一种页岩单组份气体扩散系数测试装置及测试方法与流程

本发明涉及油气田开发实践中页岩气扩散系数测试的实验设备及方法领域，具体涉及一种页岩单组份气体扩散系数测试装置及测试方法。

背景技术：

1、页岩气是一种重要的非常规油气资源，由于其在我国分布广泛、储量丰富、潜力巨大而成为油气田开发的热点；区别于常规油气资源，页岩气储层内的渗流过程不仅包括对流引起的达西流量，扩散引起的扩散流量也是页岩气重要的传质行为；因此扩散系数的大小对于研究页岩气开发阶段产能特征具有重要意义。

2、目前扩散系数的测试方法主要包括游离烃浓度法和时滞法；采用游离烃浓度法测试页岩气有效扩散系数时，首先在岩心两端的扩散室充入不同类型的气体(甲烷和氦气)，并保持两端的气体总压相等(无压差)。在浓度梯度作用下，不同组份气体将逐渐从岩心一端扩散到另一端；通过检测不同时间段两扩散室中气体组份浓度变化，代入计算模型即可得到相应的有效扩散系数；为了消除对流过程影响，可以令装有页岩岩心样本的室中充入高压甲烷浸入岩心，然后氦气以同样的压力注入岩心室中，同时周期性将混合气体排出至收集室中以保持岩心室压力不变，从而建立岩心内外的甲烷浓度差，进而得到甲烷分压随着时间的变化关系，通过计算模型即可得到相应的有效扩散系数。

3、另一种常用扩散系数测试方法为时滞法，其要求将甲烷由入口端不断注入，让其从很薄的岩样(厚约2mm)经扩散后进入出口端，用氮气或空气不断将其扩散过来的甲烷带走，使出口端甲烷烃浓度保持为零；之后采用色谱仪测定扩散的烃物质总量，并记录相应时间；重复多次记录后，可以获得时间与烃总量的曲线关系图，将曲线后半部(近似直线部分)延长，交于时间轴上一点，称为迟滞时间，代入相关公式计算页岩气扩散系数。

4、综上所述，目前对于页岩气扩散系数的方法大多基于双组份气体体系，测试原理及设备均基于浓度扩散机理；然而在油气田开发实践及相关渗流力学理论研究中，通常认为页岩气为甲烷单组份气体；其扩散过程是由于压力梯度引起气体密度差异引起，不存在浓度概念，而目前基于单组份气体扩散系数测试的装置及方法尚未见报道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对目前对于页岩气扩散系数的方法大多基于双组份气体体系，其不适用于单组份页岩气扩散系数测试的问题，提供了一种页岩单组份气体扩散系数测试装置及测试方法，能够通过体相流量和达西流量相减的方法完成待测岩心扩散系数的测定，解决了上述问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种页岩单组份气体扩散系数测试装置，具体包括：

4、恒温箱，所述恒温箱内设置有测试模块；所述测试模块包括岩心夹持器、与岩心夹持器上游连接的上游室和与岩心夹持器下游连接的下游室；所述恒温箱提供恒温环境，消除了环境温度变化对扩散系数测试的影响，保证了测试装置的准确性；优选地，所述上游室和下游室均是通过管道与岩心夹持器连接；

5、注入模块，所述注入模块向上游室和下游室注入气体；优选地，所述注入模块为注入气瓶；优选地，所述气体采用高纯甲烷；

6、调节模块，所述调节模块用于调节上游室和下游室的压力；

7、监测模块，所述监测模块用于监测岩心夹持器上下游、上游室和下游室的压力，优选地，还可同时监测岩心夹持器上下游的压差，就无需后续人工计算压差，测试过程更加方便。

8、进一步地，所述注入模块上连接有主管道，所述主管道通过第一分支管道和第二分支管道分别连接至上游室和下游室入口；与此同时，所述第一分支管道和第二分支管道也将上游室和下游室进行连通；

9、所述第二分支管道上设置有上下游室连接阀；

10、所述主管道上设置有进气阀，所述下游室出口处设置有排气阀。

11、进一步地，所述调节模块包括调压阀和针型阀；

12、所述调压阀设置在主管道上，且位于进气阀后方；

13、所述针型阀设置在下游室出口处，且位于排气阀后方。

14、进一步地，所述监测模块包括：

15、压差传感器，所述压差传感器用于监测岩心夹持器上下游的压力及压差；优选地，所述压差传感器与岩心夹持器的两端连接；

16、上游压力传感器，所述上游压力传感器用于监测上游室的压力；所述上游压力传感器与上游室连接；

17、下游压力传感器，所述下游压力传感器用于监测下游室的压力；所述下游压力传感器与下游室连接。

18、进一步地，所述上游室与岩心夹持器之间设置有上游排气阀；

19、所述下游室与岩心夹持器之间设置有下游排气阀。

20、进一步地，还包括数据采集模块，所述数据采集模块用于采集监测模块生成的数据；优选地，所述数据采集模块包括压力巡检器和计算机，所述压力巡检器与所述监测模块连接，用于采集所述监测模块采集的数据，并将采集的数据输入至计算机，由计算机进行后续的数据处理，测试过程更加智能，即所述压力巡检器与压差传感器、上游压力传感器和下游压力传感器连接。

21、进一步地，还包括废气回收模块，所述废气回收模块设置在下游室出口处，用于回收废气，优选地，所述废气回收模块设置在针型阀后方，用于回收测试过程中的废气，所述废气回收模块为失水山梨醇单油酸酯溶液及其与盐复配溶液。

22、基于上述测试装置，提出了一种页岩单组份气体扩散系数测试方法，具体包括如下步骤：

23、步骤s1：获取待测岩心的长度l和直径d；

24、优选地，所述步骤s1可通过游标卡尺测试待测岩心的长度l、直径d并记录；

25、步骤s2：使待测岩心达到气体饱和状态；优选地，所述步骤s2是使待测岩心达到甲烷饱和状态；其目的是避免引入其他流体组份，提高测试精度；

26、步骤s3：将达到气体饱和状态的待测岩心放置于岩心夹持器内，设定并记录恒温箱温度t，关闭所有阀门；即将达到甲烷饱和状态的待测岩心放置于岩心夹持器内；其中，恒温箱的温度设为测试温度，测试温度根据储层条件确定，不同气藏的测试温度不同，测试目的不同也会导致测试温度的不同；优选地，所述恒温箱温度t控制在45℃；

27、步骤s4：打开进气阀和上下游室连接阀，通过注入模块对上游室和下游室注入气体至设定压力；所述气体为高纯甲烷；其中，设定压力根据测试目的和气藏压力的不同设定；优选地，所述步骤s4中的设定压力为15mpa；当注入模块对所述岩心夹持器注入气体达不到设定压力时，通过调压泵对所述测试装置增压；

28、步骤s5：关闭进气阀和上下游室连接阀，打开排气阀，通过调节模块调节上游室压力和下游室压力至设定值；即通过调节调压阀和针型阀调节上游室和下游室的压力至设定值，优选地，不对其具体设定值进行限定，但上室和下游室的初始压差推荐为0.05～0.1mpa；

29、步骤s6：关闭排气阀，打开上游排气阀和下游排气阀，开始测试，获取并记录岩心夹持器上游压力下游压力压差δp、测试时长t、测试结束时的上游室压力和下游室压力优选地，测试结束后，还需要打开排气阀、针型阀，放空测试装置压力；当压差传感器读数降低至阈值时，结束测试；

30、步骤s7：根据步骤s6记录的数据进行数据处理，得到待测岩心的扩散系数。

31、根据流体动力学原理，测试过程中通过待测岩心的总流量由对流-扩散方程描述，即总流量可以表示为对流流量与扩散流量之和。

32、因此，所述步骤s7的详细步骤为：

33、步骤s71：通过如下公式计算通过待测岩心的总流量；即所述总流量可通过波义耳定律确定；

34、

35、式中：

36、m-通过待测岩心的总流量；单位kg：即为测试过程中体相流量；

37、z-气体偏差因子；单位：无因次；

38、mg-气体的摩尔质量；单位：g/mol；

39、r-理想气体常数；单位：j/mol/k；

40、vup-上游室体积；单位：cm3；

41、vdown-下游室体积；单位：cm3；

42、步骤s72：通过如下公式计算通过待测岩心的对流流量；所述对流流量可由达西定律确定；

43、

44、式中：

45、mdarcy-通过待测岩心的对流流量；即测试过程中达西流量；

46、k-待测岩心渗透率；单位：md；

47、μ-气体黏度；单位：mpa·s；

48、步骤s73：根据总流量和对流流量，通过如下公式计算气体的扩散流速；在低压差情况下，扩散过程可以近似视为拟稳态过程；

49、

50、式中：

51、vdiff-气体的扩散流速；

52、步骤s74：通过如下公式计算待测岩心的扩散系数；

53、

54、式中：

55、dg-待测岩心的扩散系数；

56、-测试过程平均压力；

57、-待测试岩心的孔隙度；

58、cg-气体压缩系数。

59、与现有的技术相比本发明的有益效果是：

60、1、一种页岩单组份气体扩散系数测试装置及测试方法，建立了近平衡态扩散流量测试流程，采用微压差的方法降低总流量中的达西流量，在待测岩心两侧分别接上充满单组份气体的中间室，然后在初始时刻两侧中间室保持微小压差，随着气体在流过岩心的过程中，两侧中间室的压差逐渐减小，直至压差趋于零，在近平衡条件下采用了体相相减法和达西公式计算了总流量和达西流量，获得对流流量和扩散流量结果，通过上述设置实现了单组份气体条件下页岩扩散流量的测试，其结果更符合渗流力学假设条件，并能够保证扩散系数计算的精度。

61、2、一种页岩单组份气体扩散系数测试装置及测试方法，其测试模块均置于恒温箱内，消除了环境温度变化对扩散系数测试的影响，保证了测试装置的准确性，并且能够在单组份气体环境内对气体扩散系数进行测试。