超临界气体凝胶装置

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一、概  述

出油（气）岩石绝大多数的孔隙是相互连通的，它不仅具有储存油气的能力，而且还有流体在其中渗流的能力。在一定的压差下，岩石的允许流体通过的性质称为岩石的渗透性，从数量上度量岩石的渗透性参数就叫做岩石的渗透率。

该气体渗透率仪具有结构简单、操作方便、测定速度快、精度高等优点，是常规岩心分析不可少的实验装置。

二、工作原理

这台仪器是基于达西定律设计的。

设有一横截面积为A，长度为L的岩石，将其夹持于岩心夹持器中，如图⑴所示，使粘度为?的流体在压差△P下通过岩心，测得流量Q。实验证明单位时间通过岩心的体积流量Q与压差△P岩心横截面积A成正比，与岩心的长度L和流体的粘度成反比：

 

这就是所谓的“达西方程”，从式中看出A、L是岩石的几何尺寸，△P是外部条件，当外部条件、几何尺寸、流体性质都一定时，流体通过量Q的大小就取决于反映岩石可渗性的比例常数K的大小，我们把K称为岩石的渗透率；式⑴可改写成为：

         

此式便可计算岩石的渗透率。

前面讨论的都是以下不可压缩流体（液体）为基础的，我们设计的气体渗透率是以气体作为介质，因为气体是压缩流体，所以达西方程式需要修正才能应用。

众所周知，可压缩的气体最大特点是当压力增加流体能被压缩；当压力降低时，流体就发生膨胀；当温度一定时，流体的膨胀服从玻义尔定律。如果以最简单的平面线渗流考虑，设进口压力P₁，出口压力为P₂。显然，当压力从P₁变化到P₂时，气体的体积必然变化，故流速也变化。因此，必须考虑用平均体积流量Q代入达西方程。

若把气体膨胀视为等温过程，按玻义尔定律：

式中：

平均压力，MPa；

平均压力下的平均体积流量，mL/s；

P₀大气压力，MPa；

Q₀大气压力下的气体流量，mL/s;

从上面分析得出对可压缩流体的达西公式的修正只把流量用平均流量代入即可：

式中：?g气体的粘度；

也就是说，用气体测定渗透率时，气体的体积流量要用标准状况下的体积Q₀值，不是用Q₁，也不是用Q₂值。

三、仪器结构及各部件说明

本仪器可安装在任何试验台（桌）上，最好台面防震，并离开门远一点，以免温度发生突变，做到这一点即可测得稳定的结果，见图2：

 

1. 环压表      2. 上流压力表     3. 岩心夹持器       . 压力调节器

5. 干燥器     6. 放空阀    7. 环压阀    9. 气源阀    10.转子流量计

图2：气体渗透率仪流程图

 

仪器有下列部件：

⑴．带有调节器的高压钢瓶一个，瓶内压力约15MPa，用它来作仪表的气源。

⑵．岩心夹持器：这是在测定渗透率时装岩心用的，这个夹持器也可用来连接孔隙仪，以测定岩心孔隙体积。

⑶．环压表：用它来指示橡皮筒外部所加的压力值。

⑷．上流压力表：在测定渗透率时，用它来指示岩心的上流压力值P₁；分高压表和低压表；

⑸．压力调节器：这个阀是用来调节气源进入的气体并减压控制岩心上流端所需要的操作压力值；分Q261和定值器。

⑹．放空阀：打开此阀放掉环压，使橡皮筒的压力达到常压。

⑺．岩心阀：打开此阀，使高压气体进入岩心夹持器与橡皮筒之间的环形空间，使橡皮筒紧贴住岩样及夹持器的上下端塞。

⑻.气源阀：供给渗透率仪调节器低于1MPa的氦氮气，再通过调节器的调节产生适当的上流压力。

⑼.高压阀：打开此阀，提供高的上流压力。

⑽.低压阀：打开此阀，提供低的上流压力。

⑾.中间阀：打开此阀，用水银压力计测压力。

⑿.干燥器：使进入岩样前的气体进行干燥，然后再进入岩心。

⒀.皂膜流量计：用它来计量岩样出口端气体的流量。

四、测试准备

1．样品准备

⑴．样品加工：将待测样品用钻床钻成直径为25mm，长为20～70mm，两端面磨平并与样品轴垂直。

⑵．样品处理：含油样品先洗油，然后用105℃在烘箱中烘干（时间长短可视具体情况而定），然后放入干燥器中冷至室温待测。

2．仪器准备

按照流程连接好以后，经过检漏，关闭面板上的全部阀门与调节器，关闭流量计的针形阀。

⑴．上流检漏：用肥皂涂于各个接头处，如果有漏，可看见肥皂泡，检查各个接头与阀门及管线。

⑵．下流检漏：岩样下端绝对不能许可有泄漏，如果发现漏气，应立即进行检修。

⑶．岩心夹持器检漏：岩心夹持器系统的检漏，可按下述方式进行：

①．岩心夹持器中放一块孔隙与与渗透率都很大的样品，夹持器橡皮筒中加压1MPa，该样品的长度必须是夹持器能测试最大的样品长度；

②．关掉环压阀，橡皮筒中压力下降时，环压表压力就会显示出来。这就表示有泄漏处。如果检查有关管线与接头不泄漏，就判断是夹持器有泄漏处，可按下述方式检查泄漏的位置：

用夹子夹住通向岩心夹持器的上流塑料管子，并打开流量计的针形阀，如果流量计有显示，说明岩心夹持器橡皮筒有小孔泄漏，必须重新更换一个橡皮筒。

如果不是岩心夹持器的橡皮筒漏气，就紧一下夹持上下螺母，拧紧后还是漏，就用肥皂液找出泄漏处，进行合理的修理。

五、测试步骤

⑴．从干燥器取出适合夹持器直径的岩样，用游标卡尺量出岩样的长度和直径计算其横截面积A，几何尺寸必须在进行测定之前量出。如果为了保持岩心端面干净，而需要将岩心的一部分切掉之后，应重新取其长度。

⑵．先检查面板上各阀门与夹持器上的手轮是否关死。

⑶．拧松岩心夹持器两边固定托架的手轮后，下降托架，卸出夹持器内的加压钢柱塞。

⑷.将测量几何尺寸的岩样装进岩心夹持器的橡皮筒内，用加压钢柱塞将岩样向上顶，直到岩样两端被夹持器上端头与加压钢柱塞贴紧为止，拧紧手轮。

⑸.打开放空阀，关放空阀。

⑹.打开高压气瓶阀，将气瓶上的压力表调到1MPa，开岩心阀，使环压表显示到1MPa，关岩心阀。

⑺.调节压力调节器Q261（一般压力由小到大调节）,调至所需要的上流压力至0.2MPa左右，若需要的上流压力低，通过定值器调节。

⑻.选择一流量计，在不同上流压力下读取流量（气体渗透率仪上装有三支流量计，其量程是不同的，在使用时应根据流量的大小不同，选择适当量程的流量计，在满足要求的情况下尽量选用小量程的流量计，流量计的使用与流量校正请参见流量计使用说明书），要求每块岩样应测4个点以上不同压差下的流量。

⑼.调节压力调节器，使上流压力降至零，开放空阀，使环压降至零，重复步骤，取出岩样。

⑽.如果要继续测试，再重复步骤4～10；如果实验结束将加压柱塞推进夹持器中，拧紧手轮，关闭所有阀门，测试完毕。

⑾.记录数据：

①.记录当天的大气压力；

②.记录所有气体类别；

③.记录上流压力；

④.记录流量；

⑤.记录岩样号、长度、直径。

⑿.上述测定的参数填入原始数据记录表格（见附表）

⒀.注意事项：

①．岩样两端面必须垂直于岩样的轴线，并且两端应互相平行，岩样端面不规则时，可能使橡皮筒折皱或划破。

②．岩心夹持器中未放样品时，绝对不能加环压，否则就会损坏橡皮筒。

③．岩样直径比岩心夹持器直径小1－1.5mm时，放入夹持器中不会损坏橡皮筒，如果更小，就应采取适当的方法加以处理，使之不会损坏橡皮筒。

④．在测定气体流量时，用1只流量计，其它流量计的针形阀必须关死。

六、数据处理

1．由于单相流体通过岩样，其渗流规律也不总是服从达西定律，只有在压力梯度较小、流速较低时，单相流体在多孔介质中的流动才服从达西线性渗流。当压力梯度超过某一极限值时，就不再服从达西定律，而是服从非线性渗流规律。

为此需要作－△P/L曲线来验证达西定律。

2．取－△P/L直线段的点子，按下式分别计算气体渗透率Kg：

式中：Kg气体渗透率，?m²

      ?气体的粘度，MPa·s（根据所用的温度查表而来），其它符号同前。

3．根据1/ ＝1/?（P1+P2），计算1/ 的值。

4．将测试点得到的Kg和1/ 绘制成Kg～1/曲线，又根据直线外推在纵坐标上的截距，得到岩心的真实绝对渗透率（又称等值液体渗透率）。

仪器主要技术参数

1．测试岩心直径：φ25mm；

2．测试岩心长度：20～70mm；

3．工作介质：氮气

4．仪器配套：高压钢瓶一只

             气压表一只                 （用户自备）

             游标卡尺一把               （用户自备）

             干燥器一个（存放岩样用）   （用户自备）

5．测试范围：0.01×10^-3?m²～6?m²