低渗透岩石介质渗透系数测试仪转让专利
申请号 : CN200610018829.X
文献号 : CN1837774B
文献日 : 2010-07-21
发明人 : 陈卫忠 , 伍国军 , 杨建平 , 杨春和
申请人 : 中国科学院武汉岩土力学研究所
摘要 :
本发明公开了一种低渗透岩石介质渗透系数测试仪，它由传感器、温控箱、刚性压力机轴压、刚性压力机围压系统构成，流量计与三轴室相连，温控箱与三轴室相连，在三轴室内装有轴向垫片和侧向垫片，在三轴室筒壁上装有横向应变计链子，在三轴室一端有注气口，另一端装有排气口，在三轴室上装有横向应变计夹子。本发明系统通用性好、结构简单、可靠性高，该设备可以应用于能源储存及高瓦斯矿井煤层渗透性的测试。
权利要求 :
1.一种低渗透岩石介质渗透系数测试仪，它由流量计(1)、测量试样的应力的传感器(2)、温控箱(3)、轴向垫片(4)、刚性压力机轴压(5)、侧向垫片(8)、三轴室(9)、刚性压力机围压系统(10)和垫块(12)构成，其特征是流量计(1)与三轴室(9)相连，测量试样的应力的传感器(2)与三轴室(9)相连，温控箱(3)与三轴室(9)相连，三轴室(9)内装有轴向垫片(4)和侧向垫片(8)，刚性压力机轴压(5)、刚性压力机围压系统(10)与三轴室(9)相连，三轴室(9)的底部连接有垫块(12)，在三轴室筒壁(16)上装有横向应变计链子(17)，在三轴室(9)的试样(15)上装有横向应变计夹子(14)，三轴室(9)内的试样(15)与横向应变计(13)相连，在三轴室(9)一端有注气口(6)，另一端有排气口(11)。
2.根据权利要求1所述的一种低渗透岩石介质渗透系数测试仪，其特征在于：三轴室(9)与温控箱盒(7)相连。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种低渗透岩石介质渗透系数测试仪，该仪适用于：石油地下储存、煤层瓦斯渗透性以及其他低渗透性介质的渗透系数测量，介质的渗透系数在10-22m2左右的材料都可以通过该试验系统获得。
背景技术
随着国民经济的迅速发展，国家正逐步实施石油、天然气战略能源储存，以完善国家战略能源储备体系以及能源商业储备体系，可以使我国灵活应对国际油价波动，主动掌握能源政策。盐岩由于其良好的蠕变性能以及低渗透性而被公认为地下油气储存的理想介质，西方发达国家如美国、德国、法国等都已建起了大量的盐岩地下储气(油)库，并已经建立了相关的技术指标和规范。我国盐岩赋存条件较为特殊(盐岩储层相对较薄，且富含不可溶性夹层)，实施地下能源储存将面临比西方国家盐丘储存更复杂的技术难题，层状盐岩储库的渗透性是确定储库储存压力的关键技术之一。盐岩由于具有遇水软化的特性，其渗透性只能通过透气性的方式来测量。
另外，随着资源开采深度的增加，地应力增大、地质条件恶化，煤与瓦斯突出问题将成为制约煤矿安全生产的一个重要因素，对于高瓦斯矿井而言，吨煤的瓦斯含量高达20～24m3，而高瓦斯矿井的煤层渗透性往往极低。煤岩体是一多孔介质，开挖活动使岩体的应力状态发生改变，从而导致岩体的力学性质和渗透性质发生改变。岩体内的流体在连通的空隙(孔隙、裂隙和孔洞)中的流动状态的改变，又会引起岩体力学性质的改变，使岩体的变形随之变化，两者相互影响，相互作用。为合理利用资源，减少和防止瓦斯灾害(煤与瓦斯突出，瓦斯爆炸)，了解煤岩体的渗透性以及变形破裂和瓦斯渗透的相互作用过程与规律，对确定合理的工艺参数，提高瓦斯抽放率，减少工程灾害具有重要的现实意义。
另外，随着资源开采深度的增加，地应力增大、地质条件恶化，煤与瓦斯突出问题将成为制约煤矿安全生产的一个重要因素，对于高瓦斯矿井而言，吨煤的瓦斯含量高达20～24m3，而高瓦斯矿井的煤层渗透性往往极低。煤岩体是一多孔介质，开挖活动使岩体的应力状态发生改变，从而导致岩体的力学性质和渗透性质发生改变。岩体内的流体在连通的空隙(孔隙、裂隙和孔洞)中的流动状态的改变，又会引起岩体力学性质的改变，使岩体的变形随之变化，两者相互影响，相互作用。为合理利用资源，减少和防止瓦斯灾害(煤与瓦斯突出，瓦斯爆炸)，了解煤岩体的渗透性以及变形破裂和瓦斯渗透的相互作用过程与规律，对确定合理的工艺参数，提高瓦斯抽放率，减少工程灾害具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低渗透岩石介质渗透系数测试仪，该仪器通用性好、结构简单、可靠性高、实现容易，试验过程中避免气体端部的打滑现象。对于极低渗透性能的试验材料，不但可以实现端部渗透，还可以从侧面渗透，达到加快试验的速度，提高测试的精度还可以降低试验成本。
为实现上述目的，采用以下技术方案：在试样中间开一个小孔，通过向小孔注气，并在试样的底部、顶部和四周设置密封性较好的垫块，根据试验需要，可以实现轴向、侧向或双向组合的试验方法，同时还可以测试试样的变形，通过传感器实现实验结果的实时采集。
本测试仪器包括：刚性压力机的轴向加压、侧向加压、轴向垫片和侧向垫片、温控箱、传感器、注气口和排气口、计算机部分构成。该仪器的连接关系是：
流量计1与三轴室9相连，其作用是测量通过试样的流量；
传感器2与三轴室9相连，其作用是测量试样的应力；
温控箱3与三轴室9相连，其作用是控制试验室时试样的温度；
在三轴室9内装有轴向垫片4和侧向垫片8，其作用是密封试样，确保试样从侧向渗透；
刚性压力机轴压5、刚性压力机围压系统10与三轴室相连，其作用是给试样施加轴向荷载；
三轴室一端有注气口6，其作用是给试样施加一定压力的惰性气体；三轴室另一端有排气口11，其作用是控制试验过程中排气口的压力；
在三轴室9中装有试样，其作用是提供试样安装的空间，并确保轴压和围压的施加；
垫块12与三轴室相连接，其作用是保证三轴室保证试验机传力均匀；
横向应变计13与试样紧密相连，其作用是测量试样的横向变形；
横向应变计夹子14用于调节横向应变计的尺寸和接触；
试样15与三轴室和横向应变计相连，是试验被测量的主体；
计算机与传感器相连，便于将实时采集的数据存储到计算机内；
本发明包括：实验原理，数据采集与控制系统功能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
①实验过程避免以往轴向实验所产生的端部打滑和不均匀现象。
②实验系统既可以实现轴向排气，也可以实现侧向排气或者组合式排气。
③试验过程中可以控制试样的试验温度。
④可以实现不同应力条件下的渗透性测试。
⑤系统通用性好、可靠性高、精度高，且可缩短试验周期。
为实现上述目的，采用以下技术方案：在试样中间开一个小孔，通过向小孔注气，并在试样的底部、顶部和四周设置密封性较好的垫块，根据试验需要，可以实现轴向、侧向或双向组合的试验方法，同时还可以测试试样的变形，通过传感器实现实验结果的实时采集。
本测试仪器包括：刚性压力机的轴向加压、侧向加压、轴向垫片和侧向垫片、温控箱、传感器、注气口和排气口、计算机部分构成。该仪器的连接关系是：
流量计1与三轴室9相连，其作用是测量通过试样的流量；
传感器2与三轴室9相连，其作用是测量试样的应力；
温控箱3与三轴室9相连，其作用是控制试验室时试样的温度；
在三轴室9内装有轴向垫片4和侧向垫片8，其作用是密封试样，确保试样从侧向渗透；
刚性压力机轴压5、刚性压力机围压系统10与三轴室相连，其作用是给试样施加轴向荷载；
三轴室一端有注气口6，其作用是给试样施加一定压力的惰性气体；三轴室另一端有排气口11，其作用是控制试验过程中排气口的压力；
在三轴室9中装有试样，其作用是提供试样安装的空间，并确保轴压和围压的施加；
垫块12与三轴室相连接，其作用是保证三轴室保证试验机传力均匀；
横向应变计13与试样紧密相连，其作用是测量试样的横向变形；
横向应变计夹子14用于调节横向应变计的尺寸和接触；
试样15与三轴室和横向应变计相连，是试验被测量的主体；
计算机与传感器相连，便于将实时采集的数据存储到计算机内；
本发明包括：实验原理，数据采集与控制系统功能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
①实验过程避免以往轴向实验所产生的端部打滑和不均匀现象。
②实验系统既可以实现轴向排气，也可以实现侧向排气或者组合式排气。
③试验过程中可以控制试样的试验温度。
④可以实现不同应力条件下的渗透性测试。
⑤系统通用性好、可靠性高、精度高，且可缩短试验周期。
附图说明
图1为一种低渗透岩石介质渗透参数测试仪的结构示意图。
该测试仪包括包括：流量计1，传感器2，温控箱3，轴向垫片4，刚性压力机轴压5，注气口6，温控箱盒7，侧向垫片8，三轴室9，刚性压力机围压系统10，排气口11和垫块12组成。
图2为一种三轴室的结构示意图。
该结构包括：三轴室9，横向应变计13、横向应变计夹子14以及垫块12。
图3为一种三轴室的横剖面结构示意图。
该结构包括：三轴室筒壁16，横向应变计链子17、横向应变计夹子14和试样15。
该测试仪包括包括：流量计1，传感器2，温控箱3，轴向垫片4，刚性压力机轴压5，注气口6，温控箱盒7，侧向垫片8，三轴室9，刚性压力机围压系统10，排气口11和垫块12组成。
图2为一种三轴室的结构示意图。
该结构包括：三轴室9，横向应变计13、横向应变计夹子14以及垫块12。
图3为一种三轴室的横剖面结构示意图。
该结构包括：三轴室筒壁16，横向应变计链子17、横向应变计夹子14和试样15。
具体实施方式
根据图1、图2和图3，本测试仪由专用三轴室、垫片、传感器、流量计、刚性压力机轴压以及计算机等部分组成。
本测试仪的基本连结关系是：
流量计1与三轴室9相连，采用气体质量流量计进行测量，测量的精度为0.02～10ml/min：
传感器2与三轴室9相连，实时采集试验过程中的应力、位移、流量及注气口6和排气口11的压力及流量；
温控箱3与三轴室9相连，可将试样的试验温度控制在10℃～100℃；
三轴室9分别与温控箱盒7和刚性压力机轴压5相连，其作用是密封试样及给试样施加轴向荷载，通过刚性压力机施加轴向应力，轴向垫片4根据试样的大小加工；
在三轴室9的一端有一注气口6，其作用是给试样施加一定压力的惰性气体，应用氮气作为试验气源，气体压力控制范围≤20MPa；
温控箱盒7是温控箱的外壳，其作用是确保试样均匀加热；
在三轴室9内装有侧向垫片8，其作用是确保气体从侧向渗透，侧向垫片8根据试样的大小加工；
在三轴室9内装有轴向垫块4和侧向垫片8，将试样15放入内测试，提供试样安装的空间，并确保轴压和围压的施加，三轴室9对试样进行加压的圆筒；
刚性压力机围压系统10与三轴室9相接，其作用是给试样施加围压；
在三轴室9的另一端有排气口11，其作用是控制试验过程中排气口的压力；
垫块12与三轴室9相连接，其作用是保证三轴室9保证试验机传力均匀；
横向应变计13与试样15相连，其作用是测量试样的横向变形；
在三轴室9的试样15上装有横向应变计夹子14，三轴室9内的试样15与横向应变计13相连。
轴向排气：控制试验气体排放的压力。
三轴室、温控箱和温控箱盒、刚性压力机轴压及刚性压力机围压系统、计算机、流量计、传感器等都可以从市场采购。
根据图1所示，将试验样本15放入三轴室9，并放入轴向垫片4和侧向垫片8；应用刚性压力机对试样15施加一定的轴压和围压，通过注气系统向注气口6注入高压气体，并通过控制排气口11的压力，应用流量计1和传感器2采集试验过程中的应变及流量等相关信息。
以上技术方案实现了低渗透岩石介质的渗透系数的测定，测量成本低且试验精度高，具有广泛的工程应用前景。
例子1：试验中间未开孔
注气压力P＝20MPa，排气压力P＝16MPa，流量＝0.08ml/Min时，渗透系数K＝10-22m2
例子2：试验中间开孔
注气压力P＝20MPa，排气压力P＝16MPa，流量＝0.47ml/Min时，渗透系数K＝10-22m2
本测试仪的基本连结关系是：
流量计1与三轴室9相连，采用气体质量流量计进行测量，测量的精度为0.02～10ml/min：
传感器2与三轴室9相连，实时采集试验过程中的应力、位移、流量及注气口6和排气口11的压力及流量；
温控箱3与三轴室9相连，可将试样的试验温度控制在10℃～100℃；
三轴室9分别与温控箱盒7和刚性压力机轴压5相连，其作用是密封试样及给试样施加轴向荷载，通过刚性压力机施加轴向应力，轴向垫片4根据试样的大小加工；
在三轴室9的一端有一注气口6，其作用是给试样施加一定压力的惰性气体，应用氮气作为试验气源，气体压力控制范围≤20MPa；
温控箱盒7是温控箱的外壳，其作用是确保试样均匀加热；
在三轴室9内装有侧向垫片8，其作用是确保气体从侧向渗透，侧向垫片8根据试样的大小加工；
在三轴室9内装有轴向垫块4和侧向垫片8，将试样15放入内测试，提供试样安装的空间，并确保轴压和围压的施加，三轴室9对试样进行加压的圆筒；
刚性压力机围压系统10与三轴室9相接，其作用是给试样施加围压；
在三轴室9的另一端有排气口11，其作用是控制试验过程中排气口的压力；
垫块12与三轴室9相连接，其作用是保证三轴室9保证试验机传力均匀；
横向应变计13与试样15相连，其作用是测量试样的横向变形；
在三轴室9的试样15上装有横向应变计夹子14，三轴室9内的试样15与横向应变计13相连。
轴向排气：控制试验气体排放的压力。
三轴室、温控箱和温控箱盒、刚性压力机轴压及刚性压力机围压系统、计算机、流量计、传感器等都可以从市场采购。
根据图1所示，将试验样本15放入三轴室9，并放入轴向垫片4和侧向垫片8；应用刚性压力机对试样15施加一定的轴压和围压，通过注气系统向注气口6注入高压气体，并通过控制排气口11的压力，应用流量计1和传感器2采集试验过程中的应变及流量等相关信息。
以上技术方案实现了低渗透岩石介质的渗透系数的测定，测量成本低且试验精度高，具有广泛的工程应用前景。
例子1：试验中间未开孔
注气压力P＝20MPa，排气压力P＝16MPa，流量＝0.08ml/Min时，渗透系数K＝10-22m2
例子2：试验中间开孔
注气压力P＝20MPa，排气压力P＝16MPa，流量＝0.47ml/Min时，渗透系数K＝10-22m2