專利名稱：一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及巖石類多孔介質材料突破壓力的測量技術領域，更具體涉及一種多方法集成的多孔介質材料突破壓力和滲透系數同時測量的裝置，適用于大范圍內巖石類多孔介質材料采用不同方法(包括分步法、連續法、瞬態法)進行多參數(包括突破壓力、 滲透系數)的同時、快速、寬幅、精確、高效的測量。
背景技術：
隨著天然氣、煤層氣等工業工程的深部開采及安全評價項目需求與發展，以及近年來對上述氣藏、CO2、核廢料等能源與廢棄物地質儲存技術的迫切需求與急速發展，對于上述工業工程儲集層儲存潛力和封蓋層封閉能力的研究業已成為全世界地質工作者的工作重點。諸如，對天然氣成藏能力及含氣高度的評價、對CO2儲存地層的選址評價、以及對 CO2注入地層后對該地層的風險評估及防泄漏處理技術等，對這類問題解決的關鍵技術在于對上述工業工程封蓋層封閉能力的快速、有效、精確的評價。研究蓋層(蓋巖)封閉性能的微觀參數有孔隙度、滲透系數、比表面積、微孔隙結構、密度和突破壓力等，其中突破壓力是評價蓋巖封閉能力的最直接、最根本的參數，大量的統計資料表明，蓋巖突破壓力越大，其封閉能力越強；反之則越弱。且突破壓力可用來關聯多孔介質孔隙度、滲透系數、孔隙中值半徑等基本物性參數，還可結合恢復壓力關聯多孔介質的毛細滯后性質，還能夠作為潤濕性能和成巖作用的度量指標。本實用新型所述突破壓力是指多孔介質中某些連通孔隙內的潤濕相流體被非潤濕相流體驅替時所需施加的最小壓力，在數值上近似等于多孔介質中連通的最大孔隙的毛細管壓力，是反映流體滲流通過多孔介質固有特性的特征壓力。目前多采用直接驅替法測量多孔介質材料的突破壓力，傳統的直接驅替測試方法主要有分步法和連續法，即采用分步壓力加載或恒定流量加載氣體從被測試件的一端直接驅替飽和在被測試件孔隙中的流體(水或煤油)，直至氣體從被測試件的另一端逸出時，記錄該氣體壓力被認為是被測試件的突破壓力。多孔介質材料突破壓力的大小主要取決于材料中連通的最大孔隙半徑的狀況，這些連通的最大孔隙半徑在泥質巖中含量極小，而常見的蓋層巖石主要有頁巖、泥巖和石膏、巖鹽等蒸發巖類，其最大連通孔隙都比較小。在實驗時間有限的情況下，傳統實驗方法測得的突破壓力值往往偏大，不符合實際，因為傳統實驗如果施加壓力等于或稍大于被測試件的突破壓力(最小毛管力)，由于氣體驅替被測試件中的液體是極緩慢的過程，液體排出的量極少，很難觀察到氣體的突破；如果要在短時間內觀察到氣體的突破，則實驗所需施加的壓力(即突破壓力)必須遠遠大于被測試件中最大連通孔隙的毛管壓力，造成測試結果誤差較大，此外，在實驗過程中由于被測試件的長度不可避免存在細微差異，致使同一被測試件獲得多個突破壓力值，造成測試結果誤差較大，所以用傳統方法測量突破壓力來評價蓋層是不夠準確且不夠嚴謹的。為了克服傳統突破壓力測量方法及裝置不能快速、精確測量低滲透性多孔介質材料突破壓力的缺點和不足，有必要設計一種采用瞬態法快速、寬幅、精確、高效測量多孔介質材料突破壓力的方法及裝置，用于解決低滲透性蓋層突破壓力快速精確測量的技術問題，為研究蓋層封閉性能及相關工業工程的評價工作提供一種試驗手段和技術支持。
發明內容本實用新型的目的是在于提供了一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置，該裝置設計結構簡單、實時采集、穩定性好、可操作性強、測量效率及精度高，各組構件經久耐用， 不易耗損，實用性強，可根據情況配置適合組件，靈活度和適應性強，適用于多孔介質材料突破壓力和滲透系數同時、快速、高效、精確測量。具有廣泛的應用前景。為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案為了克服傳統氣體測突破壓力的方法及裝置不能快速準確同時測量低滲透性多孔介質突破壓力和滲透系數的缺點和不足，有必要設計一種采用瞬態法快速、寬幅、高效、 精確測量多孔介質材料突破壓力和滲透系數的方法及裝置，用于解決低滲透性(k < = I(T5D)多孔介質材料突破壓力和滲透系數快速、準確測量的技術問題，同時仍然可以采用傳統分步法或連續法測量高滲透性(k> I(T5D)多孔介質材料突破壓力和滲透系數，為研究蓋層封閉性和相關工業工程的合理風險評估和防泄漏處理等提供試驗手段和技術支持。一種多方法集成的多孔介質材料突破壓力和滲透系數同時、快速、高效、精確測量的裝置，包括夾持器系統、上游非浸潤相注入系統、圍壓注入系統、下游浸潤相注入系統、下游背壓系統、差壓監測系統、數據采集處理系統和恒溫控制系統，其特征在于夾持器系統中的夾持器通過管路連接圍壓注入系統中的圍壓控制閥，夾持器系統中的上游非浸潤相通過管路連接上游非浸潤相注入系統中的上游控制閥和上游壓力計，夾持器系統中的下游浸潤相通過管路分別連接下游浸潤相注入系統中的下游控制閥和下游壓力計，以及下游背壓系統中的背壓控制閥，差壓監測系統中的上游過濾器通過管路分別連接夾持器系統中的上游非浸潤相、上游非浸潤相注入系統中的上游控制閥和上游壓力計，差壓監測系統中的下游過濾器通過管路分別連接夾持器系統中的下游浸潤相、下游浸潤相注入系統中的下游控制閥和下游壓力計、下游背壓系統中的背壓控制閥，差壓監測系統中的連通閥上游端口通過管路分別連接夾持器系統中的非浸潤相、上游非浸潤相注入系統中的上游控制閥和上游壓力計、差壓監測系統中的上游過濾器，差壓監測系統中的連通閥下游端口通過管路分別連接夾持器系統中的浸潤相、下游浸潤相注入系統中的下游控制閥和下游壓力計、差壓監測系統中的下游過濾器，數據采集處理系統中的數據采集卡通過數據線分別連接上游非浸潤相注入系統中的上游壓力計、下游浸潤相注入系統中的下游壓力計和差壓監測系統中的差壓計，夾持器系統、上游非浸潤相注入系統、下游浸潤相注入系統、下游背壓系統、差壓監測系統都放置于恒溫控制系統中(此處可隨意放置，不作要求，視測量系統和恒溫控制系統的空間大小而布置)；所述的夾持器系統包括飽和浸潤相被測試件、非浸潤相、浸潤相和圍壓相和夾持器系統(可為常規巖心夾持器或巖石三軸室等控制巖石圍壓和溫度的裝置，市場均能購置)，其中非浸潤相在被測試件的上游處，浸潤相在被測試件的下游處，圍壓相包裹被測試件、非浸潤相和浸潤相，同時，被測試件、非浸潤相、浸潤相、圍壓相都在夾持器內；所述的上游浸潤相注入系統包括上游注入泵(注入泵范圍可采用流量Q = 0. OOl-lOOmL/min，最大壓力P > = 50MPa)、上游非浸潤相、上游放空閥、上游控制閥和上游壓力計(常規壓力傳感器)，其中上游非浸潤相在上游注入泵內，上游注入泵通過管路分別連接上游放空閥(常規球閥或針閥，市場均能購置)和上游控制閥(常規球閥或針閥， 市場均能購置)，上游控制閥通過管路分別連接上游壓力計、夾持器系統中的非浸潤相和差壓監測系統中的上游過濾器，上游壓力計通過數據線連接數據采集處理系統中的數據采集卡；所述的圍壓注入系統包括圍壓注入泵(注入泵范圍可采用最大壓力P >= 50MPa 的油泵等)、圍壓相、圍壓控制閥(常規球閥或針閥，市場均能購置)和圍壓壓力計(常規壓力表，市場均能購置)，其中圍壓相在圍壓注入泵內，圍壓注入泵通過管路分別連接圍壓控制閥和圍壓壓力計，圍壓控制閥通過管路連接夾持器系統中的夾持器；所述的下游浸潤相注入系統包括下游注入泵(同上游注入泵)、下游浸潤相、下游放空閥(常規球閥或針閥，市場均能購置)、下游控制閥(常規球閥或針閥，市場均能購置)和下游壓力計(同上游壓力計)，其中下游浸潤相在下游注入泵內，下游注入泵通過管路分別連接下游放空閥和下游控制閥，下游控制閥通過管路分別連接下游壓力計、夾持器系統中的浸潤相、差壓監測系統中的連通閥和下游過濾器、下游背壓系統中的背壓控制閥(常規球閥或針閥，市場均能購置)，下游壓力計通過數據線連接數據采集處理系統中的數據采集卡；所述的下游背壓系統包括下游背壓閥(常規球閥或針閥，市場均能購置)、背壓放空閥(常規球閥或針閥，市場均能購置)和背壓控制閥(常規球閥或針閥，市場均能購置)， 其中下游背壓閥通過管路分別連接背壓放空閥和背壓控制閥，背壓控制閥通過管路分別連接夾持器系統中的浸潤相、下游浸潤相注入系統中的下游控制閥和下游壓力計、差壓監測系統中的連通閥和下游過濾器；所述的差壓監測系統包括差壓計(常規差壓傳感器，市場均能購置)、上游過濾器 (常規過濾器，市場均能購置)、連通閥(常規球閥或針閥，市場均能購置)和下游過濾器 (常規過濾器，市場均能購置)，其中差壓計通過數據線連接數據采集處理系統中的數據采集卡、通過管路分別連接上游過濾器和下游過濾器，上游過濾器通過管路分別連接連通閥、夾持器系統中的非浸潤相和上游非浸潤相注入系統中的上游控制閥和上游壓力計，下游過濾器通過管路分別連接連通閥、夾持器系統中的浸潤相、下游浸潤相注入系統中的下游控制閥和下游壓力計、和下游背壓系統中的背壓控制閥，連通閥通過管路分別連接夾持器系統中的上游非浸潤相和下游浸潤相、上游非浸潤相注入系統中的上游控制閥和上游壓力計、下游浸潤相注入系統中的下游控制閥和下游壓力計、下游背壓系統中的背壓控制閥、 上游過濾器和下游過濾器；所述的數據采集處理系統包括數據采集卡(常規數據采集卡，市場均能購置)和終端設備(包括計算機和自動采集程序)，其中數據采集卡通過數據線分別連接上游非浸潤相注入系統中的上游壓力計、下游浸潤相注入系統中的下游壓力計、差壓監測系統中的差壓計和終端設備；所述的恒溫控制系統內放置夾持器系統、上游非浸潤相注入系統、圍壓注入系統、 下游浸潤相注入系統、下游背壓系統、差壓監測系統(整個測量系統可隨意放置于恒溫控制系統內，視測量系統和恒溫控制系統的空間大小進行布置)。通過以上方案及措施設計的多方法集成的多孔介質突破壓力和滲透系數同時測量的方法及裝置，本實用新型有效解決了傳統方法及裝置不能準確測量低滲透性條件下多孔介質突破壓力的問題，同時解決了傳統方法及裝置不能同時、快速、精確、高效測量大滲透性范圍內多孔介質材料的突破壓力和滲透系數問題，為測試帽巖突破壓力和有效滲透系數，提出帽巖密封性的評價方法，同時為根據現場條件能夠提出現場注氣壓力控制指標提供試驗手段、技術支持和理論依據，效果顯著。本實用新型的工作原理本實用新型設計的多方法集成的多孔介質材料突破壓力和滲透系數同時測量的方法及裝置可采用多種方法，包括傳統分步法、連續法和本實用新型提出的瞬態法，利用同等溫度條件下，非浸潤相和浸潤相與被測試件之間不同的物理特性，根據突破壓力的測試原理，即多孔介質中的浸潤相被非浸潤相開始突破(或者驅替)所需的最小臨界壓力。雖然材料的突破壓力受地層應力、溫度應力、流體壓力、非浸潤相狀態、巖石礦物分布等因素的影響，但主要受控于材料的空隙結構影響，同時與滲透系數具有非常好的負相關，隨滲透系數的減小而增大。當采用傳統分步法或連續法實驗時，通過調節被測試件上游非浸潤相的壓力，同時通過背壓閥控制下游浸潤相的壓力，將上游非浸潤相壓力增至大于或等于突破壓力與下游浸潤壓力時，也即下游浸潤相不斷流出時，此時的上游非浸潤相與下游浸潤相之間的壓力差被認為是該被測試件中的浸潤相被非浸潤相突破的最小臨界壓力。但在實驗條件和測試時間有限的情況下，當測試低滲透性多孔介質材料時往往測試結果偏大很多， 本實用新型提出的瞬態法則避免了傳統分布法及連續法的局限，對上游非浸潤相施加瞬時脈沖，則在飽和浸潤相的被測試件內部形成一維滲流，此時下游浸潤相壓力逐漸上升，直至系統再次達到平衡狀態，此時的上游非浸潤相與下游浸潤相之間的壓力差即為被測試件中的浸潤相被非浸潤相突破的最小臨界壓力。瞬態法避免了傳統分布法和連續法需要監測下游浸潤相流量的局限，僅需通過監測上游非浸潤相和下游浸潤相的壓力變化即可換算突破壓力，同時根據監測的上游非浸潤相和下游浸潤相之間的壓力差隨時間的變化曲線，結合達西定律換算的瞬態脈沖法滲透系數計算公式即可換算被測試件的浸潤相滲透系數。例如
圖1、圖2分別為采用瞬態法測量多孔介質材料中鹵水介質被(X)2介質突破時的突破壓力和該材料的鹵水滲透系數的測試原理圖，其中PuO-上游非浸潤相0)2初始壓力；PdO-下游浸潤相鹵水初始壓力；Δ P-瞬時脈沖壓力；t-經過時間；Pco2-上游非浸潤相CO2壓力變化曲線；Pbrine-下游浸潤相鹵水壓力變化曲線；Pc-被測試件中浸潤相被非浸潤相突破的最小臨界壓力，即突破壓力。被測試件的浸潤相滲透系數k的換算公式如下
權利要求1.一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置，包括夾持器系統(1)、上游非浸潤相注入系統(2)、圍壓注入系統(3)、下游浸潤相注入系統(4)、下游背壓系統(5)、差壓監測系統 (6)、數據采集處理系統(7)和恒溫控制系統(8)，其特征在于夾持器系統(1)中的夾持器 (15)通過管路連接圍壓注入系統(3)中的圍壓控制閥(33)，其上游通過管路連接上游非浸潤相注入系統(2)中的上游控制閥(24)和上游壓力計(25)，其下游通過管路分別連接下游浸潤相注入系統(4)中的下游控制閥(44)、下游壓力計(45)、和下游背壓系統(5)中的背壓控制閥(53)，差壓監測系統(6)中的連通閥(63)通過管路分別連接夾持器系統(1)中的上游非浸潤相(12)和下游浸潤相(13)，數據采集處理系統(7)中的數據采集卡(71)通過數據線分別連接上游非浸潤相注入系統(2)中的上游壓力計(25)、下游浸潤相注入系統(4)中的下游壓力計(45)和差壓監測系統(6)中的差壓計(61)，夾持器系統(1)、上游非浸潤相注入系統(2)、下游浸潤相注入系統(4)、下游背壓系統(5)、差壓監測系統(6)放置于恒溫控制系統(8)中。
2.根據權利要求1所述的一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置，其特征在于所述的夾持器系統(1)包括飽浸潤相被測試件(11)、非浸潤相(12)、浸潤相(13)、圍壓相(14) 和夾持器(15)，非浸潤相(12)在被測試件(11)的上游，浸潤相(13)在被測試件(11)的下游，圍壓相(14)包裹被測試件(11)、非浸潤相(12)和浸潤相(13)，被測試件(11)、非浸潤相 (12)、浸潤相(13)、圍壓相(14)都在夾持器(15)內；夾持器系統(1)內的非浸潤相(12)與上游非浸潤相注入系統(2)中的上游控制閥(24)和上游壓力計(25)連接，差壓監測系統 (6 )中的連通閥(63 )和上游過濾器(62 )連接，夾持器系統(1)內的浸潤相(13 )與下游浸潤相注入系統(4)中的下游控制閥(44)和下游壓力計(45)連接，背壓控制系統(5)中的背壓控制閥(53 )連接，差壓監測系統(6 )中的連通閥(63 )和下游過濾器(64 )連接，夾持器系統 (1)內的圍壓相(14)與圍壓注入系統(3)中的圍壓控制閥(33)連接。
3.根據權利要求1所述的一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置，其特征在于所述的上游浸潤相注入系統(2)包括上游注入泵(21)、上游非浸潤相(22)、上游放空閥(23)、上游控制閥(24)和上游壓力計(25)，上游非浸潤相(22)在上游注入泵(21)內，上游注入泵 (21)通過管路分別連接上游放空閥(23)和上游控制閥(24)，上游控制閥(24)通過管路分別連接上游壓力計(25)、夾持器系統(1)中的非浸潤相(12)和差壓監測系統(6)中的連通閥(63 )和上游過濾器(62 )，上游壓力計(25 )通過數據線連接數據采集處理系統(7 )中的數據采集卡(71)。
4.根據權利要求1所述的一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置，其特征在于所述的圍壓注入系統(3)包括圍壓注入泵(31)、圍壓相(32)、圍壓控制閥(33)和圍壓壓力計 (34)，圍壓相(32)在圍壓注入泵(31)內，圍壓注入泵(31)通過管路分別連接圍壓控制閥 (33)和圍壓壓力計(34)，圍壓控制閥(33)通過管路連接夾持器系統(1)中的夾持器(15) 和圍壓相(14)。
5.根據權利要求1所述的一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置，其特征在于所述的下游浸潤相注入系統(4)包括下游注入泵(41)、下游浸潤相(42)、下游放空閥(43)、下游控制閥(44)和下游壓力計(45)，下游浸潤相(42)在下游注入泵(41)內，下游注入泵(41) 通過管路分別連接下游放空閥(43)和下游控制閥(44)，下游控制閥(44)通過管路分別連接下游壓力計(45)、夾持器系統(1)中的浸潤相(13)、差壓監測系統(6)中的連通閥(63)和下游過濾器(64)和下游背壓系統(5)中的背壓控制閥(53)，下游壓力計(45)通過數據線連接數據采集處理系統(7)中的數據采集卡(71)。
6.根據權利要求1所述的一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置，其特征在于所述的下游背壓系統(5)包括下游背壓閥(51)、背壓放空閥(52)和背壓控制閥(53)，下游背壓閥(51)通過管路分別連接背壓放空閥(52)和背壓控制閥(53)，背壓控制閥(53)通過管路分別連接夾持器系統(1)中的浸潤相(13)、下游浸潤相注入系統(4)中的下游控制閥(44) 和下游壓力計(45)、和差壓監測系統(6)中的連通閥(63)和下游過濾器(64)。
7.根據權利要求1所述的一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置，其特征在于所述的差壓監測系統(6)包括差壓計(61)、上游過濾器(62)、連通閥(63)和下游過濾器(64)，差壓計(61)通過數據線連接數據采集處理系統(7 )中的數據采集卡(71)、通過管路分別連接上游過濾器(62 )和下游過濾器(64 )，上游過濾器(62 )通過管路分別連接連通閥(63 )、非浸潤相(12)、上游控制閥(24)和上游壓力計(25)，下游過濾器(64)通過管路分別連接連通閥 (63),下游控制閥(44)和下游壓力計(45)和背壓控制閥(53)，連通閥(63)通過管路分別連接非浸潤相(12)、浸潤相(13)、上游控制閥(24)、上游壓力計(25))、下游控制閥(44)、下游壓力計(45)、背壓控制閥(53)、上游過濾器(62)和下游過濾器(64)。
8.根據權利要求1所述的一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置，其特征在于所述的數據采集處理系統(7)包括數據采集卡(71)和終端設備(72)，數據采集卡(71)通過數據線分別連接上游壓力計(25)、下游壓力計(45)、差壓計(61)和終端設備(72)。
9.根據權利要求1所述的一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置，其特征在于所述的恒溫控制系統(8)內放置夾持器系統(1)、上游非浸潤相注入系統(2)、圍壓注入系統 (3)、下游浸潤相注入系統(4)、下游背壓系統(5)、差壓監測系統(6)。
專利摘要本實用新型公開了一種多孔介質材料突破壓力測量的裝置，夾持器通過管路連接圍壓控制閥，上游通過管路連接上游控制閥和上游壓力計，下游通過管路分別連接下游控制閥、下游壓力計和背壓控制閥，連通閥通過管路分別連接上游非浸潤相和下游浸潤相，數據采集卡通過數據線分別連接上游壓力計。該裝置設計結構簡單、實時采集、穩定性好、可操作性強、測量效率及精度高，各組構件經久耐用，不易耗損，實用性強，可根據情況配置適合組件，靈活度和適應性強，適用于多孔介質材料突破壓力和滲透系數同時、快速、高效、精確測量。
文檔編號G01N33/24GK202057570SQ20112006134
公開日2011年11月30日 申請日期2011年3月9日 優先權日2011年3月9日
發明者李小春, 王燕, 王穎, 魏寧 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所