特低渗岩石径向渗透率测试试验的试样组件及其试验方法与流程

本发明属于岩石力学性能测试领域，特别涉及岩石渗透率测试试验方法。

背景技术：

渗透率是描述流体在岩石等多孔介质材料内流动能力的重要表征参数，其在能源开采与储存、废弃物处置、水利工程、环境工程等众多领域有着广泛的应用。目前室内渗透率测试方法(如：稳态法、瞬态法、孔隙压力振荡法等)一般采用圆柱形实心试样，渗透介质从试样一个端面渗透至另一端面，利用式(1)的计算得到岩石的轴向渗透率。

式中L为圆柱形试样的高度(m)，A为试样横截面面积(m²)。

近些年来，随着经济的发展，非常规油气资源开采、CO₂地质封存、盐岩能源储备等工程活动愈加频繁。然而这类工程活动均面临着一个共同问题，即岩石的渗透率极低。由于这类特低渗岩石允许流体通过自身的能力很弱，采用常规的实验方法测试渗透率时将会面临实验测量过程时间跨度较大、耗时长等问题，且由于系统流量很小，对传感器的要求很高，往往难以实现精确测量和控制。因此，采用常规的方法测试特低渗岩石的渗透特性时往往会给实验带来较大的误差和困难，甚至无法测得岩石渗透特性。如果通过缩短试样高度、增加试样横截面面积等手段来提高渗透测试效率，此时试样将会变成板状结构，从而难以与应力水平耦合，且实践表明这类方法对提高岩芯渗透测试效率并不显著。另一方面，工程实践活动中许多的渗透问题均是三维扩散流动过程，仅仅考察岩芯轴向方向的渗透率难以对其渗透特征进行描述。因此，如何更加高效的获得特低渗岩岩芯的渗透特性，尤其是径向渗透特征，对于全面研究特低渗岩石的渗流规律具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的第一个发明目的是提供一种用于特低渗岩石径向渗透率测试的试样组件，以用于特低渗岩石的室内渗透率测试，尤其是径向渗透率测试；本发明第二个目的是提供基于上述用于特低渗岩石径向渗透率测试的试样组件的试验方法，以获得特低渗岩石径向渗透特征。

针对本发明的第一个发明目的，本发明提供的一种用于特低渗岩石径向渗透率测试的试样组件，包括圆柱形岩石试样、主体结构为圆柱形的上转换接头和下转换接头，所述岩石试样中心加工有为渗透介质提供径向渗透通道的圆柱孔，所述上转换接头底面中心处设计有与岩石试样圆柱孔嵌入配合的圆柱形凸台；所述下转换接头的顶面中心处设计有与岩石试样圆柱孔嵌入配合的圆柱形凸环，底面中心处设计有与下压头相配合安装孔，中心加工有从安装孔贯通顶面圆柱形凸环的渗透介质流通孔。

上述用于特低渗岩石径向渗透率测试的试样组件，上转换接头与下转换接头的直径与岩石试样的直径相等。

上述用于特低渗岩石径向渗透率测试的试样组件，所述岩石试样的外径不小于50mm，优选为50～100mm，内径优选为5～10mm。岩石试样的高度优选为其外径的2～2.5倍。

上述用于特低渗岩石径向渗透率测试的试样组件，所述上转换接头的主体圆柱的高度不小于10mm，优选为10～20mm，底面上的凸台高度不小于5mm，优选为5～10mm，直径小于岩石试样中心处的圆柱孔。

上述用于特低渗岩石径向渗透率测试的试样组件，所述下转换接头的主体圆柱的高度不小于50mm，优选为50～70mm，安装孔深度不小于20mm，优选为20～40mm，安装孔的直径优选为20～40mm。下转换接头顶面上的凸环高度最好不小于5mm，优选为5～10mm，外径小于岩石试样中心圆柱孔。

针对本发明的第二个发明目的，本发明提供基于上述用于特低渗岩石径向渗透率测试的试样组件的试验方法，包括如下步骤：

(1)对特低渗岩石试样进行渗透前预处理工作，若渗透介质为液体，对试样进行液体饱和预处理；若渗透介质为气体，需对试样进行干燥预处理；

(2)将上转换接头底面上的凸台、下转换接头顶面上的凸环分别嵌入岩石试样的中心圆柱孔中，并在岩石试样与上转换接头和下转换接头对接端面涂抹粘接剂使之相互粘接固定为一体，以防止实验过程中渗透介质从试样端面泄露，然后将岩石试样、上转换接头和下转换接头一起整体用密封试样袋进行密封，防止空气中水分进入试样和试样中水分挥发；

(3)上压头与上转换接头顶面对接，对接面为能使渗透出的介质回归到上压头中心孔内，之后先用渗透丝网裹覆全部岩石试样、全部上转换接头和部分上压头，再用热缩膜完全裹覆渗透丝网并超出渗透丝网裹覆的上下衔接处，最后用密封箍圈固定密封住热缩膜上下端部，防止实验过程中围压油渗入试样或渗透介质外泄；

(4)将上压头安装在试验机上，下转换接头与试验机上的下压头衔接，对整体渗透系统抽真空后，增加围压及轴压至预定值，使渗透介质的渗透上下游压力达到P₀，5～10分钟后，增加渗透上游压力至P_i，渗透下游压力仍保持P₀不变，分别测量渗透上、下游压力随时间的变化规律和渗透率。

发明所述的特低渗岩石径向渗透率计算方法：

本发明在实验过程中满足如下假设：

(1)渗透过程中，达西定律成立；

(2)渗流气体为理想气体。

本发明所述的渗透率计算公式如下：

P₁-P₂＝(P_i-P₀)e^-at (2)

式(2)为本发明方法中渗透系统的上、下游压力容器的压力随时间的变化规律，式(2)中系数a与所选用的渗透介质有关，当渗透介质为气体时，可根据式(3)计算试样的渗透率；当渗透介质为液体时，可根据式(4)计算试样的渗透率。

若渗透系统中上、下游容器的体积(含管道体积)相等，即(V₁＝V₂＝V)，式(3)与式(4)可简化为：

式(2)～式(6)中：

k为试样的径向渗透率(m²)，P₁、P₂分别为渗透过程中上、下游压力容器的压力(Pa)，P_i、P₀分别为渗透过程中上、下游压力容器的初始压力(Pa)，分别为渗透过程中上、下游压力容器的平均压力(Pa)，P_f为渗透系统的最终平衡压力(Pa)，V₁、V₂分别为渗透过程中上、下游容器体积(m³)，R₁、R₂分别为岩石试样的内半径、外半径(m)，L为岩石试样的高度(m)，t为实验时间(s)，μ为渗透介质的粘滞系数(Pa·s)，β为液体的压缩系数(Pa^-1)。

上述方法中，在上压头和上转换接头的衔接面最好放置一层滤纸，以防止试样中小颗粒堵塞渗透通道。

上述方法中，所述渗透丝网可选用金属丝网，如铁丝网、铜丝网等。

上述方法中，使用现有实验室常规试验机，压头使用申请号为201610084533.1的专利申请公开的“在常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的方法及施压装置与岩石试样”中的压头。

上述方法中，通过改变围压或轴压可完成不同围压下的渗透测试以及全应力应变条件下的渗透测试。

本发明所述方法中所选用渗透介质可为液体，也可为气体，实验过程中的不同之处主要有以下两点，其一是在进行渗透测试前对试样的预处理不一样，若渗透介质为液体，需对试样进行液体饱和预处理；若渗透介质为气体，需对试样进行干燥预处理。其二是渗透率计算公式存在一定的差异，由于彼此差异较小，本专利下文中除特别说明外，均以气体渗透介质为例。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述渗透率测试方法及计算公式可有效提高渗透率测试效率，同常规渗透实验方法相比，当试样具有相同直径和高度时，相同时间内本发明所述实验方法可使得渗透压压力衰减速度至少提升一个数量级。

2、本发明可对特低渗岩石在不同应力状态下的渗透特性开展定量分析(尤其是径向渗透特性的分析)，可以更加深入的认识复杂的渗流特性，对于非常规油气资源开采、能源储存等工程实践具有重要意义。

3、本发明所述转换接头、试样等便于加工制作，实验操作简单，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明所述试验机上转换接头的结构示意图。

图2为本发明所述试验机下转换接头的结构示意图。

图3为本发明所述岩石试样的剖视图。

图4为本发明所述试验机转换接头和岩石试样的组装示意图。

图5为实施实例1中上下游容器压力随时间变化曲线。

图6为实施实例中渗透率计算图。

图中，1—上转换接头，1-1—凸台，2—下转换接头，2-1—凸环，2-2—安装孔，3—试样，4—渗透丝网，5—热缩膜，6—粘接剂，7—密封箍圈，8—上压头。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明所述特低渗岩石径向渗透率测试试验方法及所述转换接头、岩石试样作进一步说明。

实施例1

用于特低渗岩石径向渗透率测试的试样组件，结构如图1-3所示，由圆柱形岩石试样3、主体结构为圆柱形的上转换接头1和下转换接头2组成，所述岩石试样中心加工有为渗透介质提供径向渗透通道的圆柱孔，所述上转换接头底面中心处设计有与岩石试样圆柱孔嵌入配合的圆柱形凸台1-1；所述下转换接头的顶面中心处设计有与岩石试样圆柱孔嵌入配合的圆柱形凸环2-1，底面中心处设计有与试验机下压头相配合安装孔2-2，下转换接头中心加工有从安装孔贯通顶面圆柱形凸环的渗透介质流通孔。上转换接头与下转换接头的主体直径与岩石试样的直径相等。所述岩石试样是将采集的页岩露头经钻、切、磨、钻孔等工序加工制备而成。

尺寸：上转换接头的主体圆柱的高度为10mm，外径为50mm，上凸台的高度为5mm，上凸台直径为5mm；下转换接头的主体圆柱的高度为50mm，外径为50mm，凹槽深度为25mm，凹槽的直径为20mm，下转换接头的下凸台的高度为5mm，直径为5mm。岩石试样的高度L＝100mm，岩石试样的内半径R₁＝5mm，外半径R₂＝50mm。

基于上述试验机转换接头岩石试样的特低渗岩石径向渗透率测试试验方法，步骤如下：

(1)对特低渗岩石试验进行进行干燥预处理，以氮气为渗透介质；

(2)将上转换接头底面上的凸台、下转换接头顶面上的凸环分别嵌入岩石试样的中心圆柱孔中，并在岩石试样与上转换接头和下转换接头对接端面涂抹粘接剂使之相互粘接固定为一体，以防止实验过程中渗透介质从试样端面泄露，然后将岩石试样、上转换接头和下转换接头一起整体用密封试样袋进行密封，防止空气中水分进入试样和试样中水分挥发，密封后静置，使粘接剂充分发挥粘接作用；

(3)待静至少24小时后，取出密封的试样与试验机转换接头，将上压头放置在上转换接头顶部，顶面对接，并在上压头和上转换接头的对接面放置一层滤纸以防止试样中小颗粒堵塞渗透管道，之后用渗透丝网铁丝网裹覆裹覆全部岩石试样、全部上转换接头、部分上压头，且渗透丝网高出上转换接头至少2mm，渗透丝网不触及下转换接头，用热缩膜裹覆的方式将渗透丝网固定，裹覆的高度满足完全包覆渗透丝网并超出上下各衔接处，再用密封箍圈固定住热缩膜上下端部，防止实验过程中围压油渗入试样；

(4)将上压头安装在试验机上，下转换接头与试验机上的下压头衔接，对整体渗透系统抽真空后，增加围压至3MPa、轴压至3MPa，打开气瓶使渗透上下游压力达到P₀＝0.2MPa，5-10分钟后，增加渗透上游压力至P_i＝2.2MPa，渗透下游压力仍保持P₀不变，分别测量渗透上、下游压力容器压力随时间的变化规律；

(6)试验结束后，从试验机上拆除试样和转换接头，将粘接在一起的试样和转换接头用电炉将粘接剂烤至失效后拆除，清理转换接头以备后续试验重复利用。

渗透上、下游压力容器压力随时间的变化规律如图5所示，先根据渗透上、下游压力容器压力随时间的变化规律，求得与时间t的斜率，本实施例中上、下游容器的体积(含管道体积)相等，即(V₁＝V₂＝V)，因此根据式(5)计算试样的径向渗透率k，

本次渗透率测试完成后，隔半个小时后，重新在该条件下测试渗透率，以确保实验的可重复性。两次测得该试样的渗透率分别为2.084×10^-19、2.062×10^-19，具有较好的可重复性。