CN104697913B - 致密砂岩气体渗透性测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于储层岩石物理性质评价领域，具体地，涉及一种致密砂岩气体渗透性测试装置。致密砂岩气体渗透性测试装置包括：高压气瓶、缓冲容器、岩心夹持器、回压阀、围压泵与回压泵。高压气瓶带有减压阀，缓冲容器通过第一管路与减压阀相连，缓冲容器通过第二管路与真空泵相连，岩心夹持器的进口通过进口管路与缓冲容器相连，岩心夹持器的出口通过出口管路与回压阀的进口相连，回压阀出口通大气，回压阀的加压接口通过第三管路与回压泵相连，岩心夹持器的围压接口通过第四管路与围压泵连接。本发明的致密砂岩气体渗透性测试装置，操作简单，原理易于推导，只需测试压力降落曲线便可同时获得克氏渗透率与滑脱因子，与稳态法相比，结果准确，耗时短。

Description

致密砂岩气体渗透性测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于储层岩石物理性质评价领域，具体地，涉及一种致密砂岩气体渗透性测试装置及测试方法。

背景技术

岩石渗透率是储层物性研究、地层损害评价、油气藏开发方案设计的重要参数和指标。室内测量渗透率的方法分为稳态法和非稳态法。渗流介质包括气体(N₂、空气、H_e)和液体(如煤油和地层流体)。由于液体测量岩石的渗透率会受到许多因素的影响，如岩石中粘土遇水膨胀、岩石孔隙表面吸附液体等都影响渗透率测定的准确性。因此，常采用气体来测量岩石的渗透率。然而，致密砂岩岩心孔喉细小，孔隙结构复杂，采用稳态法及对应装置测定气体渗透率时，通过岩心的气体流量小，稳定时间长，测量误差较大。此外，致密砂岩心中气体低速渗流时存在显著的滑脱效应，采用稳态法测量时，需在不同驱替压力下多次测量，通过Klinkenberg校正后才能获得岩石克氏渗透率k_∞和滑脱因子b，测试过程复杂。

针对稳态法气体渗透性测试中存在的问题，Brace等首先提出了基于非稳态渗流理论的脉冲衰减法渗透率测试技术，大大缩短了测试时间。国内外学者在此基础上做了进一步研究，对脉冲衰减法的测试条件与装置进行了改进，优化了初始压差和上下游容器体积，以缩短实验时间。然而，该方法原理复杂，仍然没有考虑气体的滑脱效应b，测量值偏高。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种简易、完善的考虑气体滑脱效应的致密砂岩气体渗透性测试装置及测试方法，用以准确、高效的测定致密砂岩岩心在各种温度、压力条件下气体渗透率、滑脱系数。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

致密砂岩气体渗透性测试装置，包括：高压气瓶、缓冲容器、岩心夹持器、回压阀、围压泵与回压泵，其中：高压气瓶带有减压阀，缓冲容器通过第一管路与减压阀相连，由减压阀至缓冲容器方向第一管路上依次设有气源阀和入口端压力传感器；缓冲容器通过第二管路与真空泵相连，第二管路上设有针型阀；岩心夹持器设有进口、出口、围压接口；岩心夹持器的进口通过进口管路与缓冲容器相连，进口管路上设有进气阀；回压阀设有进口、出口、加压接口；岩心夹持器的出口通过出口管路与回压阀的进口相连，回压阀的出口直接通大气，回压阀的加压接口通过第三管路与回压泵相连，由回压阀加压接口至回压泵第三管路上设有回压传感器、回压控制阀；岩心夹持器的围压接口通过第四管路与围压泵连接，由围压接口至围压泵方向第四管路上依次设有围压传感器、围压控制阀。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：致密砂岩气体渗透性测试装置简易，操作简单；采用高精度压力传感器，对岩心入口端的压力降落曲线进行采集，可以根据需要选择设定岩心出口端压力，可以根据岩心孔隙体积调节进口缓冲容器体积的大小，以保证气体渗透性测试的精度；致密砂岩气体渗透性测试方法通过建立、求解考虑滑脱效应的一维气体非稳态渗流模型，假设待测岩心克氏渗透率，拟合计算的岩心入口端压力衰减曲线与实测的压力衰减曲线，即可同时得到待测岩心的克氏渗透率与滑脱因子；本发明设计的测试装置与测试方法所求取的岩心的克氏渗透率与滑脱因子与稳态法测试结果一致性较好，结果准确；本发明的测试方法无需测试气体流量，只需观察岩心入口端缓冲容器内压力变化，经一次测试即可得到待测岩心的克氏渗透率与滑脱因子，克服了稳态法气测渗透率时稳定时间长、气体流量测量误差大的缺点。

附图说明

图1为致密砂岩气体渗透性测试装置的结构示意图；

图2为气体一维非稳态渗流点中心网格差分示意图；

图3为稳态法气体克氏渗透率与滑脱因子关系式统计图；

图4为压力降落法入口端缓冲容器内压力随时间的变化图；

图5为本发明的测试结果与稳态法测试结果对比图；

图中：1、高压气瓶，2、缓冲容器，3、岩心夹持器，4、回压阀，5、围压泵，6、回压泵，7、钢块，8、入口端压力传感器，9、围压传感器，10、回压传感器，11、减压阀，12、气源阀，13、进气阀，14、围压控制阀，15、回压控制阀，16、真空泵，17、针型阀。

第一管路：高压气瓶与缓冲容器之间的管路；

第二管路：缓冲容器与真空泵之间的管路；

第三管路：回压阀加压接口与回压泵之间的管路；

第四管路：岩心夹持器围压接口与围压泵之间的管路；

岩心夹持器进口管路：缓冲容器与岩心夹持器进口间的管路；

岩心夹持器出口管路：岩心夹持器出口与回压阀进口之间的管路。

具体实施方式

如图1所示，致密砂岩气体渗透性测试装置，包括：高压气瓶1、缓冲容器2、岩心夹持器3、回压阀4、围压泵5与回压泵6，其中：

高压气瓶1内装有N₂、空气或惰性气体，用于给测试装置供气，高压气瓶1带有减压阀11，减压阀11用于调节高压气瓶1的输出压力。

缓冲容器2由缸体、缸盖构成，缸体为底端封闭的不锈钢圆柱壳体，缸体顶端由缸盖密封，缸盖可拆卸；缸盖上设有第一接口、第二接口、第三接口；所述缓冲容器2的缸体内可放置一个或多个厚度不同的圆柱形实心钢块7，圆柱形实心钢块7用于改变缓冲容器2的体积，所述实心钢块7体积已知，圆柱形实心钢块7的直径与缓冲容器2的内径均为2.54cm。

缓冲容器2的第一接口通过第一管路与减压阀11相连，由减压阀11至缓冲容器2的第一接口方向第一管路上依次设有气源阀12和入口端压力传感器8，气源阀12控制高压气瓶1中的气体进入缓冲容器2，入口端压力传感器8用于显示、采集缓冲容器2内的气体压力。

缓冲容器2的第三接口通过第二管路与真空泵16相连，第二管路上设有针型阀17，真空泵16对整个测试装置抽真空，针型阀17控制缓冲容器2与真空泵16的连通。

岩心夹持器3，用于放置岩心，岩心的直径为2.54cm，岩心长度为2.54～8.00cm，岩心夹持器3设有进口、出口、围压接口；

岩心夹持器3的进口通过进口管路与缓冲容器2的第二接口相连，进口管路上设有进气阀13，进气阀13控制缓冲容器2内的气体进入岩心夹持器3。

回压阀4设有进口、出口、加压接口；岩心夹持器3的出口通过出口管路与回压阀4的进口相连，回压阀4的出口直接通大气，回压阀4的加压接口通过第三管路与回压泵6相连；回压泵6用于给回压阀4提供压力；由回压阀加压接口至回压泵方向第三管路上设有回压传感器10、回压控制阀15，回压传感器10用于显示第三管路内的压力，回压控制阀15控制回压阀4与回压泵6的连通。

岩心夹持器3的围压接口通过第四管路与围压泵5连接，由围压接口至围压泵方向第四管路上依次设有围压传感器9、围压控制阀14；围压传感器9用于显示围压压力，围压控制阀14控制岩心夹持器3的围压接口与围压泵5的连通。

致密砂岩气体渗透性测试方法，采用上述致密砂岩气体渗透性测试装置，包括以下步骤：

(1)、测量岩心的长度L与直径d，将岩心放入岩心夹持器中；

(2)、打开围压控制阀，调节围压泵，给岩心夹持器加载围压，设定围压比缓冲容器内初始压力高出0.5MPa；

(3)、打开回压控制阀，调节回压泵给回压阀加载压力，设定岩心夹持器出口端压力p_L(低于入口压力的任意值，如设为0.2MPa)；

(4)、关闭气源阀，打开进气阀、针型阀，利用真空泵对测试装置抽真空，至真空压力达600Pa；

(5)、关闭针形阀，关闭真空泵；

(6)、打开高压气瓶，通过减压阀调节高压气瓶输出压力为p_L；

(7)、打开气源阀，使气体进入缓冲容器、岩心；设定实验温度为25℃，恒温两小时，此时岩心及缓冲器内压力为初始压力p_L；

(8)、关闭进气阀，通过减压阀调节高压气瓶输出压力为0.6MPa，使缓冲器初始压力升至0.6MPa；

(9)、关闭气源阀，打开进气阀，将入口端压力传感器的此刻的值记为初始压力p_in；

(10)、记录入口端压力传感器的压力p₀，隔10秒记录一个数据，共采集100个数据点，绘制p₀—t关系曲线；

(11)、查阅《物理化学手册》(姚允斌著，上海科学技术出版社，1985)气体和蒸气的绝对粘度数据表得到测试气体在测试温度、压力下的粘度μ；

(12)、假设测试岩心的克氏渗透率为k_∞，由稳态法测试的统计结果得岩心的气体滑脱因子为通过自主编制的数模软件计算不同时刻岩心上游缓冲容器内压力即p₀—t的关系曲线；具体步骤如下：

①假设测试岩心的克氏渗透率为k_∞，气体滑脱因子为

②采用点中心网格将岩心m等分(m＝50～100)(图2)；

③计算t＝△t时刻岩心入口端缓冲容器内的压力(上标表示△t时刻，下标第0个网格)；

式中，k_∞—岩心的克氏渗透率，10^-3μm²；b—气体滑脱因子，atm；—缓冲容器内在△t时刻的压力，atm；—初始时刻从岩心入口端进入岩心的质量流量，kg/s；V—缓冲容器体积，m³；M—测试气体的摩尔质量，kg/kmol；—缓冲容器内初始时刻测试气体的压缩因子；R—通用气体常数，R＝0.08314atm·m³/(kmol·K)；T—绝对温度，K；dt—时间步长，s；

其中，打开进气阀时，通过岩心的气体质量流量为：

式中，A—岩心截面积，A＝πd²/4，m²；dx—网格长度，m；μ—气体粘度，mP·s；

④求解方程组(3)，计算t＝△t时刻岩心各网格点的压力

式中，φ—岩心孔隙度，％；

⑤计算t＝(n+1)△t(n＝1，2，…，100)时刻岩心入口端缓冲容器内的压力

t＝(n+1)△t(n＝1，2，…，100)时刻通过岩心的气体质量流量为：

⑥求解方程组(6)，计算t＝(n+1)△t(n＝1，2，…，99)时刻岩心各网格点的压力

式中，

⑦重复步骤⑤、⑥，计算不同时刻缓冲容器内压力，绘制即p₀～t的关系曲线；

⑧将计算曲线与实测值进行拟合，若最小二乘原理拟合误差大于规定值，重新设置k_∞，重复步骤①～⑦，即可得到测试岩心的岩心克氏渗透率与滑脱因子。

测试中温度、缓冲容器初始压力p_in和回压p_L以可根据测试要求，自行调整。

Claims (3)

1.一种致密砂岩气体渗透性测试装置，包括：高压气瓶、缓冲容器、岩心夹持器、回压阀、围压泵与回压泵；其特征在于：高压气瓶带有减压阀，缓冲容器通过第一管路与减压阀相连，由减压阀至缓冲容器方向第一管路上依次设有气源阀和入口端压力传感器；缓冲容器通过第二管路与真空泵相连，第二管路上设有针型阀；岩心夹持器设有进口、出口、围压接口；岩心夹持器的进口通过进口管路与缓冲容器相连，进口管路上设有进气阀；回压阀设有进口、出口、加压接口，岩心夹持器的出口通过出口管路与回压阀的进口相连，回压阀的出口直接通大气，回压阀的加压接口通过第三管路与回压泵相连，由回压阀加压接口至回压泵第三管路上设有回压传感器、回压控制阀；岩心夹持器的围压接口通过第四管路与围压泵连接，由围压接口至围压泵方向第四管路上依次设有围压传感器、围压控制阀；

高压气瓶内装有N₂、空气或惰性气体；

缓冲容器由缸体、缸盖构成，缸体为底端封闭的不锈钢圆柱壳体，缸体顶端由缸盖密封，缸盖可拆卸；缸盖上自左向右依次设有第一接口、第二接口、第三接口；所述缓冲容器的缸体内放置一个或多个厚度不同的圆柱形实心钢块，圆柱形实心钢块用于改变缓冲容器的体积，所述实心钢块体积已知；

圆柱形实心钢块的直径与缓冲容器的内径均为2.54cm；

缓冲容器第一接口通过第一管路与减压阀相连；

缓冲容器第二接口通过进口管路与岩心夹持器入口相连；第三接口通过第二管路与真空泵相连；

岩心夹持器中岩心的直径为2.54cm，岩心长度为2.54～8.00cm。

2.一种致密砂岩气体渗透性测试方法，采用权利要求1所述致密砂岩气体渗透性测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量岩心的长度L与直径d，将岩心放入岩心夹持器中；

(2)打开围压控制阀，调节围压泵，给岩心夹持器加载围压，设定围压比缓冲容器内初始压力高出0.5MPa；

(3)打开回压控制阀，调节回压泵给回压阀加载压力，设定岩心夹持器出口端压力p_L，该压力低于入口压力的任意值；

(4)关闭气源阀，打开进气阀、针型阀，利用真空泵对测试装置抽真空，至真空压力达600Pa；

(5)关闭针形阀，关闭真空泵；

(6)打开高压气瓶，通过减压阀调节高压气瓶输出压力为p_L；

(7)打开气源阀，使气体进入缓冲容器、岩心；设定实验温度为25℃，恒温两小时，关闭气源阀，此时岩心及缓冲器内压力为初始压力p_L；

(8)关闭进气阀，通过减压阀调节高压气瓶输出压力为0.6MPa，使缓冲器初始压力升至0.6MPa；

(9)关闭气源阀，打开进气阀，将入口端压力传感器的此刻的值记为初始压力p_in；

(10)记录入口端压力传感器的压力p₀，隔10秒记录一个数据，共采集100个数据点，绘制p₀—t关系曲线；

(11)查阅《物理化学手册》(姚允斌著，上海科学技术出版社，1985)气体和蒸气的绝对粘度数据表得到测试气体在测试温度、压力下的粘度μ；

(12)假设测试岩心的克氏渗透率为k_∞，由稳态法测试的统计结果得岩心的气体滑脱因子为按式(1)计算不同时刻缓冲容器内的压力，并与实测的压力降落曲线拟合；

$p_0^{n+1}=p_0^n-\frac{Q_0^n}{VM}{Z}_0^{n}RT\·dt---\left(1\right)$

式中，k_∞—岩心的克氏渗透率，10^-3μm²；b—气体滑脱因子，atm；p₀—缓冲容器内压力，atm；—n时刻从岩心入口端进入岩心的质量流量，kg/s；V—缓冲容器体积，m³；M—测试气体的摩尔质量，kg/kmol；Z—测试气体的压缩因子；R—通用气体常数，R＝0.08314atm·m³/(kmol·K)；T—绝对温度，K；dt—时间步长，s；

上标表示第n时刻的值，下标表示采用点中心网格将岩心m等分时的第j个网格j＝0～m，其中m＝50～100，j＝0时为缓冲容器内相关参数；

任意时刻(1)中通过岩心的质量流量Q₀由下列方法求得：

$Q_0^n=\frac{k_{\mathrm{\∞}}(1+\frac{2b}{p_0^n+p_1^n})A(p_0^n-p_1^n)}{\mathrm{\μ}dx}\frac{(p_0^n+p_1^n)M\×{10}^{-6}}{2Z_0^{n}RT}---\left(2\right)$

式中，A—岩心截面积，A＝πd²/4，m²；dx—网格长度，m；μ—气体粘度，mP·s；

初始时刻，即n＝0时缓冲容器内压力为p_in，其中j＝1，2，…，m，打开进气阀时，通过岩心的气体质量流量为：

$Q_0^0=\frac{k_{\mathrm{\∞}}(1+\frac{2b}{p_{in}+p_L})A(p_{in}-p_L)}{\mathrm{\μ}dx}\frac{(p_{in}+p_L)M\×{10}^{-6}}{2Z_0^{0}RT}---\left(3\right)$

代人式(1)可得dt时刻入口端缓冲容器内的压力为：

$p_0^1=p_{in}-\frac{Q_0^0}{VM}{Z}_0^{0}RT\·dt---\left(4\right)$

j＝1到j＝n-1个网格内满足：

$\begin{array}{cc}j=1& \left(a_0^n+a_1^n+c_1^n\frac{{\left(dx\right)}^2}{dt}\right)p_1^{n+1}+a_1^n{p}_2^{n+1}=-c_1^n\frac{{\left(dx\right)}^2}{dt}{p}_1^n-a_0^n{p}_0^n\\ j=2& a_1^n{p}_1^{n+1}-\left(a_1^n+a_2^n+c_2^n\frac{{\left(dx\right)}^2}{dt}\right)p_2^{n+1}+a_2^n{p}_3^{n+1}=-c_2^n\frac{{\left(dx\right)}^2}{dt}{p}_2^n\\ j=j& a_{j-1}^n{p}_{j-1}^{n+1}-\left(a_{j-1}^n+a_j^n+c_j^n\frac{{\left(dx\right)}^2}{dt}\right)p_j^{n+1}+a_j^n{p}_{j+1}^{n+1}=-c_j^n\frac{{\left(dx\right)}^2}{dt}{p}_j^n\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ j=m-1& a_{m-1}^n{p}_{m-2}^{n+1}-\left(a_{m-2}^n+a_{m-1}^n+c_{m-1}^n\frac{{\left(dx\right)}^2}{dt}\right)p_{m-1}^{n+1}=-c_{m-1}^n\frac{{\left(dx\right)}^2}{dt}{p}_{m-1}^n-a_{m-1}^n{p}_L\end{array}---\left(5\right)$

方程组(5)的系数矩阵为三对角矩阵，利用追赶法编程求解，可得到p₁，p₂，…，p_n-1在dt时刻的压力值；

式中，φ—岩心孔隙度，％；

重复上述计算，即可得到不同时刻p₀，p₁，p₂，…，p_m-1在idt时刻的值，其中i＝1，2，…，n，绘制p₀—t关系曲线，根据曲线最小二乘原理与实测压力降落曲线进行拟合，调整k_∞的大小，直至曲线拟合误差达到要求，即可得到测试岩心的岩心克氏渗透率，式可以得到滑脱因子。

3.根据权利要求2所述的致密砂岩气体渗透性测试方法，其特征在于，测试中温度、缓冲容器初始压力p_in和回压p_L以可根据测试要求，自行调整。