CN105628579A - 一种用于页岩的自发渗吸测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于页岩的自发渗吸测量装置，包括围压泵、岩芯夹持器和管线，所述围压泵通过管线Ⅰ与岩芯夹持器连接。还包括刻度管、控制阀Ⅰ、控制阀Ⅱ和控制面板，所述刻度管通过管线Ⅱ与岩芯夹持器的底部连接，所述控制阀Ⅰ通过管线Ⅲ与岩芯夹持器的底部连接，所述控制阀Ⅱ通过管线Ⅳ与岩芯夹持器的顶部连接。所述控制面板的前方设置岩芯夹持器、刻度管、控制阀Ⅰ和控制阀Ⅱ，所述控制面板的后方设置管线、管线Ⅰ、管线Ⅱ、管线Ⅲ和管线Ⅳ。本发明的测量装置结构简单，操作方便，节省成本，可模拟高压环境下页岩的自发渗吸过程，使模拟过程更符合实际情况，测得的结果也更加真实可靠。

Description

一种用于页岩的自发渗吸测量装置

技术领域

本发明属于石油工程技术领域，具体涉及一种用于页岩的自发渗吸测量装置。

背景技术

自发渗吸是发生在多孔介质中常见的自然现象，对于非常规储层，利用自发渗吸对其进行研究在国际上都是比较前沿的技术。在致密性储层的研究中，特别是对低孔低渗透页岩气储层的研究中，评价储层岩石的自发渗吸强度是研究的重点。首先，由于低渗透储层的吼道细小，大多处于微米级甚至纳米级，毛细管力引起的自发渗吸现象比常规储层更为明显，对储层产生的影响更大；其次，低渗储层的吸水能力取决于岩性、地层以及人工注入的液体类型，需要进行大量自吸实验研究致密性储层与人工注入液体的相互作用；同时低渗储层的非均质性较强，尤其是在页岩气钻井过程中，需要对不同地层或同一地层不同位置的页岩进行多次取样评价。

目前，国内外对于页岩的自发渗吸研究主要集中在实验室环境中，在常温常压下，通过测量页岩对液体的吸入量开展研究。但是在现场作业过程中，页岩是在地下几千米处跟压裂液接触，此过程发生的具体环境是高温高压，可见现有的研究并不能真实地模拟页岩的渗吸过程。因此，急需开发一种用于页岩的自发渗吸测量装置。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于页岩的自发渗吸测量装置，包括围压泵、岩芯夹持器和管线，所述围压泵通过管线Ⅰ与所述岩芯夹持器连接。还包括刻度管、控制阀Ⅰ和控制阀Ⅱ，所述刻度管通过管线Ⅱ与所述岩芯夹持器的底部连接，所述控制阀Ⅰ通过管线Ⅲ与所述岩芯夹持器的底部连接，所述控制阀Ⅱ通过管线Ⅳ与所述岩芯夹持器的顶部连接。

通过岩芯夹持器底部的控制阀Ⅰ判断岩芯底部与水是否接触。控制阀Ⅰ与岩芯底面在同一水平线上。控制阀Ⅰ出水的那一刻，岩芯底面与水刚好接触，此时关闭控制阀Ⅰ，同时施加围压，并开始计量。实验开始时，刻度管和管线Ⅱ内充满水，岩芯底面与水接触，在施加围压的条件下，岩芯吸水，从而导致刻度管中的液面下降，通过计量刻度管中液面的下降得出岩芯的吸水量。

通过岩芯夹持器顶部的控制阀Ⅱ，可实现同向驱替或混合驱替与逆向驱替的自由切换。当打开控制阀Ⅱ时，岩芯夹持器内部环境与外界环境相通，此时得到的结果为同向驱替或同向与逆向混合驱替的结果；当关闭控制阀Ⅱ时，岩芯夹持器处于密封状态，此时得到的结果为逆向驱替的结果。

优选的是，还包括控制面板，所述控制面板与水平面垂直。

在上述任一方案中优选的是，所述控制面板的前方设置所述岩芯夹持器、刻度管、控制阀Ⅰ和控制阀Ⅱ。

在上述任一方案中优选的是，所述控制面板的后方设置所述管线、管线Ⅰ、管线Ⅱ、管线Ⅲ和管线Ⅳ。

本发明通过控制面板将测量装置中用到的所有管线遮挡在控制面板的后方，管线在控制面板的后方布置，既可以使测量装置整齐美观，又可以确保各条管线畅通，避免出现异常情况。

在上述任一方案中优选的是，所述围压泵与所述岩芯夹持器之间设置围压显示器。围压泵包括气罐和手动加压设备。将岩芯放置于岩芯夹持器中，通过围压泵加压，为岩芯夹持器中的岩芯创造适宜的高压环境。围压显示器用于读取和帮助控制围压的大小。

在上述任一方案中优选的是，所述刻度管的底部连接压力表。

在上述任一方案中优选的是，所述刻度管的底部设置压力传感器。通过压力传感器，将刻度管中水柱的下降转化为压力的变化，并且压力传感器与计算机连接，通过编写软件将其转化为岩芯吸水量的变化，自动计量。为防止刻度管中的水蒸发，需在液柱上方滴几滴煤油。刻度管与压力传感器采用活动连接的方式，从而可根据岩芯不同导致的吸水量不同来切换合适量程的刻度管。当测量时间较短时，可利用压力传感器进行计算机计量；当测量时间长达几个月甚至一年以上时，可采用人工读取刻度管的刻度进行计量。根据实际情况灵活选择不同的计量方式。

在上述任一方案中优选的是，所述岩芯夹持器与岩芯之间设置胶套。所述胶套选择耐高温高压的材料制成。

在上述任一方案中优选的是，所述岩芯夹持器的底部设置柱塞Ⅰ，所述岩芯夹持器的顶部设置柱塞Ⅱ。

在上述任一方案中优选的是，所述柱塞Ⅰ的内部设置水槽Ⅰ和水槽Ⅱ，所述水槽Ⅰ和所述水槽Ⅱ为同心圆环，所述水槽Ⅰ与所述水槽Ⅱ之间设置连通槽。通过在柱塞Ⅰ内设置水槽和连通槽，确保岩芯底面与水充分接触，进而确保实验数据更加真实可靠。

在上述任一方案中优选的是，所述水槽Ⅰ上设置进水口Ⅰ和进水口Ⅱ，所述进水口Ⅰ和所述进水口Ⅱ在同一直径上。

在上述任一方案中优选的是，所述进水口Ⅰ与所述管线Ⅱ连通，所述进水口Ⅱ与所述管线Ⅲ连通。

本发明的上述任一种测量装置，通过围压泵对岩芯施加围压，为岩芯提供高压环境。使用该测量装置，需要将岩芯清洗干净后放入烘干箱内烘干，烘干温度为105℃，烘干时间视岩芯大小而定，通常烘干至岩芯质量保持恒定，然后将岩芯放入岩芯夹持器内。

在上述任一方案中优选的是，还包括加热装置。采用加热装置后，在将岩芯放入岩芯夹持器之前，仍需对岩芯进行烘干。将烘干后的岩芯放入加热装置中的岩芯夹持器内，然后将加热装置升到一定温度后保温，为岩芯的自发渗吸提供高温环境，待加热装置的温度稳定后施加围压，为岩芯的自发渗吸提供高压环境。

在上述任一方案中优选的是，所述加热装置的内部放置岩芯夹持器、岩芯、胶套、柱塞Ⅰ和柱塞Ⅱ。

在上述任一方案中优选的是，所述加热装置的顶部设置通孔Ⅰ，所述通孔Ⅰ内穿过管线Ⅳ。

在上述任一方案中优选的是，所述加热装置的底部设置通孔Ⅱ和通孔Ⅲ，所述通孔Ⅱ和所述通孔Ⅲ内分别穿过管线管线Ⅱ和管线Ⅲ。

在上述任一方案中优选的是，所述加热装置与电源连接。

在上述任一方案中优选的是，所述加热装置的外部设置开关、温度控制仪表和时间控制仪表。

本发明还提供一种用于页岩的自发渗吸测量方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：将岩芯放入岩芯夹持器中，连接测量装置的管线并检查密封性；

步骤二：关闭或打开岩芯夹持器顶部的控制阀，同时打开岩芯夹持器底部的控制阀；

步骤三：向刻度管中注入水，水流经岩芯夹持器底部的管线后到达岩芯夹持器底部的控制阀；

步骤四：当岩芯夹持器底部的控制阀出水时，关闭该控制阀；

步骤五：通过围压泵对岩芯施加围压，岩芯吸水，刻度管液面下降，计量岩芯吸水体积，并转化为岩芯吸水质量随时间的变化关系。

优选的是，在完成所述步骤一后，启动加热装置，设置加热温度和加热时间，对岩芯施加高温环境。

在上述任一方案中优选的是，所述测量装置为上述任一种用于页岩的自发渗吸测量装置。

本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置及其方法，结构简单，操作方便，节省成本，可模拟高温高压的环境，使模拟过程更符合实际情况，测得的结果也更加真实可靠。

附图说明

图1为按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置的一优选实施例结构示意图；

图2为按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置的图1所示实施例的岩芯夹持器内部及柱塞Ⅰ的结构示意图；

图3为按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置的图1所示实施例的柱塞Ⅰ的俯视图；

图4为按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置的图1所示实施例的测量方法的工艺流程图；

图5为按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置的图1所示实施例的高压环境下岩芯自发吸水质量随时间的变化关系；

图6为按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置的另一优选实施例结构示意图；

图7为按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置的图6所示实施例的加热装置的结构示意图；

图8为按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置的图6所示实施例的测量方法的工艺流程图；

图9为按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置的图6所示实施例的高温高压环境下岩芯自发吸水质量随时间的变化关系。

图中标注说明：1-围压泵，2-岩芯夹持器，3-刻度管，4-控制阀Ⅰ，5-控制阀Ⅱ，6-管线Ⅰ，7-管线Ⅱ，8-管线Ⅲ，9-管线Ⅳ，10-控制面板，11-围压显示器，12-压力表，13-压力传感器，14-岩芯，15-胶套，16-柱塞Ⅰ，17-柱塞Ⅱ，18-水槽Ⅰ，19-水槽Ⅱ，20-连通槽，21-进水口Ⅰ，22-进水口Ⅱ，23-加热装置，24-通孔Ⅰ，25-通孔Ⅱ，26-通孔Ⅲ，27-电源，28-开关，29-温度控制仪表，30-时间控制仪表。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

本实施例对致密性储层的岩芯进行高压环境下的自发渗吸实验，流体为蒸馏水，圆柱形岩芯的直径为2.5cm、高度为3.0cm，气测孔隙度为9.5%，气测渗透率为0.013md，粘土矿物总量为31.2%，其中绿泥石的含量为97%，含有少量伊利石。本实施例测得岩芯在高压环境下的吸水量随时间的变化情况。

如图1和图2所示，按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置的一实施例，包括围压泵1、岩芯夹持器2和管线，所述围压泵1通过管线Ⅰ6与所述岩芯夹持器2连接。还包括刻度管3、控制阀Ⅰ4和控制阀Ⅱ5，所述刻度管3通过管线Ⅱ7与所述岩芯夹持器2的底部连接，所述控制阀Ⅰ4通过管线Ⅲ8与所述岩芯夹持器2的底部连接，所述控制阀Ⅱ5通过管线Ⅳ9与所述岩芯夹持器2的顶部连接。

通过岩芯夹持器底部的控制阀Ⅰ判断岩芯底部与水是否接触。控制阀Ⅰ与岩芯底面在同一水平线上。控制阀Ⅰ出水的那一刻，岩芯底面与水刚好接触，此时关闭控制阀Ⅰ，同时施加围压，并开始计量。实验开始时，刻度管和管线Ⅱ内充满水，岩芯底面与水接触，在施加围压的条件下，岩芯吸水，从而导致刻度管中的液面下降，通过计量刻度管中液面的下降得出岩芯的吸水量。本实施例为逆向驱替，当关闭控制阀Ⅱ时，岩芯夹持器处于密封状态，此时得到的结果为逆向驱替的结果。

本实施例的测量装置还包括控制面板10，所述控制面板10与水平面垂直。所述控制面板10的前方设置所述岩芯夹持器2、刻度管3、控制阀Ⅰ4和控制阀Ⅱ5。所述控制面板10的后方设置所述管线、管线Ⅰ6、管线Ⅱ7、管线Ⅲ8和管线Ⅳ9。通过控制面板将测量装置中用到的所有管线遮挡在控制面板的后方，管线在控制面板的后方布置，既可以使测量装置整齐美观，又可以确保各条管线畅通，避免出现异常情况。

所述围压泵1与所述岩芯夹持器2之间设置围压显示器11。围压泵包括气罐和手动加压设备。将岩芯放置于岩芯夹持器中，通过围压泵加压，为岩芯夹持器中的岩芯创造适宜的高压环境。围压显示器用于读取和帮助控制围压的大小。所述刻度管3的底部连接压力表12和压力传感器13。通过压力传感器，将刻度管中水柱的下降转化为压力的变化，并且压力传感器与计算机连接，通过编写软件将其转化为岩芯吸水量的变化，自动计量。为防止刻度管中的水蒸发，需在液柱上方滴几滴煤油。刻度管与压力传感器采用活动连接的方式，从而可根据岩芯不同导致的吸水量不同来切换合适量程的刻度管。当测量时间较短时，可利用压力传感器进行计算机计量；当测量时间长达几个月甚至一年以上时，可采用人工读取刻度管的刻度进行计量。所述岩芯夹持器2与岩芯14之间设置胶套15，所述胶套15选择耐高温高压的材料制成。

如图3所示，所述岩芯夹持器2的底部设置柱塞Ⅰ16，所述岩芯夹持器2的顶部设置柱塞Ⅱ17。所述柱塞Ⅰ16的内部设置水槽Ⅰ18和水槽Ⅱ19，所述水槽Ⅰ18和所述水槽Ⅱ19为同心圆环，所述水槽Ⅰ18与所述水槽Ⅱ19之间设置连通槽20。通过在柱塞Ⅰ内设置水槽和连通槽，确保岩芯底面与水充分接触，进而确保实验数据更加真实可靠。所述水槽Ⅰ18上设置进水口Ⅰ21和进水口Ⅱ22，所述进水口Ⅰ21和所述进水口Ⅱ22在同一直径上。所述进水口Ⅰ21与所述管线Ⅱ7连通，所述进水口Ⅱ22与所述管线Ⅲ8连通。

在本实施例中，需要将岩芯清洗干净后放入烘干箱内烘干，烘干温度为105℃，烘干时间为15h，此时岩芯质量保持恒定，然后将岩芯放入岩芯夹持器内，并通过围压泵对岩芯施加围压，为岩芯提供高压环境。

如图4所示，按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量方法，采用上述测量装置，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：将岩芯放入岩芯夹持器中，连接测量装置的管线并检查密封性；

步骤二：关闭岩芯夹持器顶部的控制阀，同时打开岩芯夹持器底部的控制阀；

步骤三：向刻度管中注入水，水流经岩芯夹持器底部的管线后到达岩芯夹持器底部的控制阀；

步骤四：当岩芯夹持器底部的控制阀出水时，关闭该控制阀；

步骤五：通过围压泵对岩芯施加围压，岩芯吸水，刻度管液面下降，计量岩芯吸水体积，并转化为岩芯吸水质量随时间的变化关系。

本实施例的实验结果如图5所示，从图中可知，同一岩芯在高压环境下的吸水量明显大于在常温常压环境下的吸水量。

本实施例的用于页岩的自发渗吸测量装置及其方法，结构简单，操作方便，节省成本，可模拟高压环境下页岩的自发渗吸过程，使模拟过程更符合实际情况，测得的结果也更加真实可靠。

实施例二：

如图6和图7所示，按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置的另一实施例，其基本结构、各部件之间的连接关系和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：还包括加热装置23。采用加热装置后，在将岩芯放入岩芯夹持器之前，仍需对岩芯进行烘干。将烘干后的岩芯放入加热装置中的岩芯夹持器内，然后将加热装置升到80℃后保温，为岩芯的自发渗吸提供高温环境，待加热装置的温度稳定后施加围压，为岩芯的自发渗吸提供高压环境。

所述加热装置23的内部放置岩芯夹持器2、岩芯14、胶套15、柱塞Ⅰ16和柱塞Ⅱ17。所述加热装置23的顶部设置通孔Ⅰ24，所述通孔Ⅰ24内穿过管线Ⅳ9。所述加热装置23的底部设置通孔Ⅱ25和通孔Ⅲ26，所述通孔Ⅱ25和所述通孔Ⅲ26内分别穿过管线管线Ⅱ7和管线Ⅲ8。所述加热装置23与电源27连接，其外部设置开关28、温度控制仪表29和时间控制仪表30。

如图8所示，按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量方法的另一实施例，采用上述测量装置，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：将岩芯放入岩芯夹持器中，连接测量装置的管线并检查密封性；

步骤二：启动加热装置，设置加热温度和加热时间，对岩芯施加高温环境。

步骤三：关闭岩芯夹持器顶部的控制阀，同时打开岩芯夹持器底部的控制阀；

步骤四：向刻度管中注入水，水流经岩芯夹持器底部的管线后到达岩芯夹持器底部的控制阀；

步骤五：当岩芯夹持器底部的控制阀出水时，关闭该控制阀；

步骤六：通过围压泵对岩芯施加围压，岩芯吸水，刻度管液面下降，计量岩芯吸水体积，并转化为岩芯吸水质量随时间的变化关系。

本实施例的实验结果如图9所示，从图中可知，同一岩芯在高温高压环境下的吸水量明显大于在常温常压环境下的吸水量。

实施例三：

按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置及其方法的另一实施例，为同向驱替或同向与逆向混合驱替，当打开控制阀Ⅱ时，岩芯夹持器内部环境与外界环境相通，此时得到的结果为同向驱替或同向与逆向混合驱替的结果。测量装置的结构、部件之间的连接关系和有益效果等均与实施例一相同；测量方法的工艺流程与实施例一基本相同，不同的是，步骤二：打开岩芯夹持器顶部的控制阀，同时打开岩芯夹持器底部的控制阀。

实施例四：

按照本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置及其方法的另一实施例，为同向驱替或同向与逆向混合驱替，当打开控制阀Ⅱ时，岩芯夹持器内部环境与外界环境相通，此时得到的结果为同向驱替或同向与逆向混合驱替的结果。测量装置的结构、部件之间的连接关系和有益效果等均与实施例二相同；测量方法的工艺流程与实施例二基本相同，不同的是，步骤三：打开岩芯夹持器顶部的控制阀，同时打开岩芯夹持器底部的控制阀。

本领域技术人员不难理解，本发明的用于页岩的自发渗吸测量装置包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于页岩的自发渗吸测量装置，包括围压泵、岩芯夹持器和管线，所述围压泵通过管线Ⅰ与所述岩芯夹持器连接，其特征在于：还包括刻度管、控制阀Ⅰ和控制阀Ⅱ，所述刻度管通过管线Ⅱ与所述岩芯夹持器的底部连接，所述控制阀Ⅰ通过管线Ⅲ与所述岩芯夹持器的底部连接，所述控制阀Ⅱ通过管线Ⅳ与所述岩芯夹持器的顶部连接。

2.如权利要求1所述的用于页岩的自发渗吸测量装置，其特征在于：还包括控制面板，所述控制面板与水平面垂直。

3.如权利要求2所述的用于页岩的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述控制面板的前方设置所述岩芯夹持器、刻度管、控制阀Ⅰ和控制阀Ⅱ。

4.如权利要求2所述的用于页岩的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述控制面板的后方设置所述管线、管线Ⅰ、管线Ⅱ、管线Ⅲ和管线Ⅳ。

5.如权利要求1所述的用于页岩的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述围压泵与所述岩芯夹持器之间设置围压显示器。

6.如权利要求1所述的用于页岩的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述刻度管的底部连接压力表。

7.如权利要求6所述的用于页岩的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述刻度管的底部设置压力传感器。

8.如权利要求1所述的用于页岩的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述岩芯夹持器与岩芯之间设置胶套。

9.如权利要求1所述的用于页岩的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述岩芯夹持器的底部设置柱塞Ⅰ，所述岩芯夹持器的顶部设置柱塞Ⅱ。

10.如权利要求9所述的用于页岩的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述柱塞Ⅰ的内部设置水槽Ⅰ和水槽Ⅱ，所述水槽Ⅰ和所述水槽Ⅱ为同心圆环，所述水槽Ⅰ与所述水槽Ⅱ之间设置连通槽。