CN105675469A - 岩石全自动气体渗透率测试系统及测算方法 - Google Patents

Abstract

一种岩石全自动气体渗透率测试系统及测算方法，属于岩石气体渗透率测试系统及方法。三轴岩心夹持装置内放置有待测岩心，所述待测岩心的环向通过围压加载系统加载有围压，所述待测岩心的轴向通过围压加载系统加载有轴压，所述待测岩心的左端通过渗流气体增压系统加载有气体渗流压，所述待测岩心的右端通过高/中/低出口气体流量计与大气连通，所述待测岩心渗透率通过数据采集、处理软件自动计算得出。能够独立调节岩样围压、轴压及气体渗流压力，采用该测试系统，能自动计算并储存高、中、低渗岩样气体渗透率稳定值。该岩石全自动气体渗透率测试系统及测算方法能精确合理分析围压、轴压及渗流压力对岩渗透率的影响规律。

Description

岩石全自动气体渗透率测试系统及测算方法

技术领域

本发明有涉及一种岩石气体渗透率测试系统及方法，特别是一种岩石全自动气体渗透率测试系统及测算方法。

背景技术

渗透率表征了岩石空隙内流体的流动能力，是储层岩石的一个重要物性参数。

目前常规的岩石渗透率测试方法有液体测量法和气体测量法，两种方法都是基于Darcy定律。但气体测量法与液体测量法相比，动力粘度系数更小，相同条件下气体渗透率测试时间更短，因此多采用惰性气体作为岩石渗透率测试介质。

常用的渗透率测试方法主要为稳态法和压力脉冲法。压力脉冲法对压力表精度要求较高，测试时间长，而对于中高渗岩样来说，采用稳态法测试岩石渗透率时间较短，因此稳态法广泛用于石油工业渗透率测试。

致密岩石由于其结构致密，较低渗透压力作用下导致流体流动速率小，使得通过岩样的流量过小，普通岩石气体渗透率测试系统无法准确计量和测定气体流量，进而难以准确测得渗透率。另一方面，已有的岩石气体渗透率测试装置自动化程度较低，多靠人为读取压力表及流量计数据进而计算得到岩石渗透率，在耗费大量人力物力的同时，也影响了试验结果的客观性。此外，现有岩石气体渗透率测试装置不能提供三轴压缩应力，无法全面探究轴压、围压、静水压力及渗透压力对岩石渗透率的影响规律，这些都大大制约了稳态法在致密岩石介质渗流规律研究中的应用。

发明内容

发明目的，本发明的目的是要提供一种岩石全自动气体渗透率测试系统及测算方法，解决现有技术的测量压力范围小，试验周期长，测试精度差，测量结果客观性较低的问题。

技术方案，本发明的目的是这样实现的，岩石全自动气体渗透率测试系统包括：渗流气体增压系统、三轴岩心夹持装置、恒速恒压泵加压装置、高/中/低出口气体流量计及数据采集处理系统；

空压机与渗流气体增压系统连接，氮气瓶通过控制阀与渗流气体增压系统连接，渗流气体增压系统的输出通过缓冲容器同时与低压减压阀或高压减压阀连接，渗流气体增压系统、空压机，氮气瓶通过控制阀输出氮气，加压后的氮气稳压存入缓冲容器中，通过低压减压阀或高压减压阀调整至设定值；

低压减压阀和高压减压阀分别与第一连通阀和第二连通阀连接，在低压减压阀、高压减压阀和第一连通阀、第二连通阀之间连接有第一气体压力表与第二气体压力表，第一连通阀、第二连通阀输出端与三轴岩心夹持装置连接，在第一连通阀、第二连通阀和三轴岩心夹持装置之间连接有第一压力传感器，第一气体压力表与第二气体压力表实时显示压力值，通过开关或闭合连通阀与将气体压力输送至三轴岩心夹持装置内，输入的渗透气体压力由第一压力传感器实时传入数据采集处理系统；

三轴岩心夹持装置内放置有待测岩心；

恒速恒压泵能提供稳定的流体压力，恒速恒压泵通过围压阀与三轴岩心夹持装置相连通，在围压阀与三轴岩心夹持装置之间连接有第二压力传感器，恒速恒压泵为待测岩心施加围压，围压由第二压力传感器实时传入数据采集处理系统；

恒速恒压泵通过轴压阀与三轴岩心夹持装置相连通，在轴压阀与三轴岩心夹持装置之间连接有第三压力传感器；恒速恒压泵为待测岩心施加轴压，轴压由第三压力传感器实时传入数据采集处理系统；

三轴岩心夹持装置出口端通过第一气体流量计、第二气体流量计和第三气体流量计与大气相连通，三个气体流量计的量程不同，同时，三个气体流量计与数据采集、处理系统相连通；数据采集处理系统综合处理并储存岩心气体渗透压力、围压、轴压及出口气体流量。

所述的三轴岩心夹持装置内放置有待测岩心，待测岩心的环向通过围压加载系统加载有围压，待测岩心的轴向通过围压加载系统加载有轴压，待测岩心的左端通过渗流气体增压系统加载有气体渗流压，待测岩心的右端通过高/中/低出口气体流量计与大气连通，待测岩心渗透率通过数据采集、处理软件自动计算得出。

进一步完善上述技术方案，所述渗流气体增压系统包括：空压机、气源瓶、缓冲容器及气压调节装置，所述气源瓶提供惰性渗透气体，渗透气体通过所述空压机增压，岩心气体渗透压通过所述气压调节装置调整至设定值，气体增压系统通过气压调节装置与三轴岩心夹持装置的入口端相连，气体增压系统为三轴岩心夹持装置提供稳定渗透气压，气体增压系统最大气体输出压力为48MPa。

进一步完善上述技术方案，所述三轴岩心夹持装置内放有待测岩心，所述待测岩心大小满足国际岩石力学试验标准，三轴岩心夹持装置通过气体增压系统为待测岩心施加渗透气压，三轴岩心夹持装置通过恒速恒压泵加压系统为待测岩心施加恒定围压及轴压。

进一步完善上述技术方案，所述的恒速恒压泵通过围压阀为三轴岩心夹持装置提供稳定围压，进而为待测岩心施加恒定围压，恒速恒压泵通过轴压阀为三轴岩心夹持装置提供稳定轴压，进而为待测岩心施加恒定轴压；的恒速恒压泵加压系统压力输出范围为0～60MPa，亦即待测岩心所受轴压及围压范围为0～60MPa。

进一步完善上述技术方案，所述高/中/低出口气体流量计及数据采集处理系统，包括5sccm、100sccm和3000sccm三个不同测量精度气体流量计，能够同时满足低渗及高渗透率岩心渗透率测试要求；所述数据采集处理系统，采用window下VB自主编程开发，可实时采集测试并存储围压、轴压、测试气体渗流压力、气体流量值，并采用内置算法自动识别气体渗流稳定状态并计算所述测试岩心气体渗透率，同时可以和压力/体积控制器进行数据通信，集中控制围压及轴压。

岩石全自动气体渗透率测算方法，包括如下步骤：

(1)选取天然岩石，将岩心加工为符合国际岩石力学学会试验规程标准尺寸的待测岩心，测量并记录试样的直径和高度；

(2)将岩心用专用橡胶套装好后放入三轴岩心夹持装置内，旋紧三轴岩心夹持装置的气体进出口接触端，装好岩心的三轴岩心夹持装置密封性较好，气体进出口接触端与岩心接触紧密；

(3)打开岩石全自动气体渗透率测试系统，录入岩心尺寸及试验温度、标准大气压参数，开始岩心气体渗透测试；

(4)打开围压阀，按照试验方案，通过恒速恒压泵对岩心施加围压至设定值σ₃，随后关闭围压阀，打开轴压阀，通过恒速恒压泵对岩心施加轴压至设定值σ₁，此后，岩心所受轴压及围压均稳定保持在试验设定值；

(5)在渗透气体无泄漏的条件下，通过气体增压系统将气体压力增大，略超过试验设定最大值，并存储于缓冲容器中；

(6)根据试验气压范围，选择高压或低压减压阀调节氮气渗透压力；

(7)点击数据采集处理系统中操作界面上的“开始”按钮，系统自动监测气体出口端气体流量，自动识别岩石渗流稳定状态，并计算得到稳定后岩心气体渗透率后，系统自动保存渗透率测算结果并暂停；

(8)重复步骤(3)～(7)，分别进行不同应力条件下岩心渗透率测试试验，记录试验结果；

(9)完成试验后，点击数据采集处理系统中操作界面上的“结束”按钮，并导出试验结果。

有益效果，由于采用了上述方案，该岩石全自动气体渗透率测试系统包括气体增压系统，极大增大了气体渗透压力测试范围，为低渗岩心石渗透率稳态法测试提供了基础，结合三个不同测量精度气体流量计，能够同时满足高渗透率岩石、低渗透率岩石及极低渗透率岩石的渗透率测试要求。系统内三轴岩心夹持装置，能同时为待测岩心施加稳定轴压及围压，可以满足岩石在三轴压力条件下渗透率特性研究及测试要求。系统由自主开发数据处理软件集中控制，同时自动识别气体渗流稳定状态并计算所述待测岩心气体渗透率。基于该岩石渗透率测试系统的岩石气体渗透率测算方法，自动化程度高，避免了人为操作带来的主观误差，测试精度高、范围广，克服了以往测量压力范围小，试验周期长，测试精度差，测量结果客观性较低等缺点。

岩石渗透率测算方法基于岩石全自动气体渗透率测试系统，操作简便，计算结果可靠，在每次进行气体渗透率试验时，只需要测量出岩心的基本参数(高度、直径)，然后录入测试系统中，设定试验压力，系统便可自动计算并储存岩心气体渗透率。

附图说明

图1为本发明所述岩石全自动气体渗透率测试系统的结构示意图。

图2为本发明实施例红砂岩不同轴向偏应力作用下的气体渗透率图。

图1中，1、渗流气体增压系统；2、空压机；3、氮气瓶；4、控制阀；5、缓冲容器；6、低压减压阀；7、高压减压阀；8、第一气体压力表；9、第二压力表；10、第一连通阀；11、第二连通阀；12、第一压力传感器；13、三轴岩心夹持装置；14、待测岩心；15、恒速恒压泵；16、围压阀；17、第二压力传感器；18、轴压阀；19、第三压力传感器；20、第一气体流量计；21、第二气体流量计；22、第三气体流量计；23、数据采集处理系统。

具体实施方式

岩石全自动气体渗透率测试系统包括：渗流气体增压系统、三轴岩心夹持装置、恒速恒压泵加压装置、高/中/低出口气体流量计及数据采集处理系统；

空压机2与渗流气体增压系统1连接，氮气瓶3通过控制阀4与渗流气体增压系统1连接，渗流气体增压系统1的输出通过缓冲容器5同时与低压减压阀6或高压减压阀7连接，渗流气体增压系统1、空压机2，氮气瓶3通过控制阀4输出氮气，加压后的氮气稳压存入缓冲容器5中，通过低压减压阀6或高压减压阀7调整至设定值；

低压减压阀6和高压减压阀7分别与第一连通阀10和第二连通阀11连接，在低压减压阀6、高压减压阀7和第一连通阀10、第二连通阀11之间连接有第一气体压力表8与第二气体压力表9，第一连通阀10、第二连通阀11输出端与三轴岩心夹持装置13连接，在第一连通阀10、第二连通阀11和三轴岩心夹持装置13之间连接有第一压力传感器12，第一气体压力表8与第二气体压力表9实时显示压力值，通过开关或闭合连通阀10与11将气体压力输送至三轴岩心夹持装置13内，输入的渗透气体压力由第一压力传感器12实时传入数据采集处理系统23；

三轴岩心夹持装置13内放置有待测岩心14；

恒速恒压泵15能提供稳定的流体压力，恒速恒压泵15通过围压阀16与三轴岩心夹持装置13相连通，在围压阀16与三轴岩心夹持装置13之间连接有第二压力传感器17，恒速恒压泵15为待测岩心14施加围压，围压由第二压力传感器17实时传入数据采集处理系统23；

恒速恒压泵15通过轴压阀18与三轴岩心夹持装置13相连通，在轴压阀18与三轴岩心夹持装置13之间连接有第三压力传感器19；恒速恒压泵15为待测岩心14施加轴压，轴压由第三压力传感器19实时传入数据采集处理系统23；

三轴岩心夹持装置13出口端通过第一气体流量计20、第二气体流量计21和第三气体流量计22与大气相连通，三个气体流量计的量程不同，同时，三个气体流量计与数据采集、处理系统23相连通；数据采集、处理系统23综合处理并储存岩心气体渗透压力、围压、轴压及出口气体流量。

所述的三轴岩心夹持装置内放置有待测岩心14，所述待测岩心14的环向通过围压加载系统加载有围压，所述待测岩心的轴向通过围压加载系统加载有轴压，所述待测岩心14的左端通过渗流气体增压系统加载有气体渗流压，所述待测岩心14的右端通过高/中/低出口气体流量计与大气连通，所述待测岩石渗透率通过数据采集、处理软件自动计算得出。

进一步完善上述技术方案，所述渗流气体增压系统包括：空压机、气源瓶、缓冲容器及气压调节装置，所述气源瓶提供惰性渗透气体，渗透气体通过所述空压机增压，岩心气体渗透压通过所述气压调节装置调整至设定值，气体增压系统通过气压调节装置与三轴岩心夹持装置的入口端相连，气体增压系统为三轴岩心夹持装置提供稳定渗透气压，气体增压系统最大气体输出压力为48MPa。

进一步完善上述技术方案，所述三轴岩心夹持装置内放有待测岩心，所述待测岩心大小满足国际岩石力学试验标准，三轴岩心夹持装置通过气体增压系统为待测岩心施加渗透气压，三轴岩心夹持装置通过恒速恒压泵加压系统为待测岩心施加恒定围压及轴压。

进一步完善上述技术方案，所述的恒速恒压泵15通过围压阀16为三轴岩心夹持装置提供稳定围压，进而为待测岩心施加恒定围压，恒速恒压泵通过轴压阀为三轴岩心夹持装置提供稳定轴压，进而为待测岩心施加恒定轴压；的恒速恒压泵加压系统压力输出范围为0～60MPa，亦即待测岩心所受轴压及围压范围为0～60MPa。

进一步完善上述技术方案，所述高/中/低出口气体流量计及数据采集处理系统，包括5sccm、100sccm和3000sccm三个不同测量精度气体流量计，能够同时满足低渗及高渗透率岩心渗透率测试要求；所述数据采集、处理系统，采用window下VB自主编程开发，可实时采集测试并存储围压、轴压、测试气体渗流压力、气体流量值，并采用内置算法自动识别气体渗流稳定状态并计算所述待测岩心气体渗透率，同时可以和压力/体积控制器进行数据通信，集中控制围压及轴压。

岩石全自动气体渗透率测算方法，包括如下步骤：

(1)选取天然岩石，将天然岩石加工为符合国际岩石力学学会试验规程标准尺寸的待测岩心，测量并记录试样的直径和高度；

(2)将待测岩心用专用橡胶套装好后放入三轴岩心夹持装置内，旋紧三轴岩心夹持装置的气体进出口接触端，装好待测岩心的三轴岩心夹持装置密封性较好，气体进出口接触端与岩心接触紧密；

(3)打开岩石全自动气体渗透率测试系统，录入待测岩心尺寸及试验温度、标准大气压参数，开始待测岩心气体渗透测试；

(4)打开围压阀，按照试验方案，通过恒速恒压泵对岩心施加围压至设定值σ₃，随后关闭围压阀，打开轴压阀，通过恒速恒压泵对岩心施加轴压至设定值σ₁，此后，岩心所受轴压及围压均稳定保持在试验设定值；

(5)在渗透气体无泄漏的条件下，通过气体增压系统将气体压力增大，略超过试验设定最大值，并存储于缓冲容器中；

(6)根据试验气压范围，选择高压或低压减压阀调节氮气渗透压力；

(7)点击数据采集处理系统中操作面板上的“开始”按钮，系统自动监测气体出口端气体流量，自动识别岩石渗流稳定状态，并计算得到稳定后岩石气体渗透率后，系统自动保存渗透率测算结果并暂停；

(8)重复步骤(3)～(7)，分别进行不同应力条件下岩石渗透率测试试验，记录试验结果；

(9)完成试验后，点击数据采集处理系统中操作面板中的“结束”按钮，并导出试验结果。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，实施例中对附图作简单的介绍，显而易见的，附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：如图1所示，一种岩石全自动气体渗透率测试系统，包括渗流气体增压系统1、空压机2，氮气瓶3通过控制阀4输出氮气，加压后的氮气稳压存入缓冲容器5中，通过低压减压阀6或高压减压阀7调整至设定值，气体压力表8与9实时显示压力值，通过开关或闭合连通阀10与11将气体压力输送至三轴岩心夹持装置13内，输入的渗透气体压力由压力传感器12实时传入数据采集、处理系统23；三轴岩心夹持装置13内放置有待测岩心14；恒速恒压泵15能提供稳定的流体压力，恒速恒压泵15通过围压阀16与三轴岩心夹持装置13相连通，为待测岩心14施加围压，围压由压力传感器17实时传入数据采集、处理系统23，恒速恒压泵15通过轴压阀18与三轴岩心夹持装置13相连通，为待测岩心14施加轴压，轴压由压力传感器19实时传入数据采集、处理系统23；三轴岩心夹持装置13出口端通过三个不同量程的气体流量计20、21和22与大气相连通，同时，气体流量计20、21及22与数据采集、处理系统23相连通；数据采集、处理系统23综合处理并储存岩心气体渗透压力、围压、轴压及出口气体流量。

利用上述岩石全自动气体渗透率测试系统对红砂岩进行不同偏应力下气体渗透率测量的步骤如下：

(1)选取完整均一的红砂岩，按照国际岩石力学试验标准将岩样加工为直径为50mm长度为100mm的圆柱形，将加工后的试样干燥后测量并记录试样的直径和高度；

(2)将岩样用专用橡胶套装好后放入三轴岩心夹持装置内，旋紧三轴岩心夹持装置的气体进出口接触端，装好岩心的三轴岩心夹持装置密封性较好，气体进出口接触端与岩心接触紧密；

(3)打开岩石全自动气体渗透率测试系统，录入岩心尺寸及试验温度、标准大气压等参数，开始岩石气体渗透测试；

(4)打开围压阀，按照试验方案，通过恒速恒压泵对岩心施加围压至设定值σ₃，随后关闭围压阀，打开轴压阀，通过恒速恒压泵对岩心施加轴压至设定值σ₁，此后，岩心所受轴压及围压均稳定保持在试验设定值；

(5)打开控制阀4，通过气体增压系统将氮气压力增大至20MPa，并存储于缓冲容器中；

(6)根据试验气压范围，合理选择高压或低压减压阀调节氮气渗透压力，本次试验采用5MPa的气体渗透压力，因此选用高压减压阀将缓冲容器中的氮气压力调节并稳定至5MPa；

(7)点击数据采集处理系统中操作界面上的“开始”按钮，系统自动监测气体出口端气体流量，自动识别岩心渗流稳定状态，并计算得到稳定后岩心气体渗透率；

(8)重复步骤(4)～(7)，分别进行静水压力为25.3MPa，轴向偏应力为17.69MPa、14.30MPa、10.56MPa、6.04MPa、2.27MPa、-1.78MPa、-5.73MPa、-9.47MPa和-13.64MPa条件下红砂岩渗透试验；

(9)完成试验后，点击数据采集处理系统中操作界面上的“结束”按钮，并导出试验结果；

(10)导出渗透率计算结果及相应应力状态，即可得到岩石试样在不同应力条件下的渗透率，通过该测算方法得到岩心试样在不同应力状态下的渗透率如表1所示。

表1红砂岩渗透试验加载方案

如上所述，尽管参照特定的实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (2)

1.一种岩石全自动气体渗透率测试系统，其特征在于，岩石全自动气体渗透率测试系统包括：渗流气体增压系统、三轴岩心夹持装置、恒速恒压泵加压装置、高/中/低出口气体流量计及数据采集处理系统；空压机与渗流气体增压系统连接，氮气瓶通过控制阀与渗流气体增压系统连接，渗流气体增压系统的输出通过缓冲容器同时与低压减压阀或高压减压阀连接；

低压减压阀和高压减压阀分别与第一连通阀和第二连通阀连接，在低压减压阀、高压减压阀和第一连通阀、第二连通阀之间连接有第一气体压力表与第二气体压力表，第一连通阀、第二连通阀输出端与三轴岩心夹持装置连接，在第一连通阀、第二连通阀和三轴岩心夹持装置之间连接有第一压力传感器；

三轴岩心夹持装置内放置有待测岩心；

恒速恒压泵能提供稳定的流体压力，恒速恒压泵通过围压阀与三轴岩心夹持装置相连通，在围压阀与三轴岩心夹持装置之间连接有第二压力传感器；

恒速恒压泵通过轴压阀与三轴岩心夹持装置相连通，在轴压阀与三轴岩心夹持装置之间连接有第三压力传感器；恒速恒压泵为待测岩心施加轴压，轴压由第三压力传感器实时传入数据采集处理系统；

三轴岩心夹持装置出口端通过第一气体流量计、第二气体流量计和第三气体流量计与大气相连通，三个气体流量计与数据采集处理系统相连通；

所述的三轴岩心夹持装置内放置有待测岩心，待测岩心的环向通过围压加载系统加载有围压，待测岩心的轴向通过围压加载系统加载有轴压，待测岩心的左端通过渗流气体增压系统加载有气体渗流压，待测岩心的右端通过高/中/低出口气体流量计与大气连通，待测岩心渗透率通过数据采集、处理软件自动计算得出。

2.一种岩石全自动气体渗透率测算方法，其特征在于，岩石全自动气体渗透率测算方法，包括如下步骤：

(1)选取天然岩石，将岩石加工为符合国际岩石力学学会试验规程的标准尺寸即待测岩心，测量并记录试样的直径和高度；

(2)将岩心用专用橡胶套装好后放入三轴岩心夹持装置内，旋紧三轴岩心夹持装置的气体进出口接触端，装好岩心的三轴岩心夹持装置密封性较好，气体进出口接触端与岩心接触紧密；

(3)打开岩石全自动气体渗透率测试系统，录入岩心尺寸及试验温度、标准大气压参数，开始岩心气体渗透测试；

(4)打开围压阀，按照试验方案，通过恒速恒压泵对岩心施加围压至设定值σ₃，随后关闭围压阀，打开轴压阀，通过恒速恒压泵对岩心施加轴压至设定值σ₁，此后，岩心所受轴压及围压均稳定保持在试验设定值；

(5)在渗透气体无泄漏的条件下，通过气体增压系统将气体压力增大，略超过试验设定最大值，并存储于缓冲容器中；

(6)根据试验气压范围，选择高压或低压减压阀调节氮气渗透压力；

(7)点击数据采集处理系统中操作界面中的“开始”按钮，系统自动监测气体出口端气体流量，自动识别岩心渗流稳定状态，并计算得到稳定后岩心气体渗透率后，系统自动保存渗透率测算结果并暂停；

(8)重复步骤(3)～(7)，分别进行不同应力条件下岩心渗透率测试试验，记录试验结果；

(9)完成试验后，点击数据采集处理系统中操作界面上的“结束”按钮，并导出试验结果。