岩石渗透性测试系统及测试方法
【专利摘要】本发明公开一种岩石渗透性测试系统，其特征在于包括：围压控制装置（1）、岩心压力室（2）、孔隙度测量系统（3）、上游储气瓶（4）、下游储气瓶（5）、上游气压记录表（6）、下游气压记录表（7）、上下游气压差记录表（8）、高纯度氩气瓶（9）和高精度气压记录仪（10）。本发明还公开利用这种岩石渗透性测试系统对岩样进行渗透性测试的方法。本发明的岩石渗透特性测试系统操作简单；所需测量的物理量少；测量范围广；可用于测量渗透率高于10-15m2的普通岩石，以及低渗透岩石甚至超低渗透岩石，测量精度达到了10-24m2。
【专利说明】岩石渗透性测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岩石渗透性测试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002]岩石是天然产出的具有稳定外型的矿物或玻璃集合体，按照一定的方式结合而 成。岩石按成因分为岩衆岩、沉积岩和变质岩。岩石是构成地壳和上地幔的物质基础，岩石 由于形成的不同，同时经过物理变化或者化学变化，才形成了如今丰富多彩的地质形态。
[0003]许多大型工程都要求建于岩石之上，而岩石的渗透特性对于这些大型工程建造及 运行都有着重要的影响，因此如何准确测量岩石的渗透特性显得至关重要。影响岩石渗透 特性的因素很多，渗透率和孔隙度是其中最重要的因素。岩石作为一种多孔介质，其渗透率 和孔隙度变化范围很大，渗透率甚至相差10个数量级以上，因实验仪器和方法的限制，很 难用单一的装置完成不同种类岩石渗透特性的测量。例如，现有设备只能单独完成渗透率 或者孔隙度的测量；在测量渗透率时，现有设备只能测量普通岩石(渗透率大于10_15m2)或 者低渗透岩石(渗透率小于10_18m2)。在地下能源储备、核废料存储、石油勘探开发、水利水 电工程建设等方面，我们面临着同一个工程不同的地层岩性不同甚至相差很大的问题，而 系统的测量不同地层的岩石的渗透特性关系到工程的设计、施工及长期稳定的运行。特别 是目前兴起的页岩气开发方面，对于超低渗透(渗透率小于10_21m2)，现有设备的测量精度 不高，甚至无法测量。
【发明内容】
[0004]发明目的:本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能针对不同岩石进 行有效测量的岩石渗透性测试系统。
[0005]技术方案:本发明所述的岩石渗透性测试系统，包括:围压控制装置、岩心压力 室、孔隙度测量系统、上游储气瓶、下游储气瓶、上游气压记录表、下游气压记录表、上下游 气压差记录表、高纯度氩气瓶和高精度气压记录仪；
[0006]所述围压控制装置与所述岩心压力室连接为岩心压力室提供压力；所述岩心压力 室的上端与一个四通装置的第一接口连接；所述四通装置的第二接口与所述高精度气压记 录仪连接；所述四通装置的第三接口与阀门连接控制其与空气相通；
[0007]所述上游储气瓶和下游储气瓶分别与管路连接形成第一气路和第二气路；所述第 一气路和所述第二气路的一端都连接到所述高纯度氩气瓶上；所述第一气路的另一端连接 到所述孔隙度测量系的一端，所述孔隙度测量系统的另一端分别连接到所述岩心压力室的 下端和所述四通装置的第四接口 ；所述第二气路的另一端连接到所述四通装置的第四接
n ；
[0008]所述上游气压记录表设置在第一气路中；所述下游气压记录表设置在第二气路 中；所述上下游气压差记录表设置在第一气路和第二气路之间。
[0009]优选地，所述围压控制装置提供的压力为液压，所述围压控制装置为围压泵，优选为可以自由控制压力的油压泵。
[0010]所述孔隙度测量系统包括气压记录仪、钢瓶、管道、三个阀门和计算机；第一阀门设置在钢瓶的一端，与所述第一气路连接；第二阀门和第三阀门设置在钢瓶的另一端，分别与所述岩心压力室的下端和所述四通装置的第四接口连接；所述气压记录仪与所述钢瓶的进口管道连接对其进行气压测量，并将测量的气压值发送到计算机。
[0011]所述岩心压力室与直径为50mm,高度为30~70mm的圆柱形岩样匹配,岩心压力室中岩样由高性能橡胶套包裹后进行测量。
[0012]所述高纯度氩气瓶上设置有调压阀，可调节第一气路和第二气路中的压力。各装置之间都连有阀门，可以自己开启与关闭。
[0013]优选地，所述第一气路和所述第二气路都固定在控制面板上。
[0014]利用本发明岩石渗透性测试系统对岩样进行渗透性测试的方法，包括如下步骤:
[0015](I)对孔隙度测量系统参数进行校准；校准方法为:将标准铁芯置于岩心压力室中，关闭孔隙度测量系统的第二阀门和第三阀门，打开第一阀门，采集气压记录仪的读数，当读数两分钟不发生变化时，记录此时的气压记录仪的读数；打开第二阀门和第三阀门，同样当读数两分钟不发生变化时，记录此时的气压记录仪(31)的读数；
[0016](2)准备用于测试的岩样，测量其直径，高度并拍照；
[0017](3)将岩样用橡胶套包裹后置于岩心压力室中；
[0018](4)打开围压控制装置的阀门，为岩心压力室加压；
[0019](5)测量岩样的孔隙 度，具体方法如下:
[0020]I)打开四通装置的阀门使其一端与空气相连，关闭第二气路与四通装置相连的阀门以及高精度气压记录仪的阀门；
[0021]2)关闭孔隙度测量系统的第二阀门和第三阀门；
[0022]3)打开高纯度氩气瓶，调节调压阀旋钮为孔隙度测量系统中钢瓶充气直至孔隙度测量系统中气压记录仪的度数为7.5~8.5bar ；
[0023]4)观察孔隙度测量系统中气压记录仪的度数变化，当度数下降幅度小于
0.001bar/3min时，记录下此刻的度数p' i，关闭四通装置连接大气的阀门，打开孔隙度测量系统的第二阀门和第三阀门，使得孔隙度测量系统与岩心压力室形成一个密闭的系统；观察气压记录仪的下降幅度小于0.001bar/5min时,记录下此刻的气压记录仪的度数P' 2 ；
[0024]岩样孔隙度的计算:
[0025]p' !XV1=Pi 2X (V^Vv)(12)
[0026]?= ^x 100%(13)
V
[0027]式中，η为孔隙度，以百分数表示；Vv为试样孔隙体积(m2)，其中也包括裂隙体积；V为试样体积(m2)。P1为气压记录仪(31)的初始度数，p2为最终稳定状态时气压记录仪(31)的度数，V1为孔隙度测试系统的固有体积；
[0028](6)根据岩样的性质，判断岩样渗透率的具体测量方法:如果岩样的渗透率高于10_15m2，使用准静态法测量，具体方法如下:
[0029]I)关闭孔隙度测量系统的第三阀门，打开四通装置与大气连接的阀门；[0030]2)调节高纯度氩气瓶的调压阀旋钮，使得第一气路中的压力为9.5~10.5bar ；
[0031]3)等待IOmin后，待系统气压下降稳定开始记录上游气压记录表每下降0.05bar 记录下所需时间，记录6个点；
[0032]由上游气压记录表的变化可以得出进气端的流量变化，由达西定律可以得出岩样的渗透率计算方法如下:
【权利要求】
1.一种岩石渗透性测试系统，其特征在于包括:围压控制装置(I)、岩心压力室(2)、孔隙度测量系统(3)、上游储气瓶(4)、下游储气瓶(5)、上游气压记录表(6)、下游气压记录表(7)、上下游气压差记录表(8)、高纯度氩气瓶(9)和高精度气压记录仪(10)；所述围压控制装置(I)与所述岩心压力室(2)连接为岩心压力室提供压力；所述岩心压力室(2)的上端与一个四通装置的第一接口连接；所述四通装置的第二接口与所述高精度气压记录仪(10)连接；所述四通装置的第三接口与阀门连接控制其与空气相通； 所述上游储气瓶(4 )和下游储气瓶(5 )分别与管路连接形成第一气路(11)和第二气路(12);所述第一气路(11)和所述第二气路(12)的一端都连接到所述高纯度氩气瓶(9)上；所述第一气路(11)的另一端连接到所述孔隙度测量系统(3)的一端，所述孔隙度测量系统(3)的另一端分别连接到所述岩心压力室(2)的下端和所述四通装置的第四接口 ；所述第二气路(12)的另一端连接到所述四通装置的第四接口； 所述上游气压记录表(6)设置在第一气路(11)中；所述下游气压记录表(7)设置在第二气路(12)中；所述上下游气压差记录表(8)设置在第一气路和第二气路之间。
2.根据权利要求1所述的岩石渗透性测试系统，其特征在于:所述围压控制装置(I)提供的压力为液压。
3.根据权利要求1所述的岩石渗透性测试系统，其特征在于:所述围压控制装置(I)为围压泵。
4.根据权利要求1所述的岩石渗透性测试系统，其特征在于:所述孔隙度测量系统(3)包括气压记录仪(31)、钢瓶(32)、管道、三个阀门和计算机(33);第一阀门(I)设置在钢瓶(32)的一端，与所述第一气路(11)连接；第二阀门(II)和第三阀门(III)设置在钢瓶(32)的另一端，分别与所述岩心压力室(2)的下端和所述四通装置的第四接口连接；所述气压记录仪(31)与所述钢瓶(32)的进口管道连接对其进行气压测量，并将测量的气压值发送到计算机(33)。
5.根据权利要求1所述的岩石渗透性测试系统，其特征在于:所述岩心压力室(2)与直径为50mm,高度为30~70mm的圆柱形岩样匹配。
6.根据权利要求1所述的岩石渗透性测试系统，其特征在于:所述高纯度氩气瓶(9)上设置有调压阀。
7.根据权利要求1所述的岩石渗透性测试系统，其特征在于:所述第一气路(11)和所述第二气路(12)都固定在控制面板上。
8.利用权利要求1~7所述的岩石渗透性测试系统对岩样进行渗透性测试的方法，其特征在于包括如下步骤:(1)对孔隙度测量系统参数进行校准；(2)准备用于测试的岩样，测量其直径，高度并拍照； (3)将岩样用橡胶套包裹后置于岩心压力室(2)中； (4)打开围压控制装置(I)的阀门，为岩心压力室(2)加压； (5)测量岩样的孔隙度，具体方法如下: 1)打开四通装置的阀门使其一端与空气相连，关闭第二气路与四通装置相连的阀门以及高精度气压记录仪(10)的阀门；2)关闭孔隙度测量系统(3)的第二阀门(II)和第三阀门(III);3)打开高纯度氩气瓶(9)，调节调压阀旋钮为孔隙度测量系统(3)中钢瓶(32)充气直至孔隙度测量系统(3)中气压记录仪(31)的度数为7.5~8.5bar ；4)观察孔隙度测量系统(3)中气压记录仪(31)的度数变化，当度数下降幅度小于0.001bar/3min时，记录下此刻的度数p' i，关闭四通装置连接大气的阀门，打开孔隙度测量系统(3)的第二阀门(II)和第三阀门(III)，使得孔隙度测量系统(3)与岩心压力室(2) 形成一个密闭的系统；观察气压记录仪(31)的下降幅度小于0.001bar/5min时,记录下此刻的气压记录仪(31)的度数p' 2；岩样孔隙度的计算:p' 1XV1=p/ 2 (V^Vv)(12)? =Lx 100%(13)V式中，n为孔隙度，以百分数表示；Vv为试样孔隙体积(m2)，其中也包括裂隙体积；V为试样体积(m2)。p' i为气压记录仪(31)的初始度数，p' 2为最终稳定状态时气压记录仪(31)的度数，V1为孔隙度测试系统的固有体积；(6)根据岩样的性质，判断岩样渗透率 的具体测量方法:如果岩样的渗透率高于 10_15m2，使用准静态法测量，具体方法如下:1)关闭孔隙度测量系统(3)的第三阀门(III)，打开四通装置与大气连接的阀门；2)调节高纯度氩气瓶(9)的调压阀旋钮，使得第一气路中的压力为9.5~10.5bar ；3)等待IOmin后,待系统气压下降稳定开始记录上游气压记录表(6)每下降0.05bar 记录下所需时间，记录6个点；岩样的渗透率计算方法如下:/:_ 2/.1LvAP,AiP2 -R2)At V 0J(I)式中:k为岩石的气体渗透率(m2)，U为气体的粘滞系数(Pa ? s)(氩气粘滞系数为 2.2X10-5Pa ? s)，L为岩样高度(m)，A Pl为进气端压力的下降值(MPa)，A t为压力下降 A Pl所需时间(s)，A为岩样的横截面积(m2)，P0为标准大气压(0.1MPa)，Pffloy为进气端压力由P1下降A Pl过程中的平均压力，按照下式计算:P =P「令(2)P1为进气端气体压力初始值(MPa)；如果岩样的渗透率在10_18~10_15m2之间，使用脉冲法，具体方法如下:1)关闭四通装置与空气相连的阀门以及高精度气压记录仪(10)的阀门，打开第二气路与四通装置相连的阀门；2)调节阀门使得第一气路与第二气路贯通；调节调压阀旋钮，使得整个气路的压力保持在 9.5 ~10.5bar ；3)稳定30min后，再次调节调压阀旋钮使得上下游气压差记录表(8)的读数为4.5~ 5.5bar ；4)等待5min后，上下游气压差记录表(8)每下降0.05bar记录下所需时间，记录6个占.^ 岩样的渗透率计算方法如下:
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的校准方法为:将标准铁芯置于岩心压力室(2)中，关闭孔隙度测量系统(3)的第二阀门(II)和第三阀门(III)，打开第一阀门(I)，采集气压记录仪(31)的读数，当读数两分钟不发生变化时，记录此时的气压记录仪(31)的读数；打开第二阀门(II)和第三阀门(III)，同样当读数两分钟不发生变化时，记录此时的气压记录仪(31)的读数。
【文档编号】G01N15/08GK103575631SQ201310545362
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】徐卫亚, 贾朝军, 冯树荣, 赵海斌, 梅松华, 王如宾, 闫龙, 张强 申请人:河海大学, 中国水电顾问集团中南勘测设计研究院有限公司