CN203929584U - 一种瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置 - Google Patents

Abstract

一种瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，属于岩石工程和非常规油气藏工程领域。本实用新型瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的测试装置包括：三轴压力室、偏压控制系统、围压控制系统、上端渗透系统、下端渗透系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统。本实用新型提供符合工程实际的偏压、背压和恒温测试环境，温度的波动误差控制在±0.1℃以内，气体体积误差可控制在0.3％以内，注入压力的误差可控制在0.5％以内。可以同时实现定压和定容两种方式下的瞬态渗透率测定；采用定容方式测定渗透率时，可根据孔隙体积大小，调节参考容器的体积。

Description

一种瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置

技术领域

本实用新型属于岩石工程和非常规油气藏工程领域，特别涉及一种瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置。

背景技术

随着常规油气藏资源储量的日益衰减，非常规油气藏资源作为一种重要的战略性补充能源，其勘探和开发制约着中国未来经济的快速发展。我国非常规油气藏资源主要包括页岩气、致密砂岩气、煤层气和深部致密油气藏，其中页岩气储量超过常规天然气，致密砂岩气、煤层气储量均与页岩气储量相当。十二五规划中明确要求2015年页岩气产量达到65亿立方米，然而由于中国含气页岩的基础理论研究仍十分匮乏，目前，除了四川盆地处于页岩气开发初期，其他区块并未实现大规模的商业开采。致密砂岩气和煤层气虽然已进入开发阶段，但其产气量低、衰减快，远未能达到与常规天然气相当的商业开发产量。造成目前非常规天然气开发瓶颈的重要原因之一在于缺乏适用于非常规天然气储层岩石试验研究的测试装置和方法，从而导致非常规天然气开发方案设计和开采技术出现偏差。

非常规天然气储层岩石渗透率是其评价、选区、勘探和开发方案设计所需要的重要参数之一。非常规天然气储层与常规天然气储层相比具有独有的特点：非常规天然气储层岩石较为致密，孔隙度、渗透率都比常规储层岩石低。含气页岩孔隙度小于6％，渗透率范围为10μD-0.1nD。致密砂岩气储层岩石孔隙度小于10％，渗透率多小于0.1mD。非常规天然气储层致密岩石渗透率的准确测量成为制约非常规天然气勘探开发的关键问题之一。

在非常规天然气开采过程中，气体通过孔隙和裂隙通道运移至井筒，气体压力沿储层到井筒逐渐降低，其渗透的最大压差为储层压力与井筒压力的差值。由于非常规天然气储层高埋深的特点，非常规天然气井存在一段气柱，使得气体出口处的井底压力大于大气压。因此，致密岩石渗透率测定需在一定背压条件下进行，现有的致密岩石稳态法渗透率测定中，由于并未考虑到现场实际情况和以及现有设备的限制，气体低压端均直接连通大气，其低压端压力即为大气压。根据实际生产情况，非常规天然气储层致密岩石渗透率测定的合理气体压力高压端应采用致密岩石储层压力，低压端则应采用气井井底压力，可见低压端采用大气压的测量方式偏离了工程实际，使得所测得的致密岩石渗透率出现偏差。

在实际的非常规天然气开采过程中，随着排采降压的不断进行，孔隙流体压力的变化引起储层岩石有效应力的改变，导致岩石骨架发生改变，即引起应力场和变形场的变化；另一方面页岩气藏骨架的变形场、应力场的变化又将导致页岩孔隙度、渗透率等渗流物性参数的变化，进一步影响孔隙、裂隙流体在岩石内的运移。非常规天然气储层岩石的渗透性能是上述应力场、变形场、渗流场之间的动态耦合作用的结果。中国非常规天然气储层埋深大，多位于地下500-3500m，且经历了复杂的地质改造作用，使得储层岩石处于复杂的应力状态中。综上，非常规天然气储层岩石渗透率的准确测量必须要提供符合工程实际的偏应力环境，而目前的非常规天然气储层岩石渗透率测试方法中所提供的应力环境多为静水压力环境。

高埋深使得非常规天然气储层处于一定的温度环境中，埋深越大，其储层温度越高。高温环境使得储层岩石骨架膨胀，骨架之间的孔隙和微裂隙被压缩，渗透率降低；同时又会使得储层中的气体分子活跃。稳态法测试非常规天然气储层岩石渗透率时，试样出口端流量非常小，必须具有高精度的恒温环境才可以保证流量测定的准确度。综上，非常规天然气储层岩石渗透率的准确测量必须要为试样和测试气体同时提供符合工程实际的恒温环境。

目前致密岩石渗透率的测试系统未实现注入气体的加温，只实现了对试样进行加温。在测试中，温度的波动会导致注气压力不稳定，使得瞬态法压力测试和稳态法流量测试出现误差，进而影响致密岩石渗透率测定的准确性。致密岩石的出口端流量非常微小，利用稳态法测试致密岩石渗透率时，需测得能够实时准确的测量出口气体流量，现有的渗透率测定常采用排水法人工记录读数，该方法将气体收集装置暴露在空气中，导致温度波动对气体收集产生影响；且人工记录误差较大，无法实现准确的实时动态流量测定。

现有的测试系统对试样的加热或通过将整个三轴腔室置入恒温水浴加温，或通过加温三轴腔室的液压油对试样加温，这两种方法均要经过很长时间的热传导才可以使试样达到恒定的温度，而如何确保和判断试样达到指定温度这个问题并未得到解决。另外，对于渗透测试所用气体加温后，必须等待气体达到热平衡后才可以开始测试，而如何判断其达到热平衡状态，目前更未有过相关报道。

目前测试岩石渗透率主要有瞬态法和稳态法两种方法。瞬态法依靠测试压力变化计算岩石渗透率，在测试过程中，测试气体优先沿优势裂隙通道通过，气体压力的降低多损耗在裂隙通道中，并非气体通过整个试样截面的能力。稳态法依靠测试试样出口端流量变化计算渗透率，稳态法要求达到流量稳定，耗时较长，但测量过程中气体通过整个试样的截面。非常规天然气勘探开发需提供更为可靠和丰富的测试参数，采用瞬态法和稳态法同时对试样渗透率进行测定，可以得到更为准确的储层渗透率范围，使得勘探开发方案的制定更为可靠。

对于含气页岩、煤等非常规天然气储层岩石，地下取芯易破碎，成样率很低，试验岩心非常宝贵，对同一块试样进行两种不同渗透率方法的测定不仅可以节约试样，而且在现有勘探岩心有限的条件下提供最为丰富和可靠的测试数据，也使得两种渗透率测定结果的可对比性更强。目前，致密岩石渗透率的瞬态法和稳态法测定分别采用不同设备展开，若需要同时测定同一试样两种方法下的渗透率，则需要将已施加于试样的应力卸载，然后再用另一渗透率测定方法的测试设备开展。这种测试方法不能在同一测试过程中测定两种方法下的渗透率，首次渗透率测定卸载围压后会引起试样原有的孔隙结构发生改变，致使测试结果的可对比性差。且现有的致密岩石渗透率瞬态法系统或采用两端定容方式、或采用两端定压方式，而不同类型、不同测试气体适用的致密岩石适用的瞬态法类别不同，当测试气体采用吸附性气体时，需采用一端定压一端定容的瞬态测试方法；当测试岩石孔隙度较大时，定容测试方法所需的参考容器体积也越大，完善的致密岩石瞬态法渗透率测试系统须同时具备定容和定压方式，并且同时具备参考体积可调的功能，以便于根据不同岩石调整适合的瞬态渗透率测试方法。

实现瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置和使用方法的技术难点在于：

1.致密岩石孔隙结构对其渗透性能影响很大，且致密岩石稳、瞬态渗透率测试方法、原理和测试的物理量不同，如何在不改变致密岩石孔隙结构的条件下准确测得致密岩石两种方法下的渗透率。

2.如何提供可变参考体积、可变定压和定容方式的测试系统。

3.稳态法测试致密岩石渗透率时，试样上端出口流量非常微小，如何实时获得准确的气体流量。

4.如何为稳态法下致密岩石渗透率的测定提供背压条件，且在背压条件下如何实时准确获得试样出口流量。

发明内容

针对上述问题，本实用新型目的在于提供一种可以实现瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置。

瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，包括三轴压力室、偏压控制系统、围压控制系统、上端渗透系统、下端渗透系统、压差传感器、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统；

三轴压力室包括轴压室、围压室和试样加温装置；试样加温装置设置在围压室内；

偏压控制系统与三轴压力室的轴压室相连通；

围压控制系统与恒温三轴压力室的围压室相连通；

上端渗透系统，包括高压注入泵和至少1个储气容器，高压注入泵与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样上部相连通；

下端渗透系统，包括高压注入泵和至少1个储气容器，高压注入泵与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样下部相连通；

压差传感器，分别与上端渗透系统和下端渗透系统相连通，压差传感器靠近三轴压力室设置；

抽真空系统，分别与上端渗透系统及下端渗透系统相连通；

恒温系统，包括低温槽，所述的恒温系统分别与上端渗透系统的高压注入泵及下端渗透系统的高压注入泵相连接，上端渗透系统的储气容器和下端渗透系统的储气容器放置在低温槽内；

数据控制采集系统，与三轴压力室的数据控制端、偏压控制系统的数据控制端、围压控制系统的数据控制端、上端渗透系统的数据控制端、下端渗透系统的数据控制端和压差传感器的数据控制端相连接。

其中：

上端渗透系统包括高压气瓶、减压阀、高压注入泵、储气容器、压力传感器和截止阀；高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高压注入泵的进气端相连通，高压注气泵的出气端与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端与三轴压力室的试样上部通过围压室底部穿孔相连通，在高压气瓶和减压阀之间、减压阀和高压注入泵之间、高压注入泵和储气容器之间、储气容器和三轴压力室试样上部之间均设置有截止阀，储气容器和三轴压力室试样之间的截止阀靠近三轴压力室设置，靠近三轴压力室的截止阀和三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。

下端渗透系统包括高压气瓶、减压阀、高压注入泵、储气容器、压力传感器和截止阀，高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高压注入泵的进气端相连通，高压注气泵的出气端与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端与三轴压力室的试样下部通过围压室底部穿孔相连通，在高压气瓶和减压阀之间、减压阀和高压注入泵之间、高压注入泵和储气容器之间、储气容器和三轴压力室试样下部之间均设置有截止阀，储气容器和三轴压力室试样之间的截止阀靠近三轴压力室设置，靠近三轴压力室的截止阀和三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。

三轴压力室的试样加温装置，包括试样表面的温度传感器、测油温传感器和加热线圈；试样表面温度传感器紧贴试样放置，测油温传感器竖直放置于恒温三轴压力室的围压室内，加热线圈紧贴恒温三轴压力室围压室的侧壁放置。

偏压控制系统、围压控制系统、上端渗透系统、下端渗透系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统的管路均采用不锈钢耐压管线。上端渗透系统、下端渗透系统、抽真空系统、恒温系统的不锈钢耐压管线外部均包裹保温夹套。

上端渗透系统或下端渗透系统的储气容器为1个或2个。

偏压控制系统和围压控制系统中均设置有压力传感器，压力传感器数据输出端与数据控制采集系统相连。

本实用新型的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，具有如下优点：

1.可以提供测定非常规天然气储层岩石渗透性能所需的深部高地应力和高温环境，本实用新型轴向压力可达300MPa，围压可达100MPa，注入气体压力可达70MPa，最高温度可达到100℃。

2.对注入致密岩石的气体加温，消除温度对测试结果的影响。恒温后，温度的波动误差控制在±0.1℃以内，气体体积误差可控制在0.3％以内，注入压力的误差可控制在0.5％以内。获取的测试结果更为准确。

3.为非常规天然气储层致密岩石的渗透率测定提供符合工程实际的背压测试环境。

4.可以同时实现定压和定容两种方式下的瞬态渗透率测定；采用定容方式测定渗透率时，可以根据岩石孔隙体积大小，调节参考容器的体积。

5.采用稳态和瞬态两种方法对同一岩心实现同一测试过程中的渗透率测定，两种测试方法测定的渗透率可对比性更强，为勘探和开发方案的制定提供更为丰富的测试数据。

6.本实用新型将瞬态测试过程作为稳态测试过程的一部分，节省了测试时间，提高了测试效率。

总之，利用瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，可以实现在同一测试过程中，将瞬态法测定渗透率作为稳态法测定渗透率的一部分，同时测得致密岩石瞬态和稳态方法下的渗透率，使得两种方法下所测定的渗透率可对比性更强，同时节省了测试时间，提高了测试效率。测试过程中确保了试样表面温度达到所需要的温度，同时保证了注入气体的高精度恒温环境，避免了因温度引起的压力和体积波动，提高了渗透率测试结果的准确性；同时为致密岩石渗透率测定提供了更符合工程实际的地应力环境，使得所测得的结果更为准确，为勘探开发方案设计提供了更好的依据。

附图说明

图1为本实用新型瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置的结构示意图；

其中1：轴压泵；2：围压泵；3：第一压力传感器；4：第二压力传感器；5：控油系统；6：第三压力传感器；7：第四压力传感器；8：压差传感器；9：真空泵；10：第一容器；11：第二容器；12：第三容器；13：第四容器；14：低温槽；15：第一高压注入泵；16：第二高压注入泵；17：高压气瓶；T1：第一三通；T2：第二三通；T3：第三三通；T4：第四三通；T5：第五三通；T6：第六三通；T7：第七三通；T8：第八三通；T9：第九三通；T10：第十三通；T11：第十一三通；T12：第十一二通；T13：第十三三通；T14：第十四三通；T15：第十五三通；V1：第一截止阀；V2：第二截止阀；V3：第三截止阀；V4：第四截止阀；V5：第五截止阀；V6：第六截止阀；V7：第七截止阀；V8：第八截止阀；V9：第九截止阀；V10：第十截止阀；V11：第十一截止阀；V12：第十二截止阀；V13：第十三截止阀；V14：第十四截止阀；V15：第十五截止阀；V16：第十六截止阀；V17：第十七截止阀；V18：第十八截止阀；V19：第十九截止阀；V20：第二十截止阀；V21：第二十一截止阀；V22：第二十二截止阀；V23：第二十三截止阀；R1：第一稳压阀；R2：第二稳压阀；R3：第一减压阀。

图2为本实用新型瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置中的三轴压力室的结构示意图；

其中，18：轴压室；19：自平衡活塞；20：球头；21：加热线圈；22：链条式环向位移传感器；23：第二测油温温度传感器；24：围压室；25：上压头；26多孔垫片；27：压弹式轴向位移传感器；28：试样表面第一温度传感器；29：第三测油温温度传感器；30：下部承压台。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实用新型瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，包括三轴压力室、偏压控制系统、围压控制系统、上端渗透系统、下端渗透系统、抽真空系统、压差传感器、恒温系统和数据控制采集系统。

三轴压力室包括轴压室18、围压室24、自平衡活塞19、球头20、上压头25、压弹式轴向位移传感器27、链条式环向位移传感器22、下部承压台30、多孔垫片26和试样加温装置；轴压室18设置在围压室24之上，之间通过自平衡活塞19连接，自平衡活塞19延伸到围压室24内的一端部位连接球头20，上压头25与球头20紧密连接，并位于球头20正下方；围压室24底部设有下部承压台30，用于承载试样，试样的上下两端分别放置多孔垫片26；压弹式轴向轴位传感器27竖直设置在下部承压台30之上，并分立两侧，链条式环向位移传感器22环绕在试样上；试样加温装置设置在三轴压力的围压室24内，用于为试样加温，包括试样表面的第一温度传感器28、第二测油温温度传感器23、第三测油温传感器29、加热线圈21，试样加温系统中，试样表面第一温度传感器28紧贴试样放置，第二测油温温度传感器23和第三测油温温度传感器29竖直放置于下部承压台30之上对立设置，加热线圈21紧贴围压室的侧壁放置；

偏压控制系统包括控油系统5、轴压泵1、第一截止阀V1、第一压力传感器3、第一三通T1、第二截止阀V2、第二三通T2、第一自动稳压阀R1；轴压泵1和第一截止阀V1的一端相连，第一截止阀V1的另一端与第一三通T1的第一出油端相连，第一三通T1的第二出油端与第一稳压阀R1的一端相连，第一稳压阀R1的另一端与三轴压力室中的轴压室18相连，第一三通T1的进油端与第二截止阀V2的一端相连，第二截止阀V2的另一端与第二三通T2的第一出油端相连，第二三通T2的进油端与控油系统5相连，第一截止阀V1与第一三通T1之间设置第一压力传感器3。

围压控制系统包括围压泵2、第三截止阀V3、第二压力传感器4、第三三通T3、第四截止阀V4、第二自动稳压阀R2；围压泵2与第三截止阀V3的一端相连，第三截止阀V3的另一端与第三三通T3的第一出油端相连，第三三通T3的第二出油端与第二稳压阀R2的一端相连，第二稳压阀R2的另一端与三轴压力室中的围压室24相连，第三三通T3的进油端与第四截止阀V4的一端相连，第四截止阀V4的另一端与偏压控制系统中的第二三通T2的第二出油端相连，第三截止阀V3与第三三通T3之间设置第二压力传感器4。

上端渗透系统包括高压气瓶17、第五截止阀V5、第一减压阀R3、第四三通T4、第六截止阀V6、第一高压注入泵15、第七截止阀V7、第五三通T5、第八截止阀V8、第九截止阀V9、第一容器10、第二容器11、第十截止阀V10、第十一截止阀V11、第六三通T6、第七三通T7、第八三通T8、第十三截止阀V13、第三压力传感器6；高压瓶17与第五截止阀V5的一端相连，第五截止阀V5的另一端与第一减压阀R3的一端相连，第一减压阀R3的另一端与第四三通T4的进气端相连，第四三通T4的第一出气端与第六截止阀V6的一端相连，第六截止阀V6的另一端与第一高压注入泵15的进气端相连，第一高压注入泵15的出气端与第七截止阀V7的一端相连，第七截止阀V7的另一端与第五三通T5的进气端相连，第五三通T5的第一出气端与第八截止阀V8的一端相连，第八截止阀V8的另一端与第一容器10的进气端相连，第一容器10的另一端与第十截止阀V10相连，第十截止阀V10的另一端与第六三通T6的进气端相连，第五三通T5的第二出气端与第九截止阀V9的一端相连，第九截止阀V9的另一端与第二容器11的进气端相连，第二容器11的出气端与第十一截止阀V11的一端相连，第十一截止阀V11的另一端与第六三通T6的第一出气端相连，第六三通T6的第二出气端与第七三通T7的进气端相连，第七三通T7的第一出气端与第八三通T8的进气端相连，第八三通T8的第一出气端与第十三截止阀V13的一端相连，第十三截止阀V13的另一端与三轴压力室中的试样上端进气端通过围压室下部承压台30穿孔相连，第十三截止阀V13靠近三轴压力室设置，第十三截止阀V13与试样上端进气端之间设置第三压力传感器6。

下端渗透系统包括第十四截止阀V14、第二高压注入泵16、第十五截止阀V15、第九三通T9、第十六截止阀V16、第十七截止阀V17、第三容器12、第四容器13、第十八截止阀V18、第十九截止阀V19、第十三通T10、第十一三通T11、第十二三通T12、第二十一截止阀V21、第四压力传感器7、压差传感器8；上端渗透系统中的第四三通T4的第二出气端与第十四截止阀V14的一端相连，第十四截止阀V14的另一端与第二高压注入泵16的进气端相连，第二高压注入泵16的出气端与第十五截止阀V15的一端相连，第十五截止阀V15的另一端与第九三通T9的进气端相连，第九三通T9的第一出气端与第十六截止阀V16的一端相连，第十六截止阀V16的另一端与第三容器12的进气端相连，第三容器12的出气端与第十八截止阀V18的一端相连，第十八截止阀V18的另一端与第十三通T10的进气端相连，第九三通T9的第二出气端与第十七截止阀V17的一端相连，第十七截止阀V17的另一端与第四容器13的进气端相连，第四容器13的出气端与第十九截止阀V19的一端相连，第十九截止阀V19的另一端与第十三通T10的第一出气端相连，第十三通T10的第二出气端与第十一三通T11的进气端相连，第十一三通T11的第一出气端与第十二三通T12的进气端相连，第十二三通T12的第一出气端与第二十一截止阀V21的一端相连，第二十一截止阀V21的另一端与三轴压力室中的试样下端进气端通过围压室下部承压台30穿孔相连，第二十一截止阀V21靠近三轴压力室设置，第二十一截止阀V21与试样下端进气端之间设置第四压力传感器7，第十二三通T12的第二出气端与上端渗透系统中的第八三通T8的第二出气端之间设置压差传感器8。

抽真空系统包括第十二截止阀V12、第十三三通T13、第二十截止阀V20、真空泵9；真空泵9与第十三三通T13的进气端相连，第十三三通T13的第一出气端与第十二截止阀V12的一端相连，第十二截止阀V12的另一端与上端渗透系统中的第七三通T7的第二出气端相连，第十三三通T13的第二出气端与第二十截止阀V20的一端，第二十截止阀V20的另一端与上端渗透系统中的第十一三通T11的第二出气端相连。

恒温系统，包括低温槽14、第二十二截止阀V22、第十五三通T15、第二十三截止阀V23、第十四三通T14；第十五三通T15的第一出水端与上端渗透系统中的第一高压注入泵15的外部环形空腔的入水端相连，第十五三通T15的第二出水端与下端渗透系统中的第二高压注入泵16的外部环形空腔的入水端相连，第十五三通T15的进水端与第二十二截止阀V22的一端相连，第二十二截止阀V22的另一端与低温槽的出水口相连，第十四三通T14的第一出水端与上端渗透系统中的第一高压注入泵15的外部环形空腔的出水端相连，第十四三通T14的第二出水端与上端渗透系统中的第二高压注入泵16的外部环形空腔的出水端相连，第十四三通T14的进水端与第二十三截止阀V23的一端相连，第二十三截止阀V23的另一端与低温槽14的入水口相连，上端渗透系统中第一容器10和第二容器11、下端渗透系统中的第三容器12和第四容器13设置在低温槽内。

数据控制采集系统：上端渗透系统中的第一高压注入泵15和下端渗透系统中的第二高压注入泵16通过自身配备的传感器和数据采集盒将压力和位移电信号换成所需数字信号，再通过RS232电缆与计算机之间进行通信。轴压泵1、围压泵2、控油系统5、第一压力传感器3、第二压力传感器4、第三压力传感器6、第四压力传感器7、压差传感器8、加热线圈21、压弹式轴向位移传感器27、链条式环向位移传感器22、试样表面第一温度传感器28和第二测油温温度传感器23、第三测油温温度传感器29通过电缆与数据采集控制系统中的采集盒相连，数据采集盒通过电缆与计算机之间进行通信。

上述各截止阀和三通之间用不锈钢管线连接，为了防止不锈钢耐压管线散热造成注入液体的温度降低，在上端渗透系统、下端渗透系统、抽真空系统和加温系统中的所有不锈钢耐压管线外部包裹保温夹套。上端渗透系统中的第一高压注入泵15和下端渗透系统中的第二高压注入泵16外部也包裹保温夹套。

以上瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，所有的器件均由市场采购。

采用实施例1的测试装置，测试瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的操作过程为：

步骤一、标定参考体积

(1)定性分析，根据测试气体的不同和致密岩石孔隙度的大小，选用方案一：

测试气体为甲烷，含气页岩孔隙度小于5％，采取上端定压下端定容模式，上端渗透系统选用第一容器10，下端渗透系统选用第二容器12；

(2)、试样表面第一温度传感器28紧贴标准钢管固定，试样上、下端均放置多孔垫片26，放置于上压头25及下部承压台30之间；将试样中心对准上压头25及下部承压台30中心，外部套上热塑管进行隔绝密封；关闭测试装置的所有截止阀。

(3)、打开第一截止阀V1、第二截止阀V2，将轴压室18和轴压泵1充满油；充满油后关闭第二截止阀V2，打开第三截止阀V3、第四截止阀V4，将围压室24和围压泵2充满油，充满油后关闭第四截止阀V4。设置围压泵2压力为σ_c1，开始对标准钢样加压，压力稳定后设定第二稳压阀R2的压力值为σ_c1，使围压室保持在指定压力值σ_c1，为试样提供围压σ_c1。设置轴压泵1压力σ_d1，开始对试样加压，压力稳定后设定第一稳压阀R1的压力值为σ_d1，使轴压室保持在指定压力值σ_d1，为标准钢样提供偏压σ_d1；

(4)、打开第五截止阀至第二十一截止阀V5～V21，打开真空泵9，将试样、管线、阀门、多孔垫片及接头内气体抽出，待达到真空度0.05Pa时，关闭第十二截止阀V12、第二十截止阀V20，关闭真空泵9；

(5)、关闭第七截止阀V7、第十五截止阀V15，调节第一减压阀R3至压力P₁，打开高压气瓶17，在压力P₁下将第一高压注入泵15和第二高压注入泵16充满甲烷气体，运行第一高压注入泵15和第一高压注入泵16，使第一高压注入泵15和第二高压注入泵16中气体压力保持恒定值P₁，关闭第六截止阀V6、第十四截止阀V14；

(6)、启动三轴压力室的加热线圈21，对三轴压力室内标准钢样加温，直到试样表面第一温度传感器28、第二测油温温度传感器23、第三测油温温度传感器29均达到恒温温度T₁；打开低温槽14，设置到和三轴压力室相同的温度T₁，放置在低温槽14中的第一容器10、第二容器11、第三容器12和第四容器13达到温度T₁；待温度恒定后，使恒温水循环入第一高压注入泵15和第二高压注入泵16的外部环形空腔，使第一高压注入泵15泵和第二高压注入泵16内气体通过热交换逐渐达到温度T₁，泵内气体的体积不再变化，读取此时的标准钢样加温后的第一高压注入泵15泵内气体体积V_15-steel-a和标准钢样加温后的第二高压注入泵16内气体体积V_16-steel-a；

(7)、根据所选用的测试方案，对应如下操作，确定参考体积：

方案一：通过关闭第十七截止阀V17和第十九截止阀V19，选取第三容器12；关闭第二十一截止阀V21，打开第十五截止阀V15，向此时的下端渗透系统中连通的空腔注入甲烷气体，待第二高压注入泵16内气体体积不再变化时，读取标准钢样注气后的第二高压注入泵16内气体体积V_16-stee1-b；

方案一的下端渗透系统参考体积：

V_d＝V_16-steel-a-V_16-steel-b；

步骤二、为含气页岩试样提供符合工程实际的围压偏压和温度环境

(8)、将试样表面第一温度传感器28紧贴含气页岩试样上固定，试样上、下端均放置多孔垫片26，放置于上压头25及下部承压台30之间；将试样中心对准上压头25及下部承压台30中心，外部套上热塑管进行隔绝密封；关闭测试装置的所有截止阀。

(9)、打开第一截止阀V1、第二截止阀V2，将轴压室18和轴压泵1充满油；充满油后关闭第二截止阀V2，打开第三截止阀V3、第四截止阀V4，将围压室24和围压泵2充满油，充满油后关闭第四截止阀V4。设置围压泵2压力为σ_c1，开始含气页岩试样加压，压力稳定后设定第二稳压阀R2的压力值为σ_c1，使围压室保持在指定压力值σ_c1，为含气页岩试样提供围压σ_c1。设置轴压泵1压力σ_d1，开始对含气页岩试样加压，压力稳定后设定第一稳压阀R1的压力值为σ_d1，使轴压室保持在指定压力值σ_d1，为含气页岩试样提供偏压σ_d1；

(10)、打开第五截止阀至第二十一截止阀V5～V21，打开真空泵9，将含气页岩试样、管线、阀门、多孔垫片及接头内甲烷气体抽出，待达到真空度0.05Pa时，关闭第十二截止阀V12、第二十截止阀V20，关闭真空泵9；

(11)、根据选取的测试方案，对应如下操作：

方案一：关闭第九截止阀V9、第十一截止阀V11，选用第一容器10，关闭第十七截止阀V17、第十九截止阀V19，选用第三容器12；

关闭第十三截止阀V13和第二十一截止阀V21，调节第一减压阀R3至压力P₁，打开高压气瓶17，在压力P₁下将第一高压注入泵15、第二高压注入泵16、第一容器10、第三容器12充满甲烷气体，关闭第五截止阀V5、第六截止阀V6、第十四截止阀V14，运行第一高压注入泵15和第二高压注入泵16，使上端渗透系统和下端渗透系统中气体压力保持恒定值P₁；

(12)、启动加热线圈21，对三轴压力室内试样加温，直到试样表面第一温度传感器28、第二测油温温度传感器23、第三测油温温度传感器29均达到温度T₁可认为试样加热完成；打开低温槽14，设置到和三轴压力室相同的温度T₁；待温度恒定后，使恒温水循环入第一高压注入泵15和第二高压注入泵16的外部环形空腔，使第一高压注入泵15和第二高压注入泵16的泵内气体通过热交换逐渐达到温度T₁，并保持恒定；同时使放置在低温槽14中的第一容器10、第二容器11、第三容器12和第四容器13内的气体通过热交换逐渐达到温度T₁，待第一高压注入泵和第二高压注入泵泵内气体体积不再变化时，读取此时含气页岩试样加温后的第一高压注入泵泵内气体体积V_15-stee1-a和第二高压注入泵内气体体积V_16-stee1-a；

步骤三、利用瞬态法测试含气页岩试样的渗透率

(13)、同时打开第十三截止阀V13和第二十一截止阀V21，使第一高压注入泵和第二高压注入泵向含气页岩试样试样以压力P₁注入气体，待压差传感器8的读数为零时，关闭第十三截止阀V13和第二十一截止阀V21；

(14)、根据选取的测试方案，对应如下操作：

方案一：将第二高压注入泵16的压力升高至P₂，压力稳定后，关闭第十五截止阀V15，使得下端变为定容状态，读取此时压差传感器8的读数和时间t₀；

打开第十三截止阀V13、第二十一截止阀V21，使第二高注气泵向含气页岩试样试样下端注入甲烷气体，待压差传感器示数稳定后，读取此时压差传感器8的读数和时间t_n，根据公式计算试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的含气页岩的瞬态法的渗透率

$K=-\frac{1n{\mathrm{\δp}}_{t_n}-1n{\mathrm{\δp}}_{t_0}}{t_n-t_0}\frac{{\mathrm{c\μ\φL}}^2}{{\mathrm{\θ}}^2};$

其中，c为甲烷气体压缩系数，Pa^-1；μ为甲烷气体粘度；φ为试样孔隙度；L为含气页岩试样高度；θ为定义参数，可根据公式：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{V}{V_d\mathrm{\θ}}$

求出，V为含气页岩试样孔隙体积；V_d下端渗透系统参考体积；

(15)、根据选取的测试方案，对应如下操作：

方案一：当采用上端定压、下端定容的瞬态法测试渗透率结束后，打开第十五截止阀V15，使得第二高压注入泵以压力P₂向试样注入甲烷气体，上端渗透系统恢复为定压注入模式；

(16)、在压差P₂-P₁下，气体由试样下端渗透系统逐渐向试样上端渗透系统运移。此时，上端低压渗透系统气体体积逐渐增加，待上端渗透系统中的第一高压注入泵15中流入流量稳定时，读取此时的压差平衡后的第一高压注入泵中的气体体积V_a和时间t_a，48小时后，读取时间间隔48小时后第一高压注入泵中的气体体积V_b和读取时刻的时间L_b，依据公式计算试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的含气页岩的稳态法的渗透率：

$K^{\text{'}}=\frac{V_b-V_a}{t_b-t_a}\frac{2P_1\mathrm{\μL}}{A(P_2^2-P_1^2)}$

其中，μ为注入气体粘度；L含气页岩试样高度；A为含气页岩试样横截面积。

该级围压偏压温度环境和注入气体压力下的测试结束后，可将试样内抽真空，继续改变围压、偏压、温度和注入气体压力，测试不同应力状态和温度下的含气页岩试样的渗透性能，其测试和计算方法与该级围压偏压温度环境和注入气体压力下的测试和计算方法相同。

Claims (8)

1.一种瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于：包括三轴压力室、偏压控制系统、围压控制系统、上端渗透系统、下端渗透系统、压差传感器、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统；

所述的三轴压力室包括轴压室、围压室和试样加温装置；试样加温装置设置在围压室内；

所述的偏压控制系统与三轴压力室的轴压室相连通；

所述的围压控制系统与恒温三轴压力室的围压室相连通；

所述的上端渗透系统，包括高压注入泵和至少1个储气容器，高压注入泵与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样上部相连通；

所述的下端渗透系统，包括高压注入泵和至少1个储气容器，高压注入泵与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样下部相连通；

所述的压差传感器，分别与上端渗透系统和下端渗透系统相连通，压差传感器靠近三轴压力室设置；

所述的抽真空系统，分别与上端渗透系统及下端渗透系统相连通；

所述的恒温系统，包括低温槽，所述的恒温系统分别与上端渗透系统的高压注入泵及下端渗透系统的高压注入泵相连接，上端渗透系统的储气容器和下端渗透系统的储气容器放置在低温槽内；

所述的数据控制采集系统，与三轴压力室的数据控制端、偏压控制系统的数据控制端、围压控制系统的数据控制端、上端渗透系统的数据控制端、下端渗透系统的数据控制端和压差传感器的数据控制端相连接。

2.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的上端渗透系统包括高压气瓶、减压阀、高压注入泵、储气容器、压力传感器和截止阀；高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高压注入泵的进气端相连通，高压注气泵的出气端与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端与三轴压力室的试样上部通过围压室底部穿孔相连通，在高压气瓶和减压阀之间、减压阀和高压注入泵之间、高压注入泵和储气容器之间、储气容器和三轴压力室试样上部之间均设置有截止阀，储气容器和三轴压力室试样之间的截止阀靠近三轴压力室设置，靠近三轴压力室的截止阀和三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。

3.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的下端渗透系统包括高压气瓶、减压阀、高压注入泵、储气容器、压力传感器和截止阀，高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高压注入泵的进气端相连通，高压注气泵的出气端与储气容器的进气端相连通，储气容器的出气端与三轴压力室的试样下部通过围压室底部穿孔相连通，在高压气瓶和减压阀之间、减压阀和高压注入泵之间、高压注入泵和储气容器之间、储气容器和三轴压力室试样下部之间均设置有截止阀，储气容器和三轴压力室试样之间的截止阀靠近三轴压力室设置，靠近三轴压力室的截止阀和三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。

4.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的三轴压力室的试样加温装置，包括试样表面的温度传感器、测油温传感器和加热线圈；试样表面温度传感器紧贴试样放置，测油温传感器竖直放置于恒温三轴压力室的围压室内，加热线圈紧贴恒温三轴压力室围压室的侧壁放置。

5.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的偏压控制系统、围压控制系统、上端渗透系统、下端渗透系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统的管路均采用不锈钢耐压管线。

6.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的上端渗透系统、下端渗透系统、抽真空系统、恒温系统的不锈钢耐压管线外部均包裹保温夹套。

7.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的上端渗透系统或下端渗透系统的储气容器为1个或2个。

8.如权利要求1所述的瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置，其特征在于，所述的偏压控制系统和围压控制系统中均设置有压力传感器，压力传感器数据输出端与数据控制采集系统相连。