CN103776744B - 一种岩样三向渗透率的检测方法及其检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种岩样三向渗透率的检测方法及其检测系统，该检测方法是将待测岩样按三维直角坐标系的轴向标记，将待测岩样依次沿标记方向置于检测系统中，经密封加压后，依次测量沿不同标记方向的渗透率；该检测系统包括夹持单元、注气单元、检测单元以及控制单元；注气单元与夹持单元相连接，检测单元设置在夹持单元外部，控制单元与检测单元相连接；夹持单元包括夹持器12，夹持器12内部依次套接有围压套1、过渡套4以及待测岩样3，待测岩样一端与注气单元相连接；本发明不必在岩心上钻取岩心柱，而是采用切磨方式取样，提高了取样的成功率；此外，本发明可以对一块岩样进行三向渗透率测试，提高了岩样的利用率，增强了实验结果的可比性。

Description

一种岩样三向渗透率的检测方法及其检测系统

技术领域

本发明涉及岩石的物理参数测量领域，尤其涉及一种岩样三向渗透率的检测方法及其检测系统。

背景技术

在油气地质勘探和开发领域，渗透率是一项重要的参数。在实验室，通常是在岩样上钻取标准岩心柱，以渗透率测定仪测定岩心柱渗透率，为油气勘探和开发工作提供依据。由于地层的渗透率具有各向异性的特点，而这种特性对于油气田的勘探和开发具有特殊意义；因此在钻取岩心柱时，需在岩心上钻取轴向岩心柱和径向岩心柱，并分别标注方向测试，最后得到垂向渗透率和水平渗透率，以便为地层渗透性研究提供更多信息。

中国专利CN101221111A提供了一种各向异性渗透率的测试方法，该方法是将全直径岩心沿轴线钻空，从小孔眼向岩心内注入流体，在岩心体内形成垂直于岩心轴线的辐射状平面流动，流体由岩心周围表面流出。测量岩心外侧表面不同方向的流量，流量最大和最小的方向分别是最大和最小渗透率主方向。

2005年8月出版的《大庆石油地质与开发》中刊登了《岩石方向渗透率的确定方法研究》，推导了一种新的具有代表性和普遍性的方向渗透率计算模型。此模型可用于计算平面内任意方向上的渗透率大小。提出了一种用于确定最大、最小方向渗透率及其方位角的新方法，并给出了相应的实施步骤。

本方法的实施条件为：

1)需要有岩样实测的一个平面三个方向的渗透率及其方位角数据；

2)本方法只适用于正反两个渗透率相等或相近的情形。

上述方法若要实施，就必须要获得规则的圆柱状岩样，甚至需要全岩心样品。但由于泥岩、页岩、泥页岩具有性脆、页理发育等特点，在钻取岩心柱或取心的过程中经常发生破裂现象，导致钻取岩心柱样品的成功率低，而上述方法对岩样外形的要求，在一定程度上限制了其在更大范围上的应用，也不能满足各向异性岩样渗透率测定和研究工作的需要。

发明内容

为了解决现有技术中对岩样的取样成功率低和利用率低的问题，提供了一种岩样三向渗透率的检测方法及其检测系统，简化了岩样的取样流程，使采样的成功率和利用率大大提高。

一种岩样三向渗透率检测方法，其特征在于：

所述检测方法是在待测岩样(3)上建立三维直角坐标系，并将所述待测岩样分别沿所述三维直角坐标系的X轴、Y轴、Z轴放入检测系统，通过所述检测系统分别检测所述待测岩样的三向渗透率；

本发明的检测方法步骤为，

步骤1，获取所述待测岩样3；

步骤2，在所述待测岩样3上建立三维直角坐标系，即选取所述待测岩样3的一个端面，将所述端面上任意一对相互垂直的方向标记为所述三维直角坐标系的X轴方向和Y轴方向，将任意一个与X轴和Y轴均垂直的方向标记为Z轴方向；同时获取所述端面的端面积A；

步骤3，设定试验参数，所述试验参数包括围压值、注气量；

步骤4，将所述待测岩样3沿X轴方向放入所述过渡套4，将围压套1套接在所述过渡套4外侧，将所述围压套1固定在夹持器12中；

步骤5，向所述夹持器12内部通气，提升所述待测岩样3的围压；

步骤6，向所述待测岩样3一端注入气体，气体由所述待测岩样3的另一端渗出，通过压力传感器分别检测注入气体的压力P₁以及渗出气体的压力P₂，通过流量计10检测渗出气体的流量Qo；

步骤7，取出所述待测岩样3，并将所述待测岩样3沿Y轴方向放入所述过渡套4，并重复所述步骤5和步骤6的操作；

步骤8，取出所述待测岩样3，并将所述待测岩样3沿Z轴方向放入所述过渡套4，并重复所述步骤5和步骤6的操作；

步骤9，将所述步骤6～8中的检测结果传输至计算机11，通过所述计算机11处理检测结果，获取所述待测岩样沿X轴、Y轴、Z轴方向的三向渗透率Ka。

在所述步骤1中，将所述待测岩样3进行切割、打磨成多面体形状；

在所述步骤2中，选取所述待测岩样3中的任意一个端面，并计算其端面积A；

A＝L²(2)；

其中，L为所述待测岩样3中任意一个端面的边长。

在所述步骤5中，打开围压加压管线中的控制阀16，使气体注入所述夹持器12，并对所述待测岩样3进行围压加压，当围压值满足试验所需条件时，关闭所述控制阀16，使所述待测岩样3的围压值保持恒定。

在所述步骤6中，打开注气管线中的调压阀6，气体经干燥处理后由所述夹持器12一端注入所述待测岩样3，并由所述夹持器12另一端渗出；

通过所述流量计10检测渗出气体的流量Qo；通过第一压力传感器8和第二压力传感器9分别检测注入气体的压力P₁以及渗出气体的压力P₂，并得到气体在所述待测岩样3两端的气体压力差△P；

△P＝P₂-P₁；(3)；

其中，P₁为注入气体的压力，P₂为渗出气体的压力。

将所述步骤4的检测结果传输至计算机11，所述计算机11处理所述检测结果，并获取所述待测岩样3的渗透率Ka，单位是10^-3μm²；

Ka＝2P₀Q₀μL/△PA(2P₀+△P)(4)；

其中，P₀为大气压力，其单位是MPa；Q₀为气体渗出所述待测岩样3的流量，其单位是mL/s；μ为气体粘度，其单位是Pa·s；L为所述待测岩样3的边长，其单位是cm；A为所述待测岩样3的端面积，其单位是cm²；△P为所述待测岩样3两端的气体压力差，单位是MPa。

根据一种岩样三向渗透率检测方法对应的检测系统，其包括夹持单元、注气单元、检测单元以及控制单元；所述注气单元与所述夹持单元相连接，所述检测单元设置在所述夹持单元外部，所述控制单元与所述检测单元相连接；

所述夹持单元包括夹持器12、围压套1、过渡套4；所述夹持器12、围压套1以及过渡套4均为轴向通透的筒形结构，所述夹持器12中心轴线上设有通孔2，所述通孔2的中心轴线与所述夹持器12的中心轴线相重合；所述围压套1固定设置在所述夹持器12的通孔2中，所述夹持器1的通孔2壁与所述围压套1外壁之间为环形间隙；所述过渡套4固定设置在所述围压套1的中心开孔中，所述待测岩样3设置在所述过渡套4的中心开孔中；

所述待测岩样一端与所述注气单元相连接；所述夹持器12侧部设有围压气体入口15，所述围压气体入口15与所述注气单元相连接。

当注气单元中的气体通过夹持器12上的围压气体入口15进入环形密闭腔体时，会使围压套1向内部膨胀挤压，从而使围压套1内壁与过渡套4外壁紧密贴合并处于密封状态；同时，过渡套4的内壁与待测岩样3紧密贴合，达到密封的目的。

所述夹持单元还包括顶盖13和底盖14，所述顶盖13和底盖14加载在所述夹持器12两端；所述顶盖13和底盖14均为变径筒体，所述顶盖13和底盖14的前端分别由两端伸入所述围压套1并与所述围压套1内壁紧密贴合；所述顶盖13和底盖14的后端均为变径端，两个所述变径端设置在所述围压套1与夹持器12的边缘，所述围压套1、夹持器12、顶盖13以及底盖14之间的空间构成环形密封腔体；

所述夹持器12的通孔2壁与所述围压套1外壁的间距为0.5～1.0mm，所述夹持器12的通孔2横截面为菱形或矩形，且所述通孔2的直径大于所述过渡套4的外径。

所述顶盖13中心设有注气孔13-1，所述注气孔13-1一端与所述注气单元相连接，另一端与所述待测岩样3相连接；所述底盖14中心设有渗气孔14-1，所述渗气孔14-1一端与所述待测岩样3相连接，另一端与所述检测单元相连接；

所述顶盖13、底盖14与所述围压套1内壁的接触面均为光滑表面，所述顶盖13前端以及底盖14前端的外径与所述围压套1的内径相等。

所述注气单元包括气源5、注气管线以及围压加压管线；

所述注气管线包括调压阀6和干燥装置7；所述调压阀6入口端与所述气源5相连接，所述调压阀6出口端与所述干燥装置7入口端相连接，所述调压阀7出口端与顶盖13的注气孔13-1相连接；

所述围压加压管线包括控制阀16；所述控制阀16入口端与所述气源5相连接，所述控制阀16出口端与围压气体入口15相连接；

所述气源5中的气体为空气或氮气，所述气体的压力值为2-15MPa。

所述检测单元包括第一压力传感器8、第二压力传感器9以及流量计10；所述第一压力传感器8设置在所述夹持器12入口端；所述第二压力传感器9和流量计10均设置在所述夹持器12出口端；所述第一压力传感器8、第二压力传感器9以及流量计10分别与所述控制单元相连接。

所述控制单元为计算机11；所述计算机11的信号采集端口分别与所述第一压力传感器8、第二压力传感器9以及流量计10相连接。

在具体实施中，

顶盖13和底盖14上均设有内螺纹，二者分别与夹持器12顶部和底部的外螺纹配合连接。

围压气体入口15以及注气孔13-1均设置有内螺纹，二者分别与气体管线上的外螺纹配合连接。

所述围压套1的材质为橡胶,以确保待测岩样3的密封。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明简化了对待测岩样3的取样流程，只要能够取得立方体岩样即可，不必在岩心上钻取轴向岩心柱和径向岩心柱，适用范围更广泛。

2)本发明采用切磨方式取样，成功率高；

3)本发明对待测岩样的利用率更高，一块岩样可以做三个方向的渗透率测试，将达到“一样三用”的效果，且三个方向的渗透率具有良好的可比性，可以为研究工作提供丰富的信息。

附图说明

图1为本发明的一种三向渗透率的检测系统结构示意图；

图2为本发明夹持器与密封元件的连接关系示意图；

图3为本发明夹持器内部部件的轴向剖面图；

图4为本发明围压套或过渡套结构的立体示意图；

图5为本发明围压套或过渡套结构的俯视图；

附图编号说明：

1-围压套；2-通孔；3-待测岩样；4-过渡套；5-气源；6-调压阀；

7-干燥装置；8-第一压力传感器；9-第二压力传感器；10-流量计；

11-计算机；12-夹持器；13-顶盖；13-1注气孔；14-底盖；

14-1渗气孔；15-围压气体入口；16-控制阀；

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种岩样三向渗透率的检测系统，包括夹持器12、围压套1、过渡套4以及气源5；

所述夹持器12、围压套1以及过渡套4均为轴向通透的筒形结构，所述夹持器12中心轴线上设有通孔2，所述通孔2的中心轴线与所述夹持器12的中心轴线相重合；所述围压套1固定设置在所述夹持器12的通孔2中，所述夹持器1的通孔2壁与所述围压套1外壁之间为环形间隙；所述过渡套4固定设置在所述围压套1的中心开孔中，所述待测岩样3设置在所述过渡套4的中心开孔中；

所述待测岩样一端与所述气源5相连接；所述夹持器12侧部设有围压气体入口15，所述围压气体入口15与所述气源5相连接。

所述夹持单元还包括顶盖13和底盖14，所述顶盖13和底盖14加载在所述夹持器12两端；所述顶盖13和底盖14均为变径筒体，所述顶盖13和底盖14的前端分别由两端伸入所述围压套1并与所述围压套1内壁紧密贴合；所述顶盖13和底盖14的后端均为变径端，两个所述变径端设置在所述围压套1与夹持器12的边缘，所述围压套1、夹持器12、顶盖13以及底盖14之间的空间构成环形密封腔体；

所述夹持器12的通孔2壁与所述围压套1外壁的间距为1mm，所述夹持器12的通孔2横截面为正方形，且所述通孔2的直径大于所述过渡套4的外径。

所述顶盖13中心设有注气孔13-1，所述注气孔13-1一端与所述气源5相连接，另一端与所述待测岩样3相连接；所述底盖14中心设有渗气孔14-1，所述渗气孔14-1一端与所述待测岩样3相连接，另一端与所述检测单元相连接；

所述顶盖13、底盖14与所述围压套1内壁的接触面均为光滑表面，所述顶盖13前端以及底盖14前端的外径与所述围压套1的内径相等。

所述检测系统还包括注气管线以及围压加压管线；

所述注气管线中设有调压阀6和干燥装置7；所述调压阀6入口端与所述气源5相连接，所述调压阀6出口端与所述干燥装置7入口端相连接，所述调压阀7出口端与顶盖13的注气孔13-1相连接；

所述围压加压管线包括控制阀16；所述控制阀16入口端与所述气源5相连接，所述控制阀16出口端与围压气体入口15相连接；

所述气源5中的气体为空气，气体的压力值为10MPa。

所述检测系统还包括第一压力传感器8、第二压力传感器9、流量计10以及计算机11；所述第一压力传感器8设置在所述夹持器12入口端；所述第二压力传感器9和流量计10均设置在所述夹持器12出口端；所述第一压力传感器8、第二压力传感器9以及流量计10分别与所述控制单元相连接。

所述计算机11的信号采集端口分别与所述第一压力传感器8、第二压力传感器9以及流量计10相连接。

一种岩样三向渗透率检测方法，其步骤为，

步骤1，将所述待测岩样3进行切割、打磨成六面体形状；

步骤2，在所述待测岩样3上建立三维直角坐标系，即选取六面体的任意一个端面，将端面上任意一对相互垂直的方向标记为所述三维直角坐标系的X轴方向和Y轴方向，将六面体上任意一个与X轴和Y轴均垂直的方向标记为Z轴方向；同时获取所述端面的端面积A；

A＝L²(2)；

其中，L为所述待测岩样3中任意一个端面的边长。

步骤3，设定试验参数，所述试验参数包括围压值、注气量；

步骤4，将所述待测岩样3沿X轴方向放入所述过渡套4，将围压套1套接在所述过渡套4外侧，将所述围压套1固定在夹持器12中；

步骤5，打开气源5和控制阀16，气体由围压气体入口15注入向所述夹持器12，提升所述待测岩样3的围压，当围压值满足试验所需条件时，关闭所述控制阀16，使所述待测岩样3的围压值保持恒定。

步骤6，打开调压阀6，气体经干燥处理后由注气孔13-1注入所述待测岩样，并由渗出孔14-1渗出；通过流量计10检测渗出气体的流量Qo，通过第一压力传感器8和第二压力传感器9分别检测注入气体的压力P₁以及渗出气体的压力P₂，并得到气体在所述待测岩样3两端的气体压力差△P；

△P＝P₂-P₁；(3)；

其中，P₁为注入气体的压力，P₂为渗出气体的压力。

步骤7，取出所述待测岩样3，并将所述待测岩样3沿Y轴方向放入所述过渡套4，并重复所述步骤5和步骤6的操作；

步骤8，取出所述待测岩样3，并将所述待测岩样3沿Z轴方向放入所述过渡套(4)，并重复所述步骤5和步骤6的操作；

步骤9，将所述步骤6～8中的检测结果传输至计算机(11)，通过所述计算机(11)处理检测结果，并获取所述待测岩样3沿X轴、Y轴、Z轴的渗透率Ka，单位是10^-3μm²；

Ka＝2P₀Q₀μL/△PA(2P₀+△P)(4)；

其中，P₀为大气压力，其单位是MPa；Q₀为气体渗出所述待测岩样3的流量，其单位是mL/s；μ为气体粘度，其单位是Pa·s；L为所述待测岩样3的边长，其单位是cm；A为所述待测岩样3的端面积，其单位是cm²；△P为所述待测岩样3两端的气体压力差，单位是MPa。

实施例

某待测岩样3，对其沿X轴的渗透率进行测定，测定时大气压力P₀为0.1002MPa；气体渗出所述待测岩样3时的流量Q₀为0.021mL/s；μ为1.83mPa·s；所述岩样的边长L为1.6cm；端面积A为2.56cm²；待测岩样3两端的压力差△p为0.0121MPa；其沿X轴的渗透率Ka为1.87×10^-3um²。

对该待测岩样3沿Y轴的渗透率进行测定，测定时大气压力P₀为0.1002MPa；气体流出所述待测岩样3时的流量Q₀为0.015mL/s；μ为1.83mPa·s；所述待测岩样3的边长L为1.6cm；端面积A为2.56cm²；待测岩样3两端的压力差△p为0.0123MPa；其沿Y轴的渗透率Ka为1.31×10^-3um²。

对该待测岩样3沿Z轴的渗透率进行测定，测定时大气压力P₀为0.1002MPa；气体流出所述待测岩样3时的流量Q₀为0.011mL/s；μ为1.83mPa·s；所述待测岩样3的边长L为1.6cm；端面积A为2.56cm²；岩样两端的压力差△p为0.0121MPa；其沿Z轴的渗透率Ka为0.98×10^-3um²。

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结构，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 (8)

1.一种岩样三向渗透率检测方法，其特征在于：

所述检测方法是在待测岩样(3)上建立三维直角坐标系，并将所述待测岩样分别沿所述三维直角坐标系的X轴、Y轴、Z轴放入检测系统，通过所述检测系统分别检测所述待测岩样的三向渗透率；

所述检测方法的步骤为，

步骤1，获取所述待测岩样(3)；

步骤2，在所述待测岩样(3)上建立三维直角坐标系，即选取所述待测岩样(3)的一个端面，将所述端面上任意一对相互垂直的方向标记为所述三维直角坐标系的X轴方向和Y轴方向，将任意一个与X轴和Y轴均垂直的方向标记为Z轴方向；同时获取所述端面的端面积A；

步骤3，设定试验参数，所述试验参数包括围压值、注气量；

步骤4，将所述待测岩样(3)沿X轴方向放入过渡套(4)，将围压套(1)套接在所述过渡套(4)外侧，将所述围压套(1)固定在夹持器(12)中；

步骤5，向所述夹持器(12)内部通气，提升所述待测岩样(3)的围压；

步骤6，向所述待测岩样(3)一端注入气体，气体由所述待测岩样(3)的另一端渗出，通过压力传感器分别检测注入气体的压力P₁以及渗出气体的压力P₂，通过流量计(10)检测渗出气体的流量Qo；

步骤7，取出所述待测岩样(3)，并将所述待测岩样(3)沿Y轴方向放入所述过渡套(4)，并重复所述步骤5和步骤6的操作；

步骤8，取出所述待测岩样(3)，并将所述待测岩样(3)沿Z轴方向放入所述过渡套(4)，并重复所述步骤5和步骤6的操作；

步骤9，将所述步骤6～8中的检测结果传输至计算机(11)，通过所述计算机(11)处理检测结果，获取所述待测岩样沿X轴、Y轴、Z轴方向的三向渗透率Ka。

2.根据权利要求1所述的一种岩样三向渗透率检测方法，其特征在于：

在所述步骤5中，打开围压加压管线中的控制阀(16)，使气体注入所述夹持器(12)，并对所述待测岩样(3)进行围压加压，当围压值满足试验所需条件时，关闭所述控制阀(16)，使所述待测岩样(3)的围压值保持恒定。

3.根据权利要求1所述的一种岩样三向渗透率检测方法，其特征在于：

在所述步骤6中，打开注气管线中的调压阀(6)，气体经干燥处理后由所述夹持器(12)一端注入所述待测岩样(3)，并由所述夹持器(12)另一端渗出；

通过所述流量计(10)检测渗出气体的流量Qo；通过第一压力传感器(8)和第二压力传感器(9)分别检测注入气体的压力P₁以及渗出气体的压力P₂，并得到气体在所述待测岩样(3)两端的气体压力差△P；

△P＝P₂-P₁；(3)；

其中，P₁为注入气体的压力，P₂为渗出气体的压力。

4.根据权利要求1～3之一所述的一种岩样三向渗透率检测方法采用的检测系统，其特征在于：

所述检测系统包括夹持单元、注气单元、检测单元以及控制单元；所述注气单元与所述夹持单元相连接，所述检测单元设置在所述夹持单元外部，所述控制单元与所述检测单元相连接；

所述夹持单元包括夹持器(12)、围压套(1)、过渡套(4)；所述夹持器(12)、围压套(1)以及过渡套(4)均为轴向通透的筒形结构，所述夹持器(12)中心轴线上设有通孔(2)，所述通孔(2)的中心轴线与所述夹持器(12)的中心轴线相重合；所述围压套(1)固定设置在所述夹持器(12)的通孔(2)中，所述夹持器(12)的通孔(2)壁与所述围压套(1)外壁之间为环形间隙；所述过渡套(4)固定设置在所述围压套(1)的中心开孔中，所述待测岩样(3)设置在所述过渡套(4)的中心开孔中；

所述待测岩样一端与所述注气单元相连接；所述夹持器(12)侧部设有围压气体入口(15)，所述围压气体入口(15)与所述注气单元相连接。

5.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于：

所述夹持单元还包括顶盖(13)和底盖(14)，所述顶盖(13)和底盖(14)加载在所述夹持器(12)两端；所述顶盖(13)和底盖(14)均为变径筒体，所述顶盖(13)和底盖(14)的前端分别由两端伸入所述围压套(1)并与所述围压套(1)内壁紧密贴合；所述顶盖(13)和底盖(14)的后端均为变径端，两个所述变径端设置在所述围压套(1)与夹持器(12)的边缘，所述围压套(1)、夹持器(12)、顶盖(13)以及底盖(14)之间的空间构成环形密封腔体；

所述夹持器(12)的通孔(2)壁与所述围压套(1)外壁的间距为0.5mm～1.0mm，所述夹持器(12)的通孔(2)横截面为菱形或矩形。

6.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于：

所述顶盖(13)中心设有注气孔(13-1)，所述注气孔(13-1)一端与所述注气单元相连接，另一端与所述待测岩样(3)相连接；所述底盖(14)中心设有渗气孔(14-1)，所述渗气孔(14-1)一端与所述待测岩样(3)相连接，另一端与所述检测单元相连接；

所述顶盖(13)、底盖(14)与所述围压套(1)内壁的接触面均为光滑表面，所述顶盖(13)前端以及底盖(14)前端的外径与所述围压套(1)的内径相等。

7.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于：

所述注气单元包括气源(5)、注气管线以及围压加压管线；

所述注气管线包括调压阀(6)和干燥装置(7)；所述调压阀(6)入口端与所述气源(5)相连接，所述调压阀(6)出口端与所述干燥装置(7)入口端相连接，所述干燥装置(7)出口端与顶盖(13)的注气孔(13-1)相连接；

所述围压加压管线包括控制阀(16)；所述控制阀(16)入口端与所述气源(5)相连接，所述控制阀(16)出口端与围压气体入口(15)相连接；

所述气源(5)中的气体为空气或氮气，所述气体的压力值为2MPa-15MPa。

8.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于：

所述检测单元包括第一压力传感器(8)、第二压力传感器(9)以及流量计(10)；所述第一压力传感器(8)设置在所述夹持器(12)入口端；所述第二压力传感器(9)和流量计(10)均设置在所述夹持器(12)出口端；所述第一压力传感器(8)、第二压力传感器(9)以及流量计(10)分别与所述控制单元相连接；

所述控制单元为计算机(11)；所述计算机(11)的信号采集端口分别与所述第一压力传感器(8)、第二压力传感器(9)以及流量计(10)相连接。