[发明专利]一种用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器

权利要求书

1.一种用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器，它包括控制系统(13)、恒温系统(9)、用于测试岩石试件(3)的固定单元、缓冲气罐(15)、储气罐(12)、油泵(8)、油路(7)、气体管路、气压表(17)和气体开关，气体开关包括上进气开关(18)、下进气开关(19)和储气开关(11)，气体管路包括上进气管路(16)、下进气管路(20)和储气管路(10)，其特征在于：所述恒温系统(9)内部设固定单元、缓冲气罐(15)、油泵(8)、油路(7)、上进气管路(16)、下进气管路(20)、气压表(17)和上进气开关(18)、下进气开关(19)和储气开关(11)，固定单元包括上盖(1)、单元主体(2)、下座(5)和固定螺栓(4)，下座(5)上设单元主体(2)，单元主体(2)上设上盖(1)，下座(5)与上盖(1)通过固定螺栓(4)相连接，单元主体(2)内设岩石试件(3)，岩石试件(3)设在下座(5)上，缓冲气罐(15)上下两端分别通过上进气管路(16)和下进气管路(20)与固定单元相连接，上进气管路(16)上设上进气开关(18)和气压表(17)，下进气管路(20)上设下进气开关(19)，油泵(8)通过油路(7)与固定单元的单元主体(2)内腔相连通；恒温系统(9)外部设储气罐(12)和控制系统(13)，储气罐(12)通过储气管路(10)和储气开关(11)与缓冲气罐(15)相连通，储气管路(10)上设储气开关(11)，控制系统(13)通过数据线(14)与气压表(17)相连接。

2.如权利要求1所述的用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器，其特征在于：所述岩石试件(3)的上下两侧均安装气体分散片(21)，岩石试件(3)上面设压头(22)，岩石试件(3)通过基座(6)固定设在下座(5)上，并采用橡胶皮套(24)和金属套箍(23)进行密封。

3.如权利要求1所述的用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器，其特征在于：所述缓冲气罐(15)用于为孔隙率测试提供压力，缓冲气罐(15)上端通过上进气管路(16)与固定单元单元主体(2)内腔的测试岩石试件(3)相连接，缓冲气罐(15)下端通过下进气管路(20)与固定单元内腔的测试岩石试件(3)相连接。

4.如权利要求1所述的用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器，其特征在于：所述储气罐(12)，用于为缓冲气罐(15)提供测试气体，储气罐(12)通过储气管路(10)与缓冲气罐(15)相连通，并在储气管路(10)上设储气开关(1 1)。

5.如权利要求1所述的用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器，其特征在于：所述气压表(17)为数字气压表(17)，用于测试缓冲气罐(15)的气体压力。

6.如权利要求1所述的用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器，其特征在于：所述油泵(8)用于为固定单元的单元主体(2)内腔提供围压，油泵(8)上设油压表，用于测量固定单元单元主体(2)内腔的围压。

7.如权利要求1所述的用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器，其特征在于：所述控制系统(13)，用于连接气压表(17)实时记录和输出缓冲气罐(15)的气体压力随时间的变化曲线，所述数据线(14)，用于连接数字气压表(17)与控制系统(13)。

8.如权利要求1所述的用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器，其特征在于：所述气体开关，用于控制气体在管道内的流动，其中，上进气开关(18)控制固定单元上进气管路(16)，下进气开关(19)控制固定单元下进气管路(20)，储气开关(11)控制储气罐(12)为缓冲气罐(15)注入气体的气体管路。

9.如权利要求1所述的用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器，其特征在于：所述岩石试件(3)的直径为50cm、高度为100mm的圆柱形岩石试件(3)。

10.一种用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器的测试方法，其特征在于：某一固定温度T₁，开裂超低渗开裂岩石气体渗透率的测试步骤如下：

(1)采用游标卡尺测试岩石试件(3)的直径d，高度h。

(2)安装固定单元、连接气体管路，安装岩石试件(3)，并确定所有开关关闭，打开恒温系统(9)设置固定温度T₁。

(3)打开手动油泵(8)阀门，给固定单元提供围压Pv。

(4)打开储气开关(11)给缓冲气罐(15)充入气体并提供压强；关闭储气开关(11)，连接数据线(14)，打开控制系统(13)，自动记录数字气压表(17)的压强数，记录频率为1数据/s,所述记录频率是指1秒记录一个数据。直至气体压强稳定，此压强读数为P₁；

(5)打开下进气开关(19)和上进气开关(18)，数字气压表(17)显现气体压力迅速降至P₂，然后开始缓慢降低；根据理想气体方程，按照如下公式计算下进气开关(19)和上进气开关(18)密封管道、气体分散片(21)等体积V₂为:

(6)继续通过控制系统(13)记录数字气压表(17)压强，可以得到压强变化曲线，P为压强，T为时间，压强逐渐降低，且降低速度越来越慢，直至压强稳定至P₃，此时气体从岩石试件(3)上下表面和裂缝(27)处进入岩石试件(3)，则此时可计算岩石试件(3)孔隙体积V_k为：

(7)此时，依据达西定律计算任意时刻T₄岩石试件(3)的气体渗透率，其步骤如下：

(a)在时间T₄时，数字气压表(17)的压强为P₄，则根据理想气体方程，岩石试件(3)孔隙内的平均压力Pa为:

(b)在此岩石试件(3)中，气体压力在压差的作用下并非均匀分布，其分布函数P(x)为：

开裂岩石试件(3)具有上进气口(25)、出气口(26)、裂缝(27)和下进气口(28)。

其中，P_进为进气口的气压；P_出为出气口(26)的气压。那么，气压表(17)压力值为P₄时，岩石试件(3)气压的分布函数为：

其中，P_h/2为P₄时岩石试件(3)中间处的气体压强。

(c)根据理想气体方程，

由于仅有P_h/2未知，可推导出P_h/2为：

P_h/2≈P₄-1.5P_a

(d)在气压值为P4时，Δt的时间内，气压变化了ΔP4，那么此时间内的压力均值Pmean为P_mean＝P₄-0.5ΔP₄

(e)由理想气体方程可得，在ΔT的时间内的平均流量Qmean为：

(f)最终可计算出此时气体渗透率为：

。