CN107631973A - 一种超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，包括一端开口的围压腔，和安装在围压腔内的渗透腔，渗透腔包括两端开口的筒形皮套和分别封闭皮套下游端的密封堵头，和活动封闭围压腔开口一端的底盘，和一端与密封堵头上的出气道焊接连接另一端由底盘穿出的排气管，以及提供高压气体的增压装置。通过本发明可以采用一套设备完成各向异性、非均质、超低渗岩样气测渗透率所必需的三种测试。实现三种方法测试共用气体增压***、抽真空***、阀门、压力传感器和大部分气路，节省了原材料的费用，同时减小占地面积，而且降低了生产、调试和后期维护检修过程中气密性检测、压力传感器校准等工作任务的三分之二。

Description

一种超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置

技术领域

本发明涉及石油工程领域的岩芯渗透率的气测测试技术，特别涉及一种适用于各向异性、非均质、超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置。

背景技术

岩石渗透率是储层物性研究、地层损害评价、油气藏开发设计的重要参数和指标。以页岩气为代表的非常规油气具有低孔低渗的特征，其非均质性和各向异性较常规储层显著。以页岩气为例，其渗透率可达纳达西，较常规储层毫达西小四-六个数量级。采用液测或者稳态测试的方法测量渗透率为毫达西以下(1md＝9.87×10^-16m²)样品的耗时过长且信号弱精度难以保证。因此，一般多采用瞬态气测方法进行测定

除此以外，实际测试中发现页岩垂直层面和平行层理方向渗透率存在量级上的差异，各向异性明显；页岩气储层中孔隙类型包括有机质和无机质中的纳米孔、无机基质中的微纳米裂缝和天然或人工致裂产生的毫米裂缝，孔隙跨越尺度大、类型多样，非均质性强。页岩气从储层中被开采出来需要经过纳米孔-微米微裂缝-毫米缝三级孔隙。页岩气在三级孔隙结构的渗透率存在量级上的差异，需要分别表征以明确页岩气的整个渗流过程和各阶段的贡献及影响。目前的测量方法一般有三种：压力脉冲衰减法，原地测试法和破碎岩心渗透率测试法。这三种方法各有所长，相辅相成，分别适用于三级孔隙结构的渗透率测试，需要依次展开测试。现有的做法是对于三种测试需采用三台不同的设备完成。这既有三种测试的原理不同，所需配置的配件不同的原因；也由于三类设备测试的渗透率量级范围不同，对气路***的体积要求不同。现在装置的气路体积一般设置为固定值，例如为了适应特别低渗样品，需要将参考腔设置成极小体积。不同设备的气路体积不同也限制了其开展不同方法测试的可能。

因此，常见的做法是在实际使用过程中，需要购买三台设备，配备各自独立的供气***和抽真空***等，占地面积较大，如果考虑自动化和计算机控制，还需要配备相应的计算机，设计三套控制软件等。除此以外，从设备维护角度考虑，需要定期对三台设备的三支传感器和气路的气密性等进行检查；三台设备的压力传感器特性和气密性难以保证完全一致，可能带来***性的测试误差难以消除。

对于超低渗样品，还存在气密性要求较严格的问题。测量设备的常规结构如下:通过皮套将待测岩心进行圆周夹持，两端利用堵头封堵，然后对待测岩心通以高压气体，最后通过时间、渗透速度和压力等值的变化得到当前待测岩心的渗透率。此测量设备采用两端小腔体设计，一旦气路中任何一个地方存在微小的漏点，则可能造成压力的显著变化，影响最终的测量结果。

而现有的测量设备的连接点较多，在采用不同的测试方法或更换不同尺寸的岩心时，都需要拆卸测量设备相应的连接点，再进行配套安装，频繁的拆卸可能导致密封配件更快失效或密封性能下降，如两端堵头的更换，排气管的更换等，这些行为都容易造成接着损坏或内部压力泄漏。

发明内容

本发明的目的是要提供一种适用于各向异性、非均质、超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置。

特别地，本发明提供一种超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，包括：

围压腔，为一端开口的圆形腔体，在未开口端上设置有排气孔；

渗透腔，安装在所述围压腔的内部，包括两端开口的筒形皮套，和分别封闭皮套下游端的密封堵头，在所述密封堵头上设置有沿轴向贯穿的出气道；

底盘，活动封闭所述围压腔的开口一端，设置有向所述围压腔内注水的进水口、和向一侧突出以封闭所述皮套上游端的固定堵头，在固定堵头处设置有沿轴向贯穿的进气道；

排气管，一端与所述密封堵头上的出气道焊接连接，另一端由所述底盘穿出，在所述底盘上设置有供所述排气管伸出的通孔，在所述通孔朝向所述围压腔内部的一侧依次安装有不锈钢垫圈、O形圈和压板，所述压板通过螺栓与所述底盘固定；

增压装置，包括与所述底盘上进气道连接以向待测岩心提供指定气体压力的进气***，和与所述排气管连接以接收待测岩心排出气体的排气***，以及对整个管路抽真空的真空泵。

在本发明的一个实施方式中，在所述围压腔内安装有恒温循环管，所述恒温循环管由所述围压腔相对所述底盘一端伸入所述围压腔内，在形成均匀分布后再由所述围压腔的该端伸出。

在本发明的一个实施方式中，在所述固定堵头和所述密封堵头相对的一面分别设置有带内螺纹的凹槽，所述凹槽用于安装封堵不同直径待测岩心的活动堵头，所述活动堵头通过螺纹安装在所述凹槽内，且在所述活动堵头上设置有与所述进气道和所述出气道连通的气孔。

在本发明的一个实施方式中，所述活动堵头的直径小于所述密封堵头和所述固定堵头的直径，且所述密封堵头和所述固定堵头的直径与最大直径的待测岩心直径对应。

在本发明的一个实施方式中，还包括用于填充所述凹槽的堵块，所述堵块通过螺纹拧在所述凹槽内，所述堵块包括设置有气孔以与所述进气道或出气道连通的连通堵块，和实心的封堵堵块。

在本发明的一个实施方式中，还包括用于盛装粉碎岩心样品的样品罐，所述样品罐的一端通过转接头与所述固定堵头上的凹槽连接。

在本发明的一个实施方式中，所述进气***包括连接所述底盘上进气道和所述真空泵的进气管路，在所述进气管路上并联有对气体增压的气压***，和用于匹配待测岩心渗透率量级的第一扩展腔模块，以及检测气体压力和温度的第一传感单元和控制进气管路实现不同通断效果的第一阀门组；

所述排气***包括连接所述排气管和所述真空泵的排气管路，在所述排气管路上连接有匹配待测岩心渗透率量级的第二扩展腔模块，以及检测气体压力和温度的第二传感单元和控制排气管路实现不同通断效果的第二阀门组。

在本发明的一个实施方式中，在所述底盘上设置有供所述排气管伸出的通孔，在所述通孔朝向所述围压腔内部的一侧依次安装有不锈钢垫圈、O形圈和压板，所述压板通过螺栓与底盘固定。

在本发明的一个实施方式中，在所述皮套与所述密封堵头接触的外部，设置有固定所述密封堵头的卡箍。

在本发明的一个实施方式中，在所述底盘上安装有检测所述围压腔内水温的温度传感器，和检测所述围压腔内部压力的围压传感器。

本发明的围压腔仅一端开口，同时排气管的管径统一并采用焊接固定，可以减少现有测量设备存在的漏点多而导致内部压力显著变化的问题，提高测量精度和更换测试对象时的效率。

通过本发明可以采用一套设备就能完成各向异性、非均质、超低渗岩样气测渗透率所必需的三种测试。实现三种方法测试共用气体增压***、抽真空***、阀门、压力传感器和大部分气路，节省了原材料的费用，同时减小占地面积，而且降低了生产、调试和后期维护检修过程中气密性检测、压力传感器校准等工作任务的三分之二，而且可保证不同方法结果的***误差一致；同时采用控制***一体设计，可除去冗余设计，节省工作量。

附图说明

图1是根据本发明一个实施方式的多方法同机测试装置结构示意图；

图2是图1中围压腔部分的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个实施例提供超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置一般性地包括围压腔10、渗透腔20、底盘30、排气管40和增压装置60。

该围压腔10为一端开口的圆形腔体，以用于安装渗透腔20，在未开口端上设置有排气孔11。

该底盘30活动封闭在围压腔10的开口一端，以使围压腔10形成一个密闭的环境，在底盘30上设置有向围压腔10内注水的进水口31。底盘30可以通过螺栓一类固定件与围压腔10固定。此外，可以在底盘30与围压腔10接触的接触面上，设置环形的密封槽32，然后在密封槽32内安装密封条33，以提高底盘30与围压腔10之间的密封效果。

该渗透腔20安装在围压腔10的内部，与围压腔10的内侧壁有一定的间隔，包括两端开口以圆周夹持待测岩心50的筒形皮套21，和封闭皮套21上游端的固定堵头22、封闭下游端的密封堵头23，在固定堵头22和密封堵头23上分别设置有沿轴向贯穿的进气道221和出气道231，该进气道221和出气道231用于连通渗透腔20和围压腔10。本实施方式中，固定堵头22与底盘30为一体设置，由底盘30的一侧凸出形成，以减少可拆卸连接点。

该排气管40的一端位于围压腔10内并与密封堵头23上的出气道231焊接连接，另一端经过弯折后由围压腔10内穿出底盘30。排气管40采用整段完整管线直接连到外部阀门的方式，中间不进行拼接、变径等处理。上述结构能够减少因待测岩心50高度不同而进行管线组合或拼接时所带来的泄漏点增加和体积增加问题。

为方便排气管40的调整，可以在底盘30上设置供排气管40由围压腔10内伸出的通孔34，在通孔34朝向围压腔10内部的一侧依次安装支撑环41、O形圈42和压板43，压板43通过螺栓与底盘30固定。当排气管40需要根据测试岩心50的高度调整固定位置时，可以拧松螺栓，使排气管40相对通孔34滑动。当调节到位后，再拧紧螺栓，利用压板43对O形圈42的挤压将排气管40密封固定在通孔34处。本实施方式可以在螺栓和底盘30的拧紧力作用下，通过压板43和支撑环41压紧O型圈42，填满底盘30和排气管40之间的孔隙，以免造成围压水体的泄露和围压下降或无法保持。

由于排气管40与密封堵头23上的出气道231是采用焊接固定，因此在调节时，排气管40可随密封堵头23同步移动，进而减少连接结构，降低泄漏可能。

该增压装置用于为实验提供抽真空及高压气体，包括与底盘上进气道连接以向待测岩心提供指定气体压力的进气***，和与排气管连接以接收待测岩心排出气体的排气***，以及对整个管路实现抽真空的真空泵。

在实验时，将待测岩心50***皮套21内，用密封堵头23封闭皮套21的下游端，再由围压腔10的开口端放入围压腔10内，利用底盘30将围压腔10的开口端密封，同时使固定堵头22***皮套21的上游端，然后根据待测岩心50的高度调整排气管40穿出底盘30的位置，然后将其密封固定。

增压装置通过真空泵对整个实验***进行抽真空，然后由围压水压增压***通过通过底盘30上的进水口31向围压腔10内注水，围压腔10中的空气由围压腔10上的排气孔11排出，当气体排尽后，可以利用阀门将排气孔11封闭，通过水压增压对渗透腔20施加围压，使围压腔10内的压力较排气管40内压力大于3MPa以上。

进气***由由底盘30上的进气道221进行充气，高压气体进入待测岩心50，高压气体通过对待测岩心50的渗透，由待测岩心50的下部向上部渗透，最后由待测岩心50的上端进入出气道231和排气管40，然后由排气管40排出围压腔10后进入排气***。

通过在初始时刻给定待测岩心50两端一定的气体压力差，再测量充气过程中压力差随时间的衰减曲线，进而可计算得到渗透率。测试过程中，上下游压力差随时间的衰减曲线是直接测量值，渗透率值为依据压力随时间衰减曲线，根据一定的流动模型计算的结果。

一般来说，在同等的待测岩心50大小(长度和截面面积)、腔体体积、温度、测试气体和初始压差条件下，压力随时间变化的速率越快，渗透率越高。因此，对于超低渗样品而言，其压力差随时间变化的速率相对较低。样品的渗透率直接决定了单位时间内气体由待测岩心上游到达待测岩下游的气体量。除此以外，上下游腔体的大小也对压力差的变化速率有影响。低渗透样品单位时间通过的气体量小，为了保证压力差随时间变化的信号足够明显，需要将上下游腔体的体积设计得足够小，以保证小气体量变化在压力数值变化上有足够明显的反映。通过本实施方式的围压腔仅一端开口和排气管的安装结构，可以减少现有测量设备存在的漏点多而导致内部压力显著变化的问题。

本实施方式中，自待测岩心50下端截面截止的进气***61的体积，与待测岩心50上端截面开始的排气***62的体积相同或尽可能接近，而该体积的设置可根据装置可测试的渗透率下限进行设置。

在本发明的一个实施方式中，可以在围压腔10内安装恒温循环管12，该恒温循环管12由围压腔10相对底盘30一端伸入围压腔10内，围绕渗透腔20的***在围压腔10内形成均匀分布后再由伸入端引出。恒温循环管12采用管径统一的管路，在围压腔10内呈螺旋形环绕分布，以对围压腔10内的水进行均匀加温，使其保持在实验所要求的恒温状态，通过恒温水浴保证待测岩心50处温度恒定，可以消除温度变化对气体和围压压力的影响，从而保证计算结果的稳定性。采用螺旋状管路分布，还便于空间布置，增大热交换面积，利于围压水体的温度稳定。

在本发明的一个实施方式中，可以在底盘30上安装检测围压腔10内水温的温度传感器35，和检测围压腔10内部压力的围压传感器36。

在本发明的一个实施方式中，为方便测试不同直径的待测岩心，在固定堵头22和密封堵头23相对的一面分别设置有带内螺纹的凹槽24，该凹槽24用于安装不同直径的活动堵头25，活动堵头25的直径小于固定堵头22和密封堵头23的直径，活动堵头25的形状与密封堵头23和固定堵头22的形状对应，只是在上表面设置有一个带有外螺纹的圆柱。在当前待测岩心50的直径小于密封堵头23和固定堵头22的直径时，则可以选择相应直径的活动堵头25，利用圆柱拧在密封堵头23和固定堵头22上的凹槽24内，每个活动堵头25上都设置有与固定堵头22和密封堵头23上的进气道221和出气道231连通的气孔251。在使用时，仅将活动堵头25部分***皮套21的两端实现密封，安装后气孔251分别与进气道221和出气道231连通。

本实施方式中，固定堵头22和密封堵头23的直径相同且大于活动堵头25，并与可测试的最大直径的待测岩心50的直径对应。以1.5英寸和1.0英寸两种直径的岩心为例，固定堵头22和密封堵头23的直径分别为1.5英寸，活动堵头25的直径则为1.0英寸，当测试1.5英寸的岩心时，可直接用固定堵头22和密封堵头23对皮套21的两端进行密封。当测试1.0英寸的岩心时，可将活动堵头25拧在固定堵头22和密封堵头23的凹槽24内，利用活动堵头25直接密封皮套21，此状态下固定堵头22和密封堵头23位于皮套21的端口外。

在采用不同直径的堵头时，相应的位置会发生变化，此时，仅需调整排气管40使其随密封堵头23的位置升降，调整到位后，再将排气管40与底盘30的连接处进行密封固定。

现有技术中，测量的岩心不但在直径上有不同，在长度上也有不同，因此，设计有不同长度的密封堵头23和排气管40，考虑耐高围压的要求，现有排气管40设计的较粗，并不具备良好的柔性，而且需要事先对不同长度的密封堵头23和排气管40进行体积标定。此外，体积是计算渗透率的输入参数之一，因此还需要在计算渗透率过程中注意防止气路体积使用上的混淆。

本实施方式将排气管40与密封堵头23焊接固定，可以在不改动或拆卸原有结构的情况下，通过在垂直方向上的同时移动，来适应不同长度的待测岩心50。采用一体化的排气管，在减少泄漏点的同时可保持排气管40的体积不变，减少标定次数，通过与活动堵头25的配合可适应不同直径和长度的测试岩心50，避免现有技术中在对不同直径和长度的岩心测试时，需要更换密封堵头23的结构设计，简化了结构设计和拆卸过程，减少了泄露的可能。

此外，在固定堵头22和密封堵头23与活动堵头25接触的接触面上，可以设置环形密封槽，并安装O形圈，通过两个堵头端面的夹紧，实现密封。

采用本发明的设计，可以保证测量大直径样品时尽可能减少漏点，同时，测量小直径样品时，通过O型圈和螺纹密封，装配方便的同时也能保证很好的密封效果。由此，实现两级或多级直径的配套使用，无需增加额外的堵头和体积，减少了堵头和排气管连接的重新拆装和安装，减少了测试和计算的变量，节省了时间，降低了气体泄漏的风险，而且气路体积始终保持不变，实验数据处理不容易出错。

此外，测量不同长度的待测岩心50时，只需要在安装的时候松开底盘30上的密封结构，排气管40便可上下调节位置，待垂向位置确定后再紧固密封结构即可。在试验时，底盘30下方必须预留足够空间，以保证排气管40的下行空间。

当单独使用固定堵头22和密封堵头23时，为避免凹槽24增加气路体积，可以设置一个用于填充凹槽24的堵块26，堵块26外表面设置外螺纹，其形状与凹槽24的大小对应，当堵块26拧入凹槽24内后，其底面与固定堵头22和密封堵头23的表面平齐。堵块26可以包括设置气孔的结构的连通堵块261，和不设置气孔结构的封堵堵块262，两种结构的堵块可以用于不同的实验中。

为提高密封效果，可以在皮套21的两端部安装相应的卡箍，当固定堵头22和密封堵头12或活动堵头25***皮套21内后，可利用卡箍将皮套21的端部箍紧，以减少泄露。

在利用压力脉冲衰减法对待测岩心50进行渗透率测试时，在对待测岩心50进行夹持时，位于固定堵头22和密封堵头23上的堵块26均采用中间有气孔的连通堵块261，高压气体可通过两个连通堵块261从上游经过待测岩心50到达下游。

在利用原地测试法对待测岩心50进行测渗透率测试时，位于下游(出气端)的堵块26为无气孔的封堵堵块262，上游(进气端)的堵块26采用中间有气孔的连通堵块261，高压气体可通过连通堵块261从上游经过待测岩心50，但无法通过下游处的封堵堵块262。

前述两种方案的待测岩心50均为柱样，而进行破碎待测岩心50渗透测试时，位于下游(出气端)处的堵块26采用无通孔、密封的堵封堵块262。上游(进气端)堵块26采用转接头替代，该转接头另一端连接装有粉碎样品的样品罐。样品罐无需施加围压，通过恒温水浴对气路及样品罐进行恒温。

在本发明的一个实施方式中，该增压***60的进气***61包括连接底盘30上进气道221和真空泵63的进气管路611，在进气管路611上并联有提供高压气体的气压***612，和用于匹配待测岩心渗透率量级的第一扩展腔模块613，以及检测气体压力和温度的第一传感单元614和控制进气管路611实现不同通断效果的第一阀门组。

增压***60的排气***62包括连接排气管40和真空泵63的排气管路621，在排气管路621上连接有匹配待测岩心渗透率量级的第二扩展腔模块622，以及检测气体压力和温度的第二传感单元623和控制排气管路621实现不同通断效果的第二阀门组。

进气***61和排气***62的体积尽量相同。所有传感器和阀门可以通过串口与计算机连接和通讯。根据所设定的测试流程，由计算机自动控制各部件和阀门的工作状态，每隔一定时间间隔自动记录传感器值，无需人工计数，并在测试完毕可将所有记录数据输出到表格文件中以供后续计算处理。

为了适应高渗透率样品测试，本实施方式中进气管路611和排气管路621中的扩展腔613、622分别设置有三级子扩展腔，如：本实施方式中三个子扩展腔的体积分别为20ml、200ml和500ml，通过第一扩展腔阀615、第二扩展腔阀624控制开启或关闭。三个子扩展腔体积总和依据测试渗透率上限值确定。以压力脉冲衰减法为例，如需测试毫达西量级渗透率样品，则该三个子扩展腔与主体气路体积之和需大于600ml。

本实施方式中的第一阀门组包括控制进气管路611与底盘30通断的第一进气阀616，断开进气管路611与真空泵63的第一抽气针阀617，断开气压***612与排气管路611的高压进气阀门618，以及分别控制第一扩展腔613上三个子扩展腔的第一扩展腔阀615。

第二阀门组包括断开排气管路621与真空泵63的第二抽气针阀624，和分别控制第二扩展腔622上三个子扩展腔的第二扩展腔阀624。

在真空泵63处设置有断开真空泵63与进气管路611和排气管路621连接的抽气阀631。

本实施方式通过上述设定和堵块26与活动堵头25的配合，可以通过一套设备对待测岩心50实现多种实验方式，以下以具体实施例的方式对本装置的工作过程进行详细说明。

实施例1：压力脉冲衰减法测试实施步骤；

1)将待测岩心50装入渗透腔20，四周套上皮套21，上方用密封堵头23堵住，皮套21和密封堵头23接触地方用卡箍箍紧；

2)打开增压装置60上除高压进气阀618外的所有阀门，用真空泵63对气路进行抽真空，盖上底盘40使固定在一起的固定堵头22***皮套21的上游端内，然后上水，增加围压，通过恒温水浴***64对围压水体进行恒温，通过空气浴对渗透腔20外气路进行恒温；

3)关闭增压装置60上的所有阀门，根据测试岩心的渗透率量级范围选择合适的子扩展腔，打开相应的上下游的相应子扩展腔阀615、614(可逐级增加扩展腔体积进行测试，以找到合适的扩展腔配置方案)，打开高压进气阀618，使上游压力达到预定压力后关闭高压进气阀618，测试准备状态完毕；

4)待气路和水浴温度恒定后，点击计算机上的“开始测试”按钮，自动打开进气阀616，每隔一定时间间隔自动记录时间和对应的上游和下游的第一传感单元614和第二传感单元623的值。

5)待进气管路611和排气管路621上的压力平衡或记录数据量足够后，点击计算机上的“停止测试”按钮，自动关闭高压进气阀618，停止数据记录；

6)结束步骤，打开增压装置60上除进气阀616外的所有阀门，抽真空后关闭所有开关，逐级降低围压，排水(打开围压腔10上盖上的排气阀13，注入增压气体以加快排水速度)，打开底盘30，拆卸渗透腔20的皮套21和密封堵头23，取出测试岩心。

7)导出上下游压力随时间变化曲线，进行渗透率计算。

以常用的上下游体积相同的理想气体(如氦气)的压力脉冲衰减渗透率计算公式为例说明：

式中，t为时间；P_1,t和P_2,t分别为t时刻的上游压力和下游压力；P_1,0和P_2,0分别为初始时刻的上游压力和下游压力。参数α可以表示为：

式中，K为渗透率；A为样品截面积；L为样品长度；μ_g为气体粘度；V₁和V₂分别为入口腔体积和出口腔体积。通过对上下游压力差随时间变化曲线参数拟合得到渗透率参数α，进而计算得到渗透率K。

实施例2：原地测试法实施步骤；

1)将待测岩心50装入渗透腔20，四周套上皮套21，皮套21的下游端用密封堵头23堵住，盖上底盘30使固定在一起的固定堵头22***皮套21的上游端内，皮套21和固定堵头22、密封堵头23接触的地方用卡箍箍紧；与压力脉冲衰减测试不同的是，待测岩心下游(出气端)的堵块26更换为中间不带气孔的封堵堵块262，由待测岩心50渗透后的气体无法通过该封堵堵块262进入下游气路。由排气管40至第二抽气针阀624之间的气路在此方法测试中不使用，下述阀门中不包括该部分气路中的阀门。

2)打开进气管路611上除高压进气阀618外的所有阀门，用真空泵63对进气管路611进行抽真空，盖上围压腔20的底盘30，上水，增加围压，通过恒温水浴***64对围压水体进行恒温，通过空气浴对渗透腔20外气路进行恒温；

3)关闭所有阀门，根据待测岩心50的渗透率量级范围选择合适第一扩展腔613中的合适子扩展腔，打开相应的子扩展腔阀615(可逐级增加扩展腔体积进行测试，以找到合适的扩展腔配置方案)，打开高压进气阀618，使进气管路611内压力达到预定压力后关闭高压进气阀618，测试准备状态完毕；

4)待气路和水浴温度恒定后，点击计算机上“开始测试”按钮，自动打开进气阀616，每隔一定时间间隔自动记录时间和第一传感单元614上的压力传感器值；

5)待压力值达到平衡或记录数据量足够后，点击计算机上“停止测试”按钮，自动关闭高压进气阀618，停止数据记录；

6)结束步骤，打开进气管路611上除进气阀616外的所有阀门，抽真空后关闭所有开关，逐级降低围压，排水(打开围压腔20上的排气阀13，注入增压气体以加快排水速度)，打开底盘30，拆卸渗透腔20上皮套21和密封堵头23，取出测试岩心。

7)导出上游压力随时间变化曲线，进行渗透率计算。

以常用原地测试渗透率计算公式为例说明：

渗透率计算公式如下：

其中，

式中，K为渗透率，单位10^-3μm²；φ为孔隙度；C_g为气体压缩系数；μ_g为气体粘度，单位mPa·s；d、h为中间变量，单位cm^-1；L为测试岩芯长度，单位cm；A为测试岩芯端面面积，单位cm²；c为气体浓度，单位mol/m³；c_s、c_e、c_r分别为初始时刻样品室内(进气阀到岩样)、平衡时气路中、测试开始时对比室(第一进气阀、第一抽气针阀、高压进气阀和所有关闭的子扩展腔阀之间的体积)内的气体浓度，单位mol/m³，可根据压力由气体状态方程求得；下标D表示无量纲。

实施例3：破碎岩心渗透率测试实施步骤；

1)待测岩心经破碎到预定目数后装入体积合适的样品罐，该样品罐通过转接头与底盘30上的固定堵头22处的凹槽配合密封；待测岩心下游(出气端)的堵块26更换为中间不带气孔的封堵堵块262，气体无法通过该封堵堵块262流入排气***62。该封堵堵头262到第二抽气针阀624之间的气路在此方法测试中不使用，下述阀门不包括该部分气路中的阀门。

2)打开进气管路611上除高压进气阀618外的所有阀门，用真空泵63对进气管路611进行抽真空，盖上围压腔20的底盘30，上水，无需增加围压，通过恒温水浴***64对围压水体进行恒温，通过空气浴对围压腔20外气路进行恒温；

3)关闭所有阀门，根据待测岩心的渗透率量级范围选择合适的子扩展腔，打开相应的子扩展腔阀615(可逐级增加子扩展腔体积进行测试，以找到合适的子扩展腔配置方案)，打开高压进气阀618，使进气管路611压力达到预定压力后关闭高压进气阀618，测试准备状态完毕；

4)待气路和水浴温度恒定后，点击计算机上“开始测试”按钮，自动打开高压进气阀618，每隔一定时间自动记录时间和第二传感单元614上压力传感器值。

5)待压力值达到平衡或记录数据量足够后，点击计算机上“停止测试”按钮，自动关闭进气阀616，停止数据记录；

6)结束步骤，打开进气管路611上除进气阀616外的所有阀门，抽真空后关闭所有开关，排水(打开围压腔20上盖上的排气阀13，注入增压气体以加快排水速度)，打开底盘30，拆卸样品罐和堵头，取出测试岩心。

7)导出进气管路上压力随时间变化曲线，进行渗透率计算。

以常用的破碎岩心渗透率用氦气测试的计算公式为例说明：

其中，Ra为粉碎样品的直径，φ为样品孔隙度，μ为气体粘性系数，c_g为气体压缩因子，s₁为测试后期ln(F_R)随时间t变化的直线部分斜率。α₁是方程的解。K_c是样品室和参考室除去样品的体积与样品内孔体积的比值。ρ_c0是样品室和参考室的初始平均气体密度，ρ₀是参考室初始气体密度，ρ是气体密度。本装置用于该方法测试中，样品室也就是进气阀到样品罐的空间，参考室即进气阀、高压进气阀、第一抽气针阀和所有关闭的子扩展腔阀之间的空间。

通过该发明，可以采用一套设备就能完成各向异性、非均质、超低渗岩样气测渗透率所必需的三种测试。实现三种方法测试共用气体增压***、抽真空***、阀门、压力传感器和大部分气路，节省了原材料的费用，同时减小占地面积，而且降低了生产、调试和后期维护检修过程中气密性检测、压力传感器校准等工作任务的三分之二，而且可保证不同方法结果的***误差一致；同时采用控制***一体设计，可除去冗余设计，节省工作量。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，其特征在于，包括：

围压腔，为一端开口的圆形腔体，在未开口端上设置有排气孔；

渗透腔，安装在所述围压腔的内部，包括两端开口的筒形皮套，和分别封闭皮套下游端的密封堵头，在所述密封堵头上设置有沿轴向贯穿的出气道；

底盘，活动封闭所述围压腔的开口一端，设置有向所述围压腔内注水的进水口、和向一侧突出以封闭所述皮套上游端的固定堵头，在固定堵头处设置有沿轴向贯穿的进气道；

排气管，一端与所述密封堵头上的出气道焊接连接，另一端由所述底盘穿出，在所述底盘上设置有供所述排气管伸出的通孔，在所述通孔朝向所述围压腔内部的一侧依次安装有不锈钢垫圈、O形圈和压板，所述压板通过螺栓与所述底盘固定；

增压装置，包括与所述底盘上进气道连接以向待测岩心提供指定气体压力的进气***，和与所述排气管连接以接收待测岩心排出气体的排气***，以及对整个管路抽真空的真空泵。

2.根据权利要求1所述的超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，其特征在于，

在所述围压腔内安装有恒温循环管，所述恒温循环管由所述围压腔相对所述底盘一端伸入所述围压腔内，在形成均匀分布后再由所述围压腔的该端伸出。

3.根据权利要求1所述的超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，其特征在于，

在所述固定堵头和所述密封堵头相对的一面分别设置有带内螺纹的凹槽，所述凹槽用于安装封堵不同直径待测岩心的活动堵头，所述活动堵头通过螺纹安装在所述凹槽内，且在所述活动堵头上设置有与所述进气道和所述出气道连通的气孔。

4.根据权利要求3所述的超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，其特征在于，

所述活动堵头的直径小于所述密封堵头和所述固定堵头的直径，且所述密封堵头和所述固定堵头的直径与最大直径的待测岩心直径对应。

5.根据权利要求3所述的超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，其特征在于，

还包括用于填充所述凹槽的堵块，所述堵块通过螺纹拧在所述凹槽内，所述堵块包括设置有气孔以与所述进气道或出气道连通的连通堵块，和实心的封堵堵块。

6.根据权利要求3所述的超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，其特征在于，

还包括用于盛装粉碎岩心样品的样品罐，所述样品罐的一端通过转接头与所述固定堵头上的凹槽连接。

7.根据权利要求1所述的超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，其特征在于，

所述进气***包括连接所述底盘上进气道和所述真空泵的进气管路，在所述进气管路上并联有对气体增压的气压***，和用于匹配待测岩心渗透率量级的第一扩展腔模块，以及检测气体压力和温度的第一传感单元和控制进气管路实现不同通断效果的第一阀门组；

所述排气***包括连接所述排气管和所述真空泵的排气管路，在所述排气管路上连接有匹配待测岩心渗透率量级的第二扩展腔模块，以及检测气体压力和温度的第二传感单元和控制排气管路实现不同通断效果的第二阀门组。

8.根据权利要求1所述的超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，其特征在于，

在所述底盘上设置有供所述排气管伸出的通孔，在所述通孔朝向所述围压腔内部的一侧依次安装有不锈钢垫圈、O形圈和压板，所述压板通过螺栓与底盘固定。

9.根据权利要求1所述的超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，其特征在于，

在所述皮套与所述密封堵头接触的外部，设置有固定所述密封堵头的卡箍。

10.根据权利要求1所述的超低渗岩样气测渗透率多方法同机测试装置，其特征在于，

在所述底盘上安装有检测所述围压腔内水温的温度传感器，和检测所述围压腔内部压力的围压传感器。