CN102455277A - 一种高压下岩石气测渗透率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压下岩石气测渗透率的装置及方法，属于油气田勘探、开发领域。本发明首先对气藏岩石进行取样，再使用测试气体对岩石样品进行测试，获得岩石样品在高压下对测试气体的渗透量以及此时测试气体的压力，然后测定实验温度下不同压力时所用测试气体的粘度，得到测试气体的粘度和压力的关系式，最后进行数据处理获得高压下岩石的气测渗透率。本发明建立了高压下岩石气测渗透率流程和测试方法，并且通过对高压下气体性质的分析，得到了适合高压下岩石气测渗透率数据的处理方法，贴近高压气藏的地层条件，能够更准确获取高压下的岩石气测渗透率，为高压气藏的开发提供了数据支持。

Description

一种高压下岩石气测渗透率的装置及方法

技术领域

本发明属于油气田勘探、开发领域，具体涉及一种高压下岩石气测渗透率的装置及方法。

背景技术

一个油气藏除具备储存油、气的能力外，还必须在压力的作用下，能允许油、气在岩石中渗流，这是油气藏开发的必要条件。岩石渗透率就是流体通过岩石渗滤能力大小的量度。

1856年，法国工程师达西利用人工砂体研究了水的渗滤，从而建立了达西定律。目前达西公式有以下两种形式：

液测渗透率的达西公式：

气测渗透率的达西公式：

式中，k为岩石渗透率，Q为液体的流量，Q₀为大气压下气体的流量，μ为流体粘度，L为岩石长度，A为岩石截面积，p₀为大气压，p₁为岩石进口压力，p₂为岩石出口压力。

通常气测渗透率的装置示意图如图1所示，具体操作步骤如下：首先测量岩心的长度和直径，根据实验温度查出测试气体的粘度，并记录大气压力；将岩心放入岩心夹持器1中，用围压泵向岩心周围施加围压，一般围压保持比气体流动压力大1.5-2MPa；打开气源，根据岩心情况调节气体流动压力大小，低渗透率的岩心施加的流动压力大，但一般不超过10MPa；待岩心出口端气体流量计读数稳定后，记录压力和气体流量，按照气测渗透率的达西公式计算岩心渗透率。

在进行气藏流动实验研究时，通常气藏的压力比较高，尤其是异常高压气藏，通常地层压力高于100MPa，采用原有的气测渗透率的方法无法模拟地层条件，得到的渗透率与真实地层条件下岩石的渗透率相差很大；高压下气体的性质发生了很大变化，高压下气体的压缩系数很小，气体的压缩性可以忽略，这一性质与液体相似，而气测渗透率公式与液测渗透率公式的主要区别在于考虑气体有可压缩性；原有气测渗透率方法由于压力比较小，因此公式中未考虑压力对气体粘度的影响，但是高压下气体粘度的变化是不能忽略的。基于以上原因，高压下需要对气测渗透率方法、装置、流程和数据处理进行改进。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种高压下岩石气测渗透率的装置及方法，准确得到高压气藏条件下岩石气测渗透率，更好地掌握高压条件下气体在岩石中的流动能力以及提高高压气藏的开发效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高压下岩石气测渗透率的装置，所述高压下岩石气测渗透率的装置包括：

三个高压柱塞泵、两个气样瓶、超高压岩心夹持器和高压压力表；

其中，所述三个高压柱塞泵分别为注入泵、围压泵和回压泵；

所述两个气样瓶分别为低压气样瓶和高压气样瓶；

所述注入泵分别通过管路与低压气样瓶的一端、高压气样瓶的一端相连通，两个气样瓶的另一端均与超高压岩心夹持器的入口端相连通；

超高压岩心夹持器的出口端与回压泵相连；

超高压岩心夹持器的入口端和出口端通过阀门相连通；

超高压岩心夹持器的围压口与围压泵相连通；

在气样瓶和超高压岩心夹持器之间装有高压压力表。

使用所述高压下岩石气测渗透率的装置的高压下岩石气测渗透率方法，所述高压下岩石气测渗透率方法首先对气藏岩石进行取样，再使用测试气体对岩石样品进行测试，获得岩石样品在高压下对测试气体的渗透量以及此时测试气体的压力，然后测定实验温度下不同压力时所用测试气体的粘度，得到测试气体的粘度和压力的关系式，最后进行数据处理获得高压下岩石的气测渗透率。

所述方法包括以下步骤：

(1)测量岩心的长度和直径；将测试气体充入气样瓶中，其中，高压气样瓶中测试气体的压力高于低压气样瓶中测试气体的压力；

(2)将岩心放入所述超高压岩心夹持器中，打开超高压岩心夹持器的入口端和出口端之间的阀门；

(3)用围压泵向岩心周围施加围压；

(4)打开低压气样瓶，用注入泵缓慢加压，当测试气体流动压力达到高压气样瓶中的压力时，切换到高压气样瓶，再继续加压，直到测试气体流动压力达到测试要求值，同时将围压施加到测试要求值，然后保持恒压状态；

(5)关闭阀门，然后运行回压泵，根据岩心情况选择回压泵的压力值，保持恒定，使超高压岩心夹持器的入口端和出口端保持0.1～5MPa的压差，回压泵不断退泵并收集测试气体；

(6)回压泵退泵速度稳定后，记录超高压岩心夹持器的入口端、出口端的压力和回压泵退泵的速度，然后进行数据处理获得高压下岩石的气测渗透率。

所述步骤(6)中的数据处理步骤如下：

(61)对达西公式的形式进行选择，高压下岩石气测渗透率公式采用液测渗透率的达西公式；

(62)测定实验温度下不同压力时所用测试气体的粘度，得到测试气体的粘度和压力的关系式，然后将二者的关系式引入到液测渗透率的达西公式中，从而得到高压下岩石气测渗透率公式，再将实验数据代入所述高压下岩石气测渗透率公式中计算得到高压下岩石的气测渗透率。

在所述步骤(3)中，围压随着测试气体流动压力的增大而增大，且始终比测试气体流动压力高5MPa以上。

所述液测渗透率的达西公式为：

$k=\frac{\mathrm{Q\μL}}{A(p_1-p_2)}$

其中，k为岩石渗透率，Q为液体的流量，μ为流体粘度，L为岩石长度，A为岩石截面积，p₁为岩石进口压力，p₂为岩石出口压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明建立了高压下岩石气测渗透率的装置和测试方法，并且通过对高压下气体性质的分析，得到了适合高压下岩石气测渗透率数据的处理方法，贴近高压气藏的地层条件，能够更准确获取高压下的岩石气测渗透率，为高压气藏的开发提供了数据支持。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1是常规岩石气测渗透率的装置的示意图。

图2是本发明高压下岩石气测渗透率的装置的示意图。

图3是不同温度下某气体等温压缩系数和压力的关系曲线。等温压缩系数是指单位体积气体的体积随压力的变化率。如图3所示，温度分别为424K，393K，363K和333K的四条曲线呈现相同的规律，即在高压下，图中60MPa以上时，该气体的等温压缩系数很小，证明高压下该气体压缩性很小。

图4是20℃下某气体粘度与压力的变化关系，通过曲线回归可以得到该气体粘度和压力的关系式。(图中的R2＝0.9984是表示曲线回归的拟合程度，越接近1表示拟合度越高)

具体实施方式

如图2所示，本发明高压下岩石气测渗透率的装置，所述装置包括三个高压柱塞泵、两个气样瓶、超高压岩心夹持器2和高压压力表，其中，所述三个高压柱塞泵分别为注入泵、围压泵和回压泵，所述两个气样瓶分别为低压气样瓶和高压气样瓶；所述注入泵分别通过管路与低压气样瓶的一端、高压气样瓶的一端相连通，两个气样瓶的另一端均与超高压岩心夹持器2的入口端相连通；超高压岩心夹持器2的出口端与回压泵相连；超高压岩心夹持器2的入口端和出口端通过阀门3相连通；超高压岩心夹持器2的围压口与围压泵相连通；在气样瓶和超高压岩心夹持器2之间装有高压压力表；所述岩石样品为岩心；所述高压柱塞泵的最高工作压力150Mpa；所述超高压岩心夹持器2的最高压力可达150MPa，最高温度250℃，并且质量仅为2600g。所述超高压岩心夹持器2的结构请参考“新型超高压岩心夹持器”专利申请(申请号为A09GH3K0028)。

使用所述装置的高压下岩石气测渗透率方法，所述高压下岩石气测渗透率方法首先对气藏岩石进行取样，再使用测试气体对岩石样品进行测试，获得岩石样品在高压下对测试气体的渗透量以及此时测试气体的压力，然后测定实验温度下不同压力时所用测试气体的粘度，得到测试气体的粘度和压力的关系式，最后进行数据处理获得高压下岩石的气测渗透率。

所述方法包括以下步骤：

(1)测量岩心的长度和直径；将测试气体充入气样瓶中，其中，高压气样瓶中测试气体的压力高于低压气样瓶中测试气体的压力；(因为是超高压试验，加压过程需要由低到高缓慢升高，瞬时压力过高会造成岩心损坏。一个低压气样瓶受容积限制，无法通过不断加压达到实验要求，所以必须通过分次逐级加压来实现超高压)

(2)将岩心放入所述超高压岩心夹持器中，打开超高压岩心夹持器2的入口端和出口端之间的阀门3，此时超高压岩心夹持器2的入口端和出口端通过阀门3连通，目的是在施加高压过程中保持两端受力均衡，避免岩心损坏；

(3)用围压泵向岩心周围施加围压，围压随着测试气体流动压力的增大而增大，始终比测试气体流动压力高5MPa以上(因为高压岩心夹持器2的套筒材质更硬，围压低会导致套筒不能很好的包封岩心，围压水会进入岩心，导致实验失败，压力过高会导致岩心严重变形，且无法恢复，渗透性发生变化)；

(4)打开低压气样瓶，用注入泵缓慢加压，当测试气体流动压力达到高压气样瓶中的压力时，切换到高压气样瓶，再继续加压，直到测试气体流动压力达到测试要求值，同时将围压施加到测试要求值，然后保持恒压状态；

(5)关闭阀门3，然后运行回压泵，根据岩心情况选择回压泵的压力值，保持恒定，使超高压岩心夹持器的入口端和出口端保持0.1～5MPa的压差(低渗透率的岩石设定的压差大，高渗透样品选择压差小一些，流速不宜太快，保持气体流动符合达西定律，为线性流)，回压泵不断退泵并收集测试气体；而常规方法中气体流量计是直接通大气的，也就是说出口端的压力是大气压，本发明使用回压泵不仅可以得到流量，更重要的是可以给出口端提供回压，如果入口压力很高，出口端直接通大气，岩心出口端受到的应力明显大于入口端，可能导致岩心因受力不均而损坏；

(6)回压泵退泵速度稳定后，记录超高压岩心夹持器2的入口端、出口端的压力和回压泵退泵的速度，然后进行数据处理获得高压下岩石的气测渗透率。

所述步骤(6)中的数据处理步骤如下：

(61)对达西公式的形式进行选择，由于高压下气体的压缩性可以忽略(如图3所示)，其性质与液体相似，因此高压下岩石气测渗透率公式采用液测渗透率的达西公式；

(62)测定实验温度下不同压力时所用测试气体的粘度，得到测试气体的粘度和压力的关系式，然后将二者的关系式引入到液测渗透率的达西公式中，从而得到高压下岩石气测渗透率公式，再将实验数据代入所述高压下岩石气测渗透率公式中计算得到高压下岩石的气测渗透率。

本发明方法的一个具体实施例如下：

某气藏上覆岩石压力120MPa，气层压力101.2MPa，对气藏岩石进行取样，采用测试气体分别进行常规气测渗透率实验和使用本发明方法的高压下气测渗透率实验。

其中，常规气测渗透率实验：测量岩心的长度和直径，长度为4.952cm，直径为2.525cm，实验温度为20℃，查出20℃下测试气体的粘度为0.01758mPa.s，大气压力为0.1005MPa；将岩心放入岩心夹持器中，用围压泵向岩心周围施加围压，围压保持比测试气体流动压力大2MPa；打开气源，调节测试气体流动压力为0.219MPa(这是此岩心实际试验的测试值，这个压力的选择依据也是流量不宜太快，保持气体流动符合达西定律，为线性流)；待岩心出口端气体流量计读数稳定后，记录测试气体流量，按照气测渗透率的达西公式计算岩心渗透率，得到岩心渗透率为0.046×10^-3μm²。

使用本发明的方法的高压下气测渗透率实验：岩心的长度和直径同上，将低压气样瓶中充满10MPa的测试气体，高压气样瓶中充满50MPa的测试气体；将岩心放入超高压岩心夹持器中，打开图2中的阀门3，使超高压岩心夹持器的入口端和出口端连通；用围压泵向岩心周围施加围压15MPa；打开低压气样瓶，用注入泵缓慢加压，围压随着流动压力的增大而增大，始终比测试气体流动压力大5MPa以上，当流动压力达到50MPa时，切换到高压气样瓶，再继续加压，直到流动压力达到101.2MPa，同时将围压施加到120MPa，保持恒定状态；关闭阀门1，然后打开回压泵，回压泵的压力值为100.7MPa，保持恒定，这样超高压岩心夹持器的入口端和出口端就保持了0.5MPa的压差；回压泵退泵速度稳定后，记录回压泵退泵的速度(回压泵的退泵速度就是出口端的流量Q)。

采用粘度计测定20℃时测试气体不同压力下的粘度，绘制粘度和压力的关系曲线，如图4所示，然后采用曲线进行回归，得到粘度和压力的关系式：

$\mathrm{\μ}=0.0004\stackrel{\‾}{p}+0.0162$

其中，为岩心夹持器两端的平均压力。

将关系式代入液测渗透率的达西公式，即可得到该气体测渗透率的公式：

$k=\frac{Q(0.0004\stackrel{\‾}{p}+0.0162)L}{A(p_1-p_2)}$

根据实验得到的压力和流量的数据，计算得到高压下该气体测定的岩石气测渗透率为0.151×10^-3μm²。

通过对比两个结果，可以看出常规测试得到的岩心气测渗透率仅是气藏实际条件下岩心渗透率的1/3，因此高压下气测渗透率方法对研究高压气藏具有重要意义。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (6)

1.一种高压下岩石气测渗透率的装置，其特征在于：所述高压下岩石气测渗透率的装置包括：

三个高压柱塞泵、两个气样瓶、超高压岩心夹持器和高压压力表；

其中，所述三个高压柱塞泵分别为注入泵、围压泵和回压泵；

所述两个气样瓶分别为低压气样瓶和高压气样瓶；

所述注入泵分别通过管路与低压气样瓶的一端、高压气样瓶的一端相连通，两个气样瓶的另一端均与超高压岩心夹持器的入口端相连通；

超高压岩心夹持器的出口端与回压泵相连；

超高压岩心夹持器的入口端和出口端通过阀门相连通；

超高压岩心夹持器的围压口与围压泵相连通；

在气样瓶和超高压岩心夹持器之间装有高压压力表。

2.使用权利要求1所述的高压下岩石气测渗透率的装置的高压下岩石气测渗透率方法，其特征在于：所述方法首先对气藏岩石进行取样，再使用测试气体对岩石样品进行测试，获得岩石样品在高压下对测试气体的渗透量以及此时测试气体的压力，然后测定实验温度下不同压力时所用测试气体的粘度，得到测试气体的粘度和压力的关系式，最后进行数据处理获得高压下岩石的气测渗透率。

3.根据权利要求2所述的高压下岩石气测渗透率方法，其特征在于：

所述岩石样品为岩心；

所述方法包括以下步骤：

(1)测量岩心的长度和直径；将测试气体充入气样瓶中，其中，高压气样瓶中测试气体的压力高于低压气样瓶中测试气体的压力； 

(2)将岩心放入所述超高压岩心夹持器中，打开超高压岩心夹持器的入口端和出口端之间的阀门；

(3)用围压泵向岩心周围施加围压；

(4)打开低压气样瓶，用注入泵缓慢加压，当测试气体流动压力达到高压气样瓶中的压力时，切换到高压气样瓶，再继续加压，直到测试气体流动压力达到测试要求值，同时将围压施加到测试要求值，然后保持恒压状态；

(5)关闭阀门，然后运行回压泵，根据岩心情况选择回压泵的压力值，保持恒定，使超高压岩心夹持器的入口端和出口端保持0.1～5MPa的压差，回压泵不断退泵并收集测试气体；

(6)回压泵退泵速度稳定后，记录超高压岩心夹持器的入口端、出口端的压力和回压泵退泵的速度，然后进行数据处理获得高压下岩石的气测渗透率。

4. 根据权利要求3所述的高压下岩石气测渗透率方法，其特征在于，所述步骤(6)中的数据处理步骤如下：

(61)对达西公式的形式进行选择，高压下岩石气测渗透率公式采用液测渗透率的达西公式；

(62)测定实验温度下不同压力时所用测试气体的粘度，得到测试气体的粘度和压力的关系式，然后将二者的关系式引入到液测渗透率的达西公式中，从而得到高压下岩石气测渗透率公式，再将实验数据代入所述高压下岩石气测渗透率公式中计算得到高压下岩石的气测渗透率。

5.根据权利要求3所述的高压下岩石气测渗透率方法，其特征在于，所述步骤(3)中，围压随着测试气体流动压力的增大而增大，且始终比测试气体流动压力高5MPa以上。

6.根据权利要求4所述的高压下岩石气测渗透率方法，其特征在于，所述液测 渗透率的达西公式为：

其中，k为岩石渗透率，Q为液体的流量，μ为流体粘度，L为岩石长度，A为岩石截面积，p₁为岩石进口压力，p₂为岩石出口压力。 

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