[发明专利]气体在致密岩芯中渗流规律的快速准确测定装置和方法

权利要求书

1.一种气体在致密岩芯中渗流规律的快速准确测定装置，其特征在于，包括：

三轴岩芯夹持器，所述三轴岩芯夹持器用于夹持致密岩芯；

管路系统，所述管路系统包括进气管路、出气管路、第一并联管路、第二并联管路和末端支路，所述进气管路的后端与所述三轴岩芯夹持器的进气口相连，所述出气管路的前端与所述三轴岩芯夹持器的出气口相连，所述第一并联管路和第二并联管路并联且两端分别与所述进气管路、所述出气管路相连，所述末端管路的前端与所述出气管路相连且所述末端管路与所述第一并联管路串联；

渗流系统，所述渗流系统包括沿所述进气管路由前至后依次设置的气源、第一气瓶、第二气瓶、第三气瓶，以及沿所述出气管路由前至后依次设置的第四气瓶和第五气瓶；

压力系统，所述压力系统包括静音空气压缩机、轴压泵、围压泵、气体压差开关、气体增压泵和抽真空机，所述轴压泵和所述围压泵分别用于对致密岩芯施加轴压和围压，所述静音空气压缩机设置于所述进气管路上且位于所述气源与所述第一气瓶之间，所述气体压差开关设置于所述第一并联管路上，所述气体增压泵设置于所述第二并联管路上，所述抽真空机设置于所述出气管路的后端；

阀门系统，所述阀门系统包括设置于所述进气管路上的第一开关阀、第二开关阀、减压阀、第三开关阀、第四开关阀和第五开关阀，以及设置于所述出气管路上的第六开关阀、第七开关阀、第八开关阀，以及设置于所述末端管路上的第九开关阀，所述第一开关阀位于所述静音空气压缩机与所述第一气瓶之间，所述第二开关阀、所述减压阀、所述第三开关阀由前至后依次设置于所述第一气瓶与所述第二气瓶之间，所述第四开关阀位于所述第二气瓶与所述第三气瓶之间，所述第五开关阀位于所述第三气瓶与所述三轴岩芯夹持器之间，所述第六开关阀位于所述三轴岩芯夹持器与所述第四气瓶之间，所述第七开关阀位于所述第四气瓶与所述第五气瓶之间，所述第八开关阀位于所述第五气瓶与所述抽真空机之间；

数据采集处理系统，所述数据采集处理系统包括设置于所述进气管路上的第一压力表、第二压力表、设置于所述出气管路上的第三压力表、以及设置于所述三轴岩芯夹持器上的轴向位移传感器，所述第一压力表位于所述第一开关阀与所述第二开关阀之间，所述第二压力表位于所述第四开关阀与所述第五开关阀之间，所述第三压力表位于所述第六开关阀与所述第七开关阀之间，所述轴向位移传感器用于测量并记录致密岩芯的轴向位移，所述第一并联管路的前端位于所述第二气瓶与所述第四开关阀之间，所述第一并联管路的后端位于所述第七开关阀与所述第五气瓶之间。

2.根据权利要求1所述的气体在致密岩芯中渗流规律的快速准确测定装置，其特征在于，所述第一气瓶为2000mL气瓶。

3.根据权利要求1所述的气体在致密岩芯中渗流规律的快速准确测定装置，其特征在于，所述第二气瓶为300mL气瓶。

4.根据权利要求1所述的气体在致密岩芯中渗流规律的快速准确测定装置，其特征在于，所述第三气瓶为15mL气瓶。

5.根据权利要求1所述的气体在致密岩芯中渗流规律的快速准确测定装置，其特征在于，所述第四气瓶为15mL气瓶。

6.根据权利要求1所述的气体在致密岩芯中渗流规律的快速准确测定装置，其特征在于，所述第五气瓶为300mL气瓶。

7.一种气体在致密岩芯中渗流规律的快速准确测定方法，使用如权利要求1-6任意一项所述的气体在致密岩芯中渗流规律的快速准确测定装置，并包括如下步骤：

S1、检查气密性：将渗流系统中的所有开关关闭；打开三轴岩芯夹持器，将致密岩芯装入三轴岩芯夹持器中，封闭三轴岩芯夹持器；打开轴压泵，将致密岩芯轴压σ_z设定为2MPa；打开围压泵，将致密岩芯围压σ_r设定为2MPa；依次打开气源、第一开关阀和静音空气压缩机，使气源内的气体在静音空气压缩机的作用下注入第一气瓶，通过第一压力表读取第一气瓶中气体的压力，当第一压力表的读数达到5MPa时，依次关闭气源、空气静音压缩机以及第一开关阀；打开第二开关阀，调节减压阀的压力至3MPa，依次打开第三开关阀、第四开关阀、第五开关阀、第六开关阀和第七开关阀，并将气体压差开关的压差值调至最低；等待渗流装置中的气体压力平衡，观察第一压力表、第二压力表和第三压力表的读数，若压力表读数在30min内保持不变，则认为整个试验装置的气密性好，可以满足试验要求并进行试验，若压力表读数不能在30min内保持不变，则需要检查整个试验装置的气密性，直至可满足气密性要求；

S2、抽真空：打开第八开关阀和第九开关阀，将气体排出；关闭第九开关阀，打开抽真空机，将整个装置抽真空；

S3、测试致密岩芯的表观渗透率k，包括如下步骤：

a：关闭第二开关阀、第三开关阀和第八开关阀，打开第一开关阀，打开气源和静音空气压缩机，使气瓶内的气体在静音空气压缩机的作用下注入第一气瓶，通过第一压力表读取第一气瓶中气体的压力，当第一压力表的读数为20MPa左右时，依次关闭气源、空气静音压缩机和第一开关阀；

b：打开第二开关阀，调节减压阀的压力p至p₀，p₀为渗流试验时气体在致密岩芯中的平均压力，打开轴压泵并将致密岩芯的轴压升至σ_z，打开围压泵并将致密岩芯围压升至σ_r，σ_z和σ_r均比p高1MPa；打开第三开关阀；观察第一压力表、第二压力表和第三压力表的读数，当三个压力表的读数为p并在30min内保持不变时，则认为渗流装置内的气体压力达到平衡，并依次关闭第三开关阀、第五开关阀和第六开关阀；读取轴向位移传感器的示数，即在围压σ_r、轴压σ_z以及气体压力p下致密岩芯的径向位移d_r；

c：将气体压差开关的压差值调至最大，打开增加泵，当气体压差开关自动打开时，关闭增压泵；将气体压差开关的压差值△p设定为0.01p，△p为渗流试验中致密岩芯两端的压差值；等待气体压差开关自动关闭后，关闭第四开关阀和第七开关阀；打开第五开关阀和第六开关阀，气体在压差△p的作用下在致密岩芯中渗流，三轴岩芯夹持器进气口和出气口的气体压力随时间的变化规律通过第二压力表和第三压力表分别记录为p_u(t)和p_d(t)，直至第二压力表和第三压力表的读数为p；

d：确定致密岩芯在围压σ_r、轴压σ_z以及气体压力p下的表观渗透率k，k的单位为m²，由以下公式确定：

式中，t为时间，单位为s；β为待定参数，无量纲；μ为气体粘度，单位为Pa·s，L和A分别为致密岩芯的长度和横截面面积，单位分别为m和m²；V为第三气瓶或第四气瓶的容积，单位为m³，第三气瓶和第四气瓶的容积相同；首先根据式(1a)拟合出β的值，再根据式(1b)确定表观渗透率k；

e：依次设定步骤c中的气体压差开关的压差值△p为0.02p和0.03p，重复步骤c，得到在不同压差△p下，致密岩芯进气口和出气口的气体压力随时间的变化曲线，即p_u(t)和p_d(t)；重复步骤d确定致密岩芯在围压σ_r、轴压σ_z以及气体压力p下的表观渗透率k；将测得的不同压差△p下的表观渗透率k的平均值视为致密岩芯在围压σ_r、轴压σ_z以及气体压力p下的表观渗透率k，求平均值的数据不少于三组；

S4、确定致密岩芯的Biot系数，包括如下步骤：

f：打开第二开关阀，增加减压阀的压力p至p₀+△p₀，△p₀＝1MPa，打开轴压泵将致密岩芯的轴压增加至σ_z+△p₀，打开围压泵将致密岩芯的围压升至σ_r+△p₀；打开第三开关阀和第七开关阀；观察第一压力表、第二压力表和第三压力表的读数，当压力表的读数为p且在30min内保持不变时，认为渗流装置内的气体压力达到平衡；同时调节围压和轴压分别至σ_z+α△p₀和σ_r+α△p₀，0α≤1，当轴向位移传感器的示数与步骤b中的示数相同时，停止调节围压泵和轴压泵，此时的α即为致密岩芯的Biot系数；重复步骤c、d和e，可得到相同有效应力、不同气体压力p下致密岩芯的表观渗透率k，轴向有效应力σ_ze＝σ_z-αp，径向有效应力σ_re＝σ_r-αp；

g：增大步骤f中的△p₀，△p₀分别选取为2MPa，4MPa，6MPa和8MPa，重复步骤f，得到相同有效应力下的多组p与k的值，轴向有效应力σ_ze＝σ_z-αp，径向有效应力σ_re＝σ_r-αp；

S5、确定气体在致密岩芯中渗流时的Klinkenberg系数B，由以下公式确定：

式中k_∞为致密岩芯的固有渗透率，其确定方法为：以p为横坐标，k为纵坐标，将第四步中得到的相同有效应力下的多组(p，k)数据瞄点并拟合曲线，该曲线的水平渐近线即为k＝k_∞。