态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置及方法制造方法及图纸

一种瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置及方法，属于岩石工程和非常规油气藏工程领域。本发明专利技术瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的测试装置包括：三轴压力室、偏压控制系统、围压控制系统、上端渗透系统、下端渗透系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统。瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的方法，先标定参考体积，为试样提供围压偏压温度环境后，进行瞬态渗透率和稳态渗透率的测试。本发明专利技术提供符合工程实际的偏压、背压和恒温测试环境，温度的波动误差控制在±0.1℃以内，气体体积误差可控制在0.3％以内，注入压力的误差可控制在0.5％以内。可以同时实现定压和定容两种方式下的瞬态渗透率测定；采用定容方式测定渗透率时，可根据孔隙体积大小，调节参考容器的体积。

【技术实现步骤摘要】
瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置及方法
本专利技术属于岩石工程和非常规油气藏工程领域，特别涉及瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置及方法。
技术介绍
随着常规油气藏资源储量的日益衰减，非常规油气藏资源作为一种重要的战略性补充能源，其勘探和开发制约着中国未来经济的快速发展。我国非常规油气藏资源主要包括页岩气、致密砂岩气、煤层气和深部致密油气藏，其中页岩气储量超过常规天然气，致密砂岩气、煤层气储量均与页岩气储量相当。十二五规划中明确要求2015年页岩气产量达到65亿立方米，然而由于中国含气页岩的基础理论研究仍十分匮乏，目前，除了四川盆地处于页岩气开发初期，其他区块并未实现大规模的商业开采。致密砂岩气和煤层气虽然已进入开发阶段，但其产气量低、衰减快，远未能达到与常规天然气相当的商业开发产量。造成目前非常规天然气开发瓶颈的重要原因之一在于缺乏适用于非常规天然气储层岩石试验研究的测试装置和方法，从而导致非常规天然气开发方案设计和开采技术出现偏差。非常规天然气储层岩石渗透率是其评价、选区、勘探和开发方案设计所需要的重要参数之一。非常规天然气储层与常规天然气储层相比具有独有的特点：非常规天然气储层岩石较为致密，孔隙度、渗透率都比常规储层岩石低。含气页岩孔隙度小于6％，渗透率范围为10μD-0.1nD。致密砂岩气储层岩石孔隙度小于10％，渗透率多小于0.1mD。非常规天然气储层致密岩石渗透率的准确测量成为制约非常规天然气勘探开发的关键问题之一。在非常规天然气开采过程中，气体通过孔隙和裂隙通道运移至井筒，气体压力沿储层到井筒逐渐降低，其渗透的最大压差为储层压力与井筒压力的差值。由于非常规天然气储层高埋深的特点，非常规天然气井存在一段气柱，使得气体出口处的井底压力大于大气压。因此，致密岩石渗透率测定需在一定背压条件下进行，现有的致密岩石稳态法渗透率测定中，由于并未考虑到现场实际情况和以及现有设备的限制，气体低压端均直接连通大气，其低压端压力即为大气压。根据实际生产情况，非常规天然气储层致密岩石渗透率测定的合理气体压力高压端应采用致密岩石储层压力，低压端则应采用气井井底压力，可见低压端采用大气压的测量方式偏离了工程实际，使得所测得的致密岩石渗透率出现偏差。在实际的非常规天然气开采过程中，随着排采降压的不断进行，孔隙流体压力的变化引起储层岩石有效应力的改变，导致岩石骨架发生改变，即引起应力场和变形场的变化；另一方面页岩气藏骨架的变形场、应力场的变化又将导致页岩孔隙度、渗透率等渗流物性参数的变化，进一步影响孔隙、裂隙流体在岩石内的运移。非常规天然气储层岩石的渗透性能是上述应力场、变形场、渗流场之间的动态耦合作用的结果。中国非常规天然气储层埋深大，多位于地下500-3500m，且经历了复杂的地质改造作用，使得储层岩石处于复杂的应力状态中。综上，非常规天然气储层岩石渗透率的准确测量必须要提供符合工程实际的偏应力环境，而目前的非常规天然气储层岩石渗透率测试方法中所提供的应力环境多为静水压力环境。高埋深使得非常规天然气储层处于一定的温度环境中，埋深越大，其储层温度越高。高温环境使得储层岩石骨架膨胀，骨架之间的孔隙和微裂隙被压缩，渗透率降低；同时又会使得储层中的气体分子活跃。稳态法测试非常规天然气储层岩石渗透率时，试样出口端流量非常小，必须具有高精度的恒温环境才可以保证流量测定的准确度。综上，非常规天然气储层岩石渗透率的准确测量必须要为试样和测试气体同时提供符合工程实际的恒温环境。目前致密岩石渗透率的测试系统未实现注入气体的加温，只实现了对试样进行加温。在测试中，温度的波动会导致注气压力不稳定，使得瞬态法压力测试和稳态法流量测试出现误差，进而影响致密岩石渗透率测定的准确性。致密岩石的出口端流量非常微小，利用稳态法测试致密岩石渗透率时，需测得能够实时准确的测量出口气体流量，现有的渗透率测定常采用排水法人工记录读数，该方法将气体收集装置暴露在空气中，导致温度波动对气体收集产生影响；且人工记录误差较大，无法实现准确的实时动态流量测定。现有的测试系统对试样的加热或通过将整个三轴腔室置入恒温水浴加温，或通过加温三轴腔室的液压油对试样加温，这两种方法均要经过很长时间的热传导才可以使试样达到恒定的温度，而如何确保和判断试样达到指定温度这个问题并未得到解决。另外，对于渗透测试所用气体加温后，必须等待气体达到热平衡后才可以开始测试，而如何判断其达到热平衡状态，目前更未有过相关报道。目前测试岩石渗透率主要有瞬态法和稳态法两种方法。瞬态法依靠测试压力变化计算岩石渗透率，在测试过程中，测试气体优先沿优势裂隙通道通过，气体压力的降低多损耗在裂隙通道中，并非气体通过整个试样截面的能力。稳态法依靠测试试样出口端流量变化计算渗透率，稳态法要求达到流量稳定，耗时较长，但测量过程中气体通过整个试样的截面。非常规天然气勘探开发需提供更为可靠和丰富的测试参数，采用瞬态法和稳态法同时对试样渗透率进行测定，可以得到更为准确的储层渗透率范围，使得勘探开发方案的制定更为可靠。对于含气页岩、煤等非常规天然气储层岩石，地下取芯易破碎，成样率很低，试验岩心非常宝贵，对同一块试样进行两种不同渗透率方法的测定不仅可以节约试样，而且在现有勘探岩心有限的条件下提供最为丰富和可靠的测试数据，也使得两种渗透率测定结果的可对比性更强。目前，致密岩石渗透率的瞬态法和稳态法测定分别采用不同设备展开，若需要同时测定同一试样两种方法下的渗透率，则需要将已施加于试样的应力卸载，然后再用另一渗透率测定方法的测试设备开展。这种测试方法不能在同一测试过程中测定两种方法下的渗透率，首次渗透率测定卸载围压后会引起试样原有的孔隙结构发生改变，致使测试结果的可对比性差。且现有的致密岩石渗透率瞬态法系统或采用两端定容方式、或采用两端定压方式，而不同类型、不同测试气体适用的致密岩石适用的瞬态法类别不同，当测试气体采用吸附性气体时，需采用一端定压一端定容的瞬态测试方法；当测试岩石孔隙度较大时，定容测试方法所需的参考容器体积也越大，完善的致密岩石瞬态法渗透率测试系统须同时具备定容和定压方式，并且同时具备参考体积可调的功能，以便于根据不同岩石调整适合的瞬态渗透率测试方法。实现瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置和方法的技术难点在于：1.致密岩石孔隙结构对其渗透性能影响很大，且致密岩石稳、瞬态渗透率测试方法、原理和测试的物理量不同，如何在不改变致密岩石孔隙结构的条件下准确测得致密岩石两种方法下的渗透率。2.如何提供可变参考体积、可变定压和定容方式的测试系统。3.稳态法测试致密岩石渗透率时，试样上端出口流量非常微小，如何实时获得准确的气体流量。4.如何为稳态法下致密岩石渗透率的测定提供背压条件，且在背压条件下如何实时准确获得试样出口流量。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术目的在于提供一种可以实现瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置及方法。瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，包括三轴压力室、偏压控制系统、围压控制系统、上端渗透系统、下端渗透系统、压差传感器、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统；三轴压力室包括轴压室、围压室和试样加温装置；试样加温装置设置在围压室内；偏压控制系统与三轴压力室的轴压室相连通；围压控制系统与三轴压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于：包括三轴压力室、偏压控制系统、围压控制系统、上端渗透系统、下端渗透系统、压差传感器、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统；所述的三轴压力室包括轴压室、围压室和试样加温装置；试样加温装置设置在围压室内；所述的偏压控制系统与三轴压力室的轴压室相连通；所述的围压控制系统与恒温三轴压力室的围压室相连通；所述的上端渗透系统，包括高压注入泵和至少1个储气容器，高压注入泵与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样上部相连通；所述的下端渗透系统，包括高压注入泵和至少1个储气容器，高压注入泵与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样下部相连通；所述的压差传感器，分别与上端渗透系统和下端渗透系统相连通，压差传感器靠近三轴压力室设置；所述的抽真空系统，分别与上端渗透系统及下端渗透系统相连通；所述的恒温系统，包括低温槽，所述的恒温系统分别与上端渗透系统的高压注入泵及下端渗透系统的高压注入泵相连接，上端渗透系统的储气容器和下端渗透系统的储气容器放置在低温槽内；所述的数据控制采集系统，与三轴压力室的数据控制端、偏压控制系统的数据控制端、围压控制系统的数据控制端、上端渗透系统的数据控制端、下端渗透系统的数据控制端和压差传感器的数据控制端相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于：包括三轴压力室、偏压控制系统、围压控制系统、上端渗透系统、下端渗透系统、压差传感器、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统；所述的三轴压力室包括轴压室、围压室和试样加温装置；试样加温装置设置在围压室内；所述的偏压控制系统与三轴压力室的轴压室相连通；所述的围压控制系统与三轴压力室的围压室相连通；所述的上端渗透系统，包括高压注入泵和至少1个储气容器，高压注入泵与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样上部相连通；所述的下端渗透系统，包括高压注入泵和至少1个储气容器，高压注入泵与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样下部相连通；所述的压差传感器，分别与上端渗透系统和下端渗透系统相连通，压差传感器靠近三轴压力室设置；所述的抽真空系统，分别与上端渗透系统及下端渗透系统相连通；所述的恒温系统，包括低温槽，所述的恒温系统分别与上端渗透系统的高压注入泵及下端渗透系统的高压注入泵相连接，上端渗透系统的储气容器和下端渗透系统的储气容器放置在低温槽内；所述的数据控制采集系统，与三轴压力室的数据控制端、偏压控制系统的数据控制端、围压控制系统的数据控制端、上端渗透系统的数据控制端、下端渗透系统的数据控制端和压差传感器的数据控制端相连接。2.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的上端渗透系统包括高压气瓶、减压阀、高压注入泵、储气容器、压力传感器和截止阀；高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高压注入泵的进气端相连通，高压注入泵的出气端与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端与三轴压力室的试样上部通过围压室底部穿孔相连通，在高压气瓶和减压阀之间、减压阀和高压注入泵之间、高压注入泵和储气容器之间、储气容器和三轴压力室试样上部之间均设置有截止阀，储气容器和三轴压力室试样之间的截止阀靠近三轴压力室设置，靠近三轴压力室的截止阀和三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。3.如权利要求2所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的下端渗透系统包括高压气瓶、减压阀、高压注入泵、储气容器、压力传感器和截止阀，高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高压注入泵的进气端相连通，高压注入泵的出气端与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端与三轴压力室的试样下部通过围压室底部穿孔相连通，在高压气瓶和减压阀之间、减压阀和高压注入泵之间、高压注入泵和储气容器之间、储气容器和三轴压力室试样下部之间均设置有截止阀，储气容器和三轴压力室试样之间的截止阀靠近三轴压力室设置，靠近三轴压力室的截止阀和三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。4.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的三轴压力室的试样加温装置，包括试样表面的温度传感器、测油温传感器和加热线圈；试样表面的温度传感器紧贴试样放置，测油温传感器竖直放置于三轴压力室的围压室内，加热线圈紧贴三轴压力室围压室的侧壁放置。5.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的偏压控制系统、围压控制系统、上端渗透系统、下端渗透系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统的管路均采用不锈钢耐压管线。6.如权利要求5所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的上端渗透系统、下端渗透系统、抽真空系统、恒温系统的不锈钢耐压管线外部均包裹保温夹套。7.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的上端渗透系统或下端渗透系统的储气容器为1个或2个。8.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的偏压控制系统和围压控制系统中均设置有压力传感器，压力传感器数据输出端与数据控制采集系统相连。9.采用权利要求3所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置进行瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、标定参考体积(1)定性分析，根据测试气体的不同和致密岩石孔隙度的大小，选用以下测试方案的一种：方案一：测试气体为吸附性气体，致密岩石孔隙度小于5％，采取上端定压下端定容模式，上端渗透系统为1个储气容器，下端渗透系统为1个储气容器；方案二：测试气体为吸附性气体，致密岩石孔隙度大于5％，采取上端定压下端定容模式，上端渗透系统为1个储气容器，下端渗透系统为2个储气容器，下端渗透系统的2个储气容器并列设置，两个储气容器的进气端通过三通与下端渗透系统高压注入泵的出气端相连通，两个储气容器的出气端通过三通与三轴压力室的试样下端相连通；方案三：测试气体为非吸附性气体，致密岩石孔隙度小于5％，采取上端定压下端定容模式，上端渗透系统为1个储气容器，下端渗透系统为1个储气容器；方案四：测试气体为非吸附性气体，致密岩石孔隙度小于5％，采取上端定容下端定容模式，上端渗透系统为1个储气容器，下端渗透系统为1个储气容器；方案五：测试气体为非吸附性气体，致密岩石孔隙度大于5％，采取上端定压下端定容模式，上端渗透系统为1个储气容器，下端渗透系统为2个储气容器，下端渗透系统的2个储气容器并列设置，两个储气容器的进气端通过三通与下端渗透系统高压注入泵的出气端相连通，两个储气容器的出气端通过三通与三轴压力室的试样下端相连通；方案六：测试气体为非吸附性气体，致密岩石孔隙度大于5％，采取上端定容下端定容模式，上端渗透系统为2个储气容器，两个储气容器的进气端通过三通与上端渗透系统高压注入泵的出气端相连通，两个储气容器的出气端通过三通与三轴压力室的试样上端相连通；下端渗透系统为2个储气容器，两个储气容器的进气端通过三通与下端渗透系统高压注入泵的出气端相连通，两个储气容器的出气端通过三通与三轴压力室的试样下端相连通；(2)、将试样表面的温度传感器紧贴标准钢样固定，标准钢样上、下端均放置多孔垫片；外部套上热塑管进行隔绝密封；(3)、利用围压控制系统为标准钢样提供围压σc1；利用偏压控制系统为标准钢样提供偏压σd1；(4)、打开上端渗透系统所有截止阀，打开下端渗透系统所有截止阀，用抽真空系统，将标准钢样、管线、阀门、多孔垫片及接头内气体抽出，待达到所需真空状态时，关闭抽真空系统；(5)、关闭上端渗透系统的高压注入泵与三轴压力室之间靠近高压注入泵的截止阀，关闭下端渗透系统的高压注入泵与三轴压力室之间靠近高压注入泵的截止阀；利用上端渗透系统在压力P1下将上端渗透系统的高压注入泵充满所选用的测试方案中的气体，使上端渗透系统的高压注入泵以压力P1独立运行，关闭所选用的测试方案中的气体对上端渗透系统的高压注入泵的供给；利用下端渗透系统在压力P1下将下端渗透系统的高压注入泵充满所选用的测试方案中的气体，使下端渗透系统的高压注入泵以压力P1独立运行，关闭所选用的测试方案中的气体对下端渗透系统的高压注入泵的供给；(6)、启动三轴压力室内的加热线圈，对标准钢样加温，使标准钢样达到温度T1；利用恒温系统使上端渗透系统的储气容器和下端渗透系统的储气容器达到温度T1；使上端渗透系统的高压注入泵和下端渗透系统的高压注入泵内气体达到恒定温度T1，待上端渗透系统的高压注入泵和下端渗透系统的高压注入泵泵内气体的体积不再变化时，读取此时的标准钢样加温后的上端渗透系统的高压注入泵泵内气体体积V15-steel-a和标准钢样加温后的下端渗透系统的高压注入泵内气体体积V16-steel-a；(7)、根据所选用的测试方案，对应如下操作的一种，确定参考体积：方案一：关闭下端渗透系统的高压注入泵与三轴压力室之间靠近三轴压力室的截止阀，打开下端渗透系统的高压注入泵与三轴压力室之间靠近高压注入泵的截止阀，向此时的下端渗透系统中连通的空腔注入吸附性气体，待下端渗透系统的高压注入泵内气体体积不再变化时，读取此时的标准钢样注气后的下端渗透系统的高压注入泵内气体体积V16-steel-b，方案一的下端渗透系统参考体积：Vd＝V16-steel-a-V16-steel-b；方案二：关闭下端渗透系统的高压注入泵与三轴压力室之间靠近三轴压力室的截止阀，打开下端渗透系统的高压注入泵与三轴压力室之间靠近高压注入泵的截止阀，向此时下端渗透系统中连通的空腔注入吸附性气体，待下端渗透系统的高压注入泵内气体体积不再变化时，读取此时的标准钢样注气后的下端渗透系统的高压注入泵内气体体积V16-steel-b；方案二的下端渗透系统参考体积：Vd＝V16-steel-a-V16-steel-b；方案三：关闭下端渗透系统的高压注入泵与三轴压力室之间靠近三轴压力室的截止阀，打开下端渗透系统的高压注入泵与三轴压力室之间靠近高压注入泵的截止阀，向此时的下端渗透系统中连通的空腔注入非吸附性气体，待下端渗透系统的高压注入泵内气体体积不再变化时，读取此时的标准钢样注气后的下端渗透系统的高压注入泵内气体体积V16-steel-b；方案三的下端渗透系统参考体积...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯夏庭，陈天宇，张希巍，李元辉，杨成祥，金长宇，孔瑞，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21