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氣體滲透率測定儀

2022-09-03

這臺儀器是基于達西定律設計的。

設有一橫截面積為A,長度為L的巖石,將其夾持于巖心夾持器中,如圖⑴所示,使粘度為µ的流體在壓差△P下通過巖心,測得流量Q。實驗證明單位時間通過巖心的體積流量Q與壓差△P巖心橫截面積A成正比,與巖心的長度L和流體的粘度成反比:

 

 

這就是所謂的“達西方程",從式中看出A、L是巖石的幾何尺寸,△P是外部條件,當外部條件、幾何尺寸、流體性質都一定時,流體通過量Q的大小就取決于反映巖石可滲性的比例常數K的大小,我們把K稱為巖石的滲透率;式⑴可改寫成為:

         

此式便可計算巖石的滲透率。

前面討論的都是以下不可壓縮流體(液體)為基礎的,我們設計的氣體滲透率是以氣體作為介質,因為氣體是壓縮流體,所以達西方程式需要修正才能應用。

可壓縮的氣體最大特點是當壓力增加流體能被壓縮;當壓力降低時,流體就發生膨脹;當溫度一定時,流體的膨脹服從玻義爾定律。如果以的平面線滲流考慮,設進口壓力P1,出口壓力為P2。顯然,當壓力從P1變化到P2時,氣體的體積必然變化,故流速也變化。因此,必須考慮用平均體積流量Q代入達西方程。

若把氣體膨脹視為等溫過程,按玻義爾定律:

式中:

平均壓力,MPa;

平均壓力下的平均體積流量,mL/s;

P0大氣壓力,MPa;

Q0大氣壓力下的氣體流量,mL/s;

從上面分析得出對可壓縮流體的達西公式的修正只把流量用平均流量代入即可:

式中:µg氣體的粘度;

也就是說,用氣體測定滲透率時,氣體的體積流量要用標準狀況下的體積Q0值,不是用Q1,也不是用Q2值。

 

 

 

三、儀器結構及各部件說明

本儀器可安裝在任何試驗臺(桌)上,最好臺面防震,并離開門遠一點,以免溫度發生突變,做到這一點即可測得穩定的結果,見圖2:

 

1. 環壓壓力傳感器      2. 上流壓力傳感器     3. 巖心夾持器     . 壓力調節器

5. 干燥器     6. 放空閥    7. 環壓閥    9. 氣源閥    10.轉子流量計

2:氣體滲透率儀流程圖

 

儀器有下列部件:

⑴.帶有調節器的高壓鋼瓶一個,瓶內壓力約15MPa,用它來作儀表的氣源。

⑵.巖心夾持器:這是在測定滲透率時裝巖心用的,這個夾持器也可用來連接孔隙儀,以測定巖心孔隙體積。

⑶.環壓壓力傳感器:用它來指示橡皮筒外部所加的壓力值。

⑷.上流壓力傳感器:在測定滲透率時,用它來指示巖心的上流壓力值P1;

⑸.壓力調節器:這個閥是用來調節氣源進入的氣體并減壓控制巖心上流端所需要的操作壓力值;

⑹.放空閥:打開此閥放掉環壓,使橡皮筒的壓力達到常壓。

⑺.巖心閥:打開此閥,使高壓氣體進入巖心夾持器與橡皮筒之間的環形空間,使橡皮筒緊貼住巖樣及夾持器的上下端塞。

⑻.氣源閥:供給滲透率儀調節器低于1MPa的氦氮氣,再通過調節器的調節產生適當的上流壓力。

⑼.高壓閥:打開此閥,提供高的上流壓力。

⑽.低壓閥:打開此閥,提供低的上流壓力。

⑾.中間閥:打開此閥,用水銀壓力計測壓力。

⑿.干燥器:使進入巖樣前的氣體進行干燥,然后再進入巖心。

⒀.皂膜流量計:用它來計量巖樣出口端氣體的流量。

四、測試準備

1.樣品準備

⑴.樣品加工:將待測樣品用鉆床鉆成直徑為25mm,長為2070mm,兩端面磨平并與樣品軸垂直。

⑵.樣品處理:含油樣品先洗油,然后用105℃在烘箱中烘干(時間長短可視具體情況而定),然后放入干燥器中冷至室溫待測。

2.儀器準備

按照流程連接好以后,經過檢漏,關閉面板上的全部閥門與調節器,關閉流量計的針形閥。

⑴.上流檢漏:用肥皂涂于各個接頭處,如果有漏,可看見肥皂泡,檢查各個接頭與閥門及管線。

⑵.下流檢漏:巖樣下端絕對不能許可有泄漏,如果發現漏氣,應立即進行檢修。

⑶.巖心夾持器檢漏:巖心夾持器系統的檢漏,可按下述方式進行:

①.巖心夾持器中放一塊孔隙與與滲透率都很大的樣品,夾持器橡皮筒中加壓1MPa,該樣品的長度必須是夾持器能測試最大的樣品長度;

②.關掉環壓閥,橡皮筒中壓力下降時,環壓表壓力就會顯示出來。這就表示有泄漏處。如果檢查有關管線與接頭不泄漏,就判斷是夾持器有泄漏處,可按下述方式檢查泄漏的位置:

用夾子夾住通向巖心夾持器的上流塑料管子,并打開流量計的針形閥,如果流量計有顯示,說明巖心夾持器橡皮筒有小孔泄漏,必須重新更換一個橡皮筒。

如果不是巖心夾持器的橡皮筒漏氣,就緊一下夾持上下螺母,擰緊后還是漏,就用肥皂液找出泄漏處,進行合理的修理。

五、測試步驟

⑴.從干燥器取出適合夾持器直徑的巖樣,用游標卡尺量出巖樣的長度和直徑計算其橫截面積A,幾何尺寸必須在進行測定之前量出。如果為了保持巖心端面干凈,而需要將巖心的一部分切掉之后,應重新取其長度。

⑵.先檢查面板上各閥門與夾持器上的手輪是否關死。

⑶.擰松巖心夾持器兩邊固定托架的手輪后,下降托架,卸出夾持器內的加壓鋼柱塞。

⑷.將測量幾何尺寸的巖樣裝進巖心夾持器的橡皮筒內,用加壓鋼柱塞將巖樣向上頂,直到巖樣兩端被夾持器上端頭與加壓鋼柱塞貼緊為止,擰緊手輪。

⑸.打開放空閥,關放空閥。

⑹.打開高壓氣瓶閥,將氣瓶上的壓力表調到1MPa,開巖心閥,使環壓表顯示到1MPa,關巖心閥。

⑺.調節壓力調節器Q261(一般壓力由小到大調節,調至所需要的上流壓力至0.2MPa左右,若需要的上流壓力低,通過定值器調節。

⑻.選擇量計,在不同上流壓力下讀取流量(氣體滲透率儀上裝有三支流量計,其量程是不同的,在使用時應根據流量的大小不同,選擇適當量程的流量計,在滿足要求的情況下盡量選用小量程的流量計,流量計的使用與流量校正請參見流量計使用說明書),要求每塊巖樣應測4個點以上不同壓差下的流量。

⑼.調節壓力調節器,使上流壓力降至零,開放空閥,使環壓降至零,重復步驟,取出巖樣。

⑽.如果要繼續測試,再重復步驟4~10;如果實驗結束將加壓柱塞推進夾持器中,擰緊手輪,關閉所有閥門,測試完畢。

⑾.記錄數據:

①.記錄當天的大氣壓力;

.記錄所有氣體類別;

③.記錄上流壓力;

④.記錄流量;

⑤.記錄巖樣號、長度、直徑。

⑿.上述測定的參數填入原始數據記錄表格(見附表)

⒀.注意事項:

①.巖樣兩端面必須垂直于巖樣的軸線,并且兩端應互相平行,巖樣端面不規則時,可能使橡皮筒折皺或劃破。

②.巖心夾持器中未放樣品時,絕對不能加環壓,否則就會損壞橡皮筒。

③.巖樣直徑比巖心夾持器直徑小1-1.5mm時,放入夾持器中不會損壞橡皮筒,如果更小,就應采取適當的方法加以處理,使之不會損壞橡皮筒。

④.在測定氣體流量時,用1只流量計,其它流量計的針形閥必須關死。

六、數據處理

1.由于單相流體通過巖樣,其滲流規律也不總是服從達西定律,只有在壓力梯度較小、流速較低時,單相流體在多孔介質中的流動才服從達西線性滲流。當壓力梯度超過某一極限值時,就不再服從達西定律,而是服從非線性滲流規律。

為此需要作△P/L曲線來驗證達西定律。

2.取△P/L直線段的點子,按下式分別計算氣體滲透率Kg

式中:Kg氣體滲透率,µm2

      µ氣體的粘度,MPa·s(根據所用的溫度查表而來),其它符號同前。

3.根據1/ 1/?P1+P2),計算1/ 的值。

4.將測試點得到的Kg1/ 繪制成Kg1/曲線,又根據直線外推在縱坐標上的截距,得到巖心的真實絕對滲透率(又稱等值液體滲透率)。

儀器主要技術參數

1.測試巖心直徑:φ25mm;

2.測試巖心長度:20~70mm;

3.工作介質:氮氣

4.儀器配套:高壓鋼瓶一只

             氣壓表一只                 (用戶自備)

             游標卡尺一把               (用戶自備)

             干燥器一個(存放巖樣用)   (用戶自備)

5.測試范圍:0.01×10-3µm26µm2

6.測量誤差:K<10×10-3µm2  相對誤差≤5%

             K>10×10-3µm2  相對誤差≤5%


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