CN112304841B - 一种岩石孔隙结构仿真测试系统及模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石孔隙结构仿真测试系统及模拟试验方法，涉及岩石力学技术领域，解决了不规则岩石孔隙结构的压力振荡、压力轨迹和压力校准的仿真模拟。该系统包括真空泵、岩心室、汞杯、补汞阀、压差传感器、酒精容器和数字高压泵，系统各个部分通过管路连接后，结合计算机进行仿真模拟试验。试验的过程包括，选取不规则岩石孔隙岩心，岩心室抽真空，岩心室内充汞，并调整汞杯的高度，调节各个管路阀门开闭；进行进汞和退汞试验，分别达到最高设定压力和最低设定压力，试验结束后取出仿真岩心。仿真测试系统的操作的安全性高，结构简单，可以用于教学；利用该方法进行模拟试验获取不规则岩心的试验数据更加简便，并方便了数据的处理。

Description

一种岩石孔隙结构仿真测试系统及模拟试验方法

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是一种岩石孔隙结构仿真测试系统及模拟试验方法。

背景技术

岩石孔隙结构实验测试是油气开发领域非常重要的实验测试项目，现今已普遍应用于科研研究，对油气田开发有很好的指导作用。相同实验原理的孔隙结构测试仪器使用的实验介质是金属汞，属于有毒物质，实验过程存在一定的危险性，所以操作过程对实验人员有一定的专业要求，对操作者的要求较高。由于岩石孔隙结构仿真测试系统本身存在一定的安全问题，所以在教学过程中很少通过实验操作进行教学，结合岩石孔隙结构仿真测试系统和计算机设备，设计一种岩石孔隙结构的模拟试验系统，从而可以应用于教学过程，减少试验过程的危险性，并且方便数据的处理。

发明内容

为了实现不规则岩石孔隙结构的压力振荡、压力轨迹和压力校准的仿真模拟，提升仿真试验操作的安全性，更加简便的获取不规则岩心的试验数据，并对数据进行处理，本发明提供了一种岩石孔隙结构仿真测试系统及模拟试验方法，具体的技术方案如下。

一种岩石孔隙结构仿真测试系统，包括真空泵、岩心室、汞杯、补汞阀、压差传感器、酒精容器和数字高压泵，仿真岩心试件放置在岩心室内；所述真空泵通过管路与岩心室相连，真空泵和岩心室之间的管路上设置有抽空阀，真空泵的出口管路上设置有真空表，真空表和抽空阀之间通过三通阀与放空阀相连；所述汞杯通过管路和岩心室的相连，汞杯的出口管路上设置有补汞阀，补汞阀和岩心室之间设置有岩心室阀；所述数字高压泵从出口管路依次和酒精容器、汞压力表、隔离阀及压差传感器相连，压差传感器的出口管路和校正阀管路通过三通阀相连，校正阀管路通过三通阀接入岩心室阀和补汞阀之间的管路。

优选的是，仿真岩心试件为标准圆柱体试件，仿真岩心试件内存在孔隙。

优选的是，仿真岩心试件通过3D打印制作，仿真岩心试件内部嵌入数字芯片，记录岩心参数。

优选的是，补汞阀、抽空阀、放空阀、补汞阀、岩心室阀、隔离阀和校正阀均为数字仿真阀门，根据阀门的开度输出4-20mA的电信号I。

一种岩石孔隙结构仿真模拟试验方法，利用上述的一种岩石孔隙结构仿真测试系统进行试验，步骤包括：

A.选取不规则岩石的孔隙岩心，测量确定岩心的密度和质量，并计算确定仿真岩心体积；

B.将仿真岩心试件放入岩心室，关闭岩心室阀，打开抽空阀，关闭放空阀，打开真空泵运行15-20分钟；

C.向岩心室充汞，打开岩心室阀和补汞阀，调整汞杯的高度，使汞杯与抽空阀高度差H等于760mm；再调整汞杯高度至压差传感器输出为28-35cm；关闭抽空阀和真空泵，打开放空阀，关闭补汞阀；

D.进行进汞试验和退汞试验；

E.结束试验，打开数字高压泵，关闭隔离阀，打开补汞阀和抽空阀，取出岩心室内的仿真岩心试件。

还优选的是，进汞试验和退汞试验的操作步骤包括：关闭数字进液阀，数字高压泵使其进汞压力为0；数字高压泵按照设定压力范围逐级进泵，稳定后记录进汞压力和压差传感器的汞柱测量高度，直至压差传感器的汞柱测量达到最大的设定压力；按照设定压力逐级退泵，稳定后记录进汞压力和压差传感器的汞柱测量高度，直至压差传感器的汞柱测量达到最小的设定压力。

还优选的是，汞在进入岩心试件后，岩心试件内存在不规则的孔隙，汞的压力会振荡变小或振荡变大。

进一步优选的是，利用计算机模拟进汞试验中压力的振荡，退汞压力的变化幅度P_si与进汞试验中当前压力点P_i-1的压力值和最大设定压力P_i的压力值相关，具体是

利用计算机模拟退汞试验中压力的振荡，进汞压力的变化幅度P’_si与退汞试验中当前压力点P’_i-1的压力值和最小设定压力P’_i的压力值相关，具体是

其中t为振荡时间。

进一步优选的是，进汞试验、退汞试验中岩心室的有效体积随压力变化，

进汞量的压力校准方程为：

V_si＝ρ_Hg*g*(1.4519ln(P_i))+11.516，

退汞量的压力校准方程为：

V’_si＝ρ_Hg*g*(0.00973P’_i-0.355)，

其中ρ_Hg为汞的密度，g为重力加速度，V_si为进汞量，V′_si为退汞量。

进一步优选的是，利用计算机模拟进汞试验、退汞试验中数字高压泵的进泵和退泵过程，数字高压泵的输出压力满足以下方程，

其中P_hi为数字高压泵的模拟输出压力，I_hi为隔离阀的模拟输出电信号。

本发明提供的一种岩石孔隙结构仿真测试系统及模拟试验方法有益效果是：通过岩石孔隙结构仿真测试系统各个组成部分及调节阀等结构组合的优化，结合计算机模拟可以安全的进行仿真测试，从而可以用于教学试验；利用岩石孔隙结构仿真模拟试验方法可以获取不规则岩心的试验数据，并对试验数据进行处理。

附图说明

图1是岩石孔隙结构仿真测试系统结构示意图；

图中：1-真空泵，2-岩心室，3-汞杯，4-补汞阀，5-压差传感器，6-酒精容器，7-数字高压泵，8-岩心室阀，9-汞压力表，10-隔离阀，11-抽空阀，12-放空阀，13-真空表，14-接入阀，15-校正阀。

具体实施方式

结合图1所示，对本发明提供的一种岩石孔隙结构仿真测试系统及模拟试验方法具体实施方式进行说明。

一种岩石孔隙结构仿真测试系统具体结构包括真空泵、岩心室、汞杯、补汞阀、压差传感器、酒精容器和数字高压泵，用于进行不规则岩石孔隙结构的压力振荡、压力轨迹和压力校准的仿真模拟测试。仿真岩心试件放置在岩心室内，真空泵通过管路与岩心室相连，真空泵和岩心室之间的管路上设置有抽空阀，真空泵的出口管路上设置有真空表，真空表和抽空阀之间通过三通阀与放空阀相连。汞杯通过管路和岩心室的相连，汞杯的出口管路上设置有补汞阀，补汞阀和岩心室之间设置有岩心室阀。数字高压泵从出口管路依次和酒精容器、汞压力表、隔离阀及压差传感器相连，压差传感器的出口管路和校正阀管路通过三通阀相连，校正阀管路通过三通阀接入岩心室阀和补汞阀之间的管路；酒精容器通过接入阀和数字高压泵的出口管路相连。岩石孔隙结构仿真测试系统中各个部件和结构均可以设置在试验箱体内部，通过试验箱体上的图案和操作按钮进行试验，其中真空泵的开关，以及补汞阀、抽空阀、放空阀、补汞阀、岩心室阀等各个阀门的开关均设置在箱体表面，真空表和汞压力表以及压差传感器的监测参数均在箱体表面显示。

其中，仿真岩心试件为标准圆柱体试件，仿真岩心试件内存在孔隙。仿真岩心试件通过3D打印制作，仿真岩心试件内部嵌入数字芯片，记录岩心参数。在常规的压汞实验过程中，要求采用标准圆柱体，岩石孔隙结构仿真测试系统可以设置规则与不规则等2种岩石孔隙模型，即规则仿真数字岩心、不规则仿真数字岩心。仿真数字岩心按照一定渗透率和孔隙度结构模型设计，由三维绘图建模，经3D打印制作而成。仿真数字岩心内部嵌入数字芯片，记录岩心参数信息。

该测试系统中补汞阀、抽空阀、放空阀、补汞阀、岩心室阀、隔离阀和校正阀均为数字仿真阀门，根据阀门的开度输出4-20mA的电信号I。数字仿真阀能够根据阀门开度大小线性输出4-20mA信号，针对输出信号值得大小判断阀门开关情况。阀门开关的识别公式为：

一种岩石孔隙结构仿真模拟试验方法，利用上述的一种岩石孔隙结构仿真测试系统进行试验，步骤包括：

A.选取不规则岩石的孔隙岩心，测量确定岩心的密度和质量，并计算确定仿真岩心体积。

其中，已知仿真岩心的密度为ρ₀，称重获取质量m₀，通过公式计算骨架体积

B.将仿真岩心试件放入岩心室，关闭岩心室阀，打开抽空阀，关闭放空阀，打开真空泵运行15-20分钟。

C.向岩心室充汞，打开岩心室阀和补汞阀，调整汞杯的高度，使汞杯与抽空阀高度差H等于760mm；再调整汞杯高度至压差传感器输出为28-35cm；关闭抽空阀和真空泵，打开放空阀，关闭补汞阀。

D.进行进汞试验和退汞试验；进汞试验和退汞试验的操作步骤包括：关闭数字进液阀，数字高压泵使其进汞压力为0；数字高压泵按照设定压力范围逐级进泵，稳定后记录进汞压力和压差传感器的汞柱测量高度，直至压差传感器的汞柱测量达到最大的设定压力；按照设定压力逐级退泵，稳定后记录进汞压力和压差传感器的汞柱测量高度，直至压差传感器的汞柱测量达到最小的设定压力。

E.结束试验，打开数字高压泵，关闭隔离阀，打开补汞阀和抽空阀，取出岩心室内的仿真岩心试件。

汞在进入岩心试件后，岩心试件内存在不规则的孔隙，汞的压力会振荡变小或振荡变大。高压汞在进入不规则岩心后，由于岩石内空隙的存在，压力存在振荡变小或变大的过程；压力振荡的幅度存在两个过程，即进汞振荡过程和退汞振荡过程。

利用计算机模拟进汞试验中压力的振荡，退汞压力的变化幅度P_si与进汞试验中当前压力点P_i-1的压力值和最大设定压力P_i的压力值相关，具体是

利用计算机模拟退汞试验中压力的振荡，进汞压力的变化幅度P’_si与退汞试验中当前压力点P’_i-1的压力值和最小设定压力P’_i的压力值相关，具体是

其中t为振荡时间。

进汞试验、退汞试验中岩心室的有效体积随压力变化，实验中注入汞的量越大，岩心室的密闭空间的压力变化越大；但一部分注入汞进入孔隙Vp，而另一部分补充了密闭空间的体积膨胀Vb。实验中有效体积为Vr＝Vp-Vb，而有效体积Vr随着压力的变化而变化，本系统设计了压力校准方程，用以模拟实验中进汞量变化。

进汞量的压力校准方程为：

V_si＝ρ_Hg*g*(1.4519ln(P_i))+11.516，

退汞量的压力校准方程为：

V’_si＝ρ_Hg*g*(0.00973P’_i-0.355)，

其中ρ_Hg为汞的密度，g为重力加速度，V_si为进汞量，ml，V’_si为退汞量，ml。

利用计算机模拟进汞试验、退汞试验中数字高压泵的进泵和退泵过程，数字高压泵的输出压力满足以下方程，在高压(大于1MPa)条件下，

其中P_hi为数字高压泵的模拟输出压力，I_hi为隔离阀的模拟输出电信号。

如果是在常规压力下，数字高压泵的输出压力满足以下方程，

其中P_ni为数字高压泵的常规模拟输出压力，I_hi为常规压力下隔离阀的模拟输出电信号。

该岩石孔隙结构仿真测试系统各个组成部分及调节阀等结构组合的优化，结合计算机模拟可以安全的进行仿真测试，从而可以用于教学试验；利用岩石孔隙结构仿真模拟试验方法可以获取不规则岩心的试验数据，并对试验数据进行处理。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种岩石孔隙结构仿真模拟试验方法，利用一种岩石孔隙结构仿真测试系统进行试验，包括真空泵、岩心室、汞杯、补汞阀、压差传感器、酒精容器和数字高压泵，仿真岩心试件放置在岩心室内；所述真空泵通过管路与岩心室相连，真空泵和岩心室之间的管路上设置有抽空阀，真空泵的出口管路上设置有真空表，真空表和抽空阀之间通过三通阀与放空阀相连；所述汞杯通过管路和岩心室的相连，汞杯的出口管路上设置有补汞阀，补汞阀和岩心室之间设置有岩心室阀；所述数字高压泵从出口管路依次和酒精容器、汞压力表、隔离阀及压差传感器相连，压差传感器的出口管路和校正阀管路通过三通阀相连，校正阀管路通过三通阀接入岩心室阀和补汞阀之间的管路；所述仿真岩心试件为标准圆柱体试件，仿真岩心试件内存在孔隙；所述仿真岩心试件通过3D打印制作，仿真岩心试件内部嵌入数字芯片，记录岩心参数；所述补汞阀、抽空阀、放空阀、补汞阀、岩心室阀、隔离阀和校正阀均为数字仿真阀门，根据阀门的开度输出4-20mA的电信号I；步骤包括：

A.选取不规则岩石的孔隙岩心，测量确定岩心的密度和质量，并计算确定仿真岩心体积；

B.将仿真岩心试件放入岩心室，关闭岩心室阀，打开抽空阀，关闭放空阀，打开真空泵运行15-20分钟；

C.向岩心室充汞，打开岩心室阀和补汞阀，调整汞杯的高度，使汞杯与抽空阀高度差H等于760mm；再调整汞杯高度至压差传感器输出为28-35cm；关闭抽空阀和真空泵，打开放空阀，关闭补汞阀；

D.进行进汞试验和退汞试验；

E.结束试验，打开数字高压泵，关闭隔离阀，打开补汞阀和抽空阀，取出岩心室内的仿真岩心试件；

利用计算机模拟进汞试验中压力的振荡，退汞压力的变化幅度P_si与进汞试验中当前压力点P_i-1的压力值和最大设定压力P_i的压力值相关，具体是

利用计算机模拟退汞试验中压力的振荡，进汞压力的变化幅度P_s'_i与退汞试验中当前压力点P_i'_-1的压力值和最小设定压力P_i'的压力值相关，具体是

其中t为振荡时间。

2.根据权利要求1所述的一种岩石孔隙结构仿真模拟试验方法，其特征在于，所述进汞试验和退汞试验的操作步骤包括：关闭数字进液阀，数字高压泵使其进汞压力为0；数字高压泵按照设定压力范围逐级进泵，稳定后记录进汞压力和压差传感器的汞柱测量高度，直至压差传感器的汞柱测量达到最大的设定压力；按照设定压力逐级退泵，稳定后记录进汞压力和压差传感器的汞柱测量高度，直至压差传感器的汞柱测量达到最小的设定压力。

3.根据权利要求1所述的一种岩石孔隙结构仿真模拟试验方法，其特征在于，所述汞在进入岩心试件后，岩心试件内存在不规则的孔隙，汞的压力会振荡变小或振荡变大。

4.根据权利要求1所述的一种岩石孔隙结构仿真模拟试验方法，其特征在于，所述进汞试验、退汞试验中岩心室的有效体积随压力变化，

进汞量的压力校准方程为：

V_si＝ρ_Hg*g*(1.4519ln(P_i))+11.516，

退汞量的压力校准方程为：

V_s'_i＝ρ_Hg*g*(0.00973P_i'-0.355)，

其中ρ_Hg为汞的密度，g为重力加速度，V_si为进汞量，V_s'_i为退汞量。

5.根据权利要求1所述的一种岩石孔隙结构仿真模拟试验方法，其特征在于，利用计算机模拟进汞试验、退汞试验中数字高压泵的进泵和退泵过程，数字高压泵的输出压力满足以下方程，

其中P_hi为数字高压泵的模拟输出压力，I_hi为隔离阀的模拟输出电信号。

Images