CN106769790A - 一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置，它包括恒压恒流泵（1）、真空泵（2）、岩心夹持器（11）、上游标准室（6）和下游标准室（15），所述的上游标准室（6）与岩心夹持器（11）的进液端连通，下游标准室（15）与岩心夹持器（11）的出液端连通，上游标准室（6）和下游标准室（15）上均连接有压力传感器（17）；它还公开了测试方法。本发明的有益效果是：实现超声波作用下快速测定页岩渗透率实验，模拟不同超声波功率作用下页岩渗透率变化过程；观测标准盐水通过待测岩心的脉冲衰减曲线的差异，实现超声波对页岩渗流特性影响程度的评价。

Description

一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置 及方法

技术领域

本发明涉及致密油气储层物性测量与评价领域，特别是一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置及方法。

背景技术

上个世纪50、60年代，美国和前苏联率先开展了使用超声波技术提高油气储层渗透率的研究，并且证明了超声波能够促进油气渗流。此后，国内外一些学者先后对超声波作用下的多孔介质渗流行为进行了细致研究，发现超声波作用下砂岩和煤岩等多孔介质的渗透率有较为明显的改善。近年来，随着美国页岩气的开采取得了巨大成功，页岩气这种非常规油气资源在全球范围内受到了极大的关注。页岩储层由于其渗透率极低，开采过程中通常需要进行大规模的水力压裂来提高页岩气的采收率。水力压裂技术在成功提高页岩气产量的同时也带来了一些风险，如环境污染和能量消耗等。超声波作为一种低能量消耗、无污染的技术，若能成功应用在页岩气等致密油气藏开采中，将对我国资源开发有重要意义。

页岩储层岩性致密，页岩基块以纳米级孔隙为主，其渗透率通常小于0.01mD。目前，实验室在超声波作用下进行页岩渗透率测定的方法仍然以常规稳态驱替法为主，这种方法需要的压差极大、耗时极长，并且测试岩样会有损坏的风险。与之相比，使用压力脉冲法对页岩进行渗透率测试不仅要求的压差小，而且测试时间短，更加适合进行页岩等致密岩石的渗透率测试，然而尚且没有关于使用液体压力脉冲来测试超声波作用下的页岩渗透率的实验装置。

发明内容

本发明解决现有压力脉冲实验装置不能进行超声波作用下页岩岩心的渗透率测试，提供一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置及方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置，它包括恒压恒流泵、真空泵、岩心夹持器、上游标准室和下游标准室，所述的上游标准室与岩心夹持器的进液端连通，下游标准室与岩心夹持器的出液端连通，上游标准室与岩心夹持器进液端之间的节点与下游标准室与岩心夹持器出液端的节点之间连接有平衡控制阀，上游标准室和下游标准室上均连接有压力传感器，下游标准室上还连接有排液阀；所述的恒压恒流泵的吸水口到上游标准室之间顺次连接有中间容器和岩心夹持器进液口控制阀，中间容器与排液阀连通，恒压恒流泵的排水口到上游标准室之间顺次连接有恒压恒流泵控制阀、上游标准室进液口控制阀；所述的真空泵与上游标准室进液口控制阀之间连接有真空泵控制阀；它还包括超声波发生器、超声波换能器和围压泵，超声波换能器设置于岩心夹持器的进液端内且与超声波发生器连接，所述的围压泵与岩心夹持器连通。

所述的中间容器、上游标准室、岩心夹持器和下游标准室构成一个闭合回路。

所述的压力传感器的精度为千分之一。

所述超声波换能器的频率为20～100kHZ，功率为30～250W，超声波换能器具有六档输出功率。

所述的装置在超声波作用下基于液体压力脉冲测试页岩渗透率的方法，它包括以下步骤：

S1、取测试岩心，在57～60℃下烘干8h；

S2、将测试岩心装入岩心夹持器内，关闭岩心夹持器进液口控制阀，并通入标准盐水标定上游标准室的容水度C₁；

S3、打开上游标准室进液口控制阀，关闭恒压恒流泵控制阀、平衡控制阀、真空泵控制阀和排液阀，通过围压泵向测试岩心施加8～10MPa的围压，随后打开真空泵控制阀并启动真空泵，通过真空泵对测试岩心、上游标准室和下游标准室抽真空，抽真空时间为12h；

S4、关闭真空泵控制阀，打开恒压恒流泵控制阀、上游标准室进液口控制阀、岩心夹持器进液口控制阀和排液阀，启动恒压恒流泵，通过恒压恒流泵将中间容器内的标准盐水经恒压恒流泵控制阀泵入上游标准室内，在水压下标准盐水顺次进入测试岩心和下游标准室中，使测试岩心充分饱和盐水24h；

S5、打开平衡控制阀，上游标准室和下游标准室相互连通，保证上游标准室和下游标准室的压力相同；

S6、关闭平衡控制阀，调节恒压恒流泵以在步骤S5的平衡压力基础上为上游标准室增加一个5～10％平衡压力值的脉冲压力，在压差作用下标准盐水通过测试岩心流入下游标准室，关闭上游标准室进液口控制阀，通过连接在上游标准室和下游标准室的压力传感器分别检测上游标准室和下游标准室内标准盐水压力随时间的变化，并每隔10s计算出上游标准室和下游标准室的压差Δp随时间t的变化；

S7、根据以下式计算超声波处理前的测试岩心基准渗透率k₁：

其中：μ为标准盐水粘度，mPa·s；L为测试岩心长度，mm；A为测试岩心横截面积，mm²；C₁为上游标准室的容水度，cm³/MPa；t为测试时间，s；Δp(0)为初始时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；Δp(t)为t时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；

其中上游标准室的容水度C₁的计算公式为：

其中V₁为上游标准室容水体积，cm³；p₁为上游标准室的压力，MPa；

S8、在超声波发生器上设置一个超声波的测试功率和频率，重复步骤S5～S6，进行超声波作用下的岩石液测渗透率测试，超声波作用下的测试岩心的渗透率k₂的计算公式为：

其中：Δp(0)为超声波作用下的初始时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；Δp(t)为超声波作用下t时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；

S9、制作出测试岩心在超声波作用前后上游标准室和下游标准室的压差Δp和时间t的关系曲线。

所述的测试岩心的直径为25.0±0.2mm，长度L为50.0±0.2mm。

所述标准盐水为3％KCl溶液。

本发明具有以下优点：(1)本发明实现了超声波作用下页岩渗流特性评价，实验仪器操作简便，实验所需压差小、测试时间短。(2)测试工作液可循环利用，有助于研究超声波对页岩储层渗流特性的影响，具有一定的推广前景。(3)本发明实现了超声波作用下快速测定页岩渗透率实验，模拟了不同超声波功率作用下页岩渗透率变化过程；观测标准盐水通过待测岩心的脉冲衰减曲线的差异，利用液体压力脉冲模型计算岩心液测渗透率，实现了超声波对页岩渗流特性影响程度的评价。(4)本发明有助于完善超声波对页岩渗流特性影响机理的研究。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为超声波作用前后测试岩心两端压差Δp随时间t的关系曲线；

图中，1-恒压恒流泵，2-真空泵，3-恒压恒流泵控制阀，4-真空泵控制阀，5-上游标准室进液口控制阀，6-上游标准室，7-测试岩心，8-中间容器，9-岩心夹持器进液口控制阀，10-超声波换能器，11-岩心夹持器，12-平衡控制阀，13-超声波发生器，14-围压泵，15-下游标准室，16-排液阀，17-压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1所示，一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置，它包括恒压恒流泵1、真空泵2、岩心夹持器11、上游标准室6和下游标准室15，所述的上游标准室6与岩心夹持器11的进液端连通，下游标准室15与岩心夹持器11的出液端连通，上游标准室6与岩心夹持器11进液端之间的节点与下游标准室15与岩心夹持器11出液端的节点之间连接有平衡控制阀12，上游标准室6和下游标准室15上均连接有压力传感器17，压力传感器17的精度为千分之一，下游标准室15上还连接有排液阀16；所述的恒压恒流泵1的吸水口到上游标准室6之间顺次连接有中间容器8和岩心夹持器进液口控制阀9，中间容器8与排液阀16连通，恒压恒流泵1的排水口到上游标准室6之间顺次连接有恒压恒流泵控制阀3、上游标准室进液口控制阀5；所述的真空泵2与上游标准室进液口控制阀5之间连接有真空泵控制阀4；它还包括超声波发生器13、超声波换能器10和围压泵14，超声波换能器10的频率为20～100kHZ，功率为30～250W，超声波换能器10具有六档输出功率，超声波换能器10设置于岩心夹持器11的进液端内且与超声波发生器13连接，所述的围压泵14与岩心夹持器11连通。

所述的中间容器8、上游标准室6、岩心夹持器11和下游标准室15构成一个闭合回路。

如图1所示，当所述恒压恒流泵控制阀3、平衡控制阀12和排液阀16关闭时，真空泵2对上游标准室6、岩心夹持器11和下游标准室15抽真空；当所述真空泵控制阀4和平衡控制阀12关闭时，中间容器8内的流体通过恒压恒流泵1泵入上游标准室6、岩心夹持器11和下游标准室15，并通过排液阀16返回到中间容器8，进而完成在有超声波和没有超声波作用下的页岩渗透率测试。

所述的装置在超声波作用下基于液体压力脉冲测试页岩渗透率的方法，它包括以下步骤：

S1、取测试岩心7，在57～60℃下烘干8h，测试岩心7的直径为25.0±0.2mm，长度L为50.0±0.2mm；

S2、将测试岩心7装入岩心夹持器11内，关闭岩心夹持器进液口控制阀9，并通入标准盐水标定上游标准室6的容水度C₁，标准盐水为3％KCl溶液；

S3、打开上游标准室进液口控制阀5，关闭恒压恒流泵控制阀3、平衡控制阀12、真空泵控制阀4和排液阀16，通过围压泵14向测试岩心7施加8～10MPa的围压，随后打开真空泵控制阀4并启动真空泵2，通过真空泵2对测试岩心7、上游标准室6和下游标准室15抽真空，抽真空时间为12h；

S4、关闭真空泵控制阀4，打开恒压恒流泵控制阀3、上游标准室进液口控制阀5、岩心夹持器进液口控制阀9和排液阀16，启动恒压恒流泵1，通过恒压恒流泵1将中间容器8内的标准盐水经恒压恒流泵控制阀3泵入上游标准室6内，在水压下标准盐水顺次进入测试岩心7和下游标准室15中，使测试岩心7充分饱和盐水24h；

S5、打开平衡控制阀12，上游标准室6和下游标准室15相互连通，保证上游标准室6和下游标准室15的压力相同；

S6、关闭平衡控制阀12，调节恒压恒流泵1以在步骤S5的平衡压力基础上为上游标准室6增加一个5～10％平衡压力值的脉冲压力，在压差作用下标准盐水通过测试岩心7流入下游标准室15，关闭上游标准室进液口控制阀5，通过连接在上游标准室6和下游标准室15的压力传感器17分别检测上游标准室6和下游标准室15内标准盐水压力随时间的变化，并每隔10s计算出上游标准室6和下游标准室15的压差Δp随时间t的变化；

S7、根据以下式计算超声波处理前的测试岩心基准渗透率k₁：

其中：μ为标准盐水粘度，mPa·s；L为测试岩心长度，mm；A为测试岩心横截面积，mm²；C₁为上游标准室的容水度，cm³/MPa；t为测试时间，s；Δp(0)为初始时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；Δp(t)为t时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；

其中上游标准室的容水度C₁的计算公式为：

其中V₁为上游标准室容水体积，cm³；p₁为上游标准室的压力，MPa；

S8、在超声波发生器13上设置一个超声波的测试功率和频率，重复步骤S5～S6，进行超声波作用下的岩石液测渗透率测试，超声波作用下的测试岩心的渗透率k₂的计算公式为：

其中：Δp(0)为超声波作用下的初始时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；Δp(t)为超声波作用下t时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；

S9、如图2所示，制作出测试岩心7在超声波作用前后上游标准室6和下游标准室15的压差Δp和时间t的关系曲线。

因此通过本装置和测试方法实现了超声波作用下快速测定页岩渗透率实验，模拟了不同超声波功率作用下页岩渗透率变化过程；观测标准盐水通过待测岩心的脉冲衰减曲线的差异，利用液体压力脉冲模型计算岩心液测渗透率，实现了超声波对页岩渗流特性影响程度的评价。

在步骤S1中采用直径测试岩心为直径25mm，长度L为50mm的岩样，岩样长度L和横截面积A分别为49.6mm和482.8mm²；在步骤S2中采用上游标准室6的容水度C₁为0.018cm³/Mpa；在步骤S6中，调节恒压恒流泵1以在步骤S5的平衡压力基础上为上游标准室6增加一个800KPa的脉冲压力，根据公式(1)和(2)分别计算超声波作用前后岩样渗透率为k₁＝0.00521mD，k₂＝0.00566mD。

对本发明应当理解的是，以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限定本发明，凡是在发明的精神原则之内，所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置，其特征在于：它包括恒压恒流泵(1)、真空泵(2)、岩心夹持器(11)、上游标准室(6)和下游标准室(15)，所述的上游标准室(6)与岩心夹持器(11)的进液端连通，下游标准室(15)与岩心夹持器(11)的出液端连通，上游标准室(6)与岩心夹持器(11)进液端之间的节点与下游标准室(15)与岩心夹持器(11)出液端的节点之间连接有平衡控制阀(12)，上游标准室(6)和下游标准室(15)上均连接有压力传感器(17)，下游标准室(15)上还连接有排液阀(16)；所述的恒压恒流泵(1)的吸水口到上游标准室(6)之间顺次连接有中间容器(8)和岩心夹持器进液口控制阀(9)，中间容器(8)与排液阀(16)连通，恒压恒流泵(1)的排水口到上游标准室(6)之间顺次连接有恒压恒流泵控制阀(3)、上游标准室进液口控制阀(5)；所述的真空泵(2)与上游标准室进液口控制阀(5)之间连接有真空泵控制阀(4)；它还包括超声波发生器(13)、超声波换能器(10)和围压泵(14)，超声波换能器(10)设置于岩心夹持器(11)的进液端内且与超声波发生器(13)连接，所述的围压泵(14)与岩心夹持器(11)连通。

2.根据权利要求1所述的一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置，其特征在于：所述的中间容器(8)、上游标准室(6)、岩心夹持器(11)和下游标准室(15)构成一个闭合回路。

3.根据权利要求1所述的一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置，其特征在于：所述的压力传感器(17)的精度为千分之一。

4.根据权利要求1所述的一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置及方法，其特征在于：所述超声波换能器(10)的频率为20～100kHZ，功率为30～250W，超声波换能器(10)具有六档输出功率。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的装置在超声波作用下基于液体压力脉冲测试页岩渗透率的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、取测试岩心(7)，在57～60℃下烘干8h；

S2、将测试岩心(7)装入岩心夹持器(11)内，关闭岩心夹持器进液口控制阀(9)，并通入标准盐水标定上游标准室(6)的容水度C₁；

S3、打开上游标准室进液口控制阀(5)，关闭恒压恒流泵控制阀(3)、平衡控制阀(12)、真空泵控制阀(4)和排液阀(16)，通过围压泵(14)向测试岩心(7)施加8～10MPa的围压，随后打开真空泵控制阀(4)并启动真空泵(2)，通过真空泵(2)对测试岩心(7)、上游标准室(6)和下游标准室(15)抽真空，抽真空时间为12h；

S4、关闭真空泵控制阀(4)，打开恒压恒流泵控制阀(3)、上游标准室进液口控制阀(5)、岩心夹持器进液口控制阀(9)和排液阀(16)，启动恒压恒流泵(1)，通过恒压恒流泵(1)将中间容器(8)内的标准盐水经恒压恒流泵控制阀(3)泵入上游标准室(6)内，在水压下标准盐水顺次进入测试岩心(7)和下游标准室(15)中，使测试岩心(7)充分饱和盐水24h；

S5、打开平衡控制阀(12)，上游标准室(6)和下游标准室(15)相互连通，保证上游标准室(6)和下游标准室(15)的压力相同；

S6、关闭平衡控制阀(12)，调节恒压恒流泵(1)以在步骤S5的平衡压力基础上为上游标准室(6)增加一个5～10％平衡压力值的脉冲压力，在压差作用下标准盐水通过测试岩心(7)流入下游标准室(15)，关闭上游标准室进液口控制阀(5)，通过连接在上游标准室(6)和下游标准室(15)的压力传感器(17)分别检测上游标准室(6)和下游标准室(15)内标准盐水压力随时间的变化，并每隔10s计算出上游标准室(6)和下游标准室(15)的压差Δp随时间t的变化；

S7、根据以下式计算超声波处理前的测试岩心基准渗透率k₁：

$k_1=\frac{{\mathrm{\μLC}}_1}{At}ln\left(\frac{\mathrm{\Δ}p\left(0\right)}{\mathrm{\Δ}p\left(t\right)}\right)---\left(1\right)$

其中：μ为标准盐水粘度，mPa·s；L为测试岩心长度，mm；A为测试岩心横截面积，mm²；C₁为上游标准室的容水度，cm³/MPa；t为测试时间，s；Δp(0)为初始时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；Δp(t)为t时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；

其中上游标准室的容水度C₁的计算公式为：

$C_1=\frac{{\mathrm{dV}}_1}{{\mathrm{dp}}_1}---\left(2\right)$

其中V₁为上游标准室容水体积，cm³；p₁为上游标准室的压力，MPa；

S8、在超声波发生器(13)上设置一个超声波的测试功率和频率，重复步骤S5～S6，进行超声波作用下的岩石液测渗透率测试，超声波作用下的测试岩心的渗透率k₂的计算公式为：

$k_2=\frac{{\mathrm{\μLC}}_1}{At}ln\left(\frac{{\mathrm{\Δp}}^{\′}\left(0\right)}{{\mathrm{\Δp}}^{\′}\left(t\right)}\right)---\left(3\right)$

其中：Δp(0)为超声波作用下的初始时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；Δp(t)为超声波作用下t时刻上游标准室和下游标准室的压差，MPa；

S9、制作出测试岩心(7)在超声波作用前后上游标准室(6)和下游标准室(15)的压差Δp和时间t的关系曲线。

6.根据权利要求5所述的一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试方法，其特征在于：所述的测试岩心(7)的直径为25.0±0.2mm，长度L为50.0±0.2mm。

7.根据权利要求5所述的一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试方法，其特征在于：所述标准盐水为3％KCl溶液。