CN108414419A - 一种三轴渗透率测试与co2驱替模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，属于煤层气开采领域，模型***(1)、气体控制***(2)、温度控制***(3)、三轴加载***(4)、抽真空***(5)、气体样品采集***(6)和电气控制及监控***；由气体控制***(2)提供试验用气体，由温度控制***(3)控制试验温度，由三轴加载***(4)施加围压和轴压，由气体样品采集***(6)采集气体样品并对气体组分进行分析，由电气控制及监控***监控试验。该装置能够在实验室内实现CO2驱替的模拟试验过程，并能够通过测量岩样入口端施加的压力脉冲在岩样中的衰减数据，计算得到岩样的渗透率。本装置控温精度高、温度波动性小、便于控制、容易安装、安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种渗透率测试与驱替模拟试验装置，特别是涉及一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，属于煤层气开采领域。
背景技术
煤层气(煤矿瓦斯)、页岩气是新型的高效洁净能源。煤层气和页岩气开发对缓解我国油气资源紧张现状、减轻矿井灾害程度、减少温室气体排放等具有重要意义，是我国增强能源自主保障能力与调整优化能源结构的重要途径。我国煤层气、页岩气资源丰富，2000m以浅的煤层气储量达到36.81×1012m3，页岩气储量高达30×1012m3以上，开发潜力巨大。然而我国煤层气、页岩气开发利用率偏低，制约其开发的一个重要因素是煤层与页岩属于致密岩层，渗透率总体偏低，加之我国地质构造条件复杂，煤层气、页岩气难以被有效产出。
由于竞争吸附优势，CO2注入煤层可有效置换或驱替煤层CH4，成为新的煤层气强化开发方式。煤层CO2地质存储与CH4强化开采(CO2-ECBM，即CO2Geological Storage-Enhanced Coal Bed Methane Recovery)技术融温室气体减排与新能源开发为一体，受到全球高度关注。CO2地质储存是一个复杂的科学问题，CO2注入速率、封存机制、有效容量、油气生产潜力等科学问题的研究，可为国家下一步实施CO2地质封存工程探索提供科学依据，推动中国CO2地质存储技术的形成和发展，服务国家减灾减排与新能源开发战略。因此，煤层CO2地质存储有效性机理仍是我国当前阶段CO2-ECBM亟待解决的科学问题。
现有实验室进行CO2驱替或置换煤层CH4以及测试岩石渗透率的试验装置及方法，对于煤层及页岩等致密岩石，测试效率较低、试验过程易受环境温度影响，测试结果误差相对较大。因此，设计一种适用于煤层及页岩等致密岩石的高效准确的渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置具有重要的理论及实际生产指导意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，该装置能够在实验室内模拟深部煤层高温高压环境，实现CO2驱替的模拟试验过程，并能够通过测量岩样入口端施加的压力脉冲在岩样中的衰减数据，计算得到岩样的渗透率，测试效率高，测量结果误差小。本试验装置控温精度高、抗腐蚀性强、温度波动性小、均匀性好、数据显示准确且直观、结构紧凑、便于控制、容易安装、操作简单、安全可靠，具备较好的实用性。
为了达到上述目的，本三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，包括：模型***、气体控制***、温度控制***、三轴加载***、抽真空***、气体样品采集***和电气控制及监控***；
所述的模型***包括岩心夹持器、上游参考缸、下游参考缸、应变测试仪和多个控制气体流通的阀门，所述的岩心夹持器样品室的入口与上游参考缸入口连通、出口与下游参考缸入口连通；所述的上游参考缸的出口与下游参考缸的出口连通，在上游参考缸和下游参考缸之间设有压差传感器；岩样外圆面上设有若干应变片，应变片引线自岩心夹持器的端部伸出并与应变测试仪电信号连接；所述的上游参考缸上连接有压力传感器一，下游参考缸上连接有压力传感器二，岩心夹持器样品室上连接有压力传感器三；
所述的气体控制***包括高压气瓶、减压阀、气体流量计二、恒温水浴、空压机、气体增压泵和多个控制气体流通的阀门，所述的高压气瓶包括氦气高压气瓶、二氧化碳高压气瓶和甲烷高压气瓶，所述的减压阀包括减压阀一、减压阀二和减压阀三；氦气高压气瓶、二氧化碳高压气瓶和甲烷高压气瓶与气体增压泵的进气口连接，连接管路穿过恒温水浴；所述的减压阀一、减压阀二和减压阀三分别设在氦气高压气瓶、二氧化碳高压气瓶和甲烷高压气瓶出口处管路上，气体流量计二设在三个减压阀和恒温水浴之间的总管路上；所述的空压机和气体增加泵连接，气体增压泵的出气口与岩心夹持器样品室入口和上游参考缸入口连接；
所述的温度控制***包括包裹岩心夹持器、上游参考缸和下游参考缸的电加热套，电加热套内设有温度传感器；
所述的三轴加载***包括液压伺服仪和环压跟踪泵，所述的液压伺服仪通过管路与岩心夹持器上端的压头连接，连接管路上设有压力传感器五；环压跟踪泵通过管路与岩心夹持器的环形空间连通，连接管路上设有压力传感器四；
所述的气体样品采集***包括气相色谱仪、气体流量计五、气液分离器、背压阀、压力传感器六及多个控制气体流通的阀门，所述的岩心夹持器的样品室的出口通过管路与气相色谱仪连接，连接管路上从岩心夹持器向气相色谱仪的方向上依次设有所述的压力传感器六、背压阀、气液分离器和气体流量计五；
所述的抽真空***包括真空泵，所述的真空泵与气体流量计五和气相色谱仪之间的管路连通；真空泵还与上游参考缸和下游参考缸之间的管路连通；
所述的电气控制及监控***，包括工控机、显示器及变送仪表、高速摄像机、继电保护和报警电路以及电气控制电路、配电电路及控制软件。
进一步的，所述的气体控制***还包括单向阀，所述的单向阀设在气体流量计二和恒温水浴之间的管路上，出气口朝向恒温水浴；
进一步的，所述的气体控制***还包括气体流量计一和气体流量计三，分别与气体流量计二并联设置；
进一步的，所述的气体样品采集***还包括气体流量计四和气体流量计六，分别与气体流量计五并联设置；
进一步的，所述的气体样品采集***还包括设在气液分离器和气体流量计五之间的干燥器；
进一步的，所述的压力传感器三为四个，沿着岩心夹持器内样品室轴线方向等间距设置；
进一步的，装置中所有的压力传感器和压差传感器的精度为0.05％，灵敏度为±0.05F.S；恒温水浴的控温精度为±0.1℃，工作温度为150℃；环压跟踪泵的流量精度为0.001ml/min，液压伺服仪的轴向负荷精度为±1％；应变测试仪的测量精度为0.2％±2με；温度传感器的测量精度为0.1℃；气体增压泵的增压比为100:1；
进一步的，整个装置中的管路采用316L管线。
本发明通过气体控制***向模型***提供试验用的甲烷气体、氦气及CO2，在气体经过气体增加泵前，先由恒温水浴对气体进行预加热，尤其是CO2，经过先加热后加压后即可生成超临界CO2，既满足了驱替试验的气体状态的条件，又简化了管路和设备之间的连接；通过温度控制***控制岩心夹持器所处的温度并保持恒温状态；通过三轴加载***中的液压伺服仪对岩心夹持器施加轴压、通过环压跟踪泵对岩心夹持器样品室施加围压；气体控制***、温度控制***和三轴加载***保证了岩心夹持器内岩样所处的环境尽可能地与深部煤层的地质环境相一致。
本发明还通过抽真空***在试验开始之前对装置进行抽真空，避免了空气和其他杂质对试验的准确性产生影响；通过气体样品采集***对反应后的气体组分进行分析，电气控制及监控***能够使试验人员远距离的操作试验装置及控制试验流程，对压力容器外状态进行视频监控，并且能够拍摄、录制试验过程，能够保障***安全。
本发明的模型***主要包括岩心夹持器和上游、下游两个参考缸，实现了试验装置的多功能化：既可以使用一个参考缸，实现传统的通过定压差或定流量或测量压力降的方法实现CO2驱替模拟及渗透率测试；还可以使用两个参考缸，通过测量岩样入口端施加的压力脉冲在岩样中的衰减数据，实现CO2驱替模拟及渗透率测试，可以通过一套试验装置，采用不同的方法实现同样的试验或测量，得到的数据相互印证，使试验更加精准。
本发明的各项技术指标均达到国家标准，并具有控温精度高，抗腐蚀性强，热平衡时间短，温度波动性小，均匀性好，数据显示准确、直观，结构紧凑，经久耐用等特点。本发明在各方面性能稳定的基础上具备实用性、便于控制、容易安装、操作简单、安全可靠等特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1、模型***，1.1、岩心夹持器，1.21、上游参考缸，1.22、下游参考缸，1.31、压力传感器一，1.32、压力传感器二，1.33、压力传感器三，1.4、压差传感器，1.5、应变测试仪，1.61、阀门一，1.62、阀门二，1.63、阀门三，1.64、阀门四，1.65、阀门五，2、气体控制***，2.11、氦气高压气瓶，2.12、二氧化碳高压气瓶，2.13、甲烷高压气瓶，2.21、减压阀一，2.22、减压阀二，2.23、减压阀三，2.31、气体流量计一，2.32、气体流量计二，2.33、气体流量计三，2.4、单向阀，2.5、恒温水浴，2.6、空压机，2.7、气体增压泵，2.81、阀门六，2.82、阀门七，2.83、阀门八，2.84、阀门九，2.85、阀门十，2.86、阀门十一，2.87、阀门十二，2.88、阀门十三，2.89、阀门十四，2.90、阀门十五，2.91、阀门十六，3、温度控制***，4、三轴加载***，4.1、液压伺服仪，4.2、环压跟踪泵，4.31、压力传感器四，4.32、压力传感器五，5、抽真空***，5.1、真空泵，5.21、阀门十七，5.22、阀门十八，6、气体样品采集***，6.1、气相色谱仪，6.21、气体流量计四，6.22、气体流量计五，6.23、气体流量计六，6.3、干燥器，6.4、气液分离器，6.5、背压阀，6.6、压力传感器六，6.71、阀门十九，6.72、阀门二十，6.73、阀门二十一，6.74、阀门二十二，6.75、阀门二十三，6.76、阀门二十四，6.77、阀门二十五，6.78、阀门二十六。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，包括：模型***1、气体控制***2、温度控制***3、三轴加载***4、抽真空***5、气体样品采集***6和电气控制及监控***；
所述的模型***1包括岩心夹持器1.1、上游参考缸1.21、下游参考缸1.22、应变测试仪1.5和多个控制气体流通的阀门，所述的岩心夹持器1.1样品室的入口(下端)与上游参考缸1.21入口连通、出口与下游参考缸1.22入口连通；所述的上游参考缸1.21的出口与下游参考缸1.22的出口连通，在上游参考缸1.21和下游参考缸1.22之间设有压差传感器1.4，用于测两个参考缸之间的压差；岩样外圆面上设有若干平行于其轴线和环绕垂直于其轴线的应变片(图中未画出)，用于测量岩样的应变，应变片引线自岩心夹持器1.1的端部伸出并与应变测试仪1.5电信号连接；所述的上游参考缸1.21上连接有压力传感器一1.31，下游参考缸1.22上连接有压力传感器二1.32，岩心夹持器1.1样品室上连接有压力传感器三1.33，压力传感器一1.31、压力传感器二1.32和压力传感器三1.33分别用于测量上游参考缸1.21、下游参考缸1.22和样品室内的压力；阀门一1.61设在上游参考缸1.21入口处管路上，用于控制向上游参考缸1.21内注入气体；阀门二1.62设在岩心夹持器1.1内样品室的入口处管路上，用于控制向样品室内注入气体；阀门三1.63设在样品室出口处管路上，用于控制样品室内的气体是否流出；阀门四1.64设在下游参考缸1.22入口处管路上，用于控制气体是否向下游参考缸1.22内流通；阀门五1.65设在上游参考缸1.21和下游参考缸1.22之间连通的管路上，用于控制两个参考缸之间的气体是否相互流通。样品室内的最大工作压力可达到50MPa，满足模拟深部煤层压力的需要。
所述的气体控制***2包括高压气瓶、减压阀、气体流量计二2.32、恒温水浴2.5、空压机2.6、气体增压泵2.7和多个控制气体流通的阀门，所述的高压气瓶包括氦气高压气瓶2.11、二氧化碳高压气瓶2.12和甲烷高压气瓶2.13，用于向装置内部提供试验用氦气、二氧化碳和甲烷，所述的减压阀包括减压阀一2.21、减压阀二2.22和减压阀三2.23；氦气高压气瓶2.11、二氧化碳高压气瓶2.12和甲烷高压气瓶2.13与气体增压泵2.7的进气口连接，连接管路穿过恒温水浴2.5，恒温水浴2.5用于气体的预加热，特别是对CO2预加热，使其更易形成超临界状态，即CO2在进入气体增加泵2.7加压前使其温度首先升至超临界温度以上，经气体增加泵2.7加压至超临界压力以后，就会形成超临界CO2；所述的减压阀一2.21、减压阀二2.22和减压阀三2.23分别设在氦气高压气瓶2.11、二氧化碳高压气瓶2.12和甲烷高压气瓶2.13出口处管路上，用于调节高压气瓶出口处管路内的气体的压力，气体流量计二2.32设在三个减压阀和恒温水浴2.5之间的总管路上；所述的空压机2.6和气体增加泵2.7连接，气体增压泵2.7的出气口与岩心夹持器1.1样品室入口和上游参考缸1.21入口连接，空压机2.6向气体增加泵2.7提供动力，用于为气体增压，并向模型***1提供高压试验气体；阀门六2.81、阀门七2.82和阀门八2.83分别设在氦气高压气瓶2.11、二氧化碳高压气瓶2.12和甲烷高压气瓶2.13出口处，用于控制三种高压气体的供给；阀门十2.85和阀门十三2.88分别设在气体流量计二2.32进口和出口处管路上，用于对气体流通的精确控制；阀门十六2.91设在气体增压泵2.7出气口与模型***1连接的总管路上，作为控制气体控制***2与模型***1之间气体流通的总阀门；阀门十五2.90设在气体增压泵2.7出气口与大气连通的管路上，必要时候，用于整个试验装置内气体的快速泄放，以应对可能产生的危险。
所述的温度控制***3包括包裹岩心夹持器1.1、上游参考缸1.21和下游参考缸1.22的电加热套，电加热套内设有温度传感器(图中未画出)；试验过程中，由电加热套对装置的温度进行控制，由温度传感器对试验温度进行监测，试验结束后，依靠空气对流实现冷却。温度控制***能达到的最高温度为180℃，工作温度为150℃，控温精度为±0.1℃。
所述的三轴加载***4包括液压伺服仪4.1和环压跟踪泵4.2，所述的液压伺服仪4.1通过管路与岩心夹持器1.1上端的压头连接，连接管路上设有压力传感器五4.32；环压跟踪泵4.2通过管路与岩心夹持器的环形空间连通，连接管路上设有压力传感器四4.31；液压伺服仪4.1对岩心夹持器1.1上端的压头加压，形成样品室的轴压；环压跟踪泵4.2用于控制岩心夹持器1.1环形空间内的压力；压力传感器四4.31和压力传感器五4.32用于测量相应管路内的压力。
所述的气体样品采集***6包括气相色谱仪6.1、气体流量计五6.22、气液分离器6.4、背压阀6.5、压力传感器六6.6及多个控制气体流通的阀门，所述的岩心夹持器1.1的样品室的出口通过管路与气相色谱仪6.1连接，连接管路上从岩心夹持器1.1向气相色谱仪6.1的方向上依次设有所述的压力传感器六6.6、背压阀6.5、气液分离器6.4和气体流量计五6.22；阀门十九6.71设在气相色谱仪6.1入口处管路上，用于控制气体是否向气相色谱仪6.1流入；阀门二十四6.76和阀门二十一6.73分别设在气体流量计五6.22入口和出口管路上，用于控制气体的流通；阀门二十六6.78设在气液分离器6.4的底部，用于排放分离出的液体，必要时，也可以对装置内的气体进行泄放。从样品室流出的气体经过背压阀6.5调节压力后，经过气液分离器进行气液分离，分离后的气体进入气相色谱仪6.1进行气体成分的检测，此过程中，压力传感器六6.6和气体流量计五6.22分别对管路内气体的压力及流速进行监测，得到的数据用于后期的数据处理以得出相关试验的试验结果。
所述的抽真空***5包括真空泵5.1，所述的真空泵5.1与气体流量计五6.22和气相色谱仪6.1之间的管路连通，连通管路上设有阀门十七5.21；真空泵5.1还与上游参考缸1.21和下游参考缸1.22之间的管路连通，连通管路上设有阀门十八5.22。真空泵5.1用于排空整个试验装置中的空气，使得试验装置内尽可能达到真空的状态，保证试验数据的准确性和可靠性。
所述的电气控制及监控***，包括工控机、显示器及变送仪表、高速摄像机、继电保护和报警电路以及电气控制电路、配电电路等电气元件及控制软件，主要功能是：对电气设备的配电，***的安全保护和报警等功能；对整个试验模拟装置的压力、温度等进行采集、处理和显示；对试验装置外状态进行视频监控，以保障***安全。
所述的气体控制***2还包括单向阀2.4，所述的单向阀2.4设在气体流量计二2.32和恒温水浴2.5之间的管路上，出气口朝向恒温水浴2.5；增加单向阀2.4，能够更加精确地控制气体的单向流动，防止气体反向流动影响试验精度。
所述的气体控制***2还包括气体流量计一2.31和气体流量计三2.33，分别与气体流量计二2.32并联设置，即气体流量计一2.31和气体流量计三2.33的入口分别与气体流量计二2.32的进口连通、出口分别与气体流量计二2.32的出口连通；阀门九2.84和阀门十二2.87分别设在气体流量计一2.31进口和出口处管路上，阀门十一2.86和阀门十四2.89分别设在气体流量计三2.33进口和出口处管路上。采用三个气体流量计，使得试验时，每种气体先后分别流经与之相对应的流量计，得到的试验结果更加准确。
所述的气体样品采集***6还包括气体流量计四6.21和气体流量计六6.23，分别与气体流量计五6.22并联设置，即气体流量计四6.21和气体流量计六6.23的入口分别与气体流量计五6.22的进口连通、出口分别与气体流量计五6.22的出口连通；阀门二十三6.75和阀门二十6.72分别设在气体流量计四6.21进口和出口处管路上，阀门二十五6.77和阀门二十二6.74分别设在气体流量计六6.23进口和出口处管路上。采用三个气体流量计，进行不同的试验时，分别使用相对应的流量计进行数据采集，得到的试验结果更加准确，也可以在其中的一个气体流量计出问题时，用另外的流量计备用。
所述的气体样品采集***6还包括设在气液分离器6.4和气体流量计五6.22之间的干燥器6.3，用于对分离出的气体进行进一步的干燥，使试验结果更加准确。
所述的压力传感器三1.33为四个，沿着岩心夹持器1.1内样品室轴线方向等间距设置；直接测量样品室内不同位置的压力，进而计算出样品室内的实际压力，相对比将压力传感器设置在样品室的进口或者出口管路上，此种布置得到的样品室的压力更为准确。
装置中所有的压力传感器和压差传感器的精度为0.05％，灵敏度为±0.05F.S；恒温水浴2.5的控温精度为±0.1℃，工作温度为150℃；环压跟踪泵4.2的流量精度为0.001ml/min，液压伺服仪4.1的轴向负荷精度为±1％；应变测试仪1.5的测量精度为0.2％±2με；温度传感器的测量精度为0.1℃；气体增压泵2.7的增压比为100:1；选择高精度的测量元件，尽可能地保证测量的试验数据的准确性。
整个装置中的管路采用316L管线。
本发明为确保安全，划分为控制区、试验区，控制区与试验区隔离，确保人员操作处于安全区域。整个操作控制***在一个单独的房间，岩心夹持器、参照缸及空压机等可通过摄像头在控制室内观察到，确保试验安全。
一种CO2驱替模拟试验方法，步骤如下：
a)试样装罐：对岩样进行平衡水分或平衡油分处理；接通模型***1、气体控制***2、温度控制***3、三轴加载***4、抽真空***5、气体样品采集***6和电气控制及监控***的管路和线路；打开岩心夹持器1.1，将用游标卡尺测量过的岩样放入岩心夹持器1.1的样品室内，放入前，在岩样上放置应变片，放置好后，将密封好的岩心夹持器1.1放置在温度控制***3内的电加热套内；
b)气密性检查：由环压跟踪泵4.2对岩心夹持器1.1加围压至2MPa；打开除阀门七2.82、阀门八2.83和阀门十五2.90之外的所有阀门，向试验装置内注入高纯氦气(纯度为99.99％)，将装置内部的空气替换出去；关闭所有阀门，打开除阀门六2.81、阀门七2.82、阀门八2.83和阀门十五2.90外的所有阀门，启用真空泵5.1对装置进行抽真空；关闭所有阀门，运行控制软件，对岩心夹持器1.1加热至试验温度；打开阀门六2.81、阀门十2.85、阀门十三2.88、阀门十六2.91和阀门一1.61，向上游参考缸1.21内注入高纯氦气，使上游参考缸1.21内的压力高于试验最高压力1MPa，关闭阀门十六2.91，打开阀门二1.62，使上游参考缸1.21和岩心夹持器1.1的样品室之间压力平衡，同时增加围压和轴压，保证注入压力和围压、轴压同时升高至试验要求压力，关闭阀门一1.61和阀门二1.62；或对岩心夹持器1.1加热至试验温度后，打开阀门六2.81、阀门十2.85、阀门十三2.88、阀门十六2.91、阀门二1.62、阀门三1.63和阀门四1.64，向下游参考缸1.22内注入高纯氦气，使下游参考缸1.22内的压力高于试验最高压力1MPa，关闭阀门十六2.91，使下游参考缸1.22和岩心夹持器1.1的样品室之间压力平衡，同时增加围压和轴压，保证注入压力和围压、轴压同时升高至试验要求压力，关闭阀门二1.62、阀门三1.63和阀门四1.64；采集上游参考缸1.21、下游参考缸1.22和岩心夹持器内的压力数据，观察压力是否平稳；若压力平稳，将装置内的气体泄放掉，同时卸掉围压，若压力不平稳，重复步骤a)；
c)进行驱替模拟：
①由环压跟踪泵4.2向岩心夹持器1.1加围压至2MPa，打开除阀门六2.81、阀门七2.82、阀门八2.83和阀门十五2.90外的所有阀门，启用真空泵5.1对装置进行抽真空；运行控制软件，打开阀门八2.83，向装置内注入少量纯度为99.99％的高纯甲烷，清洗管路；再抽真空，重复3-5次，确保装置内的氦气清洗干净；
②关闭所有阀门，设置并调节温度控制***的温度，使岩心夹持器1.1的温度稳定在试验设计温度；
③打开阀门八2.83、阀门十2.85、阀门十三2.88、阀门十六2.91、阀门二1.62、阀门三1.63和阀门四1.64，向下游参考缸1.22内注入甲烷气体，使其压力达到试验设计压力，关闭阀门十六2.91和阀门二1.62，使下游参考缸1.22和岩心夹持器1.1样品室二者压力平衡，同时增加围压和轴压；
④停止注入气体，待岩心夹持器1.1内的压力和围压、轴压稳定；若岩心夹持器1.1内的压力下降，重复步骤③，直至岩心夹持器1.1样品室内的压力及围压、轴压稳定在试验设计压力；
⑤关闭阀门八2.83，打开阀门七2.82、阀门十六2.91和阀门一1.61，向上游参考缸1.21内注入CO2，使其内的CO2注入压力高于岩心夹持器1.1和下游参考缸1.22内的甲烷气体压力，使其达到试验设计入口压力；
⑥关闭阀门十六2.91，停止注入气体，打开阀门二1.62，使上游参考缸1.21、岩心夹持器1.1样品室和下游参考缸1.22之间连通；
⑦启动控制软件采集时间、岩心夹持器1.1样品室内的压力、温度、应力-应变、两个参考缸内的压力及压差等相关数据，并形成数据文件；若试验过程中，上游参考缸1.21内的压力有明显的下降，即超过试验设计入口压力的5％，及时向上游参考缸1.21内补充CO2，以维持压力稳定；
⑧关闭所有阀门，调节背压阀6.5的压力，打开阀门三1.63、阀门四1.64、阀门二十四6.76、阀门二十一6.73和阀门十九6.71，使气体依次通过背压阀6.5、气液分离器6.4、干燥器6.3、气体流量计五6.22后进入气相色谱仪6.1，获得岩心夹持器1.1或者下游参考缸1.22内气体组分分析结果；
d)试验***清理：试验结束后，打开除阀门六2.81、阀门七2.82和阀门八2.83之外的所有阀门，对装置内的气体进行泄放，同时将岩心夹持器1.1内的围压及轴压卸掉；解除管路及线路连接，冷却降温；取出岩心夹持器1.1样品室内的岩样，将装置的各元件归类放好。
一种三轴渗透率测试方法，步骤如下：
a)试样装罐：对岩样进行平衡水分或平衡油分处理；接通模型***1、气体控制***2、温度控制***3、三轴加载***4、抽真空***5、气体样品采集***6和电气控制及监控***的管路和线路；打开岩心夹持器1.1，将用游标卡尺测量过的岩样放入岩心夹持器1.1的样品室内，放入前，在岩样上放置应变片，放置好后，将密封好的岩心夹持器1.1放置在温度控制***3内的电加热套内；
b)气密性检查：由环压跟踪泵4.2对岩心夹持器1.1加围压至2MPa；打开除阀门七2.82、阀门八2.83和阀门十五2.90之外的所有阀门，向试验装置内注入高纯氦气(纯度为99.99％)，将装置内部的空气替换出去；关闭所有阀门，打开除阀门六2.81、阀门七2.82、阀门八2.83和阀门十五2.90外的所有阀门，启用真空泵5.1对装置进行抽真空；关闭所有阀门，运行控制软件，对岩心夹持器1.1加热至试验温度；打开阀门六2.81、阀门十2.85、阀门十三2.88、阀门十六2.91和阀门一1.61，向上游参考缸1.21内注入高纯氦气，使上游参考缸1.21内的压力高于试验最高压力1MPa，关闭阀门十六2.91，打开阀门二1.62，使上游参考缸1.21和岩心夹持器1.1的样品室之间压力平衡，同时增加围压和轴压，保证注入压力和围压、轴压同时升高至试验要求压力，关闭阀门一1.61和阀门二1.62；或对岩心夹持器1.1加热至试验温度后，打开阀门六2.81、阀门十2.85、阀门十三2.88、阀门十六2.91、阀门二1.62、阀门三1.63和阀门四1.64，向下游参考缸1.22内注入高纯氦气，使下游参考缸1.22内的压力高于试验最高压力1MPa，关闭阀门十六2.91，使下游参考缸1.22和岩心夹持器1.1的样品室之间压力平衡，同时增加围压和轴压，保证注入压力和围压、轴压同时升高至试验要求压力，关闭阀门二1.62、阀门三1.63和阀门四1.64；采集上游参考缸1.21、下游参考缸1.22和岩心夹持器内的压力数据，观察压力是否平稳；若压力平稳，将装置内的气体泄放掉，同时卸掉围压，若压力不平稳，重复步骤a)；
c)进行渗透率测试：
①由环压跟踪泵4.2向岩心夹持器1.1加围压至2MPa，打开除阀门六2.81、阀门七2.82、阀门八2.83和阀门十五2.90外的所有阀门，启用真空泵5.1对装置进行抽真空；运行控制软件，打开阀门八2.83，向装置内注入少量纯度为99.99％的高纯甲烷，清洗管路；再抽真空，重复3-5次，确保装置内的氦气清洗干净；
②关闭所有阀门，设置并调节温度控制***的温度，使岩心夹持器1.1的温度稳定在试验设计温度；
③打开阀门十2.85、阀门十三2.88、阀门十六2.91、阀门二1.62、阀门三1.63、阀门四1.64，再打开阀门八2.83或阀门七2.82或阀门六2.81，向下游参考缸1.22内注入甲烷或CO2或氦气，使其压力达到试验设计压力，关闭阀门十六2.91和阀门二1.62，使下游参考缸1.22和岩心夹持器1.1样品室二者压力平衡，同时增加围压和轴压；
④停止注入气体，待岩心夹持器1.1内的压力和围压、轴压稳定；若岩心夹持器1.1内的压力下降，重复步骤③，直至岩心夹持器1.1样品室内的压力及围压、轴压稳定在试验设计压力；
⑤打开阀门十六2.91和阀门一1.61，向上游参考缸1.21内注入甲烷或CO2或氦气，使其内的气体注入压力高于岩心夹持器1.1和下游参考缸1.22内的气体压力，使其达到试验设计入口压力；
⑥关闭阀门十六2.91，停止注入气体，打开阀门二1.62，使上游参考缸1.21、岩心夹持器1.1样品室和下游参考缸1.22之间连通；
⑦启动控制软件采集时间、岩心夹持器1.1样品室内的压力、温度、应力-应变、两个参考缸内的压力及压差等相关数据，并形成数据文件；按照下式计算岩样的渗透率值：
式中，K为测试渗透率，md；c为岩样孔隙中流体压缩系数，1/MPa；μ为流体粘度，mPs·s；为岩样孔隙度，小数；L为岩样长度，m；s为上、下游参考缸压差△p与时间t在半对数坐标中的斜率；a、b分别为岩样孔隙体积与上、下游参考缸容积的比值，当a＝b＝1时，f(a,b)＝1.71。
d)试验***清理：试验结束后，打开除阀门六2.81、阀门七2.82和阀门八2.83之外的所有阀门，对装置内的气体进行泄放，同时将岩心夹持器1.1内的围压及轴压卸掉；解除管路及线路连接，冷却降温；取出岩心夹持器1.1样品室内的岩样，将装置的各元件归类放好。
Claims (8)
1.一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，其特征在于，包括：模型***(1)、气体控制***(2)、温度控制***(3)、三轴加载***(4)、抽真空***(5)、气体样品采集***(6)和电气控制及监控***；
所述的模型***(1)包括岩心夹持器(1.1)、上游参考缸(1.21)、下游参考缸(1.22)、应变测试仪(1.5)和多个控制气体流通的阀门，所述的岩心夹持器(1.1)样品室的入口与上游参考缸(1.21)入口连通、出口与下游参考缸(1.22)入口连通；所述的上游参考缸(1.21)的出口与下游参考缸(1.22)的出口连通，在上游参考缸(1.21)和下游参考缸(1.22)之间设有压差传感器(1.4)；岩样外圆面上设有若干应变片，应变片引线自岩心夹持器(1.1)的端部伸出并与应变测试仪(1.5)电信号连接；所述的上游参考缸(1.21)上连接有压力传感器一(1.31)，下游参考缸(1.22)上连接有压力传感器二(1.32)，岩心夹持器(1.1)样品室上连接有压力传感器三(1.33)；
所述的气体控制***(2)包括高压气瓶、减压阀、气体流量计二(2.32)、恒温水浴(2.5)、空压机(2.6)、气体增压泵(2.7)和多个控制气体流通的阀门，所述的高压气瓶包括氦气高压气瓶(2.11)、二氧化碳高压气瓶(2.12)和甲烷高压气瓶(2.13)，所述的减压阀包括减压阀一(2.21)、减压阀二(2.22)和减压阀三(2.23)；氦气高压气瓶(2.11)、二氧化碳高压气瓶(2.12)和甲烷高压气瓶(2.13)与气体增压泵(2.7)的进气口连接，连接管路穿过恒温水浴(2.5)；所述的减压阀一(2.21)、减压阀二(2.22)和减压阀三(2.23)分别设在氦气高压气瓶(2.11)、二氧化碳高压气瓶(2.12)和甲烷高压气瓶(2.13)出口处管路上，气体流量计二(2.32)设在三个减压阀和恒温水浴(2.5)之间的总管路上；所述的空压机(2.6)和气体增加泵(2.7)连接，气体增压泵(2.7)的出气口与岩心夹持器(1.1)样品室入口和上游参考缸(1.21)入口连接；
所述的温度控制***(3)包括包裹岩心夹持器(1.1)、上游参考缸(1.21)和下游参考缸(1.22)的电加热套，电加热套内设有温度传感器；
所述的三轴加载***(4)包括液压伺服仪(4.1)和环压跟踪泵(4.2)，所述的液压伺服仪(4.1)通过管路与岩心夹持器(1.1)上端的压头连接，连接管路上设有压力传感器五(4.32)；环压跟踪泵(4.2)通过管路与岩心夹持器的环形空间连通，连接管路上设有压力传感器四(4.31)；
所述的气体样品采集***(6)包括气相色谱仪(6.1)、气体流量计五(6.22)、气液分离器(6.4)、背压阀(6.5)、压力传感器六(6.6)及多个控制气体流通的阀门，所述的岩心夹持器(1.1)的样品室的出口通过管路与气相色谱仪(6.1)连接，连接管路上从岩心夹持器(1.1)向气相色谱仪(6.1)的方向上依次设有所述的压力传感器六(6.6)、背压阀(6.5)、气液分离器(6.4)和气体流量计五(6.22)；
所述的抽真空***(5)包括真空泵(5.1)，所述的真空泵(5.1)与气体流量计五(6.22)和气相色谱仪(6.1)之间的管路连通；真空泵(5.1)还与上游参考缸(1.21)和下游参考缸(1.22)之间的管路连通；
所述的电气控制及监控***，包括工控机、显示器及变送仪表、高速摄像机、继电保护和报警电路以及电气控制电路、配电电路及控制软件。
2.根据权利要求1所述的一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，其特征是：所述的气体控制***(2)还包括单向阀(2.4)，所述的单向阀(2.4)设在气体流量计二(2.32)和恒温水浴(2.5)之间的管路上，出气口朝向恒温水浴(2.5)。
3.根据权利要求2所述的一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，其特征是：所述的气体控制***(2)还包括气体流量计一(2.31)和气体流量计三(2.33)，分别与气体流量计二(2.32)并联设置。
4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，其特征是：所述的气体样品采集***(6)还包括气体流量计四(6.21)和气体流量计六(6.23)，分别与气体流量计五(6.22)并联设置。
5.根据权利要求4所述的一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，其特征是：所述的气体样品采集***(6)还包括设在气液分离器(6.4)和气体流量计五(6.22)之间的干燥器(6.3)。
6.根据权利要求5所述的一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，其特征是：所述的压力传感器三(1.33)为四个，沿着岩心夹持器(1.1)内样品室轴线方向等间距设置。
7.根据权利要求6所述的一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，其特征是：装置中所有的压力传感器和压差传感器的精度为0.05％，灵敏度为±0.05F.S；恒温水浴(2.5)的控温精度为±0.1℃，工作温度为150℃；环压跟踪泵(4.2)的流量精度为0.001ml/min，液压伺服仪(4.1)的轴向负荷精度为±1％；应变测试仪(1.5)的测量精度为0.2％±2με；温度传感器的测量精度为0.1℃；气体增压泵(2.7)的增压比为100:1。
8.根据权利要求7所述的一种三轴渗透率测试与CO2驱替模拟试验装置，其特征是：整个装置中的管路采用316L管线。
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