本發(fā)明涉及一種致密巖石氣相相對滲透率測量裝置及測量方法，屬于氣體相對滲透率測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
低滲致密儲層的天然氣資源量在我國地質(zhì)資源儲量中占有很大的比例。準(zhǔn)確測定該類儲層巖石的物理性質(zhì)(例如氣相相對滲透率)對儲層氣井產(chǎn)量的計算、動態(tài)分析、數(shù)值模擬等非常重要，然而目前很難準(zhǔn)確測定致密巖石氣/水相對滲透率。
現(xiàn)有的氣/水相對滲透率室內(nèi)實驗測試都是參照GB/T 28912-2012(巖石中兩相流體相對滲透率測定方法)，即用穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩種方法來測定氣/水相對滲透率。穩(wěn)態(tài)法是將氣/水按一定流量比例勻速注入巖樣，直到巖樣進出口兩端壓力和通過巖樣的氣/水流量達到穩(wěn)定，以及巖樣的含水飽和度也不再變化時，通過達西公式直接計算出有效滲透率和相對滲透率；該方法適合滲透性好的巖石(很容易達到穩(wěn)定)，對于致密巖石由于穩(wěn)定時間太長而無效。
但是，低滲致密巖石的氣/水相對滲透率的測定一般采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T28912-2012中的非穩(wěn)態(tài)法，即是先用水飽和測試樣品，以一定壓力或者流速注入氣體驅(qū)替飽和水巖樣，記錄驅(qū)替壓力、產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量隨時間的變化關(guān)系，其中特別注意見水時間節(jié)點的觀察與記錄，進而用J.B.N方法計算氣/水相對滲透率；該方法雖然縮短了測試時間，提高了測試效率，然而卻忽略了毛管壓力的影響(致密儲層中毛細管現(xiàn)象非常突出(詳見：capillary pressure and permeability relationships in tight gas sands[Wells等，1985])，且對氣/水相對滲透率的影響顯著)，此外見水時間節(jié)點的確定往往存在滯后，這些都使得氣/水相對滲透率的有效測定不能得到保證。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對上述問題和不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：怎樣提供一種在考慮毛管壓力的作用的情況下既能快速測得氣體相對滲透率，又能減少傳統(tǒng)測量裝置及其測量方法由于步驟繁瑣容易導(dǎo)致人為誤差的氣相相對滲透率測量裝置。
本發(fā)明同時基于本測量裝置提供了一套測量方法。
為了解決上述問題，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案。
一種致密巖石氣相相對滲透率測量裝置，它包括：巖心夾持器、圍壓泵、可變體積上游壓力室、可變體積下游壓力室、高壓氣源、控制臺和核磁共振儀；所述巖心夾持器內(nèi)裝載有巖心，巖心夾持器上設(shè)有溫度計；
所述高壓氣源的出氣口依次通過閥門a、第一壓力控制器和閥門b與可變體積上游壓力室的進口相連接，所述可變體積上游壓力室的出口通過閥門c與巖心夾持器的前端相連接；巖心夾持器的后端通過閥門d與可變體積下游壓力室的進口相連接，所述可變體積下游壓力室的出口通過閥門f與泄壓口相連接；巖心夾持器的后端通過閥門e與排水口相連接；圍壓泵的出氣口依次通過閥門g和第二壓力控制器與巖心夾持器的前端相連接；
所述巖心夾持器的前端與所述可變體積下游壓力室的進口之間設(shè)置有閥門h；
用于監(jiān)測可變體積上游壓力室壓力值的上游壓力傳感器P1與控制臺電連接；用于監(jiān)測可變體積下游壓力室壓力值的下游壓力傳感器P2與控制臺電連接；所述可變體積上游壓力室的出口與所述可變體積下游壓力室的進口之間設(shè)置有壓差傳感器，所述壓差傳感器與控制臺電連接；所述溫度計與控制臺電連接。
進一步的，所述巖心夾持器設(shè)置在核磁共振儀的測量腔內(nèi)部。
一種致密巖石氣相相對滲透率測量方法，它包括以下步驟：
S1、將烘干的巖心放入巖心夾持器，打開閥門g，用圍壓泵對巖心施加設(shè)定的圍壓后，將可變體積上游壓力室和可變體積下游壓力室的體積調(diào)節(jié)為與巖樣孔隙體積相匹配的值，打開閥門h、閥門d、閥門c、閥門a和閥門b，關(guān)閉閥門e和閥門f，將系統(tǒng)內(nèi)壓力施加到設(shè)計值Pm，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，關(guān)閉閥門b、閥門a、閥門c和閥門h，使閥門d保持打開的狀態(tài)；
S2、打開閥門a和閥門b，對可變體積上游壓力室施加一個脈沖，當(dāng)可變體積上游壓力室壓力上升并達到設(shè)定好的壓力時，關(guān)閉閥門a和閥門b，待可變體積上游壓力室壓力穩(wěn)定時，打開閥門c，直到可變體積上游壓力室壓力和可變體積下游壓力室壓力均趨于穩(wěn)定時，停止實驗；
S3、控制臺上的計算機通過數(shù)據(jù)采集卡采集得到可變體積上游壓力室壓力值P1、可變體積下游壓力室壓力值P2、上下游壓力差△P和溫度t，得出上下游壓力差△P與時間的關(guān)系曲線，并計算出斜率α1；
根據(jù)公式1計算出：飽和水之前，內(nèi)壓Pm下的絕對滲透率kab：
其中，α1的量綱為s-1；μ是氣體的粘度，量綱mPa·s；L是巖樣長度，量綱cm；fz是與氮氣性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)，無量綱；A是巖樣的截面積，量綱cm2；Pm是孔隙壓力，量綱MPa；V1是巖樣上游的上游水箱和管線、閥門的總體積，量綱cm3；V2是巖樣下游的水箱和管線、閥門的總體積，量綱cm3；kab是絕對滲透率；
S4、從巖心夾持器將巖心取出并飽和水后再將巖心放回巖心夾持器內(nèi)，開啟核磁共振儀檢查巖心內(nèi)含水體積是否達到飽和要求并實時觀測巖心的含水飽和度，關(guān)閉閥門d、閥門f和閥門h，參照該巖心氣水毛管壓力曲線選取對應(yīng)的驅(qū)替壓差，打開閥門閥門e、閥門c、閥門b和閥門a，用氮氣驅(qū)替巖心內(nèi)的水，當(dāng)從核磁共振儀中觀察到水飽和度達到預(yù)設(shè)值β％時，關(guān)閉閥門e，打開閥門d、閥門f和閥門h，重復(fù)步驟S1-S3，得出上下游壓力差△P與時間的關(guān)系曲線，并計算出斜率α2；
根據(jù)公式2計算出：當(dāng)巖心內(nèi)水飽和度為β％時，內(nèi)壓Pm下的滲透率kap：
其中，α2的量綱為s-1；kap是表觀滲透率；
根據(jù)公式3得出氣體相對滲透率kr：
S5、繼續(xù)用氮氣驅(qū)替巖心中的水，重復(fù)S4，并根據(jù)公式1、公式2和公式3可得到不同水飽和度下的氣體相滲透率。
本發(fā)明具有如下有益效果：(1)不用花費大量的時間測量低滲透巖心的穩(wěn)定流速；(2)可在短時間內(nèi)得到多個飽和度下的氣相滲透率；(3)實時監(jiān)測與判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并幫助調(diào)整測試方案與測試過程，盡量避免系統(tǒng)和人為誤差的存在。(4)測量過程中考慮毛管壓力的作用，使得氣/水相對滲透率的有效測定得到保證。
綜上所述，本發(fā)明具有能夠快速、有效地測得致密巖石的氣體相對滲透率的有益效果。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1-閥門a，2-閥門b，3-閥門c，4-閥門d，5-閥門e，6-閥門f，7-閥門g，8-閥門h，9-圍壓泵，10-壓力控制器1，11-壓力控制器2，12-壓差傳感器，13-上游壓力傳感器，14-下游壓力傳感器，15-溫度計，16-排水口，17-泄壓口，18-巖心夾持器，19-核磁共振儀，20-可變體積上游壓力室，21-可變體積下游壓力室，22-控制臺，23-高壓氣源。
具體實施方式
如圖1所示：本發(fā)明是一種非穩(wěn)態(tài)法測氣體相對滲透率的裝置，裝置結(jié)構(gòu)特點如下：它主要由巖心夾持器18、圍壓泵9、可變體積上游壓力室20、可變體積下游壓力室21、高壓氣源23、控制臺22和核磁共振儀19組成；
本發(fā)明可用于測量油/氣兩相滲流中氣相相對滲透率與氣/水兩相滲流中氣相相對滲透率，以下由氣/水兩相滲流中氣相相對滲透率進行說明。
巖心夾持器18內(nèi)裝載有用于測試的巖心，巖心夾持器上設(shè)有溫度計?？勺凅w積上游壓力室20和可變體積下游壓力室21均可調(diào)節(jié)體積大小，并且可變體積上游壓力室20體積大于可變體積下游壓力室21，由于上下游體積的組合不同，會使壓力脈沖傳播的總時間和能夠產(chǎn)生的總壓降有區(qū)別，故采用可調(diào)節(jié)的壓力室，根據(jù)上下游壓力室不同的體積比，結(jié)合實際情況可更準(zhǔn)確的測得此飽和度下的氣體滲透率。
高壓氣源23的出氣口通過閥門a1與第一壓力控制器10的入口相連接，第一壓力控制器10的出口通過閥門b2與可變體積上游壓力室20的進口相連接，可變體積上游壓力室20的出口通過閥門c3與巖心夾持器18的前端相連接，巖心夾持器18的后端通過閥門d4與可變體積下游壓力室21的進口相連接，可變體積下游壓力室21的出口通過閥門f6與泄壓口17相連接；巖心夾持器18的后端通過閥門e5與排水口16相連接；圍壓泵9的出氣口依次通過閥門g7和第二壓力控制器11與巖心夾持器18的前端相連接；巖心夾持器18的前端與可變體積下游壓力室21的進口之間設(shè)置有閥門h8；用于監(jiān)測可變體積上游壓力室壓力值的上游壓力傳感器P113與控制臺22電連接；用于監(jiān)測可變體積下游壓力室壓力值的下游壓力傳感器P214與控制臺22電連接；可變體積上游壓力室20的出口與所述可變體積下游壓力室21的進口之間設(shè)置有壓差傳感器12，壓差傳感器12與控制臺22電連接；溫度計15與控制臺22電連接。
本發(fā)明用壓力脈沖法實現(xiàn)測量，其測量原理如下：用壓力脈沖法測定氣體相對滲透率，先對巖石上游施加一定量的脈沖，使氣體在巖石內(nèi)部一維滲流，上游壓力減小，下游壓力增加，可以的到巖石上、下游的壓力差與時間的關(guān)系曲線及數(shù)據(jù)?；谶_西定律以及氣體的連續(xù)性方程，可以得到氣體的擴散方程的數(shù)值解；用擴散方程的數(shù)值解來解釋瞬態(tài)脈沖法得到的實驗數(shù)據(jù)，得到巖石的滲透率，即巖石的絕對滲透率。再將巖石飽和水后放入巖心夾持器內(nèi)，用核磁共振裝置監(jiān)控氮氣驅(qū)替水，此時形成β％的水飽和度，假設(shè)水在實驗中不會移動，對上游施加一定量的脈沖，可得到此水飽和度下的巖石上、下游的壓力差與時間的關(guān)系曲線及數(shù)據(jù)，進而可以得到此氣體飽和度下的滲透率，即巖石的氣相滲透率，氣體相對滲透率計算公式如下：
其中：α是兩次分別擬合壓力差與時間關(guān)系的斜率，量綱s-1。μ是氣體的粘度，量綱mPa·s。L是巖樣長度，量綱cm。fz是與氮氣性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)，無量綱。A是巖樣的截面積，量綱cm2。pm是孔隙壓力，量綱mPa。V1是巖樣上游的上游水箱和管線、閥門的總體積，量綱cm3。V2是巖樣下游的水箱和管線、閥門的總體積，量綱cm3。kab是絕對滲透率。kap是氣相滲透率。kr是氣體相對滲透率。
水飽和度的建立：測得該巖樣的氣水毛管壓力曲線，從小到大依此選取不同的毛管壓力，每個毛管壓力對應(yīng)一個含水飽和度β％，在實驗中就測量選取的各飽和度下氣體相滲透率。每個飽和度對應(yīng)一個毛管壓力，則在實驗中脈沖的大小即△P的選取就有一個上限，由孔隙度的大小和毛管壓力曲線上選取的壓力來設(shè)計實驗中的壓差△p與上、可變體積下游壓力室的體積。
巖心夾持器放置在核磁共振的儀器中，整個巖心夾持器都處于無氫的狀態(tài)。
測試前確定上游總體積V1與下游總體積V2。
壓力脈沖測氣體相對滲透率的具體方法分為以下步驟：
S1、將烘干的巖心放入巖心夾持器，打開閥門g7，用圍壓泵9對巖心施加設(shè)定的圍壓后，將可變體積上游壓力室20和可變體積下游壓力室21調(diào)節(jié)為最合適的體積大小(也即是與巖樣孔隙體積相匹配的值)，打開閥門h8、閥門d4、閥門c3、閥門a1、閥門b2、關(guān)閉閥門e5、閥門f6，將系統(tǒng)內(nèi)壓力施加到設(shè)計值Pm，待系統(tǒng)穩(wěn)定后(約兩個小時)，關(guān)閉閥門b2、閥門a1、閥門c3和閥門h8，使閥門d4保持打開的狀態(tài)；
S2、打開閥門a1和閥門b2，對可變體積上游壓力室20施加一個脈沖，當(dāng)可變體積上游壓力室壓力上升并達到設(shè)定好的壓力時，關(guān)閉閥門a1和閥門b2，待可變體積上游壓力室壓力穩(wěn)定時，打開閥門c3，直到可變體積上游壓力室壓力和可變體積下游壓力室壓力均趨于穩(wěn)定時，停止實驗；
S3、控制臺上的計算機通過數(shù)據(jù)采集卡采集得到可變體積上游壓力室壓力值P1、可變體積下游壓力室壓力值P2、上下游壓力差△P和溫度t，得出上下游壓力差△P與時間的關(guān)系曲線，并計算出斜率α1；
根據(jù)公式1計算出：飽和水之前，內(nèi)壓Pm下的絕對滲透率kab：
其中，α1的量綱為s-1；μ是氣體的粘度，量綱mPa·s；L是巖樣長度，量綱cm；fz是與氮氣性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)，無量綱；A是巖樣的截面積，量綱cm2；Pm是孔隙壓力，量綱MPa；V1是巖樣上游的上游水箱和管線、閥門的總體積，量綱cm3；V2是巖樣下游的水箱和管線、閥門的總體積，量綱cm3；kab是絕對滲透率；
S4、從巖心夾持器將巖心取出并飽和水(參照GB/T 28912-2012)后又放回巖心夾持器18內(nèi)，開啟核磁共振儀19檢查巖心內(nèi)含水體積是否達到飽和要求并實時觀測巖心的含水飽和度，關(guān)閉閥門d4、閥門f6和閥門h8，參照該巖心氣水毛管壓力曲線選取對應(yīng)的驅(qū)替壓差，打開閥門e5、閥門c3、閥門b2和閥門a1，用氮氣驅(qū)替巖心內(nèi)的水，當(dāng)從核磁共振儀中觀察到水飽和度達到預(yù)設(shè)值β％時，關(guān)閉閥門e5，打開閥門d4、閥門f6和閥門h8，重復(fù)步驟S1-S3，得出上下游壓力差△P與時間的關(guān)系曲線，并計算出斜率α2；
根據(jù)公式2計算出：當(dāng)巖心內(nèi)水飽和度為β％時，內(nèi)壓Pm下的滲透率kap：
其中，α2的量綱為s-1；kap是表觀滲透率；
根據(jù)公式3得出氣體相對滲透率kr：
S5、繼續(xù)用氮氣驅(qū)替巖心中的水，重復(fù)S4，并根據(jù)公式1、公式2和公式3可得到不同水飽和度下的氣體相滲透率。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。