CN111307685B - 一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置及方法 - Google Patents

一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置及方法 Download PDF

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CN111307685B CN202010046083.3A CN202010046083A CN111307685B CN 111307685 B CN111307685 B CN 111307685B CN 202010046083 A CN202010046083 A CN 202010046083A CN 111307685 B CN111307685 B CN 111307685B
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Abstract

本发明涉及一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置及方法，在装置中：动力泵的出口通过依次设置在管路上的活塞容器、上游截止阀、脉冲截止阀、上游压力传感器、上游真空截止阀与夹持室的入口相连，夹持室的出口通过依次设置在管路上的下游真空截止阀、下游压力传感器、下游截止阀、回压上游截止阀与流量计相连；其中活塞容器为多个，通过在装置中设置多个活塞容器，利用不同的活塞容器储存不同的流体，在进行驱替测试时，选择不同的活塞容器即可用不同流体进行驱替测试，在稳态渗透率测试和瞬态渗透率测试时，只需读取相应的传感器所检测到的参数就能计算出对应岩石的稳态渗透率和瞬态渗透率。

Description

一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置及方法
技术领域
本发明涉及岩石驱替及渗透试验技术领域，尤其涉及一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置及方法。
背景技术
美国页岩油气革命引起了全球范围内对非常规油气资源的开发热潮，包括页岩油、页岩气、致密油、致密气等使用常规手段难以进行开采的能源资源。存储非常规油气资源的烃源岩致密低渗，油气分子在这些储层中不易运移而原位驻留成藏，对开发带来了极大的困难，研究非常规油气资源在储层地应力条件下的驱替行为及渗透特性对现场开发具有较大的影响和意义。
储层润湿性对油气资源的采收率有重要的影响，非常规油气资源在致密储层中的运移过程中，孔隙结构和润湿性是影响毛管捕获的主要因素，对储层进行不同流体驱替实验是研究润湿性介质初始饱和度与残余饱和度关系的重要手段。此外不同的流体在低渗岩石的驱替过程中表现出不同的残余饱和度，使用同台仪器进行不同流体的驱替行为研究十分必要。使用现有的驱替实验装置对不同(尤其是低渗)岩石使用不同流体进行驱替时往往有实验复制困难的现象。
岩石的渗透率测定方法主要包括稳态法、瞬态法及压力震荡法。对于低渗岩石的测定，稳态法中达到稳定的达西流动耗时时间长，需要数天及甚至数周的时间，易受到环境波动的影响而对测试结果产生误差；瞬态法通过建立压差与时间的关系能够极大缩短低渗岩石渗透率的测试时间，但存在设备需要设置多级流体腔室而且算法复杂等特性。考量不同方法中低渗岩石渗透率测定的操作性及结果的差异性，对实际生产指导具有较大的现实意义，然而现有的渗透率测定仪器大多只能实现单一渗透率方法的测定，不能使用同一种设备进行不同渗透率方法的测定，使得多设备的结果对比具有较多的额外误差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置及方法，旨在解决现有技术中同台仪器不能进行不同流体的驱替以及不能使用同一种设备进行不同渗透率方法的测定的问题。
(二)技术方案
为了解决上述问题，本发明提供了一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置，其特征在于，所述装置包括：动力泵、多个活塞容器、样品夹持系统、传感测量系统和恒温箱；
所述样品夹持系统包括：用于夹持样品的夹持室和给所述夹持室的样品施加围压的围压泵；
所述传感测量系统包括：上游压力传感器、下游压力传感器、差压传感器以及流量计；
所述动力泵的出口通过依次设置在管路上的所述活塞容器、上游截止阀、脉冲截止阀、所述上游压力传感器、上游真空截止阀与所述夹持室的入口相连，所述夹持室的出口通过依次设置在管路上的下游真空截止阀、所述下游压力传感器、下游截止阀、回压上游截止阀与所述流量计相连；
所述流量计与所述回压上游截止阀之间的管路上设置有回压阀，从所述回压阀的回压口引出的管路上依次设置有回压截止阀、缓冲容器和回压泵；
所述上游真空截止阀的入口和所述下游真空截止阀的出口还通过设置有平衡阀的管路连接，所述脉冲截止阀的入口和所述下游截止阀的入口还通过依次设置有差压上游截止阀、差压传感器和差压下游截止阀的管路连接；
所述恒温箱中内置有所述样品夹持系统、上游真空截止阀、下游真空截止阀、脉冲截止阀、差压上游截止阀、差压传感器、差压下游截止阀、上游压力传感器、下游压力传感器、下游截止阀及平衡阀。
优选地，所述动力泵的出口和所述活塞容器的入口之间的管路上还设置有上游换向阀，所述活塞容器的出口与所述上游截止阀之间的管路上还设置有下游换向阀；
所述上游换向阀设置有与所述动力泵的出口相连的上游入口、与所述活塞容器的入口相连的第一上游出口、以及与所述下游换向阀相连的第二上游出口；
所述下游换向阀设置有与所述活塞容器的出口相连的第一下游入口、与所述上游截止阀相连的下游出口、以及与所述第二上游出口相连的第二下游入口。
优选地，多个所述活塞容器为并联关系，且每个所述活塞容器的入口与所述上游换向阀之间的管路上均分别设置有上游驱替截止阀且每个所述活塞容器的出口与所述下游换向阀之间的管路上均分别设置有下游驱替截止阀。
优选地，所述装置还包括有用于存储液体的容器，且所述动力泵的入口通过第一截止阀与所述容器的出口相连。
优选地，所述装置还包括抽真空系统，所述抽真空系统包括：真空泵、过滤瓶、第一真空截止阀、第二真空截止阀和第三真空截止阀；所述过滤瓶上设置有进气口和出气口，所述真空泵的进口与所述过滤瓶的出气口相连，所述过滤瓶的进气口通过设置有所述第一真空截止阀的管路与所述容器的入口相连，所述过滤瓶的进气口通过设置有所述第二真空截止阀的管路连接在所述下游驱替截止阀和所述下游换向阀之间的管路上，所述过滤瓶上的进气口通过设置有所述第三真空截止阀的管路连接在所述下游截止阀与所述回压上游截止阀连接的管路上。
优选地，所述夹持室内设置有用于放置样品的夹持器，所述夹持器的两端设置有限制样品移动的上压头和下压头，所述上压头和所述下压头安装在所述夹持室的两端，所述夹持室上设置有围压入口和围压出口，所述夹持室的入口和所述夹持室的出口分别设置在所述上压头和所述下压头上。
优选地，所述样品夹持系统还包括：围压截止阀和放空截止阀；
所述围压泵的出口与所述围压入口相连，且所述围压泵的出口和围压出口连接的管路上设置有所述围压截止阀，所述围压入口还连接有围压传感器，所述围压出口与所述放空截止阀相连。
优选地，所述回压截止阀和所述缓冲容器之间的管路上还设置有回压传感器。
优选地，本发明还提供了一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试方法，所述方法基于上述的低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置对岩石进行驱替测试、稳态渗透率的测试和瞬态渗透率测试。
优选地，当对岩石进行所述驱替测试时的步骤如下：
S1：封装岩样：
首先，干燥岩样；
然后，将岩样置于真空饱和装置中，对真空饱和装置抽真空处理后，向真空饱和装置中加入饱和的溶液，并在一定的压力下对岩样进行饱和；
最后，将岩样安装在夹持器内；
S2：抽真空：
关闭：所述上游真空截止阀、所述下游真空截止阀、所述回压上游截止阀和所述下游驱替截止阀；
打开：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀、所述第三真空截止阀、所述上游截止阀、所述脉冲截止阀、所述差压上游截止阀、所述差压下游截止阀和所述下游截止阀；以及调节下游换向阀至第一档位使得所述第一下游入口与所述下游出口相通；
随后，开启所述真空泵进行抽真空处理；
S3：施加围压：
打开所述围压截止阀和所述放空截止阀；
使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压，等待所述放空截止阀有流体流出后关闭所述放空截止阀；
继续使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压至设定条件；
S4：设置回压：
启动回压泵，通过所述缓冲容器对所述回压阀的回压口施加回压；
S5：驱替实验：
关闭：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀、所述第三真空截止阀、所述差压上游截止阀、所述差压下游截止阀和所述平衡阀；
打开：上游截止阀、脉冲截止阀、上游真空截止阀、下游真空截止阀、下游截止阀、回压上游截止阀和回压截止阀；以及调节上游换向阀至第一档位，使得所述上游入口与所述第一上游出口相通；
打开一个所述活塞容器上的入口和出口处对应的上游驱替截止阀和下游驱替截止阀；
打开动力泵进行压力驱替；
S6：数据采集：
采集所述上游压力传感器、所述下游压力传感器、所述围压传感器、所述回压传感器和所述流量计所得到数据，并对采集到的数据进行分析。
S7：泄压：
首先，降低所述动力泵的压力至零；
然后，降低所述回压泵的压力至零；
最后，降低所述围压泵的压力至零；
当对岩石进行所述稳态渗透率的测试时的步骤如下：
P1：封装岩样：
首先，干燥岩样；
然后，将岩样置于真空饱和装置中，对真空饱和装置抽真空处理后，向真空饱和装置中加入饱和的溶液，并在一定的压力下对岩样进行饱和；
最后，将岩样安装在夹持器内；
P2：抽真空：
关闭：所述上游真空截止阀、所述下游真空截止阀、所述回压上游截止阀、所有所述下游驱替截止阀、所述差压上游截止阀和所述差压下游截止阀；
打开：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀、所述第三真空截止阀、所述上游截止阀、所述脉冲截止阀和所述下游截止阀；
以及调节下游换向阀至第一档位使得所述第一下游入口与所述下游出口相通；
随后，开启所述真空泵进行抽真空处理；
P3：施加围压：
打开所述围压截止阀和所述放空截止阀；
使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压，等待所述放空截止阀有流体流出后关闭所述放空截止阀；
继续使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压至设定条件；
P4：稳态实验：
关闭：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀、所述第三真空截止阀、所述差压下游截止阀、所述差压上游截止阀、所述平衡阀；
调节所述上游换向阀至第二档位，使得所述上游入口与所述第二上游出口相通；调节所述下游换向阀至第二档位，使得所述第二下游入口与所述下游出口相通；
关闭：所述回压截止阀；
打开：所述上游截止阀、所述脉冲截止阀、所述上游真空截止阀、所述下游真空截止阀、所述下游截止阀和所述回压上游截止阀；
打开所述动力泵进行稳态渗透率测试实验；
P5：数据采集：
采集所述上游压力传感器、所述下游压力传感器、所述围压传感器和所述流量计所得到数据，并对采集到的数据进行稳态法渗透率计算；
P6：泄压：
首先，降低所述动力泵的压力至零；
然后，降低所述围压泵的压力至零；
当对岩石进行所述瞬态渗透率的测试时的步骤如下：
B1：封装岩样：
首先，干燥岩样；
然后，将岩样置于真空饱和装置中，对真空饱和装置抽真空处理后，向真空饱和装置中加入饱和的溶液，并在一定的压力下对岩样进行饱和；
最后，将岩样安装在夹持器内；
B2：抽真空：
关闭：所述上游真空截止阀、所述下游真空截止阀、所述回压上游截止阀、所有所述下游驱替截止阀；
打开：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀、所述第三真空截止阀、所述上游截止阀、所述脉冲截止阀、所述差压上游截止阀、所述差压下游截止阀和所述下游截止阀；
以及调节下游换向阀至第一档位使得所述第一下游入口与所述下游出口相通；
随后，开启所述真空泵进行抽真空处理；
B3：施加围压：
打开所述围压截止阀和所述放空截止阀；
使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压，等待所述放空截止阀有流体流出后关闭所述放空截止阀；
继续使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压至设定条件；
B4：瞬态试验：
关闭：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀和所述第三真空截止阀；
打开：所述差压上游截止阀、所述差压下游截止阀和所述平衡阀；
调节所述上游换向阀至第二档位，使得所述上游入口与所述第二上游出口相通；调节所述下游换向阀至第二档位，使得所述第二下游入口与所述下游出口相通；
关闭：回压上游截止阀；
打开：所述上游截止阀、所述脉冲截止阀、所述上游真空截止阀、所述下游真空截止阀和所述下游截止阀；
打开所述动力泵对岩样进行加压，使得所述上游压力传感器与所述下游压力传感器测得的压力均为第一预设值后，所述动力泵保持原压力平衡一段时间后，关闭所述平衡阀和所述脉冲截止阀；
所述动力泵继续加压至第二预设值后，关闭上游截止阀，打开脉冲截止阀，进行测试；
B5：数据采集：
采集所述上游压力传感器、所述下游压力传感器、所述围压传感器以及所述差压传感器所得到数据，并对采集到的数据进行瞬态法渗渗透率和渗透系数计算；
B6：泄压：
首先，降低所述动力泵的压力至零；
然后，降低所述围压泵的压力至零。
(三)有益效果
本发明，通过在装置中设置多个活塞容器，利用不同的活塞容器储存不同的流体，在进行驱替测试时，选择不同的活塞容器即可用不同流体进行驱替测试，同时本发明还在样品夹持系统的两端均设置压力传感器，并在样品夹持系统的两端的压力传感器之间设置平衡阀，同时在样品夹持系统的两端设置有压差传感器，并在样品夹持系统的出口设置流量计，在稳态渗透率测试和瞬态渗透率测试时，只需读取相应的传感器所检测到的参数就能计算出对应岩石的稳态渗透率和瞬态渗透率。
附图说明
图1为本发明一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置的结构示意图；
图2为本发明中样本夹持系统的结构示意图。
【附图标记说明】
1-1：排气截止阀；1-2：过滤瓶；1-3：真空计；1-4：真空泵；1-5：第一真空截止阀；1-6：第二真空截止阀；1-7：第三真空截止阀；1-8：上游真空截止阀；1-9：下游真空截止阀；
2-1：容器；2-2：第一截止阀；2-3动力泵；2-4：上游换向阀；2-41：上游入口；2-42：第一上游出口；2-43：第二上游出口；2-5：下游换向阀；2-51：第一下游入口；2-52：第二下游入口；2-53：下游出口；
3-1：上游驱替截止阀；3-2：活塞容器；3-3：下游驱替截止阀；
4：夹持室；41：夹持器；4-1：放空截止阀；4-2：上压头；4-3：下压头；4-4：围压入口；4-5：围压出口；4-6：围压传感器；4-7：围压截止阀；4-8：围压泵；
5-1：回压阀；5-2：回压传感器；5-3：缓冲容器；5-4：回压下游截止阀；5-5：回压泵；5-6：回压上游截止阀；5-7：回压截止阀；
6-1：上游截止阀；6-2：脉冲截止阀；6-3：差压上游截止阀；6-4：差压传感器；6-5：差压下游截止阀；6-6：上游压力传感器；6-7：下游压力传感器；6-8：下游截止阀；6-9：流量计；6-10：平衡阀。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供了一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置，包括：动力泵2-3、多个活塞容器3-2、样品夹持系统、传感测量系统和恒温箱，在本发明中样品为岩石。
进一步地，样品夹持系统包括：用于夹持样品的夹持室4和给夹持室4的样品施加围压的围压泵4-8。
更进一步地，传感测量系统包括：上游压力传感器6-6、下游压力传感器6-7、差压传感器6-4以及流量计6-9。
其中，动力泵2-3的出口通过依次设置在管路上的活塞容器3-2、上游截止阀6-1、脉冲截止阀6-2、上游压力传感器6-6、上游真空截止阀1-8与夹持室4的入口相连，夹持室4的出口通过依次设置在管路上的下游真空截止阀1-9、下游压力传感器6-7、下游截止阀6-8、回压上游截止阀5-6与流量计6-9相连。
不同的活塞容器3-2中储存有不同的液体，因此选择不同的活塞容器3-2就能用不同的液体进行驱替实验，实现了用一种实验装置对不同的样品使用不同的液体进行驱替实验。
流量计6-9与回压上游截止阀5-6之间的管路上设置有回压阀5-1，从回压阀5-1的回压口引出的管路上依次设置有回压截止阀5-7、缓冲容器5-3和回压泵5-5。
具体地，回压阀5-1上设置有进口、出口和回压口，回压阀5-1上的进口与回压上游截止阀5-6相连，回压阀5-1上的出口与流量计6-9相连，当回压阀5-1上的入口的压力等于或大于回压口处的压力时，回压阀5-1上的入口和回压阀5-1上的出口处于导通状态；否则，回压阀5-1上的入口和回压阀5-1上的出口处于断开状态，所以在本发明中，回压阀5-1能够根据实验需要，在夹持室4的出口和入口建立所设定的压差；在优选的实施方案中，回压阀5-1内是活塞式结构，回压泵5-5使得回压阀5-1的回压口加载至一定的压力。当回压阀5-1的入口的压力大于等于回压阀5-1的回压口所加载的压力，回压阀5-1的入口的压力会突破回压阀5-1，使得流体从回压阀5-1的入口流进，并从回压阀5-1的出口流出。
在优选的实施方案中，回压截止阀5-7和缓冲容器5-3之间的管路上还设置有回压传感器5-2，回压泵5-5与缓冲容器5-3的连接管路上还设置有回压下游截止阀5-4。回压传感器5-2能够测得回压阀5-1上回压口处的压力值，便于后续的实验分析，以及设置夹持室4的出口和入口的压差。
上游真空截止阀1-8的入口和下游真空截止阀1-9的出口还通过设置有平衡阀6-10的管路连接，脉冲截止阀6-2的入口和下游截止阀6-8的入口还通过依次设置有差压上游截止阀6-3、差压传感器6-4和差压下游截止阀6-5的管路连接。
恒温箱中内置有样品夹持系统、上游真空截止阀1-8、下游真空截止阀1-9、脉冲截止阀6-2、差压上游截止阀6-3、差压传感器6-4、差压下游截止阀6-5、上游压力传感器6-6、下游压力传感器6-7、下游截止阀6-8及平衡阀6-10。在不同温度下进行对样品进行驱替、稳态及瞬态渗透率测试，得到的结果并不一样，所以在恒温箱中进行驱替、稳态及瞬态渗透率测试，使得结果更加准确和可信，极大地减少了环境温度对实验结果的影响。
在优选的实施方案中，动力泵2-3的出口和活塞容器3-2的入口之间的管路上还设置有上游换向阀2-4，活塞容器3-2的出口与上游截止阀6-1之间的管路上还设置有下游换向阀2-5。
上游换向阀2-4设置有与动力泵2-3的出口相连的上游入口2-41、与活塞容器3-2的入口相连的第一上游出口2-42、以及与下游换向阀2-5相连的第二上游出口2-43。
下游换向阀2-5设置有与活塞容器3-2的出口相连的第一下游入口2-51、与上游截止阀6-1相连的下游出口2-53、以及与第二上游出口2-43相连的第二下游入口2-52。
其中，上游换向阀2-4和下游换向阀2-5均为三通单开阀门，即当上游换向阀2-4处于第一档位时，上游入口2-41与第一上游出口2-42相通，当上游换向阀2-4处于第二档位时，上游入口2-41与第二上游出口2-42相通；当下游换向阀2-5处于第一档位时，第一下游入口2-51与下游出口2-53相通，当下游换向阀2-5处于第二档位时，第二下游入口2-52与下游出口2-53相通，当上游换向阀2-4和下游换向阀2-5均处于第二档位时，实现了当进行稳态渗透率测试实验或瞬态渗透率测试实验时，通过上游换向阀2-4与下游换向阀2-5之间的配合，绕开活塞容器3-2，直接用动力泵2-3所抽出的液体进行实验，使得本申请中的驱替实验与稳态渗透率测试实验或瞬态渗透率测试实验不会相互影响，既提高了实验的准确性又在一套装置上集成了驱替实验、稳态渗透率测试实验或瞬态渗透率测试实验所需要的仪器，也使得本发明提供的低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置具有多用途。
在更加优选的实施方案中，多个活塞容器3-2为并联关系，且每个活塞容器3-2的入口与上游换向阀2-4之间的管路上均分别设置有上游驱替截止阀3-1且每个活塞容器3-2的出口与下游换向阀2-5之间的管路上均分别设置有下游驱替截止阀3-3。多个活塞容器3-2并联在管道中，且在活塞容器3-2的入口和出口均分别设置有上游驱替截止阀3-1和下游驱替截止阀3-3，使得多个活塞容器3-2之间相互独立，互不影响，当需要某个活塞容器3-2内的液体进行试验时，只需要将活塞容器3-2的入口与出口处对应的上游驱替截止阀3-1和下游驱替截止阀3-3打开即可。
此外，低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置还包括有用于存储液体的容器2-1，且动力泵2-3的入口通过第一截止阀2-2与容器2-1的出口相连。
接着，低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置还包括抽真空系统，抽真空系统包括：真空泵1-4、过滤瓶1-2、第一真空截止阀1-5、第二真空截止阀1-6和第三真空截止阀1-7；过滤瓶1-2上设置有进气口和出气口，真空泵1-4的进口与过滤瓶1-2的出气口相连，过滤瓶1-2的进气口通过设置有第一真空截止阀1-5的管路与容器2-1的入口相连，过滤瓶1-2的进气口通过设置有第二真空截止阀1-6的管路连接在下游驱替截止阀3-3和下游换向阀2-5之间的管路上，过滤瓶1-2上的进气口通过设置有第三真空截止阀1-7的管路连接在下游截止阀6-8与回压上游截止阀5-6连接的管路上，真空泵1-4与过滤瓶1-2的连接管路上还设置有真空计1-3，且过滤瓶1-2的底部设置有排气口，且从排气口上引出有排气管路，排气管路上还设置有排气截止阀1-1。
利用真空泵1-4对管路进行抽真空，保证管路中的流体与样品的在真空状态下接触，减少了气体可压缩性对实验的影响。
进一步地，如图2所示，夹持室4内设置有用于放置样品的夹持器41，夹持器41的两端设置有限制样品移动的上压头4-2和下压头4-3，上压头4-2和下压头4-3安装在夹持室4的两端，夹持室4上设置有围压入口4-4和围压出口4-5，夹持室4的入口和夹持室4的出口分别设置在上压头4-2和下压头4-3上。其中夹持器41包覆在样品的表面，且夹持器41上设有两个开口，两个开口分别设置有上压头4-2和下压头4-3，当夹持室4内对样品施加围压，即夹持室4通过夹持器41对样品施加压力，样品不与施加围压的液体接触。
样品夹持系统还包括：围压截止阀4-7和放空截止阀4-1；围压泵4-8的出口与围压入口4-4相连，且围压泵4-8的出口和围压出口4-5连接的管路上设置有围压截止阀4-7，围压入口4-4还连接有围压传感器4-6，围压出口4-5与放空截止阀4-1相连。
本发明将稳态渗透率和瞬态渗透率计算所需要的参数，通过传感器测量系统中对应的传感器进行采集，同时本发明还在样品夹持系统的两端分别设置：上游压力传感器6-6和下游压力传感器6-7；并在上游压力传感器6-6和下游压力传感器6-7之间设置平衡阀6-10，同时在样品夹持系统的两端设置有差压传感器6-4，并在样品夹持系统的出口设置流量计6-9，在稳态渗透率测试和瞬态渗透率测试时，只需读取相应的传感器所检测到的参数就能计算出对应岩石的稳态渗透率和瞬态渗透率；能够在同一台实验装置下对不两种渗透率测试方法，能够在同等的设备泄露、环境波动等误差因素下进行方法的对比。
此外本发明一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置还包括数据采集系统包括供电系统，数模转换系统及计算机等三部分。供电系统与电源连接后对数模转换系统供电，真空计1-3、围压传感器4-6、差压传感器6-4、上游压力传感器6-6、下游压力传感器6-7、流量计6-9与数模转换系统连接，电信号经由数模转换系统转换成数字信号后与计算机连接进行人机交互。
本发明还提供了一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试方法，其中方法基于上述的低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置对岩石进行驱替测试、稳态渗透率的测试和瞬态渗透率测试。
当对岩石进行驱替测试时的步骤如下：
S1：封装岩样：
首先，干燥岩样；
然后，将岩样置于真空饱和装置中，对真空饱和装置抽真空处理后，向真空饱和装置中加入饱和的溶液，并在一定的压力下对岩样进行饱和；
最后，将岩样安装在夹持器41内；
在优选的实施例中，岩样直径为25mm，长度为50mm，首先在60摄氏度条件下干燥24h，随后置于真空饱和装置中抽真空8h并使用13MPa的压力压饱和4h，饱和溶剂为卤水。
S2：抽真空：
关闭：排气截止阀1-1、上游真空截止阀1-8、下游真空截止阀1-9、回压上游截止阀5-6和下游驱替截止阀3-3；
打开：第一真空截止阀1-5、第二真空截止阀1-6、第三真空截止阀1-7、上游截止阀6-1、脉冲截止阀6-2、差压上游截止阀6-3、差压下游截止阀6-5和下游截止阀6-8；以及调节下游换向阀2-5至第一档位使得第一下游入口2-51与下游出口2-53相通；
随后，开启真空泵1-4进行抽真空处理。
S3：施加围压：
打开围压截止阀4-7和放空截止阀4-1；
使用围压泵4-8对样品夹持系统施加围压，等待放空截止阀4-1有流体流出后关闭放空截止阀4-1；
继续使用围压泵4-8对样品夹持系统施加围压至设定条件，在优选的实施例中，围压施加至13MPa。
S4：设置回压：
打开回压下游截止阀5-4，启动回压泵5-5，通过缓冲容器5-3对回压阀5-1的回压口施加回压。
S5：驱替实验：
关闭：第一真空截止阀1-5、第二真空截止阀1-6、第三真空截止阀1-7、差压上游截止阀6-3、差压下游截止阀6-5和平衡阀6-10；
打开：上游截止阀6-1、脉冲截止阀6-2、上游真空截止阀1-8、下游真空截止阀1-9、下游截止阀6-8、回压上游截止阀5-6和回压截止阀5-7；以及调节上游换向阀2-4至第一档位，使得上游入口2-41与第一上游出口2-42相通；
打开一个活塞容器3-2上的入口和出口处对应的上游驱替截止阀3-1和下游驱替截止阀3-3；
打开动力泵2-3进行压力驱替，在优选的实施例中，驱替所使用的流体为卤水，驱替上限压力为10MPa，驱替上限流量为1ml/min。
S6：数据采集：
采集上游压力传感器6-6、下游压力传感器6-7、围压传感器4-6、回压传感器5-2和流量计6-9所得到数据，并对采集到的数据进行分析。
优选地，数模转换系统采集上游压力传感器6-6、下游压力传感器6-7、围压传感器4-6、回压传感器5-2及流量计6-9的数据进行分析。
S7：泄压：
首先，降低动力泵2-3的压力至零；
然后，降低回压泵5-5的压力至零；
最后，降低围压泵4-8的压力至零。
当对岩石进行稳态渗透率的测试时的步骤如下：
P1：封装岩样：
首先，干燥岩样；
然后，将岩样置于真空饱和装置中，对真空饱和装置抽真空处理后，向真空饱和装置中加入饱和的溶液，并在一定的压力下对岩样进行饱和；
在优选的实施例中，岩样直径为25mm，长度为50mm，首先在60摄氏度条件下干燥24h，随后置于真空饱和装置中抽真空8h并使用13MPa的压力压饱和4h，饱和溶剂为蒸馏水。
最后，将岩样安装在夹持器41内。
P2：抽真空：
关闭：排气截止阀1-1、上游真空截止阀1-8、下游真空截止阀1-9、回压上游截止阀5-6、所有下游驱替截止阀3-3、差压上游截止阀6-3和差压下游截止阀6-5；
打开：第一真空截止阀1-5、第二真空截止阀1-6、第三真空截止阀1-7、上游截止阀6-1、脉冲截止阀6-2和下游截止阀6-8；
以及调节下游换向阀2-5至第一档位使得第一下游入口2-51与下游出口2-53相通；
随后，开启真空泵1-4进行抽真空处理。
P3：施加围压：
打开围压截止阀4-7和放空截止阀4-1；
使用围压泵4-8对样品夹持系统施加围压，等待放空截止阀4-1有流体流出后关闭放空截止阀4-1；
继续使用围压泵4-8对样品夹持系统施加围压至设定条件。
P4：稳态实验：
关闭：第一真空截止阀1-5、第二真空截止阀1-6、第三真空截止阀1-7、差压下游截止阀6-5、差压上游截止阀6-3、平衡阀6-10；
调节上游换向阀2-4至第二档位，使得上游入口2-41与第二上游出口2-43相通；调节下游换向阀2-5至第二档位，使得第二下游入口2-52与下游出口2-53相通；
关闭：回压截止阀5-7；
打开：上游截止阀6-1、脉冲截止阀6-2、上游真空截止阀1-8、下游真空截止阀1-9、下游截止阀6-8和回压上游截止阀5-6；
打开动力泵2-3进行稳态渗透率测试实验，在优选的实施例中，测试使用的流体为蒸馏水，恒压恒速泵2-3设置测试压力为2.8MPa。
P5：数据采集：
采集上游压力传感器6-6、下游压力传感器6-7、围压传感器4-6和流量计6-9所得到数据，并对采集到的数据进行稳态渗透率计算；
其中，稳态渗透率的计算公式为：
Figure GDA0003672558140000171
其中，Q为流量计6-9所测得的流量，k1为稳态渗透率，g为重力加速度，ρ1为稳态渗透率测试实验所使用的液体的密度，ΔP1为上游压力传感器6-6所检测到的压力与下游压力传感器6-7所检测到的压力两者之间的压力差。
优选地，数模转换系统采集上游压力传感器6-6、下游压力传感器6-7、围压传感器4-6及流量计6-9的数据进行分析。
P6：泄压：
首先，降低动力泵2-3的压力至零；
然后，降低围压泵4-8的压力至零。
当对岩石进行瞬态渗透率的测试时的步骤如下：
B1：封装岩样：
首先，干燥岩样；
然后，将岩样置于真空饱和装置中，对真空饱和装置抽真空处理后，向真空饱和装置中加入饱和的溶液，并在一定的压力下对岩样进行饱和；
在优选的实施例中，岩样直径为25mm，长度为50mm，首先在60摄氏度条件下干燥24h，随后置于真空饱和装置中抽真空8h并使用13MPa的压力压饱和4h，饱和溶剂为蒸馏水。
最后，将岩样安装在夹持器41内；
B2：抽真空：
关闭：排气截止阀1-1、上游真空截止阀1-8、下游真空截止阀1-9、回压上游截止阀5-6、所有下游驱替截止阀3-3；
打开：第一真空截止阀1-5、第二真空截止阀1-6、第三真空截止阀1-7、上游截止阀6-1、脉冲截止阀6-2、差压上游截止阀6-3、差压下游截止阀6-5和下游截止阀6-8；
以及调节下游换向阀2-5至第一档位使得第一下游入口2-51与下游出口2-53相通；
随后，开启真空泵1-4进行抽真空处理。
B3：施加围压：
打开围压截止阀4-7和放空截止阀4-1；
使用围压泵4-8对样品夹持系统施加围压，等待放空截止阀4-1有流体流出后关闭放空截止阀4-1；
继续使用围压泵4-8对样品夹持系统施加围压至设定条件。
B4：瞬态试验：
关闭：第一真空截止阀1-5、第二真空截止阀1-6和第三真空截止阀1-7；
打开：差压上游截止阀6-3、差压下游截止阀6-5和平衡阀6-10；
调节上游换向阀2-4至第二档位，使得上游入口2-41与第二上游出口2-43相通；调节下游换向阀2-5至第二档位，使得第二下游入口2-52与下游出口2-53相通；
关闭：回压上游截止阀5-6；
打开：上游截止阀6-1、脉冲截止阀6-2、上游真空截止阀1-8、下游真空截止阀1-9和下游截止阀6-8；
打开动力泵2-3对岩样进行加压，使得上游压力传感器6-6与下游压力传感器6-7测得的压力均为第一预设值后，动力泵2-3保持原压力平衡一段时间后，关闭平衡阀6-10和脉冲截止阀6-2，在优选的方案中，第一预设值为2.8MPa。
动力泵2-3继续加压使得上游压力传感器6-6测得的压力为第二预设值后，关闭上游截止阀6-1，打开脉冲截止阀6-2，进行测试，在优选的方案中，第二预设值为3.3MPa。
B5：数据采集：
采集上游压力传感器6-6、下游压力传感器6-7、围压传感器4-6以及差压传感器6-4所得到数据，并对采集到的数据进行瞬态法渗透率和渗透系数计算；
其中，瞬态渗透率和渗透系数的计算公式为：
Figure GDA0003672558140000201
Figure GDA0003672558140000202
Figure GDA0003672558140000203
式中，Pu为夹持室4入口的压力；Pe为夹持室4的入口和夹持室4的出口压力平衡后的压力；ΔP2为脉冲压力，即差压传感器6-4所采集到的压力值；V1为夹持室4的入口与上游截止阀6-1相连的管路的体积；V2为夹持室4的出口与回压上游截止阀5-6相连的管路的体积；t为为脉冲压力的衰减时间，具体是指当动力泵2-3继续加压使得上游压力传感器6-6测得的压力为第二预设值后，关闭上游截止阀6-1，打开脉冲截止阀6-2时，上游压力传感器6-6与下游压力传感器6-7测得的压力相等所花费的时间的10％～50％，时间范围在20s～1.5h，不需要捕捉全部过程，捕捉一部分即可，捕捉是的是线性变化的趋势；θ为夹持室4的入口处压力随时间的变化曲线的斜率；K为渗透系数；A为岩样的截面积；μf为流体黏滞系数；Cf为流体压缩系数；L为岩样长度；k2为瞬态渗透率；ρ2为瞬态渗透率测试实验所使用的液体的密度。
优选地，数模转换系统采集上游压力传感器6-6、下游压力传感器6-7、围压传感器4-6、差压传感器6-4的数据进行分析。
B6：泄压：
首先，降低动力泵2-3的压力至零；
然后，降低围压泵4-8的压力至零。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置，其特征在于，所述装置包括：动力泵、多个活塞容器、样品夹持系统、传感测量系统和恒温箱；
所述样品夹持系统包括：用于夹持样品的夹持室和给所述夹持室的样品施加围压的围压泵；
所述传感测量系统包括：上游压力传感器、下游压力传感器、差压传感器以及流量计；
所述动力泵的出口通过依次设置在管路上的所述活塞容器、上游截止阀、脉冲截止阀、所述上游压力传感器、上游真空截止阀与所述夹持室的入口相连，所述夹持室的出口通过依次设置在管路上的下游真空截止阀、所述下游压力传感器、下游截止阀、回压上游截止阀与所述流量计相连；
所述流量计与所述回压上游截止阀之间的管路上设置有回压阀，从所述回压阀的回压口引出的管路上依次设置有回压截止阀、缓冲容器和回压泵；
所述上游真空截止阀的入口和所述下游真空截止阀的出口还通过设置有平衡阀的管路连接，所述脉冲截止阀的入口和所述下游截止阀的入口还通过依次设置有差压上游截止阀、差压传感器和差压下游截止阀的管路连接；
所述恒温箱中内置有所述样品夹持系统、上游真空截止阀、下游真空截止阀、脉冲截止阀、差压上游截止阀、差压传感器、差压下游截止阀、上游压力传感器、下游压力传感器、下游截止阀及平衡阀；
所述动力泵的出口和所述活塞容器的入口之间的管路上还设置有上游换向阀，所述活塞容器的出口与所述上游截止阀之间的管路上还设置有下游换向阀；
所述上游换向阀设置有与所述动力泵的出口相连的上游入口、与所述活塞容器的入口相连的第一上游出口、以及与所述下游换向阀相连的第二上游出口；
所述下游换向阀设置有与所述活塞容器的出口相连的第一下游入口、与所述上游截止阀相连的下游出口、以及与所述第二上游出口相连的第二下游入口。
2.如权利要求1所述的低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置，其特征在于，多个所述活塞容器为并联关系，且每个所述活塞容器的入口与所述上游换向阀之间的管路上均分别设置有上游驱替截止阀且每个所述活塞容器的出口与所述下游换向阀之间的管路上均分别设置有下游驱替截止阀。
3.如权利要求2所述的低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置，其特征在于，所述装置还包括有用于存储液体的容器，且所述动力泵的入口通过第一截止阀与所述容器的出口相连。
4.如权利要求3所述的低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置，其特征在于，所述装置还包括抽真空系统，所述抽真空系统包括：真空泵、过滤瓶、第一真空截止阀、第二真空截止阀和第三真空截止阀；所述过滤瓶上设置有进气口和出气口，所述真空泵的进口与所述过滤瓶的出气口相连，所述过滤瓶的进气口通过设置有所述第一真空截止阀的管路与所述容器的入口相连，所述过滤瓶的进气口通过设置有所述第二真空截止阀的管路连接在所述下游驱替截止阀和所述下游换向阀之间的管路上，所述过滤瓶上的进气口通过设置有所述第三真空截止阀的管路连接在所述下游截止阀与所述回压上游截止阀连接的管路上。
5.如权利要求4所述的低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置，其特征在于，所述夹持室内设置有用于放置样品的夹持器，所述夹持器的两端设置有限制样品移动的上压头和下压头，所述上压头和所述下压头安装在所述夹持室的两端，所述夹持室上设置有围压入口和围压出口，所述夹持室的入口和所述夹持室的出口分别设置在所述上压头和所述下压头上。
6.如权利要求5所述的低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置，其特征在于，所述样品夹持系统还包括：围压截止阀和放空截止阀；
所述围压泵的出口与所述围压入口相连，且所述围压泵的出口和围压出口连接的管路上设置有所述围压截止阀，所述围压入口还连接有围压传感器，所述围压出口与所述放空截止阀相连。
7.如权利要求6所述的低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置，其特征在于，所述回压截止阀和所述缓冲容器之间的管路上还设置有回压传感器。
8.一种低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试方法，其特征在于，所述方法基于如权利要求7所述的低渗岩石的驱替、稳态及瞬态渗透率测试装置对岩石进行驱替测试、稳态渗透率的测试和瞬态渗透率测试；
对岩石进行驱替测试、稳态渗透率的测试和瞬态渗透率测试时的步骤如下：
S1：封装岩样：
首先，干燥岩样；
然后，将岩样置于真空饱和装置中，对真空饱和装置抽真空处理后，向真空饱和装置中加入饱和的溶液，并在一定的压力下对岩样进行饱和；
最后，将岩样安装在夹持器内；
S2：抽真空：
关闭：所述上游真空截止阀、所述下游真空截止阀、所述回压上游截止阀和所述下游驱替截止阀；
打开：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀、所述第三真空截止阀、所述上游截止阀、所述脉冲截止阀、所述差压上游截止阀、所述差压下游截止阀和所述下游截止阀；以及调节下游换向阀至第一档位使得所述第一下游入口与所述下游出口相通；
随后，开启所述真空泵进行抽真空处理；
S3：施加围压：
打开所述围压截止阀和所述放空截止阀；
使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压，等待所述放空截止阀有流体流出后关闭所述放空截止阀；
继续使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压至设定条件；
S4：设置回压：
启动回压泵，通过所述缓冲容器对所述回压阀的回压口施加回压；
S5：驱替实验：
关闭：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀、所述第三真空截止阀、所述差压上游截止阀、所述差压下游截止阀和所述平衡阀；
打开：上游截止阀、脉冲截止阀、上游真空截止阀、下游真空截止阀、下游截止阀、回压上游截止阀和回压截止阀；以及调节上游换向阀至第一档位，使得所述上游入口与所述第一上游出口相通；
打开一个所述活塞容器上的入口和出口处对应的上游驱替截止阀和下游驱替截止阀；
打开动力泵进行压力驱替；
S6：数据采集：
采集所述上游压力传感器、所述下游压力传感器、所述围压传感器、所述回压传感器和所述流量计所得到数据，并对采集到的数据进行分析；
S7：泄压：
首先，降低所述动力泵的压力至零；
然后，降低所述回压泵的压力至零；
最后，降低所述围压泵的压力至零；
当对岩石进行所述稳态渗透率的测试时的步骤如下：
P1：封装岩样：
首先，干燥岩样；
然后，将岩样置于真空饱和装置中，对真空饱和装置抽真空处理后，向真空饱和装置中加入饱和的溶液，并在一定的压力下对岩样进行饱和；
最后，将岩样安装在夹持器内；
P2：抽真空：
关闭：所述上游真空截止阀、所述下游真空截止阀、所述回压上游截止阀、所有所述下游驱替截止阀、所述差压上游截止阀和所述差压下游截止阀；
打开：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀、所述第三真空截止阀、所述上游截止阀、所述脉冲截止阀和所述下游截止阀；
以及调节下游换向阀至第一档位使得所述第一下游入口与所述下游出口相通；
随后，开启所述真空泵进行抽真空处理；
P3：施加围压：
打开所述围压截止阀和所述放空截止阀；
使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压，等待所述放空截止阀有流体流出后关闭所述放空截止阀；
继续使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压至设定条件；
P4：稳态实验：
关闭：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀、所述第三真空截止阀、所述差压下游截止阀、所述差压上游截止阀、所述平衡阀；
调节所述上游换向阀至第二档位，使得所述上游入口与所述第二上游出口相通；调节所述下游换向阀至第二档位，使得所述第二下游入口与所述下游出口相通；
关闭：所述回压截止阀；
打开：所述上游截止阀、所述脉冲截止阀、所述上游真空截止阀、所述下游真空截止阀、所述下游截止阀和所述回压上游截止阀；
打开所述动力泵进行稳态渗透率测试实验；
P5：数据采集：
采集所述上游压力传感器、所述下游压力传感器、所述围压传感器和所述流量计所得到数据，并对采集到的数据进行稳态法渗透率计算；
其中，稳态渗透率的计算公式为：
Figure FDA0003688057580000061
其中，Q为所述流量计所测得的流量，k1为稳态渗透率，g为重力加速度，ρ1为稳态渗透率测试实验所使用的液体的密度，ΔP1为所述上游压力传感器所检测到的压力与所述下游压力传感器所检测到的压力两者之间的压力差；
P6：泄压：
首先，降低所述动力泵的压力至零；
然后，降低所述围压泵的压力至零；
当对岩石进行所述瞬态渗透率的测试时的步骤如下：
B1：封装岩样：
首先，干燥岩样；
然后，将岩样置于真空饱和装置中，对真空饱和装置抽真空处理后，向真空饱和装置中加入饱和的溶液，并在一定的压力下对岩样进行饱和；
最后，将岩样安装在夹持器内；
B2：抽真空：
关闭：所述上游真空截止阀、所述下游真空截止阀、所述回压上游截止阀、所有所述下游驱替截止阀
打开：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀、所述第三真空截止阀、所述上游截止阀、所述脉冲截止阀、所述差压上游截止阀、所述差压下游截止阀和所述下游截止阀；
以及调节下游换向阀至第一档位使得所述第一下游入口与所述下游出口相通；
随后，开启所述真空泵进行抽真空处理；
B3：施加围压：
打开所述围压截止阀和所述放空截止阀；
使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压，等待所述放空截止阀有流体流出后关闭所述放空截止阀；
继续使用所述围压泵对所述样品夹持系统施加围压至设定条件；
B4：瞬态试验：
关闭：所述第一真空截止阀、所述第二真空截止阀和所述第三真空截止阀；
打开：所述差压上游截止阀、所述差压下游截止阀和所述平衡阀；
调节所述上游换向阀至第二档位，使得所述上游入口与所述第二上游出口相通；调节所述下游换向阀至第二档位，使得所述第二下游入口与所述下游出口相通；
关闭：回压上游截止阀；
打开：所述上游截止阀、所述脉冲截止阀、所述上游真空截止阀、所述下游真空截止阀和所述下游截止阀；
打开所述动力泵对岩样进行加压，使得所述上游压力传感器与所述下游压力传感器测得的压力均为第一预设值后，所述动力泵保持原压力平衡一段时间后，关闭所述平衡阀和所述脉冲截止阀；
所述动力泵继续加压至第二预设值后，关闭上游截止阀，打开脉冲截止阀，进行测试；
B5：数据采集：
采集所述上游压力传感器、所述下游压力传感器、所述围压传感器以及所述差压传感器所得到数据，并对采集到的数据进行瞬态法渗透率和渗透系数计算；
其中，瞬态渗透率和渗透系数的计算公式为：
Figure FDA0003688057580000081
Figure FDA0003688057580000082
Figure FDA0003688057580000083
式中，Pu为夹持室入口的压力；Pe为夹持室的入口和夹持室的出口压力平衡后的压力；ΔP2为脉冲压力，即差压传感器所采集到的压力值；V1为夹持室的入口与上游截止阀相连的管路的体积；V2为夹持室的出口与回压上游截止阀相连的管路的体积；t为脉冲压力的衰减时间，具体是指当动力泵继续加压使得上游压力传感器测得的压力为第二预设值后，关闭上游截止阀，打开脉冲截止阀时，上游压力传感器与下游压力传感器测得的压力相等所花费的时间的10％～50％；θ为夹持室的入口处压力随时间的变化曲线的斜率；K为渗透系数；A为岩样的截面积；μf为流体黏滞系数；Cf为流体压缩系数；L为岩样长度；k2为瞬态渗透率；ρ2为瞬态渗透率测试实验所使用的液体的密度；
B6：泄压：
首先，降低所述动力泵的压力至零；
然后，降低所述围压泵的压力至零。
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