基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置及方法
2023-11-30 03:00:56
基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置及方法，該裝置包括通過連通管路相連通的壓力室（1）、氣壓加載系統（2）、圍壓加載系統（3）、待測低滲巖石（4）、高精度壓力計（5）；所述待測低滲巖石（4）放置在壓力室（1）內；所述氣壓加載系統（2）向待測低滲巖石（4）的上下表面加載氣壓；所述高精度壓力計（5）用於測量連通管路內的氣壓；所述圍壓加載系統（3）向待測低滲巖石（4）的四周加載圍壓。本發明的方法是通過氣壓加載後高精度壓力計測量的惰性氣體壓力變化，推求不同圍壓下巖樣的有效孔隙度。本發明具有裝置操作簡單、試驗測量的圍壓範圍廣、測試精度高、試驗周期短、最終成果轉化容易的優點。
【專利說明】基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]低滲巖石是進行地下石油和天然氣儲存、C02儲存、頁巖氣儲存、核廢料處置的主要介質和地質環境，也是水利水電、礦山和隧道等工程建設中常見的一種複雜介質。低滲巖石有效孔隙度的大小直接決定了巖石的結構和滲透性能，因而對其的準確測量對研究巖石結構和滲透性能至關重要。
[0003]目前，有效孔隙度的測量方法通常有三種:實驗室方法、各種井下測試技術為基礎的間接方法，如氣體孔隙率儀，核磁共振井技術等，還可利用圖像處理技術，結合電鏡掃描圖片得到巖樣切片的面孔隙度。這些方法都有各自的應用範圍和優缺點，而且這些方法主要是針對滲透性較高的巖石進行的。對滲透率低的低滲巖石，還缺少更加精確和簡單的測試裝置和方法。
[0004]巖石材料有效孔隙度的測試方法主要有液體測量法和氣體測量法。液體飽和測量法基於阿基米德原理，氣體測量法基於玻意耳定理。採用液體進行測量，其設備簡單、成本低，但存在的問題是:低滲的巖心樣品很難飽和進液體，如採用高壓飽和法，對樣品會造成一定的傷害，不利於科學分析。採用氣體進行測量，其誤差比較大，尤其是特低滲巖心的孔隙度本身就小，即使1%。的測量誤差，對比較規則的樣品也會導致測試結果的偏差在10%以上，不規則、有缺陷的樣品偏差就更大。。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置及方法，克服以往測量孔隙度誤差大、結果不穩定等問題。
[0006]本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案:
一種基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置，包括待測低滲巖石和通過連通管路相依次連通的氣壓加載系統、高精度壓力計、壓力室、圍壓加載系統；其中，所述連通管路包括連接管路、第一至第五閥門以及與外界大氣壓連通的腔體；所述待測低滲巖石放置在壓力室內；所述氣壓加載系統向待測低滲巖石的上下表面加載氣壓；所述高精度壓力計用於測量連通管路內的氣壓；所述圍壓加載系統向待測低滲巖石的四周加載圍壓；所述第一閥門設置在氣壓加載系統和腔體之間的連接管路上；所述第二閥門設置在腔體上，用於控制腔體與外界大氣壓的通斷；所述第三閥門設置在腔體與高精度壓力計之間的連接管路上；所述第四、第五閥門分別設置在連通壓力室上下部的連接管路上。
[0007]所述氣壓加載系統包括惰性氣體氣源、氣壓控制裝置；所述氣壓控制裝置用於控制輸出氣壓；所述惰性氣體氣源提供的惰性氣體為氬氣。
[0008]一種基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置進行測量的方法，包括以下步驟:步驟1:選取天然低滲巖石試樣，將巖石試樣加工成圓柱形狀，測量其直徑和高度，通過計算得到巖石試樣的體積K;
步驟2:將巖石試樣用高性能橡膠套裝好後，放入壓力室中，並調整巖石試樣位置使之平衡；
步驟3:打開圍壓控制裝置向巖石試樣施加圍壓至預定值後關閉，使圍壓持續穩定在預定值；
步驟4:關閉第一閥門，打開第二至第五閥門使所有管路與外界大氣相通，放置一段時間待儀器內部的氣體排放乾淨，並將高精度壓力計校正為O ;
步驟5:關閉第二、第四、第五閥門，打開第一、第三閥門，打開氣壓加載系統向管路施加氣壓；
步驟6:關閉第一、第三閥門，待高精度壓力計讀數穩定後，記錄讀數Λ ；
步驟7:打開第四、第五閥門，使得氣體從管道內向巖體內擴散，待高精度壓力計讀數穩定後，記錄讀數Λ ；
步驟8:重複步驟4~步驟7，進行不同圍壓條件下的氣體實驗，記錄實驗數據；
步驟9:通過下列公式計算巖石試樣在不同圍壓下的有效孔隙度:
【權利要求】
1.一種基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置，其特徵在於:該裝置包括待測低滲巖石(4)和通過連通管路相依次連通的氣壓加載系統(2)、高精度壓力計(5)、壓力室(I)、圍壓加載系統(3);其中，所述連通管路包括連接管路、第一至第五閥門以及與外界大氣壓連通的腔體；所述待測低滲巖石(4)放置在壓力室(I)內；所述氣壓加載系統(2)向待測低滲巖石(4)的上下表面加載氣壓；所述高精度壓力計(5)用於測量連通管路內的氣壓；所述圍壓加載系統(3)向待測低滲巖石(4)的四周加載圍壓；所述第一閥門設置在氣壓加載系統(2)和腔體之間的連接管路上；所述第二閥門設置在腔體上，用於控制腔體與外界大氣壓的通斷；所述第三閥門設置在腔體與高精度壓力計(5)之間的連接管路上；所述第四、第五閥門分別設置在連通壓力室(I)上下部的連接管路上。
2.根據權利要求1所述的基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置，其特徵在於:所述氣壓加載系統包括惰性氣體氣源、氣壓控制裝置；所述氣壓控制裝置用於控制輸出氣壓。
3.根據權利要求2所述的基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置，其特徵在於:所述惰性氣體氣源提供的惰性氣體為氬氣。
4.一種採用如權利要求1所述的基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置進行測量的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟1:選取天然低滲巖石試樣，將巖石試樣加工成圓柱形狀，測量其直徑和高度，通過計算得到巖石試樣的體積K; 步驟2:將巖石試樣用高性能橡膠套裝好後，放入壓力室(I)中，並調整巖石試樣位置使之平衡； 步驟3:打開圍壓控制裝置(3)向巖石試樣施加圍壓至預定值後關閉，使圍壓持續穩定在預定值； 步驟4:關閉第一閥門，打開第二至第五閥門使所有管路與外界大氣相通，放置一段時間待儀器內部的氣體排放乾淨，並將高精度壓力計(5)校正為O ; 步驟5:關閉第二、第四、第五閥門，打開第一、第三閥門，打開氣壓加載系統(2)向管路施加氣壓； 步驟6:關閉第一、第三閥門，待高精度壓力計(5)讀數穩定後，記錄讀數Λ ； 步驟7:打開第四、第五閥門，使得氣體從管道內向巖體內擴散，待高精度壓力計(5)讀數穩定後，記錄讀數Λ ; 步驟8:重複步驟4~步驟7，進行不同圍壓條件下的氣體實驗，記錄實驗數據； 步驟9:通過下列公式計算巖石試樣在不同圍壓下的有效孔隙度:
式中，Kv=Od1/ P2) X V1-(； 式中，φ為有效孔隙度，以百分數表示；κν為巖石試樣孔隙體積，其中也包括裂隙體積；K為巖石試樣體積A為已知的第三閥門與第四、第五閥門之間管道的體積；κ2為第五閥門與待測巖石試樣之間管道的體積；κ3為第四閥門與待測巖石試樣之間管道的體積'Ρy、Ρ2為實驗記錄的高精度壓力計讀數。
5.根據權利要求4所述的一種採用基於惰性氣體實驗的低滲巖石有效孔隙度測量裝置進行測量的方法，其特徵在於，步驟9所述K2+K3通過校正實驗得到，其中校正實驗的步驟如下: 步驟A:選取一個完全不透氣的金屬試樣，外部套好橡膠套，放入壓力室(I)中； 步驟B:按照步驟3~步驟7進行實驗，記錄高精度壓力計(5)的讀數Λ、Λ ; 步驟C:由玻意耳定律:P風=P2X (WK3)得到Κ2+Κ3的值，完成校正實驗。
【文檔編號】G01N15/08GK103674804SQ201310601006
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月25日 優先權日:2013年11月25日
【發明者】王環玲, 徐衛亞, 左婧, 賈朝軍, 王偉 申請人:河海大學