[發明專利]氣體在致密巖芯中滲流規律的快速準確測定裝置和方法

有效

• 申請號: 202011015167.7
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN111929223B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 于俊紅;王剛;肖智勇;尚新春;馮強
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N7/10
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王富強

1.一種氣體在致密巖芯中滲流規律的快速準確測定裝置，其特征在于，包括：

三軸巖芯夾持器，所述三軸巖芯夾持器用于夾持致密巖芯；

管路系統，所述管路系統包括進氣管路、出氣管路、第一并聯管路、第二并聯管路和末端支路，所述進氣管路的后端與所述三軸巖芯夾持器的進氣口相連，所述出氣管路的前端與所述三軸巖芯夾持器的出氣口相連，所述第一并聯管路和第二并聯管路并聯且兩端分別與所述進氣管路、所述出氣管路相連，所述末端管路的前端與所述出氣管路相連且所述末端管路與所述第一并聯管路串聯；

滲流系統，所述滲流系統包括沿所述進氣管路由前至后依次設置的氣源、第一氣瓶、第二氣瓶、第三氣瓶，以及沿所述出氣管路由前至后依次設置的第四氣瓶和第五氣瓶；

壓力系統，所述壓力系統包括靜音空氣壓縮機、軸壓泵、圍壓泵、氣體壓差開關、氣體增壓泵和抽真空機，所述軸壓泵和所述圍壓泵分別用于對致密巖芯施加軸壓和圍壓，所述靜音空氣壓縮機設置于所述進氣管路上且位于所述氣源與所述第一氣瓶之間，所述氣體壓差開關設置于所述第一并聯管路上，所述氣體增壓泵設置于所述第二并聯管路上，所述抽真空機設置于所述出氣管路的后端；

閥門系統，所述閥門系統包括設置于所述進氣管路上的第一開關閥、第二開關閥、減壓閥、第三開關閥、第四開關閥和第五開關閥，以及設置于所述出氣管路上的第六開關閥、第七開關閥、第八開關閥，以及設置于所述末端管路上的第九開關閥，所述第一開關閥位于所述靜音空氣壓縮機與所述第一氣瓶之間，所述第二開關閥、所述減壓閥、所述第三開關閥由前至后依次設置于所述第一氣瓶與所述第二氣瓶之間，所述第四開關閥位于所述第二氣瓶與所述第三氣瓶之間，所述第五開關閥位于所述第三氣瓶與所述三軸巖芯夾持器之間，所述第六開關閥位于所述三軸巖芯夾持器與所述第四氣瓶之間，所述第七開關閥位于所述第四氣瓶與所述第五氣瓶之間，所述第八開關閥位于所述第五氣瓶與所述抽真空機之間；

數據采集處理系統，所述數據采集處理系統包括設置于所述進氣管路上的第一壓力表、第二壓力表、設置于所述出氣管路上的第三壓力表、以及設置于所述三軸巖芯夾持器上的軸向位移傳感器，所述第一壓力表位于所述第一開關閥與所述第二開關閥之間，所述第二壓力表位于所述第四開關閥與所述第五開關閥之間，所述第三壓力表位于所述第六開關閥與所述第七開關閥之間，所述軸向位移傳感器用于測量并記錄致密巖芯的軸向位移，所述第一并聯管路的前端位于所述第二氣瓶與所述第四開關閥之間，所述第一并聯管路的后端位于所述第七開關閥與所述第五氣瓶之間。

2.根據權利要求1所述的氣體在致密巖芯中滲流規律的快速準確測定裝置，其特征在于，所述第一氣瓶為2000mL氣瓶。

3.根據權利要求1所述的氣體在致密巖芯中滲流規律的快速準確測定裝置，其特征在于，所述第二氣瓶為300mL氣瓶。

4.根據權利要求1所述的氣體在致密巖芯中滲流規律的快速準確測定裝置，其特征在于，所述第三氣瓶為15mL氣瓶。

5.根據權利要求1所述的氣體在致密巖芯中滲流規律的快速準確測定裝置，其特征在于，所述第四氣瓶為15mL氣瓶。

6.根據權利要求1所述的氣體在致密巖芯中滲流規律的快速準確測定裝置，其特征在于，所述第五氣瓶為300mL氣瓶。

7.一種氣體在致密巖芯中滲流規律的快速準確測定方法，使用如權利要求1-6任意一項所述的氣體在致密巖芯中滲流規律的快速準確測定裝置，并包括如下步驟：

S1、檢查氣密性：將滲流系統中的所有開關關閉；打開三軸巖芯夾持器，將致密巖芯裝入三軸巖芯夾持器中，封閉三軸巖芯夾持器；打開軸壓泵，將致密巖芯軸壓σ_z設定為2MPa；打開圍壓泵，將致密巖芯圍壓σ_r設定為2MPa；依次打開氣源、第一開關閥和靜音空氣壓縮機，使氣源內的氣體在靜音空氣壓縮機的作用下注入第一氣瓶，通過第一壓力表讀取第一氣瓶中氣體的壓力，當第一壓力表的讀數達到5MPa時，依次關閉氣源、空氣靜音壓縮機以及第一開關閥；打開第二開關閥，調節減壓閥的壓力至3MPa，依次打開第三開關閥、第四開關閥、第五開關閥、第六開關閥和第七開關閥，并將氣體壓差開關的壓差值調至最低；等待滲流裝置中的氣體壓力平衡，觀察第一壓力表、第二壓力表和第三壓力表的讀數，若壓力表讀數在30min內保持不變，則認為整個試驗裝置的氣密性好，可以滿足試驗要求并進行試驗，若壓力表讀數不能在30min內保持不變，則需要檢查整個試驗裝置的氣密性，直至可滿足氣密性要求；

S2、抽真空：打開第八開關閥和第九開關閥，將氣體排出；關閉第九開關閥，打開抽真空機，將整個裝置抽真空；

S3、測試致密巖芯的表觀滲透率k，包括如下步驟：

a：關閉第二開關閥、第三開關閥和第八開關閥，打開第一開關閥，打開氣源和靜音空氣壓縮機，使氣瓶內的氣體在靜音空氣壓縮機的作用下注入第一氣瓶，通過第一壓力表讀取第一氣瓶中氣體的壓力，當第一壓力表的讀數為20MPa左右時，依次關閉氣源、空氣靜音壓縮機和第一開關閥；

b：打開第二開關閥，調節減壓閥的壓力p至p₀，p₀為滲流試驗時氣體在致密巖芯中的平均壓力，打開軸壓泵并將致密巖芯的軸壓升至σ_z，打開圍壓泵并將致密巖芯圍壓升至σ_r，σ_z和σ_r均比p高1MPa；打開第三開關閥；觀察第一壓力表、第二壓力表和第三壓力表的讀數，當三個壓力表的讀數為p并在30min內保持不變時，則認為滲流裝置內的氣體壓力達到平衡，并依次關閉第三開關閥、第五開關閥和第六開關閥；讀取軸向位移傳感器的示數，即在圍壓σ_r、軸壓σ_z以及氣體壓力p下致密巖芯的徑向位移d_r；

c：將氣體壓差開關的壓差值調至最大，打開增加泵，當氣體壓差開關自動打開時，關閉增壓泵；將氣體壓差開關的壓差值△p設定為0.01p，△p為滲流試驗中致密巖芯兩端的壓差值；等待氣體壓差開關自動關閉后，關閉第四開關閥和第七開關閥；打開第五開關閥和第六開關閥，氣體在壓差△p的作用下在致密巖芯中滲流，三軸巖芯夾持器進氣口和出氣口的氣體壓力隨時間的變化規律通過第二壓力表和第三壓力表分別記錄為p_u(t)和p_d(t)，直至第二壓力表和第三壓力表的讀數為p；

d：確定致密巖芯在圍壓σ_r、軸壓σ_z以及氣體壓力p下的表觀滲透率k，k的單位為m²，由以下公式確定：

式中，t為時間，單位為s；β為待定參數，無量綱；μ為氣體粘度，單位為Pa·s，L和A分別為致密巖芯的長度和橫截面面積，單位分別為m和m²；V為第三氣瓶或第四氣瓶的容積，單位為m³，第三氣瓶和第四氣瓶的容積相同；首先根據式(1a)擬合出β的值，再根據式(1b)確定表觀滲透率k；

e：依次設定步驟c中的氣體壓差開關的壓差值△p為0.02p和0.03p，重復步驟c，得到在不同壓差△p下，致密巖芯進氣口和出氣口的氣體壓力隨時間的變化曲線，即p_u(t)和p_d(t)；重復步驟d確定致密巖芯在圍壓σ_r、軸壓σ_z以及氣體壓力p下的表觀滲透率k；將測得的不同壓差△p下的表觀滲透率k的平均值視為致密巖芯在圍壓σ_r、軸壓σ_z以及氣體壓力p下的表觀滲透率k，求平均值的數據不少于三組；

S4、確定致密巖芯的Biot系數，包括如下步驟：

f：打開第二開關閥，增加減壓閥的壓力p至p₀+△p₀，△p₀＝1MPa，打開軸壓泵將致密巖芯的軸壓增加至σ_z+△p₀，打開圍壓泵將致密巖芯的圍壓升至σ_r+△p₀；打開第三開關閥和第七開關閥；觀察第一壓力表、第二壓力表和第三壓力表的讀數，當壓力表的讀數為p且在30min內保持不變時，認為滲流裝置內的氣體壓力達到平衡；同時調節圍壓和軸壓分別至σ_z+α△p₀和σ_r+α△p₀，0α≤1，當軸向位移傳感器的示數與步驟b中的示數相同時，停止調節圍壓泵和軸壓泵，此時的α即為致密巖芯的Biot系數；重復步驟c、d和e，可得到相同有效應力、不同氣體壓力p下致密巖芯的表觀滲透率k，軸向有效應力σ_ze＝σ_z-αp，徑向有效應力σ_re＝σ_r-αp；

g：增大步驟f中的△p₀，△p₀分別選取為2MPa，4MPa，6MPa和8MPa，重復步驟f，得到相同有效應力下的多組p與k的值，軸向有效應力σ_ze＝σ_z-αp，徑向有效應力σ_re＝σ_r-αp；

S5、確定氣體在致密巖芯中滲流時的Klinkenberg系數B，由以下公式確定：

式中k_∞為致密巖芯的固有滲透率，其確定方法為：以p為橫坐標，k為縱坐標，將第四步中得到的相同有效應力下的多組(p，k)數據瞄點并擬合曲線，該曲線的水平漸近線即為k＝k_∞。