CN204286989U - 一种页岩气扩散系数测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的是页岩气扩散系数测试装置，该装置主要包括甲烷气瓶、高纯氮气瓶、自动增压泵、左活塞容器、右活塞容器、左扩散室、右扩散室、岩心垫片、岩心夹持器、普通压差表、精细压差表、水浴加热器、温度控制仪、自动围压追踪泵、真空泵、多功能色谱仪、计算机等。该测定装置通过普通压差表与精细压差表并联使用，可实现在整个扩散实验过程中，左右扩散室的注入气体压力始终保持平衡，以免压差存在而影响气体的自由扩散，采用水浴加热解决了恒温箱、加热套加热不均匀、不稳定且散热慢的问题，而真实模拟地层温度，运用自动围压追踪泵解决了实验升温过程中岩心夹持器围压不稳定的问题，而真实模拟地层岩心受力。同时，采用岩心夹持器控制阀解决了饱和液体介质湿样页岩扩散系数测定问题，全程真实模拟地层环境，使测试结果更加接近实际，减小了实验环境与实际地层条件之间的差异。

Description

一种页岩气扩散系数测试装置

技术领域

本实用新型涉及的是石油勘探领域中用于评价页岩气扩散能力的测试装置，具体涉及是通过该装置可测定真实地层环境变化下的页岩气扩散系数。

背景技术

扩散作用是油气运移的重要机理之一，一般页岩气成藏过程中，因浓度梯度的驱动，高度活跃的气体分子从高浓度区穿过多孔介质向低浓度区无规则的自由迁移，一定时期内扩散量的大小直接决定页岩气的成藏及保存情况，因此页岩气的扩散能力对页岩气的运移、聚集、成藏和破坏是至关重要的。扩散系数作为描述页岩气通过页岩介质扩散速度快慢的重要评价参数，是页岩气扩散充入量和散失量计算必不可少的重要参数。目前，实验室测定扩散系数装置主要包括甲烷气瓶、高纯氮气瓶、两个相同溶量扩散室、岩心夹持器、平衡装置、色谱分析仪组成，两个气瓶分别与岩心夹持器两端的扩散室连接，实验开始后给两扩散室充入相同压力的气体，通过平衡装置，判定两扩散室压力平衡，消除压差对扩散过程的影响。扩散一段时间后，分别从两扩散室取样利用色谱分析仪分析不同时间下对应各组分气体的浓度，通过菲克第二定律算出不同条件下岩石的扩散系数。目前国内外实验室常用的岩石扩散系数测定主要在常温、常压条件下进行，两端扩散室的平衡装置主要采用精密的压差表，当出现超量程的压差，不能准确反映两扩散室的平衡压力，不能保证整个实验过程扩散仅受浓度梯度驱动而非压差影响；此外常用的扩散系数的实验装置，仅能测定干样岩石样品，不能测定饱和不同介质及同一介质不同饱和程度的湿样岩石样品。由于现有实验设备的较低的注气平衡压力、较低的实验温度及仅能测定干样岩石等不足，而相比高温、高压及饱和不同的气体介质及地层水的真实地层条件差异较大，因此现有实验不能较好的评价真实地层条件下气体在岩石中的扩散能力。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种高温高压条件下页岩气扩散系数测试实验装置，该实验装置能够方便、准确、高效的测定高温高压条件下页岩气扩散系数，以解决现有扩散系数测定装置测试误差大的问题，为页岩气成藏、保存评价研究提供科学的基础数据。

本实用新型为解决其技术问题提出了高温高压页岩气扩散系数测试装置，该装置包括甲烷气瓶、高纯氮气瓶、自动增压泵、左活塞容器、右活塞容器、左扩散室、右扩散室、岩心垫片、岩心夹持器、普通压差表、精细压差表、水浴加热器、温度控制仪、自动围压追踪泵、真空泵、多功能色谱仪、计算机，所述甲烷气瓶通过管线与自动增压泵连接，在所述管线上设有甲烷气源控制阀；高纯氮气瓶通过管线与自动增压泵连接，在所述管线上设有氮气源控制阀；所述自动增压泵通过管线分别与左右活塞容器连接，在所述管线上设有增压泵控制阀、左右活塞容器控制阀；所述左、右活塞容器通过管线分别与左、右扩散室连接，在所述管线上设有左右扩散室控制阀，左扩散室通过岩心夹持器与右扩散室连接，并在岩心夹持器两端分别设有岩心控制阀；所述多功能色谱仪通过管线分别与左、右扩散室连接，在所述管线上分别设有回压取样阀，该色谱仪与计算机连接；所述自动围压追踪泵与岩心夹持器相连，真实模拟岩心所受地层围压；所述岩心夹持器、左、右扩散室均放置于水浴加热器中，该加热器受温度控制仪控制；所述普通压差表通过管线与精细压差表并联连接，两压差表分别串联上压差控制阀，通过管线与左右扩散室相连；所述真空泵通过管线分别与左右活塞容器连接。

上述测试装置中，所述自动围压追踪泵内装有增压液体，增压流体一般采用纯净水，该泵设有恒流增压与恒压增压设定装置，通过恒压增压的方式对岩心夹持器加上围压，从而保证岩心所受的地层真实围压条件。自动围压追踪泵相比普通围压泵，其能始终维持恒定的围压，而不会随实验温度的升高而上升，解决了实验过程中，升温阶段，岩心夹持器中围压随温度发生变化的问题。

所述的水浴加热器，温度范围为室温～99℃，温度精度±0.1℃，采用水浴加热相比恒温箱加热、套筒加热，可平稳地加热，使岩心夹持器、扩散室均匀受热，提供稳定的温度环境，且散热较快，实验证明水浴加热更能模拟地层的真实温度。所述普通压差表量程0～20MPa，精度1.5％，而精细压差表量程0～0.1MPa，精度0.25％，两者并联连接，当活塞容器向扩散室充气过程中，关闭精细压差表控制阀而开启普通压差表控制阀，可准确控制左右扩散室的压力平衡，以免采用精细压差表充气过程中高压气体冲坏精细压差表；当扩散一段时间后，开始通过回压取样阀取样时，关闭普通压差表控制阀而开启精细压差表控制阀，可准确测定左右扩散室平衡压力的微小波动，更好的控制两扩散室的压力平衡，以免采用普通压差表因量程过大，精度不够，而无法控制平衡压力的微小波动。经上述操作，即可更精确控制整个实验过程中两扩散室的压力平衡，以免两端扩散室出现压差而干扰扩散规律。

所述岩心控制阀，主要为解决饱和不同液体介质的湿样岩石抽真空问题，当采用常规饱和水装置对干样岩心根据地质条件饱和地层液体后，将岩心装入岩心夹持器后，开始对管线抽真空处理前，将左右岩心控制阀关闭，此操作即可防止将饱和液体的岩样在抽真空过程中的饱和液体受损。

所述自动增压泵与活塞容器，主要给左右扩散室提供稳定的注入平衡压力，真实模拟地层压力。

所述岩心垫片，采用多孔垫片，每个导流路径交叉点设有小孔，垫片中心设有大孔，垫片厚度1.5cm，不锈钢材质，该垫片与普通垫片相比，可减少微量扩散气体受孔道不足所限而出现流动能量损耗，影响正常的气体分子扩散。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型中采用水浴加热，真实模拟地层温度，通过自动增压泵、活塞容器、自动围压追踪泵，模拟地层受力环境，运用压差表控制两扩散室的注入压力平衡，同时，采用多孔垫片解决了常规岩心垫片对扩散影响，使测试结果更加接近真实情况，实现了高温、高压下页岩扩散系数的直接测定。

附图说明

图1本实用新型页岩气扩散系数测试装置的结构示意图。

图2通过实用新型页岩气扩散系数测试装置测得页岩气的扩散系数与有效应力(通常定义为围压与注入平衡压力之差)关系图。

图3通过实用新型页岩气扩散系数测定装置测得页岩的扩散系数与温度关系图。图4本实用新型岩心垫片剖视图。

主要组件符号说明：

1甲烷气瓶 2甲烷气源控制阀 3自动增压泵 4压力传感器 5自动增压泵控制阀 6左活塞容器控制阀 7左活塞容器 8左扩散室控制阀 9温度传感器 10真空泵 11普通压差表控制阀 12普通压差表 13精细压差表控制阀 14精细压差表 15左扩散室 16岩心夹持器控制阀 17温度控制仪18水浴加热器 19岩心垫片 20回压取样阀 21压力传感器 22自动围压追踪泵 23回压取样阀 24多功能色谱仪 25计算机 26岩心垫片 27岩心夹持器 28岩心夹持器控制阀 29右扩散室 30右扩散室控制阀 31右活塞容器 33右活塞容器控制阀 32自动增压泵控制阀 34压力传感器 35自动增压泵 36高纯氮气瓶 37氮气源控制阀。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步描述。

如图1所示，页岩气扩散系数测试装置包括甲烷气瓶1、高纯氮气瓶36、自动增压泵3、左活塞容器7、右活塞容器31、左扩散室15、右扩散室29、岩心垫片19、岩心垫片26、岩心夹持器27、普通压差表12、精细压差表14、水浴加热器18、温度控制仪17、自动围压追踪泵22、真空泵10、多功能色谱仪24、计算机25，所述甲烷气瓶1通过管线与自动增压泵3连接，在所述管线上设有甲烷气源控制阀2；高纯氮气瓶36通过管线与自动增压泵35连接，在所述管线上设有氮气源控制阀37；所述自动增压泵3、自动增压泵35通过管线分别与左活塞容器7、右活塞容器31连接，在所述管线上设有自动增压泵控制阀5、左活塞容器控制阀6、右活塞容器控制阀33、自动增压泵控制阀32；所述左活塞容器7、右活塞容器31通过管线分别与左扩散室15、右扩散室29连接，在所述管线上设有左扩散室控制阀8、右扩散室控制阀30，左扩散室15通过岩心夹持器27与右扩散室29连接，并在该岩心夹持器两端分别设有岩心控制阀16、岩心控制阀28；所述多功能色谱仪24通过管线分别与左扩散室15、右扩散室29连接，在所述管线上分别设有回压取样阀20、回压取样阀23，该色谱仪与计算机25连接；所述自动围压追踪泵22与岩心夹持器27相连，真实模拟岩心所受地层围压；上述岩心夹持器、左、右扩散室放置于水浴加热器18，该加热器与温度控制仪17连接；所述普通压差表12通过管线与精细压差14表并联连接，两压差表分别串联普通压差表控制阀11、精细压差表控制阀13，通过管线与上述左右扩散室相连；所述真空泵10通过管线分别与上述左右活塞容器连接。

页岩干样测试时，将岩样装入岩心夹持器27后，连接好管线，首先通过自动围压追踪泵22预加围压3MPa，一段时间后设置该追踪泵压力为地层真实围压，开启左活塞容器控制阀6、左扩散室控制阀8、岩心夹持器控制阀16、岩心夹持器控制阀28、右扩散室控制阀30、右活塞容器控制阀33后，运用真空泵10进行抽真空处理。而若是饱和液体介质后页岩湿样测试时，抽真空处理时必须关闭岩心夹持器控制阀16、岩心夹持器控制阀28，其余操作同上。通过水浴加热器18对该岩心夹持器、左扩散室15、右扩散室29进行加热，使其满足真实地层温度。然后，通过甲烷气瓶1与高纯氮气瓶36提供扩散气体，经自动增压泵3、自动增压泵35与左活塞容器7、右活塞容器31加压，使两活塞容器具有相同的压力。接着关闭甲烷气源控制阀2、氮气源控制阀37，开启左扩散室控制阀8、右扩散室控制阀30分别向两扩散室提供甲烷与氮气，上述操作前应保证普通压差表控制阀11，关闭精细压差表控制阀13处于开启状态。通过普通压差表12调整上述两扩散室气体压力平衡。最后，扩散一段时间后，通过回压取样阀20、回压取样阀23分别取样，利用多功能色谱仪24与计算机25分析不同时间各扩散室的气体的浓度变化，采用菲克第二定律算出相应地层条件下的页岩气扩散系数。

Claims (5)

1.一种页岩气扩散系数测试装置，其特征在于，该实验装置包括甲烷气瓶(1)、高纯氮气瓶(36)、自动增压泵(3)、左活塞容器(7)、右活塞容器(31)、左扩散室(15)、右扩散室(29)、岩心垫片(19)、岩心垫片(26)、岩心夹持器(27)、普通压差表(12)、精细压差表(14)、水浴加热器(18)、温度控制仪(17)、自动围压追踪泵(22)、真空泵(10)、多功能色谱仪(24)、计算机(25)，所述甲烷气瓶(1)通过管线与自动增压泵(3)连接，在所述管线上设有甲烷气源控制阀(2)；高纯氮气瓶(36)通过管线与自动增压泵(35)连接，在所述管线上设有氮气源控制阀(37)；所述自动增压泵通过管线分别与左活塞容器(7)、右活塞容器(31)连接，在所述管线上设有自动增压泵控制阀(5)、左活塞容器控制阀(6)、右活塞容器控制阀(33)；所述左活塞容器(7)、右活塞容器(31)通过管线分别与左扩散室(15)、右扩散室(29)连接，在所述管线上设有左扩散室控制阀(8)、右扩散室控制阀(30)，左扩散室(15)通过岩心夹持器(27)与右扩散室(29)连接，并在该岩心夹持器两端分别设有岩心控制阀(16)、岩心控制阀(28)；所述多功能色谱仪(24)通过管线分别与左扩散室(15)、右扩散室(29)连接，在所述管线上分别设有回压取样阀(20)、回压取样阀(23)，该色谱仪与计算机(25)连接；所述自动围压追踪泵(22)与岩心夹持器(27)相连，真实模拟岩心所受地层围压；上述岩心夹持器、左、右扩散室放置于水浴加热器(18)，该加热器与温度控制仪(17)连接；所述普通压差表(12)通过管线与精细压差(14)表并联连接，两压差表分别串联普通压差表控制阀(11)、精细压差表控制阀(13)，通过管线与上述左右扩散室相连；所述真空泵(10)通过管线分别与上述左右活塞容器连接。

2.根据权利要求1所述一种页岩气扩散系数测试装置，其特征在于：所述自动围压追踪泵(22)内装有增压液体，增压流体一般采用纯净水，并设有恒流增压与恒压增压设定装置，通过恒压增压的方式对岩心夹持器加入设置围压。

3.根据权利要求1所述一种页岩气扩散系数测试装置，其特征在于：所述的水浴加热器(18)，温度范围室温～99℃，温度精度±0.1℃。

4.根据权利要求1所述一种页岩气扩散系数测试装置，其特征在于：所述普通压差表(12)量程0～20MPa，精度1.5％，而精细压差表(14)量程0～0.1MPa，精度0.25％，两者并联连接，当活塞容器向扩散室充气过程中，关闭精细压差表控制阀(13)而开启普通压差表控制阀(11)；当扩散一段时间后，开始分别通 过回压取样阀(20)、回压取样阀(23)取样时，关闭普通压差表控制阀(11)而开启精细压差表控制阀(13)。

5.据权利要求1所述一种页岩气扩散系数测试装置，其特征在于：所述岩心垫片(19)、岩心垫片(26)，采用多孔垫片，每个导流路径交叉点设有小孔，垫片中心设有大孔，垫片厚度1.5cm，不锈钢材质。