CN108088778B - 一种岩石类材料渗透率、孔隙率测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石类材料渗透率、孔隙率测试装置，包括气体增压***、流量计、上游压力室、岩心夹持器、下游压力室、皂沫流量计、液压***、用作非稳态控制阀的阀门K1、用作稳态控制阀的阀门K2和阀门K3。本发明将岩石稳态法渗透率测试、非稳态法渗透率测试进行了集成，在以前分割的基础上进行了大大简化，可节省高昂的造价。
Description
技术领域
本发明涉及岩石类材料渗透率、孔隙率测试设备技术领域，具体涉及一种岩石类材料渗透率、孔隙率测试装置。
背景技术
渗透率是评价岩土体渗透能力和油气储层所需的关键参数，在众多的岩土工程中都被作为重点测试目标，如地下核废料处置、能源地下储气库建设、页岩气开采等。因此，准确的获得地层岩体渗透参数，对岩土工程的发展有着至关重要的作用。通常根据渗透率的高低其测试方法可分为稳态法和非稳态法，稳态法原理基于Darcy定律，测试范围一般不小于10-17m2；非稳态测试原理不一，目前应用最多的是Brace的压力脉冲法，渗透率可达10- 20m2。
然而，目前绝大部分的渗透率仪器的测试原理都较为单一，这样就造成了稳态测试仪不能测试低渗岩石；而非稳态仪测试常规岩体误差较大且不适用。如果想满足大范围的渗透率测试，就必须拥有两台渗透率测试仪(稳态和非稳态)。如此一来就会带来不必要的麻烦，而且还不经济适用。
为解决渗透仪测试不全面的难题，本发明提出一种稳态和非稳态相结合的渗透率测试装置，不仅能随意切换稳态和非稳态测试方法；而且还能调节温度进行恒温和变温测量。因此一体化的渗透率测试仪能更全方位的达到岩石渗透率测量的目的，具有测量范围广、测试全面、精度高等优点，是今后渗透测试仪的发展方向。
发明内容
本发明的目的就是为了克服技术问题存在的上述问题，提出一种岩石类材料渗透率、孔隙率测试装置。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
一种岩石类材料渗透率、孔隙率测试装置，包括气体增压***，
气体增压***分别与阀门K1一端和阀门K2一端连接，阀门K2另一端依次通过第一流量计、第二流量计、第三流量计与阀门K3一端连接，阀门K3另一端和阀门K1另一端连接后再分别与入口压力传感器、上游压力室、阀门K4一端、阀门K6一端、阀门K8一端、压差传感器一端、阀门K0一端连接，阀门K4另一端与第一岩心夹持器的进气端连接，第一岩心夹持器的出气端与阀门K5一端连接，阀门K6另一端与第二岩心夹持器的进气端连接，第二岩心夹持器的出气端与阀门K7一端连接，阀门K8另一端与第三岩心夹持器的进气端连接，第三岩心夹持器的出气端与阀门K9一端连接，阀门K0另一端、压差传感器另一端、阀门K5另一端、阀门K7另一端、阀门K9另一端连接后再分别与出口压力传感器、下游压力室、阀门K26一端、阀门K25一端、阀门K27一端连接，阀门K26另一端与第一皂沫流量计连接，阀门K27另一端与第二皂沫流量计连接；
第一岩心夹持器的轴压入口端与阀门K11一端连接，第二岩心夹持器的轴压入口端与阀门K13一端连接，第三岩心夹持器的轴压入口端与阀门K14一端连接；
第一岩心夹持器的围压入口端与阀门K10一端连接，第二岩心夹持器的围压入口端与阀门K12一端连接，第三岩心夹持器的围压入口端与阀门K15一端连接；
阀门K11另一端、阀门K13另一端、阀门K14另一端连接后再依次通过轴压传感器、阀门K17与液压***连接；
阀门K10另一端、阀门K12另一端、阀门K15另一端连接后再依次通过围压传感器、阀门K18与液压***连接。
如上所述的上游压力室包括并联的第一上游压力室、第二上游压力室和第三上游压力室，第一上游压力室的出口处设置有阀门K19、第二上游压力室的出口处设置有阀门K20、第三上游压力室的出口处设置有阀门K21，
下游压力室包括并联的第一下游压力室、第二下游压力室和第三下游压力室，第一下游压力室的出口处设置有阀门K22、第二下游压力室的出口处设置有阀门K23、第三下游压力室的出口处设置有阀门K24。
如上所述的气体增压***还与阀门K28一端连接，阀门K28另一端分别与阀门K29一端、参考压力室、参考压力室压力传感器连接，阀门K29另一端分别与阀门K30一端、阀门K31一端和阀门K32一端连接，阀门K30另一端与第一孔隙率测试杯连接，阀门K31另一端与第二孔隙率测试杯连接。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
本发明将岩石稳态法渗透率测试、非稳态法渗透率测试进行了集成，在以前分割的基础上进行了大大简化，可节省高昂的造价；岩心夹持器可同时施加轴压、围压，实现了岩心的三向应力状态，可模拟其在地层的真实情况，特别是应力状态改变下的渗透敏感性；非稳态测试部分，设计了上、下游压力室的三种容积，并明确指出了渗透率的量级与压力室容积选取间的关系，大大简化了实验流程，确保了实验的精度，可实现渗透率在10-17～10- 19m2的岩石渗透率的测定。将孔隙率测定作为该***的附加部分，利用现有增压***，是本设备的又一特色，可极大提供设备各组件的利用率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1-气体增压***；2-液压***；3-入口压力传感器；4-出口压力传感器；5-参考压力室压力传感器；6-轴压传感器；7-围压传感器；8-压差传感器；9-皂沫流量计(第一皂沫流量计、第二皂沫流量计)；10-上游压力室(第一上游压力室、第二上游压力室、第三上游压力室，容积分别为V大、V中、V小)；11-下游压力室(第一下游压力室、第二下游压力室、第三下游压力室，容积分别为V大、V中、V小)；12-第一岩心夹持器(φ25mm)；13-第二岩心夹持器(13)(φ38mm)；14-第三岩心夹持器(14)(φ50mm)；15-参考压力室；16-第一孔隙率测试杯(φ50mm)；17-第二孔隙率测试杯(可选用φ38mm和φ25mm)；18-流量计(第一流量计、第二流量计、第三流量计、可分别选用高流量、中流量、低流量)。
具体实施方式
下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：
如图1所示，一种岩石类材料渗透率、孔隙率测试装置，包括气体增压***1，气体增压***1分别与阀门K1一端和阀门K2一端连接，阀门K2另一端依次通过第一流量计、第二流量计、第三流量计与阀门K3一端连接，阀门K3另一端和阀门K1另一端连接后再分别与入口压力传感器3、上游压力室10、阀门K4一端、阀门K6一端、阀门K8一端、压差传感器8一端、阀门K0一端连接，阀门K4另一端与第一岩心夹持器12的进气端连接，第一岩心夹持器12的出气端与阀门K5一端连接，阀门K6另一端与第二岩心夹持器13的进气端连接，第二岩心夹持器13的出气端与阀门K7一端连接，阀门K8另一端与第三岩心夹持器14的进气端连接，第三岩心夹持器14的出气端与阀门K9一端连接，阀门K0另一端、压差传感器8另一端、阀门K5另一端、阀门K7另一端、阀门K9另一端连接后再分别与出口压力传感器4、下游压力室11、阀门K26一端、阀门K25一端、阀门K27一端连接，阀门K26另一端与第一皂沫流量计连接，阀门K27另一端与第二皂沫流量计连接；
第一岩心夹持器12的轴压入口端与阀门K11一端连接，第二岩心夹持器13的轴压入口端与阀门K13一端连接，第三岩心夹持器14的轴压入口端与阀门K14一端连接；
第一岩心夹持器12的围压入口端与阀门K10一端连接，第二岩心夹持器13的围压入口端与阀门K12一端连接，第三岩心夹持器14的围压入口端与阀门K15一端连接；
阀门K11另一端、阀门K13另一端、阀门K14另一端连接后再依次通过轴压传感器6、阀门K17与液压***2连接；
阀门K10另一端、阀门K12另一端、阀门K15另一端连接后再依次通过围压传感器7、阀门K18与液压***2连接。
上游压力室10包括并联的第一上游压力室、第二上游压力室和第三上游压力室，第一上游压力室的出口处设置有阀门K19、第二上游压力室的出口处设置有阀门K20、第三上游压力室的出口处设置有阀门K21，
下游压力室11包括并联的第一下游压力室、第二下游压力室和第三下游压力室，第一下游压力室的出口处设置有阀门K22、第二下游压力室的出口处设置有阀门K23、第三下游压力室的出口处设置有阀门K24。
气体增压***1还与阀门K28一端连接，阀门K28另一端分别与阀门K29一端、参考压力室15、参考压力室压力传感器5连接，阀门K29另一端分别与阀门K30一端、阀门K31一端和阀门K32一端连接，阀门K30另一端与第一孔隙率测试杯16连接，阀门K31另一端与第二孔隙率测试杯17连接。
第一上游压力室、第二上游压力室、第三上游压力室的容积不同，可根据渗透率测试范围进行优先选择。
第一下游压力室、第二下游压力室、第三下游压力室的容积不同，可根据选择的上游压力室一一对应。
阀门K1作为非稳态控制阀；阀门K2、阀门K3作为稳态控制阀。
如图1所示，本发明可用作稳态法渗透率测试***，可进行渗透率＞10-17m2的岩石介质的气体渗透率的测定，将三种不同量程的流量计18(第一流量计、第二流量计、第三流量计)前置于岩心夹持器(第一岩心夹持器12、第二岩心夹持器13、第三岩心夹持器14)进气端，岩石夹持器(第一岩心夹持器12、第二岩心夹持器13、第三岩心夹持器14)出气端与大气压相连，并设有皂沫流量计9(第一皂沫流量计、第二皂沫流量计)进行校核，该设计与传统的置于岩心夹持器出气端的流量计的方法不同，进气端同样可以检测到流动是否稳定，同时简化了管路。
本发明还可用作非稳态渗透率测试***，进气端设计了脉冲压力泵(内置于气体增压***1)，其压力范围建议在5MPa以内即可，但须确保灵敏度，岩心夹持器(第一岩心夹持器12、第二岩心夹持器13、第三岩心夹持器14)进气端设置了三个不同容积的上游压力室10(第一上游压力室、第二上游压力室、第三上游压力室)，分别为V大、V中、V小、其中V大的容积在100～1000ml之间，建议用于测定渗透率在10-17m2量级的岩石介质的渗透率，V中的容积建议在10～100ml之间，建议用于测定渗透率在10-18m2量级的岩石介质的渗透率，V小的容积建议在5～10ml之间，建议用于测定渗透率在10-19m2及更低量级的岩石介质的渗透率；三个不同容积的下游压力室11(第一下游压力室、第二下游压力室、第三下游压力室)的体积建议与上游压力室10(第一上游压力室、第二上游压力室、第三上游压力室)对应相等，以促进岩心压力平衡和简化计算。考虑到非稳态法测试耗时较长，故对设备的密闭性要求极高，须确保在48h内第一岩心夹持器12、第二岩心夹持器13、第三岩心夹持器14的压力波动≤1psi。
本发明还可以用作孔隙率测试***，其测试原理为Boyle定律，所用的气压供应同为气体增压***1。
(1)稳态法测试
测试之前必须进行整体装置的密闭性检测，待密闭性良好之后根据测试的岩心规格选择相对应的岩心夹持器(第一岩心夹持器12、第二岩心夹持器13、第三岩心夹持器14，非工作的各个岩心夹持器均处于关闭状态)。以第一岩心夹持器12为例进行稳态法测试操作步骤描述，放置好测试岩心，关闭阀门K0、阀门K4、阀门K5、阀门K18。打开阀门K17、阀门K11和液压***2，首先施加轴压至设计值；其次，打开阀门K18、阀门K10施加围压至指定值，先加轴压后加围压以防第一岩心夹持器12的胶套损坏，待压力值稳定后关闭阀门K10和阀门K11。关闭阀门K1以及阀门K19～K24，打开阀门K2、阀门K3、阀门K4、阀门K5，阀门K25、阀门K26、阀门K27建议只开一个，避免同时开启造成皂沫流量计9的校核失败。
利用气体增压***1压入测试介质(氮气或氦气)，此时第一岩心夹持器12的测试介质运移路径如下：
气体增压***→K2→K3→K4→岩心φ25→K5→K25(26、27)
其中阀门K26、阀门K27为分别为第一皂沫流量计和第二皂沫流量计的控制开关，它与流量计18(第一流量计、第二流量计、第三流量计)于岩心前后布置，主要验证流量计18(第一流量计、第二流量计、第三流量计)的准确性和前后流量的平衡。待测试***中的流量稳定平衡后即可通过数据***计算出岩心的渗透率。
(2)非稳态法测试
同理，在岩心测试之前必须检测装置的密闭性，待密闭性良好之后根据测试的岩心规格选择相对应的岩心夹持器(第一岩心夹持器12、第二岩心夹持器13、第三岩心夹持器14，非工作的各个岩心夹持器均处于关闭状态)。同样以第一岩心夹持器12为例进行非稳态法测试操作步骤描述，放置好测试岩心，关闭阀门K0、阀门K4、阀门K5、阀门K18。打开阀门K17、阀门K11和液压***2，首先施加轴压至设计值；其次，打开阀门K18、阀门K10施加围压至指定值，待压力值稳定后关闭阀门K10和阀门K11。上述准备部分与稳态法基本一致。
进行非稳态法测试之前，阀门K2、阀门K3处于常闭状态，因为阀门K2、阀门K3作为稳态控制阀，此时流量计18(第一流量计、第二流量计、第三流量计)不工作；阀门K25、阀门K26、阀门K27也均关闭，皂沫流量计9(第一皂沫流量计、第二皂沫流量计)也停止工作。打开阀门K1，阀门K1作为非稳态控制阀，根据渗透率测试范围，选择一对合适的上游压力室10和下游压力室11，本实施例中选择第一上游压力室和第一下游压力室，关闭余下的上下游压力室出口处的阀门。
预平衡阶段：以第一上游压力室(V大)和第一下游压力室(V大)为例，其阀门K19和阀门K22打开(其余的上下游压力室出口处的阀门均处于关闭状态)，此时的阀门K0也打开。利用气体增压***1往第一上游压力室(V大)和第一下游压力室(V大)中施加指定气压，待压力稳定后关闭用作非稳态控制阀的阀门K1和用作出入口平衡阀的阀门K0，打开阀门K4、阀门K5，令上下游气体各自往第一岩心夹持器12中渗流直至压力平衡，测试介质的预平衡运移路径如下：
K19→K4→岩心φ25←K5←K22
脉冲衰减阶段：待预平衡阶段完成后，依旧关闭阀门K0，打开阀门K1。利用气体增压***1中的脉冲压力泵突然给第一上游压力室(V大)施加一个压力脉冲，此时第一下游压力室(V大)还未及时发生压力改变。利用第一岩心夹持器12的上下游压差使得第一下游压力室(V大)和第一下游压力室(V大)再次平衡。通过压差传感器8实时记录并采集上下游的压差和平衡时间，脉冲衰减阶段运移路径如下：
K19→K4→岩心φ25→K5→K22。
(3)孔隙率测试
岩石类介质的孔隙率测试与渗透率测试一样，都需要保证测试装置的密闭性。根据岩心规格选择对应的第一孔隙率测试杯16、第二孔隙率测试杯17，以直径50mm的第一孔隙率测试杯16为例进行孔隙率测试操作步骤描述，余下的第二孔隙率测试杯17处于常闭状态。首先，将测试岩心放置于第一孔隙率测试杯16中，关闭阀门K30，同时也关闭阀门K29和K32。打开阀门K28，利用气体增压***1往参考压力室15中注入指定压力，待压力稳定后关闭阀门K28，打开阀门K29和K30。使得参考压力室15中的气体流入第一孔隙率测试杯16中，最后利用数据***进行孔隙率计算。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (2)
1.岩石类材料渗透率和孔隙率测试装置，包括气体增压***(1)，其特征在于，
气体增压***(1)分别与阀门K1一端和阀门K2一端连接，阀门K2另一端依次通过第一流量计、第二流量计、第三流量计与阀门K3一端连接，阀门K3另一端和阀门K1另一端连接后再分别与入口压力传感器(3)、上游压力室(10)、阀门K4一端、阀门K6一端、阀门K8一端、压差传感器(8)一端、阀门K0一端连接，阀门K4另一端与第一岩心夹持器(12)的进气端连接，第一岩心夹持器(12)的出气端与阀门K5一端连接，阀门K6另一端与第二岩心夹持器(13)的进气端连接，第二岩心夹持器(13)的出气端与阀门K7一端连接，阀门K8另一端与第三岩心夹持器(14)的进气端连接，第三岩心夹持器(14)的出气端与阀门K9一端连接，阀门K0另一端、压差传感器(8)另一端、阀门K5另一端、阀门K7另一端、阀门K9另一端连接后再分别与出口压力传感器(4)、下游压力室(11)、阀门K26一端、阀门K25一端、阀门K27一端连接，阀门K26另一端与第一皂沫流量计连接，阀门K27另一端与第二皂沫流量计连接；
第一岩心夹持器(12)的轴压入口端与阀门K11一端连接，第二岩心夹持器(13)的轴压入口端与阀门K13一端连接，第三岩心夹持器(14)的轴压入口端与阀门K14一端连接；
第一岩心夹持器(12)的围压入口端与阀门K10一端连接，第二岩心夹持器(13)的围压入口端与阀门K12一端连接，第三岩心夹持器(14)的围压入口端与阀门K15一端连接；
阀门K11另一端、阀门K13另一端、阀门K14另一端连接后再依次通过轴压传感器(6)、阀门K17与液压***(2)连接；
阀门K10另一端、阀门K12另一端、阀门K15另一端连接后再依次通过围压传感器(7)、阀门K18与液压***(2)连接；
气体增压***(1)还与阀门K28一端连接，阀门K28另一端分别与阀门K29一端、参考压力室(15)、参考压力室压力传感器(5)连接，阀门K29另一端分别与阀门K30一端、阀门K31一端和阀门K32一端连接，阀门K30另一端与第一孔隙率测试杯(16)连接，阀门K31另一端与第二孔隙率测试杯(17)连接。
2.根据权利要求1所述的岩石类材料渗透率和孔隙率测试装置，其特征在于，
上游压力室(10)包括并联的第一上游压力室、第二上游压力室和第三上游压力室，第一上游压力室的出口处设置有阀门K19、第二上游压力室的出口处设置有阀门K20、第三上游压力室的出口处设置有阀门K21，
下游压力室(11)包括并联的第一下游压力室、第二下游压力室和第三下游压力室，第一下游压力室的出口处设置有阀门K22、第二下游压力室的出口处设置有阀门K23、第三下游压力室的出口处设置有阀门K24。
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