[发明专利]基于标定渗透实验的标准试件

说明书

技术领域

本发明涉及多孔介质标准试件技术领域，更具体涉及一种基于标定渗透实验的标准试件，适用于标定渗透实验的精度和量程，尤其适用于标定低渗透实验的精度和量程。

背景技术

渗透性是多孔介质的一种重要性质，渗透系数是表征多孔介质渗透性的参数。长期以来，人们逐渐认识并运用渗透系数参数来评价岩层的渗透性能。一般来说，石油工程和水文地质领域关注具有较高渗透系数的含水层和贮油岩层；地震和结构地质研究领域关注具有低渗透性的非沉积岩层；近年来，越来越多的研究领域关注具有超低渗甚至难渗的岩层，往往这些岩层处于高地应力和高孔隙压状态，岩层渗透性会在外力作用或环境改变下大幅度变化，诸如流体矿藏(石油、天然气、煤层气、地下水等)储层的评价与开采、废弃物(核废弃物、温室气体、垃圾污染物等)的地质封存地层的评价与施工设计等研究。可见，高效精确的渗透系数测量方法及装置，可以为以上各研究领域的发展和工程项目的开发提供可靠的依据和有力的手段。目前，大多数岩石渗透系数的测量方法根据测量途径可分为两大类：一类是直接测量，如岩石样品的渗透实验、地层测试等；另一类是间接测量，通过测量与岩石渗透性相关的岩石物理性质参数，利用两者之间的关系确定渗透系数。相对而言，直接测量的准确程度更高，所以大部分研究者倾向于采用室内实验对岩石样品进行渗透实验来获取渗透系数。

自十九世纪中叶达西定律问世，到二十世纪人们正式称呼达西定律中的比例常数“K”为渗透系数，实际上，根据达西实验叫透水系数更为准确，因为透水系数是与岩石颗粒几何形状结构和渗透介质性质都相关的参数，笔者在本文中提的渗透系数为多孔介质的固有属性参数，单位为达西D(D＝μm²)，其中渗透系数与透水系数之间有一个近似的换算关系，为1D＝1×10^-3cm/s＝1×10^-5m/s，注意必须是在常规状态下以液体水为渗流介质。后人基于达西定律和达西渗透实验方法及装置，为研究各领域研究对象的材料属性，或为评价各工程项目的开发和施工设计提供关键参数，研发了适合各种研究对象的室内渗透测量方法及测量装置。到目前为止，室内渗透实验根据测量原理亦可分为两大类：一类是常规渗透实验，包括定水位法和变水位法两种，达西渗透实验就属于定水位法；另一类是低渗透实验，包括瞬态压力脉冲法(定容脉冲法)、恒流泵法、压力振荡法和最近提出的变容压力脉冲法四种。常规渗透实验主要是在稳定流状态下测量流量参数，低渗透实验主要是在非稳定流状态下测量压力(水头)参数。

目前国内外尚无一种已知渗透系数，且渗透系数在多种实验条件下恒定不变的标准试件，上述各种渗透系数测量方法及测量装置对于其测量结果的精度和误差难以明确说明，大部分研究者都是以测量结果的重复性来评价其客观性。由于室内和现场渗透实验测量结果并没有严格统一的界定，全球的渗透测量技术也没有标准的或规范的标定说法，所以会出现如下问题：对于同一个岩石样品，它的渗透系数应该是常数，但是若采用不同的渗透测量方法或不同的测量装置获得的测量结果将是不一样的，甚至相差数个量级，即便是采用同种实验方法和装置，也会出现测量结果重复性偏差的问题，出现这个问题的原因有两个方面：一方面是岩石样品本身的渗透系数会因种种原因而发生变化，诸如固体骨架的溶蚀、微生物繁殖造成孔隙堵塞、颗粒在压力梯度或渗流下冲蚀、岩石样品本身出现热敏、水敏问题等等，所以在不同的时期或不同的外在条件下岩石样品自身的渗透系数不相等，甚至跨量级变化；另一方面是所采用的渗透实验方法和测量装置所监测的参数(流量或压力)不同或装置的性能(泄漏率、计量精度等)不同或控制的外在条件(温度、孔隙压、压力梯度等)不同等等诸多原因，导致对同一个岩石样品测得的渗透系数值不同。那么对于不同的岩石样品，在不同的外在条件下，究竟选用哪种测量方法或测量装置更为准确，目前国内外还没有严格的参照标准，大部分都是依据经验常识来判断；哪种测量方法或测量装置更为优越，也很难评价和校核了；如果需要改进测量方法和测量装置，也无法精确量化改进程度。由此可见，基于标定渗透实验的具有已知的基准渗透参数的标准试件对于实验研究和装置开发必不可少，以该标准试件的渗透系数为参照标准，就可以明确说明各种岩石样品的渗透性，精确标定渗透实验的精度和量程，有助于实验方法的优化和实验装置的改进。

发明内容