本發(fā)明屬于巖石力學(xué)性能測試領(lǐng)域，特別涉及巖石滲透率測試試驗方法。

背景技術(shù)：

滲透率是描述流體在巖石等多孔介質(zhì)材料內(nèi)流動能力的重要表征參數(shù)，其在能源開采與儲存、廢棄物處置、水利工程、環(huán)境工程等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前室內(nèi)滲透率測試方法(如：穩(wěn)態(tài)法、瞬態(tài)法、孔隙壓力振蕩法等)一般采用圓柱形實心試樣，滲透介質(zhì)從試樣一個端面滲透至另一端面，利用式(1)的計算得到巖石的軸向滲透率。

式中L為圓柱形試樣的高度(m)，A為試樣橫截面面積(m²)。

近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，非常規(guī)油氣資源開采、CO₂地質(zhì)封存、鹽巖能源儲備等工程活動愈加頻繁。然而這類工程活動均面臨著一個共同問題，即巖石的滲透率極低。由于這類特低滲巖石允許流體通過自身的能力很弱，采用常規(guī)的實驗方法測試滲透率時將會面臨實驗測量過程時間跨度較大、耗時長等問題，且由于系統(tǒng)流量很小，對傳感器的要求很高，往往難以實現(xiàn)精確測量和控制。因此，采用常規(guī)的方法測試特低滲巖石的滲透特性時往往會給實驗帶來較大的誤差和困難，甚至無法測得巖石滲透特性。如果通過縮短試樣高度、增加試樣橫截面面積等手段來提高滲透測試效率，此時試樣將會變成板狀結(jié)構(gòu)，從而難以與應(yīng)力水平耦合，且實踐表明這類方法對提高巖芯滲透測試效率并不顯著。另一方面，工程實踐活動中許多的滲透問題均是三維擴(kuò)散流動過程，僅僅考察巖芯軸向方向的滲透率難以對其滲透特征進(jìn)行描述。因此，如何更加高效的獲得特低滲巖巖芯的滲透特性，尤其是徑向滲透特征，對于全面研究特低滲巖石的滲流規(guī)律具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的第一個發(fā)明目的是提供一種用于特低滲巖石徑向滲透率測試的試樣組件，以用于特低滲巖石的室內(nèi)滲透率測試，尤其是徑向滲透率測試；本發(fā)明第二個目的是提供基于上述用于特低滲巖石徑向滲透率測試的試樣組件的試驗方法，以獲得特低滲巖石徑向滲透特征。

針對本發(fā)明的第一個發(fā)明目的，本發(fā)明提供的一種用于特低滲巖石徑向滲透率測試的試樣組件，包括圓柱形巖石試樣、主體結(jié)構(gòu)為圓柱形的上轉(zhuǎn)換接頭和下轉(zhuǎn)換接頭，所述巖石試樣中心加工有為滲透介質(zhì)提供徑向滲透通道的圓柱孔，所述上轉(zhuǎn)換接頭底面中心處設(shè)計有與巖石試樣圓柱孔嵌入配合的圓柱形凸臺；所述下轉(zhuǎn)換接頭的頂面中心處設(shè)計有與巖石試樣圓柱孔嵌入配合的圓柱形凸環(huán)，底面中心處設(shè)計有與下壓頭相配合安裝孔，中心加工有從安裝孔貫通頂面圓柱形凸環(huán)的滲透介質(zhì)流通孔。

上述用于特低滲巖石徑向滲透率測試的試樣組件，上轉(zhuǎn)換接頭與下轉(zhuǎn)換接頭的直徑與巖石試樣的直徑相等。

上述用于特低滲巖石徑向滲透率測試的試樣組件，所述巖石試樣的外徑不小于50mm，優(yōu)選為50～100mm，內(nèi)徑優(yōu)選為5～10mm。巖石試樣的高度優(yōu)選為其外徑的2～2.5倍。

上述用于特低滲巖石徑向滲透率測試的試樣組件，所述上轉(zhuǎn)換接頭的主體圓柱的高度不小于10mm，優(yōu)選為10～20mm，底面上的凸臺高度不小于5mm，優(yōu)選為5～10mm，直徑小于巖石試樣中心處的圓柱孔。

上述用于特低滲巖石徑向滲透率測試的試樣組件，所述下轉(zhuǎn)換接頭的主體圓柱的高度不小于50mm，優(yōu)選為50～70mm，安裝孔深度不小于20mm，優(yōu)選為20～40mm，安裝孔的直徑優(yōu)選為20～40mm。下轉(zhuǎn)換接頭頂面上的凸環(huán)高度最好不小于5mm，優(yōu)選為5～10mm，外徑小于巖石試樣中心圓柱孔。

針對本發(fā)明的第二個發(fā)明目的，本發(fā)明提供基于上述用于特低滲巖石徑向滲透率測試的試樣組件的試驗方法，包括如下步驟：

(1)對特低滲巖石試樣進(jìn)行滲透前預(yù)處理工作，若滲透介質(zhì)為液體，對試樣進(jìn)行液體飽和預(yù)處理；若滲透介質(zhì)為氣體，需對試樣進(jìn)行干燥預(yù)處理；

(2)將上轉(zhuǎn)換接頭底面上的凸臺、下轉(zhuǎn)換接頭頂面上的凸環(huán)分別嵌入巖石試樣的中心圓柱孔中，并在巖石試樣與上轉(zhuǎn)換接頭和下轉(zhuǎn)換接頭對接端面涂抹粘接劑使之相互粘接固定為一體，以防止實驗過程中滲透介質(zhì)從試樣端面泄露，然后將巖石試樣、上轉(zhuǎn)換接頭和下轉(zhuǎn)換接頭一起整體用密封試樣袋進(jìn)行密封，防止空氣中水分進(jìn)入試樣和試樣中水分揮發(fā)；

(3)上壓頭與上轉(zhuǎn)換接頭頂面對接，對接面為能使?jié)B透出的介質(zhì)回歸到上壓頭中心孔內(nèi)，之后先用滲透絲網(wǎng)裹覆全部巖石試樣、全部上轉(zhuǎn)換接頭和部分上壓頭，再用熱縮膜完全裹覆滲透絲網(wǎng)并超出滲透絲網(wǎng)裹覆的上下銜接處，最后用密封箍圈固定密封住熱縮膜上下端部，防止實驗過程中圍壓油滲入試樣或滲透介質(zhì)外泄；

(4)將上壓頭安裝在試驗機(jī)上，下轉(zhuǎn)換接頭與試驗機(jī)上的下壓頭銜接，對整體滲透系統(tǒng)抽真空后，增加圍壓及軸壓至預(yù)定值，使?jié)B透介質(zhì)的滲透上下游壓力達(dá)到P₀，5～10分鐘后，增加滲透上游壓力至P_i，滲透下游壓力仍保持P₀不變，分別測量滲透上、下游壓力隨時間的變化規(guī)律和滲透率。

發(fā)明所述的特低滲巖石徑向滲透率計算方法：

本發(fā)明在實驗過程中滿足如下假設(shè)：

(1)滲透過程中，達(dá)西定律成立；

(2)滲流氣體為理想氣體。

本發(fā)明所述的滲透率計算公式如下：

P₁-P₂＝(P_i-P₀)e^-at (2)

式(2)為本發(fā)明方法中滲透系統(tǒng)的上、下游壓力容器的壓力隨時間的變化規(guī)律，式(2)中系數(shù)a與所選用的滲透介質(zhì)有關(guān)，當(dāng)滲透介質(zhì)為氣體時，可根據(jù)式(3)計算試樣的滲透率；當(dāng)滲透介質(zhì)為液體時，可根據(jù)式(4)計算試樣的滲透率。

若滲透系統(tǒng)中上、下游容器的體積(含管道體積)相等，即(V₁＝V₂＝V)，式(3)與式(4)可簡化為：

式(2)～式(6)中：

k為試樣的徑向滲透率(m²)，P₁、P₂分別為滲透過程中上、下游壓力容器的壓力(Pa)，P_i、P₀分別為滲透過程中上、下游壓力容器的初始壓力(Pa)，分別為滲透過程中上、下游壓力容器的平均壓力(Pa)，P_f為滲透系統(tǒng)的最終平衡壓力(Pa)，V₁、V₂分別為滲透過程中上、下游容器體積(m³)，R₁、R₂分別為巖石試樣的內(nèi)半徑、外半徑(m)，L為巖石試樣的高度(m)，t為實驗時間(s)，μ為滲透介質(zhì)的粘滯系數(shù)(Pa·s)，β為液體的壓縮系數(shù)(Pa^-1)。

上述方法中，在上壓頭和上轉(zhuǎn)換接頭的銜接面最好放置一層濾紙，以防止試樣中小顆粒堵塞滲透通道。

上述方法中，所述滲透絲網(wǎng)可選用金屬絲網(wǎng)，如鐵絲網(wǎng)、銅絲網(wǎng)等。

上述方法中，使用現(xiàn)有實驗室常規(guī)試驗機(jī)，壓頭使用申請?zhí)枮?01610084533.1的專利申請公開的“在常規(guī)巖石力學(xué)試驗機(jī)上實現(xiàn)水力壓裂實驗的方法及施壓裝置與巖石試樣”中的壓頭。

上述方法中，通過改變圍壓或軸壓可完成不同圍壓下的滲透測試以及全應(yīng)力應(yīng)變條件下的滲透測試。

本發(fā)明所述方法中所選用滲透介質(zhì)可為液體，也可為氣體，實驗過程中的不同之處主要有以下兩點(diǎn)，其一是在進(jìn)行滲透測試前對試樣的預(yù)處理不一樣，若滲透介質(zhì)為液體，需對試樣進(jìn)行液體飽和預(yù)處理；若滲透介質(zhì)為氣體，需對試樣進(jìn)行干燥預(yù)處理。其二是滲透率計算公式存在一定的差異，由于彼此差異較小，本專利下文中除特別說明外，均以氣體滲透介質(zhì)為例。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明所述滲透率測試方法及計算公式可有效提高滲透率測試效率，同常規(guī)滲透實驗方法相比，當(dāng)試樣具有相同直徑和高度時，相同時間內(nèi)本發(fā)明所述實驗方法可使得滲透壓壓力衰減速度至少提升一個數(shù)量級。

2、本發(fā)明可對特低滲巖石在不同應(yīng)力狀態(tài)下的滲透特性開展定量分析(尤其是徑向滲透特性的分析)，可以更加深入的認(rèn)識復(fù)雜的滲流特性，對于非常規(guī)油氣資源開采、能源儲存等工程實踐具有重要意義。

3、本發(fā)明所述轉(zhuǎn)換接頭、試樣等便于加工制作，實驗操作簡單，便于推廣應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述試驗機(jī)上轉(zhuǎn)換接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述試驗機(jī)下轉(zhuǎn)換接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明所述巖石試樣的剖視圖。

圖4為本發(fā)明所述試驗機(jī)轉(zhuǎn)換接頭和巖石試樣的組裝示意圖。

圖5為實施實例1中上下游容器壓力隨時間變化曲線。

圖6為實施實例中滲透率計算圖。

圖中，1—上轉(zhuǎn)換接頭，1-1—凸臺，2—下轉(zhuǎn)換接頭，2-1—凸環(huán)，2-2—安裝孔，3—試樣，4—滲透絲網(wǎng)，5—熱縮膜，6—粘接劑，7—密封箍圈，8—上壓頭。

具體實施方式

下面通過具體實施方式，對本發(fā)明所述特低滲巖石徑向滲透率測試試驗方法及所述轉(zhuǎn)換接頭、巖石試樣作進(jìn)一步說明。

實施例1

用于特低滲巖石徑向滲透率測試的試樣組件，結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，由圓柱形巖石試樣3、主體結(jié)構(gòu)為圓柱形的上轉(zhuǎn)換接頭1和下轉(zhuǎn)換接頭2組成，所述巖石試樣中心加工有為滲透介質(zhì)提供徑向滲透通道的圓柱孔，所述上轉(zhuǎn)換接頭底面中心處設(shè)計有與巖石試樣圓柱孔嵌入配合的圓柱形凸臺1-1；所述下轉(zhuǎn)換接頭的頂面中心處設(shè)計有與巖石試樣圓柱孔嵌入配合的圓柱形凸環(huán)2-1，底面中心處設(shè)計有與試驗機(jī)下壓頭相配合安裝孔2-2，下轉(zhuǎn)換接頭中心加工有從安裝孔貫通頂面圓柱形凸環(huán)的滲透介質(zhì)流通孔。上轉(zhuǎn)換接頭與下轉(zhuǎn)換接頭的主體直徑與巖石試樣的直徑相等。所述巖石試樣是將采集的頁巖露頭經(jīng)鉆、切、磨、鉆孔等工序加工制備而成。

尺寸：上轉(zhuǎn)換接頭的主體圓柱的高度為10mm，外徑為50mm，上凸臺的高度為5mm，上凸臺直徑為5mm；下轉(zhuǎn)換接頭的主體圓柱的高度為50mm，外徑為50mm，凹槽深度為25mm，凹槽的直徑為20mm，下轉(zhuǎn)換接頭的下凸臺的高度為5mm，直徑為5mm。巖石試樣的高度L＝100mm，巖石試樣的內(nèi)半徑R₁＝5mm，外半徑R₂＝50mm。

基于上述試驗機(jī)轉(zhuǎn)換接頭巖石試樣的特低滲巖石徑向滲透率測試試驗方法，步驟如下：

(1)對特低滲巖石試驗進(jìn)行進(jìn)行干燥預(yù)處理，以氮?dú)鉃闈B透介質(zhì)；

(2)將上轉(zhuǎn)換接頭底面上的凸臺、下轉(zhuǎn)換接頭頂面上的凸環(huán)分別嵌入巖石試樣的中心圓柱孔中，并在巖石試樣與上轉(zhuǎn)換接頭和下轉(zhuǎn)換接頭對接端面涂抹粘接劑使之相互粘接固定為一體，以防止實驗過程中滲透介質(zhì)從試樣端面泄露，然后將巖石試樣、上轉(zhuǎn)換接頭和下轉(zhuǎn)換接頭一起整體用密封試樣袋進(jìn)行密封，防止空氣中水分進(jìn)入試樣和試樣中水分揮發(fā)，密封后靜置，使粘接劑充分發(fā)揮粘接作用；

(3)待靜至少24小時后，取出密封的試樣與試驗機(jī)轉(zhuǎn)換接頭，將上壓頭放置在上轉(zhuǎn)換接頭頂部，頂面對接，并在上壓頭和上轉(zhuǎn)換接頭的對接面放置一層濾紙以防止試樣中小顆粒堵塞滲透管道，之后用滲透絲網(wǎng)鐵絲網(wǎng)裹覆裹覆全部巖石試樣、全部上轉(zhuǎn)換接頭、部分上壓頭，且滲透絲網(wǎng)高出上轉(zhuǎn)換接頭至少2mm，滲透絲網(wǎng)不觸及下轉(zhuǎn)換接頭，用熱縮膜裹覆的方式將滲透絲網(wǎng)固定，裹覆的高度滿足完全包覆滲透絲網(wǎng)并超出上下各銜接處，再用密封箍圈固定住熱縮膜上下端部，防止實驗過程中圍壓油滲入試樣；

(4)將上壓頭安裝在試驗機(jī)上，下轉(zhuǎn)換接頭與試驗機(jī)上的下壓頭銜接，對整體滲透系統(tǒng)抽真空后，增加圍壓至3MPa、軸壓至3MPa，打開氣瓶使?jié)B透上下游壓力達(dá)到P₀＝0.2MPa，5-10分鐘后，增加滲透上游壓力至P_i＝2.2MPa，滲透下游壓力仍保持P₀不變，分別測量滲透上、下游壓力容器壓力隨時間的變化規(guī)律；

(6)試驗結(jié)束后，從試驗機(jī)上拆除試樣和轉(zhuǎn)換接頭，將粘接在一起的試樣和轉(zhuǎn)換接頭用電爐將粘接劑烤至失效后拆除，清理轉(zhuǎn)換接頭以備后續(xù)試驗重復(fù)利用。

滲透上、下游壓力容器壓力隨時間的變化規(guī)律如圖5所示，先根據(jù)滲透上、下游壓力容器壓力隨時間的變化規(guī)律，求得與時間t的斜率，本實施例中上、下游容器的體積(含管道體積)相等，即(V₁＝V₂＝V)，因此根據(jù)式(5)計算試樣的徑向滲透率k，

本次滲透率測試完成后，隔半個小時后，重新在該條件下測試滲透率，以確保實驗的可重復(fù)性。兩次測得該試樣的滲透率分別為2.084×10^-19、2.062×10^-19，具有較好的可重復(fù)性。