本發(fā)明屬于石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，尤其涉及一種低滲透巖心孔隙度和滲透率的測(cè)試裝置及測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
隨著世界油氣需求的持續(xù)增長(zhǎng)，常規(guī)油氣產(chǎn)量不斷下降，非常規(guī)油氣逐漸成為全球石油勘探開(kāi)發(fā)的新亮點(diǎn)，致密油氣藏及頁(yè)巖油氣藏更是在全球能源結(jié)構(gòu)中占領(lǐng)了重要角色。
孔隙度、滲透率分別表征儲(chǔ)層儲(chǔ)集油氣和運(yùn)移油氣的能力，是儲(chǔ)量和產(chǎn)能評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。而致密油氣藏及頁(yè)巖油氣藏孔隙度、滲透率低，常規(guī)儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)裝置對(duì)其已不適用。因此，如何準(zhǔn)確、高效地測(cè)定致密油氣藏、頁(yè)巖油氣藏等低滲透巖心的孔隙度、滲透率成為迫切需要解決的問(wèn)題。
目前對(duì)孔隙度的測(cè)試多基于波義爾定律，而滲透率的測(cè)試則有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩種。采用穩(wěn)態(tài)法及對(duì)應(yīng)裝置測(cè)試低滲透巖心的氣體滲透率時(shí)，通過(guò)巖心的氣體流量小，穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，人為測(cè)量的氣體流量誤差較大；采用非穩(wěn)態(tài)法測(cè)試低滲透巖心的氣體滲透率又對(duì)儀器和樣品的制備要求嚴(yán)格。并且，一套設(shè)備只能測(cè)量一個(gè)參數(shù)，例如，只能采用孔隙度儀測(cè)量孔隙度，采用滲透儀測(cè)量滲透率，對(duì)于不同應(yīng)力狀態(tài)下的低滲透巖心孔隙度、滲透率測(cè)試則需分開(kāi)進(jìn)行，不僅浪費(fèi)了時(shí)間，巖心也在多次加載、卸載的過(guò)程孔隙結(jié)構(gòu)被破壞。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，提供了一種準(zhǔn)確、高效的測(cè)定低滲透巖心的氣體孔隙度和滲透率的測(cè)試裝置及測(cè)試方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種低滲透巖心孔隙度和滲透率的測(cè)試裝置，包括氣源、緩沖容器、真空泵、巖心夾持器、圍壓控制裝置和氣體流量計(jì)量裝置，所述的氣源設(shè)有通過(guò)主進(jìn)氣管路與緩沖容器連通，所述的緩沖容器通過(guò)夾持器進(jìn)氣管路與巖心夾持器的入口端連通，所述的真空泵通過(guò)抽真空管路與緩沖容器連通，所述的圍壓控制裝置通過(guò)圍壓管路與巖心夾持器的圍壓接口連通，所述的氣體流量計(jì)量裝置通過(guò)出氣管路與巖心夾持器的出口端連通。
作為優(yōu)選，所述的氣源包括高壓氣瓶以及設(shè)置在高壓氣瓶頂部的氣源閥，所述的主進(jìn)氣管路沿氣源至緩沖容器的方向依次設(shè)有減壓閥、進(jìn)氣閥和上游壓力表。
作為優(yōu)選，所述的夾持器進(jìn)氣管路上設(shè)有截止閥。
作為優(yōu)選，所述的抽真空管路上設(shè)有抽空閥。
作為優(yōu)選，所述的出氣管路沿巖心夾持器至氣體流量計(jì)量裝置的方向依次設(shè)有下游壓力表和針型閥。
作為優(yōu)選，所述緩沖容器包括缸體以及與缸體可拆卸連接的缸蓋，所述缸體的底端封閉，缸體頂端與缸蓋密封配合，所述的缸體內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)用于改變緩沖容器體積的填充塊。
作為優(yōu)選，所述的缸蓋上自左向右依次設(shè)有第一接口、第二接口、第三接口，所述的第一接口與主進(jìn)氣管路接通，所述的第二接口與夾持器進(jìn)氣管路接通，所述的第三接口與抽真空管路接通。
一種低滲透巖心孔隙度和滲透率的測(cè)試方法，包括以下步驟：
a.測(cè)量巖心的長(zhǎng)度L與直徑d，將巖心放入巖心夾持器中；
b.對(duì)巖心夾持器加載圍壓，設(shè)定的圍壓比緩沖容器內(nèi)初始?jí)毫Ω叱?.5MPa，設(shè)定巖心夾持器出口端壓力pL低于巖心夾持器入口端壓力；
c.對(duì)測(cè)試裝置進(jìn)行抽真空，至真空壓力達(dá)600Pa；
d.調(diào)節(jié)氣源的輸出壓力為pL之后進(jìn)氣，使巖心夾持器內(nèi)的壓力為pL；
e.設(shè)定試驗(yàn)溫度為25℃，恒溫兩小時(shí)，保持巖心夾持器內(nèi)的壓力為pL；
f.調(diào)節(jié)氣源的輸出壓力為0.6MPa，使緩沖容器內(nèi)的壓力升至0.6MPa；
g.停止氣源的進(jìn)氣，記錄緩沖容器的初始?jí)毫in；
h.記錄緩沖容器的壓力p0，在相等的時(shí)間間隔記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，繪制p0-t關(guān)系曲線；
i.計(jì)算不同時(shí)刻緩沖容器內(nèi)的壓力，并與步驟h中實(shí)測(cè)的p0-t關(guān)系曲線擬合，得出測(cè)試巖心的巖心克氏滲透率。
作為優(yōu)選，步驟i中，按式(1)計(jì)算不同時(shí)刻緩沖容器內(nèi)的壓力，
式中，p0-緩沖容器內(nèi)壓力，atm；-n時(shí)刻從巖心入口端進(jìn)入巖心的質(zhì)量流量，kg/s；V-緩沖容器體積，m3；M-測(cè)試氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；Z-測(cè)試氣體的壓縮因子；R-通用氣體常數(shù)，R＝0.08314atm·m3/(kmol·K)；T-絕對(duì)溫度，K；dt-時(shí)間步長(zhǎng)；
上標(biāo)表示第n時(shí)刻的值，下標(biāo)表示采用點(diǎn)中心網(wǎng)格將巖心m等分時(shí)的第j個(gè)網(wǎng)格(j＝0～m)；任意時(shí)刻式(1)中通過(guò)巖心的質(zhì)量流量Q0由式(2)求得：
式中，k∞-巖心的克氏滲透率，10-3μm2；b-氣體滑脫因子，atm；A-巖心截面積，A＝πd2/4，m2；dx-網(wǎng)格長(zhǎng)度，m；μ-氣體粘度，mP·s；
初始時(shí)刻(n＝0)緩沖容器內(nèi)壓力為pin，通過(guò)巖心的氣體質(zhì)量流量為：
代人式(1)可得Δt時(shí)刻入口端緩沖容器內(nèi)的壓力為：
j＝1到j(luò)＝n-1個(gè)網(wǎng)格內(nèi)滿足：
式中，φ-巖心孔隙度，％；通過(guò)方程組(5)得到p1，p2，…，pn-1在Δt時(shí)刻的壓力值；
重復(fù)上述計(jì)算，即可得到不同時(shí)刻p0，p1，p2，…，pm-1在iΔt(i＝1，2，…，n)時(shí)刻的值，繪制p0-t關(guān)系曲線，調(diào)整k∞的大小，直至曲線擬合誤差達(dá)到要求，得到測(cè)試巖心的巖心克氏滲透率，通過(guò)式得到滑脫因子。
本發(fā)明的有益效果是：(1)低滲透巖心孔隙度、滲透率測(cè)試同時(shí)進(jìn)行，節(jié)約了測(cè)試時(shí)間；(2)減少巖心加載和卸載次數(shù)，避免巖心孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，使得測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明測(cè)試裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：高壓氣瓶1，氣源閥11，減壓閥12，進(jìn)氣閥13，緩沖容器2，填充塊21，真空泵3，抽空閥31，巖心夾持器4，上游壓力表41，截止閥42，下游壓力表43，針型閥44，圍壓控制裝置5，氣體流量計(jì)量裝置6。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
如圖1所示的實(shí)施例中，一種低滲透巖心孔隙度和滲透率的測(cè)試裝置，包括氣源、緩沖容器2、真空泵3、巖心夾持器4、圍壓控制裝置5和氣體流量計(jì)量裝置6。其中，氣源包括高壓氣瓶1以及設(shè)置在高壓氣瓶頂部的氣源閥11，氣源閥的出口設(shè)有通過(guò)主進(jìn)氣管路與緩沖容器連通。主進(jìn)氣管路沿氣源至緩沖容器的方向依次設(shè)有減壓閥12、進(jìn)氣閥13和上游壓力表41，減壓閥用于降低來(lái)自氣源的氣體壓力至預(yù)設(shè)壓力，進(jìn)氣閥用于控制主進(jìn)氣管路的通斷，上游壓力表則用于檢測(cè)緩沖容器內(nèi)的壓力。
緩沖容器通過(guò)夾持器進(jìn)氣管路與巖心夾持器的入口端連通，夾持器進(jìn)氣管路上設(shè)有截止閥42，用于對(duì)夾持器進(jìn)氣管路的通斷進(jìn)行控制。真空泵通過(guò)抽真空管路與緩沖容器連通，抽真空管路上設(shè)有抽空閥31，抽空閥用于對(duì)抽真空管路的通斷進(jìn)行控制，以便于真空泵進(jìn)行抽真空操作。圍壓控制裝置通過(guò)圍壓管路與巖心夾持器的圍壓接口連通，圍壓控制裝置包括圍壓泵和圍壓控制閥，通過(guò)圍壓控制閥可控制圍壓泵對(duì)巖心夾持器加載圍壓。此外巖心夾持器的出口端設(shè)有回壓控制裝置，回壓控制裝置包括回壓控制閥和回壓泵，通過(guò)回壓控制閥可控制回壓泵對(duì)巖心夾持器加載回壓。氣體流量計(jì)量裝置通過(guò)出氣管路與巖心夾持器的出口端連通。出氣管路沿巖心夾持器至氣體流量計(jì)量裝置的方向依次設(shè)有下游壓力表43和針型閥44，下游壓力表用于檢測(cè)巖心夾持器內(nèi)的壓力，針型閥用于控制出氣管路的通斷。
緩沖容器包括缸體以及與缸體可拆卸連接的缸蓋，缸體的底端封閉，缸體頂端與缸蓋密封配合，缸體內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)用于改變緩沖容器體積的填充塊21。缸蓋上自左向右依次設(shè)有第一接口、第二接口、第三接口，第一接口與主進(jìn)氣管路接通，第二接口與夾持器進(jìn)氣管路接通，第三接口與抽真空管路接通。
一種低滲透巖心孔隙度和滲透率的測(cè)試方法，包括以下步驟：
a.測(cè)量巖心的長(zhǎng)度L與直徑d，將巖心放入巖心夾持器中；
b.打開(kāi)圍壓控制裝置內(nèi)的圍壓控制閥，調(diào)節(jié)圍壓泵，給巖心夾持器加載圍壓，設(shè)定圍壓比緩沖容器內(nèi)的初始?jí)毫Ω叱?.5MPa，打開(kāi)回壓控制閥，調(diào)節(jié)回壓泵給回壓閥加載壓力，設(shè)定巖心夾持器出口端壓力pL，巖心夾持器出口端壓力pL應(yīng)當(dāng)?shù)陀谌肟诙藟毫?，如設(shè)為0.2MPa；
c.關(guān)閉氣源閥，打開(kāi)進(jìn)氣閥、針型閥，利用真空泵對(duì)測(cè)試裝置抽真空，至真空壓力達(dá)600Pa后，關(guān)閉針形閥，關(guān)閉真空泵；
d.打開(kāi)高壓氣瓶，通過(guò)減壓閥調(diào)節(jié)高壓氣瓶輸出壓力為pL，打開(kāi)氣源閥，使氣體進(jìn)入緩沖容器和巖心夾持器；
e.將恒溫箱設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度為25℃，恒溫兩小時(shí)，關(guān)閉氣源閥，此時(shí)巖心夾持器及緩沖容器內(nèi)壓力為初始?jí)毫L；
f.關(guān)閉進(jìn)氣閥，通過(guò)減壓閥調(diào)節(jié)高壓氣瓶輸出壓力為0.6MPa，使緩沖容器初始?jí)毫ι?.6MPa；
g.關(guān)閉氣源閥，打開(kāi)進(jìn)氣閥，將緩沖容器此時(shí)的壓力記為緩沖容器的初始?jí)毫in；
h.記錄緩沖容器的壓力p0，隔10秒記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，共采集100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪制p0-t關(guān)系曲線；
i.查閱《物理化學(xué)手冊(cè)》(姚允斌著，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985)氣體和蒸氣的絕對(duì)粘度數(shù)據(jù)表得到測(cè)試氣體在測(cè)試溫度、壓力下的粘度μ；
假設(shè)測(cè)試巖心的克氏滲透率為k∞，由穩(wěn)態(tài)法測(cè)試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得巖心的氣體滑脫因子為按式(1)計(jì)算不同時(shí)刻緩沖容器內(nèi)的壓力，并與實(shí)測(cè)的壓力降落曲線擬合。
式中，p0-緩沖容器內(nèi)壓力，atm；-n時(shí)刻從巖心入口端進(jìn)入巖心的質(zhì)量流量，kg/s；V-緩沖容器體積，m3；M-測(cè)試氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；Z-測(cè)試氣體的壓縮因子；R-通用氣體常數(shù)，R＝0.08314atm·m3/(kmol·K)；T-絕對(duì)溫度，K；dt-時(shí)間步長(zhǎng)；
上標(biāo)表示第n時(shí)刻的值，下標(biāo)表示采用點(diǎn)中心網(wǎng)格將巖心m等分時(shí)的第j個(gè)網(wǎng)格(j＝0～m)；任意時(shí)刻式(1)中通過(guò)巖心的質(zhì)量流量Q0由式(2)求得：
式中，k∞-巖心的克氏滲透率，10-3μm2；b-氣體滑脫因子，atm；A-巖心截面積，A＝πd2/4，m2；dx-網(wǎng)格長(zhǎng)度，m；μ-氣體粘度，mP·s；
初始時(shí)刻(n＝0)緩沖容器內(nèi)壓力為pin，通過(guò)巖心的氣體質(zhì)量流量為：
代人式(1)可得Δt時(shí)刻入口端緩沖容器內(nèi)的壓力為：
j＝1到j(luò)＝n-1個(gè)網(wǎng)格內(nèi)滿足：
式中φ-巖心孔隙度，％，通過(guò)方程組(5)得到p1，p2，…，pn-1在Δt時(shí)刻的壓力值；
重復(fù)上述計(jì)算，即可得到不同時(shí)刻p0，p1，p2，…，pm-1在iΔt(i＝1，2，…，n)時(shí)刻的值，繪制p0-t關(guān)系曲線，調(diào)整k∞的大小，直至曲線擬合誤差達(dá)到要求，得到測(cè)試巖心的巖心克氏滲透率，通過(guò)式得到滑脫因子。