CN110031376B - 多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，包括如下步骤：(1)进行压力室的气路连接；(2)将铁块置于压力室中，进行系统标定；(3)对岩样进行物性测量；(4)将岩样放置于压力室中，施加围压至设定值并保持恒定；(5)持续向气路中施加渗压至预设值；(6)逐级加载偏应力直至岩样破坏，每一级偏应力瞬时加载完成后进行流变加载，瞬时加载过程中采用流量法测量气体渗透率，流变加载过程中采用稳态法测量气体渗透率；最终得到多级流变加载各阶段的岩石气体渗透率。本发明开创了多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，将加载过程划分为瞬时加载部分和流变加载部分，采用不同测试方法得到实现流变全过程的渗透率的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石气体渗透率测试方法，特别涉及一种多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，属于岩石工程、低渗透气藏及矿物开采领域。
背景技术
石油的储备方式主要有储罐、内铁壁洞库、地下水封洞库等。地下水封洞库具有投资少、储量大、占地少、安全可靠、经济实用和生态友好等优点，被公认为“具有高度战略安全的储备库”。地下水封洞库适宜建造于工程地质条件较好、岩石整体性好、裂隙少、并具有弱透水性的低渗透岩石当中。洞室围岩的渗透特性及渗透率演化规律是地下水封洞库设计建造的重要参数。传统的方法一般以水为介质，并采用稳态法或脉冲法来获得围岩的渗透特性参数；然而低渗透岩石渗透率极低，测试耗时长、误差大。采用常规的测试方法很难快速、准确获得岩石的渗透率数据。相对于水为介质，采用气体测试方法具有①测量范围广；②惰性气体不与岩石基质发生化学反应；③气体压缩系数和黏度对温度敏感性较小等优点。
此外，考虑到地下水封洞库建成后，至少要保证50年的正常运行，围岩在流变状态下的渗透率是地下水封洞库设计、施工和运营的重要参数，因此，亟需发展新方法开展岩石在多级流变加载下的渗透率测量。
现有的岩石气体渗透测试方法主要有稳态法、脉冲法和流量法。其中稳态法测量最简单，只需要在试样中形成稳态渗流，通过测量一段时间流经试样的气体的流量，通过达西定律计算渗透率；此种方法最大的缺点就是测量耗时长。脉冲法利用试样两端的脉冲压力衰减然后通过数学的方法计算渗透率，测量所需时间较稳态法较少。而流量法通过在试样下游连接一个高精度压力表测量渗透率，由于下游气路体积小，因而压力敏感性高，大大降低了测量时间；缺点是测量繁琐，需要通过下游阀门的开关来控制气压。
这三种方法主要能够进行静水压力的渗透率测试。现有的设备很难对多级流变加载全过程中的渗透率进行测量，而且大多数设备采用人工记录，测量精度不高。
发明内容
发明目的：针对现有技术中的岩石气体渗透率测试方法只能够进行静水压力的渗透率测试、且测量繁琐等问题，本发明提供一种多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法。
技术方案：本发明所述的一种多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，包括如下步骤：
(1)将三轴流变仪压力室的气路上游依次连接储气瓶和气源，分别在气源与储气瓶之间、储气瓶与压力室之间设置阀门Ⅰ和阀门Ⅱ，并在阀门Ⅱ与储气瓶之间设置压力表①；将压力室气路下游连接用于连通或阻断大气压的阀门Ⅲ，并在压力室与阀门Ⅲ之间设置压力表②；将压力表①和压力表②与计算机连接；
(2)将不透气的铁块置于压力室中，进行上、下游气路的体积标定；
(3)对岩样进行物性测量；
(4)将岩样放置于三轴压力室中，施加围压至设定值并保持恒定；
(5)打开三个阀门，持续向气路中施加渗压至压力表①的读数达到预设值P1，然后后关闭阀门Ⅰ；
(6)逐级加载偏应力直至岩样破坏，每一级偏应力瞬时加载完成后进行流变加载，瞬时加载过程中采用流量法测量气体渗透率，流变加载过程中采用稳态法测量气体渗透率；最终得到多级流变加载各阶段的岩石气体渗透率。
上述步骤(5)中，最好施加渗压至压力表①的读数大于渗压预设值P1并小于等于P1+0.1MPa，保持一段时间，直至岩样上下游形成稳态渗流时关闭阀门Ⅰ。
具体的，步骤(6)的测试过程及加载过程包括：
步骤61，进行第一级偏应力瞬时加载，将本级加载偏应力分阶逐渐加载，加载至每阶预设值时，维持偏应力不变，采用流量法测试气体渗透率；
步骤62，当偏应力增加到第一级偏应力预设值时，进入第一级流变加载阶段，采用稳态法测试流变过程中的气体渗透率；
步骤63，重复步骤61～62，依次进行第二级、第三级、…、第N级的偏应力瞬时加载及流变加载，直至岩样破坏，测得多级流变加载各阶段的岩石气体渗透率。
上述步骤61中，瞬时加载阶段，采用流量法测试气体渗透率的方法可包括：
A、保持阀门Ⅱ、Ⅲ为打开状态，阀门Ⅰ为关闭状态，加载第一阶偏应力；
B、在偏应力加载至第一阶预设值后，关闭阀门Ⅲ，实时记录压力表②在阀门Ⅲ关闭时间Δtl内的压力变化ΔP，根据测得值计算该阶偏应力下的气体渗透率；
C、打开阀门Ⅲ将下游气体释放，重复步骤A～B继续加载偏应力，进行下一阶偏应力下的气体渗透率测量。
进一步的，步骤B中，瞬时加载阶段，岩样在某阶偏应力下的气体渗透率Kl根据下式计算：
式中，μg为气体的粘度，h和A分别为所测岩样的高度和横截面积，P0为大气压；Q为阀门Ⅲ关闭时间内通过岩样的稳定气体流量，Δtl为阀门Ⅲ关闭时间，ΔP为阀门Ⅲ关闭时间内压力表②的读数变化，Vd为系统标定时测得的下游气路的总体积。
较优的，步骤61及63中，进行每一级偏应力瞬时加载时，可将该级加载的偏应力分为3～5阶，采集每阶偏应力对应的气体渗透率。更优的，步骤61中，每阶偏应力加载之前，监测环向应变变化，在环向应变变化稳定后再进行偏应力加载。
上述步骤62中，流变加载阶段，采用稳态法测试气体渗透率的方法为：保持阀门Ⅲ与大气相连，保持流变过程中渗压恒定，将第一级流变加载阶段分为若干时间段，实时记录每一时间段内压力表①的读数变化ΔP1，根据测得值计算流变过程中对应时间段内的气体渗透率。
其中，流变加载阶段，岩样在某一时间段内的气体渗透率Kw根据下式计算：
式中，μg为气体的粘度，h和A分别为所测岩样的高度和横截面积，Vs为系统标定时测得的上游气路的总体积，Δtw为计算气体渗透率选取的时间段，ΔP1为时间段Δtw内压力表①的读数变化；P0为大气压，Pmoy＝P1-ΔP1/2。
进一步的，流变加载过程中，每个测试时间段可采集若干个时刻压力表①的读数变化计算气体渗透率，取平均值作为该时间段流变加载过程的气体渗透率。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明开创了多级流变加载下的岩石气体渗透率测试的新方法，测试过程中将多级流变加载划分为瞬时加载部分和流变加载部分，瞬时加载部分和流变加载部分采用不同的渗透率测试方法，进而能够得到瞬时加载段和流变加载段多个数据，实现流变全过程的渗透率的测量；(2)本发明采用流量法与稳态法结合测试不同加载部分的气体渗透率，瞬时加载过程中，只需记录下游气路中压力表②的实时变化量，流变加载过程中，只需记录上游气路中压力表①的实时变化量，大大减轻了测试工作量。
附图说明
图1为本发明的多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法的气路连接示意图；
图2为本发明的多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法整个实验过程的应力路径，其中，σ3为围压值，σ1为偏应力值。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，包括如下步骤：
1)将待测岩样置于三轴流变仪的压力室中，进行气路连接；
如图1，三轴压力室的气路上游可通过高压导管依次连接气源、阀门Ⅰ、储气瓶、压力表①、阀门Ⅱ；气路下游也可通过高压导管连接压力表②和阀门Ⅲ。压力表①与压力表②可通过数字转换器连接计算机，用于实时记录气压数据；压力表①与压力表②可选用高精压力表。气源中的气体可为氩气等惰性气体，气体粘度为μg。
上游的储气瓶可选择稍微大一点的体积，以保证在流变状态下，上游气压变化较小。
2)将不透气的铁块置于压力室中，进行上、下游气路的体积标定；
将不透气的铁块放置于压力室中，并加载较大的围压(如20MPa)；打开阀门Ⅰ，关闭阀门Ⅱ，向气路中冲入气体后关闭阀门Ⅰ，待气压稳定后记录压力表①的读数；然后打开阀门Ⅱ，待气压稳定后再次记录压力表①的读数。根据压力表①两次的读数，标定阀门Ⅱ到试样底端气路的体积，并由此得到整个上游气路的体积Vs；采用类似的办法，标定下游气路的体积Vd。
用于标定的铁块尺寸最好与测试试样的大小相同。
3)对岩样进行物性测量；包括高度h、直径d、质量m并拍照。
4)将待测岩样置于三轴压力室中，并施加围压至设定值σ3并保持在流变过程中一直恒定。
5)保持三个阀门打开状态，持续向气路中施加渗透压力，通过气源向岩样上游端充入气体至压力表①的读数达到设定值P1时关闭阀门Ⅰ。
充气时，最好可使得压力表①实际读数稍微大于预设值P1同时小于等于P1+0.1MPa时，关闭阀门Ⅰ并保持一段时间，使得在试样上下游形成稳态渗流。关闭阀门Ⅰ后，实时观察读数降低趋势，若读数线性降低，表面岩样内部形成了稳定渗流。
6)逐级加载偏应力直至岩样破坏，每一级偏应力瞬时加载完成后进行流变加载，瞬时加载过程中采用流量法测量气体渗透率，流变加载过程中采用稳态法测量气体渗透率；最终得到多级流变加载各阶段的岩石气体渗透率。
(1)进行第一级瞬时加载：
瞬时加载阶段要保持阀门Ⅱ、Ⅲ为打开状态，而阀门Ⅰ为关闭状态。
将瞬时加载应力平分成3～5等份，即3～5阶，依次逐渐进行加载。在达到每一阶预设值时，维持偏应力不变，采用流量法进行气体渗透率测试；在进行轴向应力加载之前，监测环向应变变化，在环向应变变化稳定后再进行轴向加载。
如图2，本实例中第一级瞬时加载阶段采集4个渗透率数据值。当偏应力加载到图2中第一个黑点位置时，保持偏应力值恒定，开始渗透率测量。渗透率测量方法采用流量法。具体操作步骤为：
在偏应力达到预设值后，关闭阀门Ⅲ；将压力表②连接计算机，实时记录压力表②在时间Δtl内的压力变化ΔP；瞬时加载阶段气体渗透率的计算公式为：
其中，
式中，Kl为所测岩样在瞬时加载阶段某阶偏应力下的气体渗透率，μg为气体的粘度，h和A分别为所测岩样的高度和横截面积，P0为大气压，P1为渗压预设值；Q为阀门Ⅲ关闭时间内通过岩样的稳定气体流量，Δtl为阀门Ⅲ关闭时间，ΔP为阀门Ⅲ关闭时间内压力表②的读数变化，Vd为系统标定时测得的下游气路的总体积。
在记录下压力表②在时间Δtl的变化值ΔP后，打开阀门Ⅲ把下游气体释放，重复上述步骤测量气体渗透率；每一偏应力阶点进行3次渗透率测量，并取平均值，得到该阶偏应力下的最终渗透率。此后，继续按照原定速率增加偏应力，进行下一阶偏应力下的渗透率测量。
在每一个渗透率数据点采集后，进行下一步应力加载前，要保证下游阀门Ⅲ为打开状态。
(2)进行第一级流变加载
当偏应力增加到设定的第一级流变等级值时，开始进入第一级流变加载阶段。每一级流变加载时间要持续至少72小时。由于时间持续较长，足以形成稳态渗流，采用稳态法只需要记录整个流变阶段上游压力表①的实时变化曲线，大大减轻了测试工作量。
具体测试方法如下：
A.在流变加载阶段始终保持阀门Ⅲ与大气相连；
B.将气路上游压力表①的读数升高至略大于渗压设定值(如P1+0.1MPa)，然后保持渗压恒定，将压力表①连接计算机，在流变过程中实时记录压力表①的读数变化；若压力表①读数降低过多，则需要打开阀门Ⅰ，继续向上游加气；
C.将每一流变等级划分为5～8个时间段，每一时间段采集4～6个时刻计算渗透率后取平均值，流变加载阶段气体渗透率的计算公式为：
Pmoy＝P1-ΔP1/2；
式中，Kw为所测岩样在流变加载阶段某时间段的气体渗透率，Δtw为计算气体渗透率选取的时间段，ΔP1为时间段Δtw内压力表①的读数变化，Vs为系统标定时测得的上游气路的总体积，即气路上游段从阀门Ⅰ到试样截面导管和储气瓶的总体积。
(3)重复步骤(1)、(2)，依次进行第二级、第三级、…、第N级的偏应力瞬时加载及流变加载，直至岩样破坏，测得多级流变加载各阶段的岩石气体渗透率。
Claims (7)
1.一种多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将三轴流变仪压力室的气路上游依次连接储气瓶和气源，分别在气源与储气瓶之间、储气瓶与压力室之间设置阀门Ⅰ和阀门II，并在阀门II与储气瓶之间设置压力表①；将压力室气路下游连接用于连通或阻断大气压的阀门Ⅲ，并在压力室与阀门Ⅲ之间设置压力表②；将压力表①和压力表②与计算机连接；
(2)将不透气的铁块置于压力室中，进行上、下游气路的体积标定；
(3)对岩样进行物性测量；
(4)将岩样放置于三轴压力室中，施加围压至设定值并保持恒定；
(5)打开三个阀门，持续向气路中施加渗压至压力表①读数达到预设值P1后关闭阀门Ⅰ；
(6)逐级加载偏应力直至岩样破坏，每一级偏应力瞬时加载完成后进行流变加载，瞬时加载过程中采用流量法测量气体渗透率，流变加载过程中采用稳态法测量气体渗透率；最终得到多级流变加载各阶段的岩石气体渗透率；
步骤(6)的测试过程及加载过程具体包括：
步骤61，进行第一级偏应力瞬时加载，将本级加载偏应力分阶逐渐加载，加载至每阶预设值时，维持偏应力不变，采用流量法测试气体渗透率；
所述采用流量法测试气体渗透率的方法包括：
A、保持阀门II、Ⅲ为打开状态，阀门Ⅰ为关闭状态，加载第一阶偏应力；
B、在偏应力加载至第一阶预设值后，关闭阀门Ⅲ，实时记录压力表②在阀门Ⅲ关闭时间Δtl内的压力变化ΔP，根据测得值计算该阶偏应力下的气体渗透率；
C、打开阀门Ⅲ将下游气体释放，重复步骤A～B继续加载偏应力，进行下一阶偏应力下的气体渗透率测量；
步骤62，当偏应力增加到第一级偏应力预设值时，进入第一级流变加载阶段，采用稳态法测试流变过程中的气体渗透率；
所述采用稳态法测试气体渗透率的方法为：保持阀门Ⅲ与大气相连，保持流变过程中渗压恒定，将第一级流变加载阶段分为若干时间段，实时记录每一时间段内压力表①的读数变化ΔP1，根据测得值计算流变过程中对应时间段内的气体渗透率；
步骤63，重复步骤61～62，依次进行第二级、第三级、…、第N级的偏应力瞬时加载及流变加载，直至岩样破坏，测得多级流变加载各阶段的岩石气体渗透率。
2.根据权利要求1所述的多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，其特征在于，步骤(5)中，施加渗压至压力表①的读数大于渗压预设值P1并小于等于P1+0.1MPa，保持渗压加载直至岩样上下游形成稳态渗流时关闭阀门Ⅰ。
3.根据权利要求1所述的多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，其特征在于，步骤61及63中，进行每一级偏应力瞬时加载时，将该级加载的偏应力分为3～5阶，采集每阶偏应力对应的气体渗透率。
4.根据权利要求1所述的多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，其特征在于，步骤61中，每阶偏应力加载之前，监测环向应变变化，在环向应变变化稳定后再进行偏应力加载。
5.根据权利要求1所述的多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，其特征在于，步骤B中，瞬时加载阶段，岩样在某阶偏应力下的气体渗透率Kl根据下式计算：
式中，μg为气体的粘度，h和A分别为所测岩样的高度和横截面积，P0为大气压；
Q为阀门Ⅲ关闭时间内通过岩样的稳定气体流量，Δtl为阀门Ⅲ关闭时间，ΔP为阀门Ⅲ关闭时间内压力表②的读数变化，Vd为系统标定时测得的下游气路的总体积。
6.根据权利要求1所述的多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，其特征在于，流变加载阶段，岩样在某一时间段内的气体渗透率Kw根据下式计算：
式中，μg为气体的粘度，h和A分别为所测岩样的高度和横截面积，Vs为系统标定时测得的上游气路的总体积，Δtw为计算气体渗透率选取的时间段，ΔP1为时间段Δtw内压力表①的读数变化；P0为大气压，Pmoy＝P1-ΔP1/2。
7.根据权利要求1所述的多级流变加载下的岩石气体渗透率测试方法，其特征在于，每个测试时间段采集若干个时刻压力表①的读数变化计算气体渗透率，取平均值作为该时间段流变加载过程的气体渗透率。
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