本發(fā)明屬于低滲巖石滲透試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種低滲巖石氣液兩驅(qū)壓力脈沖衰減滲透試驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

頁(yè)巖氣屬于非常規(guī)能源的一種，其以多種狀態(tài)賦存于烴源巖中，頁(yè)巖氣中可自由移動(dòng)的游離氣體約為50％，剩余氣體多以吸附狀態(tài)和溶解狀態(tài)存在。此外，由于儲(chǔ)層基質(zhì)具有多孔低滲特性，導(dǎo)致頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層基質(zhì)中運(yùn)移困難而難以開(kāi)采。頁(yè)巖的滲透能力是表征頁(yè)巖氣運(yùn)移容易程度的重要指標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖滲透能力的精確測(cè)量，對(duì)測(cè)井評(píng)估和進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測(cè)的具有重要影響。

目前，傳統(tǒng)的壓差法巖石穩(wěn)態(tài)滲透試驗(yàn)僅適用于滲透率較高的巖石，而對(duì)于像頁(yè)巖這樣的低滲巖石來(lái)說(shuō)，想要測(cè)量其滲透率，建立達(dá)西穩(wěn)態(tài)流動(dòng)至少需要數(shù)天甚至是數(shù)周的時(shí)間，而且上下游的流量變化微小，現(xiàn)有流量計(jì)精度水平很難達(dá)到測(cè)量要求。因此，低滲巖石在進(jìn)行傳統(tǒng)的壓差法巖石穩(wěn)態(tài)滲透試驗(yàn)是會(huì)受到很大的限制。

再有，在頁(yè)巖等低滲巖石的滲透率測(cè)量過(guò)程中，溫度也是影響測(cè)量精度的重要環(huán)境因素之一，由于現(xiàn)有試驗(yàn)裝置的管路體積大，由波義耳定律可知，在高壓條件下，較小的環(huán)境溫度波動(dòng)將對(duì)管路體積產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而間接影響壓力和流量等參數(shù)的控制和測(cè)量。因此，如何減小測(cè)量裝置的管路體積也是亟待解決的問(wèn)題。

因此，對(duì)于現(xiàn)有低滲巖石滲透試驗(yàn)中存在的測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、管路體積大以及測(cè)量精度低的問(wèn)題，亟需研發(fā)一種全新的低滲巖石滲透試驗(yàn)裝置及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種低滲巖石氣液兩驅(qū)壓力脈沖衰減滲透試驗(yàn)裝置及方法，具有測(cè)量時(shí)間短、管路體積小以及測(cè)量精度高的特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種低滲巖石氣液兩驅(qū)壓力脈沖衰減滲透試驗(yàn)裝置，包括氣液兩驅(qū)式流體加載組件、圍壓泵、壓力室、壓差傳感器、壓力傳感器、第一截止閥、第二截止閥、第三截止閥、第四截止閥、第五截止閥、第一調(diào)壓閥、第二調(diào)壓閥及恒溫水浴，在所述壓力室上分別設(shè)有圍壓入口、圍壓出口、脈沖壓力入口及脈沖壓力出口，在壓力室內(nèi)加裝有測(cè)溫?zé)犭娕迹?/p>

所述氣液兩驅(qū)式流體加載組件的流體出口一路依次通過(guò)第一截止閥及第二截止閥與壓力室的脈沖壓力入口相連通，另一路依次通過(guò)第一截止閥、第三截止閥、壓力傳感器及第四截止閥與壓力室的脈沖壓力出口相連通；

所述圍壓泵的出口通過(guò)第五截止閥與壓力室的圍壓入口相連通，壓力室的圍壓出口與第一調(diào)壓閥相連通；

所述壓差傳感器一端連接在壓力傳感器與第四截止閥之間的管路上，壓差傳感器另一端連接在第二截止閥與第三截止閥之間的管路上；

所述第二調(diào)壓閥連接在壓力傳感器與第三截止閥之間的管路上；

所述壓力室、壓差傳感器、壓力傳感器、第一截止閥、第二截止閥、第三截止閥、第四截止閥、第五截止閥、第一調(diào)壓閥、第二調(diào)壓閥及其之間連接管路均位于恒溫水浴內(nèi)。

所述氣液兩驅(qū)式流體加載組件包括氣瓶、水箱、增壓泵、水泵、減壓閥、第六截止閥、第七截止閥、驅(qū)替泵、第八截止閥、泄壓閥及輔助加熱器；

所述氣瓶依次通過(guò)增壓泵、減壓閥及第六截止閥與驅(qū)替泵的入口相連通，所述水箱依次通過(guò)水泵及第七截止閥與驅(qū)替泵的入口相連通，驅(qū)替泵的出口依次通過(guò)第八截止閥及輔助加熱器與第一截止閥相連通；

所述泄壓閥連接在第八截止閥與輔助加熱器之間的管路上，在第八截止閥與輔助加熱器之間的管路上安裝有壓力表。

所述氣液兩驅(qū)式流體加載組件還包括真空泵和第九截止閥，第九截止閥連接在第八截止閥與輔助加熱器之間的管路上，真空泵的吸氣口與第九截止閥相連通。

在所述第二截止閥與第三截止閥之間的管路上連接有第一定容高壓容器，在所述壓力傳感器與第三截止閥之間的管路上連接有第二定容高壓容器。

所述第一定容高壓容器上串聯(lián)有第三定容高壓容器，在第一定容高壓容器與第三定容高壓容器之間設(shè)置有第十截止閥；所述第二定容高壓容器上串聯(lián)有第四定容高壓容器，在第二定容高壓容器與第四定容高壓容器之間設(shè)置有第十一截止閥。

一種低滲巖石氣液兩驅(qū)壓力脈沖衰減滲透試驗(yàn)方法，采用了所述的低滲巖石氣液兩驅(qū)壓力脈沖衰減滲透試驗(yàn)裝置，包括如下步驟：

步驟一：封裝巖樣

首先清潔巖樣表面，再將巖樣置于兩個(gè)壓板之間，同時(shí)在巖樣與壓板之間安裝孔板，然后將熱縮套套裝在巖樣、孔板及壓板外側(cè)，最后加熱熱縮套使其收縮，直到巖樣、孔板及壓板被熱縮套包裹密封；

步驟二：安裝巖樣

將封裝后的巖樣置于壓力室內(nèi)，同時(shí)壓力室的脈沖壓力入口通過(guò)巖樣一側(cè)壓板接入巖樣，壓力室的脈沖壓力出口通過(guò)另一側(cè)壓板接入巖樣，然后封閉壓力室；

步驟三：抽真空

打開(kāi)第九截止閥，關(guān)閉第八截止閥和泄壓閥，打開(kāi)第一截止閥、第二截止閥、第三截止閥、第四截止閥、第十截止閥及第十一截止閥，關(guān)閉第五截止閥、第一調(diào)壓閥及第二調(diào)壓閥，然后啟動(dòng)真空泵，對(duì)壓力室及連接管路進(jìn)行抽真空作業(yè)；

步驟四：圍壓加載

打開(kāi)第五截止閥和第一調(diào)壓閥，然后啟動(dòng)圍壓泵，對(duì)壓力室的巖樣進(jìn)行圍壓加載；

步驟五：巖樣飽和

打開(kāi)第八截止閥，在初始設(shè)定壓力值下，選擇液體或氣體對(duì)巖樣進(jìn)行飽和；

當(dāng)選用液體進(jìn)行巖樣飽和時(shí)，關(guān)閉第六截止閥，打開(kāi)第七截止閥，然后啟動(dòng)水泵和驅(qū)替泵，直到完成巖樣的液體飽和；

當(dāng)選用氣體進(jìn)行巖樣飽和時(shí)，關(guān)閉第七截止閥，打開(kāi)第六截止閥，然后開(kāi)啟氣瓶，啟動(dòng)增壓泵和驅(qū)替泵，直到完成巖樣的氣體飽和；

步驟六：脈沖壓力加載

關(guān)閉第二截止閥和第三截止閥，通過(guò)驅(qū)替泵繼續(xù)輸出流體，直至完成上游管路的脈沖壓力加載，并根據(jù)實(shí)際需要選擇接入的定容高壓容器數(shù)量；

步驟七：釋放脈沖壓力

打開(kāi)第二截止閥，實(shí)現(xiàn)上游管路的脈沖壓力釋放，直到巖樣的上下游壓力恢復(fù)平衡；

步驟八：數(shù)據(jù)采集與滲透率計(jì)算

通過(guò)壓差傳感器和壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中生成壓差隨時(shí)間變化的對(duì)數(shù)曲線，同時(shí)計(jì)算出滲透率和滲透系數(shù)，且數(shù)據(jù)采集時(shí)間為上下游壓力恢復(fù)平衡時(shí)間的10％～50％，時(shí)間范圍在20s～1.5h；

步驟九：孔隙壓力卸載

打開(kāi)第三截止閥，先通過(guò)驅(qū)替泵將管路中的壓力卸載至50pa以下，然后通過(guò)第二調(diào)壓閥將管路中的流體釋放，完成孔隙壓力的卸載；

步驟十：圍壓卸載

先通過(guò)圍壓泵將壓力室內(nèi)的圍壓卸載至50pa以下，然后通過(guò)第一調(diào)壓閥將壓力室內(nèi)的流體釋放，完成圍壓的卸載。

步驟四中，加載的圍壓通過(guò)計(jì)算確定，計(jì)算公式如下：

式中，pc為圍壓，μ為泊松比，d為取樣深度，pgra為壓力梯度。

步驟八中，滲透率和滲透系數(shù)通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，pu為上游壓力，pe為上下游平衡后壓力，δp為脈沖壓力，v1為上游管路體積，v2為下游管路體積，t為脈沖壓力的衰減時(shí)間，θ為上游壓力隨時(shí)間的變化曲線斜率，k為滲透系數(shù)，a為巖樣截面積，μf為流體黏滯系數(shù)，cf為流體壓縮系數(shù)，l為巖樣長(zhǎng)度，k為滲透率，ρ為流體密度，g為重力加速度。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明與傳統(tǒng)的壓差法巖石穩(wěn)態(tài)滲透試驗(yàn)相比，完全滿足了低滲巖石的滲透試驗(yàn)，能夠主動(dòng)在低滲巖石的上下游建立較大的壓力差，同時(shí)基于壓力脈沖衰減法的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了低滲巖石的滲透率和滲透系數(shù)的快速測(cè)量。

本發(fā)明建立了氣液兩驅(qū)式的流體輸出模式，只需同一套試驗(yàn)裝置，既能滿足基于液體的低滲巖石滲透試驗(yàn)，又能滿足基于氣體的低滲巖石滲透試驗(yàn)，有效擴(kuò)展了試驗(yàn)裝置的使用范圍。

本發(fā)明所建立的試驗(yàn)裝置的管路體積更小，經(jīng)實(shí)際測(cè)算小于300ml，有效減小了環(huán)境溫度波動(dòng)將對(duì)管路體積產(chǎn)生的影響，同時(shí)再結(jié)合恒溫水浴和輔助加熱器，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度的精確控制，進(jìn)一步減小了環(huán)境溫度波動(dòng)將對(duì)管路體積產(chǎn)生的影響，最終提高了測(cè)量精度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種低滲巖石氣液兩驅(qū)壓力脈沖衰減滲透試驗(yàn)裝置原理圖；

圖2為巖樣與壓力室的安裝示意圖；

圖中，1—圍壓泵，2—壓力室，3—壓差傳感器，4—壓力傳感器，5—第一截止閥，6—第二截止閥，7—第三截止閥，8—第四截止閥，9—第五截止閥，10—第一調(diào)壓閥，11—第二調(diào)壓閥，12—恒溫水浴，13—?dú)馄浚?4—水箱，15—增壓泵，16—水泵，17—減壓閥，18—第六截止閥，19—第七截止閥，20—驅(qū)替泵，21—第八截止閥，22—泄壓閥，23—輔助加熱器，24—壓力表，25—真空泵，26—第九截止閥，27—第一定容高壓容器，28—第二定容高壓容器，29—第三定容高壓容器，30—第四定容高壓容器，31—第十截止閥，32—第十一截止閥，33—巖樣，34—壓板，35—孔板，36—熱縮套。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，一種低滲巖石氣液兩驅(qū)壓力脈沖衰減滲透試驗(yàn)裝置，包括氣液兩驅(qū)式流體加載組件、圍壓泵1、壓力室2、壓差傳感器3、壓力傳感器4、第一截止閥5、第二截止閥6、第三截止閥7、第四截止閥8、第五截止閥9、第一調(diào)壓閥10、第二調(diào)壓閥11及恒溫水浴12，在所述壓力室2上分別設(shè)有圍壓入口、圍壓出口、脈沖壓力入口及脈沖壓力出口，在壓力室2內(nèi)加裝有測(cè)溫?zé)犭娕迹?/p>

所述氣液兩驅(qū)式流體加載組件的流體出口一路依次通過(guò)第一截止閥5及第二截止閥6與壓力室2的脈沖壓力入口相連通，另一路依次通過(guò)第一截止閥5、第三截止閥7、壓力傳感器4及第四截止閥8與壓力室2的脈沖壓力出口相連通；

所述圍壓泵1的出口通過(guò)第五截止閥9與壓力室2的圍壓入口相連通，壓力室2的圍壓出口與第一調(diào)壓閥10相連通；

所述壓差傳感器3一端連接在壓力傳感器4與第四截止閥8之間的管路上，壓差傳感器3另一端連接在第二截止閥6與第三截止閥7之間的管路上；

所述第二調(diào)壓閥11連接在壓力傳感器4與第三截止閥7之間的管路上；

所述壓力室2、壓差傳感器3、壓力傳感器4、第一截止閥5、第二截止閥6、第三截止閥7、第四截止閥8、第五截止閥9、第一調(diào)壓閥10、第二調(diào)壓閥11及其之間連接管路均位于恒溫水浴12內(nèi)。

所述氣液兩驅(qū)式流體加載組件包括氣瓶13、水箱14、增壓泵15、水泵16、減壓閥17、第六截止閥18、第七截止閥19、驅(qū)替泵20、第八截止閥21、泄壓閥22及輔助加熱器23；

所述氣瓶13依次通過(guò)增壓泵15、減壓閥17及第六截止閥18與驅(qū)替泵20的入口相連通，所述水箱14依次通過(guò)水泵16及第七截止閥19與驅(qū)替泵20的入口相連通，驅(qū)替泵20的出口依次通過(guò)第八截止閥21及輔助加熱器23與第一截止閥5相連通；

所述泄壓閥22連接在第八截止閥21與輔助加熱器23之間的管路上，在第八截止閥21與輔助加熱器23之間的管路上安裝有壓力表24。

所述氣液兩驅(qū)式流體加載組件還包括真空泵25和第九截止閥26，第九截止閥26連接在第八截止閥21與輔助加熱器23之間的管路上，真空泵25的吸氣口與第九截止閥26相連通。

在所述第二截止閥6與第三截止閥7之間的管路上連接有第一定容高壓容器27，在所述壓力傳感器4與第三截止閥7之間的管路上連接有第二定容高壓容器28。本實(shí)施例中，第一定容高壓容器27和第二定容高壓容器28的容量均為100ml；

所述第一定容高壓容器27上串聯(lián)有第三定容高壓容器29，在第一定容高壓容器27與第三定容高壓容器29之間設(shè)置有第十截止閥31；所述第二定容高壓容器28上串聯(lián)有第四定容高壓容器30，在第二定容高壓容器28與第四定容高壓容器30之間設(shè)置有第十一截止閥32。本實(shí)施例中，第三定容高壓容器29和第四定容高壓容器30的容量均為1000ml；

一種低滲巖石氣液兩驅(qū)壓力脈沖衰減滲透試驗(yàn)方法，采用了所述的低滲巖石氣液兩驅(qū)壓力脈沖衰減滲透試驗(yàn)裝置，包括如下步驟：

步驟一：封裝巖樣

首先清潔巖樣33表面，再將巖樣33置于兩個(gè)壓板34之間，同時(shí)在巖樣33與壓板34之間安裝孔板35，然后將熱縮套36套裝在巖樣33、孔板35及壓板34外側(cè)，最后加熱熱縮套36使其收縮，直到巖樣33、孔板35及壓板34被熱縮套36包裹密封；本實(shí)施例中，巖樣33為柱狀巖樣，直徑為長(zhǎng)度為25mm；

步驟二：安裝巖樣

如圖2所示，將封裝后的巖樣33置于壓力室2內(nèi)，同時(shí)壓力室2的脈沖壓力入口通過(guò)巖樣33一側(cè)壓板34接入巖樣33，壓力室2的脈沖壓力出口通過(guò)另一側(cè)壓板34接入巖樣33，然后封閉壓力室2；

步驟三：抽真空

打開(kāi)第九截止閥26，關(guān)閉第八截止閥21和泄壓閥22，打開(kāi)第一截止閥5、第二截止閥6、第三截止閥7、第四截止閥8、第十截止閥31及第十一截止閥32，關(guān)閉第五截止閥9、第一調(diào)壓閥10及第二調(diào)壓閥11，然后啟動(dòng)真空泵25，對(duì)壓力室2及連接管路進(jìn)行抽真空作業(yè)；本實(shí)施例中，抽真空時(shí)間為10min，極限真空壓力達(dá)到50pa～100pa；

步驟四：圍壓加載

打開(kāi)第五截止閥9和第一調(diào)壓閥10，然后啟動(dòng)圍壓泵1，對(duì)壓力室2的巖樣33進(jìn)行圍壓加載；其中，加載的圍壓通過(guò)計(jì)算確定，計(jì)算公式如下：

式中，pc為圍壓，μ為泊松比，d為取樣深度，pgra為壓力梯度；本實(shí)施例中，泊松比μ為0.2～0.22，取樣深度d為2500m，壓力梯度pgra為22.6mpa/km，計(jì)算得到的圍壓pc為25mpa～30mpa；

步驟五：巖樣飽和

打開(kāi)第八截止閥21，在初始設(shè)定壓力值下，選擇液體或氣體對(duì)巖樣33進(jìn)行飽和；

當(dāng)選用液體進(jìn)行巖樣33飽和時(shí)，關(guān)閉第六截止閥18，打開(kāi)第七截止閥19，然后啟動(dòng)水泵16和驅(qū)替泵20，直到完成巖樣33的液體飽和；本實(shí)施例中，液體為水，初始設(shè)定壓力值為10mpa，飽和時(shí)間為3天，飽和壓力為10mpa；

當(dāng)選用氣體進(jìn)行巖樣33飽和時(shí)，關(guān)閉第七截止閥19，打開(kāi)第六截止閥18，然后開(kāi)啟氣瓶13，啟動(dòng)增壓泵15和驅(qū)替泵20，直到完成巖樣33的氣體飽和；本實(shí)施例中，氣體為氮?dú)猓跏荚O(shè)定壓力值為8mpa，飽和時(shí)間為8小時(shí)，飽和壓力為10mpa；

步驟六：脈沖壓力加載

關(guān)閉第二截止閥6和第三截止閥7，通過(guò)驅(qū)替泵20繼續(xù)輸出流體，直至完成上游管路的脈沖壓力加載，并根據(jù)實(shí)際需要選擇接入的定容高壓容器數(shù)量；本實(shí)施例中，關(guān)閉第十截止閥31和第十一截止閥32，只接入第一定容高壓容器27和第二定容高壓容器28；

步驟七：釋放脈沖壓力

打開(kāi)第二截止閥6，實(shí)現(xiàn)上游管路的脈沖壓力釋放，直到巖樣33的上下游壓力恢復(fù)平衡；

步驟八：數(shù)據(jù)采集與滲透率計(jì)算

通過(guò)壓差傳感器3和壓力傳感器4采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中生成壓差隨時(shí)間變化的對(duì)數(shù)曲線，同時(shí)計(jì)算出滲透率和滲透系數(shù)，且數(shù)據(jù)采集時(shí)間為上下游壓力恢復(fù)平衡時(shí)間的10％～50％，時(shí)間范圍在20s～1.5h；其中，滲透率和滲透系數(shù)通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，pu為上游壓力，pe為上下游平衡后壓力，δp為脈沖壓力，v1為上游管路體積，v2為下游管路體積，t為脈沖壓力的衰減時(shí)間，θ為上游壓力隨時(shí)間的變化曲線斜率，k為滲透系數(shù)，a為巖樣截面積，μf為流體黏滯系數(shù)，cf為流體壓縮系數(shù)，l為巖樣長(zhǎng)度，k為滲透率，ρ為流體密度，g為重力加速度；

當(dāng)選用液體進(jìn)行巖樣33飽和時(shí)，本實(shí)施例中，上游壓力pu為10.2mpa，上下游平衡后壓力pe為10.1mpa，脈沖壓力δp為0.2mpa，上游管路體積v1為2×10^-6m³，下游管路體積v2為2×10^-6m³，脈沖壓力的衰減時(shí)間t為2.4×10²s，上游壓力隨時(shí)間的變化曲線斜率θ為38°，滲透系數(shù)k為9.8×10^-10m/s，巖樣截面積a為4.909×10^-4m²，流體黏滯系數(shù)μf為1×10^-3pa·s，流體壓縮系數(shù)cf為4.2×10^-10pa^-1，巖樣長(zhǎng)度l為25mm，滲透率k為1×10^-16m²，流體密度ρ為1×10³kg/m³，重力加速度g為9.8m/s²；

當(dāng)選用氣體進(jìn)行巖樣33飽和時(shí)，本實(shí)施例中，上游壓力pu為10.2mpa，上下游平衡后壓力pe為10.1mpa，脈沖壓力δp為0.2mpa，上游管路體積v1為2×10^-6m³，下游管路體積v2為2×10^-6m³，脈沖壓力的衰減時(shí)間t為5.3×10³s，上游壓力隨時(shí)間的變化曲線斜率θ為32°，滲透系數(shù)k為1.244×10^-11m/s，巖樣截面積a為4.909×10^-4m²，流體黏滯系數(shù)μf為1.78×10^-5pa·s，流體壓縮系數(shù)cf為9.8×10^-7pa^-1，巖樣長(zhǎng)度l為25mm，滲透率k為2×10^-17m²，流體密度ρ為1.13kg/m³，重力加速度g為9.8m/s²；

步驟九：孔隙壓力卸載

打開(kāi)第三截止閥7，先通過(guò)驅(qū)替泵20將管路中的壓力卸載至50pa以下，然后通過(guò)第二調(diào)壓閥11將管路中的流體釋放，完成孔隙壓力的卸載；

步驟十：圍壓卸載

先通過(guò)圍壓泵1將壓力室2內(nèi)的圍壓卸載至50pa以下，然后通過(guò)第一調(diào)壓閥10將壓力室內(nèi)的流體釋放，完成圍壓的卸載。

實(shí)施例中的方案并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均包含于本案的專利范圍中。