本发明属于油气田开发技术领域，具体涉及一种致密储层微裂缝扩展及渗流特征的测试装置和方法，可测量油、气和水在不同微裂缝发育状态的岩心中的渗流特征。
背景技术：
随着常规油气资源的不断消耗，非常规致密油气逐渐成为人们所重视的新的现实勘探、开发领域。其有效开采势必能为保障国家天然气供需平衡，为国家在国际上的能源决策能力提供强大的支持及保障。在致密油气资源存在良好发展前景的背景下，许多国家都将发展致密油气上升为国家能源安全计划的重要组成部分。
越来越多的油气钻探实践表明，裂缝发育程度是致密储层是否能获得高产及稳产的关键因素。裂缝的存在一方面可以显著提高致密储层的基质渗透率，为流体运移提供渗流通道，如区域裂缝的存在使美国mesaverde致密储层渗透率相比基质渗透率提高2个数量级，储集层平面渗透率各向异性相差100倍；对于裂缝性致密储层而言，裂缝甚至可以成为油气分子的主要赋存场所，因此，在裂缝发育区打井往往可获得高产。但是，受强应力场、先存构造挤压及破坏性成岩作用的影响，天然裂缝在地下可能呈闭合态或被完全充填，此时油气主要赋存在储层基质孔隙中，裂缝一方面会使岩石破裂强度大幅降低；另一方面使水力缝沿着天然裂缝延伸方向进行扩展，形成复杂裂缝网络，从而达到高产。
复杂的裂缝系统加剧了致密储层介质的复杂性，导致了复杂渗流现象的发生。实验研究和现场实践表明，渗流的非线性和流态的多变性是致密储层复杂介质中的主要渗流特征，也是当今渗流力学界普遍关注的难题。关于含微裂缝的致密储层，对其渗流特征，无论是矿场实践还是理论水平，都存在大量空白。因此，对此类问题进行深入研究，不但对油田开发具有现实意义，而且也将为现代渗流力学理论注入新的血液。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种致密储层微裂缝扩展及渗流特征测试装置和方法，该方法对致密储层的岩心进行不同程度的微裂缝扩展，测量油、气和水在致密储层岩心微裂缝中的渗流特征，为致密储层的压裂开发提供必要的技术支持。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种致密储层微裂缝扩展及渗流特征测试装置，包括三轴岩心夹持器、微裂缝扩展压力系统、微裂缝检测系统、渗流驱替系统和数据采集系统。
作为优选，所述的三轴岩心夹持器包括夹持器筒体、橡胶套、前端堵头、后端堵头和后端密封帽；筒体内壁和橡胶套外壁之间形成围压腔；前端堵头密封结合于橡胶套的前端口，后端堵头能滑动插装于橡胶套的后端口内，橡胶套内壁之内为岩心试样放置腔；密封帽密封结合于夹持器的出口端，密封帽与后端堵头之间形成轴压腔，轴压腔与围压腔完全隔开，可以保证施加的轴向压力远远高于围压；围压腔接口位于夹持器筒体上，轴压腔接口位于密封帽上；前、后端堵头与岩心接触面均为凹槽结构，凹槽底部中间为超声波探伤检测接口；在前、后端堵头的凹槽两边与岩心接触面上有应力应变检测接口、流体入口和出口。
作为优选，所述的微裂缝扩展压力系统包括轴向加压装置和径向加压装置，其中轴向加压装置用来扩展微裂缝，包括轴向压力手摇泵、精密压力表、烧杯和二通开关，经耐高压管线把上述设备连接后，接入三轴岩心夹持器的轴压腔接口，打开二通开关，轴向压力手摇泵将烧杯中的水压入轴压腔；径向加压装置用来给岩心施加围压，模拟地层上覆压力，包括围压单缸活塞泵、二通开关、精密压力表和烧杯，经耐高压管线把上述设备连接后，接入三轴岩心夹持器的围压腔接口，打开二通开关，围压单缸活塞泵将烧杯的水压入围压腔。
作为优选，所述的微裂缝检测系统包括超声波探伤仪和应力应变检测仪，其中超声波探伤仪通过测量超声波在岩心中的传播时间，计算出超声波的波速，以及测量超声波曲线，计算超声波曲线下的面积，利用波速和面积两个指标来监测岩心的微裂缝发育与演化特征，包括发射换能器、接收换能器和超声波仪，将发射换能器、接收换能器分别安装在前、后端堵头的凹槽中，与凹槽底部中间的超声波探伤检测接口相连，经过导线连接超声波仪；应变检测仪通过测量得到岩心在轴向、径向方向的应力应变曲线，利用应力应变曲线的变化来监测岩心微裂缝的扩展和变形特征，包括径向应变测量片、轴向应变片和应力应变仪，径向应变测量片贴于靠近后端堵头的岩心端面上，与后端堵头上的应力应变检测接口相连，轴向应变片贴于靠近前端堵头的岩心外壁上，与前端堵头上的应力应变检测接口相连，经过导线连接应力应变仪。
作为优选，所述的渗流驱替系统包括气体注入装置、液体注入装置和回压加压装置，其中气体注入装置包括气瓶、气体增压中间活塞容器罐、进气压力低压调节阀、进气压力高压调节阀、气体增压单缸活塞泵、三通开关、二通开关、精密压力表和烧杯，气瓶中的气体进入到气体增压中间活塞容器罐，经气体增压单缸活塞泵增压后，若进行稳态驱替则气体经由进气压力低压调节阀或进气压力高压调节阀通过六通阀进入三轴岩心夹持器的流体入口，若进行非稳态驱替则气体由二通开关通过六通阀进入三轴岩心夹持器的流体入口；液体注入装置包括双缸活塞驱替泵、中间活塞容器油罐、中间活塞容器水罐、精密压力表、六通阀、烧杯和二通开关，在双缸活塞驱替泵的作用下，通过六通阀的调节，可以分别使中间活塞容器油罐和中间活塞容器水罐的油、水经六通阀进入三轴岩心夹持器的流体入口；回压加压装置包括回压阀、回压手摇泵、精密压力表、二通开关和烧杯，经耐高压管线连接后，打开二通开关，回压手摇泵将烧杯的水压入回压阀中，回压阀与三轴岩心夹持器的流体出口相连，通过在流体出口施加压力来模拟地层压力环境。
作为优选，所述的数据采集系统包括电子天平、电子皂沫流量计、油或水接收计量容器和三通开关，经耐高压管线连接后，连入渗流驱替系统中的回压阀，通过三通开关控制，当驱替介质为气体时，流入电子皂沫流量计进行测量，当驱替介质为水或油时，流入油或水接收计量容器，利用电子天平称量质量，通过测量密度换算出体积，计算流量。
一种致密储层微裂缝扩展及渗流特征的方法，所述的测试装置用于不同微裂缝扩展程度下气体的单相渗流特征测量，包括以下步骤：
步骤一：选择带微裂缝的致密储层天然岩心，将径向、轴向应变测量片贴好后，将岩心装入三轴岩心夹持器，保证径向、轴向应变片与前、后端堵头上的应力应变检测接口贴紧，岩心前后端面与前、后端堵头凹槽内的声波探头贴紧，拧紧夹持器的前端堵头；打开二通开关，利用围压单缸活塞泵给岩心加载围压至3mpa，保持围压恒定，关闭夹持器入口，出口跟抽真空装置连接，对岩心抽真空4-6h后，关闭出口，出口端接入回压加压装置和数据采集系统；步骤二：打开六通阀上与气体注入装置相连的开关，关闭二通开关，打开三通开关和二通开关，气体直接通入夹持器中，密闭2-4h，观察精密压力表有无变化，检查整个驱替装置的气密性；
步骤三：气瓶中的气体进入气体增压中间活塞容器罐后，由气体增压单缸活塞泵进行增压至15mpa，由回压手摇泵加回压至10mpa，由进气压力高压调节阀调节注入压力缓慢由0增加至10.5mpa恒定，在这过程中保持围压与注入压力的差值为3mpa，气体流过岩心，由夹持器出口流出进入回压阀后，保持30-40min后，由电子皂膜流量计测定气体单位时间内的稳定流量，测3-5次，取平均值；然后按照0.5mpa的压力梯度增量来调节注入压力，并随注入压力的变化调节围压，围压每次的增量与注入压力的增量相同，回压保持不变，测定8组不同注入压力下的稳定流量；打开超声波仪测量和记录此时未加轴压状态下超声波的波速和超声波曲线，打开应力应变仪测量和记录径向、轴向应变；把注入压力和围压降到初始的10.5mpa和13.5mpa；
步骤四：打开轴向压力手摇泵，给轴压腔逐渐加压，开始对岩心进行微裂缝扩展，加压至10mpa后，恒定轴压保持不变，分别打开超声波仪和应力应变仪测量和记录超声波波速、超声波曲线和径向、轴向的应变；进气压力高压调节阀调节注入压力为10.5mpa恒定，在这过程中保持围压与注入压力的差值为3mpa，回压为10mpa，气体流过岩心，由夹持器出口流出进入回压阀后，保持30-40min后，由电子皂膜流量计测定气体单位时间内的稳定流量，测3-5次，取平均值；然后按照0.5mpa的压力梯度增量来调节注入压力，并随注入压力的变化调节围压，围压每次的增量与注入压力的增量相同，回压保持不变，测定8组不同注入压力下的稳定流量；把注入压力和围压降到初始的10.5mpa和13.5mpa；
步骤五：在轴压20、30、40、50mpa条件下分别重复步骤四，测量和记录4组不同微裂缝扩展条件下的超声波波速、超声波曲线和径向、轴向的应变，以及每组微裂缝扩展条件下的8组稳定压力和稳定流量的气体渗流数据；
步骤六：关闭整个测试装置，绘制轴压0、10、20、30、40、50mpa与超声波波速的关系曲线，绘制轴压0、10、20、30、40、50mpa下的超声波曲线，分析超声波曲线的变化特征，计算每个超声波曲线下的面积，然后以轴压为0mpa时的超声波波速和超声波曲线下的面积为基准，利用微裂缝扩展程度＝(任意周压下的超声波波速-轴压为0mpa时的超声波波速)×100％/轴压为0mpa时的超声波波速和微裂缝扩展程度＝(任意周压下的超声波曲线下的面积-轴压为0mpa时的超声波曲线下的面积)×100％/轴压为0mpa时的超声波曲线下的面积两个公式进行计算，得到表征微裂缝扩展的指标参数；分别绘制径向、轴向应变与应力的关系曲线，分析微裂缝扩展程度与岩心变形之间的关系；绘制不同微裂缝扩展程度下的气体压力平方差与流量关系的单相渗流特征曲线。
作为优选，所述的测试装置用于不同微裂缝扩展程度下油或水的单相渗流特征测量，包括以下步骤：
步骤一：选择带微裂缝的致密储层天然岩心，将径向、轴向应变测量片贴好后，将岩心装入三轴岩心夹持器，保证径向、轴向应变片与前、后端堵头上的应力应变检测接口贴紧，岩心前后端面与前、后端堵头凹槽内的声波探头贴紧，拧紧夹持器的前端堵头；打开二通开关，利用围压单缸活塞泵给岩心加载围压至3mpa，保持围压恒定，关闭夹持器入口，出口跟抽真空装置连接，对岩心抽真空4-6h后，关闭出口，出口端接入回压加压装置和数据采集系统；
步骤二：打开六通阀、上与中间活塞容器油罐或中间活塞容器水罐中相连的开关，由回压手摇泵加回压至10mpa，利用双缸活塞驱替泵将容器中的油或水驱替进入夹持器中的岩心，恒定注入压力条件下进行驱替，注入压力为10.5mpa，在这过程中保持围压与注入压力的差值为3mpa，油或水流过岩心，由夹持器出口流出进入回压阀后，保持30-40min后，由电子天平称量质量，通过测量密度换算出体积，计算单位时间内的稳定流量，测3-5次，取平均值；然后按照0.5mpa的压力梯度增量来调节注入压力，并随注入压力的变化调节围压，围压每次的增量与注入压力的增量相同，回压保持不变，测定8组不同注入压力下的稳定流量；打开超声波仪测量和记录此时未加轴压状态下超声波的波速和超声波曲线，打开应力应变仪测量和记录径向、轴向应变；把注入压力和围压降到初始的10.5mpa和13.5mpa；
步骤三：打开轴向压力手摇泵，给轴压腔逐渐加压，开始对岩心进行微裂缝扩展，加压至10mpa后，恒定轴压保持不变，分别打开超声波仪和应力应变仪测量和记录超声波波速、超声波曲线和径向、轴向的应变；油或水的注入压力为10.5mpa恒定，在这过程中保持围压与注入压力的差值为3mpa，回压为10mpa，油或水流过岩心，由夹持器出口流出进入回压阀后，保持30-40min后，由电子天平测定油或水单位时间内的稳定流量，测3-5次，取平均值；然后按照0.5mpa的压力梯度增量来调节注入压力，并随注入压力的变化调节围压，围压每次的增量与注入压力的增量相同，回压保持不变，测定8组不同注入压力下的稳定流量；把注入压力和围压降到初始的10.5mpa和13.5mpa；
步骤四：在轴压20、30、40、50mpa条件下分别重复步骤三，测量和记录4组不同微裂缝扩展条件下的超声波波速、超声波曲线和径向、轴向的应变，以及每组微裂缝扩展条件下的8组稳定压力和稳定流量的油或水渗流数据；
步骤五：关闭整个测试装置，绘制轴压0、10、20、30、40、50mpa与超声波波速的关系曲线，绘制轴压0、10、20、30、40、50mpa下的超声波曲线，分析超声波曲线的变化特征，计算每个超声波曲线下的面积，然后以轴压为0mpa时的超声波波速和超声波曲线下的面积为基准，利用微裂缝扩展程度＝(任意周压下的超声波波速-轴压为0mpa时的超声波波速)×100％/轴压为0mpa时的超声波波速和微裂缝扩展程度＝(任意周压下的超声波曲线下的面积-轴压为0mpa时的超声波曲线下的面积)×100％/轴压为0mpa时的超声波曲线下的面积两个公式进行计算，得到表征微裂缝扩展的指标参数；分别绘制径向、轴向应变与应力的关系曲线，分析微裂缝扩展程度与岩心变形之间的关系；绘制不同微裂缝扩展程度下的油或水的压差与流量关系的单相渗流特征曲线。
作为优选，所述的测试装置将三通开关用油水分离器取代，还可以进行不同微裂缝扩展程度下的油水两相渗流特征测量；三通开关用气液分离器取代，还可以进行不同微裂缝扩展程度下气、水两相和气、油两相渗流特征测量。
本发明的有益效果：(1)本发明公开的测试装置和方法测量结果准确，组装方便，操作简单；(2)用应变和超声波两种手段实时动态监测致密储层岩心微裂缝的扩展发育情况；(3)既能够测量油、气和水在致密储层微裂缝中的单相渗流特征，又可以测量油气、水气和油水两相渗流特征。
附图说明
图1是本发明测试装置的结构示意图。
图中，1-气瓶；2、3-气体增压中间活塞容器罐；5-进气压力低压调节阀；6-进气压力高压调节阀；7、27-六通阀；4、8、13、19、22、26-精密压力表；9-三轴岩心夹持器；10-超声波探伤仪；11-应力应变检测仪；12-回压阀；14-回压手摇泵；15、20、24、30、32-烧杯；16-电子皂膜流量计；17-油或水接收计量容器；18-电子天平；21-轴向压力手摇泵；23-围压单缸活塞泵；25-中间活塞容器水罐；28-中间活塞容器油罐；29-双缸活塞驱替泵；31-气体增压单缸活塞泵；33、34、38-三通开关；35、36、37、39、40、41、42-二通开关。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
一种致密储层微裂缝扩展及渗流特征的方法，其特征在于，所述的测试装置用于不同微裂缝扩展程度下气体的单相渗流特征测量，包括以下步骤：
步骤一：选择带微裂缝的致密储层天然岩心，将径向、轴向应变测量片贴好后，将岩心装入三轴岩心夹持器9，保证径向、轴向应变片与前、后端堵头上的应力应变检测接口贴紧，岩心前后端面与前、后端堵头凹槽内的声波探头贴紧，拧紧夹持器的前端堵头；打开二通开关40，利用围压单缸活塞泵23给岩心加载围压至3mpa，保持围压恒定，关闭夹持器入口，出口跟抽真空装置连接，对岩心抽真空4-6h后，关闭出口，出口端接入回压加压装置和数据采集系统。
步骤二：打开六通阀7上与气体注入装置相连的开关，关闭二通开关36，打开三通开关33、34和二通开关35，气体直接通入夹持器中，密闭2-4h，观察精密压力表4、8有无变化，检查整个驱替装置的气密性；
步骤三：气瓶1中的气体进入气体增压中间活塞容器罐2、3后，由气体增压单缸活塞泵31进行增压至15mpa，由回压手摇泵14加回压至10mpa，由进气压力高压调节阀6调节注入压力缓慢由0增加至10.5mpa恒定，在这过程中保持围压与注入压力的差值为3mpa，气体流过岩心，由夹持器出口流出进入回压阀12后，保持30-40min后，由电子皂膜流量计16测定气体单位时间内的稳定流量，测3-5次，取平均值；然后按照0.5mpa的压力梯度增量来调节注入压力，并随注入压力的变化调节围压，围压每次的增量与注入压力的增量相同，回压保持不变，测定8组不同注入压力下的稳定流量；打开超声波仪测量和记录此时未加轴压状态下超声波的波速和超声波曲线，打开应力应变仪测量和记录径向、轴向应变；把注入压力和围压降到初始的10.5mpa和13.5mpa；
步骤四：打开轴向压力手摇泵21，给轴压腔逐渐加压，开始对岩心进行微裂缝扩展，加压至10mpa后，恒定轴压保持不变，分别打开超声波仪和应力应变仪测量和记录超声波波速、超声波曲线和径向、轴向的应变；进气压力高压调节阀6调节注入压力为10.5mpa恒定，在这过程中保持围压与注入压力的差值为3mpa，回压为10mpa，气体流过岩心，由夹持器出口流出进入回压阀12后，保持30-40min后，由电子皂膜流量计16测定气体单位时间内的稳定流量，测3-5次，取平均值；然后按照0.5mpa的压力梯度增量来调节注入压力，并随注入压力的变化调节围压，围压每次的增量与注入压力的增量相同，回压保持不变，测定8组不同注入压力下的稳定流量；把注入压力和围压降到初始的10.5mpa和13.5mpa；
步骤五：在轴压20、30、40、50mpa条件下分别重复步骤四，测量和记录4组不同微裂缝扩展条件下的超声波波速、超声波曲线和径向、轴向的应变，以及每组微裂缝扩展条件下的8组稳定压力和稳定流量的气体渗流数据；
步骤六：关闭整个测试装置，绘制轴压0、10、20、30、40、50mpa与超声波波速的关系曲线，绘制轴压0、10、20、30、40、50mpa下的超声波曲线，分析超声波曲线的变化特征，计算每个超声波曲线下的面积，然后以轴压为0mpa时的超声波波速和超声波曲线下的面积为基准，利用微裂缝扩展程度＝(任意周压下的超声波波速-轴压为0mpa时的超声波波速)×100％/轴压为0mpa时的超声波波速和微裂缝扩展程度＝(任意周压下的超声波曲线下的面积-轴压为0mpa时的超声波曲线下的面积)×100％/轴压为0mpa时的超声波曲线下的面积两个公式进行计算，得到表征微裂缝扩展的指标参数；分别绘制径向、轴向应变与应力的关系曲线，分析微裂缝扩展程度与岩心变形之间的关系；绘制不同微裂缝扩展程度下的气体压力平方差与流量关系的单相渗流特征曲线。
实施例2
一种致密储层微裂缝扩展及渗流特征的方法，所述的测试装置用于不同微裂缝扩展程度下油的单相渗流特征测量，包括以下步骤：
步骤一：选择带微裂缝的致密储层天然岩心，将径向、轴向应变测量片贴好后，将岩心装入三轴岩心夹持器9，保证径向、轴向应变片与前、后端堵头上的应力应变检测接口贴紧，岩心前后端面与前、后端堵头凹槽内的声波探头贴紧，拧紧夹持器的前端堵头；打开二通开关40，利用围压单缸活塞泵23给岩心加载围压至3mpa，保持围压恒定，关闭夹持器入口，出口跟抽真空装置连接，对岩心抽真空4-6h后，关闭出口，出口端接入回压加压装置和数据采集系统；
步骤二：打开六通阀7、27上与中间活塞容器油罐28相连的开关，由回压手摇泵14加回压至10mpa，利用双缸活塞驱替泵29将容器中的油驱替进入夹持器中的岩心，恒定注入压力条件下进行驱替，注入压力为10.5mpa，在这过程中保持围压与注入压力的差值为3mpa，油流过岩心，由夹持器出口流出进入回压阀12后，保持30-40min后，由电子天平18称量质量，通过测量密度换算出体积，计算单位时间内的稳定流量，测3-5次，取平均值；然后按照0.5mpa的压力梯度增量来调节注入压力，并随注入压力的变化调节围压，围压每次的增量与注入压力的增量相同，回压保持不变，测定8组不同注入压力下的稳定流量；打开超声波仪测量和记录此时未加轴压状态下超声波的波速和超声波曲线，打开应力应变仪测量和记录径向、轴向应变；把注入压力和围压降到初始的10.5mpa和13.5mpa；
步骤三：打开轴向压力手摇泵21，给轴压腔逐渐加压，开始对岩心进行微裂缝扩展，加压至10mpa后，恒定轴压保持不变，分别打开超声波仪和应力应变仪测量和记录超声波波速、超声波曲线和径向、轴向的应变；油的注入压力为10.5mpa恒定，在这过程中保持围压与注入压力的差值为3mpa，回压为10mpa，油流过岩心，由夹持器出口流出进入回压阀12后，保持30-40min后，由电子天平18测定油单位时间内的稳定流量，测3-5次，取平均值；然后按照0.5mpa的压力梯度增量来调节注入压力，并随注入压力的变化调节围压，围压每次的增量与注入压力的增量相同，回压保持不变，测定8组不同注入压力下的稳定流量；把注入压力和围压降到初始的10.5mpa和13.5mpa；
步骤四：在轴压20、30、40、50mpa条件下分别重复步骤三，测量和记录4组不同微裂缝扩展条件下的超声波波速、超声波曲线和径向、轴向的应变，以及每组微裂缝扩展条件下的8组稳定压力和稳定流量的油渗流数据；
步骤五：关闭整个测试装置，绘制轴压0、10、20、30、40、50mpa与超声波波速的关系曲线，绘制轴压0、10、20、30、40、50mpa下的超声波曲线，分析超声波曲线的变化特征，计算每个超声波曲线下的面积，然后以轴压为0mpa时的超声波波速和超声波曲线下的面积为基准，利用微裂缝扩展程度＝(任意周压下的超声波波速-轴压为0mpa时的超声波波速)×100％/轴压为0mpa时的超声波波速和微裂缝扩展程度＝(任意周压下的超声波曲线下的面积-轴压为0mpa时的超声波曲线下的面积)×100％/轴压为0mpa时的超声波曲线下的面积两个公式进行计算，得到表征微裂缝扩展的指标参数；分别绘制径向、轴向应变与应力的关系曲线，分析微裂缝扩展程度与岩心变形之间的关系；绘制不同微裂缝扩展程度下的油的压差与流量关系的单相渗流特征曲线。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。