[发明专利]一种致密岩心渗透率测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种致密岩心渗透率测量装置，其特征在于，包括岩心夹持器(10)、标准气体混合物供应系统(1)、围压泵(13)、真空泵(19)、气相色谱仪(16)和恒温箱(22)；所述岩心夹持器(10)进气口端通过管线与标准气体混合物供应系统(1)连接，所述岩心夹持器(10)进气口端通过管线与标准气体混合物供应系统(1)连接的管线上设有上游调压控制阀(5)和上游精细压力表(6)；

所述标准气体混合物供应系统(1)包括增压机(4)和标准气体混合物气源瓶(2)，所述增压机(4)通过管线与标准气体混合物气源瓶(2)连接，所述增压机(4)通过管线与标准气体混合物气源瓶(2)连接的管线上设有气源阀(3)；

所述岩心夹持器(10)的出气口端分别通过管线和多通接头与真空泵(19)、取样腔室(17)和大气连通，所述取样腔室(17)和气相色谱仪(16)通过管线连接，所述岩心夹持器(10)的出气口端分别通过管线和多通接头与真空泵(19)、取样腔室(17)和大气连通的管线上设有下游调压阀(11)和下游精细压力表(12)；所述岩心夹持器(10)的出气口端通过管线和多通接头与大气连通的管线上设有排气阀(23)，所述岩心夹持器(10)的出气口端通过管线、多通接头与真空取样腔室(17)连通的管线上依次设有管线控制阀(21)和取样阀(18)，所述岩心夹持器(10)的出气口端通过管线和多通接头与真空泵(19)连通的管道上依次设置有管线控制阀(21)和真空泵控制阀(20)；

所述岩心夹持器(10)包括岩样腔室(9)、围压腔(8)和缓冲扩散腔(7)；所述岩样腔室(9)位于夹持器中心位置，所述岩样腔室(9)的两侧均设有用于使气流平稳缓冲扩散腔(7)，所述围压腔(8)通过管线与围压泵(13)连接；所述围压腔(8)通过管线与围压泵(13)连接的管线上依次设有围压泵控制阀(15)和压力表(14)，所述岩心夹持器(10)、取样腔室(17)和气相色谱仪(16)均放置于恒温箱(22)中；

所述标准气体混合物气源瓶(2)内充有摩尔分数为80％的甲烷和摩尔分数为20％的乙烷两组分的标准混合气体，所述标准气体混合物气源瓶(2)的最高配置压力低于混合物露点压力，所述标准气体混合物气源瓶(2)的气瓶口设有气源阀(3)；

所述精细压力表(6)和下游精细压力表(12)的量程均为0～1MPa，所述精细压力表(6)和下游精细压力表(12)的量程均为0～1MPa的精度均为0.25％；所述气相色谱仪(16)为自动进气检测，所述气相色谱仪(16)的FID精度0.001％。

2.一种致密岩心渗透率测量装置的测量致密岩心渗透率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将岩心长度为L的待测岩样放入岩样腔室，利用真空泵将岩样和装置内的气体抽真空；

S2：开启围压泵，将围压腔的围压加至所需围压值，并保持压力恒定；

S3：启动恒温箱，将温度设置为实验所需温度，预热装置各部位温度至恒定；

S4：关闭管线控制阀，打开气源阀，开启增压机调节压力，使管线和岩样内饱和标准混合气体，观察上游精细压力表和下游精细压力表，等待压力稳定；

S5：打开排气阀，调节下游调压控制阀，使岩样上下游压力具有稳定压差，记录上游精细压力表、下游精细压力表的值，分别为p₁、p₂；

S6：保持上游压力值和下游压力值恒定，每隔一段时间对岩样出口气体取样，取样完毕后关闭取样阀，开启取样腔室使混合气样进入气相色谱仪进行组分分析，记下此时出口端甲烷和乙烷各自的摩尔百分数Y₁、Y₂；

S7：关闭管线控制阀，打开取样阀和真空泵控制阀，利用真空泵对取样管线进行抽真空处理；

S8：判断出口端甲烷和乙烷各自的摩尔百分数Y₁、Y₂是否保持不变；若是，则进入步骤S9；若否，则返回S6；

S9：记录出口端的稳定摩尔百分数Y₁、Y₂；

S10：计算岩样渗透率；

所述S10包括以下步骤：

S101：假定一个岩样的渗透率值k₀，然后进行基础参量的计算和记录，计算甲烷和乙烷气体在岩样中的Knudsen扩散系数，分别记为和其公式为

式中：表示气体在岩样中的Knudsen扩散系数；

-气体组分1甲烷的Knudsen扩散系数；k_0-岩样的渗透率值；

S102：计算甲烷和乙烷气体在岩样中的分子系数，分别记为D₁₂^e和D₂₁^e；计算岩样两端气体的摩尔百分数变化量，分别记为ΔX₁和ΔX₂；以及岩样两端的压差，记为Δp；其分子系数的计算公式为

式中，-气体组分1甲烷在组分2乙烷中的分子扩散系数；

-岩样的孔隙度；p-岩样的平均压力；T-系统温度；M-气体组分的相对分子质量，无量纲；M1-组分1甲烷气体组分的相对分子质量；M2-组分2乙烷气体组分的相对分子质量；R-理想气体常数，8.314472m³·Pa·K^-1·mol^-1；Ω-分子Lannard-Jones势的积分，通过查表获得，无量纲；

S103：根据双组分烟道气流动模型，将计算出来的D₁₂^e和D₂₁^e基础参数代入到公式中，联立两个方程求解得到甲烷和乙烷各自在岩样内的气体流通量N₁、N₂，其公式为

式中，ΔX₁-组分1甲烷在入口端与出口端的摩尔分数之差；Δp-岩样入口端与出口端的压力差；N_1-岩样内的组分1甲烷的气体流通量；X_1-组分1甲烷在岩样入口端的摩尔分数；X_2-组分2乙烷在岩样入口端的摩尔分数；L-岩样长度；μ-气体黏度；

S104：根据公式分别计算甲烷和乙烷摩尔百分数Y_i'，判断计算得到的摩尔百分数Y_i'与实测的摩尔百分数Y_i两者相差是否较大，若是，则返回S101，若否，则进入S105；其摩尔百分数Y_i'的计算公式为

式中，N₁为甲烷的气体流通量，N₂为甲烷的气体流通量；

S105：计算得到的摩尔百分数Y_i'与实测的摩尔百分数Y_i满足精度要求时，停止迭代试算，此时的k₀值为岩样的实际渗透率。