一种基于磁悬浮重量法确定页岩孔隙度的方法

摘要

本发明提供了一种基于磁悬浮重量法确定页岩孔隙度的方法，该方法包括以下步骤：进行空白测试获取样品的质量和体积；进行浮力测试计算出样品与样品桶的质量之和及体积和；进行吸附测试获取样品吸附的气体的质量；基于达到平衡态后，吸附气体的质量和体积不变的事实，根据获取的上述数据计算得到样品的孔隙度。本发明的有益效果是：本发明利用重量法等温吸附原理，在精准测量页岩样品的吸附量的基础上间接测算出页岩的孔隙度，不仅节约了成本，还提高了效率。

说明书

技术领域

本发明涉及到矿物测量的技术领域，尤其涉及到一种基于磁悬浮 重量法确定页岩孔隙度的方法。

背景技术

为了衡量储集岩孔隙性的好坏和孔隙发育程度，并表征岩石中孔 隙总体积的大小，提出了岩石孔隙度(或孔隙率)的概念。储集岩孔 隙度可定义为岩石孔隙的总体积Vp与岩石总体积Vr之比，用希腊 字母Φ表示，一般为百分数，其表达式如1-1-1所示：

Φ＝Vp/Vr*100％＝Vp/(Vs+Vp)    (1-1-1)

式中，Φ—孔隙度，％；

Vr—岩石样品的总体积，cm³；

Vp—孔隙体积，cm³；

Vs—岩石样品骨架体积，cm³。

在确定孔隙度时，只要求得岩石总体积、固体部分(颗粒及胶结 物)的体积以及孔隙体积这三个参数中间的两个就能按式1-1-1计 算出孔隙度。

样品固体体积的测定主要有比重瓶法、固体比重计法、浸没称重 法、气体压缩法。前三种测定方法由于受到孔隙大小以及实验精度的 制约较不常见，因此这里着重介绍气体压缩法。以气体压缩法方法制 造的仪器，其原理都是以波义耳—马里奥特定律为基础的，对大岩心 和小岩心、规则外形和不规则外形的样品均可适用。仪器主要有气源、 调压阀、高精度压力表、样品室和标准体积室组成。气体首先冲入标 准体积室V1，并记录压力P1。随后切断气源，将标准体积室内的气 体放入样品室使之达到压力平衡，由此便可计算出岩石固体体积。其 计算如下：

设定样品室的体积已知为V2，当其中放置有一块固体体积为Vm 的岩样时，如果气体处于等温状态，压力由P1变化到P2，则有：

V1P1＝V1P2+(V2-Vm)P2

于是：

VmP2＝V1P2+V2P2-V1P1

样品的固体体积即为：

Vm＝V2+V1(1-P1/P2) (1-1-2)

岩样孔隙体积的测定

岩样孔隙体积的测定主要有饱和流体法和气体膨胀法。饱和流体 法使用的流体一般为煤油或盐水，由于流体极性以及流体表面张力的 影响，在岩样抗压强度范围内，流体无法进入到页岩纳米级的孔隙中。 为了更精确的测定岩样孔隙，一般选用气体分子作探针，因此，这里 着重介绍气体膨胀法测定岩样孔隙体积的方法。传统的气体膨胀法是 使用一个水银体积泵，将岩样中的空气抽析出来，并测定该空气的量， 即为该样品的孔隙体积。测定所使用的仪器为波义耳定律孔隙率计，

将样品放在水银体积泵的样品室中，是弯管两端的水银面相等， 在阀门打开的情况下，将水银体积泵在左侧的管子升高，并使水银面 超过样品，并达到阀门处。此过程的作用是将除岩样中的空气之外， 将样品室及管子中的其它所有空气排出。此时，可以直接读出样品的 总体积Vt。关闭阀门，将弯管左侧的水银面降低到样品室一下，此 时样品中的气体由于样品室造成真空而离析出来。再将水银体积泵两 侧的水银面置平，此时在阀门以下的空间就是从样品中离析出来的空 气的量。

根据波义耳—马里奥特定律，有

Vp·ΔH＝V·Hatm (1-1-3)

式中，Vp—孔隙中的空气体积，cm³；

V—从样品中析出的体积，cm³；

ΔH—水银泵造成的真空度，mmHg柱；

Hatm—大气压下的水银柱，mmHg柱。

则孔隙度：

Vp＝V·Hatm/ΔH (1-1-4)

目前，主要采用气体(一般为He)作为测量中介。根据波义耳- 马里奥特定律，在恒定温度下，岩心室体积一定，放入岩心室样品的 固相(颗粒)体积越小，则岩心室气体所占体积越大，与标准室连通 后，平衡压力越低；反之，当放入岩心室内的岩样固相体积越大，平 衡压力越高。

现有技术的缺点在于，气体膨胀法采用气体作为测量中介，会受 到粘滞系数以及浸入体积误差的影响。在本实验中调节原始压力不容 易调节，在接近原始压力值时容易受到操作人员的个人状态影响压力 值的确定。吸附量和孔隙度作为页岩储层评价和开发的重要参数，现 有技术对二者的测定需要不同的实验仪器完成，增加了大量的财力成 本及时间成本，而且精度不高。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种基于磁悬 浮重量法确定页岩孔隙度的方法。

本发明是通过以上技术方案实现：

本发明提供了一种基于磁悬浮重量法确定页岩孔隙度的方法，该 方法包括以下步骤：

进行空白测试获取样品的质量和体积；

进行浮力测试计算出样品与样品桶的质量之和及体积和；

进行吸附测试获取样品吸附的气体的质量；

根据获取的样品的质量和体积、样品与样品桶的质量之和及体积 和以及样品吸附的气体的质量计算得到样品的孔隙度。

优选的，所述进行空白测试获取样品的质量和体积具体为：

选择N₂作为实验气体。通过增压泵将气体加压到测量室中，测 量并记录不同压力下，磁悬浮天平的读数，测量完毕后，以气体密度 为横坐标，磁悬浮天平读数为纵坐标建立直角坐标系，并根据获取的 实验值拟合出直线，并计算出样品的质量和体积。

优选的所述进行浮力测试计算出样品与样品桶的质量之和及体 积和具体为：

选择He作为实验气体。通过增压泵将气体加压到测量室中，测 量并记录不同压力下，磁悬浮天平的读数，测量完毕后，以气体密度 为横坐标，磁悬浮天平读数为纵坐标建立直角坐标系，并根据获取的 实验值拟合出线条，并计算出样品与样品桶的质量之和及体积和。

优选的，所述进行吸附测试获取样品吸附的气体的质量具体为： 选择CH4作为实验气体。通过增压泵将气体加压到测量室中，测量 并记录不同压力下，磁悬浮天平的读数。测量完毕后，以气体密度为 横坐标，磁悬浮天平读数为纵坐标建立直角坐标系，并根据获取的实 验值拟合出线条，获取样品吸附的气体的质量。

优选的还包括体积矫正，具体的，以公式m_bal＝(m_sc+m_s+m_a)- ρ·(v_sc+v_s+v_a)中密度ρ为横坐标，m_bal为纵坐标作图，当样品达到吸 附平衡时，上述公式变成了以ρ为横坐标，m_bal为纵坐标的一次函数， 取实验达到平衡后的1-3个压力点作图，该直线的斜率即为v_s、v_sc、v_a三者之和；并根据Φ＝v_a/(v_s+v_a)*100％计算样品的孔隙度，其中，m_bal为空白测试中的天平质量读数，m_sc为样品桶质量，m_s为样品质量， v_sc为样品桶体积，v_s为样品体积，ρ为在吸附测试中的气体密度； Φ为孔隙度。

本发明的有益效果是：页岩气主要以吸附和游离态存在于页岩 中，其中的吸附含量介于储量的20-80％，因此，气体吸附量以及孔 隙度的精确测量是页岩气储层评价和开发的基础。传统的吸附量和孔 隙度测量需要两台不同的实验仪器，成本高且时间较慢，精度不高。 本发明利用重量法等温吸附原理，在精准测量页岩样品的吸附量的基 础上间接测算出页岩的孔隙度，不仅节约了成本，还提高了精度和效 率。

附图说明

图1是本发明实施例中空白测试中的质量与密度关系图；

图2是本发明实施例中浮力测试中的平衡示意图；

图3是本发明实施例中的吸附测试中测量值示意图；

图4是本发明实施例中密度与质量的关系图；

图5是本发明实施例中密度与质量的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合 附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描 述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种基于磁悬浮重量法确定页岩孔隙度的 方法，该方法包括以下步骤：

进行空白测试获取样品的质量和体积；

进行浮力测试计算出样品与样品桶的质量之和及体积和；

进行品的质量和体积、样品与样品桶的质量之和及体积和以及样 品吸附的气体的质量计算得到样品的孔隙度。

其中的，所述进行空白测试获取样品的质量和体积具体为：

选择N₂作为实验气体。通过增压泵将气体加压到测量室中，测 量并记录不同压力下，磁悬浮天平的读数，测量完毕后，以气体密度 为横坐标，磁悬浮天平读数为纵坐标建立直角坐标系，并根据获取的 实验值拟合出直线，并计算出样品的质量和体积。

其中的所述进行浮力测试计算出样品与样品桶的质量之和及体 积和具体为：

选择He作为实验气体。通过增压泵将气体加压到测量室中，测 量并记录不同压力下，磁悬浮天平的读数，测量完毕后，以气体密度 为横坐标，磁悬浮天平读数为纵坐标建立直角坐标系，并根据获取的 实验值拟合出线条，并计算出样品与样品桶的质量之和及体积和。

其中的，所述进行吸附测试获取样品吸附的气体的质量具体为： 选择CH4作为实验气体。通过增压泵将气体加压到测量室中，测量 并记录不同压力下，磁悬浮天平的读数。测量完毕后，以气体密度为 横坐标，磁悬浮天平读数为纵坐标建立直角坐标系，并根据获取的实 验值拟合出线条，获取样品吸附的气体的质量。

其中的还包括体积矫正，具体的，以公式m_bal＝(m_sc+m_s+m_a)- ρ·(v_sc+v_s+v_a)中密度ρ为横坐标，m_bal为纵坐标作图，当样品达到吸 附平衡时，上述公式变成了以ρ为横坐标，m_bal为纵坐标的一次函数， 取实验达到平衡后的1-3个压力点作图，该直线的斜率即为v_s、v_sc、v_a三者之和；并根据Φ＝v_a/(v_s+v_a)*100％计算样品的孔隙度，其中，m_bal为空白测试中的天平质量读数，m_sc为样品桶质量，m_s为样品质量， v_sc为样品桶体积，v_s为样品体积，ρ为在吸附测试中的气体密度； Φ为孔隙度。

通过上述描述可以看出，页岩气主要以吸附和游离态存在于页 岩中，其中的吸附含量介于储量的20-80％，因此，气体吸附量以及 孔隙度的精确测量是页岩气储层评价和开发的基础。传统的吸附量和 孔隙度测量需要两台不同的实验仪器，成本高且时间较慢，本发明利 用重量法等温吸附原理，在精准测量页岩样品的吸附量的基础上间接 测算出页岩的孔隙度，不仅节约了成本，还提高了精度和效率。

为了方便对本实施例的理解，下面以具体的步骤对其进行详细的 说明。

实验分为3步：空白测试、浮力测试、吸附测试。空白测试目的 是为了计算出样品桶的质量m_SC和体积V_SC，利用阿基米德浮力平衡 原理，得到如式2-2-1：

F_balanced＝m_SCg-F浮 (2-2-1)

式两边同时除以引力常量g得：

m_balanced＝m_SC-ρ*v_SC    (2-2-2)

式中，m_balance—天平质量读数，g；

m_SC—样品桶质量，g；

v_SC—样品桶体积，cm³。

浮力测试目的是为了计算出样品与样品桶质量之和m_SC+S与体 积之和v_SC+S，利用阿基米德浮力平衡原理，得到如式2-2-3：

F_balanced＝(m_SC+m_S)g-F浮 (2-2-3)

式两边同时除以引力常量g得：

m_balanced＝(m_SC+m_S)―ρ*(v_SC+V_s)    (2-2-4)

式中，m_balance—天平质量读数，g；

m_SC—样品桶质量，g；

m_S—样品质量，g；

v_SC—样品桶体积，cm³；

v_S—样品体积，cm³。

吸附测试目的是为了计算出吸附气体的质量ma，利用阿基米德 浮力平衡原理，得到式2-2-5：

F_balanced＝(m_SC+m_S+m_a)g-F浮 (2-2-5)

式两边同时除以引力常量g并移项得：

m_a＝m_balanced+ρ*(v_SC+V_s+V_a)-(m_SC+m_S)    (2-2-6)

式中，m_SC—样品桶质量，g；

m_S—样品质量，g；

m_a—气体吸附量，g；

v_SC—样品桶体积，cm³；

v_S—样品体积，cm³；

v_a—吸附气体体积，cm³。

具体的步骤如下：

①空白测试，选择N₂作为实验气体。通过增压泵将气体加压到 测量室中，测量并记录不同压力下，磁悬浮天平的读数。测量完毕后， 以气体密度为横坐标，磁悬浮天平读数为纵坐标建立直角坐标系，如 图1所示。

②浮力测试，选择He作为实验气体。通过增压泵将气体加压 到测量室中，测量并记录不同压力下，磁悬浮天平的读数。测量完毕 后，以气体密度为横坐标，磁悬浮天平读数为纵坐标建立直角坐标系， 如图2所示：

③吸附测试，选择CH₄作为实验气体。通过增压泵将气体加压 到测量室中，测量并记录不同压力下，磁悬浮天平的读数。测量完毕 后，以气体密度为横坐标，磁悬浮天平读数为纵坐标建立直角坐标系， 如图3曲线所示：

④体积校正，将式2-2-6变形为如下形式：

m_bal＝(m_sc+m_s+m_a)-ρ·(v_sc+v_s+v_a) (2-2-7)

将式2-2-7中密度ρ为横坐标，mbal为纵坐标作图(如图4所示)， 该变形公式可忽略ma和Va对公式计算产生的影响，直接变量只有 ρ和m_bal。

曲线初始阶段为m_a、V_a、ρ、m_bal均为变量的未知曲线，当样品 达到吸附平衡时，即样品吸附气体的质量和体积不变时，此时的2-2-7 式，变成了以ρ为横坐标，m_bal为纵坐标的一次函数y＝kx+b的形式， 取实验达到平衡后的1-3个压力点，再次拟合作图(如图5)。

直线的斜率即为v_s、v_sc、v_a三者之和，在空白和浮力实验中已知 v_s、v_sc，可求解出V_a。

⑤孔隙度计算

Φ＝v_a/(v_s+v_a)*100％    (2-2-8)

2.3本发明技术方案带来的有益效果

页岩气主要以吸附和游离态存在于页岩中，其中的吸附含量介于 储量的20-80％，因此，气体吸附量以及孔隙度的精确测量是页岩气 储层评价和开发的基础。传统的吸附量和孔隙度测量需要两台不同的 实验仪器，成本高且时间较慢，本发明利用重量法等温吸附原理，在 精准测量页岩样品的吸附量的基础上间接测算出页岩的孔隙度，不仅 节约了成本，还提高了精度和效率。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。