科研进展

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HESS|超低渗岩石基质渗透率测试的实验方法和理论分析

作者: 发布者:邹桂红 责任编辑: 发布时间:2024-05-08 浏览次数:10

天然环境和工业应用中多孔介质的渗透率可有10多个数量级的差异,按照实验的加载方式分类,室内渗透率测定方法可划分为定压差测流量或者定流量测压差法。致密岩石低孔低渗,测试过程中流体传输速度极慢,使得定压差法中流量对时间的积分时间过长,导致较低的捕捉精度及较长的测试时间,给碳中和能源地质领域超低渗(渗透率k小于10-19m2,及100nD)岩石的渗透率测试提出了巨大挑战。以压力脉冲衰减法为代表的定流量测压差法(包括瞬态法及压力振荡法),在上世纪60年代开始获得了科学界的推崇。然而,传统压力脉冲衰减法有100 nD左右渗透率的检测限制,且厘米级柱塞样无法区分可能存在的裂隙及岩石基质对渗透率的贡献。因此,利用毫米级颗粒样品进行基质渗透率测量的方法,为超低渗岩石基质区渗流能力的正确评估提供了新视角。

然而,以颗粒样品为测试媒介的岩石基质区渗透率方法仍未系统建立,理论基础及实验方法规范性均需完善和统一。因此,针对颗粒岩石样品基质渗透率测定难、数值计算和数据处理方法不完善的问题,中国石油大学(华东)胡钦红团队使用页岩颗粒(0.34-5.18 mm)为测试尺寸,利用不同气体对岩石颗粒样品的气体脉冲过程进行研究,建立了完整的数值计算及实验的规范方法。该工作(1)解释了基于球坐标系求解气体脉冲过程中岩石渗透率的三种精确及近似数值解,并分析了精确解与近似解之间的误差范围;(2)揭示了脉冲衰减方法早期解与晚期解的划分标准,深入探讨了测试体系容储系数对脉冲过程的影响;(3)建立了优化的测试步骤及渗透率求解流程,提供了实用性的样品规格、测试流程、及求解过程建议,为超低渗岩石基质区的渗透率快速和正确测量提供了完整可靠的基础理论及实验方法。

表1.不同近似解的无量纲时间及储容系数划分标准

图1.不同储容系数下近似解与精确解之间的关系

研究成果近期发表在地学领域SCI国际重要期刊Hydrology and Earth System Sciences(HESS)(中国科学院一区TOP期刊)。美国德州大学(阿灵顿分校)张涛为论文第一作者,中国石油大学(华东)讲席教授胡钦红为通讯作者。合作者包括美国堪萨斯州立大学Behzad Ghanbarian副教授、美国宾夕法尼亚州立大学Derek Elsworth院士、及美国阿拉莫斯国家实验室的Zhiming Lu研究员。该工作获得了国家自然科学基金委重点项目和"油气成藏机理"创新群体、中国石油国际科技合作项目、山东省重点研发计划、美国德州大学(阿灵顿分校)理学院Mavrick研究生奖学金的联合资助。

论文信息:Tao Zhang, Qinhong Hu*, Behzad Ghanbarian, Derek Elsworth, and Zhiming Lu. 2023. A pulse-decay method for low (matrix) permeability analyses of granular rock media. Hydrology and Earth System Sciences. 27(24): 4453-65.https://doi.org/10.5194/hess-27-4453-2023.