高密度电性参数监测的多尺度岩芯渗透率测定技术制造技术

本发明专利技术名称为“高密度电性参数监测的多尺度岩芯渗透率测定技术”，属于水文地质、地质工程、石油地质、水文水资源、土壤学、矿产资源等领域中的渗透率测定技术领域，它解决了在同一个低渗透的岩芯上同时获得综合渗透率、不同尺度和方向上的渗透率以及非均质渗透率场的问题，所用的技术方案为在水力实验中通过高密度布置在岩芯上的电极动态扫描监测岩芯电性参数的变化，获得流体的到达时间，通过模拟流体到达时间与实测到达时间的拟合，获得岩芯渗透率，并通过实测流体到达时间场获得岩芯的非均质渗透率场。本发明专利技术在各种多孔介质的渗透率测定以及渗透率的非均质性、各向异性和尺度效应的研究与应用中具有广泛的用途。

Multiscale Core Permeability Measurement Technology for Monitoring High Density Electricity Parameters

The invention is called \multi-scale core permeability measurement technology for monitoring high-density electrical parameters\, which belongs to the technical field of permeability measurement in the fields of hydrogeology, geological engineering, petroleum geology, hydrology and water resources, soil science, mineral resources, etc. It solves the problem of obtaining comprehensive permeability, permeability of different scales and directions on the same low-permeability core at the same time, and For the problem of heterogeneous permeability field, the technical scheme used is to monitor the changes of core electrical parameters by dynamic scanning of electrodes arranged on the core with high density in hydraulic experiments, to obtain the arrival time of fluid, to obtain core permeability by fitting the arrival time of simulated fluid with the measured arrival time, and to obtain the heterogeneous permeability of core by measuring the arrival time field of fluid. Rate field. The present invention has wide application in the determination of permeability of various porous media, the research and application of heterogeneity, anisotropy and scale effect of permeability.

【技术实现步骤摘要】
高密度电性参数监测的多尺度岩芯渗透率测定技术
岩芯渗透率是描述岩石让液体透过能力大小的重要参数，它通过对岩芯的测定而获得，是水文地质、地质工程、石油地质、水文水资源、土壤学、矿产资源等领域的重要基础性参数，是后续模拟计算的重要输入变量。在室内和原位有效测定岩芯渗透率不仅一直是科学研究的一项重要内容，同时也是各种工程应用的迫切需要。本专利技术提出了一种基于高密度的电性参数监测获得不同尺度和方向上的岩芯渗透率参数的技术，在相关领域的科学研究和工程实践中都具有广泛的应用意义。
技术介绍
岩芯渗透率一般在毫达西量级，对其测定目前主要有定水位法和变水位法以及定流量法和压力脉冲法。前者通过在试件的两端施加一定的或变化的水压差，通过测量渗透流量来计算试件的渗透率参数。后者则在试件的一端以一定的流量注水或直接施加压力脉冲，通过测量试件两端间压力差随时间的变化来计算试件的渗透率参数。但无论是前者还是后者，都以测定试件两端的压力（或压力差）为主，再通过一维的流体动力学方程的求解及其和实验结果的拟合来获得参数。因此，所得参数是一个关于该试件整体的综合渗透率值，是一个单一方向上的参数。它不能或难以获得同一个试件在不同方向和不同测定尺度上的渗透率参数，更难以获得该试件渗透率场或空间分布的信息。然而，大量的研究已经表明，岩石渗透率的空间分布是高度非均质的，并随测定样品尺度的变化而变化，为此在某一固定的样品尺度上获得的渗透率参数很难在其它尺度上应用。同时，岩石渗透率还是高度各向异性的，在某一单一方向上获得的渗透率也难以推广到其它方向上应用。因此，迫切需要一种能够针对低渗透岩芯特点可在多尺度和多个方向上测定岩石渗透率参数的突破性技术，以解决本领域科学研究和工程应用中的瓶颈问题。正是在此技术背景下，本专利技术提出了基于高密度的电性参数监测条件下的水力学实验获得不同尺度和方向上的岩芯渗透率参数的技术，为研究岩石渗透率的空间分布、尺度变化和各向异性特征提供了重要手段，可在各种生产工程的岩芯渗透率测定中广泛应用。相关技术，国内外均还未见报道。本专利技术中所指的岩芯不仅是通过钻孔采芯所获得的岩石样品，而是更广泛意义上的圆柱体形状或多棱柱形状的多孔介质，其直径在厘米级至米级范围，高度也在厘米级至米级范围。因此，除岩石样品之外，还包括土壤、混凝土、木材等凡是能让流体渗透的多孔介质。本专利技术中所指的流体包括液体和气体，在液体中包括无极溶液和有机液体，如水、盐水、油类等凡是能够渗透到多孔介质中并引起介质电性差异的液体，气体中包括空气、氮气、二氧化碳等凡是能够渗透到多孔介质中的气体。本专利技术中的流体包括不同温度条件下的流体。本专利技术中所指的电性参数包括充电率值或极化率值、自然电位值以及不同测定频率下的电阻值、阻抗值和电容值。本专利技术中所指的渗透（或水力）实验是让流体进入岩芯或从岩芯中释出的实验。
技术实现思路
通过在岩芯周围的高密度电极布置实现对实验过程中岩芯电性参数高密度监测的思想与方法（图1）。可用于监测的电性参数包括电阻值、电容值、充电率值和自然电位值。通过南京九州勘探技术有限公司研制的高密度电阻值测定系统ERT21实现对任意电极间的电阻、电容、充电率值和自然电位值的动态扫描测定，获得岩芯中气体或液体的渗透过程，绘制出岩芯不同位置处电性参数的时间变化曲线（穿透曲线）（图2和3）。针对围压条件下的高密度电性参数测定，我们专利技术了“高密度电性参数监测室内专用岩芯夹持器”（正在申请专利）专门用于在围岩条件下的岩芯电性参数测定，实现了在不同实验条件下对岩芯内部电性变化过程的监测。实验结果表明，无论是液体还是气体其在岩芯内部的穿透过程都能够通过岩芯电性参数的变化体现出来。通过对电性参数时间变化曲线的分析，提取出岩芯中渗透气体或液体到达时间的方法（图2和3）。根据电性参数穿透曲线，采用数学分析方法，依据对拐点、极值等的求取，获得各监测点处的流体到达时间。根据相邻监测点间的流体到达时间差异，获得流体在岩芯中的渗透速度。并由此获得流体在岩芯中到达时间和渗透速度的三维空间分布结构。由于电极分布在岩芯周围不同的高度和方向上，因此所得的到达时间和速度代表着不同的测定尺度和不同的方向，从而实现了在同一岩芯上不同尺度和方向上的参数测定。针对流体在岩芯中渗透过程的基于四面体微元剖分的三维数值模拟方法（图4和5）。采用所研发的软件系统Reticu3D（已申请软件著作权登记）和TetraMESH（已申请软件著作权登记）对所测定的岩芯进行三维四面体剖分，结合实验条件建立起模拟所需的边界和初始条件，采用改进的TOUGH2软件系统对电极监测处的流体饱和度变化过程进行模拟监测，获得模拟的流体到达时间。通过对模拟流体到达时间与全部实测流体到达时间的拟合，获得岩芯综合渗透率参数的方法（图6和7）。为了消除在测定和模拟中流体到达绝对时间误差的影响，本专利技术采用流体到达各电极之间的时间差进行拟合，提高了拟合结果的可靠性。由于模拟结果还会受到样品初始含水量以及水分特征曲线中有关参数的影响，我们还通过对各参数的敏感度分析，找出各参数的选择范围，最终确定最佳渗透率参数。通过模拟流体到达时间与不同方向和测定尺度上获得的流体到达时间的分别拟合，获得同一个岩芯在不同方向上和不同测定尺度上的渗透率参数的方法。设置在岩芯不同高度和方向上的电极监测了流体在该方向和尺度上的流动过程，对其流体到达时间的拟合即可获得该方向和尺度下的渗透率参数，从而在同一个岩芯上方便的实现了多尺度和多方向的渗透率测定。通过实测流体到达的时间场，建立起对前述获得的渗透率参数的修正系数场，实现非均匀渗透率场条件下的模拟到达时间与实测到达时间拟合的思想与方法（图8、9、10、11和12）。在用样的条件下，到达时间早的区域，流体渗透速度快，其渗透率值也较大，反之则渗透率值小。通过对实测到达时间的归一化，建立起全域的渗透率修正系数场。在TOUGH2系统中进行非均匀渗透率场条件下的模拟，拟合模拟获得的到达时间差与实测到达时间差，最终获得实验岩芯渗透率参数在空间上的分布。附图说明图1为电极在岩芯周围高密度布置和电性参数测定方法示意图，其中左图是针对自然电位的监测方案，右图是针对电阻、充电率以及电容参数的监测方案。所布置的电极数量可以根据要求增减，监测也参数可以选择和组合。由于每两两电极之间就可以获得一个电性参数，一次扫描测定就可以获得几十甚至上百个的电性参数值。扫描监测动态进行，每几分钟就可以获得一次扫描数据，再结合传统的试件两端的压力监测，从而实现对岩芯渗透过程的多参数全程监测。图2和3分别是流体渗透过程中E号和B号岩芯电阻值随时间的变化过程以及流体到达监测点时间的确定，其中电阻值的大小作了归一化处理。对于花岗岩之类高电阻率的岩体，在实验初期会因为岩芯导电性较差而出现数据的不稳定现象，这是正常的。流体到达时间我们在曲线的最速下降段求取，但也可以用曲线的拐点位置来定义，因为我们在后面的参数求取中，是以监测点之间的时间差异来计算的，到达时间的系统增减并不影响渗透率参数的最终计算结果。图4是针对E号（左图）和B号（右图）两个岩芯的四面体剖分方案（仅显示剖分方案的表面）。对试件采用四面体剖分有利于准确刻画试件的不规则边界并在不同精度下实现三维条件下的模拟计算。为此，我本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.通过在岩芯周围的高密度电极布置实现对流体渗透实验过程中岩芯电性参数高密度监测的思想与方法：其技术特征包括：一是电极的高密度布置，在岩芯周围的电极布置数量至少在5个（含5个）以上；二是基于高密度布置的电极进行的两两、三个甚至多个电极之间的电性参数的高密度监测和监测方案，既针对不同的电极进行空间扫描测定，同时还在时间上作动态测定；三是所测定的电性参数是充电率值或极化率值、自然电位值以及不同测定频率下的电阻值、阻抗值和电容值；四是岩芯不仅包括通过钻孔采芯所获得的岩石样品，而且还包括更广泛意义上的圆柱体形状或多棱柱形状的多孔介质，其直径在厘米级至米级范围，高度也在厘米级至米级范围，因此，除岩石样品之外，还包括土壤、混凝土、木材等凡是能让流体渗透的多孔介质；五是所指的流体包括不同温度下的液体和气体，在液体中包括无极溶液和有机液体，如水、盐水、油类等凡是能够渗透到多孔介质中并引起介质电性差异的液体，气体中包括空气、氮气、二氧化碳等凡是能够渗透到多孔介质中的气体；六是所指的渗透（或水力）实验是让流体进入岩芯或从岩芯中释出的室内和室外实验。

【技术特征摘要】
1.通过在岩芯周围的高密度电极布置实现对流体渗透实验过程中岩芯电性参数高密度监测的思想与方法：其技术特征包括：一是电极的高密度布置，在岩芯周围的电极布置数量至少在5个（含5个）以上；二是基于高密度布置的电极进行的两两、三个甚至多个电极之间的电性参数的高密度监测和监测方案，既针对不同的电极进行空间扫描测定，同时还在时间上作动态测定；三是所测定的电性参数是充电率值或极化率值、自然电位值以及不同测定频率下的电阻值、阻抗值和电容值；四是岩芯不仅包括通过钻孔采芯所获得的岩石样品，而且还包括更广泛意义上的圆柱体形状或多棱柱形状的多孔介质，其直径在厘米级至米级范围，高度也在厘米级至米级范围，因此，除岩石样品之外，还包括土壤、混凝土、木材等凡是能让流体渗透的多孔介质；五是所指的流体包括不同温度下的液体和气体，在液体中包括无极溶液和有机液体，如水、盐水、油类等凡是能够渗透到多孔介质中并引起介质电性...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：南京九州勘探技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32