CN113138153B - 一种岩样夹持器、岩石孔隙度测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩样夹持器、岩石孔隙度测量系统及方法。岩心夹持器具备双轴加压的功能，不仅能模拟地层压力环境，而且能随时监测声波、电阻、温度、形变等岩石参数，本发明公开的孔隙度测量系统及方法能够在恒温、双轴受力下，通过直接测量样品体积形变和液位变化，计算孔隙体积形变，从而确定孔隙度变化，测量过程可控、结果直观、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及岩石物理测量领域，特别是涉及一种岩样夹持器、岩石孔隙度测量系统及方法。
背景技术
目前测量岩石孔隙体积压缩系数通常有两种方法：第一种方法是首先根据实验要求建立上覆压力和孔隙压力，保持上覆压力不变逐点降低孔隙压力，使有效压力增加，造成孔隙体积减小；第二种方法是保持孔隙压力不变逐点增加上覆压力，使有效压力增加，造成孔隙体积减小。
现有的实验设备不具备双轴加压的功能，无法在双轴加压下获取岩样纵横波速度、电阻率、形变以及温度等参数的能力，也没有考虑环境温度变化对测量结果的影响。由于测量条件不可控、测量结果不准，导致地层条件下的孔隙度偏小、由此计算的可采储量偏低。在有些老油田，甚至出现实际原油采出量大于可采储量的现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种岩样夹持器、岩石孔隙度测量系统及方法，本发明提供的岩样夹持器具备双轴加压的功能，能够在双轴加压下获取岩样纵横波速度、电阻率、形变以及温度等岩石参数，通过直接测量样品体积形变和液位变化，计算孔隙体积形变，从而确定孔隙度变化，测量过程可控、结果直观、可靠。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种岩样夹持器，所述岩样夹持器包括：橡胶套、加压装置、快装探头、声-电传感器组、多芯接插件、位移传感器、流压管线以及围压管线；
所述橡胶套用于密封和绝缘岩样，所述加压装置设置在所述岩样的一端，所述快装探头设置在所述岩样的另一端，所述加压装置为流体的注入端，所述快装探头为流体的出口端；所述加压装置用于为岩样施加轴压以及泄压；所述声-电传感器组设置在所述加压装置以及所述快装探头靠近所述岩样的一端，用于监测岩样参数；所述声-电传感器组通过屏蔽线连接设置在所述加压装置以及快装探头尾部的多芯接插件；所述多芯接插件用于对岩样参数进行传输；所述位移传感器设置在所述橡胶套内以及加压装置上，用于检测岩样的体积形变量；所述流压管线一端通过所述声-电传感器组与岩样接触，所述流压管线的另一端外接孔隙压力模块；所述围压管线外接围压模块。
进一步地，所述加压装置包括：加压活塞、加力探头以及轴压管线；所述加压活塞设置所述岩样的一端，所述加力探头通过螺纹与所述加压活塞连接，所述轴压管线的一端与所述加压活塞连接，所述轴压管线的另一端外接轴压模块。
进一步地，还包括：橡胶套支撑环、橡胶套堵头以及橡胶套支撑架，所述橡胶套、所述橡胶套支撑环、所述橡胶套堵头以及所述橡胶套支撑架均安装在高压釜体中；所述橡胶套支撑环设置在所述橡胶套的两端，所述橡胶套堵头安装在所述橡胶套以及高压釜体的两端，所述橡胶套支撑架套设在所述橡胶套外侧；所述围压管线设置在所述高压釜体上，
进一步地，还包括：
带活塞缸的堵头，设置在所述高压釜体的一端，用于对所述橡胶套堵头进行密封。
进一步地，还包括：
快装堵头，设置在所述高压釜体的另一端，用于对所述橡胶套堵头进行密封以及用于固定所述快装探头。
进一步地，所述位移传感器包括径向位移传感器和轴向位移传感器，所述径向位移传感器设置在所述橡胶套内，所述轴向位移传感器设置在所述加力探头上。
进一步地，还包括高压接插件，与所述位移传感器连接，用于对岩样的形变量进行传输。
本发明还提供了一种岩石孔隙度测量系统，包括上述岩样夹持器，还包括：
压力提供装置，与所述岩样夹持器连接，用于向岩样施加并测量侧向压力、上覆压力以及孔隙压力；
压力源，用于提供可控的液压源；
压力分配控制器，分别与所述压力提供装置以及所述压力源连接，用于将所述压力源提供的液压源分配至所述压力提供装置；
计量管，与所述岩样夹持器连接，用于测量岩样排出的液体体积；
多参数测控柜，分别与所述计量管、所述岩样夹持器以及压力提供装置连接，用于采集所述液体体积、岩样体积形变量、岩样纵横波速度、岩样电阻率以及岩样室的温度以及用于控制所述压力提供装置；
计算机，与所述多参数控制柜连接，用于根据所述液体体积以及所述体积形变量计算岩样孔隙度，并实时记录测量过程中的环境参数、岩样参数；
恒温箱，用于放置所述岩样夹持器，提供恒温环境。
进一步地，所述压力提供装置包括：
轴压模块，与所述岩样夹持器连接，用于向岩样施加并测量侧向压力；
围压模块，与所述岩样夹持器连接，用于向岩样施加并测量上覆压力；
孔隙压力模块，与所述岩样夹持器连接，用于向岩样施加并测量孔隙压力；所述孔隙压力模块包括活塞式中间容器和压力传感器。
本发明还提供一种岩石孔隙度测量方法，所述测量方法应用于上述岩石孔隙度测量系统，所述方法包括：
制备岩样；
通过岩石孔隙度测量系统为岩样建立恒温恒压的初始条件；
测量初始条件下岩样的长度和直径；
确定不同埋深条件下的测量条件；
根据测量条件，通过所述岩石孔隙度测量系统调整岩样受到的压力；所述压力包括轴压、围压和孔隙压力；
测量岩样达到压力平衡时的岩样长度、直径以及岩石孔隙度测量系统中计量管的液位变化量；
根据初始条件下的岩样长度、直径以及岩样达到压力平衡时的岩样长度、直径计算岩样体积形变量；
根据所述体积形变量以及所述液位变化量计算岩样孔隙度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的岩样夹持器具备双轴加压的功能，不仅能模拟地层压力环境，而且能随时监测声波、电阻、温度、形变等岩石参数，本发明公开的孔隙度测量系统及方法能够在恒温、双轴受力下，通过直接测量样品体积形变和液位变化，计算孔隙体积形变，从而确定孔隙度变化，测量过程可控、结果直观、可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的岩样夹持器的结构示意图；
图2为岩石孔隙体积和受力模型；
图3为本发明实施例提供的岩石孔隙度测量系统的结构框图；
图4为双轴压力和孔隙压力下确定岩石动态弹性模量和孔隙度的测量结果示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，岩样夹持器包括：橡胶套12、加压装置、快装探头17、声-电传感器组2、多芯接插件7、位移传感器18、流压管线8以及围压管线14，还包括：橡胶套支撑环3、橡胶套堵头11以及橡胶套支撑架13。
所述橡胶套12用于密封和绝缘岩样1，橡胶套12由耐高温、耐油、绝缘材料组成，中间嵌装一个位移传感器18。橡胶套12与橡胶套支撑环3、橡胶套堵头11和橡胶套支撑架13一起，安装到高压釜体15中。橡胶套12既起到了对岩样绝缘、密封的作用，又起到了对岩样施加最高100MPa围压的作用。高压釜体15由高强度材料制成，在其上安装有围压管线14和高压接插件19。能承受100MPa围压，同时为夹持器中的各部件提供固定、支撑作用。
岩样1为饱和水的被测样品。通常为直径2.54cm或3.81cm、长度4-6cm的柱塞样。岩样被放置在橡胶套12中间，两端由快装探头17和加压装置封堵，岩样被密封在夹持器的橡胶套12中，保证样品中的水不会流失。
加压装置设置在所述岩样1的一端，所述快装探头17设置在所述岩样的另一端，所述加压装置为流体的注入端，所述快装探头为流体的出口端；所述加压装置用于为岩样施加轴压以及泄压。所述加压装置包括：加压活塞4、加力探头9以及轴压管线。
加压活塞4通过螺纹与加力探头9连接，给样品提供最大100MPa的轴压，轴压管线5一端与所述加压活塞4连接，所述轴压管线5的另一端外接轴压模块。轴压管线5是用于给岩样施加轴压和泄压的金属管线。
快装探头17最高能承受100MPa压力的轴压、其中的流体压力管线最高能承受80MPa压力。
声-电传感器组2是实现多参数实时测量和控制的功能部件。包括纵波换能器、横波换能器、温度传感器、四极法电极系、绝缘陶瓷、双通道流压管线。用特殊工艺和结构把这些元器件和材料集成在直径1.8cm空间内，并能在温度150℃、压力100MPa长期连续工作。声-电传感器组2分别安装在快装探头17和加力探头9的前端，用于监测岩样端面温度，提供流体通道、测量岩样纵波速度、横波速度、电阻，其电信号由高温屏蔽线连接到探头尾部的高温多芯接插件7上。
多芯接插件7由耐温150℃材料定制的7芯和9芯接插件。插座端由高温屏蔽线与声-电传感器组2连接，活动端由高温屏蔽线与图3中的多参数测控柜29连接。夹持器中所有的电信号经多芯接插件7传输到多参数测控柜29，多芯接插件7方便了探头的装卸、测量信号的传输。
所述位移传感器18设置在所述橡胶套12内以及加压装置上，用于检测岩样的体积形变量。夹持器中有两个位移传感器，嵌装在橡胶套12中的是径向位移传感器，安装在加力探头9上的是轴向位移传感器。分别测量岩样被加压过程中引起的径向形变ΔDi和轴向形变ΔLi。
所述流压管线8一端穿过所述声-电传感器组与岩样端面接触，所述流压管线8的另一端外接孔隙压力模块。所述流压管线8由两根金属管线组成，每根金属管线的一端焊接在声-电传感器2端面，直接与岩样1接触；另一端与绝缘短节6连接。用于排放岩样安装过程中的气体、更换进出端流体类型，用于增加和保持孔隙压力；排放孔隙流体和泄压。
所述围压管线14外接围压模块，与高压釜体15和绝缘短节6连接。
还包括：
带活塞缸的堵头10，设置在所述高压釜体15的一端，由油缸、密封圈和高压金属管线接头组成。安装在高压釜体15上，既起到对橡胶套堵头11的密封作用，又能给加力探头9提供轴压。加压活塞4安装在加压堵头10上。
快装堵头16，设置在所述高压釜15体的另一端，用于对所述橡胶套堵头11进行密封以及用于固定所述快装探头17，快装探头17插入快装堵头16中旋转90度就能起到固定快装探头。
高压接插件19，由绝缘材料、密封件和金属外壳定制而成，耐温150℃、耐压100MPa。由高温屏蔽线与橡胶套12上的位移传感器18连接，再由导线连接到图3中多参数测控柜29。
绝缘短节6，由耐压绝缘材料、密封件组成。安装在与夹持器21连接的所有金属管线之间，对夹持器21进行电隔离。
本发明公开的岩样夹持器具备双轴分别加压的功能，不仅能模拟地层压力环境，而且能随时监测声波、电阻、温度、形变等岩石参数。
如图3所示，本发明还提供了一种岩石孔隙度测量系统，包括上述岩样夹持器21，由于夹持器21和高压管线都是金属材料制成的，需要用绝缘短节6进行电隔离。夹持器的高压釜体15连接轴压模块22，带活塞缸的堵头连接围压模块23，在夹持器探头上的流压管线8连接孔隙压力模块24。所有测量信号通过多芯接插件7送到多参数测控柜29。岩样夹持器为岩样提供稳定的上覆地层压力Po、地层侧向压力Pl、孔隙压力Pp，同时监测各种的变化。
还包括：
压力提供装置，与所述岩样夹持器21连接，用于向岩样施加并测量侧向压力、上覆压力以及孔隙压力。所述压力提供装置包括：轴压模块22，与所述岩样夹持器21连接，用于向岩样施加并测量侧向压力；围压模块23，与所述岩样夹持器21连接，用于向岩样施加并测量上覆压力；孔隙压力模块24，与所述岩样夹持器21中的快装探头17和加力探头9连接，用于向岩样施加并测量孔隙压力。
轴压模块22与图1中的轴压管线5连接，流体注入到加压活塞4中给加力探头9施压，该压力作用在岩样两端，产生轴压。传感器上的电信号由屏蔽线连接到多参数测控柜29。在岩样两端施加和测量侧向压力Pl。
围压模块23与图1中的围压管线14连接，产生的压力施加到橡胶套外壁，橡胶套变形，将压力传递到岩样侧面和探头的外侧，形成围压。传感器上的电信号由屏蔽线连接到多参数测控柜29。在岩样周围施加和测量上覆压力Po。由于围压、轴压是两套独立系统，实现了对岩样的双轴加压。
孔隙压力模块24用回压阀保持孔隙压力，避免了用计量泵保持孔隙压力带来的误差。由金属管线将压力分配控制器26的油压连接到活塞式中间容器25的底部，产生的孔隙压力连接到图1探头的流压管线8，通过三通接头分配给压力传感器，传感器上的电信号由屏蔽线连接到多参数测控柜29。用于保持稳定的孔隙压力、同时测量样品进出端的压差。活塞式中间容器25由缸体、活塞、密封堵头、三通接头等组成，容积为1000ml，耐压80MPa。是孔隙压力模块中的一个组件。由于注入样品的流体通常是水，而压力泵使用的是液压油，需要通过活塞式中间容器将油水隔开，液体在高压情况下也是可以压缩的，1000ml容量能保持孔隙压力的稳定。
压力源27，用于提供可控的液压源；由高压手动泵或高压平流泵和增压缸组成，提供稳定可控的液压源，由金属管线与压力分配控制器26连接，再由压力分配控制器26给相应的压力模块供压、泄压。
压力分配控制器26，分别与所述压力提供装置以及所述压力源27连接，用于将所述压力源提供的液压源分配至所述压力提供装置。压力分配控制器26由阀体、密封圈、密封塞、顶针和手柄等组成。由金属管线与压力源27连接，选择相应的阀门给轴压、围压、孔隙压力和回压阀30提供压力源和泄压通道。便于共用一个压力源，分别控制和调节相应的压力。
回压阀30由阀体、平衡活塞、密封体、压力平衡调节旋钮、控制压力口、进压口、泄压口组成。由压力源27作为控制压力，夹持器出端压力作为回压阀进口，由传感器监测，当孔隙压力高于控制压力时，多余的压力通过密封体与平衡活塞之间的间隙泄出，挤出流体会导致孔隙压力下降，当接近控制压力时不再泄压，排出的流体被计量管31收集。当背景压力60MPa，最小开启压力大于控制压力0.2-0.5MPa。用于保持恒定、可控的孔隙压力。
计量管31，与所述岩样夹持器21连接，用于测量岩样排出的液体体积。由玻璃计量管、软管、液位传感器组成。由于液位变化量要参与运算，所以采用两种方式测量：玻璃管直接计量，其精度为0.01ml；压力传感器计量，其精度为0.005ml。准确计量岩样排出的液体体积直接关系到孔隙度的测量精度。计量管31进端由金属管线与回压阀30出液端连接，计量管底部液位传感器的电信号屏蔽线传输到多参数测控柜29。
多参数测控柜29，分别与所述计量管31、所述岩样夹持器21以及压力提供装置连接，用于采集所述液体体积、岩样体积形变量、岩样纵横波速度、岩样电阻率以及岩样室的温度以及用于控制所述压力提供装置。多参数测控柜29根据测量和控制声波、电阻、形变、压力、液位、温度等参数的要求，研制了相应的测量模块，为了避免声-电同时测量对信号的干扰，采用分时控制和测量。声波的发射脉冲幅度为800伏，脉冲宽度可调，纵波换能器主频800KHz、横波换能器主频500KHz；电阻用四级法测量岩样两端电阻；两个位移传感器分别测量岩样轴向和径向形变；温度传感器安装在距岩样端面5mm处，实时反映岩样温度。传感器与多参数测控柜之间由高温屏蔽线连接。采集的数据送到计算机32中。
计算机32，与所述多参数控制柜29连接，用于根据所述液体体积以及所述体积形变量计算岩样孔隙度，并实时记录测量过程中的环境参数、岩样参数。计算机32对本发明涉及到的各类压力进行实时监控、对过压和欠压进行提示和实时补偿，分时自动记录温度、压力、电阻、形变、纵横波速度。研制的专用软件实现了采样速率可调、测量过程和结果的快速直观显示，所有过程数据由数据库保存，能与数据库中的测井数据、其他实验数据进行实时分析对比，便于测量过程的质量控制和实验数据的应用。
恒温箱28，用于放置所述岩样夹持器21和中间容器25，提供恒温环境。恒温箱28由保温箱体、加温器件、温度传感器和控制面板组成。为了防止了岩样快速膨胀引起的孔隙结构变化采用阶梯式加温，保持温度恒定，减小测量误差。恒温箱是一个独立系统，只对安装在箱体内的金属管线、夹持器、中间容器、绝缘短接加热和恒温。图3中的粗实线表示恒温箱。
图3中细虚线是测量数据的信号线，连接各种传感器、多参数测控柜29和计算机32。图中细实线是由金属高压管线连接各个压力模块，管线中的压力值由相应的压力传感器传送到多参数测控柜29和计算机32。
根据上述系统能够在模拟地层温度、压力条件下的双轴压力确定岩石动态弹性模量和孔隙度。
本发明还提供了一种岩石孔隙度测量方法，所述测量方法上述岩石孔隙度测量系统，所述方法包括：
制备岩样。
通过岩石孔隙度测量系统为岩样建立恒温恒压的初始条件。
测量初始条件下岩样的长度和直径。
确定不同埋深条件下的测量条件。
根据测量条件，通过所述岩石孔隙度测量系统调整岩样受到的压力。
测量岩样达到压力平衡时的岩样长度、直径以及岩石孔隙度测量系统中计量管的液位变化量。
根据初始条件下的岩样长度、直径以及岩样受到的压力平衡时的岩样长度计算岩样体积形变量。
根据所述体积形变量以及所述液位变化量计算岩样孔隙度。
下面详细介绍本方法：
从岩样在地层条件下的宏观受力情况出发，定义了岩石孔隙体积和受力模型，见图2。
岩石孔隙度Φ定义为岩石孔隙体积Vp与总体积Vt之比。
总体积Vt由岩石骨架体积Vm和孔隙体积Vp两部分组成，也就是岩样外观体积，如果是规则岩样，可用卡尺量取尺寸计算总体积，或用浮力法测量岩样总体。孔隙体积Vp是指岩样中的裂隙、孔隙空间的总和。当岩样孔隙中饱和某种流体时，用称重法确定孔隙体积，或用波义耳定律计算孔隙体积。岩石骨架体积Vm指岩样中除了孔隙外的所有固体体积，包括颗粒体积Vg和填隙物体积Vf，岩石颗粒主要显现出刚性或弹性介质特征；填隙物主要是粘土矿物和胶结物，显现出粘弹介质特征，也是泥质砂岩经反复加压后，岩样尺寸和孔隙度都在变化的原因。
岩样在地层条件下受上覆压力Po、侧向压力Pl和孔隙压力Pp三个力的作用，尽管这三个大小不等，通常Po>Pl>Pp，但是整个地层处于压力平衡状态。上覆压力Po是指岩石在某一埋藏深度时承受的所有上部地层压力，由密度测井曲线积分得到或用平均密度估算。侧向压力Pl是指地层在水平方向所受的应力，一般小于上覆压力，由(2)式计算得到，当埋深超过3500米时要用应力-形变实验的经验公式确定Pl。
Pl＝Po*γ/(1-γ) (2)
式中：γ为泊松比，由(3)式确定。孔隙压力Pp是指地层中孔隙流体上承受的压力，通常等于或大于静水压力。岩石在地层条件下处于压力平衡状态，在宏观上岩石骨架受上覆压力、侧向压力和孔隙压力三个力的共同作用，尽管三个力不相等，剩余的力由骨架承受，使整个系统处于平衡状态。
通常在全直径岩样的径向上钻取直径2.54cm或3.81cm的柱塞样。双轴压力下就是在柱塞样上施加不同的围压和轴压，这时施加在柱塞样的围压就是上覆地层压力Po，轴压就是侧向压力Pl，通常围压大于轴压。岩样孔隙中的流体压力Pp由压力泵提供。这个三压力模块模拟了岩石在地下的受力情况。
因为岩石中填隙物是粘弹介质，岩样形变随着作用力大小和作用时间变化，而且这种变化是不可逆的，所以压力平衡是一个缓慢过程，通过监测岩样电阻、尺寸变化可以评价和显示粘弹特性。在三压力系统的作用下，将引起岩石孔隙结构、水膜分布的变化，可以通过测量岩样电阻反映这些细微变化，当间隔30分钟两个电阻值相对变化量小于0.1％认为压力达到平衡，可以进行下一步的测量。等待电阻平衡后才可以测量液位变化量ΔW1＝W1-W0，和两个方向的形变，算出岩样体积变化量ΔV1。
步骤S101是岩样制备：岩样制备详见GB/T29172-2012《岩心分析方法》要求执行。测量岩样长度L0、直径D0、计算外观总体积Vt0＝π*L0*(D0/2)2、测量干样气体孔渗和重量G1、测量饱和样重量G2和浸没水中重G3(浮力法)，确定岩样的含水孔隙度Φ0＝(G2-G1)/G3和含水孔隙体积Vp＝Φ0*Vt0。由于在双轴、高压下测量，对样品尺寸要求更高，建议样品直径为3.81cm、两个端面的长度误差小于0.05mm，孔隙体积在2ml以上。测量前岩样和地层水都已抽过真空。
步骤S102是建立恒温恒压初始条件：首先把饱和岩样安装在图2的夹持器中，由压力源27提供1-2MPa轴压，使快装探头、加力探头与岩样端面接触，打开压力分配控制器26中的围压控制阀，使围压等于轴压，调整轴围压等于2MPa，保证岩样被探头和橡胶套包裹密封，保持孔隙流体不变化。关闭轴围压控制阀。加温到指定温度(通常取50-80℃之间的某个值)，在升温过程中根据岩样孔渗随时调整轴围压，当测量条件趋于稳定后，打开压力分配控制器26中的孔隙流体加压阀，使活塞式中间容器25的水通过加力探头9上的流压管线8注入到岩样中，注入2-3倍含水孔隙体积Vp的水，排出样品安装中的气体(注意保持注入压力小于轴围压，对低渗样品可用抽真空排气方法)。关闭进端流压管线8，调整计量管中水位高度，使其略高于零刻度线，由于零刻度线与岩样中液位处于同一高度，避免计量管中液位过高给岩样产生反向孔隙压力，这时孔隙相对压力为零，同时也为计量管底部液位传感器提供初始值。如果监测电阻趋于稳定，认为已经建立好了稳定的初始测量条件，可以开始下一步的初始值测量。
步骤S103是测量初始值：为了保证测量精度，需要在恒温恒压条件下确定一个参考点，即i＝0的初始点(i表示整个测量过程中设计的压力点数)。由于轴围压2MPa仅起到对岩样的密封作用，还没有引起岩样的孔隙结构和体积形变，所以假设这时的岩样孔隙度等于常温常压含水孔隙度Φ0、岩样总体积等于常温常压的总体积Vt0，这种假设会带来一定误差，但可忽略。由于岩样是粘弹介质，压力平衡需要时间，这个过程的快慢取决于岩性、物性和泥质含量等因素。在Po、Pl、Pp三个压力作用下岩石孔隙结构、水膜分布将发生变化，可以通过测量岩样电阻反映这些细微变化，当间隔30分钟岩样电阻率的相对变化量小于0.1％认为压力达到平衡。随后轴、围压位移传感器清零，使其在后续加压过程中测量相对变化量。测量岩样纵、横波速度，由(3)式计算初始泊松比γ0和用(2)式计算下一个加压点的侧向压力。计算机测量系统自动记录纵横波速度、电阻、形变、温度、液位、岩样体积等参数的初始值。
步骤S104是确定不同埋深下的测量条件：根据埋深计算上覆地层压力(围压)Poi、再由上一个点的泊松比γi-1和这个点的上覆地层压力，用(2)式计算侧向压力(轴压)，计算静水压力作为孔隙压力Ppi，由压力源、压力分配控制器26、中间容器25和回压阀30分别建立Poi、Pli、Ppi三个压力系统，通常Poi>Pli>Ppi。为了确定该埋深下的液位初始值Wi，先确定压力值最小的Ppi，调节轴围压系统使Poi＝Pli＝Ppi，等压力平衡后计量管液位就是Wi。保持Ppi不变，增加Poi、Pli到各自的设计值，这时观察到Ppi上升，缓慢调节回压阀30上的控制旋钮，使上升的孔隙压力回到原来的值，增加的孔隙压力会通过回压阀释放掉，排出的流体进入到计量管，液位上升到Wi′，液位变化量ΔWi＝Wi′-Wi。
假设第一个点(i＝1)要模拟埋深M1＝1000米的压力条件，如果地层平均密度ρ为2.2g/cm3、γ0＝0.38，上覆地层压力Po1＝ρ*M1/100＝22MPa、侧压Pl1＝13.5MPa、孔隙压力Pp1＝10MPa。先调整回压阀的控制压力到10MPa，加轴围压也到10MPa，再加孔隙压力到10MPa，这时计量管液位为W1，继续把上覆压力加到22MPa、侧压加到13.5Mpa，实现双轴承压。这时增加的孔隙压力通过回压阀排出的流体进入到计量管，液位上升到W1′。如果轴围压不变，加孔隙压力可以观察到岩样电阻值下降；如果孔隙压力不变加轴压可以观察到岩样电阻值上升，再次证明岩样电阻值可以作为压力平衡与否的指示器。这时建立了第一个埋深点(i＝1)的压力条件，在Po、Pl、Pp三个压力作用下，等待电阻平衡，为下一步读取参数提供稳定的测量条件。
步骤S105是确定受压平衡后的岩样外观体积变化ΔVti和液位变化ΔWi：由于岩样电阻对孔隙结构变化比较灵敏，需要等待电阻值趋于稳定后，开始记录该压力条件下岩样的纵、横波速度，为下一个测量点提供泊松比。测量轴向形变(长度变化量)ΔLi和径向形变(直径变化量)ΔDi，由此算出柱塞样体积形变量ΔVti＝π*((L0-ΔLi)*((D0-ΔDi)/2)2-L0*(D0/2)2)，在计量管中读出液位变化量ΔWi＝Wi′-Wi。
步骤S106是计算受压下岩样孔隙度：由于岩样在三个压力作用下外观体积减小和孔隙结构发生变化导致孔隙体积减小，挤压孔隙中流体使其压力增大，回压阀前端的流体在岩样中是可压缩的，在建立压力平衡过程中高于“控制压力”的孔隙压力会经过“回压阀”释放掉，挤出的流体进入到计量管，由于计量管直通大气，在计量管中的流体是不可压缩的，引起的液位变化将被记录。由于无法直接测量岩样的孔隙形变，但是可以通过测量体积形变和液位变化间接反映孔隙形变，液位变化综合反映了孔隙体积变化和骨架形变，其变化量是孔隙体积形变和骨架体积形变之和，见(4)式：
ΔWi＝ΔVpi+ΔVti (4)
由孔隙度定义得到某个压力点的孔隙度变化量ΔΦi，见(5)式。
ΔΦi＝ΔVpi/ΔWi＝1-ΔVti/ΔWi (5)
由(6)式计算当前双轴压力下的岩石孔隙度Φfi：
Φfi＝Φi-1-ΔΦi＝Φi-1-(1-ΔVti/ΔWi) (6)
式中ΔWi由计量管确定，ΔVti由两个位移传感器确定，Φi-1是上一个压力点的孔隙度。符号中的下角i表示了测量点的序号，如果地层埋深为5000米，深度每增加1000米测量一次孔隙度，需要测量六次，i＝0-5。
由(6)式计算当前压力条件下的孔隙度将作为下个点的初始孔隙度值。
步骤S107是判断是否达到预期的压力：如果没有达到设计的埋深，需要继续重复步骤S104，当前点的泊松比是下个点计算轴压的依据；当前点的孔隙度又要用到上个点的孔隙度。整个测量过程就是一个迭代过程，相互影响、相互制约。
为了实现上述目的，根据本发明实施例的另一方面，提供了双轴压力下确定岩石动态弹性模量和孔隙度的测量结果，见图4。被测岩样是直径2.51cm长度5.2cm的砂岩，其含水孔隙度14.1％，孔隙体积3.63ml。设计了上覆压力每增加5MPa左右测量一次孔隙度(i＝0-8)，直至上覆压力达到40MPa(约埋深1800米)，按设计要求计算每个压力点的Poi、Pli和Ppi值，本次实验恒温在60℃。一旦按上述方法和操作流程开始测量，计算机检测系统将实时记录所有参数的变化过程，为数据分析、质量控制提供原始数据，并自动绘制图4的三维曲线图，图4(a)是泊松比与双轴压力关系曲线，随着上覆压力和侧向压力的增加泊松比减小，当岩样埋深超过2000米时不能用(2)式计算侧向压力，要用应力-形变实验得到的经验公式计算。图4(b)是孔隙度与双轴压力变化曲线，随着上覆压力和侧向压力的增加岩石孔隙度减小。通过平行样品对比测试表明，本发明测定的孔隙度变化量比SY/T 5815-2016《岩石孔隙体积压缩系数测定方法》和SY/T 6358-2016《覆压下岩石孔隙度和渗透率测定方法》的要小。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下特点：
(1)本发明摒弃了岩石骨架是弹性介质的假设，认为岩石是粘弹介质，更符合岩石实际情况。
(2)本发明是在岩石侧向压力与上覆压力不等的前提下，给出了两者之间的应力关系和近似算法。模拟了岩石真实的受力条件。
(3)本发明的回压阀控制测量技术，为实现稳定、可控的孔隙压力提供手段。
(4)本发明的岩样电阻平面四级法测量技术，消除了长时间测量电极极化的影响，提高了电阻测量的灵敏度。
(5)本发明的计量管长时间微流量检测技术，其分辨率为0.005ml，补偿了测量过程中气泡和温度的影响，在准确计算岩样排出流体体积的同时实现了计量的自动化。
(6)本发明摒弃了孔隙体积压缩系数的概念和用计量泵保持孔隙压力并测量从岩石中排出流体体积的方法。通过直接测量样品体积形变和液位变化，计算孔隙体积形变，从而确定孔隙度变化。测量过程可控、结果直观、可靠。
(7)本发明只改变压力、不改变其它条件实现了不同埋深下的孔隙度测量。同时检测的岩样纵横波速度、电阻率、双方向形变等参数为实验数据间的质量控制、相互印证提供了手段。
(8)本发明提出了恒温测量孔隙度的理念并赋予实施，减小了环境温度对孔隙度测量值的影响。
(9)本发明提供和实施了用电阻监测压力平衡的方法和设备，使测量条件可控、精度提高。
(10)本发明在恒温、双轴受力下，测量的岩石孔隙度精度远大于SY/T5815-2016规定的精度。用本方法反复测量同一块岩样能观察到岩石粘弹介质的特性，为储层改造(酸化、压裂)提供了实验依据。本方法不仅适合高孔高渗岩样，而且适合低孔低渗的非常规储层岩样。
(11)本发明的测量周期长、操作繁琐。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种岩样夹持器，其特征在于，所述岩样夹持器包括：橡胶套、加压装置、快装探头、声-电传感器组、多芯接插件、位移传感器、流压管线以及围压管线；
所述橡胶套用于密封和绝缘岩样，所述加压装置设置在所述岩样的一端，所述快装探头设置在所述岩样的另一端，所述加压装置为流体的注入端，所述快装探头为流体的出口端；所述加压装置用于为岩样施加轴压以及泄压；所述声-电传感器组设置在所述加压装置以及所述快装探头靠近所述岩样的一端，用于监测岩样参数；所述声-电传感器组通过屏蔽线连接设置在所述加压装置以及快装探头尾部的多芯接插件；所述多芯接插件用于对岩样参数进行传输；所述位移传感器设置在所述橡胶套内以及加压装置上，用于检测岩样的体积形变量；所述流压管线一端通过所述声-电传感器组与岩样接触，所述流压管线的另一端外接孔隙压力模块；所述围压管线外接围压模块；
所述加压装置包括：加压活塞、加力探头以及轴压管线；所述加压活塞设置所述岩样的一端，所述加力探头通过螺纹与所述加压活塞连接，所述轴压管线的一端与所述加压活塞连接，所述轴压管线的另一端外接轴压模块；
所述岩样夹持器还包括：橡胶套支撑环、橡胶套堵头以及橡胶套支撑架，所述橡胶套、所述橡胶套支撑环、所述橡胶套堵头以及所述橡胶套支撑架均安装在高压釜体中；所述橡胶套支撑环设置在所述橡胶套的两端，所述橡胶套堵头安装在所述橡胶套以及高压釜体的两端，所述橡胶套支撑架套设在所述橡胶套外侧；所述围压管线设置在所述高压釜体上。
2.根据权利要求1所述的一种岩样夹持器，其特征在于，还包括：
带活塞缸的堵头，设置在所述高压釜体的一端，用于对所述橡胶套堵头进行密封。
3.根据权利要求1所述的一种岩样夹持器，其特征在于，还包括：
快装堵头，设置在所述高压釜体的另一端，用于对所述橡胶套堵头进行密封以及用于固定所述快装探头。
4.根据权利要求1所述的一种岩样夹持器，其特征在于，所述位移传感器包括径向位移传感器和轴向位移传感器，所述径向位移传感器设置在所述橡胶套内，所述轴向位移传感器设置在所述加力探头上。
5.根据权利要求1所述的一种岩样夹持器，其特征在于，还包括高压接插件，与所述位移传感器连接，用于对岩样的形变量进行传输。
6.一种岩石孔隙度测量系统，其特征在于，包括权利要求1-5任意一项所述的岩样夹持器，还包括：
压力提供装置，与所述岩样夹持器连接，用于向岩样施加并测量侧向压力、上覆压力以及孔隙压力；
压力源，用于提供可控的液压源；
压力分配控制器，分别与所述压力提供装置以及所述压力源连接，用于将所述压力源提供的液压源分配至所述压力提供装置；
计量管，与所述岩样夹持器连接，用于测量岩样排出的液体体积；
多参数测控柜，分别与所述计量管、所述岩样夹持器以及压力提供装置连接，用于采集所述液体体积、岩样体积形变量、岩样纵横波速度、岩样电阻率以及岩样室的温度以及用于控制所述压力提供装置；
计算机，与所述多参数测控柜连接，用于根据所述液体体积以及所述体积形变量计算岩样孔隙度，并实时记录测量过程中的环境参数、岩样参数；
恒温箱，用于放置所述岩样夹持器，提供恒温环境。
7.根据权利要求6所述的岩石孔隙度测量系统，其特征在于，所述压力提供装置包括：
轴压模块，与所述岩样夹持器连接，用于向岩样施加并测量侧向压力；
围压模块，与所述岩样夹持器连接，用于向岩样施加并测量上覆压力；
孔隙压力模块，与所述岩样夹持器连接，用于向岩样施加并测量孔隙压力；所述孔隙压力模块包括活塞式中间容器和压力传感器。
8.一种岩石孔隙度测量方法，所述测量方法应用于权利要求6或者7所述的岩石孔隙度测量系统，所述方法包括：
制备岩样；
通过岩石孔隙度测量系统为岩样建立恒温恒压的初始条件；
测量初始条件下岩样长度和直径；
确定不同埋深条件下的测量条件；
根据测量条件，通过所述岩石孔隙度测量系统调整岩样受到的压力；
测量岩样受到的压力平衡时的岩样长度、直径以及岩石孔隙度测量系统中计量管的液位变化量；
根据初始条件下的岩样长度、直径以及岩样受到的压力平衡时的岩样长度计算岩样体积形变量；
根据所述体积形变量以及所述液位变化量计算岩样孔隙度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |