CN105793698B - 测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量岩石样品中所捕集气体饱和率的方法(100)，其包括以下步骤：用水饱和(101)所述岩石样品的多孔体积；进行第一成像阶段(102)，其能够将样品分成多个子样品和测量每个子样品的孔隙率；使水饱和的岩石样品在空气中进行离心(103)；进行第二成像阶段(104)来获得该样品的初始气体饱和率图Sgi；将该岩石样品在水下进行离心(105)；进行第三成像阶段(106)来获得该样品的气体饱和率图Sg；计算(107)多个Bond数值；对于每个子样品，将气体饱和率Sg与初始气体饱和率Sgi和所计算的Bond数值相关联(108)；确定(109)以下Bond数值，超过其时，气体饱和率Sg开始下降，所确定的值代表了临界Bond数；选择(110)初始气体饱和率值Sgi和气体饱和率Sg，其对应于低于所述临界Bond数的值的Bond数值，所选择的气体饱和率值Sg代表了相应的捕集气体饱和率值Sgr。

Description

测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法

本发明涉及一种测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法，其具体的，但非排他的可用于提取烃的领域。

已知的是当气体例如天然气从气田中提取时，该气田下存在着与该气田本身水力连通的蓄水层，这样的蓄水层中的水在压力梯度的作用下开始向上移动，该压力梯度是由于提取气体而在气田中产生的。这样的现象也称作水驱动。

在水驱动现象之后，气田中存在的部分气体被推动和捕集到气田的岩层中。

术语“气体饱和率”表示岩石的多孔体积被气体所占据的分数。捕集气体饱和率是如下的岩石的多孔体积分数，其在被蓄水层淹没的气田区域中包含不再能够生产的气体，这归因于它被水捕集和分离。

因此，捕集气体饱和率的测量是在水驱动现象之后，可以提取的气体的损失的指示。

目前，捕集气体饱和率是通过测量芯岩石样品中这样的值来评估的。

基本上已知的是四种测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法，分别称作非稳态水注入，稳态水注入，水下离心和逆流吸入。

具体的，前三种方法属于测量相对渗透性曲线的方法的非常宽泛的组。

称作非稳态水注入的方法预期是依靠泵，在部分被水和气体饱和岩石样品的面处注入水。在注水后，包含在该样品中的一部分气体出来，并且它的一部分被捕集在该样品本身的孔内；通过测量该样品在注水方法结束时的重量，可以获得所检测的样品的气体饱和率。非稳态水注入方法具有一些缺点。

事实上，所获得的捕集气体饱和率值Sgr取决于所分析的岩石样品中注入的水的体积。更具体地，通过注入小体积的水，存在着高估所捕集气体饱和率Sgr的风险，因为并非全部的可移动的气体是在实验过程中实际提取的；相反，通过注入大体积的水，存在着低估所捕集气体饱和率Sgr的风险，因为一部分不可移动的气体被水溶解，并且被错误的提取。事实上，泵施加到所注入的水上的压力改变了样品内水和气体之间的平衡，促进气体粒子在从样品中出来的水流中扩散。待注入的水的正确体积代表了两种相反倾向之间的折中，但是它在实验开始前是未知的，并且它不能在结果的质量控制步骤过程中在随后的时刻被估算。

稳态水注入方法是基于水和气体在岩石样品内的同时注入。该注入恒定持续，直到达到固定的条件，在其中气体和水在出口中的流量处于彼此恒定的比率。在这个阶段，入口中的气体流速逐渐降低，并且气体饱和率是在固定的条件或者几乎固定的条件中逐步测量的。但是，稳态水注入方法没有再现气田特有的流体的流动的发展，且因此这样的方法的结果不能完全代表气田的实际情形。

水下离心方法的组成为对含有水和岩石样品(其是用水部分饱和和用气体部分饱和的)进行离心。在水下离心之前样品的气体饱和率是所谓的初始气体饱和率Sgi。在离心后，腔室所含的水渗入岩石样品内，将部分气体从样品本身中推出。

通过测量离心结束时样品的重量或者监控离心的同时排出的气体的量，可以获得所检测的样品的平均捕集气体饱和率。

但是，如果该实验是用过快的离心机旋转速度来进行时，则水下离心方法会产生不准确的捕集气体饱和率Sgr结果和因此不能代表气田的结果。

事实上，在这样的条件中，甚至保留捕集在气田的岩石中的气体也倾向于从该样品中出来，这归因于所施加的极强的离心力。

可以施加的最大旋转速度是通过所谓的Bond数Nb来测定的，其是一种维度量，其测量了离心机所引起的重力和毛细管力之间的关系；这样的Bond数Nb必须不超过某个临界值来获得气体饱和率的精确测量。

Bond数定义为Δρgk/σ(这里Δρ是水和气体的密度差，g是离心机加速度，k是渗透率和σ是水-气界面张力)，并且在样品内作为距离离心机的旋转轴的距离和离心机的旋转速度的函数而变化。因此用水下离心方法所测量的捕集气体饱和率Sgr取决于Bond数Nb和初始气体饱和率值Sgi二者。

因为Bond数Nb和初始气体饱和率值Sgi二者在样品中从一点到下一点是变化的，因此捕集气体饱和率Sgr也是以非均匀方式分布的。依靠水下离心所测量的捕集气体饱和率因此代表了样品的平均饱和率值。

但是，为了表征归因于水驱动的捕集气体饱和率，必需将相应的Sgr值与精确的Sgi值相关联。因此，使用在岩石样品上所测量的平均值(其如同前述水下离心方法所发生的那样，会具有非常不均匀的气体饱和率分布)不能保证精确的结果。

因此水下离心方法能够评估岩石样品中气体的平均饱和率；通过加工该数据，然后可以评估存在于样品面之一上的气体饱和率。对于这样的面，可以测定Bond数来获得表征捕集气体饱和率所需的Sgi-Sgr-Bond数的三元组值。但是，所获得的结果代表了非常局部的信息，这归因于如下事实，即，它局限于样品的仅仅一个面。此外，因为不知道临界Bond数值，因此不可能建立与样品的一个面有关而计算的成对值Sgr-Sgi是否实际上代表了气田内的真实情况。

第四种逆流吸入方法代表了用于测量水驱动的捕集气体饱和率的主要和最常用的方法。

根据逆流吸入方法，甲苯通过吸入引入岩石样品中直到饱和；所引入的部分甲苯然后在空气中蒸发，直到已经达到了平均预定的饱和率，其代表了初始气体饱和率或者Sgi。最后，将岩石样品浸入甲苯浴中，其通过吸入而渗入样品本身内，并且经时测量该样品重量的增加。从吸入方法结束时样品的重量，可以获得捕集气体饱和率值Sgr。将因此测量的捕集气体饱和率值Sgr与初始气体饱和率Sgi相关联。将上述方法重复一些次数，优选至少4次，改变蒸发时间来获得作为初始气体饱和率Sgi的函数的最终四对捕集气体饱和率值Sgr。

逆流吸入方法具有一些缺点。

第一缺点是这样的方法的结果可以是过高的捕集气体饱和率值Sgr，这归因于如下事实，即，在逆流流动中，分离非润湿相(气体)的可能性大于同流流动(equi-currentflow)。

逆流吸入的另一缺点在于如下事实，即，在甲苯蒸发阶段结束时在岩石样品中所产生的初始气体饱和率Sgi可不在样品本身中均匀分布。在该样品内，确实可存在大于更多地受到蒸发的影响的样品表面附近的甲苯含量。这可导致随后评估捕集气体饱和率Sgr(其需要均匀的Sgi)中的误差。

本发明的目的是避免上述缺点和特别是构思一种测量岩石样品中的捕集气体饱和率的方法，其能够获得相对于已知方法的更精确的测量。

本发明的这些和其他目的是通过创建权利要求1所述的一种测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法来实现的。

测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法的另外的特征是从属权利要求的目标。

本发明的测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法的特征和优点从以下说明书中更显而易见，其是作为例子给出的，并非限制性目的，并且参考附图，在其中：

-图1是一个示意图，表示了在水驱动现象之后，气体被捕集在气田岩石内的现象，在其中打点区域被气体占据，且十字区域被水占据；

-图2是一个流程图，表示了本发明的测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法；

-图3是一个图，表示了使用本发明的方法和使用逆流吸入方法，在岩石样品中所测量的捕集气体饱和率值，其是初始气体饱和率值的函数；

-图4是通过本发明的方法获得的一个图，其显示了作为Bond数和多个范围的初始气体饱和率值的函数的捕集气体饱和率值；

-图5是通过本发明的方法获得的一个图，其包括对应于离心机的不同的旋转速度值的多个曲线，并且代表了作为进行测量的位置的函数的捕集气体饱和率值的变化。

参见附图，它们显示了一种测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法，整体上用附图标记100来表示。

这样的测量方法100包括如下步骤，其中将岩石样品的多孔体积用水饱和101。这样的步骤是通过将水例如通过吸入岩石样品中而引入，来占据岩石样品的基本上全部的多孔体积来进行的。

随后，进行第一成像阶段102来获得样品的孔隙率图。

在本说明书中，成像阶段表示进行一种方法，其能够将样品分成多个子样品和测量每个子样品中的含水量。该含水量是样品所含水的体积，并且它对应于岩石孔隙率乘以它在水中的饱和率乘以样品体积的乘积。样品体积是预先已知的。当在被水完全饱和的子样品上进行成像时，在水中的饱和率等于1，并且从所测量的含水量，通过含水量除以子样品的体积可以获得子样品的孔隙率。当该成像在子样品上进行时，其孔仅仅用水部分饱和，在这样的饱和率条件中所测量的含水量除以子样品的孔隙率和除以它的体积对应于子样品的水中饱和率。

因此，气体饱和率可以由最大饱和率，或者是1，和水中的饱和率测量值之间的差值来获得，因为没有被水占据的多孔体积的部分是被气体占据的。

在其中使用一维成像的情况中，将岩石样品沿着预定方向在多个位置处离散，并且这样的方法的结果是一维图，或者是曲线，其将含水量与相应位置相关联。

另一方面，在其中使用三维成像的情况中，将岩石样品在多个三维子样品中离散，并且结果是三维图，其将含水量和相应三维子样品彼此关联。

成像方法使用的离散是优选的，例如将样品分成多个子样品，其足够小以便能够将气体饱和率视为在它们内部均匀分布。

优选该成像阶段是依靠一维或者三维断层摄影分析来进行的。

优选该成像阶段是依靠核磁共振(NMR)来进行的。

优选该成像阶段是依靠γ射线分析来进行的。

优选该成像阶段是依靠X射线分析来进行的。

在第一成像阶段102之后，将水饱和的岩石样品以预定的离心速度在空气中进行离心103。

在这样的方式中，样品内所含的部分水出来，并且不含水的多孔体积被空气或者被气体占据。在空气中离心结束时气体所占据的多孔体积代表了初始气体饱和率Sgi。

所以，空气中离心的预定速度是基于初始气体饱和率来设定的，期望相对于初始气体饱和率知道捕集气体饱和率。

空气中离心是通过使腔室(其填满用水饱和的含空气样品)绕旋转轴离心来实现。

例如在其中旋转轴和样品面之间的距离从这样的轴开始最远是大约25cm的情况中，空气中离心可以用大约2000-3000转/分钟的旋转速度来进行。

在空气中离心103后，该测量方法进行第二成像阶段104来获得相应的子样品的第一多个气体饱和率值，其获得了样品的初始气体饱和率图Sgi。

随后，将岩石样品以水下预定的离心速度进行水下离心105。

与空气中离心相反，水下离心105是通过使含水样品部分填充的腔室绕旋转轴离心来进行的。

以这样的方式，模拟了水驱动现象，因为水通过离心力的作用而渗入样品内，推动部分气体到样品本身之外和促使其余部分的气体捕集到样品孔内。

岩石样品固定到腔室底部。

可选择地，该腔室优选包括隔离器，其排列在腔室底部和样品之间，配置来将岩石样品本身保持在距离所述腔室底部预定的距离处。

为了增加饱和率值和Bond数的范围，将该样品尽可能靠近离心机的旋转中心布置。

在任何情况中，在水下离心分离105结束时，将样品进行第三成像阶段106来获得相应的子样品的第二多个气体饱和率值，其获得了样品的气体饱和率图Sg。

有利的，本发明的方法目标包含以下步骤，在其中计算多个Bond数值107，其对应于每个子样品的水下离心。因此对于每个子样品，将所测量的气体饱和率Sg与初始气体饱和率Sgi(其是在空气中离心后测量的)和与所计算的Bond数相关联108，这产生了每个子样品的三元组Sgi-Sg-Nb。

所获得的气体饱和率值可以是所考虑的捕集气体饱和率值Sgr，其仅仅在Bond数没有超过某个临界值Nbc(其基于文献是10-5的量级，但是每次可不同)时代表了气田中发生了什么。

作为图4中可以观察到的，在初始气体饱和率值Sgi的多个范围处，在气体中的饱和率具有以下值，其基本上恒定直至某一Bond数值Nb，然后它们开始下降。

根据本发明，有利地确定了超过其时气体饱和率Sg开始下降的Bond数值109；该确定值确实代表了临界Bond数Nbc。

一旦确定了临界Bond数Nbc，则选择110初始气体饱和率值Sgi和气体饱和率值Sg，其对应于低于临界Bond数值Nbc的Bond数值。因此所选择的气体饱和率值Sg代表了捕集气体饱和率值Sgr。

这样的选择值代表了多对Sgr-Sgi值，其代表了气田。

优选将水下离心阶段105，之后的第三成像阶段106，计算相对于水下离心的Bond数的阶段107和关联阶段108以增加的速度彼此连续重复预定的次数M。这些具有渐增的速度的离心逐渐降低了分析的岩石样品内的气体饱和率。

以此方式，关联阶段108产生了多个新的三元组Sg(k)-Sg(k+1)-Nb(k+1)，其中Sg(k)代表了第k个水下离心结束时的气体饱和率，Sg(k+1)是在第(k+1)个水下离心结束时的气体饱和率，和Nb(k+1)是与第(k+1)个水下离心108相关联的Bond数。

将第一离心后M个水下离心分离所获得的多个三元组Sg(k)-Sg(k+1)-Nb(k+1)加入到图4所示的图中所提供的数据中，并且用于测定临界Bond数值Nbc 109。

在其中采用一维成像方法的情况中，将样品的长度在N个数的位置中离散。使用M个水下离心阶段，向其中加入在空气中离心之后所测量的N个值，获得了M×N个独立的气体饱和率Sg值。

在图3的具体情况中，所示数据是通过在N＝36个位置中离散样品和进行M＝5个水下离心阶段(旋转速度：150，500，1000，1500和2000rpm)来获得的：这个实验设计提供了36X6＝215个气体饱和率值。图3所示的点是以下那些，它的关联的Bond数低于临界值，并且代表了测量的最终输出。

目的是选择代表了气田的捕集气体饱和率值Sgr时，每个子样品和在每个水下离心阶段结束时所获得的气体饱和率Sg可以作为相应的Bond数的函数(通过Nb＝Δρgk/σ来定义，这里Δρ＝水-空气密度差，以kg/m³表示；g＝所考虑位置的离心加速度，以m/s²表示；k＝样品的渗透率，以m²表示；σ＝界面张力，以N/m表示)来图示，如图4所示，在其中饱和率测量是依靠一维成像方法来进行的。

一旦确定了捕集气体饱和率值Sgr(其代表了气田的行为)，即用离心机旋转速度和在样品中在如下位置(在其中Bond数低于在先确定的临界值)中所获得的那些，则在每个子样品的位置处，两个连续的水下离心阶段提供了一对Sgi-Sgr值。在即将水下离心之前的气体饱和率代表了Sgi值，和在其刚刚之后的气体饱和率是与它关联的Sgr值。

从说明书，本发明的测量方法目标的特征应当是显而易见的，相关的优点也应当是显而易见的。

岩石样品的水下离心和成像方法的组合使得作为一组的许多子区域或子样品(其可以在饱和率方面单个表征)来分析所述样品成为可能。每个子样品提供了独立于其他子样品的数据，并且它足够小，以便能够假定在它中，气体饱和率是均匀分布的。以此方式，所获得的信息的量(其是相对于全部子样品的总和)因此远大于用已知的方法可以获得的量，在其中岩石样品是作为单个和个体物体来处理的。此外，涉及样品中气体饱和率分布的不均匀性的全部临界值是通过分析单个子样品来克服的。将各自的Bond数与每个子样品相关联，并且可以从所测量的气体饱和率的形成来确定Bond数的临界值。在图3中，黑点代表在取自井中的七个样品上所获得的数据；浅色点是用已知的逆流吸入方法在样品本身上进行的测量的结果。可以看到，使用所提出的方法，不仅可以获得多许多的测量点，而且在平台区域的捕集气体饱和率Sgr倾向于较小，和因此该评估更乐观。因为水-气置换过程(其是在岩石样品中产生的)在流动方向和所用流体二方面中更好地模拟了气田的过程，因此本发明的方法可以获得更精确的测量。

此外，本发明的测量方法目标不打算将实验室操作者曝露于有害物质，和因此它更安全。事实上，这样的方法预期使用了水，和因此它没有任何曝露于潜在的有害试剂的问题。

最后，应当理解的是因此设计的装置可以经历众多的改变和变化，全部被本发明所覆盖；此外，全部细节可以用技术上等价的元件来代替。在实践中，所用材料以及尺寸可以是符合技术要求的任何一个。

Claims (7)

1.一种测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法(100)，其包括以下步骤：

-用水饱和(101)所述岩石样品的多孔体积；

-进行第一成像阶段(102)，其能够将样品分成多个子样品和测量每个子样品的水含量，来获得所述多个子样品的多个孔隙率值，所述多个孔隙率值形成了所述样品的孔隙率图；

-使所述水饱和的岩石样品在空气中以在空气中预定的离心速度进行离心(103)；

-进行第二成像阶段(104)来获得相应的子样品的第一多个气体饱和率值，所述第一多个气体饱和率值Sgi形成所述样品的初始气体饱和率Sgi图；

-使所述岩石样品在水下以在水下预定的离心速度进行离心(105)；

-进行第三成像阶段(106)来获得相应的子样品的第二多个气体饱和率值，所述第二多个气体饱和率值Sg形成了所述样品的气体饱和率Sg图；

-计算(107)多个Bond数值Nb，其对应于每个所述子样品在水下的所述离心(105)；

-对于每个子样品，将所测量的所述气体饱和率值Sg与所测量的所述初始气体饱和率值Sgi以及与所计算的所述Bond数值相关联(108)，产生了每个子样品的Sgi-Sg-Nb三元组；

-确定(109)Bond数值，超过其时气体饱和率Sg开始下降，所确定的所述值代表了临界Bond数；

-选择(110)初始气体饱和率值Sgi和气体饱和率值Sg，其对应于低于所述临界Bond数的值的Bond数值，所选择的所述气体饱和率值Sg代表了相应的捕集气体饱和率值Sgr。

2.根据权利要求1的测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法(100)，其中所述水下离心步骤(105)、所述第三成像步骤(106)、所述计算Bond数Nb的步骤(107)、所述关联步骤(108)是以预定的次数M重复的。

3.根据权利要求1或2的测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法(100)，其中所述岩石样品位于腔室中，所述腔室包括位于所述腔室底部和所述样品之间的隔离器，布置所述隔离器来将所述岩石样品保持在距离所述腔室底部预定的距离处。

4.根据权利要求1或2的测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法(100)，其中所述成像阶段是依靠一维或者三维断层摄影分析来进行的。

5.根据权利要求1或2的测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法(100)，其中所述成像阶段是依靠核磁共振(NMR)来进行的。

6.根据权利要求1或2的测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法(100)，其中所述成像阶段是依靠γ射线分析来进行的。

7.根据权利要求1或2的测量岩石样品中捕集气体饱和率的方法(100)，其中所述成像阶段是依靠X射线分析来进行的。