本發(fā)明屬于頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于滲吸和離子擴(kuò)散特性的頁(yè)巖孔徑測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣資源豐富，作為重要的替代能源，其商業(yè)化開采對(duì)保證我國(guó)能源安全、降低國(guó)內(nèi)能源成本和環(huán)境壓力具有重要的意義。頁(yè)巖氣是典型的邊際油氣資源，具體表現(xiàn)在儲(chǔ)層孔隙度和滲透率極低，孔吼處于微納米級(jí)別，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜?？讖阶鳛樵u(píng)價(jià)頁(yè)巖物性特征的重要參數(shù)往往難以準(zhǔn)確測(cè)量。目前，主要依靠壓汞、氣體吸附和核磁共振等手段來(lái)測(cè)定頁(yè)巖的孔徑大小，然而幾種測(cè)試方法獲得的孔徑往往差別較大，同時(shí)測(cè)試成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提供一種基于滲吸和離子擴(kuò)散特性的頁(yè)巖孔徑測(cè)量裝置及方法，進(jìn)一步提高頁(yè)巖孔徑的測(cè)量精度，降低測(cè)量成本，為頁(yè)巖物性特征參數(shù)的確定提供科學(xué)依據(jù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于滲吸和離子擴(kuò)散特性的頁(yè)巖孔徑測(cè)量裝置，它包括：高精度分析天平、支架、燒瓶、魚線、磁力攪拌器、升降系統(tǒng)、電導(dǎo)率儀、恒溫恒濕箱；

所述高精度分析天平置于所述支架上方，用于測(cè)量頁(yè)巖樣品吸水前后的質(zhì)量變化；

所述支架置于所述恒溫恒濕箱內(nèi)，用于承載所述高精度分析天平；所述支架中間設(shè)有小孔，用于將懸掛在所述高精度分析天平上的頁(yè)巖樣品垂直懸吊到所述支架內(nèi)部；

所述燒瓶置于所述磁力攪拌器上表面，用于盛裝蒸餾水，垂掉在所述高精度分析天平上的頁(yè)巖樣品上升或下降時(shí)可以從所述燒瓶口部出入；

所述魚線用于將頁(yè)巖樣品垂掉在所述高精度天平上；

所述磁力攪拌器置于所述升降系統(tǒng)上表面，用于攪拌所述燒瓶?jī)?nèi)的蒸餾水；

所述升降系統(tǒng)用于升降所述燒瓶，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖樣品浸沒或離開所述燒瓶中的蒸餾水；

所述電導(dǎo)率儀垂掉于所述燒瓶?jī)?nèi)蒸餾水中，用于測(cè)定所述燒瓶?jī)?nèi)蒸餾水的離子濃度；

所述恒溫恒濕箱用于使所述高精度分析天平、所述支架、所述燒瓶、所述魚線、所述磁力攪拌器、所述升降系統(tǒng)、所述電導(dǎo)率儀處于恒溫恒濕環(huán)境。

更進(jìn)一步地，所述高精度分析天平的精度為0.0001g。

更進(jìn)一步地，所述燒瓶為250ml燒瓶。

更進(jìn)一步地，所述魚線為0.6號(hào)魚線。

更進(jìn)一步地，所述電導(dǎo)率儀精度為0.1μS/cm。

一種基于滲吸和離子擴(kuò)散特性的頁(yè)巖孔徑測(cè)量方法，包括下列步驟：

A.提取圓柱形頁(yè)巖樣品，計(jì)算截面積A_c，用環(huán)氧樹脂將圓柱形頁(yè)巖樣品柱面封固，置于烘干箱中烘干，直至圓柱形頁(yè)巖樣品質(zhì)量不再變化；

B.將高精度分析天平置于支架上，使用魚線將烘干后的圓柱形頁(yè)巖樣品懸掛于高精度分析天平上，記錄高精度分析天平讀數(shù)M0；

C.將升降系統(tǒng)置于支架下方，燒瓶置于磁力攪拌器上，磁力攪拌器置于升降系統(tǒng)上；

D.向燒瓶?jī)?nèi)加入體積為V的蒸餾水，并測(cè)定水中電導(dǎo)率G0；

E.開啟磁力攪拌器，使升降系統(tǒng)上升，使圓柱形頁(yè)巖樣品浸沒于蒸餾水中20秒；

F.使升降系統(tǒng)下降，使得圓柱形頁(yè)巖樣品完全露出水面，記錄天平讀數(shù)M1，并測(cè)定水中電導(dǎo)率G1；

根據(jù)氣水兩相滲流理論，計(jì)算單位面積吸水量V_imb和滲吸過(guò)程中離子擴(kuò)散引起的溶液電導(dǎo)率G隨時(shí)間的變化關(guān)系；其中涉及的物性參數(shù)x，k_w,P_c,S_wf,S_wi，μ_w，B,C，n都不需要進(jìn)行測(cè)定，B和C通過(guò)分析后期的測(cè)試曲線來(lái)獲得，其它參數(shù)通過(guò)后期的數(shù)學(xué)變換的手段消掉這些參數(shù)的影響；

根據(jù)Handy滲吸模型，水相滲吸前緣的位置x隨著滲吸時(shí)間t的變化關(guān)系為：

式中k_w為水滲透率mD，P_c為毛細(xì)管力Pa，為孔隙度，S_wf為前緣含水飽和度，S_wi為初始含水飽和度；

由于圓柱形頁(yè)巖樣品致密，因此前緣含水飽和度較高，且圓柱形頁(yè)巖樣品經(jīng)過(guò)了烘干處理，則兩者間的差約等于1；

圓柱形頁(yè)巖樣品滲吸過(guò)程中，單位面積吸入水的體積隨著時(shí)間的變化為：

式中：B為單位面積水的滯留量g/cm²，μ_w為水的粘度

則離子擴(kuò)散引起的溶液電導(dǎo)率變化為：

式中：C為單位面積離子附著量mg/cm²，n為毛細(xì)管數(shù)；

G.再次使升降系統(tǒng)上升，使得圓柱形頁(yè)巖樣品完全浸沒于蒸餾水中20秒；

H.重復(fù)步驟F和步驟G，得到M～M0和G～G0隨著時(shí)間t的變化，即可得到吸水體積V_imb和溶液電導(dǎo)率G隨著時(shí)間t的變化；

I.繪制單位表面積的吸水體積、電導(dǎo)率隨著t^0.5的變化曲線，分別求取曲線斜率、滲吸速率A和離子擴(kuò)散速率D，將獲取的A和D進(jìn)行計(jì)算并可以獲得A/D的比值；

根據(jù)單位面積吸水量V_imb和滲吸過(guò)程中離子擴(kuò)散引起的溶液電導(dǎo)率G隨著時(shí)間變化的理論公式，計(jì)算滲吸速率A和離子擴(kuò)散D的比值，過(guò)程如下：

滲吸速率與離子擴(kuò)散速率之比為：

J.電導(dǎo)率曲線延長(zhǎng)線與縱軸的截距為C/V，得到頁(yè)巖的平均孔徑r。

本發(fā)明通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方式，充分利用頁(yè)巖特有的高毛細(xì)管力滲吸和強(qiáng)離子擴(kuò)散特性，設(shè)計(jì)了高精度的頁(yè)巖滲吸及離子擴(kuò)散同步檢測(cè)裝置，并提出了適用于頁(yè)巖的平均孔徑評(píng)價(jià)方法，可作為常規(guī)孔徑測(cè)試手段的有效補(bǔ)充。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單、受環(huán)境影響小、測(cè)試成本低、結(jié)果可靠，也為頁(yè)巖物性特征的分析提供了一種全新的思路。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明方法流程圖。

1--高精度分析天平，2--支架，3--燒餅，4--魚線，5--磁力攪拌器，6--升降系統(tǒng)，7--電導(dǎo)率儀，8--恒溫恒濕箱

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：參見圖1，一種基于滲吸和離子擴(kuò)散特性的頁(yè)巖孔徑測(cè)量裝置，其特征在于，它包括：高精度分析天平1、支架2、燒瓶3、魚線4、磁力攪拌器5、升降系統(tǒng)6、電導(dǎo)率儀7、恒溫恒濕箱8；

所述高精度分析天平1置于所述支架2上方，用于測(cè)量頁(yè)巖樣品吸水前后的質(zhì)量變化；所述高精度分析天平1的精度為0.0001g；

所述支架2置于所述恒溫恒濕箱8內(nèi)，用于承載所述高精度分析天平1；所述支架2中間設(shè)有小孔，用于將懸掛在所述高精度分析天平1上的頁(yè)巖樣品垂直懸吊到所述支架2內(nèi)部；

所述燒瓶3置于所述磁力攪拌器5上表面，用于盛裝蒸餾水，垂掉在所述高精度分析天平1上的頁(yè)巖樣品上升或下降時(shí)可以從所述燒瓶3口部出入；所述燒瓶3為250ml燒瓶；

所述魚線4用于將頁(yè)巖樣品垂掉在所述高精度天平1上；所述魚線4為0.6號(hào)魚線

所述磁力攪拌器5置于所述升降系統(tǒng)6上表面，用于攪拌所述燒瓶3內(nèi)的蒸餾水；

所述升降系統(tǒng)6用于升降所述燒瓶3，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖樣品浸沒或離開所述燒瓶3中的蒸餾水；

所述電導(dǎo)率儀7垂掉于所述燒瓶3內(nèi)蒸餾水中，用于測(cè)定所述燒瓶3內(nèi)蒸餾水的離子濃度；所述電導(dǎo)率儀7精度為0.1μS/cm；

所述恒溫恒濕箱8用于使所述高精度分析天平1、所述支架2、所述燒瓶3、所述魚線4、所述磁力攪拌器5、所述升降系統(tǒng)6、所述電導(dǎo)率儀7處于恒溫恒濕環(huán)境。

實(shí)施例2：參見圖2，一種基于滲吸和離子擴(kuò)散特性的頁(yè)巖孔徑測(cè)量方法，包括下列步驟：

A.提取圓柱形頁(yè)巖樣品，計(jì)算截面積A_c，用環(huán)氧樹脂將圓柱形頁(yè)巖樣品柱面封固，置于烘干箱中烘干，直至圓柱形頁(yè)巖樣品質(zhì)量不再變化；

B.將高精度分析天平置于支架上，使用魚線將烘干后的圓柱形頁(yè)巖樣品懸掛于高精度分析天平上，記錄高精度分析天平讀數(shù)M0；

C.將升降系統(tǒng)置于支架下方，燒瓶置于磁力攪拌器上，磁力攪拌器置于升降系統(tǒng)上；

D.向燒瓶?jī)?nèi)加入體積為V的蒸餾水，并測(cè)定水中電導(dǎo)率G0；

E.開啟磁力攪拌器，使升降系統(tǒng)上升，使圓柱形頁(yè)巖樣品浸沒于蒸餾水中20秒；

F.使升降系統(tǒng)下降，使得圓柱形頁(yè)巖樣品完全露出水面，記錄天平讀數(shù)M1，并測(cè)定水中電導(dǎo)率G1；

根據(jù)氣水兩相滲流理論，計(jì)算單位面積吸水量V_imb和滲吸過(guò)程中離子擴(kuò)散引起的溶液電導(dǎo)率G隨時(shí)間的變化關(guān)系；其中涉及的物性參數(shù)x，k_w,P_c,S_wf,S_wi，μ_w，B,C，n都不需要進(jìn)行測(cè)定，B和C通過(guò)分析后期的測(cè)試曲線來(lái)獲得，其它參數(shù)通過(guò)后期的數(shù)學(xué)變換的手段消掉這些參數(shù)的影響；

根據(jù)Handy滲吸模型，水相滲吸前緣的位置x隨著滲吸時(shí)間t的變化關(guān)系為：

式中k_w為水滲透率mD，P_c為毛細(xì)管力Pa，為孔隙度，S_wf為前緣含水飽和度，S_wi為初始含水飽和度；

由于圓柱形頁(yè)巖樣品致密，因此前緣含水飽和度較高，且圓柱形頁(yè)巖樣品經(jīng)過(guò)了烘干處理，則兩者間的差約等于1；

圓柱形頁(yè)巖樣品滲吸過(guò)程中，單位面積吸入水的體積隨著時(shí)間的變化為：

式中：B為單位面積水的滯留量g/cm²，μ_w為水的粘度

則離子擴(kuò)散引起的溶液電導(dǎo)率變化為：

式中：C為單位面積離子附著量mg/cm²，n為毛細(xì)管數(shù)；

G.再次使升降系統(tǒng)上升，使得圓柱形頁(yè)巖樣品完全浸沒于蒸餾水中20秒；

H.重復(fù)步驟F和步驟G，得到M～M0和G～G0隨著時(shí)間t的變化，即可得到吸水體積V_imb和溶液電導(dǎo)率G隨著時(shí)間t的變化；

I.繪制單位表面積的吸水體積、電導(dǎo)率隨著t^0.5的變化曲線，分別求取曲線斜率、滲吸速率A和離子擴(kuò)散速率D，將獲取的A和D進(jìn)行計(jì)算并可以獲得A/D的比值；

根據(jù)單位面積吸水量V_imb和滲吸過(guò)程中離子擴(kuò)散引起的溶液電導(dǎo)率G隨著時(shí)間變化的理論公式，計(jì)算滲吸速率A和離子擴(kuò)散D的比值，過(guò)程如下：

滲吸速率與離子擴(kuò)散速率之比為：

J.電導(dǎo)率曲線延長(zhǎng)線與縱軸的截距為C/V，得到頁(yè)巖的平均孔徑r。