一种基于渗吸和离子扩散特性的页岩孔径测量装置及方法与流程

文档序号：12118355阅读：来源：国知局

技术特征：

1.一种基于渗吸和离子扩散特性的页岩孔径测量装置，其特征在于，它包括：高精度分析天平(1)、支架(2)、烧瓶(3)、鱼线(4)、磁力搅拌器(5)、升降系统(6)、电导率仪(7)、恒温恒湿箱(8)；

所述高精度分析天平(1)置于所述支架(2)上方，用于测量页岩样品吸水前后的质量变化；

所述支架(2)置于所述恒温恒湿箱(8)内，用于承载所述高精度分析天平(1)；所述支架(2)中间设有小孔，用于将悬挂在所述高精度分析天平(1)上的页岩样品垂直悬吊到所述支架(2)内部；

所述烧瓶(3)置于所述磁力搅拌器(5)上表面，用于盛装蒸馏水，垂掉在所述高精度分析天平(1)上的页岩样品上升或下降时可以从所述烧瓶(3)口部出入；

所述鱼线(4)用于将页岩样品垂掉在所述高精度天平(1)上；

所述磁力搅拌器(5)置于所述升降系统(6)上表面，用于搅拌所述烧瓶(3)内的蒸馏水；

所述升降系统(6)用于升降所述烧瓶(3)，实现页岩样品浸没或离开所述烧瓶(3)中的蒸馏水；

所述电导率仪(7)垂掉于所述烧瓶(3)内蒸馏水中，用于测定所述烧瓶(3)内蒸馏水的离子浓度；

所述恒温恒湿箱(8)用于使所述高精度分析天平(1)、所述支架(2)、所述烧瓶(3)、所述鱼线(4)、所述磁力搅拌器(5)、所述升降系统(6)、所述电导率仪(7)处于恒温恒湿环境。

2.如权利要求1所述的一种基于渗吸和离子扩散特性的页岩孔径测量装置，其特征在于：所述高精度分析天平(1)的精度为0.0001g。

3.如权利要求1所述的一种基于渗吸和离子扩散特性的页岩孔径测量装置，其特征在于：所述烧瓶(3)为250ml烧瓶。

4.如权利要求1所述的一种基于渗吸和离子扩散特性的页岩孔径测量装置，其特征在于：所述鱼线(4)为0.6号鱼线。

5.如权利要求1所述的一种基于渗吸和离子扩散特性的页岩孔径测量装置，其特征在于：所述电导率仪(7)精度为0.1μS/cm。

6.一种基于渗吸和离子扩散特性的页岩孔径测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

A.提取圆柱形页岩样品，计算截面积A_c，用环氧树脂将圆柱形页岩样品柱面封固，置于烘干箱中烘干，直至圆柱形页岩样品质量不再变化；

B.将高精度分析天平置于支架上，使用鱼线将烘干后的圆柱形页岩样品悬挂于高精度分析天平上，记录高精度分析天平读数M0；

C.将升降系统置于支架下方，烧瓶置于磁力搅拌器上，磁力搅拌器置于升降系统上；

D.向烧瓶内加入体积为V的蒸馏水，并测定水中电导率G0；

E.开启磁力搅拌器，使升降系统上升，使圆柱形页岩样品浸没于蒸馏水中20秒；

F.使升降系统下降，使得圆柱形页岩样品完全露出水面，记录天平读数M1，并测定水中电导率G1；

根据气水两相渗流理论，计算单位面积吸水量V_imb和渗吸过程中离子扩散引起的溶液电导率G随时间的变化关系；其中涉及的物性参数x，k_w，P_c,S_wf,S_wi，μ_w,B,C，n都不需要进行测定，B和C通过分析后期的测试曲线来获得，其它参数通过后期的数学变换的手段消掉这些参数的影响；

根据Handy渗吸模型，水相渗吸前缘的位置x随着渗吸时间t的变化关系为：

$<mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>k</mi> <mi>w</mi> </msub> <msub> <mi>p</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>φμ</mi> <msub> <mrow></mrow> <mi>w</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </msqrt> </mrow>$

式中k_w为水渗透率mD；P_c为毛细管力Pa，为孔隙度，S_wf为前缘含水饱和度，S_wi为初始含水饱和度；

由于圆柱形页岩样品致密，因此前缘含水饱和度较高，且圆柱形页岩样品经过了烘干处理，则两者间的差约等于1；

圆柱形页岩样品渗吸过程中，单位面积吸入水的体积随着时间的变化为：

$<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>m</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>B</mi> <mo>+</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>k</mi> <mi>w</mi> </msub> <msub> <mi>p</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>φ</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>t</mi> </mrow> <msub> <mi>μ</mi> <mi>w</mi> </msub> </mfrac> </msqrt> </mrow>$

式中：B为单位面积水的滞留量g/cm²，μ_w为水的粘度

则离子扩散引起的溶液电导率变化为：

$<mrow> <mi>G</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <mfrac> <mi>C</mi> <mi>V</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <mi>π</mi> <mi>r</mi> <mi>n</mi> <mi>C</mi> </mrow> <mi>V</mi> </mfrac> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>k</mi> <mi>w</mi> </msub> <msub> <mi>p</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>φμ</mi> <msub> <mrow></mrow> <mi>w</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mo>·</mo> <msqrt> <mi>t</mi> </msqrt> </mrow>$

式中：C为单位面积离子附着量mg/cm²，n为毛细管数；

G.再次使升降系统上升，使得圆柱形页岩样品完全浸没于蒸馏水中20秒；

H.重复步骤F和步骤G，得到M～M0和G～G0随着时间t的变化，即可得到吸水体积V_imb和溶液电导率G随着时间t的变化；

I.绘制单位表面积的吸水体积、电导率随着t^0.5的变化曲线，分别求取曲线斜率、渗吸速率A和离子扩散速率D，将获取的A和D进行计算并可以获得A/D的比值；

根据单位面积吸水量V_imb和渗吸过程中离子扩散引起的溶液电导率G随着时间变化的理论公式，计算渗吸速率A和离子扩散D的比值，过程如下：

$<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>m</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>B</mi> <mo>+</mo> <mi>A</mi> <msqrt> <mi>t</mi> </msqrt> </mrow>$

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渗吸速率与离子扩散速率之比为：

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J.电导率曲线延长线与纵轴的截距为C/V，得到页岩的平均孔径r。

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