瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置及方法
【專利摘要】一種瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置及方法，屬于巖石工程和非常規油氣藏工程領域。本發明瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的測試裝置包括：三軸壓力室、偏壓控制系統、圍壓控制系統、上端滲透系統、下端滲透系統、抽真空系統、恒溫系統和數據控制采集系統。瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的方法，先標定參考體積，為試樣提供圍壓偏壓溫度環境后，進行瞬態滲透率和穩態滲透率的測試。本發明提供符合工程實際的偏壓、背壓和恒溫測試環境，溫度的波動誤差控制在±0.1℃以內，氣體體積誤差可控制在0.3％以內，注入壓力的誤差可控制在0.5％以內。可以同時實現定壓和定容兩種方式下的瞬態滲透率測定；采用定容方式測定滲透率時，可根據孔隙體積大小，調節參考容器的體積。
【專利說明】瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于巖石工程和非常規油氣藏工程領域，特別涉及瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著常規油氣藏資源儲量的日益衰減，非常規油氣藏資源作為一種重要的戰略性補充能源，其勘探和開發制約著中國未來經濟的快速發展。我國非常規油氣藏資源主要包括頁巖氣、致密砂巖氣、煤層氣和深部致密油氣藏，其中頁巖氣儲量超過常規天然氣，致密砂巖氣、煤層氣儲量均與頁巖氣儲量相當。十二五規劃中明確要求2015年頁巖氣產量達到65億立方米，然而由于中國含氣頁巖的基礎理論研究仍十分匱乏，目前，除了四川盆地處于頁巖氣開發初期，其他區塊并未實現大規模的商業開采。致密砂巖氣和煤層氣雖然已進入開發階段，但其產氣量低、衰減快，運未能達到與常規天然氣相當的商業開發產量。造成目前非常規天然氣開發瓶頸的重要原因之一在于缺乏適用于非常規天然氣儲層巖石試驗研究的測試裝置和方法，從而導致非常規天然氣開發方案設計和開采技術出現偏差。
[0003]非常規天然氣儲層巖石滲透率是其評價、選區、勘探和開發方案設計所需要的重要參數之一。非常規天然氣儲層與常規天然氣儲層相比具有獨有的特點:非常規天然氣儲層巖石較為致密，孔隙度、滲透率都比常規儲層巖石低。含氣頁巖孔隙度小于6%，滲透率范圍為IOyD-0.1nD0致密砂巖氣儲層巖石孔隙度小于10%，滲透率多小于0.lmD。非常規天然氣儲層致密巖石滲透率的準確測量成為制約非常規天然氣勘探開發的關鍵問題之一。
[0004]在非常規天然氣開采過程中，氣體通過孔隙和裂隙通道運移至井筒，氣體壓力沿儲層到井筒逐漸降低，其滲透的最大壓差為儲層壓力與井筒壓力的差值。由于非常規天然氣儲層高埋深的特點，非常規天然氣井存在一段氣柱，使得氣體出口處的井底壓力大于大氣壓。因此，致密巖石滲透率測定需在一定背壓條件下進行，現有的致密巖石穩態法滲透率測定中，由于并未考慮到現場實際情況和以及現有設備的限制，氣體低壓端均直接連通大氣，其低壓端壓力即為大氣壓。根據實際生產情況，非常規天然氣儲層致密巖石滲透率測定的合理氣體壓力高壓端應采用致密巖石儲層壓力，低壓端則應采用氣井井底壓力，可見低壓端采用大氣壓的測量方式偏離了工程實際，使得所測得的致密巖石滲透率出現偏差。
[0005]在實際的非常規天然氣開采過程中，隨著排采降壓的不斷進行，孔隙流體壓力的變化引起儲層巖石有效應力的改變，導致巖石骨架發生改變，即引起應力場和變形場的變化；另一方面頁巖氣藏骨架的變形場、應力場的變化又將導致頁巖孔隙度、滲透率等滲流物性參數的變化，進一步影響孔隙、裂隙流體在巖石內的運移。非常規天然氣儲層巖石的滲透性能是上述應力場、變形場、滲流場之間的動態耦合作用的結果。中國非常規天然氣儲層埋深大，多位于地下500-3500m，且經歷了復雜的地質改造作用，使得儲層巖石處于復雜的應力狀態中。綜上，非常規天然氣儲層巖石滲透率的準確測量必須要提供符合工程實際的偏應力環境，而目前的非常規天然氣儲層巖石滲透率測試方法中所提供的應力環境多為靜水壓力環境。[0006]高埋深使得非常規天然氣儲層處于一定的溫度環境中，埋深越大，其儲層溫度越高。高溫環境使得儲層巖石骨架膨脹，骨架之間的孔隙和微裂隙被壓縮，滲透率降低；同時又會使得儲層中的氣體分子活躍。穩態法測試非常規天然氣儲層巖石滲透率時，試樣出口端流量非常小，必須具有高精度的恒溫環境才可以保證流量測定的準確度。綜上，非常規天然氣儲層巖石滲透率的準確測量必須要為試樣和測試氣體同時提供符合工程實際的恒溫環境。
[0007]目前致密巖石滲透率的測試系統未實現注入氣體的加溫，只實現了對試樣進行加溫。在測試中，溫度的波動會導致注氣壓力不穩定，使得瞬態法壓力測試和穩態法流量測試出現誤差，進而影響致密巖石滲透率測定的準確性。致密巖石的出口端流量非常微小，利用穩態法測試致密巖石滲透率時，需測得能夠實時準確的測量出口氣體流量，現有的滲透率測定常采用排水法人工記錄讀數，該方法將氣體收集裝置暴露在空氣中，導致溫度波動對氣體收集產生影響；且人工記錄誤差較大，無法實現準確的實時動態流量測定。
[0008]現有的測試系統對試樣的加熱或通過將整個三軸腔室置入恒溫水浴加溫，或通過加溫三軸腔室的液壓油對試樣加溫，這兩種方法均要經過很長時間的熱傳導才可以使試樣達到恒定的溫度，而如何確保和判斷試樣達到指定溫度這個問題并未得到解決。另外，對于滲透測試所用氣體加溫后，必須等待氣體達到熱平衡后才可以開始測試，而如何判斷其達到熱平衡狀態，目前更未有過相關報道。
[0009]目前測試巖石滲透率主要有瞬態法和穩態法兩種方法。瞬態法依靠測試壓力變化計算巖石滲透率，在測試過程中，測試氣體優先沿優勢裂隙通道通過，氣體壓力的降低多損耗在裂隙通道中，并非氣體通過整個試樣截面的能力。穩態法依靠測試試樣出口端流量變化計算滲透率，穩態法要求達到流量穩定，耗時較長，但測量過程中氣體通過整個試樣的截面。非常規天然氣勘探開發需提供更為可靠和豐富的測試參數，采用瞬態法和穩態法同時對試樣滲透率進行測定，可以得到更為準確的儲層滲透率范圍，使得勘探開發方案的制定更為可靠。
[0010]對于含氣頁巖、煤等非常規天然氣儲層巖石，地下取芯易破碎，成樣率很低，試驗巖心非常寶貴，對同一塊試樣進行兩種不同滲透率方法的測定不僅可以節約試樣，而且在現有勘探巖心有限的條件下提供最為豐富和可靠的測試數據，也使得兩種滲透率測定結果的可對比性更強。目前，致密巖石滲透率的瞬態法和穩態法測定分別采用不同設備展開，若需要同時測定同一試樣兩種方法下的滲透率，則需要將已施加于試樣的應力卸載，然后再用另一滲透率測定方法的測試設備開展。這種測試方法不能在同一測試過程中測定兩種方法下的滲透率，首次滲透率測定卸載圍壓后會引起試樣原有的孔隙結構發生改變，致使測試結果的可對比性差。且現有的致密巖石滲透率瞬態法系統或采用兩端定容方式、或采用兩端定壓方式，而不同類型、不同測試氣體適用的致密巖石適用的瞬態法類別不同，當測試氣體采用吸附性氣體時，需采用一端定壓一端定容的瞬態測試方法；當測試巖石孔隙度較大時，定容測試方法所需的參考容器體積也越大，完善的致密巖石瞬態法滲透率測試系統須同時具備定容和定壓方式，并且同時具備參考體積可調的功能，以便于根據不同巖石調整適合的瞬態滲透率測試方法。
[0011]實現瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置和方法的技術難點在于:
[0012]1.致密巖石孔隙結構對其滲透性能影響很大，且致密巖石穩、瞬態滲透率測試方法、原理和測試的物理量不同，如何在不改變致密巖石孔隙結構的條件下準確測得致密巖石兩種方法下的滲透率。
[0013]2.如何提供可變參考體積、可變定壓和定容方式的測試系統。
[0014]3.穩態法測試致密巖石滲透率時，試樣上端出口流量非常微小，如何實時獲得準確的氣體流量。
[0015]4.如何為穩態法下致密巖石滲透率的測定提供背壓條件，且在背壓條件下如何實時準確獲得試樣出口流量。
【發明內容】
[0016]針對上述問題，本發明目的在于提供一種可以實現瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置及方法。
[0017]瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置，包括三軸壓力室、偏壓控制系統、圍壓控制系統、上端滲透系統、下端滲透系統、壓差傳感器、抽真空系統、恒溫系統和數據控制采集系統；
[0018]三軸壓力室包括軸壓室、圍壓室和試樣加溫裝置；試樣加溫裝置設置在圍壓室內；
[0019]偏壓控制系統與三軸壓力室的軸壓室相連通；
[0020]圍壓控制系統與恒溫三軸壓力室的圍壓室相連通；
[0021]上端滲透系統，包括高壓注入泵和至少I個儲氣容器，高壓注入泵與儲氣容器的進氣端相連通，儲氣容器的出氣端通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣上部相連通；
[0022]下端滲透系統，包括高壓注入泵和至少I個儲氣容器，高壓注入泵與儲氣容器的進氣端相連通，儲氣容器的出氣端通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣下部相連通；
[0023]壓差傳感器，分別與上端滲透系統和下端滲透系統相連通，壓差傳感器靠近三軸壓力室設置；
[0024]抽真空系統，分別與上端滲透系統及下端滲透系統相連通；
[0025]恒溫系統，包括低溫槽，所述的恒溫系統分別與上端滲透系統的高壓注入泵及下端滲透系統的高壓注入泵相連接，上端滲透系統的儲氣容器和下端滲透系統的儲氣容器放置在低溫槽內；
[0026]數據控制采集系統，與三軸壓力室的數據控制端、偏壓控制系統的數據控制端、圍壓控制系統的數據控制端、上端滲透系統的數據控制端、下端滲透系統的數據控制端和壓差傳感器的數據控制端相連接。
[0027]其中:
[0028]上端滲透系統包括高壓氣瓶、減壓閥、高壓注入泵、儲氣容器、壓力傳感器和截止閥；高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高壓注入泵的進氣端相連通，高壓注氣泵的出氣端與儲氣容器的進氣端相連通，儲氣容器的出氣端與三軸壓力室的試樣上部通過圍壓室底部穿孔相連通，在高壓氣瓶和減壓閥之間、減壓閥和高壓注入泵之間、高壓注入泵和儲氣容器之間、儲氣容器和三軸壓力室試樣上部之間均設置有截止閥，儲氣容器和三軸壓力室試樣之間的截止閥靠近三軸壓力室設置，靠近三軸壓力室的截止閥和三軸壓力室的試樣之間設置有壓力傳感器。[0029]下端滲透系統包括高壓氣瓶、減壓閥、高壓注入泵、儲氣容器、壓力傳感器和截止閥，高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高壓注入泵的進氣端相連通，高壓注氣泵的出氣端與儲氣容器的進氣端相連通，儲氣容器的出氣端與三軸壓力室的試樣下部通過圍壓室底部穿孔相連通，在高壓氣瓶和減壓閥之間、減壓閥和高壓注入泵之間、高壓注入泵和儲氣容器之間、儲氣容器和三軸壓力室試樣下部之間均設置有截止閥，儲氣容器和三軸壓力室試樣之間的截止閥靠近三軸壓力室設置，靠近三軸壓力室的截止閥和三軸壓力室的試樣之間設置有壓力傳感器。
[0030]三軸壓力室的試樣加溫裝置，包括試樣表面的溫度傳感器、測油溫傳感器和加熱線圈；試樣表面溫度傳感器緊貼試樣放置，測油溫傳感器豎直放置于恒溫三軸壓力室的圍壓室內，加熱線圈緊貼恒溫三軸壓力室圍壓室的側壁放置。
[0031 ] 偏壓控制系統、圍壓控制系統、上端滲透系統、下端滲透系統、抽真空系統、恒溫系統和數據控制采集系統的管路均采用不銹鋼耐壓管線。上端滲透系統、下端滲透系統、抽真空系統、恒溫系統的不銹鋼耐壓管線外部均包裹保溫夾套。
[0032]上端滲透系統或下端滲透系統的儲氣容器為I個或2個。
[0033]偏壓控制系統和圍壓控制系統中均設置有壓力傳感器，壓力傳感器數據輸出端與數據控制采集系統相連。
[0034]采用瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置，進行本發明的瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的方法，所選用的非吸附性氣體為氦氣或氮氣，所選用的吸附性氣體為甲烷或二氧化碳，具體包括如下步驟:
[0035]步驟一、標定參考體積
[0036](I)定性分析，根據測試氣體的不同和致密巖石孔隙度的大小，選用以下測試方案的一種:
[0037]方案一:測試氣體為吸附性氣體，致密巖石孔隙度小于5%，采取上端定壓下端定容模式，上端滲透系統為I個儲氣容器，下端滲透系統為I個儲氣容器；
[0038]方案二:測試氣體為吸附性氣體，致密巖石孔隙度大于5%，采取上端定壓下端定容模式，上端滲透系統為I個儲氣容器，下端滲透系統為2個儲氣容器，下端滲透系統的2個儲氣容器并列設置，兩個儲氣容器的進氣端通過三通與下端滲透系統高壓注入泵的出氣端相連通，兩個儲氣容器的出氣端通過三通與三軸壓力室的試樣下端相連通；
[0039]方案三:測試氣體為非吸附性氣體，致密巖石孔隙度小5%，采取上端定壓下端定容模式，上端滲透系統為I個儲氣容器，下端滲透系統為I個儲氣容器；
[0040]方案四:測試氣體為非吸附性氣體，致密巖石孔隙度小5%，采取上端定容下端定容模式，上端滲透系統為I個儲氣容器，下端滲透系統為I個儲氣容器；
[0041]方案五:測試氣體為非吸附性氣體，致密巖石孔隙度大于5%，采取上端定壓下端定容模式，上端滲透系統為I個儲氣容器，下端滲透系統為2個儲氣容器，下端滲透系統的2個儲氣容器并列設置，兩個儲氣容器的進氣端通過三通與下端滲透系統高壓注入泵的出氣端相連通，兩個儲氣容器的出氣端通過三通與三軸壓力室的試樣下端相連通；
[0042]方案六:測試氣體為非吸附性氣體，致密巖石孔隙度大于5%，采取上端定容下端定容模式，上端滲透系統為2個儲氣容器，兩個儲氣容器的進氣端通過三通與上端滲透系統高壓注入泵的出氣端相連通，兩個儲氣容器的出氣端通過三通與三軸壓力室的試樣上端相連通；下端滲透系統為2個儲氣容器，兩個儲氣容器的進氣端通過三通與下端滲透系統高壓注入泵的出氣端相連通，兩個儲氣容器的出氣端通過三通與三軸壓力室的試樣下端相連通；
[0043](2)、將試樣表面第一溫度傳感器緊貼標準鋼樣固定，標準鋼樣上、下端均放置多孔墊片；外部套上熱塑管進行隔絕密封；
[0044](3)、利用圍壓控制系統為標準試樣提供圍壓σ & ;利用偏壓控制系統為標準試樣提供偏壓σ dl ；
[0045](4)、打開上端滲透系統所有截止閥，打開下端滲透系統所有截止閥，用抽真空系統，將標準鋼樣、管線、閥門、多孔墊片及接頭內氣體抽出，待達到所需真空狀態時，關閉抽真空系統；
[0046](5)、關閉上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥；利用上端滲透系統在壓力P1下將上端滲透系統的高壓注入泵充滿所選用的測試方案中的氣體，使上端滲透系統的高壓注入泵以壓力P1獨立運行，關閉所選用的測試方案中的氣體對上端滲透系統的高壓注入泵的供給；利用下端滲透系統在壓力P1下將下端滲透系統的高壓注入泵充滿所選用的測試方案中的氣體，使下端滲透系統的高壓注入泵以壓力PJi立運行，關閉所選用的測試方 案中的氣體對下端滲透系統的高壓注入泵的供給；
[0047](6)、啟動三軸壓力室內的加熱線圈，對標準鋼樣加溫，使標準鋼樣達到溫度T1 ;利用恒溫系統使上端滲透系統和儲氣容器和下端滲透系統的儲氣容器達到溫度T1 ;使上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵內氣體達到恒定溫度T1，待上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵泵內氣體的體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣加溫后的上端滲透系統的高壓注入泵泵內氣體體積v15_stMl_a和標準鋼樣加溫后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積v16_stMl_a ；
[0048](7)、根據所選用的測試方案，對應如下操作的一種，確定參考體積:
[0049]方案一:關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時的下端滲透系統中連通的空腔注入吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積
Vl6-steel-b ?
[0050]方案一的下端滲透系統參考體積Vd:
[0051]Vd 一 Vi6-steel-a_Vl6-steel-b ;
[0052]方案二:關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的的截止閥，打開下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時下端滲透系統中連通的空腔注入吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積
Vl6-steel-b ?
[0053]方案二的下端滲透系統參考體積:
[0054]Vd = V16-steel-a_V16-steel-b ;
[0055]方案三:關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的的截止閥，打開不端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時的下端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積
Vl6-steel-b ?
[0056]方案三的下端滲透系統參考體積: [0057]Vd 一 Vi6-steel-a_Vl6-steel-b ;
[0058]方案四:關閉上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時上端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待上端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的上端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積
Vl5-steel-b ?
[0059]方案四的上端滲透系統參考體積:
[0060]Vu = V15-steel-a_V15-steel-b ;
[0061]關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時的下端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積v16_stMl_b ；
[0062]方案四的下端滲透系統參考體積:
[0063]Vd 一 Vi6-steel-a_Vl6-steel-b ;
[0064]方案五:關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時下端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積
Vl6-steel-b ?
[0065]方案五的下端滲透系統參考體積:
[0066]Vd 一 Vi6-steel-a_Vl6-steel-b ;
[0067]方案六:關閉上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時上端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待上端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的上端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積
Vl5-steel-b，
[0068]方案六的上端滲透系統參考體積:
[0069]Vu 一 Vi5-steel-a_Vl5-steel-b ;
[0070]關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時下端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積v16_stMl_b ；
[0071]方案六的下端滲透系統參考體積:
[0072]Vd 一 Vi6-steel-a_Vl6-steel-b ;[0073]步驟二、為致密巖石試樣提供符合工程實際的圍壓偏壓和溫度環境
[0074](8)、將表面第一溫度傳感器緊貼致密巖石試樣固定,致密巖石試樣上、下端均放置多孔墊片；致密巖石試樣外部套上熱塑管進行隔絕密封；軸向位傳感器上端與壓頭固定連接，環向位移傳感器環繞在致密巖石試樣上；
[0075](9)、利用圍壓控制系統為致密巖石試樣提供圍壓σ & ;利用偏壓控制系統為致密巖石試樣提供偏壓0 dl ；
[0076](10)、打開上端滲透系統所有截止閥，打開下端滲透系統所有截止閥，用抽真空系統，將標準鋼樣、管線、閥門、多孔墊片及接頭內氣體抽出，待達到所需真空狀態時，關閉抽真空系統；
[0077](11)關閉上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，利用上端滲透系統在壓力P1下將上端滲透系統的高壓注入泵、所選用測試方案中的上端滲透系統的儲氣容器充滿所選用測試方案中的氣體，利用下端滲透系統在壓力P1下將下端滲透系統的高壓注入泵、所選用測試方案中的下端滲透系統的儲氣容器充滿所選用測試方案中的氣體；關閉所選用測試方案中的氣體對上端滲透系統的高壓注入泵及下端滲透系統的高壓注入泵的供給，運行上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵，使上端滲透系統和下端滲透系統中氣體壓力保持恒定值P1 ；
[0078](12)、啟動三軸壓力室的加熱線圈，對三軸壓力室內致密巖石試樣加溫，使致密巖石試樣達到恒定溫度T1 ;利用恒溫系統使上端滲透系統的儲氣容器和下端滲透系統的儲氣容器達到恒定溫度T1，使上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵泵內氣體達到恒定溫度T1，待上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵泵內氣體體積不再變化時，即可開始下一步操作；
[0079]步驟三、利用瞬態法測試致密巖石試樣的滲透率
[0080](13)、同時打開上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的的截止閥和下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，使上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵同時向致密巖石試樣以壓力P1注入氣體，待壓差傳感器的讀數為零時，關閉上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥；
[0081](14)、根據選取的測試方案，對應如下操作的一種:
[0082]方案一:將下端滲透系統的高壓注入泵的壓力升高至P2，壓力穩定后，關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，使得下端變為定容狀態，讀取此時壓差傳感器的讀數和時間h，
[0083]打開上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥和下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，使下端滲透系統的高壓注入泵向致密巖石試樣下端注入氣體，待壓差傳感器示數穩定后，讀取此時壓差傳感器的讀和時間tn，根據公式計算試樣圍壓Qcl、偏壓Qdl、溫度T1、背壓P1、注氣壓力P2下的致密巖石的瞬態法的滲透率:
【權利要求】
1.一種瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置，其特征在于:包括三軸壓力室、偏壓控制系統、圍壓控制系統、上端滲透系統、下端滲透系統、壓差傳感器、抽真空系統、恒溫系統和數據控制采集系統； 所述的三軸壓力室包括軸壓室、圍壓室和試樣加溫裝置；試樣加溫裝置設置在圍壓室內； 所述的偏壓控制系統與三軸壓力室的軸壓室相連通； 所述的圍壓控制系統與恒溫三軸壓力室的圍壓室相連通； 所述的上端滲透系統，包括高壓注入泵和至少I個儲氣容器，高壓注入泵與儲氣容器的進氣端相連通，儲氣容器的出氣端通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣上部相連通； 所述的下端滲透系統，包括高壓注入泵和至少I個儲氣容器，高壓注入泵與儲氣容器的進氣端相連通，儲氣容器的 出氣端通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣下部相連通； 所述的壓差傳感器，分別與上端滲透系統和下端滲透系統相連通，壓差傳感器靠近三軸壓力室設置； 所述的抽真空系統，分別與上端滲透系統及下端滲透系統相連通； 所述的恒溫系統，包括低溫槽，所述的恒溫系統分別與上端滲透系統的高壓注入泵及下端滲透系統的高壓注入泵相連接，上端滲透系統的儲氣容器和下端滲透系統的儲氣容器放置在低溫槽內； 所述的數據控制采集系統，與三軸壓力室的數據控制端、偏壓控制系統的數據控制端、圍壓控制系統的數據控制端、上端滲透系統的數據控制端、下端滲透系統的數據控制端和壓差傳感器的數據控制端相連接。
2.如權利要求1所述的瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置，其特征在于，所述的上端滲透系統包括高壓氣瓶、減壓閥、高壓注入泵、儲氣容器、壓力傳感器和截止閥；高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高壓注入泵的進氣端相連通，高壓注氣泵的出氣端與儲氣容器的進氣端相連通，儲氣容器的出氣端與三軸壓力室的試樣上部通過圍壓室底部穿孔相連通，在高壓氣瓶和減壓閥之間、減壓閥和高壓注入泵之間、高壓注入泵和儲氣容器之間、儲氣容器和三軸壓力室試樣上部之間均設置有截止閥，儲氣容器和三軸壓力室試樣之間的截止閥靠近三軸壓力室設置，靠近三軸壓力室的截止閥和三軸壓力室的試樣之間設置有壓力傳感器。
3.如權利要求1所述的瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置，其特征在于，所述的下端滲透系統包括高壓氣瓶、減壓閥、高壓注入泵、儲氣容器、壓力傳感器和截止閥，高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高壓注入泵的進氣端相連通，高壓注氣泵的出氣端與儲氣容器的進氣端相連通，儲氣容器的出氣端與三軸壓力室的試樣下部通過圍壓室底部穿孔相連通，在高壓氣瓶和減壓閥之間、減壓閥和高壓注入泵之間、高壓注入泵和儲氣容器之間、儲氣容器和三軸壓力室試樣下部之間均設置有截止閥，儲氣容器和三軸壓力室試樣之間的截止閥靠近三軸壓力室設置，靠近三軸壓力室的截止閥和三軸壓力室的試樣之間設置有壓力傳感器。
4.如權利要求1所述的瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置，其特征在于，所述的三軸壓力室的試樣加溫裝置，包括試樣表面的溫度傳感器、測油溫傳感器和加熱線圈；試樣表面溫度傳感器緊貼試樣放置，測油溫傳感器豎直放置于恒溫三軸壓力室的圍壓室內，加熱線圈緊貼恒溫三軸壓力室圍壓室的側壁放置。
5.如權利要求1所述的瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置，其特征在于，所述的偏壓控制系統、圍壓控制系統、上端滲透系統、下端滲透系統、抽真空系統、恒溫系統和數據控制采集系統的管路均采用不銹鋼耐壓管線。
6.如權利要求1所述的瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置，其特征在于，所述的上端滲透系統、下端滲透系統、抽真空系統、恒溫系統的不銹鋼耐壓管線外部均包裹保溫夾套。
7.如權利要求1所述的瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置，其特征在于，所述的上端滲透系統或下端滲透系統的儲氣容器為I個或2個。
8.如權利要求1所述的瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置，其特征在于，所述的偏壓控制系統和圍壓控制系統中均設置有壓力傳感器，壓力傳感器數據輸出端與數據控制采集系統相連。
9.采用權利要求1所述的瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置進行瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一、標定參考體積 (1)定性分析，根據測試氣體的不同和致密巖石孔隙度的大小，選用以下測試方案的一種: 方案一:測試氣體為吸附性氣體，致密巖石孔隙度小于5%，采取上端定壓下端定容模式，上端滲透系統為I個儲氣容器，下端滲透系統為I個儲氣容器； 方案二:測試氣體為吸附性氣體，致密巖石孔隙度大于5%，采取上端定壓下端定容模式，上端滲透系統為I個儲氣容器，下端滲透系統為2個儲氣容器，下端滲透系統的2個儲氣容器并列設置，兩個儲氣容器的進氣端通過三通與下端滲透系統高壓注入泵的出氣端相連通，兩個儲氣容器的出氣端通過三通與三軸壓力室的試樣下端相連通； 方案三:測試氣體為非吸附性氣體，致密巖石孔隙度小5%，采取上端定壓下端定容模式，上端滲透系統為I個儲氣容器，下端滲透系統為I個儲氣容器； 方案四:測試氣體為非吸附性氣體，致密巖石孔隙度小5%，采取上端定容下端定容模式，上端滲透系統為I個儲氣容器，下端滲透系統為I個儲氣容器； 方案五:測試氣體為非吸附性氣體，致密巖石孔隙度大于5%，采取上端定壓下端定容模式，上端滲透系統為I個儲氣容器，下端滲透系統為2個儲氣容器，下端滲透系統的2個儲氣容器并列設置，兩個儲氣容器的進氣端通過三通與下端滲透系統高壓注入泵的出氣端相連通，兩個儲氣容器的出氣端通過三通與三軸壓力室的試樣下端相連通； 方案六:測試氣體為非吸附性氣體，致密巖石孔隙度大于5%，采取上端定容下端定容模式，上端滲透系統為2個儲氣容器，兩個儲氣容器的進氣端通過三通與上端滲透系統高壓注入泵的出氣端相連通，兩個儲氣容器的出氣端通過三通與三軸壓力室的試樣上端相連通；下端滲透系統為2個儲氣容器，兩個儲氣容器的進氣端通過三通與下端滲透系統高壓注入泵的出氣端相連通，兩個儲氣容器的出氣端通過三通與三軸壓力室的試樣下端相連通； (2)、將試樣表面第一溫度傳感器緊貼標準鋼樣固定，標準鋼樣樣上、下端均放置多孔墊片；外部套上熱塑管進行隔絕密封；(3)、利用圍壓控制系統為標準試樣提供圍壓Oca;利用偏壓控制系統為標準試樣提供偏壓0 dl ； (4)、打開上端滲透系統所有截止閥，打開下端滲透系統所有截止閥，用抽真空系統，將標準鋼樣、管線、閥門、多孔墊片及接頭內氣體抽出，待達到所需真空狀態時，關閉抽真空系統； (5)、關閉上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥；利用上端滲透系統在壓力P1下將上端滲透系統的高壓注入泵充滿所選用的測試方案中的氣體，使上端滲透系統的高壓注入泵以壓力P1獨立運行，關閉所選用的測試方案中的氣體對上端滲透系統的高壓注入泵的供給；利用下端滲透系統在壓力P1下將下端滲透系統的高壓注入泵充滿所選用的測試方案中的氣體，使下端滲透系統的高壓注入泵以壓力PJi立運行，關閉所選用的測試方案中的氣體對下端滲透系統的高壓注入泵的供給； (6)、啟動三軸壓力室內的加熱線圈，對標準鋼樣加溫，使標準鋼樣達到溫度T1;利用恒溫系統使上端滲透系統和儲氣容器和下端滲透系統的儲氣容器達到溫度T1 ;使上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵內氣體達到恒定溫度T1，待上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵泵內氣體的體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣加溫后的上端 滲透系統的高壓注入泵泵內氣體體積V15_stMl_a和標準鋼樣加溫后的不端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積V16_stMl_a ； (7)、根據所選用的測試方案，對應如下操作的一種，確定參考體積: 方案一:關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時的下端滲透系統中連通的空腔注入吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積Vl6-steel-b ? 方案一的下端滲透系統參考體積:
Vd Vl6-steel-a "^16-steel-b ? 方案二:關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時下端滲透系統中連通的空腔注入吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積Vl6-steel-b ? 方案二的下端滲透系統參考體積:
Vd Vl6-steel-a "^16-steel-b ? 方案三:關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時的下端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積Vl6-steel-b ? 方案三的下端滲透系統參考體積:Vd Vl6-steel-a "^16-steel-b ? 方案四:關閉上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時上端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待上端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的上端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積Vl5-steel-b ? 方案四的上端滲透系統參考體積:
Vu Vl5-steel-a Vl5-steel-b ? 關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時的下端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積v16_stMl_b ； 方案四的下端滲透系統參考體積:
Vd Vl6-steel-a "^16-steel-b ? 方案五:關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時下端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積Vl6-steel-b ? 方案五的下端滲透系統參考體積:
Vd Vl6-steel-a "^16-steel-b ? 方案六:關閉上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時上端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待上端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的上端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積Vl5-steel-b， 方案六的上端滲透系統參考體積:
Vu Vl5-steel-a Vl5-steel-b ? 關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，打開下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，向此時下端滲透系統中連通的空腔注入非吸附性氣體，待下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積不再變化時，讀取此時的標準鋼樣注氣后的下端滲透系統的高壓注入泵內氣體體積V16_stMl_b; 方案六的下端滲透系統參考體積:
Vd Vl6-steel-a "^16-steel-b ? 步驟二、為致密巖石試樣提供符合工程實際的圍壓偏壓和溫度環境 (8)、將表面第一溫度傳感器緊貼致密巖石試樣固定，致密巖石試樣上、下端均放置多孔墊片；致密巖石試樣外部套上熱塑管進行隔絕密封；軸向位傳感器上端與壓頭固定連接，環向位移傳感器環繞在致密巖石試樣上； (9)、利用圍壓控制系統為致密巖石試樣提供圍壓Oca;利用偏壓控制系統為致密巖石試樣提供偏壓O dl ; (10)、打開上端滲透系統所有截止閥，打開下端滲透系統所有截止閥，用抽真空系統，將標準鋼樣、管線、閥門、多孔墊片及接頭內氣體抽出，待達到所需真空狀態時，關閉抽真空系統； (11)關閉上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，利用上端滲透系統在壓力P1下將上端滲透系統的高壓注入泵、所選用測試方案中的上端滲透系統的儲氣容器充滿所選用測試方案中的氣體，利用下端滲透系統在壓力P1下將下端滲透系統的高壓注入泵、所選用測試方案中的下端滲透系統的儲氣容器充滿所選用測試方案中的氣體；關閉所選用測試方案中的氣體對上端滲透系統的高壓注入泵及下端滲透系統的高壓注入泵的供給，運行上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵，使上端滲透系統和下端滲透系統中氣體壓力保持恒定值P1 ； (12)、啟動三軸壓力室的加熱線圈，對三軸壓力室內致密巖石試樣加溫，使致密巖石試樣達到恒定溫度T1 ;利用恒溫系統使上端滲透系統的儲氣容器和下端滲透系統的儲氣容器達到恒定溫度T1，使上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵泵內氣體達到恒定溫度T1，待上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵泵內氣體體積不再變化時，即可開始下一步操作； 步驟三、利用瞬態法測試致密巖石試樣的滲透率 (13)、同時打開上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥和下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，使上端滲透系統的高壓注入泵和下端滲透系統的高壓注入泵同時向致密巖石試樣以壓力P1注入氣體，待壓差傳感器的讀數為零時，關閉上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的的截止閥，關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥； (14)、根據選取的測試方案，對應如下操作的一種: 方案一:將下端滲透系統的高壓注入泵的壓力升高至P2，壓力穩定后，關閉下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近高壓注入泵的截止閥，使得下端變為定容狀態，讀取此時壓差傳感器的讀數和時間h， 打開上端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥和下端滲透系統的高壓注入泵與三軸壓力室之間靠近三軸壓力室的截止閥，使下端滲透系統的高壓注入泵向致密巖石試樣下端注入氣體，待壓差傳感器示數穩定后，讀取此時壓差傳感器的讀數~\和時間tn，根據公式計算試樣圍壓Ocl、偏壓Qdl、溫度T1、背壓P1、注氣壓力P2下的致密巖石的瞬態法的滲透率:
InSpl -1nδρι: c.攀2 其中，c為注入氣體壓縮系數；μ為注入氣體粘度；Φ為致密巖石試樣孔隙度；L為致密巖石試樣高度；Θ為定義參數，可根據公式:
10.如權利要求9所述的瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的方法，其特征在于，所述的吸附氣體為甲烷或二氧 化碳；所述的非吸附性氣體為氦氣或氬氣。
【文檔編號】G01N15/08GK103969165SQ201410182874
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】馮夏庭, 陳天宇, 張希巍, 李元輝, 楊成祥, 金長宇, 孔瑞 申請人:東北大學