CN100437082C - 扩散系数测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扩散系数测定仪，本发明涉及一种油气勘探中的实验装置，具体涉及一种测定岩石扩散系数的装置。包括岩样扩散装置、压力平衡装置、压力泵、真空泵，岩样扩散装置包括岩心室、岩样密封套、扩散室、柱塞、柱塞拉杆、端盖、调节丝杆、固定架，柱塞在抽真空、充气充压和扩散压力调节平衡过程中保护岩样，使其不失水，不因瞬间压力差导致岩样瞬间渗透，从而大大提高了扩散实验模拟地层条件的真实性和实验结果的准确性。本仪器实现取样和操作自动化，解决现有技术的不足之处，测量精度高，是新一代扩散系数测定仪。本发明用于油气地质勘探领域。

Description

扩散系数测定仪

技术领域：

本发明涉及一种油气勘探中的实验装置，具体涉及一种测定岩石扩散系数的装置。

背景技术：

天然气在地下的扩散是一种普遍现象，人们已认识到天然气在沉积岩层中的扩散作用十分重要，为了油气勘探需要测定烃类气体在沉积岩石中的扩散系数。测定扩散系数要在岩石样品两端造成浓度差，同时消除岩样两端的压力差，以保证测出的扩散结果是浓度扩散产生的，而不是压力差引起的渗透作用产生的。因此需要专门的实验装置。

在现有技术中，国外具有代表性的，报道较完善的扩散实验方法是由德国的Krooss.B等人在1987年建立的，但这种方法实验压力很低，只能在常压下测定，且对岩样的径向不能施加围压，实验温度最高只有70℃，因此与实际的地质条件相比，相差甚远，是难以满足扩散模拟实验要求的。

1995年公开的中国专利ZL94224552.0“一种岩石扩散系数的测量装置”公开了一种测定岩石扩散系数的技术，见图4。图中：取样阀101、扩散室102、岩心103、气相色谱仪104、岩心夹持器105、扩散室106、恒温箱107、阀108、气路装置109、阀110。图5该专利的岩心夹持器结构图，图中：堵头111、114，橡皮胶套112，调整块113。

这种结构的测量装置，虽然结构简单，检测气样方便，但装置中关键的岩心夹持器有不足之处：这种结构的岩心夹持器，当装入已饱和水的岩样后，在对岩样两端扩散室抽真空的过程中，使岩样孔隙中的饱和水损失至少30％，甚至多达80％，这对扩散实验模拟地层条件是十分不利的。

另外，1994年4月，石油工业出版社出版的《天然气运聚动平衡及其应用》一书中也公开了一种测定岩石扩散系数的技术。1997年12月，河海大学出版社出版的《油气运移及其聚集成藏模式》一书中也公开了另一种测定岩石扩散系数的技术。这两种技术中的核心装置岩心夹持器，如同94224552.0号专利一样，在实验开始从岩心夹持器两端对两扩散室同时抽真空过程中，使岩样孔隙中的饱和水损失严重。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：

在现有技术中，岩石样品在抽真空过程中，使岩样孔隙中的饱和水损失，严重影响了扩散实验模拟地层条件的真实性和实验结果的准确性；同时由于充气加压过程中气体始终与岩样两端面接触，使得因不可避免的压力波动产生的瞬间较大的压力差，会对部分岩样易产生瞬间微渗透，影响扩散系数的测量精度。

本发明的技术方案是：

一种扩散系数测定仪，包括岩样扩散装置18、压力平衡装置15、压力泵12、真空泵11。

岩样扩散装置18通过两端的气体管路，与压力平衡装置15并联连接，并且可以分别与两种气源联接。通常一端气源为氮气，另一端为烃类气体，如天然气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等，以及C1～C5组分及其混合物。

压力泵12与岩样扩散装置18的加围压口49连通，用于给岩样增加围压，起到模拟地层压力的作用。

真空泵11与岩样扩散装置两端的气体管路分别联接，用于对左、右扩散室抽真空。

所述的岩样扩散装置18包括岩心室27、岩样密封套30、左端扩散室25、右端扩散室40、左柱塞50、右柱塞51、左柱塞拉杆21、右柱塞拉杆36、左端盖22、右端盖32、调节丝杆44、固定架41。

所述的岩样密封套30是圆筒状，岩样密封套的两个端面是法兰盘状端面；岩样28置于岩样密封套30之内，岩样密封套30置于岩心室27的内腔。

岩心室27上开有加围压口49与内腔连通。压力泵12将液体泵入加围压口49，对岩心室27与岩样密封套30之间的空腔内施加围压，由于岩样密封套30外圆柱面受压，迫使岩样密封套30的内圆柱面紧贴被测岩样28的外圆柱面，从而使岩样和岩样密封套之间的密封在实验过程中保持不漏。同时该围压又起到了模拟地层压力的作用。加围压所用的液体一般为水。

左端扩散室25的右侧法兰盘和右端扩散室40的左侧法兰盘分别与岩心室27的两端联接，并用螺栓26锁紧，岩样密封套的两个法兰盘状端面被夹紧在上述两个扩散室与岩心室27的法兰之间。使得气体能被密闭在扩散室内腔，同时保证产生围压的液体不会漏到岩心室和扩散室的内腔。

在测定起始阶段，左柱塞50顶在岩样28的左端面上，使岩样与左端扩散室25隔绝；在测定后续阶段，通过左柱塞拉杆21拉动左柱塞50向左移动，使岩样28的左端面与左端扩散室25的内腔连通；

与之对称，在测定起始阶段，右柱塞51顶在岩样28的右端面上，使岩样与右端扩散室40隔绝；在测定后续阶段，通过右柱塞拉杆36拉动右柱塞51向右移动，使岩样28与右端扩散室40的内腔连通。

在对两个扩散室同时抽真空时，由于柱塞的保护，避免岩样孔隙中的饱和水被抽失掉。同时在对两个扩散室同时充气充压和扩散压力调节平衡过程中，不会因瞬间压力差的产生，而导致压力差对岩样微渗透的作用，即避免压力差对岩样孔隙的直接作用。

左端扩散室25和右端扩散室40的外侧分别由左端盖22和右端盖32封闭。左柱塞拉杆21和右柱塞拉杆36的柱面分别以滑动密封方式穿出左、右端盖，该滑动密封一般为密封垫或其他公知的常规密封形式。左、右柱塞拉杆的移动由调节丝杆44带动，同步位移。

岩样扩散装置18两端的气体管路还可以分别有左取气样阀7和右取气样阀8，通过左、右取气样阀，可以分别与气相色谱连接；代替取气样阀的也可以是其他公知的取样装置，如针筒取样口等。用于测定岩样两端气体浓度变化，从而计算扩散系数。

一般情况下，岩样扩散装置18左端气体管路连接有三通，该三通一端与阻尼阀9、电磁阀3串联连接，再与烃气源1连接；该三通另一端与电磁阀5连接，再连接真空泵11；岩样扩散装置18右端气体管路同样连接有三通，该三通一端与阻尼阀10、电磁阀4串联连接，再与氮气源2连接；该三通另一端与电磁阀6连接，再连接真空泵11。

压力泵12与加围压口49之间的管路上通常还有截止阀16和压力变送器13，或压力表。

岩样扩散装置18一般置于恒温箱17之内，恒温箱17主要包括温度变送器、电热丝、微电机、时间继电器，控制电路等，恒温箱可以是任何公知的常规形式。

岩样扩散装置18还有调节套31，其作用是当岩样的长度不同时，可以调整间隙。

所述的岩样扩散装置18还包括：左、右压环34，左压帽47，右压帽35，左端盖螺母24，右端盖螺母39，固定在左柱塞拉杆上的左挡板46，固定在右柱塞拉杆上的右挡板37，套在调节丝杆44上并带动左挡板移动的左挡板螺母45，套在调节丝杆44上并带动右挡板移动的右挡板螺母38；左铜套43，右铜套42，柱塞外圆周的柱塞密封圈29，扩散室与端盖之间的端盖密封圈23；左柱塞拉杆与左端盖之间的左密封垫48，右柱塞拉杆与右端盖之间的右密封垫33。

当抽真空、充气充压和扩散压力调节平衡完毕，旋转调节丝杆44，使左柱塞拉杆21和右柱塞拉杆36同步向外平移15mm左右，从而使两个柱塞的端面脱离岩样端面，使岩样与两个扩散室的内腔连通，两边的气体分别接触到岩样两个端面。

所述的岩样密封套30的材质一般是低硬度的氟橡胶，也不排除使用其他橡胶，或类似的、透气性小且能耐压的常规材料。

压力平衡装置15是一个部件，其作用是使岩样两端扩散室中的残余压力差尽量小，以保证实验时的扩散完全是由浓度差产生的，而不是由压力差产生的。压力平衡装置15可以是公知的一个常规部件，例如中国专利ZL94224552.0中的气路装置或其他同类部件；也可以替换为专门设计的平衡装置；或者可以用以后出现的新型部件代替。压力平衡装置15不是本发明的发明点所在，只要能起到平衡两端压力，减小残余压力差的作用，都可以使用，不影响本发明的其他技术特征。

各电磁阀均可以由计算机进行控制，使本装置实现自动化，控制方式是公知的常规技术。

本发明的有益效果是：

由于柱塞的保护，保证扩散实验过程中，饱和水的岩样不失水，岩样不会因瞬间压力差的产生而导致岩样瞬间渗透的产生，可以较好地模拟地下气藏在漫长地质史中实际的扩散作用，从而大大提高了扩散实验模拟地层条件的真实性和实验结果的准确性。使取样和操作自动化，测量精度高。

附图说明：

图1是一种扩散系数测定仪的系统示意图。

图2是岩样扩散装置的结构图。

图3是岩样密封套的示意图。

图4是现有技术的系统示意图。

图5是现有技术的岩心夹持器系统结构图。

具体实施方式：

以下描述仅表示本发明的一种具体实施方式，只是为了进一步对本发明进行说明，而并不对本发明进行限制。

一种扩散系数测定仪，包括岩样扩散装置18、压力平衡装置15、压力泵12、真空泵11。岩样扩散装置18通过两端的气体管路，与压力平衡装置15并联连接，并且经阻尼阀、电磁阀分别与氮气源和烃气源连接。压力泵12通过截止阀和压力变送器与岩样扩散装置18的加围压口49连通，真空泵11通过电磁阀与岩样扩散装置两端的气体管路分别联接。

本装置中气体工作压力最高5MPa，围压最高60MPa，实验温度最高200℃。

岩样扩散装置18包括岩心室27、橡胶制的岩样密封套30、左端扩散室、右端扩散室、左柱塞、右柱塞、左柱塞拉杆、右柱塞拉杆、左端盖、右端盖、调节丝杆、固定架、调节套、压环、左压帽、右压帽、左端盖螺母、右端盖螺母、左挡板、右挡板、左挡板螺母、右挡板螺母、左铜套、右铜套、柱塞密封圈、端盖密封圈、左密封垫、右密封垫。

岩样扩散装置置于恒温箱内，恒温箱包括温度变送器、电热丝、微电机、时间继电器，控制电路。

岩样扩散装置18两端的气体管路通过取气样阀与气相色谱连接，可以定时取气样送气相色谱仪检测。

当抽真空、充气充压和扩散压力调节平衡完毕，旋转调节丝杆44，使左柱塞拉杆21和右柱塞拉杆36同步向外平移15mm左右，从而使两个柱塞的端面脱离岩样端面。

本发明的岩样扩散装置18与现有技术的岩心夹持器相比，二者结构完全不同。本发明的岩样密封套30形状与现有技术的橡胶密封套相比，二者形状也完全不同。

本装置中的各电磁阀均可以由计算机进行控制，使本装置实现自动化。

Claims (8)

1一种扩散系数测定仪，包括岩样扩散装置(18)、压力平衡装置(15)、压力泵(12)、真空泵(11)；其特征是：

岩样扩散装置(18)通过两端的气体管路，与压力平衡装置(15)并联连接，并且分别与两种气源联接；压力泵(12)与岩样扩散装置(18)的加围压口(49)连通；真空泵(11)与岩样扩散装置两端的气体管路分别联接；

所述的岩样扩散装置(18)包括岩心室(27)、岩样密封套(30)、左端扩散室(25)、右端扩散室(40)、左柱塞(50)、右柱塞(51)、左柱塞拉杆(21)、右柱塞拉杆(36)、左端盖(22)、右端盖(32)、调节丝杆(44)、固定架(41)；

所述的岩样密封套(30)是圆筒状，岩样密封套的两个端面是法兰盘状端面；岩样(28)置于岩样密封套(30)之内，岩样密封套(30)置于岩心室(27)的内腔；

岩心室(27)上开有加围压口(49)与内腔连通；左端扩散室(25)的右侧法兰盘和右端扩散室(40)的左侧法兰盘分别与岩心室(27)的两端联接，并用螺栓(26)锁紧，岩样密封套的两个法兰盘状端面被夹紧在上述两个扩散室与岩心室(27)的法兰之间；

在测定起始阶段，左柱塞(50)顶在岩样(28)的左端面上，使岩样与左端扩散室(25)隔绝；在测定后续阶段，通过左柱塞拉杆(21)拉动左柱塞(50)向左移动，使岩样(28)的左端面与左端扩散室(25)的内腔连通；

在测定起始阶段，右柱塞(51)顶在岩样(28)的右端面上，使岩样与右端扩散室(40)隔绝；在测定后续阶段，通过右柱塞拉杆(36)拉动右柱塞(51)向右移动，使岩样(28)与右端扩散室(40)的内腔连通；

左端扩散室(25)和右端扩散室(40)的外侧分别由左端盖(22)和右端盖(32)封闭，左柱塞拉杆(21)和右柱塞拉杆(36)的柱面分别以滑动密封方式穿出左、右端盖；左、右柱塞拉杆的移动由调节丝杆(44)带动。

2根据权利要求1所述的扩散系数测定仪，其特征是：岩样扩散装置(18)两端的气体管路分别有左取气样阀(7)和右取气样阀(8)。

3根据权利要求1所述的扩散系数测定仪，其特征是：岩样扩散装置(18)左端气体管路连接有三通，该三通一端与阻尼阀(9)、电磁阀(3)串联连接，再与烃气源(1)连接；该三通另一端通过电磁阀(5)，再连接真空泵(11)；岩样扩散装置(18)右端气体管路同样连接有三通，该三通一端与阻尼阀(10)、电磁阀(4)串联连接，再与氮气源(2)连接；该三通另一端与电磁阀(6)连接，再连接真空泵(11)。

4根据权利要求1所述的扩散系数测定仪，其特征是：压力泵(12)与加围压口(49)之间的管路上还有截止阀(16)和压力变送器(13)。

5根据权利要求1所述的扩散系数测定仪，其特征是：岩样扩散装置(18)置于恒温箱(17)之内。

6根据权利要求1所述的扩散系数测定仪，其特征是：所述的岩样扩散装置(18)还包括：调节套(31)，压环(34)，左压帽(47)，右压帽(35)，左端盖螺母(24)，右端盖螺母(39)，固定在左柱塞拉杆上的左挡板(46)，固定在右柱塞拉杆上的右挡板(37)，套在调节丝杆(44)上并带动左挡板移动的左挡板螺母(45)，套在调节丝杆(44)上并带动右挡板移动的右挡板螺母(38)；左铜套(43)，右铜套(42)，柱塞外圆周的柱塞密封圈(29)，扩散室与端盖之间的端盖密封圈(23)；左柱塞拉杆与左端盖之间的左密封垫(48)，右柱塞拉杆与右端盖之间的右密封垫(33)。

7根据权利要求1所述的扩散系数测定仪，其特征是：所述的岩样密封套(30)的材质是低硬度的氟橡胶。

8根据权利要求3所述的扩散系数测定仪，其特征是：所述的电磁阀均由计算机进行控制。

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