CN111239023A - 一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试系统及测试方法，包括恒温箱，恒温箱内部设置有夹持岩石的岩心夹持器，岩心夹持器上连接有用于给岩石内部孔隙供液以及给岩石内部孔隙流体增压的加压供液单元，岩心夹持器的出口还连接有回压阀，回压阀上连接有毛细管和用于调节岩石内部孔隙流体压力的压力控制单元，靠近毛细管的恒温箱顶部设置有视窗，视窗上方设置有用于采集毛细管内液面移动图像的图像采集单元以及对采集到的图像数据进行处理分析的图像数据处理单元，图像数据处理单元和图像采集单元电连接。本发明能实时测试岩石在不同孔隙压力条件下的压缩系数，且测试效率高，实验方法简单，操作容易，值得推广。

Description

一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及岩石物性参数测量技术领域，特别是涉及一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试系统及测试方法。

背景技术

岩石压缩系数定义为：在不同有效上覆压力下，改变单位压力引起的孔隙体积变化率。它是表征岩石弹性能量大小的重要物性参数，在实验室内模拟油田开发过程，测量得到地层条件下的岩石孔隙体积压缩系数对分析储层渗流过程，确定开发产能变化规律，预测开发效果等具有重要意义。

但目前测试岩石压缩系数的方法存在很多弊端，例如，测试方法繁琐、实验室实现难度大、仪器昂贵等，缺乏一种快捷、高效、易于实现的岩石压缩系数测试方法及测试系统。

发明内容

本发明实施例提供了一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试系统及测试方法，可以解决现有技术中存在的问题。

本发明提供了一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试系统，该系统包括包括恒温箱，恒温箱内部设置有夹持岩石的岩心夹持器，岩心夹持器上连接有用于给岩石内部孔隙供液以及给岩石内部孔隙流体增压的加压供液单元，岩心夹持器的出口还连接有回压阀，回压阀上连接有毛细管和用于调节岩石内部孔隙流体压力的压力控制单元，靠近毛细管的恒温箱顶部设置有视窗，视窗上方设置有用于采集毛细管内液面移动图像的图像采集单元以及对采集到的图像数据进行处理分析的图像数据处理单元，图像数据处理单元和图像采集单元电连接。

优选地，加压供液单元包括煤油储罐，煤油储罐通过管道I分别和岩心夹持器的入口、出口连接，管道I上设置有高压恒流泵和压力表II，靠近岩心夹持器的入口和出口的管道I上均设置有开关阀。

优选地，压力控制单元包括回压跟踪泵和压力表III，回压跟踪泵和压力表III通过管道II和回压阀连接。

优选地，图像采集单元包括设置在恒温箱上的显微镜，显微镜的目镜上方设置有摄像头，显微镜的物镜朝向视窗，显微镜一侧还设置有光源，光源发出的光束朝向视窗，显微镜和摄像头均和图像数据处理单元电连接。

本发明还提供了一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试方法，该方法包括以下步骤：

根据区块地质资料，确定地层压力及最高上覆岩层压力，计算地层压力和最高上覆岩层压力的差值得到岩层骨架受到的最大有效应力；

采取所述区块的岩心，将岩心的孔隙抽到真空状态，给真空状态下的孔隙内注入饱和煤油，并根据岩心的孔隙注入饱和煤油前后岩心的质量差及煤油密度，计算岩心的原始孔隙体积V_i；

对测试系统的误差进行标定，利用测试系统测定所述含有饱和煤油的岩心压缩系数。

优选地，对测试系统的误差进行标定的步骤为：

将实心钢柱放入岩心夹持器中，施加围压，打开岩心夹持器的入口和出口管道I上的开关阀，然后打开高压恒流泵，并将高压恒流泵调至恒压模式，设置高压恒流泵的泵压在0.5-1.0MPa，启动高压恒流泵；

待回压阀出口有流体连续流出后，根据最大有效应力，将回压跟踪泵的压力升至aMPa，调节高压恒流泵，使高压恒流泵的泵压连续升高，同时控制手动计量泵，使围压连续升高，保证围压始终高于泵压4MPa，直至围压加到a MPa，泵压一直加到a-4MPa为止；

待压力稳定后，关闭入口和出口管道I上的开关阀，关闭高压恒流泵，然后将毛细管接至回压阀的出口端；

控制回压跟踪泵逐点降低岩心夹持器出口上的管道II压力，各压力点间隔一般为3-5MPa，并保持上覆压力恒定，采用摄像头拍摄经显微镜放大后的每个压力点下毛细管内流体液面移动距离，然后根据下式(1)得到流出流体体积V₁：

V₁＝0.01πL₁ (1)

式中，L₁为采用实心钢柱标定系统误差时某压力点下毛细管内流体液面移动距离，V₁即为各试验点下，压力降低时由系统中管阀、皮套等弹性形变引起的流体体积膨胀量；

直到岩心夹持器出口6的管道II压力降低到0MPa时，停止实验。

优选地，利用测试系统测定所述含有饱和煤油的岩心压缩系数的步骤为：

将饱和煤油的岩心放入岩心夹持器中，采用手动计量泵加围压，并打开岩心夹持器入口阀门和出口阀门，打开高压恒流泵并调至恒压模式，设置泵压，即为初始孔隙压力，然后启动高压恒流泵；

待回压阀出口端有流体流出时，迅速将回压跟踪泵的压力升至a MPa，在围压始终高于孔隙压力4MPa的前提下，连续升高围压和孔隙压力，围压一直加到实验要求的a+4MPa，孔隙压力一直加到a MPa为止；

待压力稳定后，关闭岩心夹持器的入口阀门和出口阀门，然后关闭高压恒流泵，将毛细管接至回压阀的出口端；

控制回压跟踪泵以3-5MPa的步长逐点降低孔隙压力，保持上覆压力恒定，开启图像数据采集单元记录毛细管内流体液面移动距离L₁，并通过图像处理单元分析每个试验点下毛细管内流出流体的体积V₂，由下式(2)计算各试验点的孔隙体积V_p；

V_p＝V_i-V₂+V₁+V_e (2)

其中，V_i为岩样原始孔隙体积；V_e为岩心中流体因压力下降在每个试验点下的体积膨胀量；

V_e＝V_a×k₁-V_in (3)

其中，V_in为最高内压时流体的体积，即岩样内部孔隙体积，V_a为实验开始时，流体膨胀到大气压时的体积，k₁为某一内压下流体的体积系数；

根据实验中每个试验点的有效应力与孔隙体积V_p的关系曲线，求出曲线上各点的切线的斜率tgθ，由下式(4)计算压缩系数值C_p。

C_p＝tgθ×1/V_p (4)

相对于现有技术，本发明的优点在于：

本发明的测试方法，将毛细管作为从孔隙中流出流体的接收和计量装置，采用图像数据采集方式对岩石孔隙收缩引起的孔隙流体体积变化进行实时监测，并能实时测试分析岩石在不同孔隙压力条件下的压缩系数，且测试效率高，实验方法简单，操作容易，值得推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测试系统的结构示意图；

图2为本发明测试系统的毛细管内流体液面移动距离结构示意图；

图3为本发明测试方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明提供了一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试系统：

实验系统的压力范围为0-100MPa，温度范围为室温-150℃，加压供液单元主要为岩心夹持器5中的岩样提供初始孔隙流体压力。

具体的实现方式如下所述：高压恒流泵2从煤油储罐1吸油后，通过六通阀和高压针阀进入夹持器入口4，通过六通阀和高压针阀进入夹持器出口6，分别将煤油从岩心夹持器5的两端注入岩心内，孔隙流体的初始压力可由高压恒流泵2来控制，手动计量泵7主要为岩心提供围压，用以模拟地层条件下上覆岩层的压力，此测试系统能够实时测试分析岩石在不同孔隙压力条件下的压缩系数，具体实现方式如下：

在向岩心夹持器5的两端注入流体时，同时打开回压跟踪泵10，使回压达到孔隙流体压力设定值，当岩心夹持器5内的岩心孔隙流体压力也达到设定值后，关闭夹持器入口和出口的开关阀，通过调节回压跟踪泵10逐渐降低回压，促使孔隙压力减小，岩石孔隙收缩将引起流体流出并进入毛细管12，毛细管12中的液面移动可由显微镜13放大后摄像头14实时拍摄，并将图像同步传入计算机16，在计算机中，由编写的图像处理软件对液面移动距离进行分析计算，在分析软件中，将液面初始位置标记为L1，液面移动后的位置标记为L2，某个压力点下，液面移动距离为L＝L2-L1，进而可计算出流出流体的体积，再结合岩石有效应力、流体体积系数等参数，对压缩系数进行在线计算。岩心夹持器5和毛细管12都处于恒温箱内，可保证整个系统温度稳定。

本发明的操作步骤是：

(1)实验参数的选择

根据区块地质资料，确定地层压力及最高上覆岩层压力，可计算得到岩层骨架受到的最大有效应力，最大有效应力为最高上覆压力和地层压力的差值，例如，地层压力为72MPa，而最高上覆压力可达116MPa，则最大的有效应力为44MPa，即为测定岩石压缩系数时采用的最大有效应力。

(2)实验材料的准备

实验材料包括：煤油2L，氮气1瓶，苯，无水乙醇，直径为2.5cm的实心钢柱，天然岩心。将天然岩心置入洗油仪中，采用苯和无水乙醇的混合物对天然岩心进行洗油，将岩心清洗干净后，取出放入干燥箱，烘干，一般在80℃条件下干燥8-10h。然后采用皂沫流量计法对岩心的气体渗透率进行测试，采用氮气作为气体介质。将岩心置入饱和罐中，采用真空泵把岩心孔隙抽到真空状态，将煤油灌入饱和罐，使岩心孔隙内充分饱和煤油，并根据饱和前后岩样的质量差及煤油密度，计算岩心的孔隙度。将煤油分别加入煤油储罐1、手动计量泵7和回压跟踪泵10中，然后将岩心置入岩心夹持器5中。

(3)测试系统标定

在测定岩心的压缩系数前，首先采用实心钢柱对测试系统的误差进行标定，因为在岩心压缩系数测试过程中，测试系统中管阀、皮套等弹性形变会引起流体体积的膨胀，从而引入误差。具体的操作步骤如下：

①将直径为2.5cm的实心钢柱放入岩心夹持器5中，采用手动计量泵7加围压，打开夹持器入口和出口的开关阀，然后打开高压恒流泵2，并将其调至恒压模式，设置高压恒流泵2的泵压，并启动高压恒流泵2；

②待回压阀9出口有流体连续流出后，将回压跟踪泵10的压力升至40MPa，通过不断调节高压恒流泵2的压力，使泵压连续升高，同时通过不断旋转手动计量泵的手轮，使围压连续升高，且围压始终高于泵压4MPa，围压一直加到44MPa，泵压一直加到40MPa为止；

③待压力稳定后，关闭夹持器入口和出口的开关阀，关闭高压恒流泵2，然后将毛细管12接至回压阀9的出口端；

④控制回压跟踪泵10逐点降低岩心夹持器5出口端管路压力，各压力点间隔为3-5MPa，并保持上覆压力恒定，毛细管12中液面移动图像经显微镜13放大后，采用摄像头14记录每个压力点下毛细管12内流体液面移动距离如图2所示，并在线分析得到流出流体体积V1：

V1＝0.01πL1 (1)

式中，L1为采用实心钢柱标定系统误差时某压力点下毛细管12内流体液面移动距离，V1即为各试验点下，压力降低时由系统中管阀、皮套等弹性形变引起的流体体积膨胀量；

⑤直到岩心夹持器5出口端管路压力降低到0MPa时，停止实验，测试完成后，释放围压和管路压力，取出岩样，清洗管线，恢复仪器初始状态；

(4)岩石压缩系数测定

①将饱和煤油的岩心放入夹持器5中，采用手动计量泵7加围压，并打开夹持器5入口和出口的开关阀，打开高压恒流泵2并调至恒压模式，设置泵压，即为初始孔隙压力，然后启动高压恒流泵2；

②待流体从回压阀9的出口端连续流出后，开启回压跟踪泵10加回压，加至40MPa，在围压始终高于孔隙压力4MPa的前提下，连续升高围压和孔隙压力，围压一直加到实验要求的44MPa，孔隙压力一直加到40MPa为止；

③待压力稳定后，关闭夹持器5的入口和出口的开关阀，然后，关闭高压恒流泵2，将毛细管12接至回压阀9的出口端；

④控制回压跟踪泵10以3-5MPa的步长逐点降低孔隙压力，保持上覆压力恒定，开启图像数据采集系统记录毛细管内流体液面移动距离，并在线分析每个试验点下毛细管12内流出流体的体积V2，计算各试验点的孔隙体积Vp；

⑤直到孔隙压力降低到0MPa时，停止实验，测试完成后，释放围压和孔隙压力，取出岩样，清洗管线，恢复仪器初始状态。

(5)图像处理单元的数据处理过程

①流出流体体积V2的计算

毛细管的内径为0.1mm，如图2所示，某压力点下经图像采集处理系统测量，毛细管内液面移动距离为L2，则这个压力点下，流体流出体积为：

V2＝0.01πL2 (2)

式中，L2为某压力点下毛细管12内液面移动距离，V2为某压力点下流出流体体积。

②某实验点下岩样的孔隙体积

岩样原始孔隙体积记为Vi，岩心中流体因压力下降在每个试验点下的体积膨胀量记为Ve，则各实验点下岩样的孔隙体积实际为：

V_p＝V_i-V₂+V₁+V_e (3)

其中，Ve按下式计算：

V_e＝V_a×k₁-V_in (4)

其中，Vin为最高内压时流体的体积，为岩样内部孔隙体积，Va为实验开始时，流体膨胀到大气压时的体积，k1为某一内压下流体的体积系数。

③压缩系数计算

做有效应力与孔隙体积的关系曲线，求出曲线上各点的切线的斜率tgθ，按下式计算孔隙体积压缩系数值：

C_p＝tgθ×1/V_p (5)

其中，Cp为岩样的孔隙体积压缩系数值，θ为有效应力与孔隙体积的关系曲线上某点的切线与x轴夹角，Vp为各实验点下岩样的实际孔隙体积。

综上，本发明的测试方法，将毛细管作为从孔隙中流出流体的接收和计量装置，采用图像数据采集方式对岩石孔隙收缩引起的孔隙流体体积变化进行实时监测，并能实时测试分析岩石在不同孔隙压力条件下的压缩系数，且测试效率高，实验方法简单，操作容易，值得推广。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试系统，其特征在于，包括恒温箱(17)，所述恒温箱(17)内部设置有夹持岩石的岩心夹持器(5)，所述岩心夹持器(5)上连接有用于给岩石内部孔隙供液以及给岩石内部孔隙流体增压的加压供液单元，岩心夹持器(5)的出口还连接有回压阀(9)，回压阀(9)上连接有毛细管(12)和用于调节岩石内部孔隙流体压力的压力控制单元，靠近毛细管(12)的恒温箱(17)顶部设置有视窗(18)，所述视窗(18)上方设置有用于采集毛细管(12)内液面移动图像的图像采集单元以及对采集到的图像数据进行处理分析的图像数据处理单元，所述图像数据处理单元和图像采集单元电连接。

2.如权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试系统，其特征在于，所述加压供液单元包括煤油储罐(1)，煤油储罐(1)通过管道I分别和岩心夹持器(5)的入口(4)、出口(6)连接，所述管道I上设置有高压恒流泵(2)和压力表II(3)，靠近岩心夹持器(5)的入口(4)和出口(6)的管道I上均设置有开关阀。

3.如权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试系统，其特征在于，所述压力控制单元包括回压跟踪泵(10)和压力表III(11)，回压跟踪泵(10)和压力表III(11)通过管道II和回压阀(9)连接。

4.如权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试系统，其特征在于，所述图像采集单元包括设置在恒温箱(17)上的显微镜(13)，所述显微镜(13)的目镜上方设置有摄像头(14)，所述显微镜(13)的物镜朝向视窗(18)，所述显微镜(13)一侧还设置有光源(15)，所述光源(15)发出的光束朝向视窗(18)，所述显微镜(13)和摄像头(14)均和图像数据处理单元电连接。

5.一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试方法，该方法包括以下步骤：

根据区块地质资料，确定地层压力及最高上覆岩层压力，计算地层压力和最高上覆岩层压力的差值得到岩层骨架受到的最大有效应力；

采取所述区块的岩心，将岩心的孔隙抽到真空状态，给真空状态下的孔隙内注入饱和煤油，并根据岩心的孔隙注入饱和煤油前后岩心的质量差及煤油密度，计算岩心的原始孔隙体积V_i；

对测试系统的误差进行标定，利用测试系统测定所述含有饱和煤油的岩心压缩系数。

6.如权利要求5所述的一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试方法，其特征在于，对测试系统的误差进行标定的步骤为：

将实心钢柱放入岩心夹持器(5)中，施加围压，打开岩心夹持器(5)的入口(4)和出口(6)管道I上的开关阀，然后打开高压恒流泵(2)，并将高压恒流泵(2)调至恒压模式，设置高压恒流泵(2)的泵压在0.5-1.0MPa，启动高压恒流泵(2)；

待回压阀(9)出口有流体连续流出后，根据最大有效应力，将回压跟踪泵(10)的压力升至aMPa，调节高压恒流泵(2)，使高压恒流泵(2)的泵压连续升高，同时控制手动计量泵(7)，使围压连续升高，保证围压始终高于泵压4MPa，直至围压加到a MPa，泵压一直加到a-4MPa为止；

待压力稳定后，关闭入口(4)和出口(6)管道I上的开关阀，关闭高压恒流泵(2)，然后将毛细管(12)接至回压阀(9)的出口端；

控制回压跟踪泵(10)逐点降低岩心夹持器(5)出口(6)上的管道II压力，各压力点间隔一般为3-5MPa，并保持上覆压力恒定，采用摄像头(14)拍摄经显微镜(13)放大后的每个压力点下毛细管(12)内流体液面移动距离，然后根据下式(1)得到流出流体体积V₁：

V₁＝0.01πL₁ (1)

式中，L₁为采用实心钢柱标定系统误差时某压力点下毛细管(12)内流体液面移动距离，V₁即为各试验点下，压力降低时由系统中管阀、皮套等弹性形变引起的流体体积膨胀量；

直到岩心夹持器(5)出口6的管道II压力降低到0MPa时，停止实验。

7.如权利要求5所述的一种高温高压条件下岩石压缩系数的测试方法，其特征在于，利用测试系统测定所述含有饱和煤油的岩心压缩系数的步骤为：

将饱和煤油的岩心放入岩心夹持器(5)中，采用手动计量泵(7)加围压，并打开岩心夹持器(5)入口阀门和出口阀门，打开高压恒流泵(2)并调至恒压模式，设置泵压，即为初始孔隙压力，然后启动高压恒流泵(2)；

待回压阀(9)出口端有流体流出时，迅速将回压跟踪泵(10)的压力升至a MPa，在围压始终高于孔隙压力4MPa的前提下，连续升高围压和孔隙压力，围压一直加到实验要求的a+4MPa，孔隙压力一直加到a MPa为止；

待压力稳定后，关闭岩心夹持器(5)的入口阀门和出口阀门，然后关闭高压恒流泵(2)，将毛细管(12)接至回压阀(9)的出口端；

控制回压跟踪泵(10)以3-5MPa的步长逐点降低孔隙压力，保持上覆压力恒定，开启图像数据采集单元记录毛细管内流体液面移动距离L₁，并通过图像处理单元分析每个试验点下毛细管(12)内流出流体的体积V₂，由下式(2)计算各试验点的孔隙体积V_p；

V_p＝V_i-V₂+V₁+V_e (2)

其中，V_i为岩样原始孔隙体积；V_e为岩心中流体因压力下降在每个试验点下的体积膨胀量；

V_e＝V_a×k₁-V_in (3)

其中，V_in为最高内压时流体的体积，即岩样内部孔隙体积，V_a为实验开始时，流体膨胀到大气压时的体积，k₁为某一内压下流体的体积系数；

直到孔隙压力降低到0MPa时，停止实验，测试完成后，释放围压和孔隙压力，取出岩样，清洗管线，恢复仪器初始状态；

根据实验中每个试验点的有效应力与孔隙体积V_p的关系曲线，求出曲线上各点的切线的斜率tgθ，由下式(4)计算压缩系数值C_p。

C_p＝tgθ×1/V_p (4)。

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