CN111638158A - 一种基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置及方法，所述测试装置包括水源部分、气源部分、三通阀、驱替系统、气水体积计量系统、数据采集控制台，所述气水体积计量系统包括气液收集罐，所述气液收集罐分别与电容测试装置和气体流量测试装置相连；所述水源部分和所述气源部分分别与所述驱替系统的输入端相连，所述驱替系统的输出端与所述气液收集罐相连，所述驱替系统的两端还分别与压差传感器的两个检测端相连，所述压差传感器、电容测试装置、气体流量测试装置分别与所述数据采集控制台相连。本发明通过测量水相电容值来计算岩心含水饱和度，从而计算得到更加精确的气水相对渗透率，减少人为操作的误差和不便。

Description

一种基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置及方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，特别涉及一种基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置及方法。

背景技术

近年来，随着油气需求的持续增长、常规油气藏的日益枯竭以及开发难度不断上升，非常规油气资源(致密气、致密油、页岩气等)已成为国内外油气勘探开发的重要领域。而致密气在非常规油气资源中储量潜力巨大，是未来重要的能源之一。致密砂岩气水相渗曲线是致密气勘探开发中一项非常重要的基础数据，该资料通常是在实验室对岩心做气驱水实验得到。获得相渗曲线的实验室方法包括稳态法和非稳态法，每种方法各有其优缺点。在非稳态实验时，不是像稳态法那样同时向岩心注入两种流体，而是先将岩心用水饱和，再用氮气进行驱替。即在气驱水过程中测定岩心出口端不同时刻产气量、产水量和两端压差等数据，获取气相、水相相对渗透率和对应的含水饱和度。非稳态法由于其在实验驱替过程中接近油气藏实际情况，并且实验时间较短，因此在各大油气田被广泛应用。

由于致密砂岩储层物性差、孔隙结构复杂，导致致密砂岩含水量较少，所以在实验过程中很难准确地测出被气体驱替出来的水的体积。实验室一般测试方法是在气体驱替一段时间后对致密砂岩岩心进行称重，得到致密砂岩岩心质量前后的差值，进而求出被气体驱替出来的水的体积。但是这种方法在实际测量过程中易受到外界因素影响且费时费力，计算出的气水相对渗透率存在较大误差。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置及方法，通过测量被气体驱替出来的水的电容值来计算岩心含水饱和度，获取气水相渗曲线，计算结果更加精确。

本发明的技术方案如下：

一方面，提供一种基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置，包括水源部分、气源部分、三通阀、驱替系统、气水体积计量系统、数据采集控制台，所述气水体积计量系统包括气液收集罐，所述气液收集罐分别与电容测试装置和气体流量测试装置相连；所述水源部分和所述气源部分分别与所述三通阀的A口和B口相连，所述三通阀的C口与所述驱替系统的输入端相连，所述驱替系统的输出端与所述气液收集罐相连，所述驱替系统的两端还分别与压差传感器的两个检测端相连，所述压差传感器、电容测试装置、气体流量测试装置分别与所述数据采集控制台相连。

作为优选，所述水源部分包括依次相连的驱替泵、中间容器和过滤器，所述中间容器内部设有活塞将所述中间容器分为传压介质腔和水源腔，所述水源腔分别与过滤器的输入端和水箱相连，所述过滤器的输出端与所述三通阀的A口相连，所述水箱与所述中间容器之间设有第一阀门。

作为优选，所述驱替泵上设有压力传感器。

作为优选，所述气源部分包括相连的高压氮气储罐和气体加湿中间容器，且相连的管路上依次设有第二阀门和气体质量流量计；所述气体加湿中间容器包括密闭容器，所述密闭容器内设有气体加湿液体，所述气体加湿液体为水，所述气体加湿中间容器的输出端与所述三通阀的B口相连，且相连的管路上设有第一压力控制器，所述第一压力控制器与所述数据采集控制台相连。

作为优选，所述驱替系统包括岩心夹持器、围压泵、回压阀，所述岩心夹持器的输入端与所述三通阀的C口相连，所述岩心夹持器的侧壁设有所述围压泵，所述岩心夹持器与所述围压泵之间的管路上依次设有第二压力控制器和第三阀门，所述岩心夹持器的输出端与所述气液收集罐相连，且相连的管路上设有所述回压阀，所述回压阀与所述数据采集控制台相连。

作为优选，所述气液收集罐还分别与温度测量装置和计时器相连，所述温度测量装置和所述计时器分别与所述数据采集控制台相连。

作为优选，所述电容测试装置采用电容水分测定仪，所述气体流量测试装置采用气体电磁流量计。

作为优选，所述电容水分测定仪采用铝电解电容器测量电容值。

另一方面，还提供一种基于电容法的致密砂岩气水相渗测试方法，采用上述任意一项所述的测试装置进行测试，具体包括以下步骤：

首先，获取致密砂岩处的烘干岩心，并记录岩心的孔隙度、渗透率、长度、干重和直径，配制地层水，并在设定压力下对岩心进行饱和，并测量岩心的饱和重；

然后，计算岩心干重和饱和重的差值，所述差值即为岩心饱和的地层水质量，称取与所述地层水质量相同的地层水，通过电容测试装置测量其电容值，记为C0；

最后，将致密砂岩岩心装入所述驱替系统，采用非稳态法测量致密砂岩岩心的气水相对渗透率。

作为优选，采用非稳态法测量致密砂岩岩心的气水相对渗透率时，具体包括以下步骤：

首先，通过水源部分饱和所述致密砂岩岩心，连续测试多次水相渗透率，当连续三次水相渗透率相对误差小于3％时，以此水相渗透率作为气-水相对渗透率的基础值；

然后，通过气源部分对所述致密砂岩岩心进行驱替，利用气体流量测试装置计量驱替过程的产气量，利用电容测试装置测得驱替过程中被气体驱替出来的水的电容值；

通过下式计算得到致密砂岩岩心在t时刻的电容含水饱和度：

式中：

S_wt为t时刻的电容含水饱和度，％；C_t为t时刻的电容值，F；C₀为初始时刻的电容值，F；

通过下式计算t时刻的累积产水量：

式中：

V_t为t时刻的累积产水量，mL；m₁为饱和水后岩心重，g；m₀为岩心干重，g；ρ_w为地层水密度，g/cm³；V_p为岩心孔隙体积，cm³；

绘制累积产气量、累积产水量、累积注气时间的关系曲线，在曲线上均匀取点，得到在一定时间间隔Δt内对应的产气量ΔV_gi和产水量ΔV_wi；

将岩心出口端压力下测量的累积流体产量修正到岩心平均压力下的值：

式中：

V_i为i时刻的累积流体产量，mL；ΔV_wi为i-1时刻到i时刻的水增量，mL；V_i-1为i-1时刻的累积流体产量，mL；p_a为大气压力的数值，Pa；Δp为驱替压差的数值，Pa；ΔV_gi为大气压下测得的某一时间间隔的气增量的数值，mL；

通过式(4)～(7)计算气水相对渗透率：

式中：

f_g为含气率，无量纲；f_w为含水率，无量纲；K_rg为气相相对渗透率，无量纲；K_rw为水相相对渗透率，无量纲；μ_g为实验条件下气相粘度，mPa·s；μ_w为实验条件下水相粘度，mPa·s；L为岩心长度，cm；K为气测渗透率，mD；A为岩心横截面积，cm²；Δt为驱替时间，s。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明通过数据采集控制台对整个实验进行控制，减少了人为操作的误差和不便；使用电容水分测定仪测量被驱替出来的水的体积，解决了测量致密砂岩相对渗透率时，由于被气体驱替出来的水较少而无法用水体积计量管准确测量的问题，同时避免了称重法中电子天平易受到外界因素影响且测试费时费力的问题，节约了时间，提高了数据准确性，使气水相对渗透率的测试结果更加准确。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置的结构示意图。

图中：

1-驱替泵、2-压力传感器、3-中间容器、4-第一阀门、5-水箱、6-过滤器、7-高压氮气储气罐、8-第二阀门、9-气体质量流量计、10-气体加湿中间容器、11-第一压力控制器、12-三通阀、13-岩心夹持器、14-压差传感器、15-第二压力控制器、16-第三阀门、17-围压泵、18-回压阀、19-气液收集罐、20-电容测试装置、21-温度测量装置、22-计时器、23-气体流量测试装置、24-数据采集控制台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。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技术特征可以相互结合。除非另外定义，本发明公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

如图1所示，一方面，本发明提供一种基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置，包括水源部分、气源部分、三通阀12、驱替系统、气水体积计量系统、数据采集控制台24，所述气水体积计量系统包括气液收集罐19，所述气液收集罐19分别与电容测试装置20和气体流量测试装置23相连；所述水源部分和所述气源部分分别与所述三通阀12的A口和B口相连，所述三通阀12的C口与所述驱替系统的输入端相连，所述驱替系统的输出端与所述气液收集罐19相连，所述驱替系统的两端还分别与压差传感器14的两个检测端相连，所述压差传感器14、电容测试装置20、气体流量测试装置23分别与所述数据采集控制台24相连。

在一个具体的实施例中，所述水源部分包括依次相连的驱替泵1、中间容器3和过滤器6，所述驱替泵1上设有压力传感器2，所述中间容器3内部设有活塞将所述中间容器分为传压介质腔和水源腔，所述水源腔分别与过滤器6的输入端和水箱5相连，所述过滤器6的输出端与所述三通阀12的A口相连，所述水箱5与所述中间容器3之间设有第一阀门4，所述水箱5内储存有模拟地层水。

在一个具体的实施例中，所述气源部分包括相连的高压氮气储气罐7和气体加湿中间容器10，且相连的管路上依次设有第二阀门8和气体质量流量计9；所述气体加湿中间容器10包括密闭容器，所述密闭容器内设有气体加湿液体，可选地，所述气体加湿液体为模拟地层水；所述气体加湿中间容器10的输出端与所述三通阀12的B口相连，且相连的管路上设有第一压力控制器11，所述第一压力控制器11与所述数据采集控制台24相连。

在一个具体的实施例中，所述驱替系统包括岩心夹持器13、围压泵17、回压阀18，所述岩心夹持器13的输入端与所述三通阀12的C口相连，所述岩心夹持器13的侧壁设有所述围压泵17，所述岩心夹持器13与所述围压泵17之间的管路上依次设有第二压力控制器15和第三阀门16，所述岩心夹持器13的输出端与所述气液收集罐19相连，且相连的管路上设有所述回压阀18，所述回压阀18与所述数据采集控制台24相连。

在一个具体的实施例中，所述气液收集罐19还分别与温度测量装置21和计时器22相连，所述温度测量装置21和所述计时器22分别与所述数据采集控制台24相连。

在一个具体的实施例中，所述电容测试装置20采用电容水分测定仪，所述气体流量测试装置23采用气体电磁流量计，所述电容水分测定仪采用铝电解电容器测量电容值，具体的，所述电容水分测定仪是利用一个高纯度铝片，表面为一层超薄的氧化铝薄膜，其外镀一层多孔的网状金膜，金膜与铝片之间形成电容，由于氧化铝薄膜的吸水性，使得电容值随产水体积的多少而改变，测量电容值的变化，即可得含水饱和度。

另一方面，本发明还提供一种基于电容法的致密砂岩气水相渗测试方法，采用上述实施例的测试装置进行测试，具体包括以下步骤：

S1：获取致密砂岩处的烘干岩心，并记录岩心的孔隙度、渗透率、长度、干重和直径，之后配制地层水，并在设定压力下对岩心进行饱和，并测量岩心的饱和重。

S2：计算岩心干重和饱和重的差值，即为岩心饱和进去地层水的质量，称取同样质量的地层水，通过电容测试装置20测量其电容值，记为C₀。

S3：将致密砂岩岩心装入岩心夹持器13中，打开围压泵17，产生的围压将岩心紧紧地包裹住。

S4：将三通阀12的A口打开，并打开第一阀门4，使水箱5中的地层水流入中间容器3中，用驱替泵1以一定的压力或流速使地层水通过岩心，待驱替岩心进出口的压差和出口流量稳定后，连续测三次水相渗透率，其相对误差小于3％，此水相渗透率作为气-水相对渗透率的基础值。

S5：将三通阀12的B口打开，并打开第二阀门8，然后通过第一压力控制器11调至驱替压力，此时高压氮气储气罐7中的氮气开始对致密砂岩岩心进行驱替，驱替过程中数据采集控制台24对第一压力控制器11、回压阀18、温度测量装置21、计时器22、电容测试装置20和气体流量测试装置23进行数据采集控制。其中，电容测试装置20和气体流量测试装置23分别对气驱水的产出水的电容和产气的体积进行测试计量。

S6：压差传感器14实时记录驱替压差，回压阀18用于避免回压下降或回压波动大的现象，有效保持岩心出口回压恒定。

S7：数据采集控制台24中显示并记录实验中所有实时数据，在准确得到各种实验数据之后，通过计算公式(1)至公式(7)来准确地计算出含水饱和度和气水相对渗透率，并绘制气水相对渗透率和含水饱和度的关系曲线。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置，其特征在于，包括水源部分、气源部分、三通阀、驱替系统、气水体积计量系统、数据采集控制台，所述气水体积计量系统包括气液收集罐，所述气液收集罐分别与电容测试装置和气体流量测试装置相连；所述水源部分和所述气源部分分别与所述三通阀的A口和B口相连，所述三通阀的C口与所述驱替系统的输入端相连，所述驱替系统的输出端与所述气液收集罐相连，所述驱替系统的两端还分别与压差传感器的两个检测端相连，所述压差传感器、电容测试装置、气体流量测试装置分别与所述数据采集控制台相连。

2.根据权利要求1所述的基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置，其特征在于，所述水源部分包括依次相连的驱替泵、中间容器和过滤器，所述中间容器内部设有活塞将所述中间容器分为传压介质腔和水源腔，所述水源腔分别与过滤器的输入端和水箱相连，所述过滤器的输出端与所述三通阀的A口相连，所述水箱与所述中间容器之间设有第一阀门。

3.根据权利要求2所述的基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置，其特征在于，所述驱替泵上设有压力传感器。

4.根据权利要求1所述的基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置，其特征在于，所述气源部分包括相连的高压氮气储罐和气体加湿中间容器，且相连的管路上依次设有第二阀门和气体质量流量计；所述气体加湿中间容器包括密闭容器，所述密闭容器内设有气体加湿液体，所述气体加湿液体为水，所述气体加湿中间容器的输出端与所述三通阀的B口相连，且相连的管路上设有第一压力控制器，所述第一压力控制器与所述数据采集控制台相连。

5.根据权利要求1所述的基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置，其特征在于，所述驱替系统包括岩心夹持器、围压泵、回压阀，所述岩心夹持器的输入端与所述三通阀的C口相连，所述岩心夹持器的侧壁设有所述围压泵，所述岩心夹持器与所述围压泵之间的管路上依次设有第二压力控制器和第三阀门，所述岩心夹持器的输出端与所述气液收集罐相连，且相连的管路上设有所述回压阀，所述回压阀与所述数据采集控制台相连。

6.根据权利要求1所述的基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置，其特征在于，所述气液收集罐还分别与温度测量装置和计时器相连，所述温度测量装置和所述计时器分别与所述数据采集控制台相连。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置，其特征在于，所述电容测试装置采用电容水分测定仪，所述气体流量测试装置采用气体电磁流量计。

8.根据权利要求7所述的基于电容法的致密砂岩气水相渗测试装置，其特征在于，所述电容水分测定仪采用铝电解电容器测量电容值。

9.一种基于电容法的致密砂岩气水相渗测试方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任意一项所述的测试装置进行测试，具体包括以下步骤：

首先，获取致密砂岩处的烘干岩心，并记录岩心的孔隙度、渗透率、长度、干重和直径，配制地层水，并在设定压力下对岩心进行饱和，并测量岩心的饱和重；

然后，计算岩心干重和饱和重的差值，所述差值即为岩心饱和的地层水质量，称取与所述地层水质量相同的地层水，通过电容测试装置测量其电容值，记为C₀；

最后，将致密砂岩岩心装入所述驱替系统，采用非稳态法测量致密砂岩岩心的气水相对渗透率。

10.根据权利要求9所述的基于电容法的致密砂岩气水相渗测试方法，其特征在于，采用非稳态法测量致密砂岩岩心的气水相对渗透率时，具体包括以下步骤：

首先，通过水源部分饱和所述致密砂岩岩心，连续测试多次水相渗透率，当连续三次水相渗透率相对误差小于3％时，以此水相渗透率作为气-水相对渗透率的基础值；

然后，通过气源部分对所述致密砂岩岩心进行驱替，利用气体流量测试装置计量驱替过程的产气量，利用电容测试装置测得驱替过程中被气体驱替出来的水的电容值；

通过下式计算得到致密砂岩岩心在t时刻的电容含水饱和度：

式中：

S_wt为t时刻的电容含水饱和度，％；C_t为t时刻的电容值，F；C₀为初始时刻的电容值，F；

通过下式计算t时刻的累积产水量：

式中：

V_t为t时刻的累积产水量，mL；m₁为饱和水后岩心重，g；m₀为岩心干重，g；ρ_w为地层水密度，g/cm³；V_p为岩心孔隙体积，cm³；

绘制累积产气量、累积产水量、累积注气时间的关系曲线，在曲线上均匀取点，得到在一定时间间隔Δt内对应的产气量ΔV_gi和产水量ΔV_wi；

将岩心出口端压力下测量的累积流体产量修正到岩心平均压力下的值：

式中：

V_i为i时刻的累积流体产量，mL；ΔV_wi为i-1时刻到i时刻的水增量，mL；V_i-1为i-1时刻的累积流体产量，mL；p_a为大气压力的数值，Pa；Δp为驱替压差的数值，Pa；ΔV_gi为大气压下测得的某一时间间隔的气增量的数值，mL；

通过式(4)～(7)计算气水相对渗透率：

式中：

f_g为含气率，无量纲；f_w为含水率，无量纲；K_rg为气相相对渗透率，无量纲；K_rw为水相相对渗透率，无量纲；μ_g为实验条件下气相粘度，mPa·s；μ_w为实验条件下水相粘度，mPa·s；L为岩心长度，cm；K为气测渗透率，mD；A为岩心横截面积，cm²；Δt为驱替时间，s。

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