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

摘要

本发明公开了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，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)。本发明通过实验测量的方式，充分利用页岩特有的高毛细管力渗吸和强离子扩散特性，设计了高精度的页岩渗吸及离子扩散同步检测装置，提出了适用于页岩的平均孔径评价方法，进一步提高了页岩孔径测量的科学性和精准度；本发明具有操作简单、受环境影响小、测试成本低、结果可靠等特点。

说明书

技术领域

本发明属于页岩气开发技术领域，特别涉及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。

背景技术

我国南方海相页岩气资源丰富，作为重要的替代能源，其商业化开采对保证我国能源安全、降低国内能源成本和环境压力具有重要的意义。页岩气是典型的边际油气资源，具体表现在储层孔隙度和渗透率极低，孔吼处于微纳米级别，孔隙结构复杂。孔径作为评价页岩物性特征的重要参数往往难以准确测量。目前，主要依靠压汞、气体吸附和核磁共振等手段来测定页岩的孔径大小，然而几种测试方法获得的孔径往往差别较大，同时测试成本较高。

发明内容

本发明的目的是：提供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，进一步提高页岩孔径的测量精度，降低测量成本，为页岩物性特征参数的确定提供科学依据。

本发明的技术方案是：一种基于渗吸和离子扩散特性的页岩孔径测量装置，它包括：高精度分析天平、支架、烧瓶、鱼线、磁力搅拌器、升降系统、电导率仪、恒温恒湿箱；

所述高精度分析天平置于所述支架上方，用于测量页岩样品吸水前后的质量变化；

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

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

所述鱼线用于将页岩样品垂掉在所述高精度天平上；

所述磁力搅拌器置于所述升降系统上表面，用于搅拌所述烧瓶内的蒸馏水；

所述升降系统用于升降所述烧瓶，实现页岩样品浸没或离开所述烧瓶中的蒸馏水；

所述电导率仪垂掉于所述烧瓶内蒸馏水中，用于测定所述烧瓶内蒸馏水的离子浓度；

所述恒温恒湿箱用于使所述高精度分析天平、所述支架、所述烧瓶、所述鱼线、所述磁力搅拌器、所述升降系统、所述电导率仪处于恒温恒湿环境。

更进一步地，所述高精度分析天平的精度为0.0001g。

更进一步地，所述烧瓶为250ml烧瓶。

更进一步地，所述鱼线为0.6号鱼线。

更进一步地，所述电导率仪精度为0.1μS/cm。

一种基于渗吸和离子扩散特性的页岩孔径测量方法，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：

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：

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：

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：

渗吸速率与离子扩散速率之比为：

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。

本发明通过实验测量的方式，充分利用页岩特有的高毛细管力渗吸和强离子扩散特性，设计了高精度的页岩渗吸及离子扩散同步检测装置，并提出了适用于页岩的平均孔径评价方法，可作为常规孔径测试手段的有效补充。本发明操作简单、受环境影响小、测试成本低、结果可靠，也为页岩物性特征的分析提供了一种全新的思路。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为本发明方法流程图。

1--高精度分析天平，2--支架，3--烧饼，4--鱼线，5--磁力搅拌器，6--升降系统，7--电导率仪，8--恒温恒湿箱

具体实施方式

实施例1：参见图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；所述高精度分析天平1的精度为0.0001g；

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；所述烧瓶3为250ml烧瓶；

所述鱼线4用于将页岩样品垂掉在所述高精度天平1上；所述鱼线4为0.6号鱼线

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；所述电导率仪7精度为0.1μS/cm；

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。

实施例2：参见图2，一种基于渗吸和离子扩散特性的页岩孔径测量方法，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：

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：

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：

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：

渗吸速率与离子扩散速率之比为：

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。