CN109253961B - 一种基于电容耦合的自发渗吸测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电容耦合的自发渗吸测量装置。该测量装置包括围压控制系统、电导率监测系统和液面控制系统；围压控制系统用于对岩心施加围压；液面控制系统用于向岩心注入液体；电导率监测系统包括信号发生和处理系统和电极；信号发生和处理系统包括依次电连接的交流激励源、感性模块、信号处理系统和处理成像和控制系统；电极为若干对间隔分布于岩心表面的激励电极和检测电极，激励电极与感性模块电连接，检测电极与信号处理系统电连接。本发明装置结构简单，易于实现，能实时监测岩心自发渗吸过程中饱和度随时间变化情况，可以使用于从活塞式驱替到非活塞式驱替的多种自发渗吸驱替模式；能够实时生成岩石表面和内部的饱和度云图。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电容耦合的自发渗吸测量装置，属于油气田开发工程及多孔介质渗流机理研究领域。
背景技术
在非常规油气资源开发中，常常使用压裂作业以压开地层，增加地层导流效果，进而提高产量。在压裂过程中需要向地层注入大量水。由于非常规储层中毛管力、盐浓度压差等影响导致自发渗吸效应明显。岩石的自发渗吸特性是储层的重要参数之一。为油气藏筛选、储层评价、技术应用和提高油气产能提供理论依据。
目前研究岩石的自发渗吸特性的方法为：岩样加工成标准岩样之后，将岩样放置于密闭的岩心筒内，可以测量岩石的吸水情况。具体来说，将岩心筒内浸水，并在筒的一端接一根可以计量水的高度的玻璃管，并使用摄像机针对玻璃管内液面高度进行监测。当岩样吸水以后，玻璃管内的液面高度下降。记录液面下降高度随时间的变化，再通过玻璃管横截面积与液面下降高度的乘积，计算岩石吸入水的质量随时间的变化。上述方法存在如下缺点：首先，该方法一般通过摄像机记录页面变化，人为误差因素明显。其次，岩石自发吸水量如果不大，该方案的误差缺陷会显而易见，因为玻璃管的直径受制造工艺限制，如果太粗则液面变化不明显，如果太细则玻璃管本身就会产生毛管效应，使水面上升高度太高，另外玻璃管上部必须与大气连通，则不可避免地有管内水分蒸发，影响实验结果。再次，岩石在吸水过程中会将岩石内部的气体以气泡形式排驱出来，从实验仪器的结构上看，并不能保证气泡从细玻璃管中排出，影响了实验的精度。最后，该装置只能研究整个岩心吸入水的质量随时间的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电容耦合的自发渗吸测量装置，该装置通过利用串联谐振时感性成分可以消除容性成分的原理，对自发渗吸过程中岩心电导率进行实施监测，进而掌握岩心上的饱和度分布随时间的变化，实时的掌握被测样品的吸水速率以及吸水量等，更加准确表征致密岩心的自发渗吸规律，为现场施工提出指导性建议，也为储层评价提供合理依据。
本发明所提供的基于电容耦合的自发渗吸测量装置，包括围压控制系统、电导率监测系统和液面控制系统；
所述围压控制系统用于对岩心施加围压；
所述液面控制系统用于向所述岩心注入液体；
所述电导率监测系统包括信号发生和处理系统和电极；
所述信号发生和处理系统包括依次电连接的交流激励源、感性模块、信号处理系统和处理成像和控制系统；
所述电极为若干对间隔分布于岩心表面的电连接的激励电极和检测电极，所述激励电极与所述感性模块电连接，所述检测电极与所述信号处理系统电连接；
所述交流激励源能够间隔产生正弦交流信号，经过所述感性模块施加在所述激励电极上，所述激励电极、所述岩心和所述检测电极形成交流测量通路，在所述检测电极处可以获得交流电流信号，该信号反应了所述激励电极与所述检测电极之间的岩石表面电导率值，交流电流信号通过所述信号处理系统变成直流电压信号，进而输入所述处理成像和控制系统，所述交流激励源间隔产生正弦交流信号时，每一次产生的正弦交流信号只测量一对所述激励电极与所述检测电极之间的电导率，下一次产生正弦交流信号测量另一对所述激励电极与所述检测电极之间的电导率，所述处理成像和控制系统能够实时自动调整交流信号频率，使电路产生谐振，且能在很短时间如0.5s内完成每一对所述激励电极与所述检测电极的遍历，通过所述处理成像和控制系统结合所述激励电极与所述检测电极的物理位置，得到此时岩石表面的电导率分布云图，进而得到自发渗吸高度随时间的变化情况。
所述自发渗吸测量装置中，所述激励电极和所述检测电极的间隔分布方式为下述1)-3)中任一种：
1)纵向间隔分布于所述岩心表面，用来测量纵向上液体饱和度变化；
2)周向间隔分布于所述岩心表面，用来测量周向上的液体饱和度变化；
3)点阵间隔分布于所述岩心表面，用来测量非活塞式自发渗吸的壁面液体饱和度变化。
所述自发渗吸测量装置中，所述激励电极和所述检测电极贴附于所述岩心表面(直接接触)或包裹于所述岩心外的绝缘层表面。
所述自发渗吸测量装置中，连接所述激励电极与所述检测电极的导线设于所述岩心的表面或贯穿所述岩心。
当设于所述表面时，测定的是岩心表面自发渗吸变化情况；
当贯穿所述岩心时，测定的是岩心内部自发渗吸变化情况。
所述自发渗吸测量装置中，所述围压控制系统包括围压管路和设置于所述围压管路上的围压阀和围压表；
所述围压管路的一端连接围压泵，另一端开口于柔性材质且不透水的绝缘筒，优选橡胶筒；
所述绝缘筒设于一绝缘材质的套筒内，且与所述套筒的内壁接触配合；所述绝缘筒的两端为开口设置；
所述套筒的两端设有套筒盖和套筒底，所述套筒盖上设有贯穿孔；
所述岩心放置于所述绝缘筒内，优选与所述套筒底接触。
所述围压泵能够通过所述围压管路向所述绝缘筒充注液压液，进而给所述岩心施加围压，所述围压表能显示施加给所述岩心的围压，所述围压阀能够控制所述围压管路的连通状态。
所述自发渗吸测量装置中，所述液面控制系统包括与所述套筒的底部连通的底部管路，所述底部管路的另一端连通储液缸，所述套筒的侧壁上连通一旁通管路，所述旁通管路上设有旁通阀，所述旁通管路与所述岩心的底部处于同一水平面上。
所述自发渗吸测量装置中，所述底部管路上还连通一设有刻度的连通管，所述套筒、所述连通管和所述储液缸构成连通器，其液面高度相同；可通过该连通器向所述岩心两端施加压差，即通过所述连通管的液面高度变化得到。
所述储液缸的另一端可连接手摇泵，两者之间设置连通阀，控制管路连通状态，所述手摇泵通过进泵与退泵能够控制所述储液缸内液面高度变化。
所述自发渗吸测量装置中，所述套筒底上设有凹槽，能够扩大所述岩心底部与水的接触面积。
所述自发渗吸测量装置中，所述套筒的侧壁上设有套筒孔，导线穿过所述套筒孔连接所述信号发生和处理系统与所述电极。
本发明自发渗吸测量装置能够研究岩样的自发渗吸规律，主要设计原理是测量岩样自发渗吸过程中岩石表面和内部的液体饱和度分布情况，进而研究岩样的自发渗吸规律。为了实现对岩石表面和内部液体饱和度分布情况和自吸前沿移动状态的实时监测，本发明利用串联谐振时感性成分可以消除容性成分的原理，即耦合电容原理。
具体地，如图5所示，交流激励源输出的正弦交流信号为u1，经过感性模块施加在激励电极上，激励电极与岩石表面形成耦合电容C1，激励电极与检测电极之间的岩石形成等效电阻Rx，检测电极与岩石表面形成耦合电容C2，激励电极、岩样和检测电极形成电容C1-电阻Rx-电容C2的负载通路，在检测电极处获得交流信号i，通过信号处理系统变为直流电压u2。设f为正弦交流信号u1的频率，负载通路阻抗为：
当电路发生谐振时，阻抗Z虚部为零，故谐振频率为：
此时阻抗为：
Z＝Rx+r
因此，通过调整交流激励源频率，使电路发生谐振，进而消除耦合电容影响，测得的阻抗为感性模块电阻r与两电极对之间的电阻Rx之和，而感性模块电阻r已知，所以能够得到电极对之间的电阻Rx。
激励电极与检测电极一一对应，共同构成测量电极对，考虑到测量电极对的位置，当激励电极与检测电极分布于岩样表面时，测量的是岩样表面的电导率，激励电极与检测电极连线穿过岩样时，测量的是岩样内部的电导率。考虑到测量时会产生交变电场，当同时进行两对测量电极对时会构成相互干扰，交流激励源输出的正弦交流信号为间隔产生，每段间隔内仅对一个测量电极对进行测量，短时间遍历每个测量电极对，即可得到每个电极对之间的空间的电导率，又由于每个电极对的位置是固定的，结合电极对位置和电极对之间的空间的电导率，即可得到岩石空间上的电导率分布。在实验开始时，先测量干岩心的电导率分布，提供了岩石骨架的背景电导率分布，标定饱和度为零。在岩心进水后，由于流体的电导率已知，岩石孔隙度已知，综合含水岩心电导率分布和背景电导率分布，即可得到岩石内部液体饱和度分布。由于自发渗吸过程中，岩石不断吸收液体，岩石吸收液体后电导率会产生变化，通过岩石空间上的电导率分布的变化即可得到岩石空间上的饱和度分布的变化，进而能够研究出饱和度面在自发渗吸过程中的运动规律，实现自发渗吸测量。
由于不同电极对排布方式有多种优选，当电极对纵向间隔分布时，对沿岩心轴向运动的饱和度面移动敏感，当电极对周向间隔分布时，对沿岩心中贯穿裂缝放入自发渗吸测量敏感，点阵间隔分布对岩石非活塞式自发渗吸测量敏感。当研究岩石内部空间电导率时，电极对位置需要设置为电极对连线穿过需要研究的岩心。
在得到岩石内部饱和度分布规律后，由于岩石几何参数、孔隙度、流体密度为常数，通过这些数据得到吸水量随时间变化曲线，即自发渗吸曲线。
采用本发明基于电容耦合的自发渗吸测量装置进行测量时，可按照下述步骤进行：
1)首先将岩样烘干至无自由水状态(当进行液液自发渗吸时，将岩心饱和被驱替流体)，表面布置所述激励电极与所述检测电极对，放入所述橡胶筒中。
2)控制所述储液缸内的水位低于所述套筒底，打开所述旁通阀，打开所述围压阀，调节所述围压泵，使岩心围压升至P1，关闭所述围压阀，打开所述信号发生和处理系统，检查系统工作情况，使所述信号发生和处理系统对岩心整体的电导率实时监测并记录；
3)打开所述连通阀，所述手摇泵向储液缸所述内部泵入驱替液体(液体的优选是去离子水、压裂液、盐溶液、原油等)，使所述储液缸内液面升高，当所述旁通管路中有液体流出时，说明岩心底部已经接触驱替液体，立刻关闭所述旁通阀，关闭所述连通阀，记录所述连通管内液面高度，向所述信号发生和处理系统输入时间戳。
4)通过所述信号发生和处理系统的输出结果，得出自吸液体吸水速率、饱和度分布随时间变化等参数，完成该岩样自发渗吸现场室内评价。
5)改变围压P1，重复1)-4)步骤，可以得到不同围压下样品的自发渗吸情况。
6)在步骤3)中关闭所述旁通阀后打开所述连通阀，所述手摇泵持续向储液缸内部泵入驱替液体，在岩心两端施加压差(压差通过所述连通管液面高度计量)，即可实现加压驱替，进而得到驱替条件下岩石饱和度变化情况。
本发明基于电容耦合的自发渗吸测量装置具有如下优点：
1、该装置结构简单，易于实现，能实时监测岩心自发渗吸过程中饱和度随时间变化情况，可以使用于从活塞式驱替到非活塞式驱替的各种可能的自发渗吸驱替模式。
2、能够高精度地实时生成岩石表面和内部的饱和度云图。
3、相较于现有的直流电势测量电阻的装置，引入交流激励源和感性模块，增加了电导率测量范围和精度。
4、相较于现有的核磁共振装置，成本更低，耐用性更佳，无辐射无污染。
5、由于电极对于岩心构成的是等效电容，所以电极对也可以不直接接触岩心而实现岩心电阻率测量，当岩心较碎、四周密封进环氧树脂，或者岩心外表包裹绝缘材料时，本发明通过串联谐振时感性成分可以消除容性成分的原理，能够实现岩心岩石表面和内部的饱和度云图实时测量。
6、可测量在加不同围压下，自发渗吸过程中的岩心饱和度随时间的变化情况，了解该岩石样品吸水速率以及吸水量等参数。
7、可测量岩石两端加不同压差条件，驱替过程中的岩心饱和度随时间的变化情况，了解该岩石样品吸水速率以及吸水量等参数。
附图说明
图1为本发明基于电容耦合的自发渗吸测量装置示意图；
图中各标记如下：
1套筒，2套筒盖，3套筒盖贯穿孔，4橡胶筒，5围压表，6围压阀，7信号发生和处理系统，8导线，9套筒孔，10电极，11岩心，12套筒底，13底部管路，14连通管，15储液缸，16连通阀，17手摇泵，18围压泵，19旁通管路，20旁通阀。
图2为电导率监测系统连接示意图，图中各标记如下：
101交流激励源，102感性模块，103信号处理系统，104处理成像和控制系统，105激励电极，106检测电极。
图3为三种激励电极105与检测电极106排布方式的优选。
图4为两种激励电极105与检测电极106组成的电极对在岩心11外部分布形式的优选。
图5为电导率监测系统等效电路。
图6为测定的自吸水的质量随着时间的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
本发明基于电容耦合的自发渗吸测量装置的结构如图1所示，它包括围压控制系统、电导率监测系统和液面控制系统。
其中，围压控制系统用于对橡胶筒4施加围压，具体包括围压管路和设置于围压管路上的围压阀6和围压表5，围压管路的一端连接围压泵18，另一端开口于橡胶筒4，而橡胶筒4套设于套筒1内，且与套筒1的内壁接触配合，套筒1的两端设有套筒盖2和套筒底12，套筒盖2上设有套筒盖贯穿孔3，能够平衡套筒1的内外压。橡胶筒4的两端为开口设置，用于放置岩心11，岩心11要放置于套筒1的底部，即与套筒底12接触，且在套筒底12上设置凹槽(图中未示)，以扩大岩心11底部与水的接触面积。如此，围压泵18能够通过围压管路给橡胶筒4充注液压液，进而给岩心11施加围压，围压表5能显示施加给岩心的围压，围压阀6能够控制围压管路的连通状态。
其中，液面控制系统用于向套筒1内注入液体，具体包括与套筒1的底部连通的底部管路13，底部管路13的另一端连通储液缸15，底部管路13上还连通一设有刻度的连通管14，套筒1、连通管14和储液缸15构成连通器，其液面高度相同。套筒1的侧壁上连通一旁通管路19，旁通管路19上设有旁通阀20，旁通管路19与岩心11的底部处于同一水平面上。储液缸15的另一端可连接手摇泵17，两者之间设置连通阀16，控制管路连通状态，手摇泵17通过进泵与退泵能够控制储液缸15内液面高度变化。
其中，电导率监测系统包括信号发生和处理系统7和电极10，具体地，如图2所示，信号发生和处理系统7包括依次电连接的交流激励源101、感性模块102、信号处理系统103和处理成像和控制系统104，电极为若干对间隔分布于岩心表面的电连接的激励电极105和检测电极106(激励电极105和检测电极106贴附于岩心11表面(直接接触)或包裹于岩心11外的绝缘层表面)，激励电极105与感性模块102电连接，检测电极106与信号处理系统103电连接，每一个激励电极105都对应检测电极106，电连接的导线穿过套筒1的侧壁上的套筒孔9。激励电极105和检测电极106的间隔分布方式有多种，如图3所示，纵向间隔分布用来测量纵向上液体饱和度变化，周向间隔分布用来测量周向上的液体饱和度变化，点阵间隔分布用来测量非活塞式自发渗吸的壁面液体饱和度变化。交流激励源101能够间隔产生正弦交流信号，经过感性模块102施加在激励电极105上，激励电极105、岩心11和检测电极106形成交流测量通路，在检测电极106处可以获得交流电流信号，该信号反应了激励电极105与检测电极106之间的岩石表面电导率值，交流电流信号通过信号处理系统103变成直流电压信号，进而输入处理成像和控制系统104，交流激励源101间隔产生正弦交流信号时，每一次产生的正弦交流信号只测量一对激励电极105与检测电极106之间的电导率，下一次产生正弦交流信号测量另一对激励电极105与检测电极106之间的电导率，处理成像和控制系统104能够实时自动调整交流信号频率，使电路产生谐振，且能在很短时间如0.5s内完成每一对激励电极105与检测电极106的遍历，通过处理成像和控制系统104结合激励电极105与检测电极106的物理位置，得到此时岩石表面的电导率分布云图，进而得到自发渗吸高度随时间的变化情况。另外，如图4所示，将激励电极105对应的检测电极106设置穿过岩心11时(即连接导线贯穿岩心11时)，即可得到岩石内部自发渗吸变化情况。
利用本发明提供的基于电容耦合的自发渗吸装置进行测量时，可按照如下步骤进行：
1)首先将岩样烘干至无自由水状态(当进行液液自发渗吸时，将岩心饱和被驱替流体)，表面布置激励电极与检测电极对，放入橡胶筒4中。
2)控制储液缸15内的水位低于套筒底12，打开旁通阀20，打开围压阀6，调节围压泵18，使岩心围压升至P1，关闭围压阀6，打开信号发生和处理系统7，检查系统工作情况，使信号发生和处理系统7对岩心整体的电导率实时监测并记录。
3)打开连通阀16，手摇泵17向储液缸15内部泵入驱替液体(液体的优选是去离子水、压裂液、盐溶液、原油等)，使储液缸15内液面升高，当旁通管路19中有液体流出时，说明岩心11已经接触驱替液体，立刻关闭旁通阀20，关闭连通阀16，记录连通管14内液面高度，向信号发生和处理系统7输入时间戳。
4)通过信号发生和处理系统7的输出结果，得出自吸液体吸水速率、饱和度分布随时间变化等参数，完成该岩样自发渗吸现场室内评价。
5)改变围压P1，重复1)-4)步骤，可以得到不同围压下样品的自发渗吸情况。
6)在步骤3)中关闭旁通阀20后打开连通阀16，手摇泵17持续向储液缸15内部泵入驱替液体，在岩心两端施加压差(压差通过连通管14液面高度计量)，即可实现加压驱替，进而得到驱替条件下岩石饱和度变化情况。
按照上述步骤进行RS岩心自吸水实验，流体为蒸馏水；平行于地层方向取心尺寸为Φ2.5×5cm，干重质量为61.11g，孔隙度为17％，烘干岩样电阻率为427Ω/m。通过本发明基于电容耦合的自发渗吸装置可测得岩心饱和度分布随时间的变化情况，岩石饱和度空间分布与岩石截面、孔隙度、流体密度的乘积为吸水质量，进而得到吸水量随时间变化曲线，如图6所示。
Claims (7)
1.一种基于电容耦合的自发渗吸测量装置，包括围压控制系统、电导率监测系统和液面控制系统；
所述围压控制系统用于对岩心施加围压；
所述液面控制系统用于向所述岩心注入液体；
所述电导率监测系统包括信号发生和处理系统和电极；
所述信号发生和处理系统包括依次电连接的交流激励源、感性模块、信号处理系统和处理成像和控制系统；
所述电极为若干对间隔分布于岩心表面的电连接的激励电极和检测电极，所述激励电极与所述感性模块电连接，所述检测电极与所述信号处理系统电连接；
所述激励电极和所述检测电极的间隔分布方式为下述1)-3)中任一种：
1)纵向间隔分布于所述岩心表面；
2)周向间隔分布于所述岩心表面；
3)点阵间隔分布于所述岩心表面；
所述激励电极和所述检测电极贴附于所述岩心表面或包裹于所述岩心外的绝缘层表面；
连接所述激励电极与所述检测电极的导线设于所述岩心的表面或贯穿所述岩心。
2.根据权利要求1所述的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述围压控制系统包括围压管路和设置于所述围压管路上的围压阀和围压表；
所述围压管路的一端连接围压泵，另一端开口于柔性材质且不透水的绝缘筒；
所述绝缘筒设于套筒内，且与所述套筒的内壁接触配合；所述绝缘筒的两端为开口设置；
所述套筒的两端设有套筒盖和套筒底，所述套筒盖上设有贯穿孔；
所述岩心放置于所述绝缘筒内。
3.根据权利要求2所述的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述液面控制系统包括与所述套筒的底部连通的底部管路，所述底部管路的另一端连通储液缸；
所述套筒的侧壁上连通一旁通管路，所述旁通管路上设有旁通阀，所述旁通管路与所述岩心的底部处于同一水平面上。
4.根据权利要求3所述的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述底部管路上还连通一设有刻度的连通管，所述套筒、所述连通管和所述储液缸构成连通器。
5.根据权利要求2-4中任一所述的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述套筒底上设有凹槽。
6.根据权利要求2-4中任一所述的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述套筒的侧壁上设有套筒孔，导线穿过所述套筒孔连接所述信号发生和处理系统与所述电极。
7.权利要求1-6中任一所述自发渗吸测量装置在研究岩样的自发渗吸规律中的应用。
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