CN108051354B - 一种基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量方法与装置 - Google Patents

一种基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量方法与装置，包括反应容器，中间容器在反应容器下游端，反应容器两侧各连接一个ISCO柱塞泵，两泵都与供气气瓶相连，数据采集系统分别测量上游端压力和反应容器两端压差，以及反应容器内温度。通过本装置可以对一些细粒度、水合物饱和度较高的多孔介质的渗透率进行测量，解决传统测量方法在这类介质中难以形成稳定渗流的问题。该方法与传统渗透率测量方法的不同在于，本方法依靠非稳态法测量多孔介质的渗透率，不需要形成稳定渗流以及流量数据的测量，可直接根据反应容器两端压差变化情况计算绝对渗透率。

Description

一种基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量方法 与装置
技术领域
本发明涉及一种基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量方法与装置。
背景技术
天然气水合物又被称为“可燃冰”，是一种极其具有潜力和前景的一种能源。天然气水合物在地球上储量巨大，据估计其总量超过传统化石能源的总和，对其物理化学性质、自然界成藏条件、相关开采技术以及开采可能造成的环境影响的研究已经越来越受到世界各国的重视。
天然气水合物的开采通常伴随着相变的过程。在地下或海底水合物以固态的形式储存，而后通过一些方式将其分解为液相和气相之后开采出来。水合物的开发是一个多相多组分的渗流过程,在此过程中除了气水在多孔介质中的一般渗流以外,还包括水与水合物的相变、储集介质孔隙度和渗透率的改变和渗流过程中水合物的分解和生成吸热和放热造成的温度的变化等。多相渗流过程伴随着对流传热，这会造成传热效率的改变；影响孔隙压力的消散速率，引起应力变化而导致地层变形；还会影响孔隙压力的消散速率，使温压条件发生变化，进而影响水合物的分解。其中某一相相流体的有效渗透率不仅与该相流体的饱和度有关系，还与此处介质的绝对渗透率相关。水合物储层介质的绝对渗透率是研究水合物开采时多相渗流过程的重要参数。
基于达西定律，如果施加恒定的压降并测量流量，可以在稳态条件下确定渗透率,相反通过施加恒定的流量并测量两端压降也同样可行，这种测量方式称为稳态法。这种技术在渗透率高于100md的沉积物中非常有效。但在渗透率更低的沉积物中，由于难以测量其中的流量，渗透率通常以非稳态技术进行测量。通常用于测量低渗透率的非稳态技术有：振荡法，脉冲衰减法，压力衰减法(GRI法)等。
天然气水合物在砂层中赋存的情况下渗透率较高，应用稳态法可以较好地求取渗透率数值。但在粒度更小的黏土储层中，随着水合物饱和度的提升，渗透率大幅下降，难以形成稳定的渗流。由部分文献可知，海洋土沉积层水合物饱和度在25％以上情况下渗透率就已低于100md。稳态法测量更高饱和度的储层面临一定的困难，因此尝试采用一种改进的非稳态法进行测量。
发明内容
本发明目的在于设计一种可以用于测量低渗天然气水合物储层渗透率的方法和专用装置,综合研究细粒度、水合物饱和度较高的多孔介质的渗透率数据，其操作简单，可控。
该方法的特点是与传统渗透率测量实验方法不同，本实验依靠非稳态方法测量介质的渗透率，不需要等待形成稳定渗流并测量流量数据，可直接根据反应介质两端压差变化情况计算绝对渗透率。解决了低渗透率水合物介质的测量中渗流不稳定、渗流量测量困难等问题。
本发明的技术方案：
一种基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量装置，包括反应容器1、压力传感器2、上游压力柱塞泵3、下游压力柱塞泵4、中间容器5、压差计6、甲烷气瓶7、恒温水浴8、数字模块9、计算机10和温度传感器11；
所述的反应容器1一端通过第四阀门a4连接上游压力柱塞泵3，另一端分别通过第二阀门a2、第三阀门a3与中间容器5、下游压力柱塞泵4相连，反应容器1的两端设有压差计6，压差计6通过数字模块9连接计算机10；所述的中间容器5位于反应容器1的下游，其设置出口端压力第一阀门a1；反应容器1与中间容器5均置于恒温水浴8中；所述的恒温水浴8通过水管分别在上游压力柱塞泵3、下游压力柱塞泵4的气缸周围注入水浴中的冷水并进行循环，使气缸内气体温度同反应容器1内的温度一致；所述的上游压力柱塞泵3、下游压力柱塞泵4分别通过第五阀门a5、第六阀门a6与甲烷气瓶7相连；所述的压力传感器2设置在反应容器1的上游端，并通过数字模块9连接计算机10。
所述的反应容器1出口端放置一个过滤网防止介质颗粒流出影响阀门气密性。
所述的反应容器中部有5个温度传感器11，温度传感器11由不锈钢套管封装，测量反应容器1内部温度。
一种基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量方法，步骤如下：
(1)将所测介质与去离子水搅拌均匀填入反应容器1中，记录加水量，将反应容器1接入管路并检查气密性；
(2)打开第六阀门a6，将高压甲烷气体注入下游压力柱塞泵4中；之后关闭第六阀门a6，打开第二阀门a2和第三阀门a3，利用下游压力柱塞泵4向反应容器1和中间容器5中注入甲烷至设定压强，并令下游压力柱塞泵4保持恒压；之后将恒温水浴8的温度调节至1℃，生成水合物，通过下游压力柱塞泵4的体积变化计算气体消耗量；
(3)利用下游压力柱塞泵4逐渐增大压强至所加水完全生成水合物，计算此时孔隙体积Vp和水合物饱和度，并计算此时的孔隙率Φ2；
(4)打开第五阀门a5为上游压力柱塞泵3注气，之后关闭第五阀门a5，选取大于下游压力的数值作为上游压力，并利用上游压力柱塞泵3设置恒压；关闭第三阀门a3，然后打开第四阀门a4，连通上下游使两端压力逐渐平衡，记录压差随时间变化的数据进而计算渗透率；
(5)渗透率由下式给出：
Figure BDA0001502311700000041
Figure BDA0001502311700000042
其中，S是压差的自然对数与时间曲线的斜率；βf为甲烷的压缩系数，μ为甲烷动力学粘度，L为试样长度，Vp为试样孔隙的体积，Vd为下游中间容器的体积，Φ2为将水合物视为骨架后所计算的孔隙率；对于气体而言，
Figure BDA0001502311700000043
其中，Pm表示孔隙中的压强，其数值为：
Pm(t)＝Pu-ΔP(t)/2
其中，Pu为上游端压强，ΔP(t)为反应容器两端的压差；
(6)改变初始含水量，得出不同饱和度下渗透率数据。
本发明的有益效果：本发明装置可以对天然气水合物粉砂、黏土储层渗透率进行测定，可有效模拟不同饱和度下储层的渗透率参数，为水合物的开采提供依据。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中：1反应容器；2压力传感器；3上游压力柱塞泵；4下游压力柱塞泵；5中间容器；6压差计；7甲烷气瓶；8恒温水浴；9数字模块；10计算机；11温度传感器；a1第一阀门；a2第二阀门；a3第三阀门；a4第四阀门；a5第五阀门；a6第六阀门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明内容进行进一步详细说明。
本装置包括反应容器1，压力传感器2设置在反应容器的上游端，反应容器的一端通过阀门a4连接到上游压力柱塞泵3，另一端分别通过阀门a2与a3与中间容器5和下游压力柱塞泵4相连。中间容器另一端设置出口端压力阀门a1。反应容器两端设有一个压差计6。两个柱塞泵3和4分别通过阀门a5和a6与甲烷气瓶7相连。整个反应容器与中间容器均置于恒温水浴8中。反应容器上端开有5个小孔以放置温度传感器11，检测反应容器内部温度。恒温水浴8接出2根水管在柱塞泵3,4中的气缸周围注入水浴中的冷水并进行循环，使缸内气体温度同反应容器中一致。
反应容器1最高工作压力为20MPa。装置中所用的压力传感器2，压差计6和温度传感器9的信号均通过数字模块采集送入计算机进行储存和处理。上下游柱塞泵3,4的气缸周围通入恒温水浴8的水流，保证柱塞泵气体温度与反应容器1和中间容器5中的相同。
一种基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量方法，步骤如下：
(1)将所测介质与去离子水搅拌均匀填入反应容器1中，记录加水量，将反应容器1接入管路并检查气密性；
(2)打开第六阀门a6，将高压甲烷气体注入下游压力柱塞泵4中；之后关闭第六阀门a6，打开第二阀门a2和第三阀门a3，利用下游压力柱塞泵4向反应容器1和中间容器5中注入甲烷至设定压强，并令下游压力柱塞泵4保持恒压；之后将恒温水浴8的温度调节至1℃，生成水合物，通过下游压力柱塞泵4的体积变化计算气体消耗量；
(3)利用下游压力柱塞泵4逐渐增大压强至所加水完全生成水合物，计算此时孔隙体积Vp和水合物饱和度，并计算此时的孔隙率Φ2；
(4)打开第五阀门a5为上游压力柱塞泵3注气，之后关闭第五阀门a5，选取大于下游压力的数值作为上游压力，并利用上游压力柱塞泵3设置恒压；关闭第三阀门a3，然后打开第四阀门a4，连通上下游使两端压力逐渐平衡，记录压差随时间变化的数据进而计算渗透率；
(5)渗透率由下式给出：
Figure BDA0001502311700000061
Figure BDA0001502311700000062
其中，S是压差的自然对数与时间曲线的斜率；βf为甲烷的压缩系数，μ为甲烷动力学粘度，L为试样长度，Vp为试样孔隙的体积，Vd为下游中间容器的体积，Φ2为将水合物视为骨架后所计算的孔隙率；对于气体而言，
Figure BDA0001502311700000063
其中，Pm表示孔隙中的压强，其数值为：
Pm(t)＝Pu-ΔP(t)/2
其中，Pu为上游端压强，ΔP(t)为反应容器两端的压差；
(6)改变初始含水量，得出不同饱和度下渗透率数据。

Claims (3)

1.一种基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量方法，其特征在于，该方法基于一种低渗水合物沉积物渗透率测量装置实现；所述的低渗水合物沉积物渗透率测量装置包括反应容器(1)、压力传感器(2)、上游压力柱塞泵(3)、下游压力柱塞泵(4)、中间容器(5)、压差计(6)、甲烷气瓶(7)、恒温水浴(8)、数字模块(9)、计算机(10)和温度传感器(11)；
所述的反应容器(1)一端通过第四阀门(a4)连接上游压力柱塞泵(3)，另一端分别通过第二阀门(a2)、第三阀门(a3)与中间容器(5)、下游压力柱塞泵(4)相连，反应容器(1)的两端设有压差计(6)，压差计(6)通过数字模块(9)连接计算机(10)；所述的中间容器(5)位于反应容器(1)的下游，其设置出口端压力第一阀门(a1)；反应容器(1)与中间容器(5)均置于恒温水浴(8)中；所述的恒温水浴(8)通过水管分别在上游压力柱塞泵(3)、下游压力柱塞泵(4)的气缸周围注入水浴中的冷水并进行循环，使气缸内气体温度同反应容器(1)内的温度一致；所述的上游压力柱塞泵(3)、下游压力柱塞泵(4)分别通过第五阀门(a5)、第六阀门(a6)与甲烷气瓶(7)相连；所述的压力传感器(2)设置在反应容器(1)的上游端，并通过数字模块(9)连接计算机(10)；
所述基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量方法，步骤如下：
(1)将所测介质与去离子水搅拌均匀填入反应容器(1)中，记录加水量，将反应容器（1）接入管路并检查气密性；
(2)打开第六阀门(a6)，将高压甲烷气体注入下游压力柱塞泵(4)中；之后关闭第六阀门(a6)，打开第二阀门(a2)和第三阀门(a3)，利用下游压力柱塞泵(4)向反应容器(1)和中间容器(5)中注入甲烷至设定压强，并令下游压力柱塞泵(4)保持恒压；之后将恒温水浴(8)的温度调节至1℃，生成水合物，通过下游压力柱塞泵(4)的体积变化计算气体消耗量；
(3)利用下游压力柱塞泵(4)逐渐增大压强至所加水完全生成水合物，计算此时孔隙体积Vp和水合物饱和度，并计算此时的孔隙率Φ2；
(4)打开第五阀门(a5)为上游压力柱塞泵(3)注气，之后关闭第五阀门(a5)，选取大于下游压力的数值作为上游压力，并利用上游压力柱塞泵(3)设置恒压；关闭第三阀门(a3)，然后打开第四阀门(a4)，连通上下游使两端压力逐渐平衡，记录压差随时间变化的数据进而计算渗透率；
(5)渗透率由下式给出：
Figure FDA0002528055440000021
Figure FDA0002528055440000022
其中，S是压差的自然对数与时间曲线的斜率；βf为甲烷的压缩系数，μ为甲烷动力学粘度，L为试样长度，Vp为试样孔隙的体积，Vd为下游中间容器的体积，Φ2为将水合物视为骨架后所计算的孔隙率；对于气体而言，
Figure FDA0002528055440000023
其中，Pm表示孔隙中的压强，其数值为：
Pm(t)＝Pu-ΔP(t)/2
其中，Pu为上游端压强，ΔP(t)为反应容器两端的压差；
(6)改变初始含水量，得出不同饱和度下渗透率数据。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量方法，其特征在于，所述的反应容器(1)出口端放置一个过滤网防止介质颗粒流出影响阀门气密性。
3.根据权利要求1或2所述的基于脉冲衰减分析的低渗水合物沉积物渗透率测量方法，其特征在于，所述的反应容器(1)中部有5个温度传感器(11)，温度传感器(11)由不锈钢套管封装，测量反应容器(1)内部温度。
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