CN110865010B - 一种岩石流变加载条件下多气体渗流测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种岩石流变加载条件下多气体渗透测试装置及测试方法，该测试装置包括三轴压力室、围压加载系统和混合气体加载系统；混合气体加载系统包括若干储气罐、混合气体缓冲容器和混合气体存储器，其中，各储气罐并联每个储气罐的气体出口端均设有控制阀门、气体流量计和减压阀。利用该装置测试岩石流变渗流特性的方法为：将岩样置于三轴压力室中，施加围压至预设值；以配制好的混合气体为气源，施加渗压至预设值，测量岩样瞬时多气体渗透率；保持渗压不变，逐级提升或降低围压，测量每级围压下岩样的瞬时多气体渗透率和流变多气体渗透率。本发明克服了现有单一气体测量岩石渗透特性的不足以及仅以瞬时渗透率评估流变渗流特性不准确的问题。

Description

一种岩石流变加载条件下多气体渗流测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种岩石渗透率测试装置及方法，特别涉及一种岩石流变加载条件下多气体渗透测试装置及测试方法，属于岩石工程领域。

背景技术

岩石作为一种广泛存在的多孔介质，其渗透特性对岩土工程建设指导具有重要作用，例如地下石油与天然气存储、核废物处置、水利水电工程、矿山与隧道工程等。对于有些结构致密的岩石，其导流速率较小，流量难以计量和测定，传统的液体测量渗透率方法已不再适用，许多国内外学者开始寻求别的替代方法。近年来，以气体作为渗透介质测定致密岩石的渗透率方法逐步得到推广，其特点是渗透速度快、试验时间短、试验误差小，也可以利用经典的Darcy定律计算其流量。

目前，大多数气体测量渗透率的测试装备和方法多采用单一气体，但是许多文献中试验数据表明采用不同气体测量出来的渗透率大小不一样，这使得岩石渗透特性的大小缺乏衡量标准；如Yuan H,Agostini F,Duan Z et al.(2017)Measurement of Biot'scoefficient for COx argillite using gas pressure technique[J].Int J Rock MechMin 92:72-80.文中分别用氦气和氩气测量了岩石的比奥系数，指出了氦气和氩气在岩石孔隙中吸附能力的不同，进而影响气测渗透率的大小。而且，由于自然界中的气体以多组分混合气体形式存在，单一气源较少，实际环境中，岩石通常会受到多组分混合气体的渗透，如果仅以单一气体渗透率来表征岩石的渗透特性，也无法反映岩石生存的实际情况，表征结果意义不大。

另外，天然岩石所处的应力环境较为稳定，可以维持上千年甚至上万年不变，普通试验中常用瞬时渗透率来评估岩石的长期渗流特性是不准确且不可靠的。

基于此，有必要对现有的岩石渗流特性测试装置及方法进行改进，使其能更准确地反映岩石生存的实际情况。

发明内容

发明目的：针对现有技术中以单一气体测量岩石渗透特性、并单独以瞬时渗透率评估渗流特性、无法反映岩石生存的实际情况的问题，本发明提供一种岩石流变加载条件下多气体渗透测试装置，并提供一种利用该装置测试岩石渗流特性的方法。

技术方案：本发明所述的一种岩石流变加载条件下多气体渗透测试装置，包括三轴压力室以及分别与三轴压力室连通的围压加载系统和混合气体加载系统；混合气体加载系统包括分别盛放有不同种类气体的若干储气罐、混合气体缓冲容器和混合气体存储器，三者依次连接，其中，各储气罐之间并联，且每个储气罐的气体出口端均设有控制阀门、气体流量计和减压阀；混合气体缓冲容器的气体入口处设有气体流量计，且其与混合气体存储器的连接管路上设有压力表。

混合气体中各气体之间互相之间不发生反应，混合气体的不同组分及体积比例可以通过流量计来监测控制，以获得所需要的混合气体。

其中，围压加载系统包括围压泵，该围压泵与三轴压力室的连接通路上设有控制阀门。混合气体存储器与三轴压力室的连接通路上也可设有控制阀门。

优选的，混合气体缓冲容器与混合气体存储器的连接管路上设置有去杂器，用来去除混合气体中的杂质，来保证试验所用气体的纯净。

进一步的，减压阀为单向流量阀，气体只能往下游流通，避免气体回流到储气罐。

本发明所述的利用上述装置测试岩石渗流特性的方法包括如下步骤：

(1)将岩样置于三轴压力室中，关闭混合气体加载系统的所有控制阀门，通过围压加载系统向压力室内施加围压至预设值；

(2)根据预设的混合气体组分配比，开启对应储气罐的控制阀门及气体流量计，气体经减压阀减压后按比例进入混合气体缓冲容器中混合，所得混合气体进入混合气体存储器内备用；

(3)以配制好的混合气体为渗流气源，观察压力表数据，向三轴压力室内施加渗压至预设值，测量岩样的瞬时多气体渗透率；

(4)保持渗压不变，逐级提升围压应力加载水平，直至趋于岩样破坏的临界应力，然后逐级降低围压应力加载水平，测量每个围压应力加载水平下岩样的瞬时多气体渗透率和流变多气体渗透率，以瞬时多气体渗透率和流变多气体渗透率共同评估岩石的渗流特性。

其中，所述岩样的瞬时多气体渗透率为围压加载到不同围压应力加载水平的初始时刻对应的岩样气体渗透率，岩样的流变多气体渗透率为围压加载到不同围压应力加载水平并稳定后，每隔1天所测得的岩样气体渗透率。通过岩样的瞬时多气体渗透率结合流变多气体渗透率的变化情况可以更真实准确地评估岩石的渗流特性。

其中，岩样的瞬时多气体渗透率及流变多气体渗透率根据下式计算：

式中：

Q_mean为平均气体流动速率，且

其中，V₀为混合气体存储器体积，ΔP为通过岩样底部的上游端气压变化量，Δt为测量间隔的时间；

P_mean为通过岩样底部的平均上游气体压力，且P_mean＝P₁-ΔP/2，P₁为上游端进气压力；

P₀为大气压，A为岩样的横截面积，L为岩样的长度；

μ为混合气体的粘性系数，根据混合气体中各组分气体粘性系数的加权值确定；以混合气体中包含x种气体组分计，μ＝n₁μ₁+n₂μ₂+n₃μ₃+…+n_xμ_x，n₁、n₂、n₃…n_x分别为各组分气体的流量占混合气体总流量的比例，满足n₁+n₂+n₃+…+n_x＝100％。

优选的，上述步骤(4)中，先逐级提升围压应力加载水平，直至提升到岩样破坏应力的80％以上，再逐级降低围压应力加载水平。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)本发明的测试装置可以测量岩石在流变加载条件下多气体渗透特性，所得气体渗透率能够更准确地表征岩石内部实际的渗透情况；而且，本发明的测试装置操作简单，能在现有的三轴压力测试仪的基础上直接改进，适用性广且改造成本低；(2)本发明通过测试岩石流变多气体渗透率，通过观察瞬时多气体渗透率和流变多气体渗透率的变化情况可以更准确可靠地评估岩石的渗流特性。

附图说明

图1为本发明的岩石流变加载条件下多气体渗透测试装置的结构示意图；

图2为实施例中的岩石流变加载路径示意图；

图3为实施例中测得的岩石渗流变化曲线。

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。

本发明的一种岩石流变加载条件下多气体渗透测试装置，如图1，包括三轴压力室20，压力室20分别与左侧的围压加载系统、右侧的混合气体加载系统相连。

围压加载系统包括围压泵22，由控制阀门21控制。

混合气体加载系统主要包括依次连接的储气罐、混合气体缓冲容器14和缓和气体存储器18。储气罐为至少两个，图2中以三个储气罐1、2、3示例，储气罐1、2、3之间并联，且储气罐1、2、3中储存不同种类的混合气体；储气罐由控制阀门控制流通，同时其气体出口端均设置气体流量计和减压阀，如图2中，储气罐1、2、3分别配制有控制阀门4、5、6，气体流量计7、8、9，和减压阀10、11、12，通过流量计和控制阀门可监测控制出储气罐的气体组分和体积比例，从而可配制得到所需组分配比的混合气体。具体而言，控制阀门控制储气罐内的气体流通，经减压阀将减压后将单一气体或混合气体储存在混合气体缓冲容器14内。其中，减压阀最好为单向流量阀，使气体只能往下游流通，避免了气体回流到储气罐中。

混合气体缓冲容器14的气体进口端也可设置气体流量计13，实时监测控制混合气体缓冲容器中的气体进入量。混合气体缓冲容器14的气体出口端可设置去杂器15，用来去除混合气体中的杂质，来保证试验所用气体的纯净；出去杂器15的混合气体送入混合气体存储器18中，作为岩石渗流测试的气源备用。混合气体存储器18与去杂器15之间、与三轴压力室20之间分别通过控制阀门16、控制阀门19控制气体流通。

混合气体存储器18与去杂器15之间的管路上还可设置高精度压力表17，用于监测混合气体存储器18内气体的压力，即通过岩样底部的上游气体压力。

采用上述装置测试岩石渗流特性的方法为：

(1)初始状态下，所有控制阀门保持闭合，根据需要可分别打开控制阀门4、5、6获得混合气体，待气体混合状态稳定后，再关闭阀门4、5、6；接着打开控制阀门16，使配制好的混合气体流入混合气体存储器18中，以备试验使用。

(2)将岩样置于三轴压力室中，关闭混合气体加载系统的所有控制阀门，通过围压加载系统向压力室内施加围压至预设值；

(3)以配制好的混合气体为渗流气源，观察压力表数据，向三轴压力室内施加渗压至预设值，测量岩样的瞬时多气体渗透率；然后保持渗压不变，逐级提升围压应力加载水平，直至趋于岩样破坏的临界应力，然后逐级降低围压应力加载水平，直至围压降低为0；测量每个围压应力加载水平下岩样的瞬时多气体渗透率和流变多气体渗透率。

其中，岩样的瞬时多气体渗透率为围压加载到不同围压应力加载水平的初始时刻对应的岩样的气体渗透率，岩样的流变多气体渗透率为围压加载到不同围压应力加载水平并稳定后，每隔1天所测得的岩样的气体渗透率。

岩样的瞬时多气体渗透率及流变多气体渗透率可用准静态法测量，根据下式计算：

式中：

Q_mean为平均气体流动速率，且

其中，V₀为混合气体存储器体积，ΔP为通过岩样底部的上游端气压变化量，Δt为测量间隔的时间；

P_mean为通过岩样底部的平均上游气体压力，且P_mean＝P₁-ΔP/2，P₁为上游端进气压力；整个装置中各部件之间连接所用的气体管道体积较小，一般可忽略不计管道中的气体体积；

P₀为大气压，A为岩样的横截面积，L为岩样的长度；

μ为混合气体的粘性系数，根据混合气体中各组分气体粘性系数的加权值确定；以混合气体中包含x种气体组分计，μ＝n₁μ₁+n₂μ₂+n₃μ₃+…+n_xμ_x，n₁、n₂、n₃…n_x分别为各组分气体的流量占混合气体总流量的比例，满足n₁+n₂+n₃+…+n_x＝100％。以混合气体包含三种气体为例，μ＝n₁μ₁+n₂μ₂+n₃μ₃，n₁+n₂+n₃＝100％。

围压加载路径一般为每2～4天提升或降低一个围压应力加载水平，测量每个围压应力加载水平下流变多气体渗透率，但不能使试样产生加载破坏。一般情况下，可以先逐级提升围压应力加载水平，直至提升到岩样破坏应力的80％以上，再逐级降低围压应力加载水平直至0。

实施例

以某一水电站致密砂岩为例，采用本发明的装置测试其流变渗流特性，装置结构如图1；其中，储气罐1、2、3中分别为氦气、氩气、氮气，混合气体的组分配比为2:5:3。

(1)关闭所有控制阀门，可分别打开控制阀门4、5、6获得混合气体，待气体混合状态稳定后，再关闭阀门4、5、6；接着打开控制阀门16，使配制好的混合气体流入混合气体存储器18中，以备试验使用。

(2)将岩样置于三轴压力室中，关闭混合气体加载系统的所有控制阀门，通过围压加载系统向压力室内施加围压至预设值0.2σ；

(3)以配制好的混合气体为渗流气源，向三轴压力室内施加渗压至预设值，测量岩样的瞬时多气体渗透率；然后保持渗压不变，逐级提升围压应力加载水平，直至趋于岩样破坏的临界应力，然后逐级降低围压应力加载水平，测量每个围压应力加载水平下岩样的瞬时多气体渗透率和流变多气体渗透率。

下图2为岩石流变加载路径示意图，实验过程中，每次围压加载至新的应力加载水平后，测量岩样的瞬时多气体渗透率(1个瞬时测量点)；同时，围压加载路径为每3天提升一个围压应力加载水平，直至应力递增到岩石破坏应力的80％后，再每3天递减一个围压应力加载水平，直至围压降低为0，测量每个应力水平下岩样的流变多气体渗透率(每隔一天测量一次，每个应力水平下3个流变测量点)，测得围压加载过程中岩石的渗流特性变化数据。

其中，0.2σ和0.4σ加载应力水平下的瞬时多气体渗透率和流变多气体渗透率数据如图3，可以看到，在同一个围压应力加载水平条件下，瞬时多气体渗透率比流变多气体渗透率较大，且随着流变时间的增长，相应的流变多气体渗透率也有所减小；可见，如果单纯以瞬时渗透率评估岩石渗流特性是不准确的，通过瞬时渗透率+流变渗透率的双重观测才能更准确地反映岩石的实际渗流特性。

Claims (6)

1.一种利用岩石流变加载下多气体渗流测试装置测试岩石渗流特性的方法，其特征在于，所述岩石流变加载下多气体渗流测试装置包括三轴压力室以及分别与三轴压力室连通的围压加载系统和混合气体加载系统；所述混合气体加载系统包括分别盛放有不同种类气体的若干储气罐、混合气体缓冲容器和混合气体存储器，三者依次连接，其中，各储气罐之间并联，且每个储气罐的气体出口端均设有控制阀门、气体流量计和减压阀；所述混合气体缓冲容器的气体入口处设有气体流量计，且其与混合气体存储器的连接管路上设有压力表；

利用该装置测试岩石渗流特性的方法包括如下步骤：

(1)将岩样置于三轴压力室中，关闭混合气体加载系统的所有控制阀门，通过围压加载系统向压力室内施加围压至预设值；

(2)根据预设的混合气体组分配比，开启对应储气罐的控制阀门及气体流量计，气体经减压阀减压后按比例进入混合气体缓冲容器中混合，所得混合气体进入混合气体存储器内备用；

(3)以配制好的混合气体为渗流气源，观察压力表数据，向三轴压力室内施加渗压至预设值，测量岩样的瞬时多气体渗透率；

(4)保持渗压不变，逐级提升围压应力加载水平，直至趋于岩样破坏的临界应力，然后逐级降低围压应力加载水平，测量每个围压应力加载水平下岩样的瞬时多气体渗透率和流变多气体渗透率；

所述岩样的瞬时多气体渗透率为围压加载到不同围压应力加载水平的初始时刻对应的岩样气体渗透率，岩样的流变多气体渗透率为围压加载到不同围压应力加载水平并稳定后，每隔1天所测得的岩样气体渗透率；

所述岩样的瞬时多气体渗透率及流变多气体渗透率根据下式计算：

式中：

Q_mean为平均气体流动速率，且

其中，V₀为混合气体存储器体积，ΔP为通过岩样底部的上游端气压变化量，Δt为测量间隔的时间；

P_mean为通过岩样底部的平均上游气体压力，且P_mean＝P₁-ΔP/2，P₁为上游端进气压力；

P₀为大气压，A为岩样的横截面积，L为岩样的长度；

μ为混合气体的粘性系数，根据混合气体中各组分气体粘性系数的加权值确定；以混合气体中包含x种气体组分计，μ＝n₁μ₁+n₂μ₂+n₃μ₃+…+n_xμ_x，n₁、n₂、n₃…n_x分别为各组分气体的流量占混合气体总流量的比例，满足n₁+n₂+n₃+…+n_x＝100％。

2.根据权利要求1所述的利用岩石流变加载下多气体渗流测试装置测试岩石渗流特性的方法，其特征在于，所述围压加载系统包括围压泵，该围压泵与三轴压力室的连接通路上设有控制阀门。

3.根据权利要求1所述的利用岩石流变加载下多气体渗流测试装置测试岩石渗流特性的方法，其特征在于，所述混合气体存储器与三轴压力室的连接通路上设有控制阀门。

4.根据权利要求1所述的利用岩石流变加载下多气体渗流测试装置测试岩石渗流特性的方法，其特征在于，所述混合气体缓冲容器与混合气体存储器的连接管路上设置有用于去除混合气体中杂质的去杂器。

5.根据权利要求1所述的利用岩石流变加载下多气体渗流测试装置测试岩石渗流特性的方法，其特征在于，所述减压阀为单向流量阀。

6.根据权利要求1所述的利用岩石流变加载下多气体渗流测试装置测试岩石渗流特性的方法，其特征在于，步骤(4)中，先逐级提升围压应力加载水平，直至提升到岩样破坏应力的80％以上，再逐级降低围压应力加载水平。

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