CN103616322B

CN103616322B - 低渗透岩石渗透率非稳态测定方法

Info

Publication number: CN103616322B
Application number: CN201310601867.8A
Authority: CN
Inventors: 范俊佳; 柳少波; 姜林; 田华; 宋岩; 赵孟军; 方世虎; 洪峰; 马行陟; 樊阳
Original assignee: Petrochina Co Ltd
Current assignee: Petrochina Co Ltd
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2033-11-25
Also published as: CN103616322A

Abstract

本发明为一种低渗透岩石渗透率非稳态测定装置及方法，该测定装置包括容置岩心样品的岩心夹持器，夹持器侧壁连接于环压泵；夹持器设有进口管路和出口管路；进口管路中设有进口缓冲容器；出口管路中设有出口缓冲容器；与夹持器并联设置一校验回路，校验回路中设有一校验缸。利用本发明的低渗透岩石渗透率非稳态测定装置，可以快速准确测定低渗岩心渗透率，可以实现两种非稳态法测定低渗岩心样品渗透率，操作简单、测试准确；可以根据岩心孔隙度调节进、出口缓冲容器体积的大小，以保证渗透率测定的精度。

Description

低渗透岩石渗透率非稳态测定方法

技术领域

本发明是关于石油、地质、矿业领域实验室内用于致密砂岩、煤岩、泥岩、页岩等低渗岩石渗透率的测定装置及方法，尤其涉及一种低渗透岩石渗透率非稳态测定装置及方法。

背景技术

目前，致密砂岩气、页岩气、煤层气等低渗透气藏的勘探与开发方面取得了一系列的进展，渗透率已经成为评价低渗储层的关键参数之一。现有实验室岩心渗透率测定采用稳态法，基本原理是依据达西定律（渗透率大于0.1mD的岩石渗透率测试主要是基于达西定律），计量一定压力下通过岩心的流体流量，据达西公式计算渗透率。但是，采用这样的测量装置与方法在测量低渗岩心样品（渗透率<0.1mD）时,因为岩石渗透率孔隙度低，孔隙间连通性差，往往流体无法通过，难以在短时间获得稳定流速，计量难度大，耗时长，精度低。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种低渗透岩石渗透率非稳态测定装置及方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低渗透岩石渗透率非稳态测定装置及方法，用以准确、高效的测定低渗岩心样品的渗透率。

本发明的目的是这样实现的，一种低渗透岩石渗透率非稳态测定装置，所述测定装置包括一用于容置岩心样品的岩心夹持器，所述岩心夹持器的侧壁由管路连接于环压泵；所述岩心夹持器的进口端设有进口管路，出口端设有出口管路；所述进口管路中依序设有进口压力传感器、进气阀、调压阀和气缸；所述出口管路中依序设有出口压力传感器和放空阀；在所述进口管路中且位于岩心夹持器进口端与进口压力传感器之间由第一管道连通设有一个进口缓冲容器；在所述出口管路中且位于岩心夹持器出口端与出口压力传感器之间由第二管道连通设有一个出口缓冲容器；所述岩心夹持器进口端与第一管道之间设有第一阀门；所述第二管道中设有第二阀门；与岩心夹持器并联设置一校验回路，所述校验回路中设有一校验缸，校验缸两侧分别设有第三阀门和第四阀门，所述校验回路输入端连接在第一管道与第一阀门之间的进口管路中，所述校验回路输出端连接在第二管道与岩心夹持器出口端之间的出口管路中；与所述校验缸并联设置一第五阀门。

在本发明的一较佳实施方式中，所述进口缓冲容器和出口缓冲容器分别由圆柱状不锈钢密封缸体构成；所述密封缸体上设有能拆卸的密封缸盖；所述缸体内选择地设置圆柱状实心钢块。

在本发明的一较佳实施方式中，所述进口缓冲容器和出口缓冲容器内选择地设置多个圆柱状实心钢块。

在本发明的一较佳实施方式中，所述各实心钢块的厚度各不相同；各实心钢块的直径与各缓冲容器的内径相同。

在本发明的一较佳实施方式中，所述岩心样品为直径2.54cm的岩心钻柱。

本发明的目的还可以这样实现，一种低渗透岩石渗透率非稳态测定方法，所述测定方法包括以下步骤：

1）关闭所有阀门；

2）将岩心样品放入岩心夹持器中，并加载环压；

3）打开气缸、进气阀和调压阀，打开校验回路中的第三阀门、第四阀门和第五阀门，打开岩心夹持器与进口缓冲容器之间的第一阀门，调节气源压力，在岩心夹持器进口端和出口端加载一定的压力，使得气体快速浸润岩心夹持器中的低渗透岩心；由进口和出口压力传感器记录此时压力；

4）待进口端和出口端压力稳定后，关闭气缸，关闭校验回路中的第三阀门、第四阀门和第五阀门，打开放空阀调节压力后再关闭放空阀，上游压力向岩心夹持器下游传递；

5）待岩心夹持器上、下游压力平衡后，根据上下游压力变化计算岩心样品渗透率。

在本发明的一较佳实施方式中，当岩心孔隙度>3%时，采用非稳态瞬时脉冲法测量岩心渗透率；在上述步骤4）中，在关闭放空阀之后，同时打开第二阀门，由进口压力传感器和出口压力传感器分别记录岩心夹持器进口与出口压力随时间变化的压力值；在上述步骤5）中，待进、出口压力示数相等时，得到进、出口压力随时间的变化曲线，计算岩心夹持器进、出口压差变化的对数与时间的关系的斜率；由公式计算岩心样品渗透率K(10^-3μm²)；

其中：c为岩心夹持器进、出口压差变化的对数与时间的关系的斜率，μ为流体粘度(mPa.s)，L为岩心样品长度(cm)，A为岩心样品截面积(cm²),P_f为平均压力(MPa)，即P_f=(P_in+P_out)/2,P_in为进口压力，P_out为出口压力，V_in为入口处连接缓冲容器的管线体积及进口缓冲容器的体积之和(cm³),V_out为出口处连接缓冲容器的管线体积及出口缓冲容器的体积之和(cm³)。

在本发明的一较佳实施方式中，采用非稳态法瞬时脉冲法进行渗透率测量时，需要调节进口缓冲容器和出口缓冲容器的体积。

在本发明的一较佳实施方式中，当岩心孔隙度为<3%时,，采用非稳态法的压力降落法测量岩心渗透率；在上述步骤4）中，再次重新打开放空阀，由进口压力传感器记录压力变化过程，得到入口压力随时间变化的曲线；在上述步骤5）中，待入口压力降为大气压时，求取该压力的对数与时间变化关系的斜率；由公式计算岩心样品渗透率K(10^-3μm²),

其中：c为上述压力的对数与时间变化关系的斜率，μ为流体粘度(mPa.s)，L为岩心样品长度(cm)，A为岩心样品截面积(cm²),P_f为平均压力(MPa)，V_in为入口处管线及进口缓冲容器的体积(cm³)。

在本发明的一较佳实施方式中，当采用压力降落法测量渗透率时，只需调节进口缓冲容器的体积。

由上所述，利用本发明的低渗透岩石渗透率非稳态测定装置，可以快速准确测定低渗储层岩心渗透率，可以实现两种非稳态法测定低渗岩心样品渗透率，操作简单、测试准确；可以根据岩心孔隙度调节进、出口缓冲容器体积的大小，以保证渗透率测定的精度。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1：为本发明低渗透岩石渗透率非稳态测定装置的结构示意图。

图2：为本发明中非稳态法瞬时脉冲法进出口压力随时间的变化图。

图3：为本发明非稳态法瞬时脉冲法平均压力的对数随时间的变化图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提出一种低渗透岩石渗透率非稳态测定装置100，所述测定装置100包括一用于容置岩心样品的岩心夹持器1，所述岩心夹持器1的侧壁由管路连接于环压泵2；所述岩心夹持器1的进口端设有进口管路3，出口端设有出口管路4；所述进口管路3中依序设有进口压力传感器31、进气阀32、调压阀33和气缸34；所述出口管路4中依序设有出口压力传感器41和放空阀42；在所述进口管路3中且位于岩心夹持器1进口端与进口压力传感器31之间由第一管道5连通设有一个进口缓冲容器51；在所述出口管路4中且位于岩心夹持器1出口端与出口压力传感器41之间由第二管道6连通设有一个出口缓冲容器61；所述岩心夹持器进口端与第一管道5之间设有第一阀门71；所述第二管道6中设有第二阀门72；与岩心夹持器1并联设置一校验回路8，所述校验回路8中设有一校验缸81（校验缸81的体积是已知的），校验缸81两侧分别设有第三阀门73和第四阀门74，所述校验回路8输入端连接在第一管道5与第一阀门71之间的进口管路3中，所述校验回路8输出端连接在第二管道6与岩心夹持器出口端之间的出口管路4中；与所述校验缸并联设置一第五阀门75。

在本实施方式中，所述进口缓冲容器51和出口缓冲容器61分别由圆柱状不锈钢密封缸体构成；所述密封缸体上设有能拆卸的密封缸盖511、611；所述缸体内选择地设置圆柱状实心钢块。所述进口缓冲容器51和出口缓冲容器61内选择地设置多个圆柱状实心钢块。可以根据测定需要向进口缓冲容器51和出口缓冲容器61中充填或取出实心钢块以改变缓冲容器的容积；在本实施方式中，所述各实心钢块的厚度各不相同；各实心钢块的直径与各缓冲容器的内径相同；各实心钢块的体积是已知的。在本实施方式中，也可以由多个体积已知的钢珠（钢球）来替代所述实心钢块充填到进口缓冲容器51或出口缓冲容器61中，以改变缓冲容器的容积。

本发明低渗透岩石渗透率非稳态测定装置，可利用岩心夹持器进口端、出口端压力差的变化与进口端、出口端压力平衡时间来计算渗透率，可以准确、高效的测定低渗岩心样品的渗透率；该测定装置的渗透率测试范围为0.00001～0.1mD，岩心样品规格为直径2.54cm的岩心钻柱。

利用本发明的低渗透岩石渗透率非稳态测定装置，可以快速准确测定低渗储层岩心渗透率，可以实现两种非稳态法测定低渗岩心样品渗透率，操作简单、测试准确；可以根据岩心孔隙度调节进、出口缓冲容器体积的大小，以保证渗透率测定的精度。

本发明还提出一种利用上述低渗透岩石渗透率非稳态测定装置进行岩石渗透率测定的方法，所述测定方法包括以下步骤：

1）关闭所有阀门；

2）将岩心样品放入岩心夹持器1中，并加载环压；

3）打开气缸34、进气阀32和调压阀33，打开校验回路中的第三阀门73、第四阀门74和第五阀门75，打开岩心夹持器与进口缓冲容器之间的第一阀门71，调节气源压力，在岩心夹持器1进口端和出口端加载一定的压力，使得气体快速浸润岩心夹持器中的低渗透岩心；由进口压力传感器31和出口压力传感器41记录此时压力；

4）待进口端和出口端压力稳定（即：压力表示数稳定不再变化）后，关闭气缸，关闭校验回路中的第三阀门73、第四阀门74和第五阀门75；打开放空阀42调节压力，使得岩心夹持器下游压力下降，并低于岩心夹持器上游压力，调节压力后再关闭放空阀42，上游压力向岩心夹持器下游传递；

5）待岩心夹持器上、下游压力平衡后（即：进口压力传感器31与出口压力传感器41显示相同数值时），根据上下游压力变化计算岩心样品渗透率。

在本实施方式中，校验缸81的体积是已知的，可利用波义尔定律双室法来校验进口游缓冲容器和出口游缓冲容器的体积（利用校验回路8及校验缸81校验进口游缓冲容器和出口游缓冲容器的体积为现有技术，在此不再赘述）。

利用本发明的低渗透岩石渗透率非稳态测定装置，可以实现两种非稳态法进行渗透率的测量。可以根据岩心样品孔隙度大小选择不同的方法进行渗透率测试，岩心孔隙度>3%时，推荐选择非稳态法的瞬时脉冲法进行测试；岩心孔隙度为<3%时,推荐选择非稳态法的压力降落法进行测试。

两种测量方法的具体过程描述如下：

一、非稳态瞬时脉冲法测量岩心渗透率是这样实现的：

1）实验开始前，所有阀门是处于关闭状态的；2）将岩心样品装入岩心夹持器1，加载环压；3）打开气缸34，调节调压阀33和进气阀32，打开校验回路中的第三阀门73、第四阀门74和第五阀门75，打开岩心夹持器与进口缓冲容器之间的第一阀门71，调节气源压力，在岩心夹持器1进口端和出口端加载一定的压力，使得气体快速浸润岩心夹持器中的低渗透岩心；由进口压力传感器31和出口压力传感器41记录此时压力；4）待进口压力传感器31和出口压力传感器41压力示数稳定后，关闭气缸，关闭校验回路中的第三阀门73、第四阀门74和第五阀门75，打开放空阀42调节压力后再关闭放空阀42，同时打开第二阀门72，进口压力传感器31和出口压力传感器41分别记录岩心夹持器进口与出口压力随时间变化的压力值；5）待进、出口压力示数相等时，得到进、出口压力随时间的变化曲线（如图2所示）,计算岩心夹持器进、出口压差变化的对数与时间的关系的斜率（c）（如图3所示）；6）由下面公式（该公式简化自美国岩心测试标准API-RP40中6-57的公式（D-20））计算岩心样品渗透率K(10^-3μm²),其中：μ为实验流体粘度(mPa.s)，L为样品长度(cm)，A为样品截面积(cm²),P_f为平均压力(MPa)，即P_f=(P_in+P_out)/2,P_in为进口压力，P_out为出口压力，V_in为入口处连接缓冲容器的管线体积及缓冲容器51的体积之和(cm³),V_out为出口处连接缓冲容器的管线体积及缓冲容器61的体积之和(cm³)；所述c值为图3中直线的斜率，c值为Ln[△P(t)]=Ln[P_in(t)-P_out(t)]；

K = \frac{- cμL}{{AP}_{f} (\frac{1}{V_{in}} + \frac{1}{V_{out}})}

二、非稳态压力降落法测定岩心渗透率是这样实现的：

1）实验前，测试系统所有阀门处于关闭状态；2）将岩心样品放入岩心夹持器1，加载环压；3）打开气缸34，调节调压阀33和进气阀32，打开校验回路中的第三阀门73、第四阀门74和第五阀门75，打开岩心夹持器与进口缓冲容器之间的第一阀门71，调节气源压力，在岩心夹持器1进口端和出口端加载一定的压力，使得气体快速浸润岩心夹持器中的低渗透岩心；由进口压力传感器31和出口压力传感器41记录此时压力；4）待进口端和出口端压力稳定（即：压力表示数稳定不再变化）后，关闭气缸，关闭校验回路中的第三阀门73、第四阀门74和第五阀门75，打开放空阀42进口压力传感器31记录压力变化过程，得到入口压力随时间变化的曲线，待入口压力降为大气压时，求取该压力的对数与时间变化关系的斜率（c），5）由下面公式（该公式简化自美国岩心测试标准API-RP40中6-54的公式（B-23））计算岩心样品渗透率K(10^-3μm²),其中：μ为实验流体粘度(mPa.s)，L为样品长度(cm)，A为样品截面积(cm²),P_f为平均压力(MPa)，V_in为入口处管线及缓冲容器51的体积(cm³)。

K = \frac{- cμL}{{AP}_{f} (\frac{1}{V_{in}})}

在本实施方式中，采用非稳态法瞬时脉冲法进行渗透率测量时，需要调节进口缓冲容器51、出口缓冲容器61的体积，以适应样品测量要求；调节过程为：缓冲容器的体积是已知的，通过添加或取出的已知体积的实心钢块来计算缓冲容器体积的大小。当采用压力降落法测量渗透率时，则只需调节进口缓冲容器51的体积。所述进口缓冲容器51、出口缓冲容器61，都可通过填加或取出实心钢块以改变其大小，使得样品渗透率测定快速精确。

利用本发明的测定装置对不同孔隙度岩心样品采用非稳态法进行渗透率测试实验，并与标准岩心样品进行反复对比，本发明非稳态法可测试的低渗透岩心下限可达到0.00001mD；本发明的测定装置与方法可以实现测定低渗岩心样品渗透率的测试要求。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种低渗透岩石渗透率非稳态测定方法，该测定方法采用一种低渗透岩石渗透率非稳态测定装置，所述测定装置包括一用于容置岩心样品的岩心夹持器，所述岩心夹持器的侧壁由管路连接于环压泵；所述岩心夹持器的进口端设有进口管路，出口端设有出口管路；所述进口管路中依序设有进口压力传感器、进气阀、调压阀和气缸；所述出口管路中依序设有出口压力传感器和放空阀；在所述进口管路中且位于岩心夹持器进口端与进口压力传感器之间由第一管道连通设有一个进口缓冲容器；在所述出口管路中且位于岩心夹持器出口端与出口压力传感器之间由第二管道连通设有一个出口缓冲容器；所述岩心夹持器进口端与第一管道之间设有第一阀门；所述第二管道中设有第二阀门；与岩心夹持器并联设置一校验回路，所述校验回路中设有一校验缸，校验缸两侧分别设有第三阀门和第四阀门，所述校验回路输入端连接在第一管道与第一阀门之间的进口管路中，所述校验回路输出端连接在第二管道与岩心夹持器出口端之间的出口管路中；与所述校验缸并联设置一第五阀门；所述进口缓冲容器和出口缓冲容器分别由圆柱状不锈钢密封缸体构成；所述密封缸体上设有能拆卸的密封缸盖；所述缸体内选择地设置圆柱状实心钢块；

所述测定方法包括以下步骤：

1)关闭所有阀门；

2)将岩心样品放入岩心夹持器中，并加载环压；

3)打开气缸、进气阀和调压阀，打开校验回路中的第三阀门、第四阀门和第五阀门，打开岩心夹持器与进口缓冲容器之间的第一阀门，调节气源压力，在岩心夹持器进口端和出口端加载一定的压力，使得气体快速浸润岩心夹持器中的低渗透岩心；由进口和出口压力传感器记录此时压力；

4)待进口端和出口端压力稳定后，关闭气缸，关闭校验回路中的第三阀门、第四阀门和第五阀门，打开放空阀调节压力后再关闭放空阀，上游压力向岩心夹持器下游传递；

5)待岩心夹持器上、下游压力平衡后，根据上下游压力变化计算岩心样品渗透率；

当岩心孔隙度为<3％时,，采用非稳态法的压力降落法测量岩心渗透率；在上述步骤4)中，再次重新打开放空阀，由进口压力传感器记录压力变化过程，得到进口压力随时间变化的曲线；在上述步骤5)中，待进口压力降为大气压时，求取进口压力与出口压力之差的对数与时间变化关系的斜率；由公式计算岩心样品渗透率K(10^-3μm²),

其中：c为进口压力与出口压力之差的对数与时间变化关系的斜率，μ为流体粘度(mPa.s)，L为岩心样品长度(cm)，A为岩心样品截面积(cm²),P_f为平均压力(MPa)，V_in为入口处管线及进口缓冲容器的体积(cm³)。

2.如权利要求1所述的低渗透岩石渗透率非稳态测定方法，其特征在于：当采用压力降落法测量渗透率时，只需调节进口缓冲容器的体积。