本發(fā)明屬于石油勘探開發(fā)領(lǐng)域，尤其涉及一種低滲透巖心孔隙度和滲透率的測試裝置及測試方法。
背景技術(shù)：
隨著世界油氣需求的持續(xù)增長，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發(fā)的新亮點(diǎn)，致密油氣藏及頁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、滲透率分別表征儲層儲集油氣和運(yùn)移油氣的能力，是儲量和產(chǎn)能評價的重要參數(shù)。而致密油氣藏及頁巖油氣藏孔隙度、滲透率低，常規(guī)儲層的評價裝置對其已不適用。因此，如何準(zhǔn)確、高效地測定致密油氣藏、頁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題。
目前對孔隙度的測試多基于波義爾定律，而滲透率的測試則有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩種。采用穩(wěn)態(tài)法及對應(yīng)裝置測試低滲透巖心的氣體滲透率時，通過巖心的氣體流量小，穩(wěn)定時間長，人為測量的氣體流量誤差較大；采用非穩(wěn)態(tài)法測試低滲透巖心的氣體滲透率又對儀器和樣品的制備要求嚴(yán)格。并且，一套設(shè)備只能測量一個參數(shù)，例如，只能采用孔隙度儀測量孔隙度，采用滲透儀測量滲透率，對于不同應(yīng)力狀態(tài)下的低滲透巖心孔隙度、滲透率測試則需分開進(jìn)行，不僅浪費(fèi)了時間，巖心也在多次加載、卸載的過程孔隙結(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、高效的測定低滲透巖心的氣體孔隙度和滲透率的測試裝置及測試方法。
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量裝置，所述的氣源設(shè)有通過主進(jìn)氣管路與緩沖容器連通，所述的緩沖容器通過夾持器進(jìn)氣管路與巖心夾持器的入口端連通，所述的真空泵通過抽真空管路與緩沖容器連通，所述的圍壓控制裝置通過圍壓管路與巖心夾持器的圍壓接口連通，所述的氣體流量計量裝置通過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試方法，包括以下步驟：
a.測量巖心的長度L與直徑d，將巖心放入巖心夾持器中；
b.對巖心夾持器加載圍壓，設(shè)定的圍壓比緩沖容器內(nèi)初始壓力高出0.5MPa，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.對測試裝置進(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)定試驗溫度為25℃，恒溫兩小時，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壓力pin；
h.記錄緩沖容器的壓力p0，在相等的時間間隔記錄一個數(shù)據(jù)，繪制p0-t關(guān)系曲線；
i.計算不同時刻緩沖容器內(nèi)的壓力，并與步驟h中實(shí)測的p0-t關(guān)系曲線擬合，得出測試巖心的巖心克氏滲透率。
作為優(yōu)選，步驟i中，按式(1)計算不同時刻緩沖容器內(nèi)的壓力，
式中，p0-緩沖容器內(nèi)壓力，atm；-n時刻從巖心入口端進(jìn)入巖心的質(zhì)量流量，kg/s；V-緩沖容器體積，m3；M-測試氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；Z-測試氣體的壓縮因子；R-通用氣體常數(shù)，R＝0.08314atm·m3/(kmol·K)；T-絕對溫度，K；dt-時間步長；
上標(biāo)表示第n時刻的值，下標(biāo)表示采用點(diǎn)中心網(wǎng)格將巖心m等分時的第j個網(wǎng)格(j＝0～m)；任意時刻式(1)中通過巖心的質(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)格長度，m；μ-氣體粘度，mP·s；
初始時刻(n＝0)緩沖容器內(nèi)壓力為pin，通過巖心的氣體質(zhì)量流量為：
代人式(1)可得Δt時刻入口端緩沖容器內(nèi)的壓力為：
j＝1到j(luò)＝n-1個網(wǎng)格內(nèi)滿足：
式中，φ-巖心孔隙度，％；通過方程組(5)得到p1，p2，…，pn-1在Δt時刻的壓力值；
重復(fù)上述計算，即可得到不同時刻p0，p1，p2，…，pm-1在iΔt(i＝1，2，…，n)時刻的值，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，得到測試巖心的巖心克氏滲透率，通過式得到滑脫因子。
本發(fā)明的有益效果是：(1)低滲透巖心孔隙度、滲透率測試同時進(jìn)行，節(jié)約了測試時間；(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，使得測量結(jié)果更為準(zhǔn)確。
附圖說明
圖1是本發(fā)明測試裝置的一種結(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緩沖容器內(nèi)的壓力。
緩沖容器通過夾持器進(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，用于對夾持器進(jìn)氣管路的通斷進(jìn)行控制。真空泵通過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，通過圍壓控制閥可控制圍壓泵對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，通過回壓控制閥可控制回壓泵對巖心夾持器加載回壓。氣體流量計量裝置通過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試方法，包括以下步驟：
a.測量巖心的長度L與直徑d，將巖心放入巖心夾持器中；
b.打開圍壓控制裝置內(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)的初始壓力高出0.5MPa，打開回壓控制閥，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，打開進(jìn)氣閥、針型閥，利用真空泵對測試裝置抽真空，至真空壓力達(dá)600Pa后，關(guān)閉針形閥，關(guān)閉真空泵；
d.打開高壓氣瓶，通過減壓閥調(diào)節(jié)高壓氣瓶輸出壓力為pL，打開氣源閥，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)驗溫度為25℃，恒溫兩小時，關(guān)閉氣源閥，此時巖心夾持器及緩沖容器內(nèi)壓力為初始壓力pL；
f.關(guān)閉進(jìn)氣閥，通過減壓閥調(diào)節(jié)高壓氣瓶輸出壓力為0.6MPa，使緩沖容器初始壓力升至0.6MPa；
g.關(guān)閉氣源閥，打開進(jìn)氣閥，將緩沖容器此時的壓力記為緩沖容器的初始壓力pin；
h.記錄緩沖容器的壓力p0，隔10秒記錄一個數(shù)據(jù)，共采集100個數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪制p0-t關(guān)系曲線；
i.查閱《物理化學(xué)手冊》(姚允斌著，上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985)氣體和蒸氣的絕對粘度數(shù)據(jù)表得到測試氣體在測試溫度、壓力下的粘度μ；
假設(shè)測試巖心的克氏滲透率為k∞，由穩(wěn)態(tài)法測試的統(tǒng)計結(jié)果得巖心的氣體滑脫因子為按式(1)計算不同時刻緩沖容器內(nèi)的壓力，并與實(shí)測的壓力降落曲線擬合。
式中，p0-緩沖容器內(nèi)壓力，atm；-n時刻從巖心入口端進(jìn)入巖心的質(zhì)量流量，kg/s；V-緩沖容器體積，m3；M-測試氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；Z-測試氣體的壓縮因子；R-通用氣體常數(shù)，R＝0.08314atm·m3/(kmol·K)；T-絕對溫度，K；dt-時間步長；
上標(biāo)表示第n時刻的值，下標(biāo)表示采用點(diǎn)中心網(wǎng)格將巖心m等分時的第j個網(wǎng)格(j＝0～m)；任意時刻式(1)中通過巖心的質(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)格長度，m；μ-氣體粘度，mP·s；
初始時刻(n＝0)緩沖容器內(nèi)壓力為pin，通過巖心的氣體質(zhì)量流量為：
代人式(1)可得Δt時刻入口端緩沖容器內(nèi)的壓力為：
j＝1到j(luò)＝n-1個網(wǎng)格內(nèi)滿足：
式中φ-巖心孔隙度，％，通過方程組(5)得到p1，p2，…，pn-1在Δt時刻的壓力值；
重復(fù)上述計算，即可得到不同時刻p0，p1，p2，…，pm-1在iΔt(i＝1，2，…，n)時刻的值，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，得到測試巖心的巖心克氏滲透率，通過式得到滑脫因子。