一种用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器的制作方法

本发明涉及一种用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器。

背景技术：

岩石气体渗透率是岩石的重要属性，例如对于煤岩/页岩，岩石的气体渗透率直接决定着岩石的开采效率；对于泥岩/盐岩，岩石的气体渗透率则是评价岩石对于气体密封性和气体密封量的重要评价因素，在天然气储存和二氧化碳地质封存方面具有重要的作用。目前岩石气体渗透多采用现场钻芯取样，然后实验室进行测试，测试方法多采用恒流法和瞬流法，但是这两种方法都要求满足两个条件：第一，岩石气体渗透率较高，一般大于10^-21m²,；第二，岩石试样不能存在裂缝，否则岩石气体渗透路径主要通过裂缝传输，并非其本质渗透率。然而，对于超低渗开裂岩石，岩石的渗透率极低，一般小于10^-21m²，无论采用恒流法还是瞬流法均较难进行测试，此外试样采集和后加工处理极易造成岩石试样产生微裂缝，甚至开裂，导致测试渗透率远大于岩石的实际渗透率，达不到测试目的。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题在于提供一种用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器。它具有结构简单、安装方便和工作安全可靠等特点。不仅能够测试较易获得气体压力变化曲线，进而获取超低渗开裂岩石气体的渗透率，更重要的是渗透模式并非从岩石试样一侧渗透至另一测，而是从岩石试样两侧乃至岩石试样裂缝处渗透至岩石试样所有张开孔隙，即测试结果与岩石试样开裂与否无关，仅与超低渗开裂岩石试样中的本质孔隙有关，解决了岩石开裂导致的岩石试样渗透率无法测定的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器。它包括控制系统(如电脑)、恒温系统、用于测试岩石试件(试样)的固定单元、缓冲气罐、储气罐、油泵、油路、气体管路、气压表(最好为数字气压表)和气体开关，气体开关包括上进气开关、下进气开关和储气开关，气体管路包括上进气管路、下进气管路和储气管路，恒温系统内部设固定单元、缓冲气罐、油泵、油路、上进气管路、下进气管路、气压表和上进气开关、下进气开关和储气开关，固定单元包括上盖、单元主体、下座和固定螺栓，下座上设单元主体，单元主体上设上盖，下座与上盖通过固定螺栓相连接，单元主体内设岩石试件，岩石试件设在下座上，缓冲气罐上下两端分别通过上进气管路和下进气管路与固定单元相连接，上进气管路上设上进气开关和气压表，下进气管路上设下进气开关，油泵通过油路与固定单元的单元主体内腔相连通；恒温系统外部设储气罐和控制系统(如电脑)，储气罐通过储气管路和储气开关与缓冲气罐相连通，储气管路上设储气开关，控制系统通过数据线与气压表相连接。

所述岩石试件的上下两侧均安装气体分散片，这样，所述岩石试件上下两侧安装气体分散片对气体进入路径进行分散处理，让气体进入路径更加均匀(如图2所示)，岩石试件上面设压头，岩石试件通过基座固定设在下座上，并采用橡胶皮套和金属套箍进行密封。

所述缓冲气罐用于为孔隙率测试提供压力，缓冲气罐上端通过上进气管路与固定单元单元主体内腔的测试岩石试件相连接，缓冲气罐下端通过下进气管路与固定单元内腔的测试岩石试件相连接。

所述储气罐，用于为缓冲气罐提供测试气体，储气罐通过储气管路与缓冲气罐相连通，并在储气管路上设储气开关。

所述气压表为数字气压表，用于测试缓冲气罐的气体压力。

所述油泵用于为固定单元的单元主体内腔提供围压，油泵上设油压表，用于测量固定单元单元主体内腔的围压。

所述控制系统(如电脑)，用于连接气压表实时记录和输出缓冲气罐的气体压力随时间的变化曲线。所述数据线，用于连接数字气压表与控制系统(如电脑)。

所述气体开关，用于控制气体在管道内的流动，其中，上进气开关控制固定单元上进气管路，下进气开关控制固定单元下进气管路，储气开关控制储气罐为缓冲气罐注入气体的气体管路。

与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：由于采用了上述结构，使用时，本发明不仅能够测试较易获得气体压力变化曲线，进而获取超低渗开裂岩石气体的渗透率，更重要的是渗透模式并非从岩石试样一侧渗透至另一测，而是从岩石试样两侧乃至岩石试样裂缝处渗透至岩石试样所有张开孔隙，即测试结果与岩石试样开裂与否无关，仅与超低渗开裂岩石试样中的气体孔隙有关，解决了岩石开裂导致的岩石试样渗透率无法测定的技术问题。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明岩石试件(试样)设置放大结构示意图；

图3为本发明开裂岩石试件(试样)结构放大结构示意图；

图4为本发明开裂岩石试件(试样)压强变化曲线示意图；

图中：1－上盖、2－单元主体、3－岩石试件、4－固定螺栓、5－下座、6－基座、7－油路、8－油泵、9－恒温系统、10－储气管路、11－储气开关、12－储气罐、13－控制系统、14－数据线、15－缓冲气罐、16－上进气管路、17－气压表、18－上进气开关、19－下进气开关、20－下进气管路、21－气体分散片、22－压头、23－金属套箍、24－橡胶皮套、25－上进气口、26－出气口、27－裂缝和28－下进气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1至图4示出了本发明各种结构示意图。如图1至图4所示，本发明提供了一种用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器。它包括控制系统13(如电脑)、恒温系统9、用于测试岩石试件3(试样)的固定单元、缓冲气罐15、储气罐12、油泵8、油路7、气体管路、气压表17(最好为数字气压表17)和气体开关，气体开关包括上进气开关18、下进气开关19和储气开关11，气体管路包括上进气管路16、下进气管路20和储气管路10，恒温系统9内部设固定单元、缓冲气罐15、油泵8、油路7、上进气管路16、下进气管路20、气压表17和上进气开关18、下进气开关19和储气开关11，固定单元包括上盖1、单元主体2、下座5和固定螺栓4，下座5上设单元主体2，单元主体2上设上盖1，下座5与上盖1通过固定螺栓4相连接，单元主体2内设岩石试件3，岩石试件3设在下座5上，缓冲气罐15上下两端分别通过上进气管路16和下进气管路20与固定单元相连接，上进气管路16上设上进气开关18和气压表17，下进气管路20上设下进气开关19，油泵8通过油路7与固定单元的单元主体2内腔相连通；恒温系统9外部设储气罐12和控制系统13(如电脑)，储气罐12通过储气管路10和储气开关11与缓冲气罐15相连通，储气管路10上设储气开关11，控制系统13通过数据线14与气压表17相连接。所述岩石试件3的上下两侧均安装气体分散片21，所述气体分散片21就是让气体分散，然后均匀地从岩石试件3的整个表面渗透，而不是从气管的那个点渗透。这样，所述岩石试件3上下两侧安装气体分散片21对气体进入路径进行分散处理，让气体进入路径更加均匀(如图2所示)，岩石试件3上面设压头22，岩石试件3通过基座6固定设在下座5上，并采用橡胶皮套24和金属套箍23进行密封。所述缓冲气罐15用于为孔隙率测试提供压力，缓冲气罐15上端通过上进气管路16与固定单元单元主体2内腔的测试岩石试件3相连接，缓冲气罐15下端通过下进气管路20与固定单元内腔的测试岩石试件3相连接。所述储气罐12，用于为缓冲气罐15提供测试气体，储气罐12通过储气管路10与缓冲气罐15相连通，并在储气管路10上设储气开关11。所述气压表17为数字气压表17，用于测试缓冲气罐15的气体压力。所述油泵8用于为固定单元的单元主体2内腔提供围压，油泵8上设油压表，用于测量固定单元单元主体2内腔的围压。所述控制系统13(如电脑)，用于连接气压表17实时记录和输出缓冲气罐15的气体压力随时间的变化曲线。所述数据线14，用于连接数字气压表17与控制系统13(如电脑)。所述气体开关，用于控制气体在管道内的流动，其中，上进气开关18控制固定单元上进气管路16，下进气开关19控制固定单元下进气管路20，储气开关11控制储气罐12为缓冲气罐15注入气体的气体管路。

本发明不仅能够测试较易获得气体压力变化曲线，进而获取超低渗开裂岩石气体的渗透率，更重要的是渗透模式并非从岩石试样一侧渗透至另一测，而是从岩石试样两侧乃至岩石试样裂缝27处渗透至岩石试样所有张开孔隙，即测试结果与岩石试样开裂与否无关，仅与超低渗开裂岩石试样中的气体孔隙有关，解决了岩石开裂导致的岩石试样渗透率无法测定的技术问题。

本发明提供了一种用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器，可以实现对开裂岩石试件3气体渗透率的测试。用如下公式：

其中，Qx是任意位置处的气体流量；A为圆柱形试件的截面面积；kx为任意位置处的气体渗透率；dP(x)/dx是任意位置处的压力差值；μ为液体粘度系数。测试首先安装岩石试件3，并连通管路(油路7和气体管路)如图1所示，采用上下同时通气的方式，对开裂岩石试件3施加气体压力，然后，通过控制系统13实时记录气体压力表的压力变化过程，最终依据气体压力变化曲线计算开裂岩体的气体渗透率。

一种用于超低渗开裂岩石气体渗透率的测试仪器的测试方法为：某一固定温度T1，开裂超低渗开裂岩石气体渗透率的测试步骤如下：

(1)采用游标卡尺测试岩石试件3的直径d，高度h。

(2)安装固定单元、连接气体管路如图1所示，安装岩石试件3如图2所示，并确定所有开关关闭，打开恒温系统9设置固定温度T1。

(3)打开手动油泵8阀门，给固定单元提供围压Pv。

(4)打开储气开关11给缓冲气罐15充入气体并提供压强(小于PV)；关闭储气开关11，连接数据线14，打开控制系统13(电脑和相关程序)，自动记录数字气压表17的压强数，记录频率为1数据/s,所述记录频率是指1秒记录一个数据。直至气体压强稳定，此压强读数为P1；

(5)打开下进气开关19和上进气开关18，数字气压表17显现气体压力迅速降至P2，然后开始缓慢降低；根据理想气体方程，按照如下公式计算下进气开关19和上进气开关18密封管道、气体分散片21等体积V2为:

(6)继续通过控制系统13记录数字气压表17压强，可以得到压强变化曲线如图4所示，P为压强，T为时间，压强逐渐降低，且降低速度越来越慢(从P2-P4至P3)，直至压强稳定至P3，此时气体从岩石试件3(试样)上下表面和裂缝27处进入岩石试件3，则此时可计算岩石试件3(试样)孔隙体积Vk为：

(7)此时，依据达西定律计算任意时刻T4岩石试件3的气体渗透率，其步骤如下：

(a)在时间T4时，数字气压表17的压强为P4，则根据理想气体方程，岩石试件3(试样)孔隙内的平均压力Pa为:

(b)在此岩石试件3(试样)中，气体压力在压差的作用下并非均匀分布，其分布函数P(x)为：

如图3所示，开裂岩石试件3具有上进气口25、出气口26、裂缝27和下进气口28。

其中，P进为进气口(上进气口25和下进气口28)的气压；P出为出气口26的气压。那么，气压表17压力值为P4时，岩石试件3气压的分布函数为：

其中，Ph/2为P4时岩石试件3(试样)中间(即，x＝h/2)处的气体压强。

(c)根据理想气体方程，

可推导出Ph/2为：

Ph/2≈P4-1.5Pa

(d)在气压值为P4时，Δt的时间内，气压变化了ΔP4，那么此时间内的压力均值Pmean为Pmean＝P4-0.5ΔP4

(e)由理想气体方程可得，在ΔT的时间内的平均流量Qmean为：

(f)最终可计算出此时气体渗透率为：

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其做出种种变化。