CN103278418A - 一种储层岩心中约束束缚水饱和度的测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储层岩心中约束束缚水饱和度的测定装置及方法，该装置主要由高压氮气源、增湿器、岩心夹持器、油水驱替泵、环压泵、回压控制泵、气体计量计、液体计量计组成，所述岩心夹持器置于恒温箱中，所述高压氮气源通过增湿器连接岩心夹持器入口端，所述油水驱替泵也通过油水驱替控制阀连接岩心夹持器入口端；所述环压泵通过环压控制阀连接岩心夹持器，给岩心施加围压；岩心夹持器出口端既连接回压控制泵，又分别连接气体计量计和液体计量计。该装置原理可靠，结构合理，操作简便，利用该装置测定储层岩心中的约束束缚水饱和度，所能达到的最高压力70MPa，最高温度150℃，弥补了现有气藏测井分析和气井生产动态分析方法及技术应用的不足。

Description

一种储层岩心中约束束缚水饱和度的测定装置及方法

技术领域

本发明涉及一种气藏储层岩心中测定约束束缚水饱和度的装置及方法，特别适用于石油天然气行业考虑气藏储层多孔介质岩心中高温高压环境下测定可动水饱和度及约束束缚水饱和度的实验装置及方法。

背景技术

“约束束缚水饱和度”的定义和物理意义在于：在气藏成藏过程中，在毛管压力制约作用下，需要在一定驱替压力梯度作用下才能被活化恢复流动的可动水饱和度，我们把它称之为约束束缚水饱和度。其物理含义是，在气藏投入开发后，被约束的气藏原始平衡共存水在一定驱替压力梯度下，一部分被约束的共存水被活化转变为可动水运移至井底被采出，剩余的共存水饱和度即为在该驱替压力梯度下的约束束缚水饱和度；当加大驱替压差时，又会有部分被约束的共存水转变为可动水运移至井底被采出，余下的共存水饱和度即为在新的驱替压差下的约束束缚水饱和度；随着驱替压差的不断增加，直到约束束缚水饱和度下降到无论驱替压差增加到多大也不能恢复流动的束缚水饱和度。

天然气藏中约束束缚水饱和度的大小是天然气藏测井分析和气井开采过程的物性参数之一，可用于评价气藏的气水层和气藏开发过程气井产出水的类型；也可用于地层中气水两相的渗流特征分析、产能分析、生产动态分析、数值模拟、生产系统分析、采气工艺设计和地面工程设计。目前公知的气藏储层岩心含水饱和度的测定方法有可动水饱和度的测试，束缚水饱和度的测试，尚未明确形成约束束缚水饱和度的实验测试。因此，本发明引入约束束缚水饱和度的概念并提出约束束缚水饱和度的实验测试方法，具有重大的意义：

（1）可为气藏成藏过程气体运移驱替原生水的渗流特征评价提供依据；

（2）可为气藏产水气层测井解释分析提供技术支持；

（3）为气藏早期气井生产过程产水动态及规律的分析提供实验数据；

（4）为气井产能分析、生产系统分析、采气工艺设计和地面工程设计提供实验数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种储层岩心中约束束缚水饱和度的测定装置，该装置原理可靠，结构合理，操作简便，可准确测定储层多孔介质中可动水饱和度和约束束缚水饱和度随驱替压差的变化规律。

本发明的另一个目的在于提供利用上述装置测定储层岩心中的约束束缚水饱和度的方法，该方法可在气藏高温高压条件下进行约束束缚水饱和度的实验研究，所能达到的最高压力70MPa，最高温度150℃，能更好地适合于低渗油、气藏储层岩心中约束束缚水饱和度的测定，弥补了现有气藏测井分析和气井生产动态分析方法及技术应用的不足。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

测定储层岩心中约束束缚水饱和度的装置，主要由高压气源（天然气或氮气）、压力和流量控制面板、岩心夹持器、地层水（和地层油）驱替泵、回压控制泵、围压控制泵、气体计量计、液体计量计、恒温箱、串联的流程系统组成，能够满足不同温度压力、范围内储层岩心中约束束缚水饱和度的准确测定。该实验测试系统所需的数据采集及处理系统也可由高精度的温度传感器、压力传感器以及连有数据采集卡的计算机组成，以进一步提高测试精度。

一种储层岩心中约束束缚水饱和度的测定装置，主要由高压氮气源、增湿器、岩心夹持器、油水驱替泵、环压泵、回压控制泵、气体计量计、液体计量计组成，所述岩心夹持器置于恒温箱中，所述高压氮气源通过增湿器连接岩心夹持器入口端，增湿器与岩心夹持器入口端之间有不同量程的压力表和相应的氮气注入系统控制阀，所述油水驱替泵也通过油水驱替控制阀连接岩心夹持器入口端；所述环压泵通过环压控制阀连接岩心夹持器，给岩心施加围压；岩心夹持器出口端既通过回压阀、回压控制阀连接回压控制泵，又分别连接气体计量计和液体计量计。

利用上述装置测定储层岩心中约束束缚水饱和度的方法，依次包括以下步骤：

①用孔隙度测试仪和渗透率测试仪对干燥的岩心测定其孔隙度和渗透率；

②对测定了孔隙度和渗透率的干燥岩心称重，然后将岩心放入饱和装置中抽真空并充分饱和地层水；

③对饱和地层水的岩心用精密天平称重，确定饱和的地层水量；

④把饱和地层水的岩心装入岩心夹持器，再把岩心夹持器放入恒温箱中；

⑤将恒温箱升温致测试所需温度，同时用环压泵对岩心夹持器加围压至高于测试的最大压力2MPa以上；

⑥根据测试的最小驱替压力设置回压阀的回压；

⑦用高压氮气源经过增湿器和氮气注入系统控制阀建立适当的驱替压差，模拟气体运移成藏过程向岩心夹持器注入氮气，用回压阀调节岩心夹持器出口端的压力，驱出岩心中的部分可动水，用液体计量计计量驱出来的水量，直到岩心中的剩余水量达到该压力下的约束束缚水饱和度；

⑧设计适当的压力级数，调节高压氮气源的压力和回压阀的压力，依次增加驱替压差，各压力级恒压驱替至岩心夹持器中液体不再流出为止，每级压差下驱出的液体量与孔隙体积（饱和的液体量）的比值即为该级驱替压差下的可动水饱和度，相应的剩余在岩心中的地层水饱和度即为该级驱替压差下约束束缚水饱和度；

⑨继续调节高压氮气源的压力和回压阀的压力，增加驱替压差，直至岩心夹持器中不再有地层水被驱出为止，此时岩心中的含水饱和度即为不能恢复流动的束缚水饱和度，或通过绘制各级压力下约束束缚水饱和度与驱替压差之间的关系曲线，外推至约束束缚水饱和度不再随驱替压差而变化的含水饱和度值，则该饱和度即可视为储层岩心的束缚水饱和度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设计的测定装置，原理可靠，结构合理，操作简便，利用该装置可准确测定储层多孔介质中可动水饱和度和约束束缚水饱和度随驱替压差的变化规律。实验能达到的最高温度压力70MPa，最高温度150℃。本发明既可通过氮气注入系统用于气藏储层岩石中可动水和约束束缚水饱和度的测定，也可通过油水驱替泵用于油藏储层岩石中可动水和约束束缚水饱和度的测定。

附图说明

图1是储层岩心中约束束缚水饱和度的测定装置结构示意图

图2是剩余含水饱和度、累计可动水饱和度与驱替压差的关系图

图3是渗透率与压力平方梯度关系图

图1中：1、高压氮气源；2、增湿器；3、压力表；4～14、氮气注入系统控制阀；15、环压控制阀；16、岩心夹持器；17～18、油水驱替控制阀；19、油水驱替泵；20、环压泵；21、回压阀；22、回压控制阀；23、回压控制泵；24、气体计量计；25～26、计量控制阀；27、液体计量计；28～29、岩心夹持器入口端阀门。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参见图1。一种储层岩心中约束束缚水饱和度的测定装置，主要由高压氮气源1、增湿器2、岩心夹持器16、油水驱替泵19、环压泵20、回压控制泵23、气体计量计24、液体计量计27组成，所述岩心夹持器16置于恒温箱中。

所述高压氮气源1通过增湿器2连接岩心夹持器入口端阀门28，增湿器与岩心夹持器入口端之间有不同量程的压力表3和相应的氮气注入系统控制阀4～14，所述油水驱替泵19也通过油水驱替控制阀17、18连接岩心夹持器入口端阀门29；所述环压泵20通过环压控制阀15连接岩心夹持器16，给岩心施加围压；岩心夹持器出口端既通过回压阀21、回压控制阀22连接回压控制泵23，又分别通过计量控制阀25连接气体计量计24，通过计量控制阀26连接液体计量计27。

下面结合实施例进一步描述本发明的实验方法。

实施例一：低渗气藏储层岩石中可动水及约束束缚水饱和度的测定。

选择4块低渗透岩心开展约束束缚水饱和度测定，所用岩心分别是召29井2-5/133号岩心、苏124井5-13/47号岩心、召51井2-1/125号岩心、召73井3-17/44号岩心。实验岩心中，每块岩心分别测定了5个压力点，测定的可动水饱和度和约束束缚水饱和度、渗透率以及驱替压差数据分别见表1至表4。

（1）测试过程：

①参照石油行业标标SY/T6298-1997和SY/T6370-1998的实验步骤，用孔隙度测试仪和渗透率测试仪对选择的4块经干燥的低渗透岩心测定了其孔隙度和渗透率；

②对测定了孔隙度和渗透率的4块岩心再行干燥并称重，然后将4块岩心放入饱和装置中抽真空并充分饱和地层水；

③对饱和地层水的岩心用精密天平称重，确定饱和的地层水量；

④把饱和地层水的4块岩心按测试顺序分别装入岩心夹持器16，再分别把岩心夹持器放入恒温箱中，连接好测试管线和相应的控制阀门、压力表等测试组件；

⑤将恒温箱升温致测试温度104.1℃，同时用环压泵20对岩心夹持器加围压至30.40MPa，高于测试的最大地层压力（28.40MPa）2MPa以上；

⑥根据测试的最小驱替压力设置回压阀21的回压，控制测试压差（分别见表1～表4中的第1列第4行～第8行数据）；

⑦用高压氮气源1经过增湿器2和气体注入流程3～14建立适当的驱替压差，模拟气体运移成藏过程向岩心夹持器16注入氮气，用回压阀调节岩心夹持器出口端的压力，驱出岩心中的部分可动水，用液体计量计27计量驱出来的水量并与孔隙体积（饱和的液体量）作比值，计算出相应的可动水饱和度（分别见表1～表4中第2列第5行数据），直到岩心中的剩余水量达到该压力下的约束束缚水饱和度（见表1～表4中第3列第5行数据）；

⑧设计适当的压力级数，调节高压氮气源出口的压力和回压阀的压力，依次增加驱替压差，各压力级恒压驱替至岩心夹持器中液体不再流出为止，每级压差下驱出的液体量与孔隙体积（饱和的液体量）的比值即为该级驱替压差下的可动水饱和度（分别见表1～表4中第2列第6～8行数据），相应的剩余在岩心中的平衡地层水饱和度即为该级驱替压差下约束束缚水饱和度（分别见表1～表4中第3列第6～8行数据）；

⑨继续调节高压氮气源出口的压力和回压阀的压力，增加驱替压差，直至岩心夹持器中不再有地层水被驱出为止，此时岩心中的含水饱和度即为不能恢复流动的束缚水饱和度，或通过绘制各级压力下约束束缚水饱和度与驱替压差之间的关系曲线，外推至约束束缚水饱和度不再随驱替压差而变化的含水饱和度值，则该饱和度即可视为储层岩心的束缚水饱和度（参见图2）。

表1召29井2-5/133号岩心实验测试数据表

表2苏124井5-13/47号岩心实验测试数据表

表3召51井2-1/125号岩心实验测试数据表

表4召73井3-17/44号岩心实验测试数据表

（2）驱替压差对可动水饱和度的影响分析

为了更利于发现可动水饱和度和约束束缚水饱和度与驱替压差（或压力平方梯度）的变化趋势，将表1～表4的数据绘成曲线图，如图2所示。

从图2可以看到，随着驱替压差(或压力平方梯度)的增大，4块岩心的累计可动水饱和度均逐渐增大，剩余的约束束缚水饱和度均逐渐降低。并且其剩余约束束缚水饱和度随压差增大下降幅度逐渐减小；相应的，累计可动水饱和度随驱动压差增大上升幅度逐渐减小。这说明在驱替压差作用下，一开始是较大孔道中的水先被活化恢复流动而被驱出，此时剩余的约束束缚水饱和度下降幅度较大；随着驱替压差增大，下降的幅度有所减缓，这是由于气驱水已开始发生于孔径相对较小的孔道中。从图2上取0.5、1、2MPa的压差点上观测剩余约束束缚水饱和度的大小，可得出以下认识：物性相同的岩心，在相同压差下，绝对渗透率大的岩芯（2-5/133号岩芯）其累计可动水饱和度更大、束缚水饱和度更低，这是由于大渗透率的岩芯，其岩石有效孔道半径更大，边界效应和毛管渗流阻力不明显，更利于水在孔道中的渗流。因此在天然气采出过程中，物性好的地层即便发生水锁或者水淹，地层可动水可较容易的被气流携带出井底，剩余的约束束缚水饱和度降低较快，水体阻碍天然气渗流的效应不是那么明显，换句话说，高渗地层相对于低渗地层不那么容易发生水锁效应，即便发生了，驱替可动水至井筒的气体压力损失也不会那么大。

（3）不同束缚水饱和度下渗透率随压力平方梯度变化规律

为了更利于发现不同约束束缚水含水饱和度条件下渗透率随压力梯度的变化趋势，也可将渗透率随压力平方梯度的变化关系用曲线图表示，如图3所示。

从图3可以直观看到，随着压力平方梯度的变大，岩心气测渗透率逐渐增大，这是因为在驱替压差的增大过程中，从岩心中不断的驱替出可动水，导致剩余约束束缚水饱和度减小，气相渗透率随剩余含水饱和度的减小而逐渐增大。从图中可以看出，岩心的渗透率随压力平方梯度的变化呈现出三种趋势，这是由于岩心绝对渗透率不同导致的。相同压力平方梯度下，绝对渗透率越高的岩心（2-5/133号岩芯），其剩余含水饱和度越低，对应的气相渗透率也就越高，相反也就越低。

Claims (2)

1.一种储层岩心中约束束缚水饱和度的测定装置，主要由高压氮气源（1）、增湿器（2）、岩心夹持器（16）、油水驱替泵（19）、环压泵（20）、回压控制泵（23）、气体计量计（24）、液体计量计（27）组成，所述岩心夹持器（16）置于恒温箱中，其特征在于，所述高压氮气源（1）通过增湿器（2）连接岩心夹持器入口端，增湿器与岩心夹持器入口端之间有不同量程的压力表（3）和相应的氮气注入系统控制阀（4）～（14），所述油水驱替泵（19）也通过油水驱替控制阀（17）、（18）连接岩心夹持器入口端；所述环压泵（20）通过环压控制阀（15）连接岩心夹持器（16）；岩心夹持器出口端既通过回压阀（21）、回压控制阀（22）连接回压控制泵（23），又分别连接气体计量计（24）和液体计量计（27）。

2.利用权利要求1所述装置测定储层岩心中约束束缚水饱和度的方法，依次包括以下步骤：

①用孔隙度测试仪和渗透率测试仪对干燥的岩心测定其孔隙度和渗透率；

②对测定了孔隙度和渗透率的干燥岩心称重，然后将岩心放入饱和装置中抽真空并充分饱和地层水；

③对饱和地层水的岩心用精密天平称重，确定饱和的地层水量；

④把饱和地层水的岩心装入岩心夹持器，把岩心夹持器放入恒温箱中；

⑤将恒温箱升温致测试所需温度，同时用环压泵对岩心夹持器加围压至高于测试的最大压力2MPa以上；

⑥根据测试的最小驱替压力设置回压阀的回压；

⑦用高压氮气源经过增湿器和氮气注入系统控制阀建立适当的驱替压差，模拟气体运移成藏过程向岩心夹持器注入氮气，用回压阀调节岩心夹持器出口端的压力，驱出岩心中的部分可动水，用液体计量计计量驱出来的水量，直到岩心中的剩余水量达到该压力下的约束束缚水饱和度；

⑧设计适当的压力级数，调节高压氮气源的压力和回压阀的压力，依次增加驱替压差，各压力级恒压驱替至岩心夹持器中液体不再流出为止，每级压差下驱出的液体量与饱和的液体量的比值即为该级驱替压差下的可动水饱和度，相应的剩余在岩心中的地层水饱和度即为该级驱替压差下约束束缚水饱和度；

⑨继续调节高压氮气源的压力和回压阀的压力，增加驱替压差，直至岩心夹持器中不再有地层水被驱出为止，此时岩心中的含水饱和度即为不能恢复流动的束缚水饱和度，或通过绘制各级压力下约束束缚水饱和度与驱替压差之间的关系曲线，外推至约束束缚水饱和度不再随驱替压差而变化的含水饱和度值，则该饱和度即可视为储层岩心的束缚水饱和度。

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