基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置及方法，該裝置包括通過(guò)連通管路相連通的壓力室（1）、氣壓加載系統(tǒng)（2）、圍壓加載系統(tǒng)（3）、待測(cè)低滲巖石（4）、高精度壓力計(jì)（5）；所述待測(cè)低滲巖石（4）放置在壓力室（1）內(nèi)；所述氣壓加載系統(tǒng)（2）向待測(cè)低滲巖石（4）的上下表面加載氣壓；所述高精度壓力計(jì)（5）用于測(cè)量連通管路內(nèi)的氣壓；所述圍壓加載系統(tǒng)（3）向待測(cè)低滲巖石（4）的四周加載圍壓。本發(fā)明的方法是通過(guò)氣壓加載后高精度壓力計(jì)測(cè)量的惰性氣體壓力變化，推求不同圍壓下巖樣的有效孔隙度。本發(fā)明具有裝置操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)測(cè)量的圍壓范圍廣、測(cè)試精度高、試驗(yàn)周期短、最終成果轉(zhuǎn)化容易的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]低滲巖石是進(jìn)行地下石油和天然氣儲(chǔ)存、C02儲(chǔ)存、頁(yè)巖氣儲(chǔ)存、核廢料處置的主要介質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境，也是水利水電、礦山和隧道等工程建設(shè)中常見(jiàn)的一種復(fù)雜介質(zhì)。低滲巖石有效孔隙度的大小直接決定了巖石的結(jié)構(gòu)和滲透性能，因而對(duì)其的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)研究巖石結(jié)構(gòu)和滲透性能至關(guān)重要。
[0003]目前，有效孔隙度的測(cè)量方法通常有三種:實(shí)驗(yàn)室方法、各種井下測(cè)試技術(shù)為基礎(chǔ)的間接方法，如氣體孔隙率儀，核磁共振井技術(shù)等，還可利用圖像處理技術(shù)，結(jié)合電鏡掃描圖片得到巖樣切片的面孔隙度。這些方法都有各自的應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，而且這些方法主要是針對(duì)滲透性較高的巖石進(jìn)行的。對(duì)滲透率低的低滲巖石，還缺少更加精確和簡(jiǎn)單的測(cè)試裝置和方法。
[0004]巖石材料有效孔隙度的測(cè)試方法主要有液體測(cè)量法和氣體測(cè)量法。液體飽和測(cè)量法基于阿基米德原理，氣體測(cè)量法基于玻意耳定理。采用液體進(jìn)行測(cè)量，其設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，但存在的問(wèn)題是:低滲的巖心樣品很難飽和進(jìn)液體，如采用高壓飽和法，對(duì)樣品會(huì)造成一定的傷害，不利于科學(xué)分析。采用氣體進(jìn)行測(cè)量，其誤差比較大，尤其是特低滲巖心的孔隙度本身就小，即使1%。的測(cè)量誤差，對(duì)比較規(guī)則的樣品也會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的偏差在10%以上，不規(guī)則、有缺陷的樣品偏差就更大。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置及方法，克服以往測(cè)量孔隙度誤差大、結(jié)果不穩(wěn)定等問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案:
一種基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置，包括待測(cè)低滲巖石和通過(guò)連通管路相依次連通的氣壓加載系統(tǒng)、高精度壓力計(jì)、壓力室、圍壓加載系統(tǒng)；其中，所述連通管路包括連接管路、第一至第五閥門(mén)以及與外界大氣壓連通的腔體；所述待測(cè)低滲巖石放置在壓力室內(nèi)；所述氣壓加載系統(tǒng)向待測(cè)低滲巖石的上下表面加載氣壓；所述高精度壓力計(jì)用于測(cè)量連通管路內(nèi)的氣壓；所述圍壓加載系統(tǒng)向待測(cè)低滲巖石的四周加載圍壓；所述第一閥門(mén)設(shè)置在氣壓加載系統(tǒng)和腔體之間的連接管路上；所述第二閥門(mén)設(shè)置在腔體上，用于控制腔體與外界大氣壓的通斷；所述第三閥門(mén)設(shè)置在腔體與高精度壓力計(jì)之間的連接管路上；所述第四、第五閥門(mén)分別設(shè)置在連通壓力室上下部的連接管路上。
[0007]所述氣壓加載系統(tǒng)包括惰性氣體氣源、氣壓控制裝置；所述氣壓控制裝置用于控制輸出氣壓；所述惰性氣體氣源提供的惰性氣體為氬氣。
[0008]一種基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量的方法，包括以下步驟:步驟1:選取天然低滲巖石試樣，將巖石試樣加工成圓柱形狀，測(cè)量其直徑和高度，通過(guò)計(jì)算得到巖石試樣的體積K;
步驟2:將巖石試樣用高性能橡膠套裝好后，放入壓力室中，并調(diào)整巖石試樣位置使之平衡；
步驟3:打開(kāi)圍壓控制裝置向巖石試樣施加圍壓至預(yù)定值后關(guān)閉，使圍壓持續(xù)穩(wěn)定在預(yù)定值；
步驟4:關(guān)閉第一閥門(mén)，打開(kāi)第二至第五閥門(mén)使所有管路與外界大氣相通，放置一段時(shí)間待儀器內(nèi)部的氣體排放干凈，并將高精度壓力計(jì)校正為O ;
步驟5:關(guān)閉第二、第四、第五閥門(mén)，打開(kāi)第一、第三閥門(mén)，打開(kāi)氣壓加載系統(tǒng)向管路施加氣壓；
步驟6:關(guān)閉第一、第三閥門(mén)，待高精度壓力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄讀數(shù)Λ ；
步驟7:打開(kāi)第四、第五閥門(mén)，使得氣體從管道內(nèi)向巖體內(nèi)擴(kuò)散，待高精度壓力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄讀數(shù)Λ ；
步驟8:重復(fù)步驟4~步驟7，進(jìn)行不同圍壓條件下的氣體實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；
步驟9:通過(guò)下列公式計(jì)算巖石試樣在不同圍壓下的有效孔隙度:
【權(quán)利要求】
1.一種基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置，其特征在于:該裝置包括待測(cè)低滲巖石(4)和通過(guò)連通管路相依次連通的氣壓加載系統(tǒng)(2)、高精度壓力計(jì)(5)、壓力室(I)、圍壓加載系統(tǒng)(3);其中，所述連通管路包括連接管路、第一至第五閥門(mén)以及與外界大氣壓連通的腔體；所述待測(cè)低滲巖石(4)放置在壓力室(I)內(nèi)；所述氣壓加載系統(tǒng)(2)向待測(cè)低滲巖石(4)的上下表面加載氣壓；所述高精度壓力計(jì)(5)用于測(cè)量連通管路內(nèi)的氣壓；所述圍壓加載系統(tǒng)(3)向待測(cè)低滲巖石(4)的四周加載圍壓；所述第一閥門(mén)設(shè)置在氣壓加載系統(tǒng)(2)和腔體之間的連接管路上；所述第二閥門(mén)設(shè)置在腔體上，用于控制腔體與外界大氣壓的通斷；所述第三閥門(mén)設(shè)置在腔體與高精度壓力計(jì)(5)之間的連接管路上；所述第四、第五閥門(mén)分別設(shè)置在連通壓力室(I)上下部的連接管路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置，其特征在于:所述氣壓加載系統(tǒng)包括惰性氣體氣源、氣壓控制裝置；所述氣壓控制裝置用于控制輸出氣壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置，其特征在于:所述惰性氣體氣源提供的惰性氣體為氬氣。
4.一種采用如權(quán)利要求1所述的基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:選取天然低滲巖石試樣，將巖石試樣加工成圓柱形狀，測(cè)量其直徑和高度，通過(guò)計(jì)算得到巖石試樣的體積K; 步驟2:將巖石試樣用高性能橡膠套裝好后，放入壓力室(I)中，并調(diào)整巖石試樣位置使之平衡； 步驟3:打開(kāi)圍壓控制裝置(3)向巖石試樣施加圍壓至預(yù)定值后關(guān)閉，使圍壓持續(xù)穩(wěn)定在預(yù)定值； 步驟4:關(guān)閉第一閥門(mén)，打開(kāi)第二至第五閥門(mén)使所有管路與外界大氣相通，放置一段時(shí)間待儀器內(nèi)部的氣體排放干凈，并將高精度壓力計(jì)(5)校正為O ; 步驟5:關(guān)閉第二、第四、第五閥門(mén)，打開(kāi)第一、第三閥門(mén)，打開(kāi)氣壓加載系統(tǒng)(2)向管路施加氣壓； 步驟6:關(guān)閉第一、第三閥門(mén)，待高精度壓力計(jì)(5)讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄讀數(shù)Λ ； 步驟7:打開(kāi)第四、第五閥門(mén)，使得氣體從管道內(nèi)向巖體內(nèi)擴(kuò)散，待高精度壓力計(jì)(5)讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄讀數(shù)Λ ; 步驟8:重復(fù)步驟4~步驟7，進(jìn)行不同圍壓條件下的氣體實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)； 步驟9:通過(guò)下列公式計(jì)算巖石試樣在不同圍壓下的有效孔隙度:
式中，Kv=Od1/ P2) X V1-(； 式中，φ為有效孔隙度，以百分?jǐn)?shù)表示；κν為巖石試樣孔隙體積，其中也包括裂隙體積；K為巖石試樣體積A為已知的第三閥門(mén)與第四、第五閥門(mén)之間管道的體積；κ2為第五閥門(mén)與待測(cè)巖石試樣之間管道的體積；κ3為第四閥門(mén)與待測(cè)巖石試樣之間管道的體積'Ρy、Ρ2為實(shí)驗(yàn)記錄的高精度壓力計(jì)讀數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種采用基于惰性氣體實(shí)驗(yàn)的低滲巖石有效孔隙度測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量的方法，其特征在于，步驟9所述K2+K3通過(guò)校正實(shí)驗(yàn)得到，其中校正實(shí)驗(yàn)的步驟如下: 步驟A:選取一個(gè)完全不透氣的金屬試樣，外部套好橡膠套，放入壓力室(I)中； 步驟B:按照步驟3~步驟7進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄高精度壓力計(jì)(5)的讀數(shù)Λ、Λ ; 步驟C:由玻意耳定律:P風(fēng)=P2X (WK3)得到Κ2+Κ3的值，完成校正實(shí)驗(yàn)。
【文檔編號(hào)】G01N15/08GK103674804SQ201310601006
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】王環(huán)玲, 徐衛(wèi)亞, 左婧, 賈朝軍, 王偉 申請(qǐng)人:河海大學(xué)