一种能够同时测量多个致密岩样渗透率的实验装置的制作方法

本实用新型涉及岩样渗透率测试，具体是一种能够同时测量多个致密岩样渗透率的实验装置。

背景技术：

渗透率是油气藏储层物性评价、伤害评价的重要参数，合理准确的渗透率测试方法对于油气勘探开发研究具有重要的指导作用。页岩等致密储层物性差，孔隙吼道已经达到纳米级，目前致密储层渗透率的测试方法有：定压稳态法、定流量稳态法、脱气法、岩心柱压力衰减法、岩屑压力衰减法等，每种方法都有其适用性和优缺点。稳态法是一种广泛使用的渗透率测试方法，普遍用于常规油气藏岩心的渗透率测量，但对于低渗透率岩石，需要很高的驱替压差和很长的流速稳定时间、存在非达西流动特点，不适应于低渗特低渗岩心的渗透率测量。脱气法与其他方法相比测得的渗透率结果精度较低，且实验过程较复杂。脉冲衰减渗透的理论较完善，渗透率的测量范围广，岩屑压力衰减法采用的是岩屑样品，可以消除微裂缝对样品渗透率的影响，但是该方法不能对样品施加围压，会导致测量结果偏大，岩屑的孔隙结构特征也不能代表储层的真实情况。因此把岩心柱压力衰减法作为致密岩样渗透率的测试方法，岩心柱脉冲衰减渗透法按照流体介质的不同，分为液测和气测，液体介质粘滞性强，对于致密岩心，测试过程中液体穿透岩心耗时太长，采用气测可以大大缩短测量时间，减少了由于长时间测量而造成的泄露或温度变化等影响，气体介质不易与岩样发生物理化学反应，因此选用气测岩心柱脉冲衰减法测量致密岩心的渗透率的实验结果准确度更高。受限于现有设备，通常一次测试只能测量一个岩样，使得测试效率较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种能够同时测量多个致密岩样渗透率的实验装置，其能够同时测量不同围压、轴压、温度条件下多块岩样的气体渗透率。

本实用新型的技术方案如下：

一种能够同时测量多个致密岩样渗透率的实验装置，包括气体增压系统，其还包括岩心夹持器组，所述岩心夹持器组的进口端连接有大容积进口缓冲容器，所述大容积进口缓冲容器与所述气体增压系统之间连接有增压器，所述增压器与气体增压系统之间连接的通路上设置有第一气体开关，增压器与大容积进口缓冲容器之间连接的通路上设置有第二、第三气体开关，所述岩心夹持器组的出口端连接有大容积出口缓冲容器，所述大容积出口缓冲容器的出口连接有第四气体开关，所述第二、第三气体开关之间的通路与大容积出口缓冲容器通过旁路连接，所述旁路上设置有第五气体开关。

所述岩心夹持器组具有数个相互并联的岩心夹持器，每个岩心夹持器具有围压加载系统、轴压加载系统和岩心试件加热系统，每个岩心夹持器的进口端分别通过一个小容积进口缓冲容器与大容积进口缓冲容器连接，每个岩心夹持器的出口端分别通过一个小容积出口缓冲容器与大容积出口缓冲容器连接，每个小容积进口缓冲容器、岩心夹持器、小容积出口缓冲容器的进、出两端均设置有一个气体开关，每个岩心夹持器进、出两端的气体开关之间连接有压差传感器，每个小容积出口缓冲容器上均设置有压力传感器，所述压差传感器和压力传感器通信连接至计算机采集系统。

所述大容积进口缓冲容器与大容积出口缓冲容器的容积相同，所述小容积出口缓冲容器的容积大于小容积进口缓冲容器的容积，且各小容积出口缓冲容器的容积和小于大容积出口缓冲容器的容积。

进一步的，所述岩心夹持器包括容纳岩样的岩心腔体，所述岩心腔体内设置有密封包裹岩样的岩心护套，该岩心护套的两端内分别设置有一个对岩样施加轴压的压头，所述压头与所述轴压加载系统连接；所述岩心腔体与所述围压加载系统连接以对岩样施加围压。

进一步的，所述围压加载系统包括通过泵入液压油以提供围压的手动围压增压泵，所述岩心护套由热缩管和乳胶膜组成。

进一步的，所述小容积出口缓冲容器的容积是小容积进口缓冲容器的容积的两倍。

进一步的，所述岩心夹持器的数量不超过四个，所述大容积进口缓冲容器的容积为500mL，所述小容积进口缓冲容器容积为50mL。

进一步的，所述气体增压系统包括氮气瓶、高压增压泵和空气压缩机，所述氮气瓶的输出端依次连接有减压阀、第一压力表和电磁阀，所述电磁阀与所述高压增压泵的输入端连接；所述空气压缩机的输出端依次连接有第二压力表和第六气体开关，所述第六气体开关与高压增压泵的输入端连接；高压增压泵的输出端与所述增压器的输入端连接。

岩心夹持器组的数个岩心夹持器能够同时夹持数个岩样进行实验，通过每个岩心夹持器各自的围压加载系统、轴压加载系统和岩心试件加热系统模拟不同的实验条件，测量参数由计算机采集系统采集，测量不同的围压、轴压、温度条件下不同直径的岩样的气体渗透率。岩心夹持器进口端的气体增压系统及增压泵先经过两个不同容积的缓冲容器后作用到岩心夹持器上，岩心夹持器的出口端也连接两个不同容积的缓冲容器。其中大容积进、出口缓冲容器提供了岩心夹持器组两端的气压，每组小容积进、出口缓冲容器可单独为每个岩心夹持器提供压力，还起到一定的缓冲作用，保证了测试压力的稳定。岩心夹持器组两端的缓冲容器同时增加了岩心夹持器组的进、出口压力，起到消除气测滑脱效应影响的作用，使渗透率测量精度大大提高。

本装置中，每个岩心夹持器连接一个手动围压增压泵，实现对每个岩心加持器单独施压；岩心护套的热缩管用来隔绝液压油和高温，乳胶膜能够防止液压油从岩样两端渗入，起到双重保护的作用，能够在高温高压环境达到密封岩样试件效果，保障测试精度。

此外，小容积出口缓冲容器的体积是小容积进口缓冲容器的体积的两倍，能够在保证测试精度的同时，缩短测试时间，节约约50％的测试时间。

本实验装置的气体增压系统能够在增大岩样进、出口端压力的同时保证测试压力稳定，进口压力最高可增至30Mpa，压力波动范围小于0.01％。

本方案的实验装置操作方便，可同时测量多个致密岩样的渗透率，能够大幅度缩短岩样的测试时间，实现不同围压、轴压、温度条件下测量不同直径的岩样的气体渗透率；并通过缓冲容器增大岩样进出口端的压力，在高压下能够消除滑脱效应的影响，提高样品测试精度。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构图；

图2为本实用新型的岩心护套的剖面结构示意图。

附图标记说明：

1-氮气瓶；2-减压阀；3-第一压力表；23、36-压力表；4-电磁阀；5-空气压缩机；6-第二压力表；7-第六气体开关；15、17、18、20、24、27、28、30、31、33、37、40-气体开关；8-高压增压泵；9-第一气体开关；10-增压器；11-第二气体开关；12-第三气体开关；13-第五气体开关；14-大容积进口缓冲容器；16、29-小容积进口缓冲容器；19、32-岩心夹持器；21、34-压差传感器；22、35-手动围压增压泵；25、38-压力传感器；26、39-小容积出口缓冲容器；41-大容积出口缓冲容器；42-第四气体开关；43-计算机采集系统；44-热缩管；45-岩心护套；46-压头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

本实用新型公开的一种能够同时测量多个致密岩样渗透率的实验装置，如图1所示，除提供高压渗透气体的气体增压系统外，还具有岩心夹持器组。与现有技术不同的是，本方案的岩心夹持器组在进口端连接一个大容积进口缓冲容器14，这个大容积进口缓冲容器14与气体增压系统之间连接一个增压器10二次增压，以达到实验要求的压力且保证高压气体的压力稳定。该增压器10与气体增压系统之间连接的通路上设置第一气体开关9控制气体的通断。增压器10与大容积进口缓冲容器14之间连接的通路上设置第二气体开关11和第三气体开关12。岩心夹持器组的出口端连接一个大容积出口缓冲容器41，该大容积出口缓冲容器41的出口连接一个第四气体开关42用于气体最终的泄压控制。第二气体开关11、第三气体开关12之间的通路与大容积出口缓冲容器41通过旁路连通，并在旁路上设置一个第五气体开关13。

出于同时测量多个致密岩样的考虑，将岩心夹持器组设计成数个相互并联的岩心夹持器的结构，其中每个岩心夹持器具有独立的围压加载系统、轴压加载系统和岩心试件加热系统，围压加载系统提供围压环境，轴压加载系统对岩样的两端施加轴压，岩心试件加热系统具有加热装置以对岩样加热升温。每个岩心夹持器的进口端分别通过一个小容积进口缓冲容器与大容积进口缓冲容器14连接，每个岩心夹持器的出口端分别通过一个小容积出口缓冲容器与大容积出口缓冲容器41连接，小容积进口缓冲容器和小容积出口缓冲容器针对对应的岩心夹持器施加高压气体并维持施压的稳定，实现独立加压，在同次实验过程中，完成多组单一变量和多变量对比实验。

每个小容积进口缓冲容器、岩心夹持器、小容积出口缓冲容器的进、出两端均设置有一个气体开关，当在一次测量实验中，对于未使用的岩心夹持器及其对应的小容积缓冲容器，可以方便地关断气路；对于实验中的岩心夹持器，也可以方便地关断气路实现密封维持压力。结合这些气体开关以及大容积进口缓冲容器14之前的气体开关和旁路，实现对整个气路网络的灵活控制，保障同个实验中能够对不同的岩样实施不同条件的渗透率测试。例如取围压为变量，其他条件如轴压、温度、压差等为定值的情况下，给每个岩心加持器施加不同大小的围压值，即可得出不同围压条件下气测渗透率的一组对比值。该方法大大节约了测试时间，提高的测试效率。

每个岩心夹持器进、出两端的气体开关之间连接有压差传感器测量压差，压差传感器量程为800kpa。每个小容积出口缓冲容器上均设置有压力传感器，所述压差传感器和压力传感器通信连接至计算机采集系统43，用于采集压力传感器数据，显示渗透率测试的压力与时间数据。从气压维稳的角度考虑，可以将大容积进口缓冲容器14与大容积出口缓冲容器41设计成相同的容积，但小容积出口缓冲容器的容积应大于小容积进口缓冲容器的容积，有利于测试过程中进口端与出口端之间压力快速达到平衡，缩短测试时间，可以选择小容积出口缓冲容器的容积是小容积进口缓冲容器的容积的两倍。各小容积出口缓冲容器的容积和小于大容积出口缓冲容器41的容积。

岩心夹持器包括容纳岩样的岩心腔体，所述岩心腔体内设置有密封包裹岩样的岩心护套45，该岩心护套45的两端内分别设置有一个对岩样施加轴压的压头46，压头46与所述轴压加载系统连接，压头46用于固定岩样并对岩样施加轴向载荷。轴压加压采用计算机控制，加压时，在确保岩心护套45密封好的基础上，推动压头46，通过计算机操作给岩样施加适度的轴压，使压头46压紧岩样。压头46可以设有两种不同直径的压头46，可测量直径为25mm和38mm的岩样的渗透率，压头能够施加0-150MPa的轴压。所岩心腔体与岩样之间的空间用于填充液压油提供围压，液压油的泵入由围压加载系统连通岩心腔体实现。

所述围压加载系统包括通过泵入液压油以提供围压的手动围压增压泵，每个手动围压增压泵和岩心夹持器连接的管线上都设有压力表。在轴压加压完毕后，通过手动围压增压泵向岩心腔体泵入液压油，可对岩心加持器单独施加不同大小的围压，围压大小可达150MPa。各岩心加持器之间共同连接有一个六通阀，这个六通阀能将各岩心夹持器的岩心腔体连通。每个岩心加持器左右两端都连接有阀门，若对每个并联支路上的岩心加持器施加相同的围压，则打开阀门；若施加不同围压，则通过阀门单独控制每个支路。围压加压采用手动的方式，操作更简便，灵活性更高。

所述岩心护套45由热缩管44和乳胶膜组成，如图2所示，岩心护套45与岩样紧密贴合，用来隔绝岩样与液压油，双重保护防止液压油在实验过程中渗入岩样影响测量结果，可在围压150MPa、温度120℃下，保证岩样的测试精度。

理论上，岩心夹持器的数量N可以足够多，但考虑到如缓冲容器的规格限制、实验稳定性、操作协调性等方面，岩心夹持器的数量N可以较多地设计到四个，其中大容积进口缓冲容器14的容积、大容积出口缓冲容器41的容积为500mL，所述小容积进口缓冲容器的容积为50mL，小容积出口缓冲容器的容积为100mL。

所述气体增压系统包括氮气瓶1、高压增压泵8和空气压缩机5，所述氮气瓶1的输出端依次连接有减压阀2、第一压力表3和电磁阀4，所述电磁阀4与所述高压增压泵8的输入端连接；所述空气压缩机5的输出端依次连接有第二压力表6和第六气体开关7，所述第六气体开关7与高压增压泵8的输入端连接；高压增压泵8的输出端与所述增压器10的输入端连接。氮气瓶1出口压力1.5-2MPa，使用高压增压泵8使氮气瓶1出口压力提高20-30倍，以满足实验要求的压力，可使实验测试的最高压力达30MPa，并且可以保持入口压力供压的稳定性，通过二次增压可使实验测试压力波动范围小于0.01％，达到消除气测滑脱效应影响，可使渗透率精度大大提高。高压增压泵8配套一台空气压缩机提供动力，利用高压增压泵8同时增加岩心夹持器组入口端和出口端的压力，可以消除滑脱效应的影响，有助于维持压差的稳定，实验重复性测试结果误差较小，最大限度的反应了岩石的固有属性。

实验测试过程中，首先将烘干过并测量好尺寸的岩样放入岩心夹持器，岩样周围包裹好岩心护套45，从增压器10中施加一个较小的压力，对岩样进行排空处理。排空后通过计算机控制岩样两端的压头46对岩样施加一个较小的接触载荷，再通过手动围压增压泵对每个岩样施加一个较小的围压，实验过程中开启气体增压系统，并打开大容积进口缓冲容器14、大容积出口缓冲容器41两端的第三气体开关12、第五气体开关13，使氮气充满大容积进口缓冲容器14、大容积出口缓冲容器41，再打开所需测量岩样的岩心夹持器断口处的小容积进口缓冲容器、小容积出口缓冲容器的气体开关，直到岩样两端的压力达到平衡。整个加压的过程要围压和孔压同步增加，且保持围压的大小始终高于孔压，避免岩样产生人为的微裂缝影响测量结果。岩样两端的压力平衡后，再通过释放出口端的压力，使岩样两端产生一个较小的压力差，在岩样内部形成一维渗流，压力差由压差传感器测量。压差产生后迅速关闭下游出口端的气体开关，下游端的压力将逐步增加，直至达到新的压力平衡状态。通过计算机43记录压力差与时间的变化数值。

以两组岩样对比实验为例，岩样渗透率测量的具体步骤如下：

步骤1、钻取直径25mm或38mm的岩心作为岩样，岩心长度根据岩石致密程度调整。此处两个支路测试岩心直径均以25mm为例，特低渗岩样的长度为10-20mm，低渗岩样的长度为20-50mm。

步骤2、实验开始前，把待测岩心在60℃的烘箱中烘烤24小时，并用氮气充分饱和。

步骤3、测量烘干好的岩心的长度与直径，将数据记录在计算机中。

步骤4、将岩样放置于岩心夹持器19中的两个压头46之间，实验开始前先从增压器10中施加一个较小的压力，关闭第二气体开关11、第三气体开关42、气体开关18、气体开关20，该气路上的其他气体开关开启，再缓慢打开第二气体开关11、第四气体开关42，使氮气充满气路，关闭第二气体开关11、第四气体开关42。打开气体开关18，并用增压器10推动氮气，使氮气从进口端的压头溢入，关闭气体开关18，打开气体开关20，用增压器10推动氮气，使氮气从出口端的压头溢出，关闭20号阀。完成空气排空后，将岩样用热缩管44和乳胶膜密封。

步骤5、实验开始，先对岩样施加轴向接触载荷和围压，通过计算机43控制位于岩心夹持器前端的压头压紧岩样，再通过手动围压增压器22、35分别向各支路的岩心夹持器中注入液压油，监测注入液压油过程中对应的压力表23、36的变化，围压和岩样的孔压要同步施加，且保证所加的围压一直略高于孔压，待压力增加到实验设计的围压时停止加压，此举是为了避免围压一次性加到设计值导致岩样产生微裂缝。各支路压力加载环节操作方式相同，以第一支路为例，施加孔压时，先开通氮气瓶，调节减压阀使氮气瓶出口压力控制在1.5MPa左右，同时打开空气压缩机和气体增压泵，使气体压力缓慢增加到实验设定的入口压力。之后关闭第二气体开关11、第四气体开关42，打开第三气体开关12、第五气体开关13、气体开关15、气体开关17、气体开关18、气体开关20、气体开关24、气体开关27，通过增压器对系统施加适当的压力，等待几分钟后，关闭第二气体开关11、第三气体开关12、第五气体开关13，非常轻微的打开第四气体开关42，让出口端部的压力缓慢释放，此时岩心夹持器前后两端产生了一个初始的孔压压差△Pi，该压差通过压差传感器21计量，待压差传感器的值达到预期的压力差△Pf时，关闭第四气体开关42，此时经过的时间记为△t。查看压力传感器25的读数，直到达到平衡点。每个岩心夹持器之间连接有一个六通阀，若所有岩心夹持器都施加相同的围压，则打开六通阀，所有岩心夹持器同时施加围压；若实验设计需对不同的岩样施加不同的围压，则关闭六通阀，每个岩样分别加压，互不干扰。

步骤6、计算机记录压差与时间变化的值，利用气测渗透率公式计算致密岩样的渗透率。