CN112834407B - 一种测量岩心渗流力的装置及方法 - Google Patents

一种测量岩心渗流力的装置及方法 Download PDF

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    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change

Abstract

本发明公开了一种测量岩心渗流力的装置及方法，可伸缩式连接管线和滑轨安装于底座上，岩心夹持器安装于滑轨，岩心夹持器的驱替液入口与可伸缩式连接管线的出口连接，测力传感器的一端与岩心夹持器连接，测力传感器的另一端与底座连接；驱替装置的出口与可伸缩式连接管线的入口连接，围压泵与岩心夹持器的围压接口连接，回压泵和回收装置均与岩心夹持器的出口连接；抽真空装置与可伸缩式连接管线的入口以及岩心夹持器的出口连接；绝压传感器的一端与可伸缩式连接管线的入口连通，另一端与岩心夹持器的出口连通。利用本发明既能够证明渗流力的存在又能够测量不同类型流体在不同渗透率储层岩心渗流时所形成的渗流力大小。

Description

一种测量岩心渗流力的装置及方法
技术领域
本发明涉及石油工程岩石力学领域，特别涉及一种测量岩心渗流力的装置及方法。
背景技术
渗流力是土力学的一个重要概念，流体渗流过程中会以体积力的形式施加给土体渗流力，该力是造成边坡失稳、坝体稳定性以及滑坡等现象的一个重要原因，因此土力学学者对该力进行了大量研究。实际上在石油工程领域，渗流力存在于油气田开发的许多研究领域，比如水力压裂过程中孔隙流体渗流会对岩石骨架施加渗流力进而影响到岩石的起裂与裂缝的扩展；油气田开采过程中油气在储层岩石大规模运移，运移的油气在孔隙压力梯度作用下施加给储层渗流力，影响了储层的孔隙结构和应力场造成速敏和压敏；钻井过程中流体渗流施加给井筒周围储层渗流力，影响井筒稳定性。尽管渗流力对油气开采造成很大的影响，但是石油工程领域对渗流力的研究却鲜有报道，其研究主要的困难在于如何证明以及测定不同类型岩心的渗流力大小，以及在此基础上如何计算渗流力作用下岩石的应力场。
发明内容
为了克服当前研究难题，本发明提供了一种测量岩心渗流力的装置及方法，利用本发明既能够证明渗流力的存在又能够测量不同类型流体在不同渗透率储层岩心渗流时所形成的渗流力大小。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种测量岩心渗流力的装置，包括岩心夹持器组件、驱替装置、抽真空装置、围压泵、回压泵、绝压传感器和回收装置，岩心夹持器组件包括底座、岩心夹持器、可伸缩式连接管线、测力传感器和滑轨，可伸缩式连接管线和滑轨安装于底座上，岩心夹持器安装于滑轨，岩心夹持器的驱替液入口与可伸缩式连接管线的出口连接，测力传感器的一端与岩心夹持器连接，测力传感器的另一端与底座连接，测力传感器的测力方向、岩心夹持器在滑轨上的滑动方向和可伸缩式连接管线的伸缩方向相同；驱替装置的出口与可伸缩式连接管线的入口连接，围压泵与岩心夹持器的围压接口连接，回压泵和回收装置均与岩心夹持器的出口连接；抽真空装置与可伸缩式连接管线的入口以及岩心夹持器的出口连接；绝压传感器的一端与可伸缩式连接管线的入口连通，另一端与岩心夹持器的出口连通。
优选的，底座上连接有第一连接板，岩心夹持器上连接有第二连接板，测力传感器的两端分别与第一连接板和第二连接板连接。
优选的，测力传感器设置两个，两个测力传感器对称分布在岩心夹持器的两侧。
优选的，所述驱替装置包括驱替泵、中间容器以及液体容器，驱替泵的入口与液体容器连接，驱替泵的出口与中间容器的入口连接，中间容器的驱替液出口与可伸缩式连接管线的入口连接。
优选的，抽真空装置包括真空泵和缓冲罐，真空泵的入口与缓冲罐连接，缓冲罐与可伸缩式连接管线的入口以及岩心夹持器的出口连接。
优选的，绝压传感器的精度不小于0.1Pa；测力传感器的测量能力不小于3T；岩心夹持器所能夹持的岩心直径范围为2.5cm-5cm，最大长度为15cm。
本发明还提供了一种测量岩心渗流力的方法，所述测量岩心渗流力的方法采用本发明如上所述的测量岩心渗流力的装置进行，包括如下过程：
利用抽真空装置对整个管线的空气抽真空；
利用驱替装置对没有放置岩心的岩心装入岩心夹持器进行试驱，并记录测力传感器所测压力稳定时的第一压力；
将岩心装入岩心夹持器，并利用围压泵给岩心施加预设的围压；
利用驱替装置以预设压力进行驱替，记录岩心夹持器出口流量稳定后的测力传感器测得的第二压力以及绝压传感器的测得的压力差；
利用所述第一压力、第二压力以及压力差计算得到岩心渗流力。
优选的，所述岩心渗流力为岩心单位体积上的平均渗流力：
F=4(X2-X1)/(Lπd2)
X2-X1=(△Po) πd2/4
其中，F为岩心渗流力，X1为所述第一压力，X2为所述第二压力，d为岩心直径，L为岩心的长度，X2-X1=(△Po) πd2/4，△Po为岩心夹持器出口流量稳定后绝压传感器的测得的压力差。
优选的，利用驱替装置以预设压力进行驱替时，改变岩心渗透率大小测量不同岩心渗流力的值，若始终存在X2-X1=(△Po) πd2/4的关系，则证明渗流力存在，其中，岩心渗透率K=4QμL/(πd2△Po)，Q为岩心夹持器出口流量稳定后的流量，μ为驱替液粘度，L为岩心的长度，d为岩心直径，△Po为岩心夹持器出口流量稳定后绝压传感器的测得的压力差。
本发明具有如下有益效果：
本发明测量岩心渗流力的装置的岩心夹持器组件中，岩心夹持器安装于滑轨，因此在驱替装置对岩心夹持器进行驱替过程中，岩心夹持器由于受到力的作用能够在滑轨上自由滑动，岩心夹持器的驱替液入口与可伸缩式连接管线的出口连接，因此，在岩心夹持器沿滑轨滑动时还能够保证岩心夹持器驱替液入口的正常进液；测力传感器的一端与岩心夹持器连接，测力传感器的另一端与底座连接，因此，在驱替装置对岩心夹持器进行驱替过程中，测力传感器能够测量岩心夹持器所受力的大小；测力传感器的测力方向、岩心夹持器在滑轨上的滑动方向和可伸缩式连接管线的伸缩方向相同，这是为了满足测力传感器的测量需求。本发明的装置通过获取测力传感器所测力的大小、岩心尺寸、以及驱替相关参数，就能够证明渗流力存在与否以及可以测量不同类型岩心渗流力大小。本发明研究结果可为后续石油工程领域油气田开发提供重要的研究依据。
本发明测量岩心渗流力的方法中，通过测量没有放置岩心时的第一压力，能够消除由于摩擦等因素带来的测量误差，相当于对整个试验装置进行了初始的标定，记录岩心夹持器出口流量稳定后的测力传感器测得的第二压力以及绝压传感器的测得的压力差，这样保证了测量结果的准确性。本发明的测量方法过程简单、可靠，能够证明渗流力存在与否以及可以测量不同类型岩心渗流力大小。
附图说明
图1为本发明测量岩心渗流力的装置的结构示意图。
图2为本发明岩心夹持器组件的结构示意图。
图中，1.驱替泵，2.中间容器，3.真空泵，4.岩心夹持器组件，5.围压泵，6.绝压传感器，7.回压泵，8.量筒，9.岩心夹持器，10.底座，11.可伸缩式连接管线，12.测力传感器，13.滑轨，14.数据采集台，15-第一连接板，16-第二连接板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
参照图1和图2，本发明测量岩心渗流力的装置，包括岩心夹持器组件4、驱替装置、抽真空装置、围压泵5、回压泵7、绝压传感器6和回收装置，岩心夹持器组件4包括底座10、岩心夹持器9、可伸缩式连接管线11、测力传感器12和滑轨13，可伸缩式连接管线11和滑轨13安装于底座10上，岩心夹持器9安装于滑轨13，岩心夹持器9的驱替液入口与可伸缩式连接管线11的出口连接，测力传感器12的一端与岩心夹持器9连接，测力传感器12的另一端与底座10连接，测力传感器12的测力方向、岩心夹持器9在滑轨13上的滑动方向和可伸缩式连接管线11的伸缩方向相同；驱替装置的出口与可伸缩式连接管线11的入口连接，围压泵5与岩心夹持器9的围压接口连接，回压泵7和回收装置均与岩心夹持器9的出口连接；抽真空装置与可伸缩式连接管线11的入口以及岩心夹持器9的出口连接；绝压传感器6的一端与可伸缩式连接管线11的入口连通，另一端与岩心夹持器9的出口连通。
本发明的原理是:当流体流经岩心的孔隙时，微观角度上岩石骨架会受到拖曳力与摩擦力的作用，该力在土力学中被定义为渗流力，宏观角度上单位体积岩心的渗流力大小就等于孔隙压力梯度，量纲为N/m3。为了测量流体渗流时单位体积岩心渗流力的大小以及证明渗流力存在，本发明设计了渗流力测量装置，当流体从岩心夹持器9中的岩心渗流通过时，会对岩石施加渗流力，使得整个岩心受到一个轴向力的作用，通过记录测力传感器的读数记录这个轴向力的大小，即可得到流体渗流过程中渗流力随时间变化曲线以及最终平均渗流力的大小。同时通过测量不同渗透率岩心渗流力的大小，如果随着岩心渗透率的变化岩心所受到的总的渗流力始终等于岩心两个断面压力差与岩心侧表面积的乘积也就是等于两个断面上力的矢量和，则证明渗流力存在，说明渗流力只是改变了力的作用形式使得本来直接作用于岩心断面的推力变为了流体流经孔隙空间时作用于岩石骨架的摩擦力和拖曳力。
作为本发明优选的实施方案，参照图2，底座10上连接有第一连接板15，岩心夹持器9上连接有第二连接板16，测力传感器12的两端分别与第一连接板15和第二连接板16连接。
作为本发明优选的实施方案，参照图2，测力传感器12设置两个，两个测力传感器12对称分布在岩心夹持器9的两侧。
作为本发明优选的实施方案，参照图1，所述驱替装置包括驱替泵1、中间容器2以及液体容器，驱替泵1的入口与液体容器连接，驱替泵1的出口与中间容器2的入口连接，中间容器2的驱替液出口与可伸缩式连接管线11的入口连接。
作为本发明优选的实施方案，参照图1，所述液体容器和回收装置均采用量筒8。
作为本发明优选的实施方案，参照图1，抽真空装置包括真空泵3和缓冲罐，真空泵3的入口与缓冲罐连接，缓冲罐与可伸缩式连接管线11的入口以及岩心夹持器9的出口连接。
作为本发明优选的实施方案，绝压传感器6的精度不小于0.1Pa；测力传感器12的测量能力不小于3T；岩心夹持器所能夹持的岩心直径范围为2.5cm-5cm，最大长度为15cm。
实施例1
本实施例测量岩心渗流力的装置包括岩心夹持器组件4、驱替泵1、中间容器2、液体容器、真空泵3、缓冲罐、围压泵5、回压泵7、绝压传感器6和数据采集台14，岩心夹持器组件4包括底座10、岩心夹持器9、可伸缩式连接管线11、测力传感器12和滑轨13，可伸缩式连接管线11和滑轨13安装于底座10上，岩心夹持器9安装于滑轨13，岩心夹持器9的驱替液入口与可伸缩式连接管线11的出口连接，底座10上连接有第一连接板15，岩心夹持器9上连接有第二连接板16，测力传感器12的两端分别与第一连接板15和第二连接板16连接，测力传感器12的测力方向、岩心夹持器9在滑轨13上的滑动方向和可伸缩式连接管线11的伸缩方向相同；驱替泵1的入口与液体容器连接，驱替泵1的出口与中间容器2的入口连接，中间容器2的驱替液出口与可伸缩式连接管线11的入口连接，该液体容器采用量筒8，围压泵5与岩心夹持器9的围压接口连接，回压泵7和用于回收测量驱替液流量的量筒8均与岩心夹持器9的出口连接；真空泵3的入口与缓冲罐连接，缓冲罐与可伸缩式连接管线11的入口以及岩心夹持器9的出口连接；绝压传感器6的一端与可伸缩式连接管线11的入口连通，另一端与岩心夹持器9的出口连通。测力传感器12设置两个，两个测力传感器12对称分布在岩心夹持器9的两侧且安装方式相同。数据采集台14与驱替泵1、真空泵3、围压泵5、回压泵7、绝压传感器6和测力传感器12连接。驱替泵应具备恒压与恒速两种驱替模式，当岩心渗透率大于1D时，驱替泵的最大驱替流量应满足25-45 mL/cm3；当岩心渗透率小于100mD时驱替泵的最大驱替压力应满足10-25MPa；围压泵所能施加的围压范围为25MPa-50MPa；绝压传感器的精度不小于0.1Pa；测力传感器的测量能力不小于3T；岩心夹持器所能夹持的岩心直径范围为2.5cm-5cm，最大长度15cm。
当以恒定驱替压力驱替岩心时，岩心夹持器9带动滑轨13缓慢移动，岩心夹持器9对两侧的测力传感器12施加压力，测力传感器12的读数稳定时，通过该读数能够求出该驱替压力下岩心所受渗流力的大小。
本实施测量岩心渗流力的装置用于测量岩心渗流力时，包括如下步骤：
（1）打开真空泵3对整个管线的空气抽真空15分钟，以防止空气被挤入岩心。
（2）打开驱替泵1进行试驱5分钟，检查管线是否有漏液的情况，同时记录没有放置岩心时测力传感器12稳定时的读数记为X1。
（3）试驱没有发现漏液情况时，则在岩心夹持器9中夹持预先准备的圆柱形岩心，转动围压泵阀门，将3倍于设计驱替压力P的围压施加给岩心。
（4）打开驱替泵1，以设计压力P进行驱替，每隔5s记录测力传感器的总读数记为X，记录岩心夹持器两侧的绝压传感器的压差记为△P。
（6）观察岩心夹持器出液情况，待液体从管线流出，利用量筒测量出液流量大小，记为Q。
（7）当流量Q保持稳定以后，说明驱替达到了稳定状态，此时测力传感器读数如果稳定，便记录最终稳定的测试数据记为X2，△Po，X2位此时测力传感器12测得的压力，△Po为此时绝压传感器测得的压差。
（8）关闭驱替泵1，排空管线流体，换置岩心重复上述步骤进行下一组岩心测量。
测量结果的数据处理和分析包括如下步骤：
（1）绘制驱替过程中岩心所受到的渗流力y随时间t变化曲线，y=(X-X1)；该曲线为恒压驱替过程中岩石渗流力随时间瞬态变化的曲线，该曲线反映了水力压裂过程中井筒起裂和裂缝扩展或者其他渗流过程中流体渗流进入岩石，岩石所受到的真正的力的大小：
（2）计算岩心渗透率K=4QμL/(πd2△Po),其中Q为岩心夹持器出口流量稳定后的流量，μ为流体粘度，d为岩心直径，L为岩心的长度。
（3）计算岩心单位体积上的平均渗流力大小:F=4(X2-X1)/(Lπd2)
（4）改变岩心渗透率大小测量不同岩心渗流力的值，若始终存在X2-X1=(△Po) πd2/4的关系，则证明渗流力存在。实施例2：
本实施例的测量岩心渗流力的装置与实施例1的装置相同，本实施例选取岩心长度为10cm，直径为3cm，液测渗透率为500mD的人造岩心，将其切割成两半，测量其渗流力大小。具体的实验步骤为：
（1）利用管线将驱替泵、岩心夹持器、围压泵等连接起来。
（2）抽真空15分钟后，打开驱替泵进行试驱，检查管线有无漏液情况。
（3）记录试驱时测力传感器的初始总读数记为X1=1.23N。
（4）打开驱替泵，选择驱替流体为水，以2MPa压力进行恒压驱替，每隔5s记录测力传感器的总读数X，记录岩心夹持器两端绝压传感器的压差记为△P。
（5）当液体从左端流出，利用量筒测量出液流量大小，稳定时Q=6.69ml/cm3。
（6）当流量Q保持稳定以后，测力传感器读数稳定记录最终的压力表测试数据以及传感器读数X2=671.93N，△Po=0.94MPa.
计算岩心表面积S=πd2/4=7.0685cm2；体积V=Lπd2/4=35.3425cm3；因此可得岩心实际液测渗透率为498.5mD；岩心总的渗流力大小=671.93-1.23=670.7N；计算岩心单位体积上的平均渗流力大小:F=670.7/V=18.977N/cm3；此外岩心两个断面上所承受的力的矢量和=（1.99-1.05）*S =664.4N，和岩心所承受总的渗流力几乎相等。
实施例3：
本实施例的测量岩心渗流力的装置与实施例1的装置相同，本实施例选取岩心长度为10cm，直径为3cm，液测渗透率为1D的人造岩心，将其切割成两半，测量其渗流力大小。具体的实验步骤为：
（1）利用管线将驱替泵、岩心夹持器、围压泵等连接起来。
（2）抽真空15分钟后，打开驱替泵进行试驱，检查管线有无漏液情况。
（3）记录试驱时测力传感器的初始总读数记为X1=0.75N。
（4）打开驱替泵，选择驱替流体为水，以1MPa压力进行恒压驱替，每隔5s记录测力传感器的总读数X，记录岩心夹持器两端的压力表读数△P。
（5）当液体从左端流出，利用量筒测量出液流量大小，稳定时Q=5.907ml/cm3。
（6）当流量Q保持稳定以后，测力传感器读数稳定记录最终的压力表测试数据以及传感器读数X2=318.94N，△Po=0.46MPa.
计算岩心表面积S=πd2/4=7.0685cm2；体积V=Lπd2/4=35.3425cm3；因此可得岩心实际液测渗透率为995mD；岩心总的渗流力大小=318.94-0.75=318.19N；计算岩心单位体积上的平均渗流力大小:F=318.19/V=9N/cm3；此外岩心两个断面上所承受的力的矢量和=（0.98-0.52）*S =325.15N，和岩心所承受总的渗流力几乎相等。

Claims (7)

1.一种测量岩心渗流力的装置，其特征在于，包括岩心夹持器组件（4）、驱替装置、抽真空装置、围压泵（5）、回压泵（7）、绝压传感器（6）和回收装置，岩心夹持器组件（4）包括底座（10）、岩心夹持器（9）、可伸缩式连接管线（11）、测力传感器（12）和滑轨（13），可伸缩式连接管线（11）和滑轨（13）安装于底座（10）上，岩心夹持器（9）安装于滑轨（13），岩心夹持器（9）的驱替液入口与可伸缩式连接管线（11）的出口连接，测力传感器（12）的一端与岩心夹持器（9）连接，测力传感器（12）的另一端与底座（10）连接，测力传感器（12）的测力方向、岩心夹持器（9）在滑轨（13）上的滑动方向和可伸缩式连接管线（11）的伸缩方向相同；驱替装置的出口与可伸缩式连接管线（11）的入口连接，围压泵（5）与岩心夹持器（9）的围压接口连接，回压泵（7）和回收装置均与岩心夹持器（9）的出口连接；抽真空装置与可伸缩式连接管线（11）的入口以及岩心夹持器（9）的出口连接；绝压传感器（6）的一端与可伸缩式连接管线（11）的入口连通，另一端与岩心夹持器（9）的出口连通；
所述驱替装置包括驱替泵（1）、中间容器（2）以及液体容器，驱替泵（1）的入口与液体容器连接，驱替泵（1）的出口与中间容器（2）的入口连接，中间容器（2）的驱替液出口与可伸缩式连接管线（11）的入口连接；
抽真空装置包括真空泵（3）和缓冲罐，真空泵（3）的入口与缓冲罐连接，缓冲罐与可伸缩式连接管线（11）的入口以及岩心夹持器（9）的出口连接。
2.根据权利要求1所述的一种测量岩心渗流力的装置，其特征在于，底座（10）上连接有第一连接板（15），岩心夹持器（9）上连接有第二连接板（16），测力传感器（12）的两端分别与第一连接板（15）和第二连接板（16）连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种测量岩心渗流力的装置，其特征在于，测力传感器（12）设置两个，两个测力传感器（12）对称分布在岩心夹持器（9）的两侧。
4.根据权利要求1所述的一种测量岩心渗流力的装置，其特征在于，绝压传感器（6）的精度不小于0.1Pa；测力传感器（12）的测量能力不小于3T；岩心夹持器所能夹持的岩心直径范围为2.5cm-5cm，最大长度为15cm。
5.一种测量岩心渗流力的方法，其特征在于，所述测量岩心渗流力的方法采用权利要求1-4任意一项所述的测量岩心渗流力的装置进行，包括如下过程：
利用抽真空装置对整个管线的空气抽真空；
利用驱替装置对没有放置岩心的岩心装入岩心夹持器（9）进行试驱，并记录测力传感器（12）所测压力稳定时的第一压力；
将岩心装入岩心夹持器（9），并利用围压泵（5）给岩心施加预设的围压；
利用驱替装置以预设压力进行驱替，记录岩心夹持器（9）出口流量稳定后的测力传感器（12）测得的第二压力以及绝压传感器（6）的测得的压力差；
利用所述第一压力、第二压力以及压力差计算得到岩心渗流力。
6.根据权利要求5所述的一种测量岩心渗流力的方法，其特征在于，所述岩心渗流力为岩心单位体积上的平均渗流力：
F=4(X2-X1)/(Lπd2)
X2-X1=(△Po) πd2/4
其中，F为岩心渗流力，X1为所述第一压力，X2为所述第二压力，d为岩心直径，L为岩心的长度，X2-X1=(△Po) πd2/4，△Po为岩心夹持器（9）出口流量稳定后绝压传感器（6）的测得的压力差。
7.根据权利要求5所述的一种测量岩心渗流力的方法，其特征在于，利用驱替装置以预设压力进行驱替时，改变岩心渗透率大小测量不同岩心渗流力的值，若始终存在X2-X1=(△Po) πd2/4的关系，则证明渗流力存在，其中，岩心渗透率K=4QμL/(πd2△Po)，Q为岩心夹持器（9）出口流量稳定后的流量，μ为驱替液粘度，L为岩心的长度，d为岩心直径，△Po为岩心夹持器（9）出口流量稳定后绝压传感器（6）的测得的压力差。
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