面干重，mC为试件饱和淹没重量。
进一步的，将试件浸没在水中后，真空压力容器在真空中保持3～4小时，以确保在充水操作期间排出所有夹带的气泡。
进一步的，通过控制压力调节器，使得施加压力为2.0MPa，从而确保岩石孔隙的完全饱和。
本发明所达到的有益效果：本发明涉及一种使用真空压力饱和法测量低渗透岩石的孔隙率的新型设备和方法，其解决了现有技术中无法对高密度、低渗透岩石的孔隙实现完全饱和的技术缺陷；通过橡胶膜的设置使施加压力时不引起空气夹带，压力不直接施加到水中；为了确保真空压力容器的气密系统。
附图说明
图1本发明结构示意图；
图2本发明中压力池结构示意图；
图3本发明中真空压力容器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
下面结合实例对本发明作更进一步的说明。
如图1至图3所示，一种使用真空压力饱和法测量低渗透岩石孔隙率的装置，其特征在于，包括真空压力容器1，第一真空压力容器1的顶部压板和底部压板通过不锈钢棒连接，顶部压板设有水压力表7，第一压力安全阀11和两个顶部压板开口，其中一个顶部压板开口连接水箱3，另一个顶部压板开口连接真空泵2，底部压板在中心开口连接压力装置，底部压板在中心开口，有助于压力供应和排水，底部压板朝向开口倾斜以便于清洁，该装置可以对高密度、低渗透岩石的孔隙产生完全饱和。
进一步的，压力装置包括压力池12和压力源4，压力源为氮气气瓶，压力源与压力池之间设有第二压力安全阀9、压力表6以及压力调节器8，所述压力池内设置有橡胶膜5，橡胶膜为有机硅橡胶膜，对橡胶膜施加压力，其以相同的压力膨胀并推动水施压，所述压力池顶部设置有排水管13和排气管14，所述压力池底部分别连接底部压板和水箱，压力池安装有三个不锈钢压板，顶部设有两个压力池压板，以方便橡胶膜的安装以及空气和水的流通，压板连接在一起，四个不锈钢螺丝在两端拧上滚花螺母，顶部压力池压板设置有连接到压力源和排气口的开口，另一个顶部压板提供了排水口的连接，压力池底部压板设有两个开口，一个连接到水箱供水，另一个连接到真空压力容器。
进一步的，真空压力容器的顶部压板和底部压板通过六个不锈钢棒连接，其中两个不锈钢棒在两端拧有滚花螺母。
进一步的，水箱为10L的塑料水箱。
进一步的，真空泵为旋转式真空泵，真空压力容器能够承受2.0MPa压力和0.2MPa的真空度，真空压力容器和真空泵之间设置有真空捕集器10，阻止水流入真空泵中。
进一步的，真空压力容器由丙烯酸橡胶瓶制成，顶部压板和气缸之间设有橡胶O形圈，保证了真空压力容器的气密系统。
一种使用真空压力饱和法测量低渗透岩石孔隙率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：取下真空压力容器的顶部压板，将烘干的试件称重记为mA，放入真空压力容器中，关闭顶部压板并使橡胶O形圈处于密封状态，关闭所有阀门；
步骤二：打开阀门V2，V4，放入真空弹簧，真空计读数为0.1MPa，并在真空下放置试件24小时；关闭阀门V2和V4，打开阀门V1和V3，将储存在水箱中的水放入真空压力容器中，并将水淹没到真空压力容器顶部，若水通过阀门V2进入真空捕集器，表明真空压力容器完全充满水；
步骤三：关闭阀门V1和V3，打开阀门V2和V4并将试件在真空状态下放置一段时间，直到气泡停止上升；关闭阀门V2和V4并关闭真空泵，使真空压力容器中的水淹没顶部，并且没有空气留在容器中；
步骤四：如真空压力容器中残留空气，重复以上步骤三直到真空压力容器完全充满水；
步骤五：打开阀门V1和V7，并用水填充压力池(即橡胶膜外的区域))，保持V5和排气管关闭，打开排水管(water vent)并允许水通过它，使压力池完全充满水，关闭阀V1和V7和排水口，使真空压力容器和压力池都充满水，准备施加压力；
步骤六：打开压力调节器并释放2MPa压力，确保压力表读数为2MPa，如果压力超过2MPa，压力安全阀将自动释放额外的压力；打开阀门V5，橡胶膜开始膨胀，打开水压表阀门；真空计和水压表为2MPa，并保持24小时；系统恢复到大气压力后，关闭压力调节器和阀门V5，V6和V8，敞开排气管，然后打开V5，V6和V8；
步骤七：关闭阀门V6，并将试件置于真空压力容器中24小时以达到平衡状态，测量试件在空气中和水中的重量，分别记为mB和mC，
通过渗透到试件中的水的量来确定孔隙率，孔隙率计算公式如下：
式中：P为试件孔隙率，mA为试件烘干的重量，mB为试件饱和表面干重，mC为试件饱和淹没重量。
进一步的，将试件浸没在水中后，真空压力容器在真空中保持3～4小时，以确保在充水操作期间排出所有夹带的气泡。
将烘箱干燥过的试件在真空中保持24小时，然后，用水将容器完全淹没到顶部，将试件保持在0.1MPa的压力下24小时，然后在大气压下保持平衡接下来的24小时，充分饱和，将样品切成两半，观察到试件的内核仍然干燥，因此，设计被修改，并且包括以下概念：
1.施加压力从0.1MPa增加到0.2MPa。
2.将试件浸没在水中后，将真空压力容器保持在3～4小时的真空中，以确保在充水操作期间排出任何夹带的气泡。
3.在初始方法中，压力直接施加到水中，导致空气夹带在水中；因此，将水进入试件孔的效率降低，为了施加压力而不引起空气夹带，压力不能直接施加到水，为了达到这个目的，在原来的真空压力容器之前使用一个带有橡胶膜的压力单元，在这种情况下，对橡胶膜施加压力，其以相同的压力膨胀并推动水施压。
进一步的，通过控制压力调节器，使得施加压力为2.0MPa，从而确保岩石孔隙的完全饱和。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种测量低渗透岩石孔隙率的方法，测量装置包括真空压力容器，真空压力容器的顶部压板和底部压板通过不锈钢棒连接；顶部压板设有水压力表，压力安全阀和两个顶部压板开口，其中一个顶部压板开口连接水箱，另一个顶部压板开口连接真空泵，真空压力容器和真空泵之间设置有真空捕集器，底部压板在中心开口连接压力装置；
压力装置包括压力池和压力源，压力源与压力池之间设有压力安全阀、压力表以及压力调节器，所述压力池内设置有橡胶膜，所述压力池顶部设置有排水管和排气管，所述压力池底部分别连接底部压板和水箱；顶部压板和气缸之间设有橡胶O形圈；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：取下真空压力容器的顶部压板，将烘干的试件称重记为mA，放入真空压力容器中，关闭顶部压板并使橡胶O形圈处于密封状态，关闭所有阀门；
步骤二：打开阀门V2、V4，放入真空弹簧，真空计读数为0.1MPa，并在真空下放置试件24小时；关闭阀门V2和V4，打开阀门V1和V3，将储存在水箱中的水放入真空压力容器中，并将水淹没到真空压力容器顶部，若水通过阀门V2进入真空捕集器，表明真空压力容器完全充满水；
步骤三：关闭阀门V1和V3，打开阀门V2和V4并将试件在真空状态下放置一段时间，直到气泡停止上升；关闭阀门V2和V4并关闭真空泵，使真空压力容器中的水淹没顶部，并且没有空气留在容器中；
步骤四：如真空压力容器中残留空气，重复以上步骤三直到真空压力容器完全充满水；
步骤五：打开阀门V1和V7，并用水填充压力池，保持V5和排气管关闭，打开排水管并允许水通过它，使压力池完全充满水，关闭阀V1和V7和排水口，使真空压力容器和压力池都充满水，准备施加压力；
步骤六：打开压力调节器并释放2MPa压力，确保压力表读数为2MPa，如果压力超过2MPa，压力安全阀将自动释放额外的压力；打开阀门V5，橡胶膜开始膨胀，打开水压表阀门；真空计和水压表为2MPa，并保持24小时；系统恢复到大气压力后，关闭压力调节器和阀门V5，V6和V8，敞开排气管，然后打开V5，V6和V8；
步骤七：关闭阀门V6，并将试件置于真空压力容器中24小时以达到平衡状态，测量试件在空气中和水中的重量，分别记为mB和mC，通过渗透到试件中的水的量来确定孔隙率，孔隙率计算公式如下：
式中：P为试件孔隙率，mA为试件烘干的重量，mB为试件饱和表面干重，mC为试件饱和淹没重量。
2.根据权利要求1所述的一种测量低渗透岩石孔隙率的方法，其特征在于，将试件浸没在水中后，真空压力容器在真空中保持3～4小时，以确保在充水操作期间排出所有夹带的气泡。
3.根据权利要求1所述的一种测量低渗透岩石孔隙率的方法，其特征在于，通过控制压力调节器，使得施加压力为2.0MPa，从而确保岩石孔隙的完全饱和。
4.根据权利要求1所述的一种测量低渗透岩石孔隙率的方法，其特征在于，真空压力容器的顶部压板和底部压板通过六个不锈钢棒连接，其中两个不锈钢棒在两端拧有滚花螺母。
5.根据权利要求1所述的一种测量低渗透岩石孔隙率的方法，其特征在于，水箱为10L的塑料水箱。
6.根据权利要求1所述的一种测量低渗透岩石孔隙率的方法，其特征在于，真空泵为旋转式真空泵。
7.根据权利要求1所述的一种测量低渗透岩石孔隙率的方法，其特征在于，真空压力容器由丙烯酸橡胶瓶制成。
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