CN106769684B - 页岩气扩散能力测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种页岩气扩散能力测试系统，包括：岩心夹持器，其用于放置岩心样本；所述岩心夹持器具有第一端及第二端；围压施加机构，其连接所述岩心夹持器；所述围压施加机构用于向所述岩心样本施加围压；第一容器，其内部存储有第一预定压强的甲烷；所述第一容器与所述岩心夹持器的第一端相连通；第二容器，其内部存储有第二预定压强的甲烷；所述第二容器与所述岩心夹持器的第二端相连通；所述第一预定压强与所述第二预定压强的压差大于零且小于预定值；测量机构，其能够测量所述第一容器及所述第二容器的压强值；与所述测量机构连接的计算单元，其能够根据所述第一容器及所述第二容器的压强值确定气体的扩散信息。

Description

页岩气扩散能力测试系统

技术领域

本发明涉及页岩气扩散能力测试领域，尤其涉及在极小压差条件下的一种页岩气扩散能力测试系统。

背景技术

页岩气是蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源，页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，中国的页岩气可采储量较大，开采前景广阔。

其中，页岩气藏流动机理比较复杂，渗流和扩散作用同时存在。页岩气储层物性差，基质孔喉直径约为1～1000nm，其孔隙度在2％～5％变化，并且基质渗透率极低，页岩气藏的岩性特性分析表明，其渗透率的范围为10-9～10-3mD。

在如此低孔低渗的多孔介质中，连续流动假设不再适用，扩散作用变得非常重要。在页岩气的现场开采过程中，页岩基质中存在的大量吸附气和游离气需要依靠扩散作用，从基质流入裂缝，并最终进入生产井形成工业产量。因此，页岩气基质扩散作用规律的研究对于页岩气有效开发至关重要。

经文献调研发现，目前还没有专门针对页岩气在极小压差条件下扩散的实验研究，极其限制深入认识近平衡态下扩散机理和规律，阻碍了页岩气开采技术的发展。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种页岩气扩散能力测试系统，以能够测试出扩散对页岩气流动的影响，便于揭露出页岩气在岩层中变化的规律和机理，为页岩气藏现场生产能力和开发措施提供依据。

本发明采用以下技术方案解决以上技术问题，该技术方案如下：

一种页岩气扩散能力测试系统，包括：

岩心夹持器，其用于放置岩心样本；所述岩心夹持器具有第一端及第二端；

围压施加机构，其连接所述岩心夹持器；所述围压施加机构用于向所述岩心样本施加围压；

第一容器，其内部存储有第一预定压强的甲烷；所述第一容器与所述岩心夹持器的第一端相连通；

第二容器，其内部存储有第二预定压强的甲烷；所述第二容器与所述岩心夹持器的第二端相连通；所述第一预定压强与所述第二预定压强的压差大于零且小于预定值；

测量机构，其能够测量所述第一容器及所述第二容器的压强值；

与所述测量机构连接的计算单元，其能够根据所述第一容器及所述第二容器的压强值确定气体的扩散信息。

作为优选的实施方式，所述第一预定压强与所述第二预定压强的压差大于零且小于1.5兆帕。

作为优选的实施方式，所述测量机构包括第一压力传感器、及第二压力传感器；所述第一压力传感器能够测量所述第一容器的压强；所述第二压力传感器能够测量所述第二容器的压强。

作为优选的实施方式，所述第一容器与所述岩心夹持器之间通过第一管道相连接；所述第一压力传感器通过一三通阀与所述第一管道相连接。

作为优选的实施方式，所述第二容器与所述岩心夹持器之间通过第二管道相连接；所述第二压力传感器通过一三通阀与所述第二管道相连接。

作为优选的实施方式，所述第一管道及所述第二管道上还分别设有六通阀。

作为优选的实施方式，所述六通阀设于所述三通阀的下游。

作为优选的实施方式，所述第一压力传感器与所述第二压力传感器均为压力变送器。

作为优选的实施方式，所述压力变送器的量程为0-10兆帕，精度为0.001兆帕。

作为优选的实施方式，所述围压施加机构包括围压泵；所述围压泵通过第三管道连接所述岩心夹持器；所述第三管道连接有第三压力传感器；所述第三压力传感器连接所述计算单元。

作为优选的实施方式，所述计算单元与所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、及所述第三压力传感器之间设有巡检仪。

作为优选的实施方式，所述扩散信息包括以下至少一种数据：扩散量、第一容器与第二容器的压差、扩散量随时间变化曲线图、扩散量随压差变化曲线图。

作为优选的实施方式，所述第一容器及所述第二容器均为钛合金容器。

作为优选的实施方式，还包括具有恒温腔室的恒温机构；所述岩心夹持器、所述第一容器、及所述第二容器均设于所述恒温腔室内。

本发明的页岩气扩散能力测试系统通过甲烷气体代替页岩气进行试验，同时，第一容器的第一预定压强与第二容器内的第二预定压强保持较小的压强差，而较小的压强差可以降低因为岩心夹持器两端因压差过大而引起的较大的渗流作用的影响，突出扩散对气体的作用，减少了其他因素的影响，从而所获得的试验结果(扩散信息)能较佳地体现出扩散对页岩气流动的影响，便于揭露出页岩气在岩层中变化的规律和机理，为页岩气藏现场生产能力和开发措施提供依据。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施方式提供的页岩气扩散能力测试系统示意图；

图2是通过图1所示系统测得的扩散量随时间变化曲线图；

图3是通过图1所示系统测得的扩散量随压差变化曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，为本发明一个实施方式提供的一种页岩气扩散能力测试系统，包括：岩心夹持器1，其用于放置岩心样本；所述岩心夹持器1具有第一端及第二端；围压施加机构，其连接所述岩心夹持器1；所述围压施加机构用于向所述岩心样本施加围压；第一容器2，其内部存储有第一预定压强的甲烷；所述第一容器2与所述岩心夹持器1的第一端相连通；第二容器3，其内部存储有第二预定压强的甲烷；所述第二容器3与所述岩心夹持器1的第二端相连通；所述第一预定压强与所述第二预定压强的压差大于零且小于预定值；测量机构，其能够测量所述第一容器2及所述第二容器3的压强值；与所述测量机构连接的计算单元15，其能够根据所述第一容器2及所述第二容器3的压强值确定气体的扩散信息。

本实施方式的页岩气扩散能力测试系统通过甲烷气体代替页岩气进行试验，同时，第一容器2的第一预定压强与第二容器3内的第二预定压强保持较小的压强差，而较小的压强差可以降低因为岩心夹持器1两端因压差过大而引起的较大的渗流作用的影响，突出扩散对气体的作用，减少了其他因素的影响，从而所获得的试验结果(扩散信息)能较佳地体现出扩散对页岩气流动的影响，便于揭露出页岩气在岩层中变化的规律和机理，为页岩气藏现场生产能力和开发措施提供依据。

如图1所示，岩心夹持器1具有壳体，壳体设有岩心腔。其中，壳体与岩心腔的形状相适配，比如，岩心腔整体为圆柱形，壳体的形状则整体也为圆柱形。通常，岩心腔的形状为圆柱形、棱柱形。当然，在本实施方式中并不作任何限制。

岩心腔用于放置岩心，岩心的形状通常与岩心腔的形状相同。岩心夹持器1的壳体上设有通入岩心腔的进压孔。通常，壳体在长度方向上的中间位置或侧壁上开设的进压孔用于输入围压；开设在两端(一般在端面上)的进压孔用于输入测试气体。

岩心夹持器1在长度方向上具有第一端及第二端。承接上文描述，第一端及第二端分别设有进压孔，以输入测试气体(甲烷)。具体的，第一端及第二端分别连接第一容器2及第二容器3。

在本实施方式中，第一容器2及第二容器3均具有存储有甲烷的腔体。其中，第一容器2与第二容器3均可以为密闭容器，并通过管道向岩心夹持器1供气。其中，本实施方式对于第一容器2及第二容器3的形状及容量并没有特殊限制，只需第一容器2及第二容器3的体积固定且已知。

考虑到不同材料的容器，随着内部气体压强的变化，容器自身的体积也会产生变化，虽然该变化较小，但为获取较为精确的结果，更加准确地反映气体扩散规律，所述第一容器2及所述第二容器3均优选为钛合金容器。设置如此材质的第一容器2及第二容器3，不仅结构轻便化，易操作；并且结构刚度较大，在容器内部气压变化过程中变形十分微小，从而使得第一容器2及第二容器3在测试页岩气时能够获得较佳地试验效果。

第一容器2及第二容器3的壳体可以为一体成型，也可以为分体结构，比如盖体及与盖体配合的主体。优选的，第一容器2及第二容器3均具有盖体。盖体与其配合的主体之间具有专用的密封材料，比如密封圈、密封油(涂抹在盖体与主体的接合处)、密封垫等等。优选的，盖体与主体之间通过设有密封垫密封，该密封垫可以提供两级密封面，从而达到较佳的密封效果，防止因气体泄漏而产生误差。

在本实施方式那个，所述第一容器2与所述岩心夹持器1之间通过第一管道6相连接。其中，第一管道6可以为单根管道，也可以为多个子管道串联形成。第一容器2与第一管道6的连接处设置有密封结构，防止气体泄漏而引起试验结果产生误差。

所述第二容器3与所述岩心夹持器1之间通过第二管道7相连接。其中，第二管道7可以为单根管道，也可以为多个子管道串联形成。第二容器3与第二管道7的连接处设置有密封结构，防止气体泄漏而引起试验结果产生误差。

在本实施方式中，第一容器2内充填有第一预定压强的甲烷，在第二容器3中充填有第二预定压强的甲烷。其中，本实施方式中选用甲烷作为试验气体能够较佳地代替页岩气，且能够反映出页岩气的扩散性质，所得的试验结果与页岩气在地层中的真实扩散效果相近。

在本实施方式中，第一预定压强与第二预定压强不同，二者之间存在较小压差。为突出气体的扩散作用，降低因压差过大而带来的渗流作用，第一预定压强与第二预定压强的压差大于零且小于预定值。

其中，预定值可以根据实际试验场景选定，比如，可以根据页岩气中甲烷的浓度、待测页岩气储层的深度、待测页岩气储层的空隙情况等条件进行指定。一般地，预定值不超过2兆帕(MPa)。在本实施方式中，预定值可以为1.5兆帕，即，所述第一预定压强与所述第二预定压强的压差大于零且小于1.5兆帕。

在本实施方式中，测量机构能够测量第一容器2及第二容器3的压强，从而为计算单元15计算扩散信息提供依据。具体的，所述测量机构可以包括第一压力传感器4、及第二压力传感器5；所述第一压力传感器4能够测量所述第一容器2的压强；所述第二压力传感器5能够测量所述第二容器3的压强。

其中，第一压力传感器4可以设置于第一容器2内，或与第一容器2内部相通；相应的，第一压力传感器4可以设置于第一容器2内，或与第一容器2内部相通。

作为优选的，考虑到在整个页岩气扩散能力测试系统中气体在岩心样本中主要以扩散作用为主，气体流动缓慢，故第一管道6及第二管道7内的气体即可以反映出第一容器2及第二容器3内的压强以及岩心夹持器1两端的压强，故在本实施方式中，所述第一压力传感器4通过一三通阀8、9与所述第一管道6相连接。所述第二压力传感器5通过一三通阀8、9与所述第二管道7相连接。

其中，第一压力传感器4及第二压力传感器5通过三通阀8、9分别对应连接第一管道6及第二管道7，便于安装。在第一压力传感器4或第二压力传感器5出现设备问题或更换其他测量设备时，便于更换。该三通阀8、9还可以控制第一管道6的导通及截断，从而在试验中便于控制各个步骤的进行。

为便于试验参数的获取，所述第一管道6及所述第二管道7上还分别设有六通阀13、14。该六通阀13、14上具有与其他试验设备(比如测量设备、调控设备等等)连接的接口，如图1所示该六通阀13、14还可以留出4个接口与其他试验设备相连接。

与三通阀8、9相类似的，该六通阀13、14同样可以控制第一管道6的导通及截断，从而在试验中便于控制各个步骤的进行。具体的，所述六通阀13、14设于所述三通阀8、9的下游。如此设置，第一压力传感器4及第二压力传感器5更加靠近于第一容器2、及第二容器3，从而获取更加精确的压力值。

考虑到第一预定压强及第二预定压强之间的压差较小，气体在岩心样本中主要以扩散作用为主，故第一容器2及第二容器3内的压强变化较为缓慢，且变化值较小，为适应该种情况，所述第一压力传感器4与所述第二压力传感器5均优选为压力变送器。其中，所述压力变送器的量程为0-10兆帕，精度为0.001兆帕。

在本实施方式中，围压施加机构能向岩心夹持器1中输入围压，围压作用于岩心样本的两端之间的侧表面，以防止气体从岩心样本的侧面流出，保证测试气体(甲烷)由岩心样本一端进入，并由岩心样本另一端流出。

具体的，围压施加机构可以为泵、气压源等等，本实施方式并不作特别的限定。作为优选的，所述围压施加机构可以包括围压泵10。所述围压泵10通过第三管道11连接所述岩心夹持器1；所述第三管道11连接有第三压力传感器12；所述第三压力传感器12连接所述计算单元15。

本实施方式对第三压力传感器12并无特别限定，其能够测量围压的数值即可。根据第三压力传感器12的测试结果，可控制围压泵10的输出压力，从而保证所施加围压大小的准确性。

在本实施方式中，页岩气扩散能力测试系统还可以包括具有恒温腔室的恒温机构17。所述岩心夹持器1、所述第一容器2、及所述第二容器3均设于所述恒温腔室内。通过设置该恒温机构17可以保持整个试验环境温度的恒定，避免因为温度的波动而引起试验结果产生误差(如图2、图3所示可以看出扩散量的改变的量级为0.00001毫升)，故通过设置恒温机构17可以保证试验结果更加准确。

另外，恒温机构17可以提供较高的恒定温度，比如90℃。该温度与地层温度相似，从而可以较佳地模拟底层环境，保证测试结果反应的扩散规律的真实性，可应用性。

计算单元15能够根据所述第一容器2及所述第二容器3的压强值确定气体的扩散信息。其中，所述扩散信息可以包括以下至少一种数据：扩散量、第一容器2与第二容器3的压差、扩散量随时间变化曲线图、扩散量随压差变化曲线图。

其中，扩散量可以根据第一容器2与第二容器3的压差变化以及第一容器2、第二容器3的体积计算得出。扩散量随时间变化曲线图可以如图2所示，由图2可以看出随着时间的变化，页岩气(甲烷气)的扩散量逐步增大，且趋近于恒定值，并且，由图2可以看出气体初期的扩散量变化曲率较大，这与在初期第一容器2与第二容器3之间存在一定的压强差有关，随着试验的进行，第一容器2与第二容器3之间的压差逐渐缩小，故随着时间的延长，扩散作用的效果会越来越明显。扩散量随压差变化曲线图如图3所示，由图3可以看出随着第一容器2与第二容器3的压强差逐步增大，气体的扩散量逐步减小，且明显呈线性关系。

在本实施方式中，计算单元15可以为硬件单元、也可以为硬件单元与软件相结合，本实施方式并不作任何限定。优选的，计算单元15可以为计算机、PLC、单片机、或者电路板。其中，计算单元15与测量机构通过数据传输线相连接，从而获取测量机构所测得的数据。

为便于获知试验中各个压强的大小，所述计算单元15与所述第一压力传感器4、所述第二压力传感器5、及所述第三压力传感器12之间设有巡检仪16。通过巡检仪16可以显示所述第一压力传感器4、所述第二压力传感器5、及所述第三压力传感器12测得的数值，同时，巡检仪16可以对所述第一压力传感器4、所述第二压力传感器5、及所述第三压力传感器12测得的数值参数进行巡回检测、报警控制、变送输出、数据采集及通讯。

以图1所示页岩气扩散能力测试系统为例，通过该页岩气扩散能力测试系统进行试验的步骤如下：

1、打开计算单元15(该计算单元15可以为PC)，打开计算单元15内的压力记录实验系统，调试压力记录系统，确定记录软件等工作正常；

2、再将实验所需页岩岩心样本放入岩心夹持器1(图中1)，将岩心样本固定好，连接好实验围压施加机构(围压泵10、第三管道11及第三压力传感器12)，通过围压泵10缓慢加至实验所需围压，稳定一段时间后，准备下一步步骤；

3、分别向第一容器2及第二容器3内冲入甲烷气体，将第一容器2及第二容器3充入甲烷直至第一预定压强及第二预定压强，稳定一段时间待气体压力稳定后，将第一容器2及第二容器3连接到岩心夹持器1两端；

4、打开岩心夹持器1的两端开关及三通阀8、9、六通阀13、14，打开计算单元15的压力记录系统，开始试验；

5、通过第一压力传感器4及第二压力传感器5记录岩心夹持器1两端压力变化情况，计算其在近平衡态下的扩散量。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (13)

1.一种页岩气扩散能力测试系统，其特征在于，包括：

岩心夹持器，其用于放置岩心样本；所述岩心夹持器具有第一端及第二端；

围压施加机构，其连接所述岩心夹持器；所述围压施加机构用于向所述岩心样本施加围压；

第一容器，其内部存储有第一预定压强的甲烷；所述第一容器与所述岩心夹持器的第一端相连通；

第二容器，其内部存储有第二预定压强的甲烷；所述第二容器与所述岩心夹持器的第二端相连通；所述第一预定压强与所述第二预定压强的压差大于零且小于预定值；所述第一预定压强与所述第二预定压强的压差大于零且小于1.5兆帕；

测量机构，其能够测量所述第一容器及所述第二容器的压强值；

与所述测量机构连接的计算单元，其能够根据所述第一容器及所述第二容器的压强值确定气体的扩散信息。

2.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述测量机构包括第一压力传感器、及第二压力传感器；所述第一压力传感器能够测量所述第一容器的压强；所述第二压力传感器能够测量所述第二容器的压强。

3.如权利要求2所述的测试系统，其特征在于：所述第一容器与所述岩心夹持器之间通过第一管道相连接；所述第一压力传感器通过一三通阀与所述第一管道相连接。

4.如权利要求3所述的测试系统，其特征在于：所述第二容器与所述岩心夹持器之间通过第二管道相连接；所述第二压力传感器通过一三通阀与所述第二管道相连接。

5.如权利要求4所述的测试系统，其特征在于：所述第一管道及所述第二管道上还分别设有六通阀。

6.如权利要求5所述的测试系统，其特征在于：所述六通阀设于所述三通阀的下游。

7.如权利要求2所述的测试系统，其特征在于：所述第一压力传感器与所述第二压力传感器均为压力变送器。

8.如权利要求7所述的测试系统，其特征在于：所述压力变送器的量程为0-10兆帕，精度为0.001兆帕。

9.如权利要求2所述的测试系统，其特征在于：所述围压施加机构包括围压泵；所述围压泵通过第三管道连接所述岩心夹持器；所述第三管道连接有第三压力传感器；所述第三压力传感器连接所述计算单元。

10.如权利要求9所述的测试系统，其特征在于：所述计算单元与所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、及所述第三压力传感器之间设有巡检仪。

11.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述扩散信息包括以下至少一种数据：扩散量、第一容器与第二容器的压差、扩散量随时间变化曲线图、扩散量随压差变化曲线图。

12.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述第一容器及所述第二容器均为钛合金容器。

13.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于：还包括具有恒温腔室的恒温机构；所述岩心夹持器、所述第一容器、及所述第二容器均设于所述恒温腔室内。