CN109612899B - 一种压力修正式气体渗透率计算方法 - Google Patents

Abstract

一种压力修正式气体渗透率计算方法，包括步骤1)、气体渗透率计算：最终得到试样的渗透率k；还包括步骤2)、气体压力修正计算。本发明能够消除温度的影响，最终能有效的测试出试样的准确渗透率。

Description

一种压力修正式气体渗透率计算方法

技术领域

本发明涉及一种岩土体的气体渗透测试方法，尤其是一种压力修正式气体渗透率计算方法。

背景技术

在核废料深部地质处置、二氧化碳地质储集和油气勘探等领域，存在流体运移问题。以核废料处理为例，在长期演化过程中，储存库会产生大量的气体。因此，如何评价缓冲材料(如膨润土)与围岩的气密性是一个非常重要的问题，而气体渗透率是评价气密性的关键技术指标。

目前的研究方法是在实际工程现场取得岩心，在实验室模拟现场实际的条件和环境，然后获取相关的气体渗透率实验数据，来指导工程实践。在实验室室内进行试样气体渗透率测试的时候，通常使用气体稳态法，使用三轴压力装置进行测量。

通常气体渗透性试验在固定温度下进行，通过温度控制装置保持整个空间的温度维持稳定，但由于整个空间较大，温度控制装置并不能真正达到使整个空间的温度恒定，温度的波动会造成气体压力的变化，进而导致测量渗透性的误差，尤其是当试样渗透性较低时，气体渗透需要的时间更久，而此时温度的变化对压力的变化尤为显著，误差较大。

另外，理论上来说，密闭的管路中，压力应该是一个恒定值。但经测试表明，向钢瓶注入一定的气压，然后关闭其他所有阀门，静置一周，通过压力表可得到压力与温度曲线图。从最终的图像中得到的结果却是，温度的波动对气压是有明显的影响的。

综上可见，为了获得更加准确的气体渗透率结果，对压力进行校准，消除温度的影响是非常必要的。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种压力修正式气体渗透率计算方法，能够有效的消除外界温度变化，对流体压力的影响，结果更加准确，测试精度高，操作简单。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括步骤1)、气体渗透率计算：最终得到试样的渗透率k；还包括步骤2)、气体压力修正计算：

根据理想气体状态方程有：

PV＝nRT (11)，

其中，P为理想气体的压强，V为理想气体的体积，n为气体物质的量，R为理想气体常数，T为热力学温度；

由此得知，当体积恒定的时候，在T₁温度下有：

P₁’V＝nRT₁ (12)，

在T₂温度下有：

P₂V＝nRT₂ (13)，

P₂为在T₂温度下的气压；T₂为试验设定的温度；

由此得到：

则有：

之后将换算得到的压力P₂作为P₁’代入，重新推导计算渗透率k，即消除温度的影响，得到准确的气体渗透率k。

相比现有技术，本发明的一种压力修正式气体渗透率计算方法，结构设计合理，造价低，能有效的控制气体压力，能修正温度波动对气压的影响，提高测试气压的准确度，可测试的试样渗透率在10^-19m²～10^-21m²，此为高精度；本发明计算方法操作简单，能够有效的消除外界温度变化，对流体压力的影响，结果更加准确，测试精度高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例气体传输控制系统的结构示意图。

图2是本发明实施例气压及温度随时间的变化曲线图，图中含有修正前后的变化曲线。

图3和4是本发明实施例渗透率随时间的变化曲线图，两幅图中分别为修正前、后的变化曲线。

图中，1、排气口，2、阀门A，3、缓冲钢瓶，4、阀门B，5、压力表，6、压力室，7、试样，8、氟橡胶套。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种气体传输控制系统，包括依次连接在压力室6下部的气体入口端的阀门B4、压力表5、缓冲钢瓶3、阀门A2和排气口1，排气口主要作用：(1)实验过程中调节缓冲钢瓶3内的气压，当气源注入缓冲钢瓶3内的气压过高时，通过排气口1放掉一些气体，使得缓冲钢瓶3内的气压达到我们的测试要求；(2)实验结束后，安全起见，用来排放掉缓冲钢瓶3内的气体，使气压降为零。在压力室6上方还具有一个气体出口端，主要是用来排放掉已经渗透过试样7的气体。

基于上述气体传输控制系统的气体渗透率计算方法如下：

测量时，将试样7放置在压力室6的缸筒内部，并用氟橡胶套8包裹，之后打开气源5(储气罐)与缓冲钢瓶3之间的阀门A2，向缓冲钢瓶3中注入一定的压力P1，通过缓冲钢瓶3与压力室6之间的压力表5可以读出其值，之后关闭阀门A2，打开阀门B4，开始向试样7注入气体，从压力表5可以读出这一过程中的压力变化，经过Δt时刻，压力表5读数变为P₁’，那么在Δt时间内，缓冲钢瓶3内的平均压力及压力变化为：

ΔP＝P₁-P₁’ (2)，

其中：P₁为初始注入缓冲钢瓶3内的压力；P₁’为在T₁温度下压力表5测量的实时压力值，T₁为试验时的实时温度；ΔP为打开阀门B4向试样7注气后，Δt时间内变化的压力值；Δt为变化的时间；P_mean为平均压力；

根据达西定律，可以知道在此时间段内通过的平均流量为

其中：k为渗透率，A为流体的截面面积，μ为动粘度，

为对气压的偏导；Q_mean为平均流量；

而根据理想气体状态方程，有

ΔPV₀＝P_meanQ_meanΔt (4)，

即

其中，V₀为缓冲钢瓶3体积+缓冲钢瓶3到压力室6之间管路体积；

可压缩性气体在试样7中的分布服从如下函数：

其中，h为试样高度，t为时间，x为气体注气后在试样中流动的距离；

对式(6)进行求导有：

当测量试样入口端的气体渗透率，即气体进入渗透率，则取x＝0，有

其中：P₀为一个大气压，其余符号与在先定义相同；

带入式(3)有

将式(9)与式(5)联立则可以得到入口端气体有效渗透率

其中的所有符号和之前意义相同；

即在已知试样7高度及横截面面积的情况下，只要测量得到入口端Δt时间内入口端压力变化量ΔP，就可以得到试样7的有效渗透率k。

压力修正方法如下：

为了消除温度的影响，做如下处理：

根据理想气体状态方程有：

PV＝nRT (11)，

其中，P为理想气体的压强，V为理想气体的体积，n为气体物质的量，R为理想气体常数，T为热力学温度；

由此得知，当体积恒定的时候，在T₁温度下有：

P₁’V＝nRT₁ (12)，

在T₂温度下有：

P₂V＝nRT₂ (13)，

P₂为在T₂温度下的气压；T₂为试验设定的温度；

由此得到：

则有：

即在试验过程中，通过压力表5测量实时的压力P₁及温度T₁，通过温度控制装置(一般通过中央空调设置好温度)设置室内试验在20℃环境下进行，即热力学温度293.15K，则可以知道在温度恒定(20℃)时，实际压力应为：

之后将换算得到的压力P₂代入式(1)，替换掉P1。然后按照相同的推导方式，重新计算一遍，最终得到修正后的渗透率k。即可消除温度的影响，得到更为准确的气体渗透率k。

如图2所示为在测量气体渗透性时候，气体温度及压力变化，可以明显看出温度在19-24℃范围内进行变化。由于温度的波动而导致压力也随着波动，在定常温度下，压力应随着时间不断减小，但由于温度的升高，导致压力非但没有减小，反而出现升高的现象，借助于以上方法消除温度的影响，可以发现压力变化趋于平滑下降。

根据实测压力以及修正后的压力，做出气体渗透率随时间的变化如图3和图4所示，从图中可以看出，使用实测压力计算得到的渗透率波动较大，甚至出现渗透率为负的现象，这也是由于试验过程中，空间温度升高，导致压力上升所致，而通过处理之后得到的修正的压力计算则避免了此问题，渗透率波动范围较小，更趋于平稳。因此在测量渗透率的时候，虽然都假设空间温度固定，但实际上，为了获得更加准确的结果，应该使用此方法对压力进行校准，之后才能获得准确的渗透率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种压力修正式气体渗透率计算方法，包括步骤1)、气体渗透率计算：

测量时，将试样(7)放置在压力室(6)的缸筒内部，并用氟橡胶套(8)包裹，之后打开气源与缓冲钢瓶(3)之间的阀门A(2)，向缓冲钢瓶(3)中注入一定的压力P₁，通过缓冲钢瓶(3)与压力室(6)之间的压力表(5)可以读出其值，之后关闭阀门A(2)，打开阀门B(4)，开始向试样(7)注入气体，从压力表(5)可以读出这一过程中的压力变化，经过Δt时刻，压力表(5)读数变为P₁’，那么在Δt时间内，缓冲钢瓶(3)内的平均压力及压力变化为：

ΔP＝P₁-P₁’ (2)，

其中：P₁为初始注入缓冲钢瓶(3)内的压力；P₁’为在T₁温度下压力表(5)测量的实时压力值，T₁为试验时的实时温度；ΔP为打开阀门B(4)向试样(7)注气后，Δt时间内变化的压力值；Δt为变化的时间；P_mean为平均压力；

根据达西定律，可以知道在此时间段内通过的平均流量为

其中：k为渗透率，A为流体的截面面积，μ为动粘度，

为对气压的偏导；Q_mean为平均流量；

而根据理想气体状态方程，有

ΔPV₀＝P_meanQ_meanΔt (4)，

即

其中，V₀为缓冲钢瓶(3)体积+缓冲钢瓶(3)到压力室(6)之间管路体积；

可压缩性气体在试样(7)中的分布服从如下函数：

其中，h为试样高度，t为时间，x为气体注气后在试样中流动的距离；

对式(6)进行求导有：

当测量试样入口端的气体渗透率，即气体进入渗透率，则取x＝0，有

其中：P₀为一个大气压，其余符号与在先定义相同；

带入式(3)有

将式(9)与式(5)联立则可以得到入口端气体有效渗透率

最终得到试样(7)的有效渗透率k；其特征是，还包括步骤2)、气体压力修正计算：

根据理想气体状态方程有：

PV＝nRT (11)，

其中，P为理想气体的压强，V为理想气体的体积，n为气体物质的量，R为理想气体常数，T为热力学温度；

由此得知，当体积恒定的时候，在T₁温度下有：

P₁’V＝nRT₁ (12)，

在T₂温度下有：

P₂V＝nRT₂ (13)，

P₂为在T₂温度下的气压；T₂为试验设定的温度；

由此得到：

则有：

之后将换算得到的压力P₂作为P₁’代入，重新推导计算渗透率k，即消除温度的影响，得到准确的气体渗透率k。

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