CN102252949B - 一种单轴应力下疏松岩心孔隙度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单轴应力下疏松岩心孔隙度的确定方法，该方法通过两个高压泵分别控制岩心轴压和围压，保证岩样与胶皮套内壁之间有效密封，用孔隙度仪测定岩心的双轴应力孔隙度，然后根据实验物理模型建立的数学模型，推导出岩心在单轴应力下的孔隙度与双轴应力下的孔隙度的关系式，最终得到岩心在单轴应力下的孔隙度。本发明原理可靠，操作方便，得到的岩心单轴应力孔隙度误差小，结果可靠，为储层评价、石油天然气储量的计算提供了科学依据，具有广阔的市场前景。

Description

一种单轴应力下疏松岩心孔隙度的确定方法

技术领域

本发明专利涉及岩心孔隙度测试领域，特别涉及一种简易的疏松岩心在单轴应力下孔隙度的确定方法。

背景技术

储层地层孔隙度是正确评价、计算石油储量的重要参数，而岩心特别是疏松砂岩岩心通过钻井取芯提升到地面，由于压力释放和弹性膨胀，孔隙度有所恢复增大，因此常压下测量的岩心孔隙度大于地层条件下的孔隙度，会导致储量计算值偏大，且泊松比与常规岩心相差较大，采用石油天然气行业标准SY/T6385-1999给出的三轴与单轴孔隙度转换系数0.619误差较大，所以需利用实验将疏松砂岩岩心地面孔隙度校正为地层孔隙度。

深埋地下的岩石单元，由于地层侧向延展比其厚度大得多，故可视为岩石只在垂向上发生形变横向形变趋于零，实验室利用单向压缩仪模拟地下岩石承压状态来测量地层孔隙度。单向压缩仪由一个很厚的钢性圆桶组成，岩样能够和圆桶内壁很好吻合，当对岩样垂向加压时，实验装置能够有效地控制岩样不发生横向形变与地下岩层受压状况非常相似，要求岩样与仪器内壁之间不能存在缝隙，操作上不能有一点偏差，否则对试验结果影响很大，而且该试验费时费力。因此，研究一种简易的疏松岩心在单轴应力下孔隙度确定方法是本领域人员的研究目标。

发明内容

本发明的目的在于提供单轴应力下疏松岩心孔隙度的确定方法，该方法原理可靠，操作方便，所确定的疏松岩心或其他岩性的岩心在单轴应力下的孔隙度，误差小，结果可靠，为储层评价、石油天然气储量的计算提供了科学依据，具有广阔的市场前景。

本发明所采用的技术方案是：为了避免岩样与仪器内壁之间存在缝隙，岩样用一个弹性、不渗透的套筒密封，测试在不同围压(双轴应力)下的孔隙度，利用岩石力学基础理论将双轴条件下的转化成单轴条件下的孔隙度。

本发明具体实施步骤如下：通过高压泵控制岩心夹持器中岩心的围压，保证岩样与胶皮套内壁之间不存在缝隙；孔隙度测试仪(即氦孔隙度仪)测定岩心的双轴应力孔隙度，然后根据实验物理模型建立的数学模型，推导出单轴应力下的孔隙度与双轴应力下孔隙度的关系式，从而计算出岩心在不同单轴应力下的孔隙度。

本发明采用基于实验物理模型建立的数学模型，依据岩石力学基础理论(李传亮，油藏工程原理[M]，北京：石油工业出版社，2006)，来推导出单轴应力下的孔隙度与双轴应力下孔隙度的关系式，具体推导过程如下：

(1)不同应力条件下的应变情况

双轴应力下

$\left.\begin{array}{c}0=\frac{1}{E}[d{\mathrm{\σ}}_x-v(d{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z)]\\ d{\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{1}{E}[d{\mathrm{\σ}}_y-v(d{\mathrm{\σ}}_z+{\mathrm{\σ}}_x)]\\ d{\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{1}{E}[d{\mathrm{\σ}}_z-v(d{\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_y)]\end{array}\right\}$

单轴应力下

$\left.\begin{array}{c}0=\frac{1}{E}[d{\mathrm{\σ}}_x-v(d{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z)]\\ 0=\frac{1}{E}[d{\mathrm{\σ}}_y-v(d{\mathrm{\σ}}_z+{\mathrm{\σ}}_x)]\\ d{\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{1}{E}[d{\mathrm{\σ}}_z-v(d{\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_y)]\end{array}\right\}$

(2)一维与二维应力下岩心压缩系数转化关系式：

$C_{P1}=\frac{1}{2(1-v)}{C}_{p2}$

令 $r_{12}=\frac{1}{2}\left(\frac{1}{1-v}\right),$ 则有C_P1＝r₁₂C_p3

(3)根据压缩系数关系推导孔隙度关系式

疏松介质总孔隙体积变化量只考虑了岩心的本体变形，即：

$\mathrm{\Δ}{V}_p=\mathrm{\Δ}{V}_p^p$

故疏松介质的岩心压缩系数即为本体压缩系数，计算公式为：

$C_p=C_p^p$

其中： $C_p^p=\frac{\mathrm{\φ}}{1-\mathrm{\φ}}{C}_p^s;$ $c_p^s=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{\φdp}}$

由此可得： $C_p=\left(\frac{\mathrm{\φ}}{1-\mathrm{\φ}}\right)c_p^s$ $=\frac{\mathrm{d\φ}}{(1-\mathrm{\φ})\mathrm{dp}}$

从而得出单轴应力与双轴应力下岩心孔隙度转化关系式：

φ₁＝φ_s-r₁₂(φ_s-φ₂)

式中：

σ_x、σ_y、σ_z——分别表示X、Y、Z方向上的应力，MPa；

ε_x、ε_y、ε_z——分别表示X、Y、Z方向上的应变，无量纲；

φ——岩心孔隙度，％；

φ₁、φ₂、φ_s——分别表示岩心在单轴应力、双轴应力以及在地面条件下的孔隙度，％；

——分别表示岩心本体、骨架压缩系数，MPa^-1；

C_P1、C_P2——分别表示岩心在单轴、双轴应力状态下的本体压缩系数，MPa^-1；

v——岩心泊松比，无量纲；

r₁₂——表示岩心在单轴与双轴应力状态下孔隙度转化系数，无量纲。

在上述推导过程中，沿袭岩石力学习惯：压应力为正，拉应力为负。

最后，由单轴应力下的孔隙度与双轴应力下孔隙度的关系，计算出在不同单轴应力下的孔隙度。

一种单轴应力下疏松岩心孔隙度的确定方法，依次包括以下步骤：

(1)用孔隙度仪测定岩心在地面条件下的孔隙度φ_s，由声学测试获得岩心泊松比v；

(2)将套有胶皮套的岩心放入岩心夹持器中，将岩心夹持器轴向与孔隙度仪连接；

(3)将岩心夹持器分别与两个高压泵连接，两个高压泵分别控制岩心轴压和围压；

(4)打开岩心夹持器与两个高压泵之间的阀门，两个高压泵分别给岩心施加轴压和围压，直至轴压和围压升至实验设定值且要求围压＞＞轴压，岩样与胶皮套内壁之间达到密封；

(5)打开岩心夹持器与孔隙度仪之间的阀门，用孔隙度仪测定出岩心在双轴应力下的孔隙度φ₂；

φ(6)利用下式计算出岩心在单轴应力下的孔隙度φ₁：

φ₁＝φ_s-r₁₂(φ_s-φ₂)

$r_{12}=\frac{1}{2}\left(\frac{1}{1-v}\right).$

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：克服了目前普遍使用的方法中岩样与仪器内壁之间存在缝隙从而导致测量结果误差较大的缺陷，操作简便，所确定的疏松岩心或其他岩性的岩心在单轴应力下的孔隙度，误差较小，为储层评价、石油天然气储量的计算提供了科学依据。

附图说明

图1是本发明的实验流程示意图。

图1中：1.孔隙度仪；2.阀门；3.岩心夹持器；4.胶皮套；5.岩心；6.阀门；7.阀门；8.高压泵(控制轴压)；9.高压泵(控制围压)。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明。

参见图1。

一种单轴应力下疏松岩心孔隙度的确定方法，依次包括以下步骤：

(1)用孔隙度仪测定岩心在地面条件下的孔隙度φ_s，由声学测试获得岩心泊松比v；

(2)将套有胶皮套4的岩心5放入岩心夹持器3中，将岩心夹持器轴向与孔隙度仪1连接；

(3)将岩心夹持器分别与高压泵8和另一个高压泵9连接，高压泵8、9分别控制岩心轴压和围压；

(4)打开岩心夹持器与高压泵8、9之间的阀门6、7，两个高压泵分别给岩心施加轴压和围压，直至轴压和围压升至实验设定值且要求围压＞＞轴压，岩心与胶皮套内壁之间达到密封；

(5)打开岩心夹持器与孔隙度仪之间的阀门2，用孔隙度仪测定出岩心在双轴应力下的孔隙度φ₂；

(6)利用下式计算出岩心在单轴应力下的孔隙度φ₁：

φ₁＝φ_s-r₁₂(φ_s-φ₂)

$r_{12}=\frac{1}{2}\left(\frac{1}{1-v}\right).$

在具体实验过程中，首先按1996年发布的中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5336-1996“岩心常规分析方法”第4章的要求测定疏松岩心的地面孔隙度，由声学测试获得岩心泊松比。然后按照图1中的流程，将孔隙度仪、岩心夹持器、高压泵连接，将岩心放人岩心夹持器。高压泵8控制岩心轴向压力，高压泵9控制岩心围压。关闭阀门2，打开阀门6、7，用高压泵8和高压泵9将轴向压力和围压升至实验设定初值(围压＞＞轴压)，以使高压泵给岩心夹持器中的岩心加围压，使得岩样与胶皮套内壁之间密封。进行仪器检漏测试，完成测试后再打开阀门2用氦孔隙仪测定岩心孔隙体积。然后关闭阀门2，调节高压泵9变换4-8个不同的围压(最高实验围压按二分之一上覆压力选取)，再微调高压泵8使岩心稳定且要求围压＞＞轴压，待压力稳定一段时间后打开阀门2重复测试岩心孔隙度。测试完成后，按顺序关闭气源和仪器电源。

Claims (1)

1.一种单轴应力下疏松岩心孔隙度的确定方法，依次包括以下步骤：

（1）用孔隙度仪测定岩心在地面条件下的孔隙度φ_s，由声学测试获得岩心泊松比ν；

（2）将套有胶皮套（4）的岩心（5）放入岩心夹持器（3）中，将岩心夹持器轴向与孔隙度仪（1）连接；

（3）将岩心夹持器分别与第一高压泵（8）和第二高压泵（9）连接，第一高压泵（8）、第二高压泵（9）分别控制岩心轴压和围压；

（4）打开岩心夹持器与第一高压泵（8）、第二高压泵（9）之间的第一阀门（6）、第二阀门（7），两个高压泵分别给岩心施加轴压和围压，直至轴压和围压升至实验设定值且要求围压>>轴压，岩心与胶皮套内壁之间达到密封；

（5）打开岩心夹持器与孔隙度仪之间的阀门（2），用孔隙度仪测定出岩心在双轴应力下的孔隙度φ₂；

（6）利用下式计算出岩心在单轴应力下的孔隙度φ₁：

φ₁=φ_s-r₁₂(φ_s-φ₂)

$r_{12}=\frac{1}{2}\left(\frac{1}{1-\mathrm{\ν}}\right)$

其中ν——岩心泊松比，

φ₁、φ₂、φ_s——岩心在单轴应力、双轴应力以及在地面条件下的孔隙度，%。

Images