一种非平衡状态下煤岩渗透率自动连续测试装置及其方法与流程

本发明涉及一种煤岩渗透率测试装置及其方法，具体是一种非平衡状态下煤岩渗透率自动连续测试装置及其方法，属于煤岩体渗流测试技术领域。

背景技术：

渗透性是非常规天然气生产的一个重要决定因素，在天然气抽采过程中会诱发气体压力、解吸和应力多个过程量的变化。由于非常规天然气储层具有低孔、低渗的特征，储层渗透性能低，造成储层基质内孔隙压力一直处于非平衡状态。由抽采引起的气压变化与应力发生耦合作用，会引发储层渗透性能的大幅改变，从而影响产气量。

传统“静态平衡实验”测定渗透率时都会假设测定状态为平衡态，忽略了样品内气体压力随平衡时间变化的影响。但是样品基质渗透率较低，一般认为其内部孔压在20～100天的时间才能达到平衡，非平衡过程中内部耦合作用会引起渗透率的显著变化，通过研究认识到非平衡状态下煤岩渗透率存在动态演化过程，但是采用传统的测试装置及其测试方法无法测得这一过程。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种非平衡状态下煤岩渗透率自动连续测试装置及其方法，可以实现对长期试验的自动测量和记录，能够有效的测量样品内孔压由非平衡状态到平衡状态过程中渗透率的演化规律，该测试装置结构简单、操作方便。

为了实现上述目的，本发明提供一种非平衡状态下煤岩渗透率自动连续测试装置，包括夹持器、橡胶套和恒温箱，橡胶套套装在夹持器外部后设置在恒温箱中，还包括围压加载系统、气压控制系统、数据采集系统，

围压加载系统的轴压柱塞加载泵通过管路与夹持器的后端部连接，围压加载系统的环压柱塞加载泵通过管路与夹持器的侧面连接；

气压控制系统的气瓶、真空泵均通过管路与气压控制器的一端连接，气压控制器的另一端连接夹持器前端的流体通道；在真空泵与气压控制器连接的管路上安装阀门ⅱ，在气瓶与阀门ⅱ连接的管路上安装阀门ⅰ，夹持器后端的流体通道通过管路与标准容器连接；

数据采集系统包括位移传感器、温度传感器、压力传感器ⅰ、压力传感器ⅱ和数据采集计算机；位移传感器的探头安装在夹持器的一端；温度传感器设置在恒温箱内部；压力传感器ⅰ安装在气压控制器与夹持器连接的管路上；压力传感器ⅱ安装在夹持器与标准容器连接的管路上；数据采集计算机分别通过电缆与位移传感器、温度传感器、压力传感器ⅰ、压力传感器ⅱ连接，用来采集位移传感器、温度传感器、压力传感器ⅰ、压力传感器ⅱ的数据。

作为本发明的进一步改进，轴压柱塞加载泵和环压柱塞加载泵采用的均是计量泵。

作为本发明的进一步改进，气瓶为试验用气体储存容器，真空泵为普通活塞式气体真空泵，阀门ⅰ和阀门ⅱ为高压气体针形阀。

作为本发明的进一步改进，气压控制器采用65d计量泵，压力范围0.07～137mpa，压力精度0.5％fs。

作为本发明的进一步改进，压力传感器ⅰ、压力传感器ⅱ为通用型工业用压力传感器，型号为ptx5072，量程0.1～10mpa，测量精度0.1％fs。

作为本发明的进一步改进，恒温箱为密封箱体，内部通过水浴加温。

作为本发明的进一步改进，位移传感器为高精度线性位移差动变压器式传感器；温度传感器为热电阻式接触温度传感器。

一种非平衡状态下煤岩渗透率自动连续测试方法，包括以下步骤：

①将样品加工成圆柱体，放入烘干箱进行干燥；

②将样品装入带橡胶套的夹持器内，检查位移传感器、温度传感器、压力传感器ⅰ、压力传感器ⅱ的工作状态；

③通过轴压柱塞加载泵和环压柱塞加载泵对样品施加压力，检查是否漏液；设定恒温箱内温度为室温～100℃，通过温度传感器反馈数据到数据采集计算机，由数据采集计算机自动调整恒温箱内的温度，保证温度恒定；关闭阀门ⅰ，开通阀门ⅱ，待围压稳定后，打开真空泵，对样品抽真空24小时；

④关闭阀门ⅱ，打开阀门ⅰ和气瓶，通过数据采集计算机设定气压控制器的出口气压特定压力值，通过压力传感器ⅰ的数据反馈自动调整气压控制器，保证气体压力控制精度；观察压力传感器ⅰ和压力传感器ⅱ的数据，待压力传感器ⅰ和压力传感器ⅱ的压力相等后，通过气压控制器设定压力传感器ⅰ的气压增加0.1mpa，实现前端的脉冲压力；待压力传感器ⅱ的测定压力数据与压力传感器ⅰ的数据平衡后，再通过气压控制器设定压力传感器ⅰ的气压减少0.1mpa，将压力传感器ⅰ的压力设为初始压力值，待压力传感器ⅱ的压力保持恒定后，即完成一次测试周期；通过公式(1)对压力传感器ⅰ、压力传感器ⅱ的压力差斜率进行拟合得到公式(2)，可以由公式(3)计算得到渗透率值；

式中：pup(t)-pdn(t)为压力传感器ⅰ和压力传感器ⅱ压力差实测值；

δp为0.1mpa的初始压差；

t为测试经过时间；

v为压力传感器ⅰ、压力传感器ⅱ的压力差斜率；

a为样品横截面积；

μ为气体粘滞系数；

β为气体压缩系数；

l为样品长度；

vdn为标准容器体积；

k为渗透率；

⑤通过数据采集计算机控制，按照固定周期设置气压控制器更改压力传感器ⅰ的压力，保证压力传感器ⅰ按照固定周期产生脉冲压力，对样品进行持续渗透率测试，分析样品基质内孔压由非平衡至平衡过程中渗透率的变化规律；

⑥待样品的轴向变形量稳定不变，同时计算出的渗透率值不变时，即可认为样品基质内孔压达到平衡状态；完成测试后，关闭气瓶、阀门ⅰ、气压控制器、恒温箱和数据采集计算机，卸载轴压柱塞加载泵和环压柱塞加载泵，取出样品。

作为本发明的进一步改进，样品为岩石或煤体制成的标准圆柱体试样，一般直径50mm，高100mm，表面打磨光滑平整。

与现有技术相比，本发明由夹持器、围压加载系统、气压控制系统和数据采集系统组成，将样品装入夹持器，并将夹持器安置在恒温箱中，再通过轴压柱塞加载泵和环压柱塞加载泵对样品施加压力，实现对样品恒温状态下的围压加载；由气压控制系统对样品前后端的流体压力进行监测和控制，由数据采集系统实现对样品温度、轴向位移和压力的数据采集，在整个试验过程中，通过数据采集计算机设定气压控制器出口气压特定压力值，通过前端压力传感器ⅰ的数据反馈自动调整气压控制器，保证气体压力控制精度；观察前端压力传感器ⅰ和后端压力传感器ⅱ数据，待前后端压力相等后，通过气压控制器设定样品前端气压增加0.1mpa，实现前端的脉冲压力；待后端压力传感器ⅱ测定压力数据与前端平衡后，再通过气压控制器设定压力传感器ⅰ的气压减少0.1mpa，将压力传感器ⅰ的压力设为初始压力值，待压力传感器ⅱ的压力保持恒定后，即完成一次测试周期；本发明连接管路结构简单，可以避免在长期试验过程中气体发生泄漏；通过压力传感器ⅰ、压力传感器ⅱ反馈调节，保持前端气压恒定，保证了压力测量精度，发挥脉冲法在低渗透介质测量的优势；采用前端压力恒定的方式，便于程序自动控制，适于长时间连续测量；测试过程中保持围压和温度恒定，气压波动可以忽略不计，可以忽略其他因素对渗透率演化的影响，实现了长期试验的自动测量和记录，有效的测量样品内孔压由非平衡状态到平衡状态过程中渗透率的演化规律。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图。

图中：1、轴压柱塞加载泵，2、环压柱塞加载泵，3、气瓶，4、阀门ⅰ，5、真空泵，6、阀门ⅱ，7、气压控制器，8、压力传感器ⅰ，9、夹持器，10、橡胶套，11、温度传感器，12、位移传感器，13、压力传感器ⅱ，14、标准容器，15、恒温箱，16、数据采集计算机。

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，一种非平衡状态下煤岩渗透率自动连续测试装置，包括夹持器9、橡胶套10和恒温箱15，橡胶套10套装在夹持器9外部后设置在恒温箱15中，橡胶套10可以实现对样品的加载和密封，还包括围压加载系统、气压控制系统、数据采集系统，

围压加载系统的轴压柱塞加载泵1通过管路与夹持器9的后端部连接，围压加载系统的环压柱塞加载泵2通过管路与夹持器9的侧面连接；将样品装入夹持器9中，并将夹持器9安置在恒温箱15中，再通过轴压柱塞加载泵和环压柱塞加载泵对样品施加压力，实现对样品恒温状态下的围压加载；

气压控制系统的气瓶3、真空泵5均通过管路与气压控制器7的一端连接，气压控制器7的另一端连接夹持器9前端的流体通道；在真空泵5与气压控制器7连接的管路上安装阀门ⅱ6，在气瓶3与阀门ⅱ6连接的管路上安装阀门ⅰ4，夹持器9后端的流体通道通过管路与标准容器14连接；标准容器14可以对样品的注入气体的压力进行测量和控制；

数据采集系统包括位移传感器12、温度传感器11、压力传感器ⅰ8、压力传感器ⅱ13和数据采集计算机16；位移传感器12是一种常用的高精度线性位移差动变压器式传感器，将位移传感器12的探头安装在夹持器9的一端，用来直接测量样品的轴向变形量；温度传感器11为热电阻式接触温度传感器，设置在恒温箱15内部，用来实时反馈恒温箱15的温度；压力传感器ⅰ8安装在气压控制器7与夹持器9连接的管路上；压力传感器ⅱ13安装在夹持器9与标准容器14连接的管路上；数据采集计算机16分别通过电缆与位移传感器12、温度传感器11、压力传感器ⅰ8、压力传感器ⅱ13连接，用来采集位移传感器12、温度传感器11、压力传感器ⅰ8、压力传感器ⅱ13的数据并记录数据，通过matlab软件处理数据和计算渗透率结果。

本发明的轴压柱塞加载泵1和环压柱塞加载泵2采用的均是计量泵，计量泵为常用实验设备，可提供预设流速和压力控制。

气瓶3为试验用气体储存容器，真空泵5为普通活塞式气体真空泵，阀门ⅰ4和阀门ⅱ6为高压气体针形阀。

气压控制器7采用的是teledyneisco公司的d系列65d计量泵，压力范围0.07～137mpa，压力精度0.5％fs，气压控制器7可以编程设计压力控制方案，并结合压力传感器ⅰ8的数据反馈，通过数据采集计算机16进行压力精准控制。

压力传感器ⅰ8、压力传感器ⅱ13为通用电气ge公司的unik5000系列ptx5072通用型工业用压力传感器，型号为ptx5072，量程0.1～10mpa，测量精度0.1％fs，可以对样品前后端的压力实现精确控制。

恒温箱15为密封箱体，内部通过水浴加温。

一种非平衡状态下煤岩渗透率自动连续测试方法，包括以下步骤：

①将样品加工成圆柱体，放入烘干箱进行干燥；

②将样品装入带橡胶套10的夹持器9内，检查位移传感器12、温度传感器11、压力传感器ⅰ8、压力传感器ⅱ13的工作状态；

③通过轴压柱塞加载泵1和环压柱塞加载泵2对样品施加压力，该压力数值可以根据实验要求确定，并检查是否漏液；设定恒温箱15内温度为室温～100℃，该设备可以在室温～100℃，保持恒温，可以根据实验需求进行设定具体温度；通过温度传感器11反馈数据到数据采集计算机16，由数据采集计算机16自动调整恒温箱15内的温度，保证温度恒定；关闭阀门ⅰ4，开通阀门ⅱ6，待围压稳定后，打开真空泵5，对样品抽真空24小时；

④关闭阀门ⅱ6，打开阀门ⅰ4和气瓶3，通过数据采集计算机16设定气压控制器7的出口气压特定压力值，通过压力传感器ⅰ8的数据反馈自动调整气压控制器7，保证气体压力控制精度；观察压力传感器ⅰ8和压力传感器ⅱ13的数据，待压力传感器ⅰ8和压力传感器ⅱ13的压力相等后，通过气压控制器7设定压力传感器ⅰ8的气压增加0.1mpa，实现前端的脉冲压力；待压力传感器ⅱ13的测定压力数据与压力传感器ⅰ8的数据平衡后，再通过气压控制器7设定压力传感器ⅰ8的气压减少0.1mpa，将压力传感器ⅰ8的压力设为初始压力值，待压力传感器ⅱ13的压力保持恒定后，即完成一次测试周期；通过公式1对压力传感器ⅰ8、压力传感器ⅱ13的压力差斜率进行拟合得到公式(2)，由公式(2)变换得到公式(3)，可以由公式(3)计算得到渗透率值；

式中：pup(t)-pdn(t)为压力传感器ⅰ和压力传感器ⅱ压力差实测值；

δp为0.1mpa的初始压差；

t为测试经过时间；

v为压力传感器ⅰ、压力传感器ⅱ的压力差斜率；

a为样品横截面积；

μ为气体粘滞系数；

β为气体压缩系数；

l为样品长度；

vdn为标准容器体积；

k为渗透率；

⑤通过数据采集计算机16控制，按照固定周期设置气压控制器7更改压力传感器ⅰ8的压力，保证压力传感器ⅰ8按照固定周期产生脉冲压力，对样品进行持续渗透率测试，分析样品基质内孔压由非平衡至平衡过程中渗透率的变化规律；

⑥待样品的轴向变形量稳定不变，同时计算出的渗透率值不变时，即可认为样品基质内孔压达到平衡状态；完成测试后，关闭气瓶3、阀门ⅰ4、气压控制器7、恒温箱15和数据采集计算机16，卸载轴压柱塞加载泵1和环压柱塞加载泵2，取出样品。

样品为岩石或煤体制成的标准圆柱体试样，为了进一步实现精确测试，一般将样品设置为直径50mm，高100mm，且将样品的表面打磨光滑平整。

实施例1

气体注入储层过程的模拟测试，包括如下步骤：

①将煤或岩石样品加工成直径50mm，高100mm的圆柱体，放入烘干箱中，进行干燥24小时；对样品进行称重；

②首先将样品装入包裹橡胶套10的夹持器9内，将管线连接轴压柱塞加载泵1和环压柱塞加载泵2，检查位移传感器12、温度传感器11、压力传感器ⅰ8、压力传感器ⅱ13的工作状态；

③通过轴压柱塞加载泵1和环压柱塞加载泵2对样品施加10mpa压力，并检查是否漏液；设定恒温箱15内稳定为25℃，通过温度传感器11反馈数据到数据采集计算机16，通过数据采集计算机16自动调整恒温箱15内的温度，保证温度恒定；关闭阀门ⅰ4，开通阀门ⅱ6，待围压稳定后，打开真空泵5，对样品抽真空24小时；为了进一步确保管路的密封性，关闭阀门ⅱ6，停止抽真空，保持真空度1小时，检查压力传感器ⅰ8和压力传感器ⅱ13是否保持恒定；

④打开阀门ⅰ4和ch4气瓶3，通过数据采集计算机16设定气压控制器7出口气压为3mpa，通过前端压力传感器ⅰ8的数据反馈自动调整气压控制器7，保证气体压力控制精度；观察前端压力传感器ⅰ8和后端压力传感器ⅱ13的数据，待前后端压力相等后，通过气压控制器7设定样品前端气压为3.1mpa，即压力传感器ⅰ8的数据为3.1mpa，实现前端的脉冲压力；待后端压力传感器ⅱ13测定的压力数据也达到3.1mpa时，再将前端压力设为3mpa，待后端保持恒定，即完成一次测试周期；通过公式(1)对前后端压力差斜率进行拟合得到公式(2)，由公司(2)进行变换得到公式(3)，可以由公式(3)计算得到渗透率值；

⑤通过计算机软件编程控制，按照2小时为一固定周期设置气压控制器7来更改前端气体压力，保证前端气体压力按照固定周期产生脉冲压力，并持续对样品进行渗透率测试，分析样品基质内孔压由非平衡至平衡过程中渗透率变化规律；

⑥待样品的轴向变形量稳定不变，同时计算出的渗透率值基本不变化时，即可认为样品基质内孔压达到平衡状态；完成测试后，关闭气瓶3、阀门ⅰ4、气压控制器7、恒温箱15和数据采集计算机16，卸载轴压柱塞加载泵1和环压柱塞加载泵2，取出样品，并进行称重，与测试前重量进行对比。

实施例2

储层产气过程的模拟测试，包括如下步骤：

①将煤或岩石样品加工成直径50mm，高100mm的圆柱体，放入烘干箱中，进行干燥24小时；对样品进行称重；

②首先将样品装入包裹橡胶套10的夹持器9内，检查位移传感器12、温度传感器11、压力传感器ⅰ8、压力传感器ⅱ13的工作状态；

③通过轴压柱塞加载泵1和环压柱塞加载泵2对样品施加10mpa压力，并检查是否漏液；设定恒温箱15内温度为35℃，通过温度传感器11反馈数据到数据采集计算机16，通过数据采集计算机16自动调整恒温箱15内的温度，保证温度恒定；关闭阀门ⅰ4，开通阀门ⅱ6，待围压稳定后，打开真空泵5，对样品抽真空24小时；

④关闭阀门ⅱ6，打开阀门ⅰ4和ch4气瓶3，通过数据采集计算机16设定气压控制器7出口气压为3mpa，通过前端压力传感器ⅰ8的数据反馈自动调整气压控制器7，保证气体压力控制精度；一直保持样品持续吸附过程30-100天，直至位移传感器12的数据稳定不变；

⑤通过数据采集计算机16设定气压控制器7的出口气压为1mpa；待前后端压力相等后，即压力传感器ⅰ8与压力传感器ⅱ13的数值相等后，通过气压控制器7设定样品前端气压为1.1mpa，即压力传感器ⅰ8的值为1.1mpa，实现前端的脉冲压力；待后端压力传感器ⅱ13测定压力数据达到1.1mpa，再将前端压力设为1mpa，待后端压力保持恒定，即完成一次测试周期；

⑥通过计算机软件编程控制，按照2小时为一固定周期设置气压控制器7来更改前端气体压力，保证前端气体压力按照固定周期产生脉冲压力，并持续对样品进行渗透率测试，由公式(3)计算得到渗透率值，分析样品基质内孔压由非平衡至平衡过程中渗透率变化规律；

待样品的轴向变形量稳定不变，同时计算出的渗透率值基本不变化时，即可认为样品基质内孔压达到平衡状态；完成测试后，关闭气瓶3、阀门ⅰ4、气压控制器7、恒温箱15和数据采集计算机16，卸载轴压柱塞加载泵1和环压柱塞加载泵2，取出样品。

上述系统可以适用于模拟非常规天然气开发、二氧化碳驱替、二氧化碳地质封存等工程领域，可以测得储层随生产过程的渗透特征演化特征，得到气体吸附或解吸的非平衡状态对渗透率的影响规律。