專利名稱：同時(shí)測(cè)量巖石滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)及孔隙度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)巖石滲流特性參數(shù)(包括滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)及孔隙度)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量的裝置，及利用該裝置測(cè)量巖石滲流特性參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
隨著低滲油氣藏等工業(yè)工程的深部開采及安全評(píng)價(jià)，以及近年來對(duì)CO2、核廢料等能源與廢棄物地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)的需求與發(fā)展，對(duì)于上述工業(yè)工程儲(chǔ)集層儲(chǔ)存潛力、開采效能和封蓋層封閉能力的研究已成為全世界地質(zhì)工作者的工作重點(diǎn)。諸如，對(duì)天然氣成藏能力及含氣高度的評(píng)價(jià)、對(duì)(X)2儲(chǔ)存地層的選址評(píng)價(jià)、以及對(duì)(X)2注入地層后對(duì)該地層的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及防泄漏處理技術(shù)等，對(duì)這類問題解決的關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)上述工業(yè)工程儲(chǔ)層及封蓋層在復(fù)雜地質(zhì)、人為作用下的滲透特性變化特征快速、有效、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。
研究儲(chǔ)蓋層巖石滲透特性變化的主要微觀參數(shù)有孔隙度、滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)等。 目前多采用單一的方法及設(shè)備來分別測(cè)量巖石的滲透特性參數(shù)，如用滲透儀測(cè)量滲透系數(shù)、用孔隙度儀測(cè)量孔隙度、用流變儀測(cè)量或石油行業(yè)規(guī)范的壓縮系數(shù)測(cè)量方法測(cè)量壓縮系數(shù)，那么無法同時(shí)測(cè)量同一個(gè)巖樣的上述三個(gè)滲流特性參數(shù)，更無法同時(shí)測(cè)量復(fù)雜應(yīng)力變化條件下的上述三個(gè)滲透特性參數(shù)的變化特征。所以用傳統(tǒng)方法或儀器是無法實(shí)現(xiàn)巖石滲流特性多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的目的，更無法監(jiān)測(cè)巖石滲流特性多參數(shù)在動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化條件下的變化特征。
為了克服傳統(tǒng)巖石滲流實(shí)驗(yàn)方法及裝置功能單一、所測(cè)滲透特性參數(shù)單一、應(yīng)用范圍狹窄，不能同時(shí)、快速、準(zhǔn)確測(cè)量巖石滲透特性參數(shù)，且不能同時(shí)測(cè)量巖石滲流特性參數(shù)在復(fù)雜應(yīng)力變化條件下的變化特征的缺點(diǎn)和不足，有必要設(shè)計(jì)一種多功能集成的巖石滲流特性參數(shù)同時(shí)、快速、高效、準(zhǔn)確測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)量系統(tǒng)，采用脈沖法測(cè)量巖石滲透系數(shù)、采用降內(nèi)壓法測(cè)量巖石壓縮系數(shù)、采用排水法測(cè)量巖石孔隙度，用于解決深部低滲透性儲(chǔ)層、蓋層滲透特性參數(shù)動(dòng)態(tài)變化特征快速準(zhǔn)確測(cè)量的技術(shù)問題，為研究儲(chǔ)層儲(chǔ)備能力、 開采效率、蓋層封閉性能及相關(guān)工業(yè)工程的設(shè)計(jì)、施工、安全性評(píng)價(jià)工作提供一種高效的測(cè)量手段、實(shí)驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)支持。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能同時(shí)測(cè)量巖石的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)及孔隙度的裝置，該裝置原理可靠，操作簡便，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量復(fù)雜應(yīng)力變化條件下的巖石滲流特性參數(shù)及其變化特征，為滲流相關(guān)工程的設(shè)計(jì)、施工及安全性評(píng)價(jià)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
本發(fā)明的另一目的還在于提供利用上述裝置對(duì)巖石滲流特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法，該方法可同時(shí)測(cè)量巖石在應(yīng)力耦合作用下的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)以及孔隙度的變化，為定性定量分析巖石在復(fù)雜應(yīng)力變化條件下的滲透變化特征及規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)手段，更能滿足實(shí)際工程的需求。
為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明是采用瞬態(tài)脈沖法測(cè)量巖石滲透系數(shù)，排水法測(cè)量巖石孔隙度，降內(nèi)壓法測(cè)量巖石的壓縮系數(shù)。
瞬態(tài)法測(cè)量巖石的滲透系數(shù)的原理如下根據(jù)達(dá)西定律以及瞬態(tài)脈沖法的測(cè)試原理，即對(duì)巖石上游施加一個(gè)瞬時(shí)脈沖壓力，在巖石內(nèi)部產(chǎn)生一維滲流，巖石上游的壓力逐漸降低，而巖石下游的壓力逐漸升高，可得巖石上、下游之間壓力差的衰減曲線，由該曲線即可換算出巖石的滲透系數(shù)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，被測(cè)巖石滲透系數(shù)k的換算公式表達(dá)如下
^ = β-α (1)AP
k= “ (2)ASu
其中k_被測(cè)巖石的滲透系數(shù)；AP(t)_巖石上、下游之間的差壓應(yīng)力實(shí)測(cè)值; Δ P-巖石上、下游之間的最大差壓應(yīng)力測(cè)定值；A-被測(cè)巖石截面積，已知；μ -滲流介質(zhì)的粘滯系數(shù)，已知；L-實(shí)驗(yàn)巖石長度，已知；SU( = Sd)-分別為上游(下游)容水量，表示上游 (下游)系統(tǒng)內(nèi)單位壓力引起的流體體積的變化量。在標(biāo)定= Sd)的基礎(chǔ)上，所涉及的參數(shù)只有滲透系數(shù)是未知參數(shù)，通過建立壓差與時(shí)間的關(guān)系，結(jié)合公式(1)可計(jì)算α，然后代入公式O)中便可得到滲透系數(shù)。
目前常用的測(cè)試滲透系數(shù)的方法是穩(wěn)態(tài)法，該方法最大的特點(diǎn)是測(cè)試通過巖心的穩(wěn)定流量確定巖石的滲透系數(shù)。然而在復(fù)雜應(yīng)力條件下，特別在測(cè)試低滲巖石時(shí)，穩(wěn)態(tài)法不僅需要大量的測(cè)試時(shí)間，而且還會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。為此，本發(fā)明采用瞬態(tài)脈沖法測(cè)試巖石的滲透系數(shù)，該方法不再測(cè)試通過巖心中的流量，而是測(cè)試壓力確定巖石的滲透系數(shù)，高精度的壓力的測(cè)試比高流量的壓力測(cè)試更容易實(shí)現(xiàn)，且成本低，時(shí)間短；再者測(cè)試過程中重復(fù)間隔使用正、逆向脈沖，這還可避免長期、頻繁、單向測(cè)試引起巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，從而保證測(cè)試的可靠性。
排水法測(cè)量巖石的孔隙度根據(jù)孔隙度定義，即巖石孔隙體積占巖石總體積的百分比，可知孔隙度的表達(dá)式為VO
Φ = —(3)V
其中Φ-巖石孔隙度；VP-巖石孔隙體積；V-巖石外表體積。
有效應(yīng)力的增加將引起巖石孔隙體積的減小，從而排除部分孔隙水，通過檢測(cè)這部分孔隙水的體積可得到孔隙體積的變化量以及對(duì)應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)下的孔隙體積，進(jìn)而計(jì)算巖石的孔隙度，該方法可稱為排水法。內(nèi)壓的降低或者圍壓的增加都將使有效應(yīng)力增加，這里以內(nèi)壓降低的方式(圍壓保持不變)為例說明孔隙度的測(cè)試。
巖石的初始孔隙體積已知Vp(l。在保持圍壓恒定降內(nèi)壓的實(shí)驗(yàn)過程中，內(nèi)壓的減小不僅將引起巖石孔隙體積的減小，也將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)上下游管路和其中流體體積以及巖心中流體體積的變化；由于巖心孔隙體積很小，那么其中流體體積的變化可以忽略，于是上下游管路和其中流體體積的改變量和巖石孔隙體積的改變量這兩部分就主要構(gòu)成排除的孔隙流體的體積Δ Vpi，因此有必要消除管路和其中流體體積變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。由于系統(tǒng)對(duì)稱，上下游管路的容水量已知為& = &，那么系統(tǒng)管路總?cè)菟繛?SU，內(nèi)壓變化導(dǎo)致的上下游管路和其中流體體積變化量為2&ΔΡρ = 2SU(P0-Pi)，內(nèi)壓變化導(dǎo)致巖石孔隙體積的減小量為AVpiIiiu(Pci-Pi),那么該應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的孔隙體積為
Vpi = Vp0+2SU (Pp0-Ppi) - Δ Vpi (4)
將公式(4)代入公式(3)，得到該應(yīng)力狀態(tài)下的巖石孔隙度為
Φ J = 100 % (Vp0+2SU (Pp0-Ppi) - Δ Vpi) /V (5)
降內(nèi)壓法測(cè)量巖石的壓縮系數(shù)根據(jù)質(zhì)量守恒以及巖石壓縮系數(shù)定義，即單位壓力所引起的巖石體積的變化量，表達(dá)式為Γ 1 SV1 “、 [。_ Cy=--(6)
其中=Cij-巖石壓縮系數(shù)Ji-巖石體積；Ρ」-壓力。i和j_分別對(duì)應(yīng)的是變化的體積類型和變化的壓力類型-此處代表兩個(gè)體積，分別是巖石總體積Vb和巖石的孔隙體積 Vp ；Pr此處代表兩個(gè)壓力，分別是圍壓P。和內(nèi)壓Pp，兩個(gè)壓力是相互獨(dú)立的。于是存在四個(gè)對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)cb。、Cbp, Cpc和Cpp，具體表達(dá)式為 1 dVb

以Cpp為例說明定義的壓縮系數(shù)的含義，該參數(shù)表示圍壓恒定時(shí)改變內(nèi)壓時(shí)對(duì)應(yīng)的巖石孔隙體積的壓縮系數(shù)。采用本發(fā)明實(shí)施對(duì)應(yīng)的方案便可以測(cè)定對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)，這里以圍壓恒定降內(nèi)壓為例說明壓縮系數(shù)Cbp和Cpp的測(cè)試。
巖石的初始孔隙體積已知Vptl和巖石總體積Vbtl為已知。在實(shí)驗(yàn)過程中，圍壓保持恒定，從實(shí)驗(yàn)設(shè)定的初始內(nèi)壓Pptl按照設(shè)定步長逐漸降低至設(shè)定的最小值。假設(shè)對(duì)應(yīng)的某一級(jí)的壓力值為Ppi，那么內(nèi)壓的減小量ΔΡρ = Pp0-Ppi引起的孔隙體積的減小量可以根據(jù)前面介紹的排水法原理得到，即為Δ VpiIiiu(PcrPi),該壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的孔隙體積Vpi = Vp0+2SU(Pp0-Ppi) - Δ Vpi ；同時(shí)監(jiān)測(cè)圍壓泵的體積變化，該體積的變化量即為巖石總體積Vb的變化量AVcd，則該壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的巖石總體積Vbi = Vbtl-AVc^于是便可分別建立巖石孔隙體積Vpi和巖石總體積Vbi與內(nèi)壓Ppi的關(guān)系，進(jìn)而求得壓縮系數(shù)Cbp和Cpp的值。
同時(shí)測(cè)量巖石滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)及孔隙度的裝置，由壓力室、上游入口、下游入口、圍壓入口、上游泵、下游泵、圍壓泵、真空泵、圍壓閥、上游針閥、下游針閥、真空針閥、真空閥、分隔閥、真空計(jì)、上游壓力計(jì)、下游壓力計(jì)、差壓計(jì)、溫度計(jì)、控制臺(tái)組成，其特征在于， 所述壓力室內(nèi)有巖心，所述圍壓入口順序連接圍壓閥和圍壓泵；所述上游入口分別連接上游壓力計(jì)和上游針閥，所述上游針閥連接上游泵；所述下游入口分別連接下游壓力計(jì)、下游針閥和真空針閥，所述下游針閥連接下游泵，所述真空閥順序連接真空計(jì)、真空閥和真空泵；所述上游入口和下游入口之間分別連有分隔閥和差壓計(jì)；該裝置內(nèi)有溫度計(jì)，可位于任一位置；所述上游泵、下游泵、圍壓泵、真空計(jì)、上游壓力計(jì)、下游壓力計(jì)、差壓計(jì)和溫度計(jì)均與控制臺(tái)連接。
所述控制臺(tái)連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)裝采集卡和應(yīng)用程序。
利用上述裝置同時(shí)測(cè)量巖石滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)和孔隙度的方法，依次包括以下步驟
(1)將飽和實(shí)驗(yàn)流體的巖心放入壓力室，加載圍壓至設(shè)定值，對(duì)系統(tǒng)抽真空，加載內(nèi)壓至設(shè)定值，關(guān)閉分隔閥；
(2)待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，通過上游泵對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)瞬時(shí)脈沖壓力，由差壓計(jì)記錄脈沖壓力的衰減曲線，上游壓力計(jì)、下游壓力計(jì)、溫度計(jì)分別記錄上游壓力、下游壓力、系統(tǒng)溫度的變化曲線，待差壓計(jì)讀數(shù)衰減至一半時(shí)，打開分隔閥，再通過上游泵控制系統(tǒng)壓力至設(shè)計(jì)值，繪制lnAP(t) t的曲線獲得初始系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)；
(3)通過下游泵對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)相同大小瞬時(shí)脈沖壓力，同理獲得反方向的初始系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)；
(4)重復(fù)步驟O)、(3)至少三次，取所測(cè)均值作為初始系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)值；
(5)通過上游泵按照設(shè)計(jì)壓力步長對(duì)系統(tǒng)減壓，并由控制臺(tái)記錄圍壓泵中圍壓流體體積變化量和上游泵中系統(tǒng)流體體積變化量，通過上游泵控制系統(tǒng)壓力恢復(fù)至設(shè)定值， 得到該應(yīng)力狀態(tài)下的巖石孔隙體積和巖石總體積，同時(shí)可得到該應(yīng)力狀態(tài)下的巖石孔隙度和滲透系數(shù)；
(6)重復(fù)步驟( 直到內(nèi)壓降至設(shè)計(jì)的最低值，同時(shí)同理獲取每一變化步長下對(duì)應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)下巖石的孔隙度、孔隙體積、總體積和滲透系數(shù)，結(jié)束測(cè)量，打開分隔閥，卸載內(nèi)壓，卸載圍壓，取出實(shí)驗(yàn)巖心；
(7)分別繪制巖石孔隙體積和巖石總體積與內(nèi)壓的關(guān)系曲線，計(jì)算出各應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的巖石孔隙壓縮系數(shù)和巖石總體積壓縮系數(shù)。
在實(shí)施本發(fā)明前首先確定系統(tǒng)上、下游的容水量，并完成壓力泵和壓力的標(biāo)定。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果
(1)本發(fā)明采用多功能集成的巖石滲流實(shí)驗(yàn)方法，采用瞬態(tài)法測(cè)量巖石滲透系數(shù)， 采用降內(nèi)壓法測(cè)量巖石壓縮系數(shù)，采用排水法測(cè)量巖石孔隙度，可以滿足同時(shí)、快速、準(zhǔn)確、 高效測(cè)量多個(gè)巖石滲流特性參數(shù)值，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。
(2)本發(fā)明采用多功能集成的巖石滲流實(shí)驗(yàn)方法，可在復(fù)雜應(yīng)力變化條件下，同時(shí)測(cè)量多參數(shù)值，從而獲得巖石在復(fù)雜應(yīng)力變化條件下的各滲流特性參數(shù)的變化特征，滿足實(shí)際工程的測(cè)量需求，靈活度高，應(yīng)用領(lǐng)域廣。
(3)本發(fā)明設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)可施加高圍壓、高孔隙壓，可以滿足測(cè)量超低滲透性、 巖石在高應(yīng)力條件下破壞過程中滲透特性變化的測(cè)量需求，滿足深部、低滲儲(chǔ)蓋層巖石的測(cè)量和研究需求。
(4)本發(fā)明設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)可外接多個(gè)材料物性參數(shù)的測(cè)量儀器或設(shè)備，也可內(nèi)置更換不同尺寸的巖石試件，可以滿足被測(cè)巖石更多參數(shù)的測(cè)量需求，也可以滿足不同尺寸或非標(biāo)尺寸巖石試件的測(cè)量需求，為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)、施工、安全性評(píng)價(jià)及各項(xiàng)準(zhǔn)則制定提供更具體、全面、豐富、準(zhǔn)確的測(cè)試手段和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
總之，本發(fā)明用于復(fù)雜應(yīng)力變化條件下巖石滲流特性多參數(shù)(包括滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)、孔隙度)同時(shí)、有效、快速的測(cè)量工作，實(shí)現(xiàn)了多功能、多參數(shù)高效測(cè)量的特色效果，克服了傳統(tǒng)滲流實(shí)驗(yàn)方法功能單一，往往一套設(shè)備只能測(cè)量一個(gè)參數(shù)，且不能監(jiān)測(cè)巖石在復(fù)雜應(yīng)力變化條件下滲流特性多參數(shù)的大范圍變化特征等缺點(diǎn)，提供了一種多功能集成的巖石滲流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行滲流特性多參數(shù)同時(shí)測(cè)量(包括滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)、孔隙度)的測(cè)量系統(tǒng)及方法，為測(cè)試儲(chǔ)蓋層巖石在復(fù)雜自然作用或人為作用下的滲透變化特征，研究儲(chǔ)層開采的設(shè)計(jì)、施工及安全性評(píng)價(jià)，提供了實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)支持。


圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
參看圖1，同時(shí)測(cè)量巖石滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)及孔隙度的裝置，由壓力室1、上游入口 2、下游入口 3、圍壓入口 4、上游泵5、下游泵6、圍壓泵7、真空泵8、圍壓閥9、上游針閥10、 下游針閥11、真空針閥12、真空閥13、分隔閥14、真空計(jì)15、上游壓力計(jì)16、下游壓力計(jì)17、 差壓計(jì)18、溫度計(jì)19、控制臺(tái)20組成，其特征在于，所述壓力室1內(nèi)有巖心，所述圍壓入口 4 順序連接圍壓閥9和圍壓泵7 ；所述上游入口 2分別連接上游壓力計(jì)16和上游針閥10，所述上游針閥10連接上游泵5 ；所述下游入口 3分別連接下游壓力計(jì)17、下游針閥11和真空針閥12，所述下游針閥11連接下游泵6，所述真空針閥12順序連接真空計(jì)15、真空閥13和真空泵8 ；所述上游入口 2和下游入口 3之間分別連有分隔閥14和差壓計(jì)18 ；該裝置內(nèi)設(shè)置溫度計(jì)19 ；所述上游泵5、下游泵6、圍壓泵7、真空計(jì)15、上游壓力計(jì)16、下游壓力計(jì)17、 差壓計(jì)18和溫度計(jì)19均與控制臺(tái)20連接。
在實(shí)驗(yàn)前先確定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上、下游的容水量&和&，完成壓力泵和壓力的標(biāo)定以及實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備，具體操作步驟如下
1)將不銹鋼巖心塊放入壓力室1中，通過圍壓泵7分級(jí)加載圍壓至實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最大值，并保持圍壓恒定；同時(shí)，用機(jī)械壓力表標(biāo)定圍壓泵7 ；
2)保持系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)(關(guān)閉圍壓閥9、上游針閥10、下游針閥11和真空針閥 12)，然后連通壓力室1與真空泵8 (打開真空針閥12，并保持真空閥13處于打開狀態(tài))，然后通過真空泵8對(duì)系統(tǒng)(包括巖樣及上、下游)抽真空，直到系統(tǒng)處于高度真空狀態(tài)，并用真空計(jì)15監(jiān)測(cè)系統(tǒng)真空度；
3)通過上游泵5或下游泵6對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大氣壓下飽和實(shí)驗(yàn)所用流體(此處以蒸餾水為例)，直到真空計(jì)15讀數(shù)穩(wěn)定恢復(fù)至OMPa (即實(shí)際大氣壓0. IMPa)，并用真空計(jì)15標(biāo)定上游泵5、下游泵6 ；然后上游泵5 (或下游泵6)穩(wěn)定加載內(nèi)壓至實(shí)驗(yàn)設(shè)定的最大值，并用上游泵5 (或下游泵6)標(biāo)定上游壓力計(jì)16和下游壓力計(jì)17 ；
4)相同壓降逐級(jí)降低內(nèi)壓至OMPa，通過上游泵5或者下游壓力泵6計(jì)量每一級(jí)壓力變化下的系統(tǒng)總體積變化值，同時(shí)繪制內(nèi)壓與累計(jì)系統(tǒng)總體積變化值的曲線，獲取系統(tǒng)的總?cè)菟恐?amp; ；因?yàn)橄到y(tǒng)是對(duì)稱的，上、下游容水量值相等，所以上、下游的容水量值是總?cè)菟康囊话?，即Su = Sd = 0. 5Sa ；
5)卸載內(nèi)壓和圍壓，取出不銹鋼巖心塊，換上飽和蒸餾水的巖樣；重復(fù)步驟1、2和 3 (不需要再進(jìn)行標(biāo)定工作)，巖心圍壓(PJ和內(nèi)壓(Pptl)加載至設(shè)計(jì)值；
同時(shí)測(cè)量巖石滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)及孔隙度的方法，依次包括以下步驟
(1)將飽和實(shí)驗(yàn)流體的巖心放入壓力室，加載圍壓至設(shè)定值，對(duì)壓力室抽真空，加載內(nèi)壓至設(shè)定值，關(guān)閉分隔閥14 ；
(2)通過上游泵5對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)瞬時(shí)脈沖壓力(ΔΡ，一般不超過對(duì)應(yīng)內(nèi)壓的 10%)，由差壓計(jì)18記錄脈沖壓力的衰減曲線(曲線ΔP(t)_t)，上游壓力計(jì)16記錄上游壓力的變化曲線，下游壓力計(jì)17記錄下游壓力的變化曲線，溫度計(jì)19記錄系統(tǒng)溫度的變化曲線，待差壓計(jì)讀數(shù)衰減至一半(Δ P/2)時(shí)，停止采集，打開分隔閥14，此時(shí)半衰期為^ ；最后通過上游泵5控制系統(tǒng)壓力恢復(fù)至設(shè)計(jì)值(Pptl)；基于公式(1)，繪制lnAP(t) t的曲線，擬合求取初始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Citll，然后代入公式(2)計(jì)算獲取初始系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù) k01 ；
(3)通過下游泵6對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)相同瞬時(shí)脈沖，同理計(jì)算獲取反方向的初始系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)kQ2;
(4)重復(fù)步驟(2)和(3)至少三次，取所測(cè)均值作為初始系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)值k0；
(5)通過上游泵5按照設(shè)計(jì)壓力步長對(duì)系統(tǒng)減壓至設(shè)計(jì)值Ppl (Ppl < Pp0)，由控制臺(tái) 20記錄圍壓泵7中圍壓流體體積變化量(Δ Vbl)和上游泵5中系統(tǒng)流體體積變化量(Δ Vpl)， 通過上游泵5控制系統(tǒng)壓力恢復(fù)至設(shè)定值Ppl，得到該應(yīng)力狀態(tài)下的巖石孔隙體積Vpl、巖石總體積Vbl，同時(shí)根據(jù)公式( 可得到該應(yīng)力狀態(tài)下的孔隙度Ct1以及重復(fù)步驟(4)得到該應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)k1;
(6)以此類推，通過上游泵5降低內(nèi)壓至設(shè)計(jì)值Ppi(Ppi <Ρρη)，重復(fù)步驟(5)，獲取對(duì)應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)下巖石的孔隙體積Vpi、總體積Vbi、孔隙度Cti和滲透系數(shù)ki ；直到內(nèi)壓降至設(shè)計(jì)的最低值Ppn時(shí)，結(jié)束測(cè)量，打開分隔閥14，卸載內(nèi)壓，卸載圍壓，取出實(shí)驗(yàn)巖心；
(7)最后分別繪制巖石孔隙體積Vpi和巖石總體積Vbi與內(nèi)壓Ppi的關(guān)系曲線，根據(jù)公式(8)和公式(10)計(jì)算各應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的巖石孔隙壓縮系數(shù)Cpp和巖石總體積壓縮系數(shù) Cbpo
權(quán)利要求
1.同時(shí)測(cè)量巖石滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)及孔隙度的裝置，由壓力室(1)、上游入口O)、下游入口(3)、圍壓入口 0)、上游泵(5)、下游泵(6)、圍壓泵(7)、真空泵(8)、圍壓閥(9)、上游針閥(10)、下游針閥(11)、真空針閥(12)、真空閥(13)、分隔閥(14)、真空計(jì)(15)、上游壓力計(jì)(16)、下游壓力計(jì)(17)、差壓計(jì)(18)、溫度計(jì)(19)、控制臺(tái)00)組成，其特征在于， 所述壓力室(1)內(nèi)有巖心，所述圍壓入口⑷順序連接圍壓閥(9)和圍壓泵(7)；所述上游入口( 分別連接上游壓力計(jì)(16)和上游針閥(10)，所述上游針閥(10)連接上游泵(5)； 所述下游入口( 分別連接下游壓力計(jì)(17)、下游針閥(11)和真空針閥(12)，所述下游針閥(11)連接下游泵(6)，所述真空針閥(12)順序連接真空計(jì)(15)、真空閥(13)和真空泵 (8)；所述上游入口 (2)和下游入口 (3)之間分別連有分隔閥(14)和差壓計(jì)(18)；該裝置內(nèi)設(shè)置溫度計(jì)(19)；所述上游泵(5)、下游泵(6)、圍壓泵(7)、真空計(jì)(15)、上游壓力計(jì)(16)、 下游壓力計(jì)(17)、差壓計(jì)(18)和溫度計(jì)(19)均與控制臺(tái)00)連接。
2.利用如權(quán)利要求1所述的裝置測(cè)量巖石滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)及孔隙度的方法，依次包括以下步驟(1)將飽和實(shí)驗(yàn)流體的巖心放入壓力室，加載圍壓至設(shè)定值，對(duì)系統(tǒng)抽真空，加載內(nèi)壓至設(shè)定值，關(guān)閉分隔閥；(2)待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，通過上游泵對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)瞬時(shí)脈沖壓力，由差壓計(jì)記錄脈沖壓力的衰減曲線，上游壓力計(jì)、下游壓力計(jì)、溫度計(jì)分別記錄上游壓力、下游壓力、系統(tǒng)溫度的變化曲線，待差壓計(jì)讀數(shù)衰減至一半時(shí)，打開分隔閥，再通過上游泵控制系統(tǒng)壓力至設(shè)計(jì)值，繪制lnAP(t) t的曲線獲得初始系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)；(3)通過下游泵對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)相同大小瞬時(shí)脈沖壓力，同理獲得反方向的初始系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)；(4)重復(fù)步驟(2)、(3)至少三次，取所測(cè)均值作為初始系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)值；(5)通過上游泵按照設(shè)計(jì)壓力步長對(duì)系統(tǒng)減壓，并由控制臺(tái)記錄圍壓泵中圍壓流體體積變化量和上游泵中系統(tǒng)流體體積變化量，通過上游泵控制系統(tǒng)壓力恢復(fù)至設(shè)定值，得到該應(yīng)力狀態(tài)下的巖石孔隙體積和巖石總體積，同時(shí)可得到該應(yīng)力狀態(tài)下的巖石孔隙度和滲透系數(shù)；(6)重復(fù)步驟( 直到內(nèi)壓降至設(shè)計(jì)的最低值，同時(shí)同理獲取每一變化步長下對(duì)應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)下巖石的孔隙度、孔隙體積、總體積和滲透系數(shù)，結(jié)束測(cè)量，打開分隔閥，卸載內(nèi)壓， 卸載圍壓，取出實(shí)驗(yàn)巖心；(7)分別繪制巖石孔隙體積和巖石總體積與內(nèi)壓的關(guān)系曲線，計(jì)算出各應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的巖石孔隙壓縮系數(shù)和巖石總體積壓縮系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及同時(shí)測(cè)量巖石滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)及孔隙度的裝置及方法，該裝置由壓力室、上游入口、下游入口、圍壓入口、上游泵、下游泵、圍壓泵、真空泵、圍壓閥、上游針閥、下游針閥、真空針閥、真空閥、分隔閥、真空計(jì)、上游壓力計(jì)、下游壓力計(jì)、差壓計(jì)、溫度計(jì)、控制臺(tái)組成，該裝置原理可靠，操作簡便，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量復(fù)雜應(yīng)力變化條件下的巖石滲流特性參數(shù)及其變化特征。利用該裝置可同時(shí)測(cè)量巖石在應(yīng)力耦合作用下的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)以及孔隙度，為滲流相關(guān)工程的設(shè)計(jì)、施工、安全性評(píng)價(jià)及定性定量分析巖石在復(fù)雜應(yīng)力變化條件下的滲透變化特征及規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，更能滿足實(shí)際工程的需求。
文檔編號(hào)G01N7/10GK102507407SQ20111029798
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者李小春, 李閩, 王穎, 肖文聯(lián), 趙世旭, 趙金洲 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所, 西南石油大學(xué)