CN105765380B - 三轴离心机装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测试岩石物理性质和采集地质力学信息的三轴离心机装置以及使用该三轴离心机装置的方法。该三轴离心机装置包括三轴样品架、流体样品架、离心机、至少一个电传感器、至少一个声传感器和X射线仪。

Description

三轴离心机装置

技术领域

本发明总体涉及一种用于测试岩石物理性质和采集地质力学信息的三轴离心机装置。

背景技术

存在与用于储层样品测试和分析的方法、技术和仪器相关的许多限制。任何储层研究中的最基本步骤是样品制备。不正确的或无效的清洁做法会使样品处于天然(原始)状态，这会使测试和分析的所有努力化为徒劳。这个步骤最不利于样品分析，尤其是在非常规致密地层、气体页岩和双孔隙度的常规地层中。各种现有的清洁方法具有以下限制：难以实现适当的毛细压力，以有效地从测试样品中去除杂质，以便制备它们用于测试和分析。通过利用加热溶剂的强烈处理或高流量方法来克服这些问题的尝试都是无效的。在许多情况下，这种做法会改变测试样品的润湿性，从而使清洁测试样品的根本目的失败。各种已知样品复原技术所造成的润湿性和流体饱和度的这些人工改变会产生用于储层评价而收集的岩石物理数据的显著错误。在非常规(气体页岩)储层分析中，常规清洁程序很大程度上也是无效的，因为它们没有考虑到毛细效应。当形成储层时，烃迁移到储层岩石中来替代最初存在的水。这是毛细驱动机制，并且有必要在实验室研究中重新创建这种情况，以模拟储层形成过程。

样品复原后，样品随后可以进行各种岩石物理测试和分析。目前，可以在不同仪器上进行一系列测试，以获得储层表征和生产分析所需的各种岩石物理数据。通常情况下，使用几台仪器来进行电性能分析，以校准电测井、流体饱和度分析和阿尔奇参数分析。需要另一种装置来执行1000psi以上的毛细压力的分析，需要另一种装置来执行流体润湿性分析，需要另一种装置来产生用于动态力学性能的声速，以及还需要另一种装置来产生用于饱和度分布的X射线。目前，在本领域中还没有观察到能够在三轴条件下执行这些测试中的一些测试的仪器。

特别是对诸如致密含气砂岩、页岩、焦油砂和水合物等非常规气源的评估等而言，这种装置的需求是巨大的，因为本行业中的传统装置不能对这些地层执行充分的分析。

此外，现有的离心方法存在缺陷。现有离心机中所使用的样品架不能对样品施加三轴应力，因为这些样品通常在高于10000RMP的转速下失效。这种离心机设备可以获得的毛细压力并未高到足以复现在一些储层(特别是非常规的枯竭储层)中发现的条件。利用现有离心方法中的一些方法，饱和度的测量基于流体分化并且未将流体的实际分布并入到测试样品中。另外，通常用于保持测试样品的试验室不能处理在测试样品的生命周期期间所需的腐蚀性化学品中的大部分化学品(例如，溶剂、抑制剂、表面活性剂、提高石油采收率(EOR)的化学品和酸)。现有离心方法的另一个问题是：在整个测试中不能连续收集岩石电性能的必要测量值。另外，使用现有的离心方法，试样的取向及其距离心机轴的中心的距离较成问题。

在储层开采的每个阶段中，与流体饱和度、孔隙分布、毛细压力和渗透率相关的准确信息至关重要。在勘探阶段中，这些信息能够提供对原烃在位和最大初级产量的评估。在储层生命周期的后期阶段中，这些信息有助于确定各种二级和三级提高石油采收率的选项，特别是对于最具成本效益和盈利的情况而言。在井的废弃过程中，需要饱和度值来辅助设计适当的废弃方式，例如完全关闭或维修以用于未来可能的介入。

发明内容

在一个方面中，本发明提供了一种用于测试岩石物理性质和采集地质力学信息的三轴离心机装置。该三轴离心机装置包括三轴样品架、流体样品架、离心机、至少一个电传感器、至少一个声传感器和X射线仪。

在另一方面中，本发明提供了一种使用三轴离心机装置的方法。该方法包括从储层获取测试样品。然后，将测试样品装载到三轴样品架中。将三轴样品架装载到三轴测试套管中。对三轴测试套管施加轴向压力。增大三轴测试套管中的围压。使用于测试样品的压力、流度和温度平衡。将流体样品架装载到三轴测试套管中。对测试样品进行离心测试。执行测试样品的X射线扫描。执行测试样品的电分析。还执行测试样品的声学分析。

附图说明

图1是根据本发明实施例的离心机盖敞开的三轴离心机装置的示意性透视图。

图2是图1的三轴离心机装置的三轴单元组件的示意性剖视图。

图3是根据本发明实施例的三轴离心机装置的底部的剖视图。

图4是根据本发明实施例的三轴离心机装置的盖部的剖视图。

具体实施方式

虽然出于说明的目的以下详细说明包含许多具体细节，但应当理解的是，本领域普通技术人员将认识到，以下细节的许多实例、变化和改变都在本发明的范围和精神内。因此，在不失一般性的情况下和在没有对所要求保护的发明强加限制的情况下，阐述了本文所述和附图所示的本发明的各示例性实施例。

参见图1和图2，本发明提供了一种用于测试岩石物理性质和采集地质力学信息的三轴离心机装置10。三轴离心机装置10包括三轴样品架12和流体样品架14。三轴离心机装置10还包括离心机16、至少一个电传感器18、至少一个声传感器20和X射线仪22。

在另一方面中，本发明提供了一种使用三轴离心机装置10的方法。该方法包括从储层获取测试样品24。在一些实施例中，测试样品24将是储油岩石，该储油岩石内的一些储层流体在温度和压力的环境条件下。在一些实施例中，例如实验室环境，测试样品24可以是内部具有很多储层流体的冷冻岩石样品，但仍处于环境压力和低温下。然后，将测试样品24装载到三轴样品架12中。将三轴样品架12装载到三轴测试套管26中。对三轴测试套管26施加三轴压力，并且使三轴测试套管26中的围压增大。使用于测试样品24的压力、温度和流度平衡。将流体样品架14安装到三轴测试套管26上。对测试样品24进行离心测试。执行测试样品24的X射线扫描。执行测试样品24的电分析。还执行测试样品24的声学分析。

本发明的实施例允许对测试样品24施加三轴载荷，以模拟储层的原位条件。另外，离心机16的高转速能够提供与原位经受的毛细压力类似的毛细压力。在一般情况下，基于需要多大的毛细压力以实现所选择的样品的合适测试条件来选择转速。对于常规储油岩石而言，500psi的毛细压力(相当于约12,000rpm)可能是足够的，但对于非常规储层样品而言，可能需要1500psi以上的毛细压力(相当于约27,000rpm以上)。本发明的进一步实施例提供了耐溶剂组件，该组件允许使用用于从样品清除烃、水和盐的溶剂。对于耐溶剂组件而言，允许使用钛、和/或玻璃来代替常规使用的材料。在实验中使用的典型溶剂混合物可以包括甲苯、甲醇、二甲苯、氯仿、水、酸和其他基于溶剂的工业烃。

在一些实施例中，三轴离心机装置10能够同时执行离心测试、X射线扫描、电分析和声学分析中的一个或更多个，因此允许进行有效且全面的测试样品研究。这种测试的附加的好处是：避免为了在不同仪器中单独进行各个测试，对测试样品24连续施加应力、去应力和搬移。另外，本发明的实施例允许所收集的与各种样品性能相关的各种数据的整合和允许更好的储层建模。例如，在毛细压力测量期间从声学(音波)监测收集到的数据将提供关于测试样品24上的机械应力变化的信息，不仅作为压力变化的函数，而且还作为地层流体变化的函数。该信息可以在储层生产的地震监测期间被使用，并且调谐采油曲线的模拟。在进一步的实施例中，在连续的步骤中进行各种测试和分析。

仍参见图1和图2，三轴离心机装置10的基本设计包括三轴样品架12、流体样品架14、离心机16、至少一个电传感器18、至少一个声传感器20和X射线仪22。在其他实施例中，三轴离心机装置10包括三轴单元组件28。三轴单元组件28包括三轴测试套管26、三轴样品架12和流体样品架14。进一步的实施例还包括下列部件中的至少一个：电测量护套30、与流体样品架14相关联的电测量馈送件32和流体照相机系统34。

三轴样品架：转到图1，三轴样品架12构造为保持来自储层的固体测试样品24。三轴样品架12包括活塞组件36和底座部件38。在一般情况下，用于活塞组件36和底座部件38的材料应该是X射线可穿透的，具有最小的电导或没有电导，并且可以是例如(购自Solvay Plastics)或玻璃。活塞组件36包括活塞部件40和流体腔室44。轴向压力流体供应管路42将流体供应至流体腔室44。流体腔室基底46具有供活塞部件40的杆48延伸穿过的开口。活塞部件40的端面50接合测试样品24的第一端52。

底座部件38具有端面54，端面54接合与测试样品24的第一端52相反的测试样品24的第二端56。因此，测试样品24被包含在活塞部件40的端面50与底座部件38的端面54之间。随着流体经由轴向压力流体供应管路42被添加到流体腔室44，活塞部件40的端面50将对测试样品24的第一端52施加轴向力，从而产生测试样品24中的轴向应力。活塞组件36的端面50和底座部件38的端面54可以涂覆有诸如等物质，该物质将提供测试样品24的电隔离。

电测量护套：在某些实施例中，三轴样品架包括电测量护套30。电测量护套30是非渗透的、弹性体的橡胶或聚氨酯护套，并且可以由例如(购自DuPont)制成。电测量护套30是围绕测试样品24的管状部件。活塞密封件58形成电测量护套30的第一端的内孔与活塞部件40的外表面之间的密封。底座密封件60形成电测量护套30的第二端的内孔与底座部件38的外表面之间的密封。

电测量护套30配备有护套传感器62，以提供测试样品的电性能的额外测量值和饱和度分布数据。通过在护套制作的硫化过程中并入导电护套传感器62来制造电测量护套30。护套传感器62的类型、传感器的数量和它们的位置基于样品尺寸和样品特性(例如样品的矿物组合物和均匀性)来确定。电测量护套30中的护套传感器62的数量可以增加和分布成使得对测试样品24进行各种电测量，并且所收集的电测量值可以提供电图像。护套传感器62所收集的数据可以经由引线64传送到处理单元66。这种类型的数据采集对于具有分层、未连接的孔隙结构、裂缝、油母质密度和其他样品异常的异质样品而言极具价值。来自多个导电护套传感器62的数据可以用来测量测试样品24两端的电阻并且产生岩石岩性和地质的图像。

三轴测试套管：继续参见图1，三轴样品架12定位在三轴测试套管26内。三轴测试套管26包括顶端盖68和单元本体70。顶端盖68具有位于顶端盖68的直径减小部分的外表面上的外螺纹72。单元本体70是具有内孔74的大致筒状部件。单元本体70具有在内孔74的内表面上从单元本体70的盖端延伸的内螺纹76，内螺纹76与顶端盖68的外螺纹72配合。周向套管密封件78形成内孔74的内表面与顶端盖68的直径减小部分的外表面之间的密封。

单元本体70具有靠近单元本体70的与盖端相反的基底端的隔板80。隔板80是在完全地延伸横跨内孔74的板，使得单元腔室82由隔板80、内孔74的内表面和顶端盖68限定。围压流体供应管路84将流体递送至单元腔室82，以对测试样品24施加双轴应力。隔板80具有向外延伸的扩大直径，以限定圆周凸缘86。隔板80定位成与单元本体70的基底端相距一定距离，从而限定由单元本体70的一部分和延伸经过隔板80的内孔74形成的裙部88。

在一些实施例中，三轴测试套管26由钛制成。钛允许在进行测试时执行X射线扫描。在其他实施例中，三轴测试套管26由或玻璃制成。在一般情况下，用于三轴单元组件28的材料应该是X射线可穿透的并且具有最小的电导或没有电导。在进一步的实施例中，三轴测试套管26和三轴样品架12包括耐酸和腐蚀性化学品的内部涂层和外部涂层，酸和腐蚀性化学品例如为盐酸、乙酸或将被用来模拟井清洁和模拟测试的其他酸以及将被用于化学EOR的酸。三轴单元组件28能够在自由条件、静水压力条件或三轴测试条件下进行离心饱和度和毛细压力测试。

三轴样品架12配备有带有p波和s波元件的声传感器20。声传感器20可以是能够发送和接收信息的双模变换器。在一些实施例中，声传感器20位于顶端盖68上或位于顶端盖68中。在一些实施例中，顶端盖68与三轴样品架12的单元本体70隔开，使得可以利用顶端盖68中的电传感器18和作为接地件的三轴样品架12的单元本体70来测量电气性质。在这样的实施例中，顶端盖68的电传感器18可以经由引线90向处理单元92提供电信息。

流体样品架：继续参考图2，三轴单元组件28包括三轴测试套管26、三轴样品架12和流体样品架14。将流体样品架14构造为保持流体样品。根据测试类型，流体样品架14可以保持来自测试样品24的流体样品或保持将注入到测试样品24中的诸如溶剂、酸或用于EOR的化学品等流体。

流体样品架14包括流体样品环94和流体样品底座96。在一些实施例中，流体样品环94由玻璃制成。在进一步的实施例中，流体样品环94由高温处理的工业级玻璃(如玻璃)制成。各种厚度的流体样品环94可以用于容纳各种体积的流体。在一般情况下，玻璃(特别是高温处理的工业级玻璃)是优选的，因为它能够提供用于获得所产生的各种流体体积的清晰读数。此外，玻璃就润湿性而言是中性的，并且能够快速分离空气、水和烃流体。玻璃还可以与几乎所有已知的化学和腐蚀性流体一起使用，而没有负反应。

流体样品底座96为大致筒状部件并且可以由金属材料或非金属材料形成。流体样品环94从单元本体70的裙部88延伸到流体样品底座96的直径减小部分。第一流体样品密封件98产生流体样品环94的内表面与裙部88的外表面之间的密封。第二流体样品密封件100产生流体样品环94的内表面与流体样品底座96的直径减小部分的外表面之间的密封。双头螺钉102将单元本体70的圆周凸缘86与流体样品底座96的放大直径部分可释放地连接。通过将流体样品底座96与单元本体70连接，流体样品环94相对于三轴测试套管26被保持在适当位置。

流体容器104由流体样品环94的内孔、隔板80的表面和流体样品底座96的表面限定。测试样品流体管路105将流体从三轴样品架12运送至流体容器104。第一流体循环管路106在流体容器104与隔离阀108之间运送流体。第二流体循环管路110在隔离阀108与三轴样品架12之间运送流体。可以在测试设置期间使用隔离阀108来管理流体，并且隔离阀108可以提供第一流体循环管路106与第二流体循环管路110之间的连接点。

在进一步的实施例中，三轴离心机装置10包括与流体样品架14相关联的电测量馈送件32。流体样品架14被设计为：流体样品底座96由电绝缘材料制成并且嵌有用于执行2或4次电极电导率和电阻率的测量的电极12。电测量馈送件32与流体样品架14的电极112连接，以向处理单元114输送信号，处理单元114用于从天然状态的样品收集关于储层盐度信息的数据，这允许更好地进行储量估计。在某些实施例中，电测量馈送件32可以通过安装在离心机16的转子116(图1)上且与三轴单元组件28连接的小电池操作设备(未示出)提供电流并且测量电压。

离心机：返回图1，可以在所提供的测试参数内工作的任何离心机16可在本发明中使用。在一些实施例中，诸如配备用于高转速(20,000rpm以上)的Hettich离心机Roto-Salina等离心机是优选的。与行业标准的离心机相比，这样的离心机具有更大直径的桶118，桶118能够在给定转速下提供更大的毛细压力。在图1的实施例中，离心机16的转子116被示为具有4个三轴单元组件28。在一些实施例中，离心机16的转子116被设计为保持有1个、2个、3个或6个三轴单元组件28。可以放置在转子116中的三轴单元组件28的数量基于具体的测试参数而确定。在一些实施例中，离心机16的滚筒或桶118具有分别用于X射线扫描和流体照相机系统34的至少两个玻璃桶窗口120、122。在进一步的实施例中，离心机16的顶部或盖体124具有与分别用于X射线扫描和流体照相机系统34的桶窗口120、122对准的两个盖体窗口126、128。在进一步的实施例中，桶118和盖体124均具有可以用于X射线扫描和流体照相机系统34这两者的单个窗口。在更进一步的实施例中，如图3至图4所示，桶118具有用于X射线源133(图1)的单个桶窗口130，并且盖体124具有与单个桶窗口130相对且用于X射线照相机134(图1)的第一盖体窗口132。在这种实施例中，盖体124具有用于视觉照相机光源138(图1)的第二盖体窗口136和用于视觉照相机142(图1)的第三盖体窗口140。

电传感器：返回到图1，可以在测试期间进行各种电测量。例如，在一些实施例中，测试样品24的电分析包括测量测试样品的电阻、电导率、电容和阻抗中的至少一者。在一些实施例中，测试样品24的电分析包括测量电导、电阻和阻抗中的至少一者作为输入电流的可变频率的函数。在一些实施例中，三轴测试套管26的顶端盖68被设计为使得其与三轴测试套管26的其他部分隔开并且用作电极。三轴测试套管26的单元本体70可以用作接地件，以在测试期间测量测试样品24的电气性质。电测量可以在测试期间采取以下两种方法中的至少一种方法。在第一种方法中，在各个毛细压力平衡步骤停止离心机16，取出三轴测试套管26，并测量电气性质。根据测试设计，可能需要额外的平衡步骤。在一些实施例中，可能存在2个至15个平衡步骤，并且可以在各个步骤中进行测量。在第二种方法中，处理单元92是电池操作的电测量设备，其具有收集可以在测试结束时被下载的时域数据的能力。第二种方法的优点是：它实现了连续测量而不需要停止离心机16，并且还提供了毛细压力平衡阶段之间的传输数据。因此，本发明的优选实施例包括处理单元92，处理单元92可操作地用于在样品测试期间收集数据并且存储用于在稍后时间下载的数据。在进一步的实施例中，实时下载数据。在进一步的实施例中，在测试样品24上收集到的电数据可以在其他数据被收集的同时被收集，或可以在其他数据被收集的步骤后续的步骤中被收集。在进一步的实施例中，电传感器18测量与三轴测试套管26的表面接触的流体的电气性质。

声传感器：可以在测试期间进行各种声学测量，包括声速的数据。在一些实施例中，声传感器20可以收集纵波、横波和/或斯通利(Stonely)波数据。收集到的声学数据可以经由引线146被输送到处理单元144并且用于时域分析和频域分析。相同的声传感器20可以收集各种波形，因为一个变换器可以包括用于纵波和横波的晶体。在优选实施例中，声传感器20是安装在三轴测试套管26的顶端盖68上且具有纵波元件和横波元件这两者的变换器。在一些实施例中，声传感器20是双模变换器，并且在反射模式下工作以发送和接收声波。在一些实施例中，三轴离心机装置10可操作地用于测量测试样品24的声速以及流体样品架14中的各种流体的速度。根据岩石样品性质和在测试时间所使用的流体，通过在测试开始之前和在测试结束后正确校准声传感器20，相同的声传感器20可以执行所有所需的测量。流体样品架14中的流体的声速可以用来分析诸如细粒、沥青质等固体颗粒的产生和存在。在一般情况下，应特别注意的是，要确保声传感器20和相关元件不与电测量产生干扰。在测试样品24上收集到的电数据可以与其他数据同时被收集，或可以在其他数据被收集的步骤后续的步骤中被收集。

X射线：X射线仪22可以是允许扫描移动物体的任何X射线。例如，Hamamatsu制造这样的设备。图1所示的X射线仪22包括X射线源133和X射线照相机134。在图1和图3至图4的实施例中，X射线源133位于离心机桶118的下方，而X射线照相机(图像捕获系统)134安装在离心机16的盖体124上。X射线仪22能够在离心机16旋转的同时执行整个样品扫描，这能够在各个平衡阶段提供测试样品24中的各种流体的准确纵剖面饱和度分布图。然而，由于X射线仪22存在转速限制，因此在较高的转速下利用不同的技术。例如，在较高转速(例如约10,000rpm以上)下，实现流体的平衡后，转速可以降低到较低转速(例如2000rpm)以用于样品扫描，然后可以将转速提高回到约10,000rpm以上的原来较高转速。这并不影响饱和度分布，因为在降低转速之前已经实现平衡。在某些实施例中，X射线仪22可以允许计算机断层扫描(CT)成像。

流体相机系统：参见图1，在进一步的实施例中，三轴向离心机装置10包括视觉流体摄像系统。流体照相机系统34包括视觉照相机光源138和视觉相机142。视觉相机光源138可以是频闪光源，视觉相机142可以是用于随着测试进行捕获图像的高速照相机。在整个三轴离心机装置10上使用玻璃极大地帮助了图像捕捉和液面分析，这能够提供清晰的图像并且在各种流体之间形成鲜明的对比。流体照相机系统34被设计为能够在透射模式和反射模式下工作，即视觉照相机光源138和视觉照相机142可以安装在测试样品24的相反侧(例如，顶部和底部)或安装在相同侧(例如，顶部)，并使用桶118中的反射装置捕捉图像。可以在桶访问受限的情况下利用反射装置。在图1的实施例中，视觉照相机光源138安装在离心机16的盖体124上方，而视觉照相机142安装在离心机桶118下方。在图3至图4的实施例中，视觉照相机光源138和视觉照相机142均安装在离心机16的盖体124上方。这种流体照相机系统34的使用允许在流体产生的同时读取流体体积。

温度传感器：在本发明实施例中使用的温度传感器148包括现有的典型红外高精度温度探测器。例如，从Raytek可以获得这种温度传感器。温度传感器148可以定位在三轴离心机装置10上或周围的多个位置。

可以利用三轴离心机装置10来实现三轴应力条件、侧限应力条件和无侧限应力条件下的离心机毛细压力。在一些实施例中，可以分析油/气/水系统的超过20,000psi的毛细压力。将测试的毛细压力的范围取决于储层的类型。例如，对于非胶结砂岩储层而言，毛细压力的范围可以为从0.1psi至100psi；对于常规储层而言，毛细压力的范围可以为从1psi至200psi；对于诸如页岩和致密含气砂岩(TGS)等非常规储层而言，毛细压力的范围可以为从100psi至100,000psi。应当指出，在超过30,000psi的毛细压力的情况下，样品的完整性可能是一个问题。在许多这样的情况下，可以通过增加三轴应力来形成工作区。可以在空气/水、空气/油、水/油的情况下和在所有三相(气/油/水)的极限情况下中进行测试。因此，本发明的实施例允许在20,000psi以上的毛细压力下通过烃溶剂提取储层岩心样品。在一些实施例中，通过扩张电动机速度(rpm)、增加桶118的尺寸、增加测试样品24与离心机16的中心之间的距离以及改变样品的尺寸和取向来实现超过20,000psi的毛细压力。在一些实施例中，测试样品24以竖直取向装载到离心机16中。在其他实施例中，测试样品24以水平取向装载到离心机16中。在一些实施例中，测试样品24的直径可以为约0.5英寸至约8英寸且长度为约0.5英寸至约12英寸或更小。

大范围收集的数据(声学数据、温度数据、电数据、X射线数据、饱和度数据、流体体积数据、流体体积率数据和饱和度变化数据)提供了测试进展的更完整画面，该画面可以与测井和地震数据整合，以监测和评估现场处理的效果。可以用温度传感器148监测温度，可以用流体照相机系统34监测流体体积率，以及可以用X射线仪22监测饱和度变化。例如，对于测井记录不可用或者与地震数据、声学数据、电数据和饱和度数据以及井测试信息的组合不具代表性的井而言，可以产生电数据。

测试样品的制备：在一些实施例中，本发明提供了这样的能力：使用溶剂来建立测试样品24的饱和度，并使测试样品24处于原始清洁状态。假定三轴离心机装置10及其元件由耐溶剂材料制成，则三轴离心机装置10允许在离心机16装置内进行样品清洁。该过程将随待使用的溶剂而变化。给定的测试样品24可以被多种溶剂清洁。在一些实施例中，对于每种溶剂而言，将从离心机16移除三轴单元组件28，并且流体样品架14将充满所需的溶剂。然后，测试样品24将与该溶剂一起被离心处理。可以重复该步骤，直到所有所需溶剂已被使用。在进一步的实施例中，每个清洁步骤可能涉及使用一种以上的溶剂。

按以下步骤提供了根据本发明实施例的示例性测试过程。从储层获得测试样品24。基于测试样品24的条件和测试要求，准备好三轴离心机装置10和测试样品24。将测试样品24装载到三轴样品架12中并且放置在电测量护套30中。将组装好的带套三轴样品架12装载到三轴测试套管26的单元本体70中并且拧上顶端盖68，从而确保来自带套三轴样品架12的测试样品流体管路105从三轴测试套管26的隔板80延伸出来。当顶端盖68被拧紧时，监测测试样品流体管路105的旋转看是否发生扭转。当顶端盖68被拧紧时，测试样品流体管路105应当不发生扭转。通过经由轴向压力流体供应管路42将流体注入到流体腔室44中，使测试样品24上的轴向应力缓慢增加，并且监测测试样品流体管路105。使压力上升到100psi至200psi之间。通过经由围压流体供应管路84将诸如矿物油等流体注入到三轴测试套管26的单元腔室82中，围压增大。还可以使用带有颜色的水来监测围压，以便识别测试期间发生的任何泄漏。在使用水的情况下，必须首先对水进行脱气。应注意的是，要确保轴向应力保持大于侧限应力。可以继续监测测试样品流体管路105，以确保它保持在适当位置。然后，所有样品的压力、流度和温度可以被平衡至所需的测试条件。

然后，将流体样品架14安装到三轴测试套管26上，该组合限定了三轴单元组件28。可以包括处理单元66、92、114和144中的一个或多个的数据采集盒可以被添加到三轴单元组件28，并且包括测试样品24的三轴单元组件28可以被装载到离心机16中。温度、压力和流度被平衡至所需的测试条件。该第二平衡步骤与低转速离心机中存在的常见运动(摆动)相关，而这必须被监测和平衡，使得三轴单元组件28中的液面是稳定的。启动视觉数据、X射线数据、声学数据和电数据采集系统，然后开始离心测试。

本发明实施例提供了与饱和度、毛细压力、电气性质和渗透率相关的数据。此外，在这一点上，可以在利用该所述装置进行测试和分析的期间使用的温度、压力和流度的范围在行业中并不可用。本发明实施例允许测试模拟储层条件的温度、压力和流度。因此，测试参数取决于储层条件和要进行的研究类型。

在与高毛细压力条件组合的情况下，三轴应力测试条件使得能够测试诸如Alberta重油焦油砂等非胶结砂岩，并执行各种流体注入工况，以在比基于流速的常规岩心流动装置短得多的时间段内提取重油。此外，常规的岩心流动方法极其依赖于流动通道，因此实现任何可评估的毛细压力研究渗透率或饱和度几乎是不可能的。

三轴应力测试条件连同高毛细压力条件、X射线饱和度监测、流体样品架14中的作为时间函数的流体体积变化以及毛细压力能够提供对页岩(油/气体)的测试。通过常规的流量方法，由于流体找到了流动穿过的通道，因此注入流体不能达到所需的高毛细压力，并且测试样品24的其余部分不会经受毛细压力。在无应力离心分离中，样品失效的可能性要高得多。当工作对象为页岩时，需要额外注意的是页岩的基质的异质性、分层和油母质的存在。由于这些问题，以往的分析一直依赖于压裂试验，而这可能产生饱和度、毛细压力和基质渗透率的不可靠结果。

具有各种数据采集和高毛细压力的三轴离心机装置10提供了执行水力压裂(特别是致密含气砂岩和页岩中的水力压裂)所需的断裂测试分析的途径。假定页岩是可延展的，则三轴分析能够提供保持测试样品完整所需的强度。对埋有或不埋有支撑剂的断裂岩心的测试提供了流动穿过基质和流动穿过裂缝的差别。通过本行业中进行的常规岩心流动测试(特别是对非常规岩石样品的岩心流动测试)不能实现上述几点。

在本发明的进一步实施例中，在具有钻屑和泥浆/流体分析的井场处可以使用该装置的变型版本。

在进一步的实施例中，测试数据以及与声速、电阻率(感应测井)、伽玛和孔隙度(中子测井)相关的测量值的整合可以扩展到不提取岩心的井。因此，数据外推可以允许更多地了解非抽样地区。

在更进一步的实施例中，本发明提供了储层条件下的流体分析，以便更好地了解作为毛细压力变化的函数的相态、不同密度流体的偏析、固体的分离以及固体对声速的影响。另外，可以执行与地层损害和流动保障相关的流体分析。对地层损害进行分析的装置与上述用于其他分析的装置相同。由于三轴离心机装置10由耐化学损害的材料制成，因此导致地层损害的各种化学品可以与三轴离心机装置10一起使用。对于流动保障而言，可以在相态测试期间量化固体(沥青质、蜡等)的偏析的影响。还可以通过以下步骤进行对储层流体的相态测试：在储层条件下用储层流体填充腔室，并且利用离心重力基于密度离心成单独的各种相。声传感器20和X射线仪22将辅助地分离各相。

三轴离心机装置10的三轴性质提供了将测试样品24上的毛细压力增大到比现有离心机中当前可能的压力大得多的压力所需的强度。所收集的各种数据(X射线数据、电阻率数据、声学数据、视觉数据等)的组合提供了迫切需要的综合测试仪。三轴离心机装置10还可以提高数据的准确性和数据传送的效率。三轴离心机装置10还可以节省成本(因为它允许同时运行测试)，提供更准确的储量估计、采油曲线，并且改善EOR规划。

在一般情况下，本发明实施例改善了岩心和流体测试的现有方法，允许对数据进行更好的控制；提高了测试质量；减少了某些时间关键数据收集和分析的时间；提供了分析诸如致密含气砂岩、页岩(油/气)、水合物、焦油砂、重油和低饱和度储层等非常规储层的手段；提供了单源测试装置，以向电测井提供校准的岩石物理数据来用于饱和度；提供了用于校准声学和地震测井的单源测试装置；提供了用于分析关于诸如润湿性、毛细压力、渗透率和各种流体的饱和度等岩石物理性质的三轴应力的单源测试装置；以及提供了在实验室环境和现场均工作良好的三轴离心机装置。

尽管已经详细地描述了本发明，但应理解的是：在不脱离本发明的原理和范围的情况下，可以对本发明做出各种改变、替换和变更。因此，本发明的范围由前述权利要求及其适当的法律等同内容确定。

除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”也包括复数对象。

“可选”或“可选地”是指随后描述的事件或情形可能发生或者可能不发生。这样的描述包括所述事件或情形发生的情况和所述事件或情形不发生的情况。

在本文中，范围可以表示为从大约一个具体值到大约另一个具体值。当表示这样的范围时，应理解的是：另一个实施例是从一个具体值到另一个具体值以及在所述范围内的所有组合。

如本文和所附权利要求书中所使用的，词语“包含”、“具有”和“包括”及其所有语法变体均旨在具有不排除其他要素或步骤的开放的、非限制性的意思。

Claims (17)

1.一种用于测试岩石物理性质和采集地质力学信息的三轴离心机装置，所述三轴离心机装置包括：

定位在三轴测试套管内的三轴样品架，所述三轴测试套管具有单元本体，其中所述单元本体具有隔板，所述隔板具有向外延伸的扩大直径，以限定圆周凸缘；

流体样品架，所述流体样品架具有流体样品环和流体样品底座，所述流体样品底座与所述圆周凸缘可释放地连接，以使得所述流体样品底座与所述单元本体连接以及所述流体样品环相对于所述三轴测试套管被保持在适当位置；

从所述三轴样品架延伸至流体容器的测试样品流体管路；

在所述流体容器与隔离阀之间延伸的第一流体循环管路；

在所述隔离阀与所述三轴样品架之间延伸的第二流体循环管路；

离心机；

至少一个电传感器；

至少一个声传感器；以及

X射线仪；其中

通过轴向压力流体供应管路将流体注入到流体腔室中，使所述三轴样品架的轴向压力增大，并且通过围压流体供应管路将流体注入到单元腔室中，使所述三轴样品架的围压增大，其中，所述轴向压力的增大独立于所述围压的增大。

2.根据权利要求1所述的三轴离心机装置，其中，所述三轴测试套管由钛制成。

3.根据权利要求1所述的三轴离心机装置，其中，所述流体样品架包括玻璃。

4.根据权利要求1所述的三轴离心机装置，其中，所述离心机包括至少一个额外的三轴样品架。

5.根据权利要求1所述的三轴离心机装置，其中，所述离心机包括至少两个玻璃窗口。

6.根据权利要求5所述的三轴离心机装置，其中，所述至少两个玻璃窗口构造为与所述X射线仪一起使用。

7.根据权利要求1所述的三轴离心机装置，其中，所述至少一个电传感器可操作地用于在样品测试期间收集数据并且存储用于在稍后时间下载的数据。

8.根据权利要求1所述的三轴离心机装置，其中，所述至少一个声传感器包括变换器。

9.根据权利要求1所述的三轴离心机装置，其中，所述X射线仪可操作地用于在所述离心机操作的同时执行X射线扫描。

10.根据权利要求1所述的三轴离心机装置，还包括流体照相机系统。

11.根据权利要求1所述的三轴离心机装置，其中，所述流体样品架具有电测量馈送件。

12.根据权利要求1所述的三轴离心机装置，还包括电测量护套。

13.一种使用根据权利要求1所述的三轴离心机装置的方法，所述方法包括如下步骤：

将来自储层的测试样品装载到三轴样品架中；

将所述三轴样品架装载到三轴测试套管中；

对所述测试样品施加轴向压力；

增大所述三轴测试套管中的围压，其中轴向应力与侧限应力的保持是独立的并且所述轴向应力大于所述侧限应力；

使用于测试样品的压力、流度和温度平衡；

将所述流体样品架装载到所述三轴测试套管中；

对所述测试样品执行离心测试；

对流体进行循环，使流体通过所述测试样品流体管路从所述三轴样品架流动至所述流体容器，通过所述第一流体循环管路在所述流体容器与所述隔离阀之间流动，通过所述第二流体循环管路在所述隔离阀与所述三轴样品架之间流动；

执行所述测试样品的X射线扫描；

执行所述测试样品的电分析；以及

执行所述测试样品的声学分析。

14.一种根据权利要求13所述的使用三轴离心机装置的方法，还包括：在对所述测试样品执行离心测试之前，以竖直取向将所述测试样品装载到所述离心机中。

15.一种根据权利要求13所述的使用三轴离心机装置的方法，还包括：在对所述测试样品执行离心测试之前，以水平取向将所述测试样品装载到所述离心机中。

16.一种根据权利要求13所述的使用三轴离心机装置的方法，其中，执行所述测试样品的电分析包括测量所述测试样品的电阻、电导率、电容和阻抗中的至少一者。

17.一种根据权利要求13所述的使用三轴离心机装置的方法，其中，执行所述测试样品的声学分析包括测量所述测试样品的声速数据。