CN109799177A - 一种多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置和方法，该装置包括储液罐、恒温控制机构、岩心测量机构、围压加压机构和数据采集机构，岩心测量机构有多个，储液罐用于提供工作液体，恒温控制机构用于提供试验所需的恒温，岩心测量机构用于测量各岩心试样的低速非达西渗流情况，围压加压机构用于提供试验所需的围压，数据采集机构用于采集数据。该装置结构简单，可同时研究开展多组岩样的低速非达西渗流实验，研究低速非达西效应。该方法依托于上述装置，操作方便，测量准确度和精度高。

Description

一种多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置和方法

技术领域

本发明涉及致密储层渗流研究技术领域，具体涉及一种多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置和方法。

背景技术

我国致密油储量丰富，具有很大的勘探开发潜力，然而致密油储层致密，微纳米孔隙广泛发育，在低压力梯度下具有明显的低速渗流特征，准确的描述致密油低速非达西渗流规律对致密油的有效开发具有重要的意义。

前人的研究表明：当驱替压力梯度小于某个临界值时，致密油藏孔隙完全被不流动的流体边界层填充，流体不能流动，只有高于该压力梯度才能参与流动，这个临界压力梯度就是所谓的真实启动压力梯度，随着压力梯度继续增加，边界层的厚度逐渐减小，渗流速度与驱替压力梯度呈现下凹抛物线形状的非线性关系，当压力梯度继续增加，渗流速度与压力梯度呈现拟线性关系，拟合直线与横坐标的交点即拟启动压力梯度。

目前，很多岩心室内研究低速非达西的方法较多，如“毛细管平衡法”、“气泡法”和“压差-流量法”，然而采用这些方法研究低速非达西渗流规律的难点如下：1、“毛细管平衡法”和“气泡法”要求极低的上游驱替压力、极小的驱替流速，不适用于超低渗岩心启动压力测试；2、但常规压差流量法测量时，只能采用单个岩心进行实验，时间耗时长，效率低；3、驱替流量计量复杂；4、对设备精度要求极高且实验耗时过长。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置和方法，该装置结构简单，可同时研究开展多组岩样的低速非达西渗流实验，研究低速非达西效应。

该方法依托于上述装置，操作方便，测量准确度和精度高。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置，包括储液罐、恒温控制机构、岩心测量机构、围压加压机构和数据采集机构，岩心测量机构有多个，岩心测量机构包括采液管、连接管、进液总管、第一进液支管、第二进液支管、排液总管、岩心夹持器、差压计、第一三通阀门、液体注入机构和流量测量机构，第一三通阀门为带开关的三通阀门，液体注入机构包括采液容器和动力机构，动力机构与采液容器连接，采液管的一端、连接管的一端、进液总管的一端分别与第一三通阀门连接，连接管的另一端与采液容器连接，进液总管的另一端分别与第一进液支管和第二进液支管的一端连接，第一进液支管和第二进液支管的另一端分别与排液总管的一端连接，岩心夹持器安装于第一进液支管上，差压计安装于第二进液支管，排液总管的另一端与流量测量机构连接，各采样管的另一端均与储液罐连通，各岩心测量机构的岩心夹持器和差压计均位于恒温控制机构中，围压加压机构包括加压干管、加压支管、围压泵、压力表和多通阀门，加压支管和岩心夹持器的个数相同，加压干管的一端与围压泵连接，加压干管的另一端、压力表、各加压支管的一端分别多通阀门连接，各加压支管的另一端分别与对应的岩心夹持器连通，数据采集机构包括差压转换台，各差压计与差压转换台电连接。

还包括废液罐，岩心测量机构还包括排气机构，排气机构包括第二三通阀门、气体传感器和排气管，气体传感器和连接管的个数相同，第二三通阀门为带开关的三通阀门，采液管与第二三通阀门其中的两个接口连接，排气管的一端与第二三通阀门的另一接口连接，各排气管的另一端均与废液管连通，各气体传感器安装于对应的连接管上。

所述的流量测量机构包括第一排液支管、量筒、第二排液支管、第三三通阀门、微管流量计和显微可视装置，排液总管的另一端、第一排液支管的一端、第二排液支管的一端分别与第三三通阀门连接，第一排液支管的另一端位于量筒的正上方，第二排液支管的另一端与微管流量计连接，显微可视装置正对微管流量计，数据采集机构还包括数据采集控制台，各显微可视装置均与数据采集控制台电连接，差压转换台与数据采集控制台电连接。

所述的采液容器为注射器，动力机构为注射泵，恒温控制机构为恒温振荡器。

储液罐内设置有多个溶剂过滤头，各采样管的另一端与对应的溶剂过滤头连接。

一种多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的方法，包括如下步骤：

1、获取致密储层处的多个岩心样品，岩心样品和岩心夹持器的个数相同，测量并记录各岩心样品的孔隙度、渗透率和尺寸，配制工作液体A，在设定压力下将各岩心样品分别浸入工作液体A中进行抽真空加压饱和，得到多个饱和的岩心样品；

2、调整各第一三通阀门，使各采液容器均与储液罐连通，各进液总管与对应第一三通阀门不连通，打开各动力机构，将储液罐内的工作液体B吸入对应的采液容器中，直到设定体积值，关闭动力机构；

3、开启恒温控制机构，到达设定温度后，将各饱和的岩心样品分别放置于对应的岩心夹持器的密封腔内，打开围压泵，对各饱和的岩心样品施加设定的围压；

4、调整各第一三通阀门，使各采液容器均与储液罐不连通，各进液总管与对应第一三通阀门连通，打开各动力机构，设置某一驱替流速驱动对应采液容器中的工作液体B进入对应的岩心夹持器和差压计中，当各差压计中的压力达到稳定后，对应的流量测量机构中的流量值达到稳定时，通过差压转换台采集各差压计的差压值；

5、改变驱替流量，测量下一个驱替流速条件下各岩心样品两端连接的压差计的差压；

6、重复步骤5N次，N为正整数，直至得到各岩心样品的渗流曲线。

进一步，步骤2中，向各采液容器中采液完成后，若某一采液容器和/或连接管中有气泡存在，调整对应的第一三通阀门和第二三通阀门，使所述采液容器与废液罐连通，所述采液容器与储液罐不连通，对应的进液总管与对应第一三通阀门不连通，打开对应的动力机构，将气泡排入废液储罐中，关闭对应的动力机构。

与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：

1、本发明设置了多个岩心测量机构，可同时测量多个岩心样品的低速非达西渗流情况，简捷高效。

2、本发明采用注射泵和注射器控制驱替流量，流量数据准确，同时便于实验操作。

3、本发明设置了恒温控制机构，消除了温度引起的实验误差。

4、本发明的数据采集机构通过获取岩心样品两端差压和微管流量计的流量的数据，可以对整个测量装置进行监测，实时测量岩心两端渗流情况，从而对低速非达西渗流特征进行有效的评价及分析。

5、本发明采用注射泵的超高稳定精度至pL/min，流速可在1.5pL/min-216mL/min可调，精度达±0.25％；采用了整体控温方式，即对整个实验系统恒温控制，在25℃条件下，温度波动幅度±1℃，实验流体粘度变化约为±2.4％，实验过程中温度变化为±0.5℃，温度对粘度的影响约为±1.2％；采用的精密差压计，其精度可达10^-6kPa，准确度精度超高，总之，本发明准确度和精度高。

附图说明

图1为多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置的结构示意图。

图2为实施例1各岩心样品的的渗流曲线。

其中，1-储液罐、2-恒温振荡器、3-采液管、4-连接管、5-进液总管、6-第一进液支管、7-第二进液支管、8-排液总管、9-岩心夹持器、10-差压计、11-注射器、12-注射泵、13-第一三通阀门、14-加压干管、15-围压泵、16-压力表、17-多通阀门、18-加压支管、19-第二三通阀门、20-气体传感器、21-排气管、22-废液罐、23-第一排液支管、24-量筒、25-第二排液支管、26-第三三通阀门、27-微管流量计、28-显微可视装置、29-溶剂过滤头、30-差压转换台、31-数据采集控制台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置进行详细说明。

本发明提供的多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置如图1所示，包括储液罐1、废液罐、恒温控制机构、岩心测量机构、围压加压机构和数据采集机构。

储液罐1的材质为聚丙烯塑料，其具有良好的耐热性、耐寒性、耐酸性和耐碱性。储液罐内设置有多个溶剂过滤头，溶剂过滤头主要是用来过滤储液罐内液体中的杂质，以防堵塞管线，可以选用安捷伦型号为A-302的流动相沉子不锈钢吸滤头，尺寸为2μm。

废液罐22的材质为聚丙烯塑料，其具有良好的耐热性、耐寒性、耐酸性和耐碱性。

恒温控制机构为一恒温装置，选用恒温振荡器2，恒温振荡器2可以选用THZ-83B气浴恒温振荡器或zd-85气浴恒温振荡器，控温精度高，温度调节方便，示值准确直观，性能优越可靠。

岩心测量机构有多个，本实施例中，岩心测量机构有四个。岩心测量机构包括采液管3、连接管4、进液总管5、第一进液支管6、第二进液支管7、排液总管8、岩心夹持器9、差压计10、第一三通阀门13、排气机构、液体注入机构和流量测量机构。

岩心夹持器9可以选用型号为TY2L的316钢夹持器，规格为0型密封圈氟胶套耐压50MPa。

差压计10为精密差压计，通过测量岩心样品两端的压力差，来计算出岩样的驱替压差。差压计可以选用型号为YD3221N15P12A117CG的差压计，压力精度达10-6。

液体注入机构包括注射器11和注射泵12，注射器11和注射泵12连接，注射泵12提供吸入工作液体进入注射器11的动力和驱替注射器11内工作液体进入岩心样品的动力。

注射泵12为精密注射泵，注射泵选用PHD ULTRA注射泵，超高稳定精度至pL/min，流速可在1.5pL/min-216mL/min可调，可使用0.5μL-140mL的注射器，精度达±0.25％。

注射器11可以选用Hsrvard Apparatus不锈钢注射器、Hamilton不锈钢注射器和普通塑料/玻璃注射器。Hsrvard Apparatus不锈钢注射器完全耐高温加热；Hamilton不锈钢注射器700系列经济实惠，5-500μL可用；普通塑料/玻璃注射器也可提供1-140mL容量，不带针筒和/或无菌等多种型号选择。

排气机构包括第二三通阀门19、气体传感器20和排气管21。

气体传感器可20以选用型号为40XV的电化学传感器，它是由膜电极和电解液灌封而成的，气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出，可以探测液体中的氧气含量，从而判别工作液体是否为单相。

流量测量机构包括第一排液支管23、量筒24、第二排液支管25、第三三通阀门26、微管流量计27和显微可视装置28。

量筒24为到带有刻度的玻璃量筒，通过读取管内采集的液柱长度对应的体积刻度，即可得到从岩心样品中渗流出的流体体积。量筒可以选择以下规格的量筒，量程5.0mL，精度0.0125mL；或量程10.0mL，精度0.025mL。

显微可视装置28为一显微成像摄像头和图像传感器，可以选用G1UC01M/C显微成像摄像头，其主要特点使用光学标准C型接口SONY ICX205图像传感器，12bit色深，具有1360X 1024的分辨率。

微管流量计27可采用带有刻度的毛细玻璃管，微管流量计通过显微可视装置读取微管流量计内采集的液柱长度对应的体积刻度，即可得到从岩心样品中渗流出的流体体积。微管流量计可从以下规格中选择，量程0.1mL，精度0.0005mL；量程0.5mL，精度0.0025mL；或量程1mL，精度0.005mL。

第一三通阀门13、第二三通阀门19、第三三通阀门26均为带开关的三通阀，可以通过开关来控制两个接口或者三个接口的连通。

采液管3的一端、连接管4的一端、进液总管5的一端分别与第一三通阀门13连接，连接管4的另一端与注射器11连接，气体传感器20安装于连接管4上，进液总管5的另一端分别与第一进液支管6和第二进液支管7的一端连接，岩心夹持器9安装于第一进液支管6上，差压计10安装于第二进液支管7上，第一进液支管6和第二进液支管7的另一端分别与排液总管8的一端连接。采液管3与第二三通阀门19其中的两个接口连接，排气管21的一端与第二三通阀门19的另一接口连接。

排液总管8的另一端、第一排液支管23的一端、第二排液支管25的一端分别与第三三通阀门26连接，第一排液支管23的另一端位于量筒24的正上方，第二排液支管25的另一端与微管流量计27连接，显微可视装置28正对微管流量计25。大流量时(流量达0.1mL/min时，微管流量计量程不够)通过量筒采集各第一排液支管的流量，方便简单，同时也便于及时排出第一排液支管流出的大量液体，小流量时(流量低于0.1mL/min时，量筒的精度不够)采用微管流量计计量流量，通过显微可视装置时刻监测。

各采样管3的另一端与对应的溶剂过滤头29连接，各排气管21的另一端均与废液罐22连通。各岩心测量机构的岩心夹持器9和差压计10均位于恒温振荡器2中，且岩心夹持器9和差压计10依次排列，且岩心夹持器9和差压计10交错分布，恒温振荡器其将所有的岩心夹持器和差压计包围在里面，提供恒定的实验温度。

围压加压机构包括加压干管14、加压支管18、围压泵15、压力表16和多通阀门17。围压泵15选用手动围压泵，压力表16为数字压力表，可以选用型号为YK-100的数字压力表，多通阀门17选用六通阀门。加压支管18和岩心夹持器9的个数相同，加压干管14的一端与围压泵15连接，加压干管14的另一端、压力表16、各加压支管18的一端分别多通阀门17连接，各加压支管18的另一端分别与对应的岩心夹持器9连通。

数据采集机构包括差压转换台30和数据采集控制台31，差压转换台30的型号为ValidynDP15，数据采集控制台31可以为一台电脑，也可以选用控制芯片，其型号为TMS320DSC2X。各差压计10均与差压转换台30电连接，各显微可视装置28均与数据采集控制台31电连接，差压转换台30与数据采集控制台31电连接。

下面结合上述的装置对本发明的多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的方法进行详细说明。

实施例1

1、获取致密储层处的4个圆柱状的岩心样品，并对4个岩心样品进行标记，分别标记为样品A、样品B、样品C和样品D，测量4个岩心样品的孔隙度、渗透率和尺寸，具体如下表1所示：

表1

样品编号	长度cm	直径cm	孔隙度％	气测渗透率mD
					样品A	5.488	2.510	15.12	0.019
样品B	4.730	2.519	15.59	0.018
					样品C	5.475	2.512	13.73	0.038
样品D	5.006	2.499	16.09	0.050

2、工作液体为模拟地层水溶液，即为氯化钾溶液，配制矿化度为30000mg/L的氯化钾溶液；

3、将4个岩心样品分别浸入氯化钾溶液中，在设定压力20MPa下进行抽真空加压饱和，饱和48小时，得到4个饱和的岩心样品；

4、调整各第一三通阀门，使各注射器均与储液罐连通，各进液总管与对应第一三通阀门不连通，打开各注射泵，将储液罐内的氯化钾溶液吸入对应的注射器中，直至达到设定体积值5mL，关闭注射泵；

5、若某一注射器和/或连接管中有气泡存在，调整对应的第一三通阀门和第二三通阀门，使所述注射器与废液罐连通，所述注射器与储液罐不连通，对应的进液总管与对应第一三通阀门不连通，打开对应的注射泵，将气泡排入废液储罐中，关闭对应的注射泵；

在对某一注射器和/或连接管是否排空进行判断时，主要是通过观察注射器和连接管内是否有气泡以及气传感器监测结果来判断气体的存在，当观察到注射器和连接管里没有气泡了，同时气体传感器结果也无气体，表明注射器和连接管内的气体均排空，里面全为液体。

6、按图1中从左至右的顺序将4个岩心测量机构分别编号为岩心测量机构A、岩心测量机构B、岩心测量机构C、岩心测量机构D，开启恒温振荡器，达到设定温度25℃后，将样品A放置于岩心夹持器A的密封腔中、样品B放置于岩心夹持器B的密封腔中、样品C放置于岩心夹持器C的密封腔中、样品D放置于岩心夹持器D的密封腔中，打开围压泵，对4个岩心夹持器中的岩心样品分别施加2MPa的围压；

7、调整各第一三通阀门，使各注射器均与储液罐和废液罐不连通，各进液总管与对应第一三通阀门连通，打开各注射泵，设置4个注射泵的初始流速(即驱替流速)均为0.8μL/min，通过各注射泵将对应的注射器中的氯化钾溶液压入对应的岩心夹持器中，当各差压计中的压力达到稳定后，对应的微管流量计中的流体流量值也达到稳定时，通过差压转换台采集各差压计的差压值；

围压的设定主要是通过压力表采集的压力进行判断，流动稳定判断主要通过差压转换台采集的压差值以及量筒或微管流量计测量的流量值来进行判断；

8、重复步骤7九次，进行不同注入速率条件下的驱替实验，即改变4个注射泵的流速(即驱替流速)分别为0.6μL/min、0.4μL/min，0.2μL/min，0.1μL/min，0.08μL/min，0.06μL/min，0.04μL/min，0.03μL/min，0.025μL/min，其他条件不变；

9、不同驱替流速下的各岩心样品两端的差压值，具体结果如下表2所示：

表2

10、根据上述测得的数据绘图，以压力梯度为横坐标，压力梯度等于差压除以岩心样品的长度，以驱替流速为纵坐标，拟合成渗流曲线，如图2所示，岩心的驱替流速值可以达0.025μL/min，实验流速值足够低，满足实验要求。

根据渗流曲线可以判断岩心样片渗流是否符合达西线性渗流定律。根据拟合的渗流曲线的方程，当渗流速度为0时，可以获得岩心样品的拟启动压力梯度，具体结果见表3：

表3

Claims (7)

1.一种多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置，其特征在于：包括储液罐、恒温控制机构、岩心测量机构、围压加压机构和数据采集机构，岩心测量机构有多个，岩心测量机构包括采液管、连接管、进液总管、第一进液支管、第二进液支管、排液总管、岩心夹持器、差压计、第一三通阀门、液体注入机构和流量测量机构，第一三通阀门为带开关的三通阀门，液体注入机构包括采液容器和动力机构，动力机构与采液容器连接，采液管的一端、连接管的一端、进液总管的一端分别与第一三通阀门连接，连接管的另一端与采液容器连接，进液总管的另一端分别与第一进液支管和第二进液支管的一端连接，第一进液支管和第二进液支管的另一端分别与排液总管的一端连接，岩心夹持器安装于第一进液支管上，差压计安装于第二进液支管，排液总管的另一端与流量测量机构连接，各采样管的另一端均与储液罐连通，各岩心测量机构的岩心夹持器和差压计均位于恒温控制机构中，围压加压机构包括加压干管、加压支管、围压泵、压力表和多通阀门，加压支管和岩心夹持器的个数相同，加压干管的一端与围压泵连接，加压干管的另一端、压力表、各加压支管的一端分别多通阀门连接，各加压支管的另一端分别与对应的岩心夹持器连通，数据采集机构包括差压转换台，各差压计与差压转换台电连接。

2.根据权利要求1所述的多组岩样低速非达西渗流试验同时测量装置，其特征在于：还包括废液罐，岩心测量机构还包括排气机构，排气机构包括第二三通阀门、气体传感器和排气管，气体传感器和连接管的个数相同，第二三通阀门为带开关的三通阀门，采液管与第二三通阀门其中的两个接口连接，排气管的一端与第二三通阀门的另一接口连接，各排气管的另一端均与废液管连通，各气体传感器安装于对应的连接管上。

3.根据权利要求1所述的多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置，其特征在于：所述的流量测量机构包括第一排液支管、量筒、第二排液支管、第三三通阀门、微管流量计和显微可视装置，排液总管的另一端、第一排液支管的一端、第二排液支管的一端分别与第三三通阀门连接，第一排液支管的另一端位于量筒的正上方，第二排液支管的另一端与微管流量计连接，显微可视装置正对微管流量计，数据采集机构还包括数据采集控制台，各显微可视装置均与数据采集控制台电连接，差压转换台与数据采集控制台电连接。

4.根据权利要求1所述的多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置，其特征在于：所述的采液容器为注射器，动力机构为注射泵，恒温控制机构为恒温振荡器。

5.根据权利要求1所述的多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的装置，其特征在于：储液罐内设置有多个溶剂过滤头，各采样管的另一端与对应的溶剂过滤头连接。

6.一种多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的方法，其特征在于包括如下步骤：

6.1、获取致密储层处的多个岩心样品，岩心样品和岩心夹持器的个数相同，测量并记录各岩心样品的孔隙度、渗透率和尺寸，配制工作液体A，在设定压力下将各岩心样品分别浸入工作液体A中进行抽真空加压饱和，得到多个饱和的岩心样品；

6.2、调整各第一三通阀门，使各采液容器均与储液罐连通，各进液总管与对应第一三通阀门不连通，打开各动力机构，将储液罐内的工作液体B吸入对应的采液容器中，直到设定体积值，关闭动力机构；

6.3、开启恒温控制机构，到达设定温度后，将各饱和的岩心样品分别放置于对应的岩心夹持器的密封腔内，打开围压泵，对各饱和的岩心样品施加设定的围压；

6.4、调整各第一三通阀门，使各采液容器均与储液罐不连通，各进液总管与对应第一三通阀门连通，打开各动力机构，设置某一驱替流速驱动对应采液容器中的工作液体B进入对应的岩心夹持器和差压计中，当各差压计中的压力达到稳定后，对应的流量测量机构中的流量值达到稳定时，通过差压转换台采集各差压计的差压值；

6.5、改变驱替流量，测量下一个驱替流速条件下各岩心样品两端连接的压差计的差压；

6.6、重复步骤6.5N次，N为正整数，直至得到各岩心样品的渗流曲线。

7.根据权利要求1所述的多组岩样低速非达西渗流试验同时测量的方法，其特征在于：步骤6.2中，向各采液容器中采液完成后，若某一采液容器和/或连接管中有气泡存在，调整对应的第一三通阀门和第二三通阀门，使所述采液容器与废液罐连通，所述采液容器与储液罐不连通，对应的进液总管与对应第一三通阀门不连通，打开对应的动力机构，将气泡排入废液储罐中，关闭对应的动力机构。