CN105675441A - 一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法，其在人工合成CH₄水合物的基础上，结合多孔介质模型径向驱替实验，实现了对不同水合物饱和度状态下径向流时的气水相对渗透率的测量。包括以下步骤：制备并测量多孔介质模型的孔隙度和渗透率，将一定体积的含水合物生成诱导剂水溶液和CH₄注入多孔介质模型中生成不同CH₄水合物饱和度下的多孔介质模型，按一定流量将N₂和水恒速注入多孔介质模型中，分别测量稳定后N₂和水的流量以及注入端和出口端的压力，根据所测量的流量和压力数据计算气水相对渗透率。本发明实用性强，能够反映实际开采条件下的气水流动状态，为更好地认识天然气水合物藏中的气水流动规律提供帮助。

Description

一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法

技术领域

本发明涉及一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法，属于天然气水合物资源开发领域。

背景技术

天然气水合物分布广泛，储量大、能量密度高，是重要的新型能源。随着社会经济的发展，水合物资源的开发利用得到了普遍关注。目前，水合物藏的开采主要包括降压法、注热法、注化学剂法和气体置换法等几种模式。

水合物开采时，储层中的流动为气水两相渗流。作为重要的物性参数之一，渗透率对水合物藏在开采过程中的产气和产水等动态变化特征有决定性影响。然而目前对天然气水合物藏的研究较少，且研究的焦点主要放在开发方式的选择上，对于天然气水合物藏中的气水相对渗透率曲线仍然简单地沿用油气田开发经典理论中的相对渗透率模型，但在水合物藏开采过程中，水合物的饱和度不断发生变化，不同水合物饱和度下气水相渗规律有很大不同，此外，实际水合物储层中的气水流动为径向流，而目前渗透率都在一维线性流的基础上测定，因此目前的研究结果与实际开发动态可能存在较大出入，不能反映实际流体的流动状态。综上可知目前尚缺少一种有效的气水相对渗透率的实验测定方法，这严重制约了对天然气水合物藏中气水流动规律的认识及相关研究。

发明内容

本发明提供了一种不同水合物饱和度下气水相对渗透率测定方法，在人工合成CH₄水合物的基础上，使用N₂作为驱替气体，结合多孔介质模型径向流驱替实验，实现了对不同水合物饱和度状态下气水相对渗透率的测量。研究表明，使用N₂作为驱替气体，能够避免气水两相渗流过程中导致的CH₄水合物分解或形成，保证测量结果的可靠性。本发明实用性强，可以反映真实天然气水合物藏中的气水渗流规律，对于认识天然气水合物藏中的气水流动规律，提高不同开发方式研究结果的可靠性具有重要意义。

本法明的具体方法为：

(1)制备多孔介质模型：将50-100目的石英砂洗净并用蒸馏水清洗3-5次，晾干之后填入反应釜，逐层夯实，形成致密均匀的多孔介质模型，并称量多孔介质模型的质量m₀；

(2)测量多孔介质模型的孔隙度：将真空泵保持负压0.1MPa，对多孔介质模型抽真空1-3小时，将蒸馏水以0.5-10mL/min的速度注入模型，见水后继续注入1.5-2.5PV的蒸馏水，待出口端水流速度稳定后，记录此时蒸馏水的累积注入体积V₁和累积产出体积V₂，由式①和式②，根据模型尺寸计算模型孔隙度φ

$V_p=V_1-V_2-{\mathrm{\πhR}}_w^2$ ①

$\mathrm{\φ}=\frac{V_p}{\mathrm{\π}h(R_e^2-R_w^2)}$ ②

式中，φ为多孔介质模型孔隙度，小数；V_p为多孔介质模型孔隙体积，cm³；V₁为蒸馏水的累积注入体积，mL；V₂为蒸馏水的累积产出体积，mL；Re为多孔介质模型外径，cm；R_w为多孔介质模型中模拟井内径，cm；h为多孔介质模型高度，cm；

(3)测量多孔介质模型径向流条件下的绝对渗透率：以0.5-10mL/min的速度向多孔介质模型中注入蒸馏水，待出口端水流速度稳定后，测量注入端压力p₁、出口端压力p₂、水流量q，由式③，计算模型绝对渗透率k_a

$k_a=\frac{{\mathrm{q\μ}}_{w}ln(R_e/R_w)}{2\mathrm{\π}h(p_1-p_2)}$ ③

式中，k_a为多孔介质模型的绝对渗透率，μm²；q为水流量，mL/s；μ_w为蒸馏水粘度，mPa﹒s；p₁为多孔介质模型注入端压力，10^-1MPa；p₂为多孔介质模型出口端压力，10^-1MPa；

(4)生成含水合物多孔介质：用含水合物生成诱导剂SDS或THF-SDS的水溶液以0.5-10mL/min的速度驱替模型中的蒸馏水，当注入量为1.2-1.5PV，注入结束，并关闭出口阀，继续注入至预定压力p_set，所述p_set范围为7-10MPa；将CH₄压缩至所述预定压力，打开出口阀，保持出口端压力为所述预定压力，以0.5-10mL/min的速度将CH₄注入多孔介质模型，达到预定注入量0.05-0.50PV后，关闭出口阀，并记录此时模型压力p_s、环境温度T_s和累积产出水的体积V₃，将模型环境温度降至1-4℃，开始水合物的生成过程，并记录模型温度、压力变化，待体系压力不再发生变化后，CH₄水合物生成过程结束；

(5)计算水合物饱和度：打开出口阀，将压力保持在5MPa-8MPa，以0.5-10mL/min的速度将蒸馏水注入多孔介质模型，待出口端速度稳定后，记录此阶段累积注入水体积V₅、累积产出水体积V₄以及在大气压p₀和室内温度T₀下CH₄的累积产出体积V₆，由式④，将产出CH₄体积转换为温度为T_s，压力为p_s时的体积V₇

$V_7=\frac{p_0{V}_6{Z}_s{T}_s}{p_s{Z}_0{T}_0}$ ④

式中，V₇为产出CH₄在温度为T_s，压力为p_s时的体积；V₆为产出CH₄在温度为T₀，压力为p₀时的体积，mL；T₀为室内温度，K；T_s为多孔介质模型的环境温度，K；p₀为大气压力，Pa；p_s为多孔介质模型压力，Pa；Z₀为温度为T₀，压力为p₀时CH₄的压缩因子；Z_s为温度为T_s，压力为p_s时CH₄的压缩因子，

由式⑤，计算生成的水合物饱和度S_H

$S_H=\frac{V_3-(V_5-V_4-V_7)}{V_p}$ ⑤

式中，S_H为CH₄水合物饱和度，小数；V₃为所述步骤(4)中累积产出水体积，mL；V₄为所述步骤(5)中累积产出水体积，mL；V₅为所述步骤(5)累积注入水体积，mL；

(6)测量一定气水饱和度时的气水径向流条件下的有效渗透率：将N₂和蒸馏水以10:1的比例恒速注入多孔介质模型中，待出口端速度稳定后，分别测量此时多孔介质模型环境温度T_m，注入端压力p₃、出口端压力p₄，水的流量q_w，大气压p₀和室内温度T₀下N₂的流量q_g及含水多孔介质模型的质量m₁，由式⑥、式⑦、式⑧和式⑨，分别计算此时水相饱和度S_w，气相饱和度S_g，水相有效渗透率k_w，气相有效渗透率k_g

$S_w=\frac{m_1-m_0}{V_p{\mathrm{\ρ}}_w}$ ⑥

S_g＝1-S_w⑦

$k_w=\frac{q_w{\mathrm{\μ}}_{w}ln(R_e/R_w)}{2\mathrm{\π}h(p_3-p_4)}$ ⑧

$k_g=\frac{q_g{p}_0{\mathrm{\μ}}_g{Z}_m{T}_{m}ln(R_e/R_w)}{\mathrm{\π}h(p_3^2-p_4^2)Z_1{T}_0}$ ⑨

式中，S_w为水相饱和度，小数；m₀为多孔介质模型的质量，g；m₁为含水多孔介质模型的质量，g；ρ_w为蒸馏水密度，g/cm³；S_g为气相饱和度，小数；k_w为水相有效渗透率，μm²；q_w为水流量，mL/s；p₃为多孔介质模型注入端压力，10^-1MPa；p₄为多孔介质模型出口端压力，10^-1MPa；k_g为气相有效渗透率，μm²；q_g为温度为T₀，气压为p₀时N₂的流量，mL/s；T_m为多孔介质模型的环境温度，K；μ_g为温度为T_m，压力为(p₃+p₄)/2时N₂的粘度，mPa﹒s；Z₁为温度为T₀，压力为p₀时N₂的压缩因子；Z_m为温度为T_m，压力为(p₃+p₄)/2时N₂的压缩因子；

(7)由式⑩，计算该气水饱和度时，径向流条件下水相相对渗透率k_rw，气相相对渗透率k_rg

$\begin{array}{c}{k}_{rw}=\frac{k_w}{k_a}\\ k_{rg}=\frac{k_g}{k_a}\end{array}$ ⑩

式中，k_rw为水相相对渗透率，小数；k_rg为气相相对渗透率，小数。

(8)保持总流量不变，逐渐增大所述步骤(6)中水的注入比例，重复步骤(6)-(7)，测量不同气水饱和度下的相对渗透率，得到水合物饱和度为S_H时的气水相对渗透率数据；

(9)重复步骤(1)-(8)，通过控制CH₄的注入量，生成不同水合物饱和度下的多孔介质模型，测量不同水合物饱和度下的气水相对渗透率数据。

附图说明

图1为多孔介质模型示意图；

图2为水合物径向流条件下气水相对渗透率测量示意图；

图3为气水相对渗透率曲线(CH₄水合物饱和度为0.09)；

图4为气水相对渗透率曲线(CH₄水合物饱和度为0.22)；

其中：1—测压点，2—注入流体，3—反应釜，4—模拟生产井，5—产出流体，6—模型外壳，7—测温点，8—产出水，9—产出气，10—流量计，11—分离器，12—压力计，13—多孔介质模型，14—阀门，15—CH₄，16—N₂，17—蒸馏水，18—含水合物生成诱导剂的水溶液，19—驱替泵，20—放空阀，21—真空泵，22—恒温箱。

具体实施方式

下面为结合附图详细说明本发明，但不限定本发明的实施范围。

(1)制备多孔介质模型。将50～100目的石英砂洗净并用蒸馏水清洗3次，晾干之后填入反应釜3，逐层夯实，形成致密均匀的多孔介质模型。测量多孔介质模型的尺寸数据，多孔介质模型中模拟井内径Rw＝0.5cm，模型外径Re＝25cm，模型高度h＝20cm，模型的质量m₀＝70000g。

(2)测量多孔介质模型的孔隙度。将真空泵21保持负压0.1MPa对多孔介质模型13抽真空2小时，将蒸馏水17以5.0mL/min的速度注入模型13，见水后继续泵入2PV，记录此时蒸馏水的累积注入体积V₁＝37700mL和累积产出体积V₂＝25120mL。由式①和式②，计算模型孔隙度

$V_p=V_1-V_2-{\mathrm{\πhR}}_w^2=37700-25120-\mathrm{\π}\×20\×{0.5}^2=12564.30{\mathrm{cm}}^3$

$\mathrm{\φ}=\frac{V_p}{\mathrm{\π}h(R_e^2-R_w^2)}=\frac{12564.30}{\mathrm{\π}\×20\×({25}^2-{0.5}^2)}=0.32$

(3)测量多孔介质模型径向流条件下的绝对渗透率。以5.0mL/min的速度向多孔介质模型13中注入蒸馏水17，待出口端水流速度稳定后，测量水流量q＝5.0mL/min、注入端压力p₁＝0.10053MPa、出口端压力p₂＝0.1MPa。由式③，计算模型绝对渗透率k_a＝0.489μm²。

$k_a=\frac{{\mathrm{q\μ}}_{w}ln(R_e/R_w)}{2\mathrm{\π}h(p_1-p_2)}=\frac{5\×1\×ln(25/0.5)}{60\×2\×\mathrm{\π}\×20\×(1.0053-1)}=0.489{\mathrm{\μm}}^2$

(4)生成含水合物多孔介质。用含水合物生成诱导剂SDS的水溶液18以5.0mL/min的速度驱替模型13中的蒸馏水，当注入量为1.2PV时，关闭出口阀，继续注入至预定压力p_set＝8.7MPa；将CH₄15压缩至8.7MPa，打开出口阀，保持出口端压力稳定，以5.0mL/min的速度将CH₄注入多孔介质模型，当注入量达到0.10PV后，关闭注入阀，记录此时的模型压力p_s＝8.80MPa、环境温度T_s＝288K和产出水的体积V₃＝1230mL。将模型环境温度降至1.5℃，开始水合物的生成过程，并记录模型温度、压力变化，待体系压力不再发生变化后，CH₄水合物生成过程结束。

(5)计算水合物饱和度。打开出口阀，将压力保持在5MPa，以5.0mL/min的速度将蒸馏水17注入多孔介质模型13，待出口端速度稳定后，记录此阶段蒸馏水的累积注入体积V₅＝18850mL和累积产出体积V₄＝18735mL，CH₄的累积产出体积V₆＝1634mL，对应的大气压力p₀＝0.1013MPa，室内温度T₀＝288K。由式④和式⑤，计算生成的CH₄水合物饱和度S_H＝0.09。

$V_7=\frac{p_0{V}_6{Z}_s{T}_s}{p_s{Z}_0{T}_0}=\frac{0.1103\×1634\×0.82\×288}{8.8\×1\×288}=15.43{\mathrm{cm}}^3$

$S_H=\frac{V_3-(V_5-V_4-V_7)}{V_p}=\frac{1230-(18850-18735-15.43)}{12564.30}=0.09$

(6)测量一定气水饱和度时的气水径向流条件下的有效渗透率。将N₂16和蒸馏水17按照10:1的比例注入多孔介质模型13中，待出口端速度稳定后，测量多孔介质模型环境温度T_m＝275K，注入端压力p₃＝5.1004MPa，出口端压力p₄＝5.1MPa，大气压下N₂的流量q_g＝1196mL/min，水的流量q_w＝0.031mL/min，含水多孔介质模型质量m₁＝73895g。由式⑥-⑨，计算此时水相饱和度S_w，气相饱和度S_g，水相有效渗透率k_w，气相有效渗透率k_g。

$S_w=\frac{m_1-m_0}{V_p{\mathrm{\ρ}}_w}=\frac{73895-70000}{12564.3\×1}=0.31$

S_g＝1-S_w＝1-0.31＝0.69

$k_w=\frac{q_w{\mathrm{\μ}}_w\ln (R_e/R_w)}{2\mathrm{\π}h(p_3-p_4)}=\frac{0.031\×1\×\ln (25/0.5)}{60\×2\×\mathrm{\π}\×20\×(51.004-51)}=0.0040{\mathrm{\μm}}^2$

$k_g=\frac{q_g{p}_0{\mathrm{\μ}}_g{Z}_m{T}_m\ln (R_e/R_w)}{\mathrm{\π}h(p_3^2-p_4^2)Z_1{T}_0}=\frac{1196\×1.013\×0.0175\×0.973\×275\×\ln (25/0.5)}{60\×\mathrm{\π}\×20\×({51.004}^2-{51}^2)\×1\×288}=0.051{\mathrm{\μm}}^2$

(7)由式⑩，计算该气水饱和度时，径向流条件下水相相对渗透率k_rw，气相相对渗透率k_rg。

$k_{rw}=\frac{k_w}{k_a}=\frac{0.0040}{0.489}=0.0081$

$k_{rg}=\frac{k_g}{k_a}=\frac{0.051}{0.489}=0.11$

(8)保持总流量不变，逐渐增大水的注入比例，重复步骤(6)-(7)，测量不同气水饱和度下的相对渗透率，得到水合物饱和度为S_H＝0.09时的气水相对渗透率数据。

(9)重复步骤(1)-(8)，通过控制CH₄的注入量，生成不同CH₄水合物饱和度下的多孔介质模型，测量不同水合物饱和度时的气水相对渗透率数据。图3、图4分别为CH₄水合物饱和度为0.09和0.22时的气水相对渗透率曲线。

Claims (8)

1.一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法，其特征在于，包括以下顺序和步骤：

(1)制备多孔介质模型：将50-100目的石英砂洗净并用蒸馏水清洗3-5次，晾干之后填入反应釜，逐层夯实，形成致密均匀的多孔介质模型，并称量多孔介质模型的质量m₀；

(2)测量多孔介质模型的孔隙度：将真空泵保持负压0.1MPa，对多孔介质模型抽真空1-3小时，将蒸馏水以0.5-10mL/min的速度注入模型，见水后继续注入1.5-2.5PV的蒸馏水，待出口端水流速度稳定后，记录此时蒸馏水的累积注入体积V₁和累积产出体积V₂，由式①和式②，根据模型尺寸计算模型孔隙度φ

$V_p=V_1-V_2-{\mathrm{\πhR}}_w^2$ ①

$\mathrm{\φ}=\frac{V_p}{\mathrm{\π}h(R_e^2-R_w^2)}$ ②

式中，φ为多孔介质模型孔隙度，小数；V_p为多孔介质模型孔隙体积，cm³；V₁为蒸馏水的累积注入体积，mL；V₂为蒸馏水的累积产出体积，mL；Re为多孔介质模型外径，cm；R_w为多孔介质模型中模拟井内径，cm；h为多孔介质模型高度，cm；

(3)测量多孔介质模型径向流条件下的绝对渗透率：以0.5-10mL/min的速度向多孔介质模型中注入蒸馏水，待出口端水流速度稳定后，测量注入端压力p₁、出口端压力p₂、水流量q，由式③，计算模型绝对渗透率k_a

$k_a=\frac{{\mathrm{q\μ}}_{w}ln(R_e/R_w)}{2\mathrm{\π}h(p_1-p_2)}$ ③

式中，k_a为多孔介质模型的绝对渗透率，μm²；q为水流量，mL/s；μ_w为蒸馏水粘度，mPa﹒s；p₁为多孔介质模型注入端压力，10^-1MPa；p₂为多孔介质模型出口端压力，10^-1MPa；

(4)生成含水合物多孔介质：用含水合物生成诱导剂SDS或THF-SDS的水溶液以0.5-10mL/min的速度驱替模型中的蒸馏水，当注入量为1.2-1.5PV，注入结束，并关闭出口阀，继续注入至预定压力p_set，所述p_set范围为7-10MPa；将CH₄压缩至所述预定压力，打开出口阀，保持出口端压力为所述预定压力，以0.5-10mL/min的速度将CH₄注入多孔介质模型，达到预定注入量0.05-0.50PV后，关闭出口阀，并记录此时模型压力p_s、环境温度T_s和累积产出水的体积V₃，将模型环境温度降至1-4℃，开始水合物的生成过程，并记录模型温度、压力变化，待体系压力不再发生变化后，CH₄水合物生成过程结束；

(5)计算水合物饱和度：打开出口阀，将压力保持在5MPa-8MPa，以0.5-10mL/min的速度将蒸馏水注入多孔介质模型，待出口端速度稳定后，记录此阶段累积注入水体积V₅、累积产出水体积V₄以及在大气压p₀和室内温度T₀下CH₄的累积产出体积V₆，由式④，将产出CH₄体积转换为温度为T_s，压力为p_s时的体积V₇

$V_7=\frac{p_0{V}_6{Z}_s{T}_s}{p_s{Z}_0{T}_0}$ ④

式中，V₇为产出CH₄在温度为T_s，压力为p_s时的体积；V₆为产出CH₄在温度为T₀，压力为p₀时的体积，mL；T₀为室内温度，K；T_s为多孔介质模型的环境温度，K；p₀为大气压力，Pa；p_s为多孔介质模型压力，Pa；Z₀为温度为T₀，压力为p₀时CH₄的压缩因子；Z_s为温度为T_s，压力为p_s时CH₄的压缩因子，

由式⑤，计算生成的水合物饱和度S_H

$S_H=\frac{V_3-(V_5-V_4-V_7)}{V_p}$ ⑤

式中，S_H为CH₄水合物饱和度，小数；V₃为所述步骤(4)中累积产出水体积，mL；V₄为所述步骤(5)中累积产出水体积，mL；V₅为所述步骤(5)累积注入水体积，mL；

(6)测量一定气水饱和度时的气水径向流条件下的有效渗透率：将N₂和蒸馏水以10:1的比例恒速注入多孔介质模型中，待出口端速度稳定后，分别测量此时多孔介质模型环境温度T_m，注入端压力p₃、出口端压力p₄，水的流量q_w，大气压p₀和室内温度T₀下N₂的流量q_g及含水多孔介质模型的质量m₁，由式⑥、式⑦、式⑧和式⑨，分别计算此时水相饱和度S_w，气相饱和度S_g，水相有效渗透率k_w，气相有效渗透率k_g

$S_w=\frac{m_1-m_0}{V_p{\mathrm{\ρ}}_w}$ ⑥

S_g＝1-S_w⑦

$k_w=\frac{q_w{\mathrm{\μ}}_w\ln (R_e/R_w)}{2\mathrm{\π}h(p_3-p_4)}$ ⑧

$k_g=\frac{q_g{p}_0{\mathrm{\μ}}_g{Z}_m{T}_{m}ln(R_e/R_w)}{\mathrm{\π}h(p_3^2-p_4^2)Z_1{T}_0}$ ⑨

式中，S_w为水相饱和度，小数；m₀为多孔介质模型的质量，g；m₁为含水多孔介质模型的质量，g；ρ_w为蒸馏水密度，g/cm³；S_g为气相饱和度，小数；k_w为水相有效渗透率，μm²；q_w为水流量，mL/s；p₃为多孔介质模型注入端压力，10^-1MPa；p₄为多孔介质模型出口端压力，10^-1MPa；k_g为气相有效渗透率，μm²；q_g为温度为T₀，气压为p₀时N₂的流量，mL/s；T_m为多孔介质模型的环境温度，K；μ_g为温度为T_m，压力为(p₃+p₄)/2时N₂的粘度，mPa﹒s；Z₁为温度为T₀，压力为p₀时N₂的压缩因子；Z_m为温度为T_m，压力为(p₃+p₄)/2时N₂的压缩因子；

(7)由式⑩，计算该气水饱和度时，径向流条件下水相相对渗透率k_rw，气相相对渗透率k_rg

$k_{rw}=\frac{k_w}{k_a}$

$k_{rg}=\frac{k_g}{k_a}$ ⑩

式中，k_rw为水相相对渗透率，小数；k_rg为气相相对渗透率，小数。

(8)保持总流量不变，逐渐增大所述步骤(6)中水的注入比例，重复步骤(6)-(7)，测量不同气水饱和度下的相对渗透率，得到水合物饱和度为S_H时的气水相对渗透率数据；

(9)重复步骤(1)-(8)，通过控制CH₄的注入量，生成不同水合物饱和度下的多孔介质模型，测量不同水合物饱和度下的气水相对渗透率数据。

2.如权利要求1所述的一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法，其特征在于，所述相对渗透率为径向流条件下气、水在含水合物多孔介质中的相对渗透率。

3.如权利要求1所述的一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法，其特征在于，所述气、水的流动均遵守达西定律，且气相渗透率考虑了气体的压缩性。

4.如权利要求1所述的一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法，其特征在于，测量工作在致密均匀的多孔介质模型基础上进行，多孔介质模型中心有生产井模型，多孔介质模型内侧有温度和压力传感器，环境温度由恒温箱精确控制。

5.如权利要求1所述的一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法，其特征在于，测量过程中，注入流体由模型周边向生产井作径向流动。

6.如权利要求1所述的一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法，其特征在于，多孔介质模型中水合物饱和度根据体积守恒确定。

7.如权利要求1所述的一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法，其特征在于，相对渗透率测量过程中，根据CH₄水合物相平衡曲线，体系的压力须保持在环境温度对应的CH₄水合物分解压力之上。

8.如权利要求1所述的一种径向流条件下不同水合物饱和度时的气水相对渗透率测定方法，其特征在于，为避免在测量过程中由于CH₄水合物的分解或形成而导致的水合物饱和度变化，测量相对渗透率所用的气体为N₂。