CN103868839A

CN103868839A - 一种非常规岩心超低渗透率的全自动测试方法和系统

Info

Publication number: CN103868839A
Application number: CN201410067099.7A
Authority: CN
Inventors: 陈掌星; 王志高; 唐俊杰; 黄海平; 刘成林; 李宗星
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本申请提供一种非常规岩心渗透率的全自动测试方法和测试系统，其中该方法包括：步骤1，取样岩心，装入岩心夹持器，布置外围环境和压力；步骤2，获取样品的初始参数，进行自动测试；步骤3，获取衰减曲线，计算渗透率。

Description

一种非常规岩心超低渗透率的全自动测试方法和系统

技术领域

本发明涉及地质勘探技术，更具体地，涉及一种非常规岩心超低渗透率的全自动测试方法和系统。

背景技术

岩石作为一种多孔介质，包含着大量的微裂隙与孔隙。各种流体在多孔介质中流动是岩石中物质输运最重要的过程，对石油地质中油气的运移和储存等都有直接影响。

渗透率是描述岩石输运特性的最重要的参数，它表示流体流过岩石的容易程度，是制约输运过程的关键物理参数。对于同一类岩石，由于其生成环境和内部结构的不同，其渗透率的变化可以达几个数量级，而对于不同类型的岩石其渗透率变化范围则更大，可以达到近10个数量级。

其中，超低渗透性岩石的测量一直是研究的难点，例如对于富含黏土矿物的岩石，如泥岩和断层岩以及孔隙度极低的岩浆岩和变质岩，其渗透率通常很低，利用常规的稳态测量方法难以进行精确测量。另外建立稳态流动需要很长的时间，而导致测量效率低下，甚至根本无法测量出样品的渗透率。但是，由于工程建设的需要，低渗超低渗岩石渗透率的精确测量日益受到重视。

实验室目前通用的测量渗透率的方法有稳态法、脉冲法和振荡法。稳态法是指在样品的上、下游端施加稳定的压力差ΔP，通过测量流经样品的流量Q，依据达西定律计算渗透率K=（QηL）/(ΔPA)。其中L为样品长度，A为样品横截面积，η为流体的黏滞系数。其中，稳态法主要适用于测量渗透率较高的岩石。

脉冲法，其测量原理为在原有的稳定孔隙压P2状态下，通过在样品的上游端突然施加一个孔隙压力脉冲，造成样品的上游端和下游端之间瞬间存在附加的压力差（设此时上、下游端瞬间压力分别为P1和P2)，随着流体在样品中的流动，上、下游端压力逐渐衰减。通过测量样品上、下游端的压力随时间的变化，可以求得衰减系数α，进而计算出介质的渗透率。

振荡法，最早是借鉴于热扩散系数测量而提出，即在岩心的上游端施加特定的振荡压力，通常为正弦振荡。由于样品的渗透性，在样品的下游端会出现压力的响应。该响应通常表现为相位延迟和振幅减小，渗透率K和比储流率β可以通过下式求得：

式中，η、L、T和A分别为流体黏度、样品长度、压力振荡周期和样品的横截面积；B为下游端储流系数，被定义为单位压力的改变所引起的流体体积改变量。但是上述方法，通常需要测量的物理量较多，浪费时间并且不能同步获取该多个物理量，使得测量的精度和时效性都比较差。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提出一种非常规岩心渗透率的全自动测试方法和系统。

根据本发明的一个方面，提出了一种非常规岩心渗透率的全自动测试方法，包括：步骤1，取样岩心，装入岩心夹持器，布置外围环境和压力；步骤2，获取样品的初始参数，进行自动测试；步骤3，获取衰减曲线，计算渗透率。

根据本发明的另一方面，提出了一种非常规岩心渗透率的全自动测试系统，包括气体传输与控制模块、岩芯夹持模块、数据自动采集和控制模块以及数据分析模块；其中，气路传输与控制模块用于为岩芯制造差压和进行气路传输；岩芯夹持模块用于夹持待测岩芯；数据自动采集和控制模块，用于环境压力、温度和线路压力的数据采集，并且根据采集数据调控气控阀的开关；数据分析模块，用于系统总控、数据分析和计算渗透率。

本发明的方法使得测试流程全自动，所有测试步骤和逻辑均由计算机控制和实现，无需人工参与，还可以根据实验结果人为的随时终止测量。本发明使得所有与实验相关的实际数据均可实时显示，并可根据其实际情况，调整和改变实验参数的精度和量度值。每个实验的数据均会自动保存，便于后期分析；同时，本次测量的实验结果可自动实时分析，无需等待实验测试结束，便于提高实验员的实验效率和成果。本发明的系统支持氮气、氦气、氖气等实验常用测试气体，所有气体的特性本系统可自动判断和分析，无需任何额外步骤。

附图说明

图1为根据本发明的测试方法的测试原型图；

图2为根据本发明的系统架构框图；

图3为根据本发明的全自动测试模块的测试过程界面示意图；

图4为根据本发明的全自动分析模块的实际测试效果示意图。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构或者方法，在图中标注了特定的标记符号，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定设备和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些元件、标号、环境进行调整、修改，所进行的调整和修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种非常规岩心渗透率的全自动测试方法和系统进行详细描述。

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

本发明的方法以一种典型的非稳态方法-脉冲衰减法为原型，针对超低渗透率测试过程中的衰减特性和压力变化情况，优化了计算方法，减少了冗余的计算参量，增加了相关影响因子，改变了计算思路，从而可以对非常规岩石的超低渗透率进行准确、快速、自动化的测量。

根据本申请的一种非常规岩心渗透率的全自动测试方法，包括：步骤1，取样岩心，装入岩心夹持器，布置外围环境和压力；步骤2，获取样品的初始参数，进行自动测试；步骤3，获取衰减曲线，计算渗透率。

其中，步骤1包括：装样，实验员准备符合本设备的待测试岩心（2cm-5cm）,将其装入岩心夹持器中，接通外围气路，检查整个测试设备和外围气路，保证不漏气，不漏电，不漏油。

其中，步骤1还包括：加压，在岩心安装完毕，外围环境准备好后，可对设备进行加压。需注意压力不要过大，与系统所设置压力一致即可。实验员可观察压力曲线，待压力快饱和时，停止加压。

其中，步骤2包括：初始化样品参数；根据待测试样品的实际参数，初始化实验条件，例如样品重量，长度等，并设置本实验相关参数。

其中，步骤2还包括：自动化测试；如图3所示，实验员在点击开始按钮后，系统即进入自动化测量进程。其中，自动化测试步骤包括：样品浸泡、制造差压、数据点记录、结果曲线生成。所有这些步骤均由计算机自动控制和计算，无需人工参与，所有环境参数实时显示。

其中，步骤3包括：结果分析；如图4所示，在测试进行中或测试结束后，实验员都可以对实验结果曲线进行调整和拟合，在衰减曲线数据线性稳定的情况下最佳，系统会根据实验员的选择，自动计算出当前条件下得渗透率。

其中，步骤3还可以包括：在测试的任何时候，实验员都可以根据当前的实验进度，人工停止测量，再进行下次测试；或者在差压过低，或者达到指定差压值时，渗透率变化不大的情况下，系统会自动停止测试，无需人工值守。

其中，基于图1所示的测试原型图，步骤3进一步包括：确定上下游的压力差，描述压力差变化关系为时间相关一元函数；基于上下游空腔体积、脱气面积流涕黏度参数，根据上下游的气体容量比率因子，确定渗透率。

具体地，其中上游和下游的差压定义为：

Δ p_{D} = \frac{p_{u} (t) - p_{d} (t)}{p_{u} (0) - p_{d} (0)} .

其中，Pu(t)为随时间t变化的Vu端的压力，单位为psi；

Pd(t)为随时间t变化的Vd端的压力，单位为psi。

根据脉冲衰减法原理，当压力变化率很小的时候（<5%，具有超低渗透率特性），整个过程的差压变化关系在长时间就变成一个与时间相关的一元指数函数，可近似为：

ln(ΔpD)＝ln(f0)+s₁t，

其中：f₀为常量，通常选择为30PSI，t为脉冲衰减时间，s₁定义为：

s_{1} = - \frac{k f_{1} A (1 / V_{u} + 1 / V_{d})}{μL c_{g}},

其中，k为渗透率；Cg为岩芯样品的空隙流体压缩系数，单位为Pa^-1;μ为流体黏度，单位为Pa*s；L为无岩样长度，单位为m；Vu和Vd为上游和下游空腔室体积，单位为m³；A为脱气面积，单位为m²。

其中，f₁可表示为：

其中，θ1为第一突破系数，a和b定义为仪器上下游的气体容量比率因子，为超低渗透率测量的专有计算因子。

其中，θ推导化简后，可由三角函数

得出。

其中，

a = \frac{V_{p} (1 + f_{a})}{V_{u}} andb = \frac{V_{p} (1 + f_{a})}{V_{d}} .

其中，Vp为差压容器的体积；

如果没有气体吸附发生，fa在测试中会变为0；a，b会最终相等。（在超低渗透率的情况下，可作没有气体吸附的假设。）

以上公式联合推演，可得出渗透率K的最终推到公式为：

k = \frac{- s_{1} μL c_{g}}{f_{1} A (1 / V_{u} + 1 / V_{d})} .

其中，s₁为最终计算曲线的斜率；单位为g·m^-3·Pa^-1；u为流体黏度，单位为Pa·s;L为无岩样长度，单位为m；Cg为岩芯样品的空隙流体压缩系数，单位为Pa^-1;f1为步骤B计算结果；A为脱气面积，单位为m²；Vu,Vd为上游和下游空腔室体积，单位为m³。

在本申请的第二实施例中，基于以上理论基础和优化的测试方法，本发明提供的硬件测试系统的组织架构如图2所示，该系统包括气体传输与控制模块、岩芯夹持模块、数据自动采集和控制模块以及数据分析模块。

其中，气路传输与控制模块用于为岩芯制造差压和气路传输，该气路传输与控制模块包括布置在岩芯外部的多个气控阀、管线和多个传感器，通过该多个自动控制阀和压力传感器，采用氮气、氦气等作为工作介质，获取或者布置岩芯的压差，该传感器的测量范围为0.000001-50md。

其中，岩芯夹持模块用于夹持待测岩芯，其中，该岩芯夹持模块配有一个三轴向加载的钛合金岩心夹持器，从而使得岩样直径可以为1”和1-1/2”，岩样长度范围可以为3/4”-3”，围压76Mpa（10,000psig）。进一步，该岩芯夹持模块还可以包括手动液压围压泵、阀门、压力表和快速连接管线。

其中，数据自动采集和控制模块，用于环境压力、温度和线路压力的数据采集，并且根据采集数据调控气控阀的开关。其中，该模块包括一个数据采集器和一个控制器，该模块用于获取环境压力、温度传感和线路压力的直流电压值，通过计算得到相应的值；输出由0/1数值位转换为直流电压，进而控制自动控制阀的开关。

数据分析模块，用于系统总控和数据分析计算。其中，该数据分析模块包括电路控制子模块、实时数据分析子模块以及数据备份和恢复子模块。

其中，电路控制子模块，用于与硬件测试系统交互，根据不同的测试条件（压力，温度等）来自动控制硬件气路，制造测试环境和条件，并根据不同的环境参数，控制逻辑做出相应调整，以达到最佳的测量效果。

其中，实时数据分析子模块，用于对当前进行中的测试数据进行统计和分析，利用上述算法，对结果进行计算。整个计算过程可以在测量过程中，实时进行，同时又能反馈于控制模块，调整整个实验过程。

其中，数据备份和恢复子模块，用于对测试数据进行记录，以便于后期对实验数据进行二次分析和处理，生成统计图表和实验报告。

在本申请的系统的方法中，采用三轴岩芯夹持器，可以分别控制轴压和围压，覆压最大可达70MPa，可以模拟绝大部分油气井地层上覆压力。

本申请的系统配备有额外的气室，可以测量高渗透率，可以方便地通过电脑控制自动转换，大大拓宽了设备的测量范围。

本申请的岩心加持器外接电子压力传感器，随时监控岩心夹持器压力的变化。整套系统配备温度传感器，对外界温度的变化做出实时监测，与测量结果做到环境匹配。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims

1.一种非常规岩心渗透率的全自动测试方法，包括：

步骤1，取样岩心，装入岩心夹持器，布置外围环境和压力；

步骤2，获取样品的初始参数，进行自动测试；

步骤3，获取衰减曲线，计算渗透率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1包括：

将待测试岩心装入岩心夹持器中，接通外围气路；

准备外围环境，对设备进行加压，待压力快饱和时，停止加压。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤2包括：

根据待测试样品的实际参数，初始化实验条件；

自动化测试；其中，自动化测试包括：样品浸泡、制造差压、数据点记录、结果曲线生成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤3包括：

对实验结果曲线进行调整和拟合，选择最佳的衰减曲线，自动计算出渗透率。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤3进一步包括：

确定上下游的压力差，描述压力差变化关系为时间相关一元函数；

基于上下游空腔体积、脱气面积流涕黏度参数，根据上下游的气体容量比率因子，确定渗透率。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，渗透率K为：

k = \frac{- s_{1} μL c_{g}}{f_{1} A (1 / V_{u} + 1 / V_{d})} .

其中，s₁为衰减曲线的斜率；u为流体黏度;L为无岩样长度；Cg为岩芯样品的空隙流体压缩系数;A为脱气面积；Vu、Vd为上游和下游空腔室体积；

f_{1} = θ_{1}^{2} / a + b,;

其中，θ₁为第一突破系数，a和b为仪器上下游的气体容量比率因子。

7.一种非常规岩心渗透率的全自动测试系统，包括气体传输与控制模块、岩芯夹持模块、数据自动采集和控制模块以及数据分析模块；

其中，气路传输与控制模块用于为岩芯制造差压和进行气路传输；岩芯夹持模块用于夹持待测岩芯；数据自动采集和控制模块，用于环境压力、温度和线路压力的数据采集，并且根据采集数据调控气控阀的开关；数据分析模块，用于系统总控、数据分析和计算渗透率。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，气路传输与控制模块包括布置在岩芯外部的多个气控阀、管线和多个传感器，通过该多个自动控制阀和压力传感器获取或者布置岩芯的压差；气路传输与控制模块备有额外的气室，用于测量高渗透率。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，岩芯夹持模块配有三轴向加载的钛合金岩心夹持器，用于分别控制轴压和围压，模拟油气井地层上覆压力。

10.根据权利要求7所述的系统，其中，该数据分析模块包括电路控制子模块、实时数据分析子模块以及数据备份和恢复子模块；

其中，电路控制子模块，用于与硬件测试系统交互，根据不同的测试条件来自动控制硬件气路，制造测试环境和条件；其中，实时数据分析子模块，用于对当前进行中的测试数据进行统计和分析，计算渗透率；其中，数据备份和恢复子模块，用于对测试数据进行记录统计、备份恢复；

其中，实时数据分析子模块进一步用于：确定上下游的压力差，描述压力差变化关系为时间相关一元函数；基于上下游空腔体积、脱气面积流涕黏度参数，根据上下游的气体容量比率因子，确定渗透率。