CN109254134B - 一种测量岩石电阻指示油气突破压力的新方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明一种测量岩石电阻指示油气突破压力的新方法和设备，属于地球(岩石)物理领域。本发明从油气藏成藏机理出发，根据油气、水在电性上差异大这一物理现象，提出了观察岩石电阻变化确定油气是否运移到岩石中的新方法。该方法包括：测量岩石样品含水电阻；替换样品进端管线中的饱和流体为注入流体(天然气或原油)，保持油界面(或气界面)在样品与电极之间；建立岩石电阻与油气驱替压力的对应关系；根据电阻变化的判别依据，确定油气开始注入岩石样品的电阻及对应的突破压力。该方法解决了现有技术没有考虑油突破压力和地层条件对岩石突破压力的影响因素，提高了油、气突破压力的精度，为成藏模拟和储层评价提供实验依据。

Description

一种测量岩石电阻指示油气突破压力的新方法和设备
1.技术领域
本发明涉及一种测量岩石样品中油气运移最小突破压力的新方法和设备，属于地球(岩石)物理领域。
2.背景技术
在油气勘探开发中需要测量盖层岩石中油气突破压力、储层中油气运移的最小驱动压力、估算油藏高度等油气成藏条件。现有的测量方法是根据泊肃叶(Poiseuille)公式计算出气体从盖层底界穿越至顶界所经历的时间，即为突破时间：
Figure BSA0000152351570000011
式中，ta-突破时间，s；h-岩层厚度，cm；α-空隙弯曲的理论修正值；μ-液体粘度，Pa.s；rA-孔隙半径，mm；Δp-使液体从空隙中排出时的压力差，MPa。
通常岩样被润湿性流体(水)饱和后，非润湿性流体(原油或气体)必须克服岩石毛管阻力才能排驱润湿性流体。岩石的毛管半径越小，则阻力越大，所需突破压力越高，详见SY/T 55748-2013《岩石气体突破压力测定方法》。这种方法受样品长度影响，随着长度的增加观察到气体在饱和样中形成连续流动的时间会增加，而且无法测量原油在饱和样中的突破压力。用泊肃叶公式测量气体突破压力主要条件是在饱和样中形成气体的连续层状流动，对盖层(通常是致密的泥岩层)来说渗透率非常低，气体流动不符合“流体在水平圆管中作层流运动”的泊肃叶公式假设，导致气体突破压力的测量值偏大和平衡时间过长。
事实上，油气在地层中的运移和赋存是一个十分漫长的过程(通常以百万年为计量单位)，而现有的观察方法和实验手段多是希望在短时间内(以小时或天为单位)得到测量结果。油、气运移和流动在有条件下(裂缝和高渗透性储层中)近视符合达西定律和泊肃叶公式，这些方法在应用中的局限性随着研究对象的不同就显现出来了，因为大部分岩石中的流体运移是不满足泊肃叶公式的。
现有的岩石气体突破压力测定方法存在以下缺陷：
1)只能测量气体的突破压力，而不能测量原油的突破压力。
2)只能在有效压力下测量气体的突破压力，不能在双轴压力(轴压和围压不同)和孔隙压力下测量突破压力。
3)在低渗透性样品(水相渗透率小于0.01mD)中油气运移和流动不符合达西定律和泊肃叶公式，导致测量的突破压力明显大于成藏实际情况。
4)效率低，每次只能测量一块样品。
本发明摒弃了从岩石渗流力学研究气体突破压力的泊肃叶方法，而是从油气藏成藏机理出发，根据油气、水在电性上差异大这一物理现象，提出了观察岩石电阻变化确定油气是否运移到岩石中的新方法。通常岩石孔隙中赋存地层水，生成或运移的油气逐步替代地层水，在各种物理、化学等作用下，形成了油气藏。根据这一原理，研制了能模拟地层温度和压力条件下测量油、气突破压力的实验装置，通过大量实验验证了这种方法的可行性和稳定性，不管是在气驱还是油驱过程中，电阻变化要比液位变化灵敏很多。保证样品与电极有良好的接触，非润湿相与润湿相的接触面就在电极与样品端面之间，缓慢增加驱替压力，并保持压力恒定，观察样品两端电阻的变化，如果电阻没有增加，继续增加驱替压力，当油气一旦进入岩石，其电阻会明显升高，驱替压力会略微下降，这时的压力就是突破压力。只要油气运移压力略大于突破压力，油气就能持续运移到岩石孔隙空间中，在自然界中这个过程十分缓慢(几十万年到几百万年)。
这种电阻测量方法只与样品、流体性质和进端压力有关，而与样品两端的压差(或样品长度)无关，所以不需要引入压力梯度的概念。在测量油气突破压力时，不是靠测量样品两端的压力差来确定的，而是当样品长度趋于零的启动压力。大量的实验数据已经在石油地质中得到认可和应用。
本方法适用于各种储层的油和气运移中最小突破压力的测定。
3.发明内容
用测量岩石电阻指示油气突破压力的方法和实验设备。
本发明的主要目的在于提供一种岩石油气突破压力的测量方法和装置，以解决现有技术没有考虑到的致密岩石和原油突破压力的测量问题。
为了实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种岩石突破压力测量方法。该方法包括：测量岩石样品含水电阻；替换样品进端管线中的流体为注入流体(天然气或原油)，保持油界面(或气界面)在样品与电极之间；建立岩石电阻与油气驱替压力的对应关系；根据电阻变化的判别依据，确定油气开始注入岩石样品的电阻及对应的突破压力。
为了实现上述目的，根据本发明实施例的另一方面，提供了一种岩石突破压力的测量装置。该装置包括：岩心夹持器，用于给岩石样品施加上覆地层压力、地层侧向压力、孔隙压力，测量岩石样品两端电阻及温度；绝缘短节和压力传感器，保证电阻测量系统的绝缘、指示进出端的孔隙压力；活塞式中间容器，保证注入油气与驱替压力系统隔离并提供稳定的驱替压力；轴压和围压控制系统，为岩心夹持器提供稳定的上覆地层压力、地层侧向压力；回压控制系统，保持岩石样品的孔隙压力稳定；驱替压力控制系统，给活塞式中间容器提供稳定可控的压力；RLC电阻测量系统，用四级法测量岩石样品两端的电阻；计算机采集控制系统，对各类压力进行实时监控、分时自动记录温度、各种压力、电阻参数；恒温箱，用热风循环的方式模拟地层温度；计量管，显示油气驱替过程中排出水的体积。图中的细连线为信号控制线，粗黑线为流体管线。
根据发明实施例，通过使用岩石电阻和驱替压力来表征油气进入样品的突破压力，解决了现有技术没有考虑油突破压力和地层条件对岩石突破压力的影响因素，提高了油、气突破压力的精度，为成藏模拟和储层评价提供实验依据。
4.附图说明
图1是用岩石电阻指示油气突破压力的原理图。
图2是单夹持器电阻法测量油气突破压力装置的示意图。图中：①岩心夹持器；②绝缘短节和压力传感器；③活塞式中间容器；④轴压和围压控制系统；⑤回压控制系统；⑥驱替压力控制系统；⑦RLC电阻测量系统；⑧计算机采集控制系统；⑨恒温箱；⑩计量管。图中的细连线为信号控制线，粗黑线为流体管线。
图3是某样品突破压力的实测图。图中：A曲线为温度曲线；B曲线为轴围压曲线；C曲线为端压曲线；D曲线为电阻曲线。黑色十字线的焦点显示了电阻曲线开始增加时的进端压力值，这个压力就是突破压力，该样品的突破压力为0.1756MPa。在压力曲线上可以看到原油的启动压力略高于流体开始流动的突破压力。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：
1)本方法充分利用油气、水在电性上的差异，通过测量岩石电阻来确定油气是否进入样品，其测量精度远大于泊肃叶法。
2)由于岩石是粘弹介质，所以不同的测量条件下获得的突破压力不同。能在模拟地层温度、上覆地层压力、侧向压力和孔隙压力下测量油、气运移的突破压力，使测量值更符合地层实际情况。
3)测量过程可控、结果直观、可靠。
4)观察到油气启动和运移过程中压力的微小变化，用实验方法证实了启动压力高于运移压力的理论假设。
5)一次能同时测量6块样品，提高了效率。
5.具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面根据附图并结合实施例来详细说明本发明。显然所描述的实施例只是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供了一种岩石中油气突破压力的测量方法，如图1所示，该方法包括步骤如下：
步骤S101，确定岩石样品含水电阻RO。影响样品含水电阻的因素较多，除了样品尺寸以外，还有样品洗油程度、饱和溶液矿化度和饱和程度、温度、轴压、围压、孔隙压力、测量方式、测量频率等因素有关。现有的样品处理、制备技术已能满足电性测量的要求，为了便于与电测曲线对比，通常在模拟地层条件下，用频率为1KHz的方波供电，采用四级法测量样品电阻。
步骤S102，保持油界面(或气界面)在样品与电极之间。具体做法是，在加温、加压后，利用探头上的双管结构，把样品中排挤出来的水，用原油或气体替换掉。如果替换不完全，也是可以驱替测量的，只是电阻曲线会随着注入端的水进入出现下降，这时的压力是水注入的启动压力，维持这个压力，等待油或气进入岩石后电阻出现明显上升，降低进端压力，等电阻曲线平衡，这个过程只是将油水界面由探头与样品的接触面移到了样品中，可以继续用电阻相对变化来确定突破压力。
步骤S103，建立油气驱替压力与电阻的对应关系。由驱替压力控制系统⑥和活塞式中间容器③提供稳定驱替压力，对于水相渗透率大于0.01mD样品，驱替压力较低，样品中的水符合牛顿流体性质，测量参数的采样率均为每秒一个点，随着驱替压力缓慢增加电阻值几乎不变；如果样品水相渗透率小于0.01mD，驱替压力较高，样品中的水会出现压缩，不符合牛顿流体性质，孔隙压力增加，导致孔喉结构变好，岩石电阻降低。由于分时采集数据，在时间轴上压力会滞后电阻5秒钟。
步骤S104，确定油气开始注入样品的电阻及对应的突破压力。由于油气电阻率在GΩ.m数量级，地层水电阻率在Ω.m，两者在电性上悬殊巨大。一旦测量条件确定后，样品电阻符合欧姆定律：
R＝p*L/S，式中：R-样品电阻，Ω；p-样品电阻率，Ω.m；L-样品长度，m；S-样品面积，m2。
油气注入发生在样品端面，与截面积有关，通常样品直径为25.4mm，因此样品长度不宜太长，否则油气注入引起的电阻变化率太小，不利于检测。在实验室条件下，样品含水饱和度变化0.5％是可以准确测量的。如果油气进入到样品中，使含水饱和度减小了0.5％，根据阿尔奇公式：
I＝a*(Sw)-n，式中，I-电阻增大率，等于岩样部分含油气电阻与岩样完全含水电阻之比；a-岩性系数；Sw-岩石的含水饱和度；n-饱和度指数。
当含水饱和度变化0.5％，电阻增大了1.01倍。在电阻曲线上出现电阻增大1.01倍的点都将值得关注，如果该点以后的电阻继续上升，可以判断该点就是油气进入样品的突破点，与之对应的驱替压力就是突破压力。如果电阻下降或无规律跳动，可能是干扰点。
实施例二
本发明实施例还提供了一种岩石油气突破压力的测量装置。如图2所示，该装置可以包括：
①岩心夹持器。模拟压力环境，测量电阻、温度、压力参数，由高压釜、加压缸、探头、温度传感器、电极系、胶套、阀门组成。在岩心夹持器中装有两个供电电极、两个测量电极，这样的探头能准确测量样品两端电阻变化。
②绝缘短节和压力传感器。绝缘短节隔离电极系与金属外壳，由不锈钢管线、高强度绝缘材料和密封圈组成；在回压小于40MPa时采用压差传感器(根据驱替压力大小选择不同量程的压差传感器)；在回压大于40MPa后采用两个带温度补偿的高精度压力传感器。压力传感器组块由多个阀门、压差或压力传感器组成。
③活塞式中间容器。模拟地层原油和天然气的充注，隔离驱替压力系统与油气注入系统，并保持稳定驱替压力，由承压缸体、活塞、密封堵头组成，容积为1000ml，耐压60MPa。
④轴压和围压控制系统。为岩心夹持器提供稳定的上覆地层压力、地层侧向压力，模拟样品在地层条件下受力情况，由高压泵、压力传感器、阀门组成，最大压力100MPa。
⑤回压控制系统。既能保证孔隙压力与地层压力一致，又有很小的开启压力便于流体通过，由高压控制阀、氮气瓶、气体增压缸、压力传感器、调压阀组成，最大孔隙压力60MPa，最小开启压力0.5％。
⑥驱替压力控制系统。给活塞式中间容器提供稳定可控的压力，由高压平流泵、增压缸、压力传感器、阀组成。最大压力60MPa，最小流量0.1ml/min。
⑦RLC电阻测量系统。用四级法测量样品两端电阻和温度传感器PT100电阻，由RLC电桥和高温接插件组成。电阻测量范围0.1Ω-1MΩ。
⑧计算机采集控制系统。对各类压力进行实时监控、对过压和欠压实时补偿，分时自动记录温度、压力、电阻参数，由计算机、多参数采集控制器、485接口和测控软件组成。采样速率可调，快速直观显示，。
⑨恒温箱。用热风循环方式给岩心夹持器、中间容器和绝缘短接加温，阶梯式加温防止了样品快速膨胀引起的孔隙结构变化。由保温箱、加温器件、温度传感器和控制面板组成。阶梯式加温、最高温度220℃。
⑩计量管。由玻璃计量管、软管、激光位移传感器组成。流体体积的测量精度0.01ml。
Figure BSA0000152351570000041
为了提高测量效率和保持相同测量条件，在恒温箱中装有6个相同的岩心夹持器，一次能同时测量6块样品。

Claims (9)

1.一种测量岩石电阻指示油气突破压力的新方法，其特征包括：测量岩石样品含水电阻；替换样品进端管线中的饱和流体为注入流体，所述注入流体为天然气或原油，保持油界面或气界面在样品与电极之间；建立岩石电阻与油气驱替压力的对应关系；根据电阻变化的判别依据，确定油气开始注入岩石样品的电阻增大率及对应的突破压力；
确定油气是否注入岩石样品是根据含水饱和度是否降低0.5％，由阿尔奇公式：I＝a*(Sw)-n计算电阻增大率，当电阻增大率达到1.01并在该点之后继续增大时，则该点为油气进入样品的突破点，与之对应的驱替压力就是突破压力；
其中，I表示电阻增大率，a表示岩性系数，Sw表示岩石的含水饱和度，n表示饱和度指数。
2.根据权利要求1的新方法，其特征在于，测量岩石样品含水电阻是在模拟地层条件下，采用频率为1KHz的方波供电，采用四级法测量样品电阻。
3.根据权利要求1的新方法，其特征在于，保持油气界面在样品与电极之间的具体做法是，在加温、加压后，利用探头上的双管结构，把样品中排挤出来的水，用原油或气体替换掉。
4.一种测量岩石电阻指示油气突破压力的新设备，这种新设备，包括岩心夹持器、 绝缘短节和压力传感器、活塞式中间容器、轴压和围压控制系统、回压控制系统、驱替压力控制系统、RLC电阻测量系统、计算机采集控制系统、恒温箱、计量管；
测量岩石样品含水电阻；替换样品进端管线中的饱和流体为注入流体，所述注入流体为天然气或原油，保持油界面或气界面在样品与电极之间；建立岩石电阻与油气驱替压力的对应关系；根据电阻变化的判别依据，确定油气开始注入岩石样品的电阻增大率及对应的突破压力；
确定油气是否注入岩石样品是根据含水饱和度是否降低0.5％，由阿尔奇公式：I＝a*(Sw)-n计算电阻增大率，当电阻增大率达到1.01并在该点之后继续增大时，则该点为油气进入样品的突破点，与之对应的驱替压力就是突破压力；
其中，I表示电阻增大率，a表示岩性系数，Sw表示岩石的含水饱和度，n表示饱和度指数。
5.根据权利要求4所述的一种测量岩石电阻指示油气突破压力的新设备，其特征在于，在同一个岩心夹持器中装有两个供电电极和两个测量电极，利用橡胶套密封样品，采用6个岩心夹持器并列测量，形成一个阵列。
6.根据权利要求4所述的一种测量岩石电阻指示油气突破压力的新设备，其特征在于，所述回压控制系统由高压控制阀、氮气瓶、气体增压缸、压力传感器、调压阀组成，既能保证孔隙压力与地层压力一致，又有很小的开启压力便于流体通过。
7.根据权利要求4所述的一种测量岩石电阻指示油气突破压力的新设备，其特征在于所述驱替压力控制系统由高压平流泵、增压缸、压力传感器、阀组成，给活塞式中间容器提供稳定可控的压力。
8.根据权利要求4所述的一种测量岩石电阻指示油气突破压力的新设备，其特征在于，所述RLC 电阻测量系统用四级法测量样品两端电阻和温度传感器PT100电阻，由RLC电桥和高温接插件组成。
9.根据权利要求4所述的一种测量岩石电阻指示油气突破压力的新设备，其特征在于，所述计算机采集控制系统分时自动记录和计算达到压力平衡后的岩心饱和度、压力值、电阻值，对过压或欠压实时补偿。
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