三轴应力和孔隙压力条件下同时测试多孔岩石孔隙率和渗透率的方法与流程

本发明涉及一种在三轴应力和孔隙压力条件下同时测试多孔岩石孔隙率和渗透率的方法，该测试方法主要针对储层多孔岩石，属于岩石储体工程研究范畴。主要用于研究多孔岩石储体在不同水压力和地层应力环境下储存空间与渗透性能的协同演化规律。适用于深部多孔岩层储体的流体类物质开采和注入过程中多场耦合科学问题的试验研究。

背景技术：

渗透系数和孔隙率是多孔岩石储体工程中重要的评价指标。二氧化碳地质封存、煤层气和地热开采、核废物地质处置、海水回灌等都属于储体工程。在岩层储体注入和抽取的过程中，孔隙水压力的升降引起岩层变形导致孔隙率发生改变。孔隙的变形体现在孔隙大小改变和孔隙的联通情况改变，即孔隙的变形不但会影响岩石储体的储存空间还会影响地下水的流动通道和岩层的渗流特性。对于多孔岩石而言，其孔隙结构具有一定的变形范围，影响其孔隙力学变形的因素包括岩石外部应力条件以及孔隙压力条件。不同的应力条件下获得的孔隙率和渗透率具有较大差异。因此，在研究储层岩体孔隙率和渗透率时需要结合其应力条件。岩石变形过程中渗透率与孔隙率数据对于研究多孔岩石储体工程中应力场、渗流场等多场耦合机制以及现场工程技术参数确定都非常重要。因此如何同时测试储体注入与抽取过程中地层孔隙压力变化条件下的孔隙率与渗透率成为迫切需要解决的问题。

目前，针对应力条件下同时测定岩石孔隙率与渗透率的试验方法例如，中国专利公开号：cn103207138a公开日期：2013.07.17发明名称为“一种动态围压下联合测定致密岩石渗透率和孔隙度的方法”，该方法针对致密岩石而言，采用的是气体压差瞬态法，该方法不适用于孔隙率较大、渗透率较高的岩石，而且测试过程中未考虑偏压力对渗透率和孔隙率的影响，也未分析管路通道及岩样套管侧壁空隙对测试结果的影响。目前采用稳态法测定渗透率的设备及孔隙率测定设备多为相互独立的且未考虑复杂地应力条件及孔隙压力变化情况。为弥补该不足，建议采用法国topindustrie生产的型号为pmhp50-500的电机伺服泵。该电机伺服泵不但能够通过设定流量值和压力值对岩石试样施加孔隙压力还能够通过泵内活塞位置采集模块记录该泵内流体体积，刻度精确到10^-3mm³。通过泵内流体压力的设定和泵内流体体积的监测可以获得不同孔隙压力条件下的岩石孔隙体积的测试，同时通过注入泵和收集泵调节渗透压差后测试该压差下通过岩石的流量，从而得到该应力状态下的渗透率。

在测试过程中，注入泵输出的流体不但会充填到岩石试样孔隙内还会充填到设备渗流回路，包括设备渗流管道、岩石试样与密封管和渗透垫片之间缝隙，这部分充填于设备系统内的流体体积称为耗损流体体积。上游电机伺服泵注入的流体体积vin包括下游电机伺服泵收集的流体体积vout、孔隙流体体积vp和耗损流体体积vu。测试孔隙率时，需要对这部分耗损流体体积vu引起的误差进行消除。由于设备系统管道等属于刚性结构，且不计流体的压缩，这部分耗损体积是定值，可以通过试验手段获得。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种在三轴应力和孔隙压力条件下同时测试多孔岩石孔隙率和渗透率的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

三轴应力条件下同时测试多孔岩石孔隙率与渗透率的方法，该测试方法包括三轴应力和孔隙压力条件下渗流回路的耗损流体体积标定和三轴应力和孔隙压力条件下储层多孔岩石孔隙率与渗透率的同时测试，测试方法按以下步骤进行：

三轴应力和孔隙压力条件下渗流回路的耗损流体体积标定

a将直径50mm，高度100mm的标准圆柱钢样装入密封套管内，标准圆柱钢样上下端面均放置渗透垫片，将密封套管固定于三轴室内压头与底座之间，在压头与底座之间安装lvdt，在密封套管中间安装横向变形计，分别采集标准圆柱钢样加载过程中的轴向变形和横向变形数据。

b三轴室底座上的渗流通道入口通过第一三通阀门分别与入口电机伺服泵和蓄水容器用不锈钢管相连，入口电机伺服泵再与蓄水容器相连，其中，第一三通阀门打开时，渗流通道入口与入口电机伺服泵连通，形成上游渗流回路；第一三通阀门关闭时，渗流通道入口与蓄水容器连通，形成排液出口回路。

c三轴室压头上的渗透通道出口通过第二三通阀门和阀门分别与出口电机伺服泵、空气压缩机和真空泵用不锈钢管相连，出口电机伺服泵再与蓄水容器相连，其中，第二三通阀门打开时，渗透通道出口与出口电机伺服泵连通，形成下游渗流回路；第二三通阀门关闭时，渗透通道出口与空气压缩机连通，形成排液入口回路。

d关闭第一三通阀门和第二三通阀门，启动空气压缩机，待通道内流体排尽后，停止空气压缩机，打开第一三通阀门和第二三通阀门，打开阀门，启动真空泵，对渗流回路抽真空10min以上，关闭阀门，停止真空泵。

e启动入口电机伺服泵和出口电机伺服泵，并为其充水，充满水后，停止入口电机伺服泵和出口电机伺服泵，结束充水过程，记录两个电机伺服泵内初始流体体积和

f打开围压阀门，对标准圆柱岩石试样匀速缓慢施加围压到σ3，待围压和变形恒定后，打开偏压阀门，施加偏压到σ3-σ1。

g设置入口电机伺服泵和出口电机伺服泵的压力值分别为pin和pout，同时启动两个电机伺服泵，当出口电机伺服泵的流体体积读数开始明显增大，停止电机伺服泵，记录此时入口电机伺服泵和出口电机伺服泵内的流体体积和由根据质量守恒定律得到当前三轴应力和孔隙压力条件下渗流回路的耗损流体体积vu：

即

三轴应力和孔隙压力条件下储层多孔岩石孔隙率与渗透率的同时测试

h将标准圆柱钢样从密封套管内取出，换入直径d为50±1mm，高度h为100±2mm的标准圆柱岩石试样，标准圆柱岩石试样上下端面均放置渗透垫片，将密封套管固定于三轴室内压头与底座之间，在压头与底座之间安装lvdt，在密封套管中间安装横向变形计，分别采集标准圆柱岩石试样加载过程中的轴向变形和横向变形数据。

i关闭第一三通阀门和第二三通阀门，启动空气压缩机，待通道内流体排尽后，停止空气压缩机，打开第一三通阀门和第二三通阀门，打开阀门，启动真空泵，对渗流回路抽真空10min以上，关闭阀门，停止真空泵。记录入口电机伺服泵和出口电机伺服泵的初始流体体积和

j打开围压阀门，对标准圆柱岩石试样匀速缓慢施加围压到σ3，待围压和变形恒定后，打开偏压阀门，施加偏压到σ3-σ1。

k设置入口电机伺服泵和出口电机伺服泵的压力值分别为pin和pout，同时启动两个电机伺服泵，当出口电机伺服泵的流体体积读数开始稳定增大时，渗流稳定，分别记录时间t1和t2时刻的入口电机伺服泵和出口电机伺服泵的泵内流体体积和由此得到：

其中，vp为孔隙体积：

vu为上述耗损流体体积标定过程得到的该三轴应力和孔隙压力条件下渗流回路的耗损流体体积，

v为标准圆柱岩石试样的体积：v＝πd²h/4，

渗透率k＝v·μ·h/δp式三

其中，v为流速：

a为标准圆柱岩石试样的横截面积：a＝πd²/4，

δt为时间段：δt＝t2-t1，

μ为渗流流体粘滞系数，

δp为渗透压差：δp＝pin-pout。

所述的入口电机伺服泵和出口电机伺服泵的刻度精确到10^-3mm³且能采集泵内流体体积的电机伺服泵，建议采用法国topindustrie生产的型号为pmhp50-500的电机伺服泵。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下优点和积极效果：

1、储层多孔岩石的孔隙变形受制于外部压力和孔隙压力的共同作用，不同三轴应力以及不同孔隙压力条件对其渗透率和孔隙率的测试结果都会有影响，因此，岩石的应力条件除了围压还考虑了偏压力，孔隙压力不但考虑了渗透压差还考虑了上游和下游的孔隙压力值。采用入口电机伺服泵和出口电机伺服泵分别控制上游和下游的孔隙压力，测得不同三轴应力和孔隙压力条件下的渗透率和孔隙率。

2、利用pmhp50-500电机伺服泵的自动采集泵内流体体积数据功能，在施加上游下游孔隙压力的同时测得上游的注入流体体积和下游的收集流体体积，获得孔隙体积数据以及过水断面的流量数据，从而同时计算出孔隙率和渗透率。

3、对于不同三轴应力和孔隙压力条件下的孔隙率测试，采用标定试验，消除相应三轴应力和孔隙压力条件下渗流回路的耗损流体体积对储层岩石孔隙体积测量引起的误差。

附图说明

图1是本发明测试方法的示意图；

具体实施方式

以下结合具体实施和计算方法对本发明做进一步说明。

三轴应力和孔隙压力条件下同时测试多孔岩石孔隙率和渗透率的方法，测试方法按以下步骤进行：

采用水作为孔隙流体对储体多孔岩石上下端施加孔隙压力。

三轴应力和孔隙压力条件下渗流回路的耗损水体积标定

a将直径50mm，高度100mm的标准圆柱钢样装入密封套管内，标准圆柱钢样上下端面均放置渗透垫片，将密封套管固定于三轴室内压头1与底座2之间，在压头1与底座2之间安装lvdt3，在密封套管中间安装横向变形计4，分别采集标准圆柱钢样加载过程中的轴向变形和横向变形数据。

b三轴室底座2上的渗流通道入口5通过第一三通阀门6分别与入口电机伺服泵7和蓄水容器8用不锈钢管相连，入口电机伺服泵7再与蓄水容器8相连，其中，第一三通阀门6打开时，渗流通道入口5与入口电机伺服泵7连通，形成上游渗流回路；第一三通阀门6关闭时，渗流通道入口5与蓄水容器8连通，形成排液出口回路。

c三轴室压头1上的渗透通道出口9通过第二三通阀门10和阀门11分别与出口电机伺服泵12、空气压缩机13和真空泵14用不锈钢管相连，出口电机伺服泵12再与蓄水容器8相连，其中，第二三通阀门10打开时，渗透通道出口(9)与出口电机伺服泵12连通，形成下游渗流回路；第二三通阀门10关闭时，渗透通道出口9与空气压缩机13连通，形成排液入口回路。

d关闭第一三通阀门6和第二三通阀门10，启动空气压缩机13，待通道内水排尽后，停止空气压缩机13，打开第一三通阀门6和第二三通阀门10，打开阀门11，启动真空泵14，对渗流回路抽真空10min以上，关闭阀门11，停止真空泵14。

e启动入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12，并为其充水，充满水后，停止入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12，结束充水过程，记录两个电机伺服泵内初始水体积和

f打开围压阀门15，对标准圆柱岩石试样匀速缓慢施加围压到σ3，待围压和变形恒定后，打开偏压阀门16，施加偏压到σ3-σ1。

g设置入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12的压力值分别为pin和pout，同时启动两个电机伺服泵，当出口电机伺服泵12的水体积读数开始明显增大，停止电机伺服泵，记录此时入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12内的水体积和根据质量守恒定律得到当前三轴应力和孔隙压力条件下渗流回路的耗损水体积vu：

即

多孔岩石孔隙率与渗透率的同时测试

h将标准圆柱钢样从密封套管内取出，换入直径d为50±1mm，高度h为100±2mm的标准圆柱岩石试样，标准圆柱岩石试样上下端面均放置渗透垫片，将密封套管固定于三轴室内压头1与底座2之间，在压头1与底座2之间安装lvdt3，在密封套管中间安装横向变形计4，分别采集标准圆柱岩石试样加载过程中的轴向变形和横向变形数据。

i关闭第一三通阀门6和第二三通阀门10，启动空气压缩机13，待通道内水排尽后，停止空气压缩机13，打开第一三通阀门6和第二三通阀门10，打开阀门11，启动真空泵14，对渗流回路抽真空10min以上，关闭阀门11，停止真空泵14。记录入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12的初始水体积和

j打开围压阀门15，对标准圆柱岩石试样匀速缓慢施加围压到σ3，待围压和变形恒定后，打开偏压阀门16，施加偏压到σ3-σ1。

k设置入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12的压力值分别为pin和pout，同时启动两个电机伺服泵，当出口电机伺服泵12的水体积读数开始稳定增大时，渗流稳定，分别记录时间t1和t2时刻的入口电机伺服泵(7)和出口电机伺服泵(12)的泵内水体积和由此得到

其中，vp为孔隙体积：

vu为上述耗损水体积标定过程得到的该三轴应力和孔隙压力条件下渗流回路的耗损水体积，

v为标准圆柱岩石试样的体积：v＝πd²h/4，

渗透率k＝v·μ·h/δp式三

其中，v为流速：

a为标准圆柱岩石试样的横截面积：a＝πd²/4，

δt为时间段：δt＝t2-t1，

μ为水粘滞系数，

δp为渗透压差：δp＝pin-pout。

这样即测得围压σ3，偏压σ3-σ1，入口和出口孔隙压力分别为pin和pout条件下的孔隙率和渗透率。

通过重复步骤j-k，可以得到不同围压不同偏压以及不同孔隙压力条件下的孔隙率与渗透率演化曲线。

具体实施例

以下结合具体实施案例对本发明做进一步说明。

采用红砂岩作为案例对象，在三轴应力和孔隙压力条件下同时测试红砂岩孔隙率和渗透率的方法，测试方法按以下步骤进行：

分别实施10mpa围压和5mpa偏压以及采用水作为孔隙流体对红砂岩岩样上下端施加孔隙压力。

三轴应力和孔隙压力条件下渗流回路的耗损水体积标定

a将直径50mm，高度100mm的标准圆柱钢样装入密封套管内，标准圆柱钢样上下端面均放置渗透垫片，将密封套管固定于三轴室内压头1与底座2之间，在压头1与底座2之间安装lvdt3，在密封套管中间安装横向变形计4，分别采集标准圆柱钢样加载过程中的轴向变形和横向变形数据。

b三轴室底座2上的渗流通道入口5通过第一三通阀门6分别与入口电机伺服泵7和蓄水容器8用不锈钢管相连，入口电机伺服泵7再与蓄水容器8相连，其中，第一三通阀门6打开时，渗流通道入口5与入口电机伺服泵7连通，形成上游渗流回路；第一三通阀门6关闭时，渗流通道入口5与蓄水容器8连通，形成排液出口回路。

c三轴室压头1上的渗透通道出口9通过第二三通阀门10和阀门11分别与出口电机伺服泵12、空气压缩机13和真空泵14用不锈钢管相连，出口电机伺服泵12再与蓄水容器8相连，其中，第二三通阀门10打开时，渗透通道出口(9)与出口电机伺服泵12连通，形成下游渗流回路；第二三通阀门10关闭时，渗透通道出口9与空气压缩机13连通，形成排液入口回路。

d关闭第一三通阀门6和第二三通阀门10，启动空气压缩机13，待通道内水排尽后，停止空气压缩机13，打开第一三通阀门6和第二三通阀门10，打开阀门11，启动真空泵14，对渗流回路抽真空10min以上，关闭阀门11，停止真空泵14。

e启动入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12，并为其充水，充满水后，停止入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12，结束充水过程，记录两个电机伺服泵内初始水体积和

f打开围压阀门15，对标准圆柱红砂岩试样匀速缓慢施加围压到10mpa，待围压和变形恒定后，打开偏压阀门16，施加偏压到5mpa。

g设置入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12的压力值分别为2.5mpa和1.5mpa，同时启动两个电机伺服泵，当出口电机伺服泵12的水体积读数开始明显增大，停止电机伺服泵，记录此时入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12内的水体积和根据质量守恒定律得到当前三轴应力和孔隙压力条件下渗流回路的耗损水体积vu：

即

红砂岩孔隙率与渗透率的同时测试

h将标准圆柱钢样从密封套管内取出，换入直径d为49.89mm，高度h为100.26mm的标准圆柱红砂岩试样，标准圆柱红砂岩试样上下端面均放置渗透垫片，将密封套管固定于三轴室内压头1与底座2之间，在压头1与底座2之间安装lvdt3，在密封套管中间安装横向变形计4，分别采集标准圆柱红砂岩试样加载过程中的轴向变形和横向变形数据。

i关闭第一三通阀门6和第二三通阀门10，启动空气压缩机13，待通道内水排尽后，停止空气压缩机13，打开第一三通阀门6和第二三通阀门10，打开阀门11，启动真空泵14，对渗流回路抽真空10min以上，关闭阀门11，停止真空泵14。记录入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12的初始水体积和

j打开围压阀门15，对标准圆柱红砂岩试样匀速缓慢施加围压到10mpa，待围压和变形恒定后，打开偏压阀门16，施加偏压到5mpa。

k设置入口电机伺服泵7和出口电机伺服泵12的压力值分别为2.5mpa和1.5mpa，同时启动两个电机伺服泵，当出口电机伺服泵12的水体积读数开始稳定增大时，渗流稳定，分别记录时间0和10min的入口电机伺服泵(7)和出口电机伺服泵(12)的泵内水体积和由此得到：

耗损水体积：vu＝20.8411ml

孔隙体积：

标准圆柱红砂岩试样的体积：v＝πd²h/4＝195.8955ml

则得到孔隙率：

流速：

试样横截面积：a＝πd²/4＝19.5387cm²

时间段：δt＝t2-t1＝600s

水粘滞系数，μ＝0.0014624pa*s

渗透压差：δp＝pin-pout＝1mpa

则得到渗透率：k＝v·μ·h/δp＝3.4662×10^-12cm²

这样即测得围压10mpa，偏压5mpa，入口和出口孔隙压力分别为2.5mpa和1.5mpa条件下的孔隙率和渗透率。