CN113825996A - 用于在脉冲衰减实验中确定岩心渗透率的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
用于确定地下地层的岩心渗透率的方法和系统。该方法包括将上游容器与包括地下地层的岩心样品的样品夹持器的一端连接，将下游容器与样品夹持器的另一端连接，在样品夹持器内提供恒定围限压力，在饱和压力下用氮使样品夹持器和岩心样品饱和，将压力脉冲施加至样品夹持器的一端，并且当上游容器、下游容器和移动连续介质中的压力处于平衡时，使用移动连续介质的孔隙度确定岩心渗透率。
Description
技术领域
示例性实施方案涉及用于使用移动连续介质(continuum)的孔隙度确定岩心渗透率的方法和系统。
背景技术
页岩基岩渗透率是用于表征烃源岩储层并预测由烃源岩产生的烃的重要参数。然而，精确测定烃源岩的渗透率对于油气工业是一个挑战。目前可用于实验室渗透率测定的方法包括基于岩心栓的稳态流法、基于岩心栓的瞬时脉冲衰减和基于破碎岩石样品的压力衰减。鉴于稳态测定会花费非常长的时间，并且压力衰减法会产生对破碎岩石样品的颗粒尺寸非常敏感的结果，并且该方法本身受限于非围限应力条件，因此，优选的方法是压力脉冲衰减法。
脉冲衰减试验装置通常由两个气体容器和用于测试样品的具有受控的围限应力的样品夹持器组成。然后，从上游气体容器引入压力脉冲，并监测上游容器和下游容器中的压力发展。对于给定的岩心孔隙度和其他参数，通过将相应的分析解拟合到压力信号以估算渗透率。
常用的脉冲衰减法将岩心样品视为单连续介质系统，并因此在估算渗透率中使用总孔隙度。由于双连续介质系统的宽孔径分布以及页岩基岩的有机和无机组分之间的性质差异，通过双连续介质系统能够更精确地描述页岩岩心中的流动。双连续介质系统包括整体相连的孔隙网络或移动连续介质，以及由仅与整体相连的孔隙网络局部连接的孔隙组成的固定连续介质。双连续介质系统中的移动连续介质有助于岩心渗透率，而固定连续介质通常有助于局部存储。一些研究理论上已经表明，只要将移动连续介质的孔隙度用于渗透率估算而不是将总孔隙度用于渗透率估算，就可以将单个连续介质的分析解用于估算双连续介质系统的渗透率。
发明内容
然而，尚未开发用于估算移动连续介质的孔隙度并将该孔隙度用于脉冲衰减实验中的渗透率计算的实用技术。本公开的示例性实施方案涉及用于估算移动连续介质的孔隙度并将该孔隙度用于脉冲衰减实验中的渗透率计算的改进方法和系统。
因此，一个示例性实施方案是用于通过估算移动连续介质的孔隙度并将该孔隙度用于脉冲衰减实验中的渗透率计算以确定地下地层的岩心渗透率的方法。该方法包括将上游容器与包括地下地层的岩心样品的样品夹持器的一端连接。该方法还包括将下游容器与样品夹持器的另一端连接。该方法还包括在样品夹持器内提供恒定围限压力(Pc)。该方法还包括在饱和压力P饱和下用氮使样品夹持器和岩心样品饱和。该方法还包括：将压力脉冲P脉冲施加至样品夹持器的一端；以及当上游容器、下游容器和移动连续介质中的压力处于平衡时，确定岩心渗透率。
另一个示例性实施方案是用于通过估算移动连续介质的孔隙度并将该孔隙度用于脉冲衰减实验中渗透率的计算以确定地下地层的岩心渗透率的系统。该系统包括：包括地下地层的岩心样品的样品夹持器，与样品夹持器的一端连接的上游容器，以及与样品夹持器的另一端连接的下游容器。该系统还包括：与上游容器连接的入口泵，与下游容器连接的出口泵，以及与上游容器、下游容器和样品夹持器连接的多个压力传感器。该系统还包括处理器，该处理器被配置成接收来自多个压力传感器的信号，并且基于上游容器中的压力和下游容器中的压力确定岩心渗透率。
另一个示例性实施方案是存储在计算机可读介质中的计算机程序，用于通过估算移动连续介质的孔隙度并将该孔隙度用于脉冲衰减实验中的渗透率计算以确定地下地层的岩心渗透率。非瞬时计算机可读介质可以具有(例如)当由处理器执行时，使处理器确定地下地层的岩心渗透率的计算机可执行指令。该方法可以包括将上游容器与包括地下地层的岩心样品的样品夹持器的一端连接，将下游容器与样品夹持器的另一端连接，在样品夹持器内提供恒定围限压力(Pc)，在饱和压力P饱和下用氮使样品夹持器和岩心样品饱和，将压力脉冲P脉冲施加至样品夹持器的一端；并且使用以下通用方程确定地下地层的岩心渗透率：
Pu(t)-Pd(t)＝f(φf,L,A,V堆积,c,μ,Vf,Vu,Vd,k,t)
其中“Φf”为来自移动连续介质的样品孔隙度，“L”为样品长度，“A”为样品的截面面积，“V堆积”为样品的堆积体积(其中V堆积＝L A；并且Φf＝Vf/V堆积)，“c”为气体压缩率，“μ”为气体粘度，“Vf”为来自移动连续介质的样品孔体积，“Vu”为上游容器体积，“Vd”为下游容器体积，“Pu(t)”为上游侧的压力，“Pd(t)”为下游侧的压力，“k”为样品渗透率，并且“t”为时间。变量的所有单位均为公制单位。
附图说明
图1示出了根据本公开的一个示例性实施方案的用于确定地下地层的岩心渗透率的系统。
图2示出了根据本公开的一个示例性实施方案的使用特征为双连续介质的岩心样品的脉冲衰减实验的示意图。
图3为根据本公开的一个示例性实施方案的在脉冲衰减实验中作为时间的函数的上游压力和下游压力的图。
图4为将由根据本公开的一个示例性实施方案的脉冲衰减测定获得的渗透率值与相同样品组的稳态渗透率结果进行比较的图。
图5示出了根据本公开的一个示例性实施方案的用于确定地下地层的岩心渗透率的方法中的示例性操作的流程图。
图6示出了根据本公开的一个示例性实施方案的用于确定地下地层的岩心渗透率的专用计算机系统。
具体实施方式
本公开中使用的术语“岩心”是指使用油气工业中通常称作“取心”的过程获得的诸如岩石之类的地下地层的样品。此类岩石样品或岩心样品通常具有主要尺寸和次要尺寸，其中主要尺寸大于次要尺寸，例如圆柱体。
图1示出根据本公开的一个示例性实施方案的用于确定地下地层的岩心渗透率的系统100。系统100包括可以从地下提取以确定地层特征的呈圆柱或柱的形式的样品130，例如页岩样品、石灰岩样品或砂岩样品。在适当封装(称为套管)之后，将样品130置于样品夹持器150中，该样品夹持器150可以包括围限流体122，例如气体、水基流体或油基流体。通过压力管线128将样品夹持器150连接到泵116、118，并且向样品130提供围限压力。
系统100包括入口泵116，将入口泵116配置成将流体从第一储气罐112(例如上游容器)泵送至样品130。该系统还包括出口泵118，将出口泵118配置成将流体从第二储气罐114(例如下游容器)泵送至样品130。两个泵都可以包括在上游侧的一个或以上压力、温度和流速传感器132，以及在下游侧的一个或以上压力、温度和流速传感器134，以测定并控制岩心样品集合体内部的压力。可以安装附加的压力和温度传感器136和138，用于分别监测更靠近样品上游和下游端面的气体压力。样品夹持器150可以配备有液压泵120，也可以将液压泵称为围限压力泵，其可以将围限流体122泵送至样品夹持器150内。样品夹持器150可以包括监测和调节样品夹持器150内的压力的装置。将压力、温度和流速计132、134连接至压力管线128和泵116、118、120。132、134这两个计量器可以包括传感器以分别实时测定温度和压力，并且可以包括一个装置以测定和记录流出或流进泵的流速。岩心样品集合体的入口可以在一个或以上点使用旁通阀124和出口管126分流，以调节置于样品夹持器150中的样品130的孔气压(例如，建立初始孔压力)。
一个示例性实施方案是用于确定地下地层样品的移动连续介质的孔隙度并在脉冲衰减实验中使用该孔隙度值以准确确定岩心渗透率的方法。在一个实施方案中，脉冲衰减试验装置可以包括两个气体容器和具有用于测试样品的受控围限应力的样品夹持器。将范围在3,000psi(磅/平方英寸)和10,000psi之间的围限压力施加至样品夹持器中的测试样品。在指定压力P饱和(例如，约2,500psi)下用氮使样品夹持器的全部组件和样品饱和一段延长的时间，使得用氮填充测试样品内的全部孔隙。然后，在上游侧施加压力脉冲P脉冲(例如，约100psi)，并监测和记录上游和下游气体容器这两者的压力变化。
将作为时间函数的测定的压力信号与分析解拟合。预先存在的分析解可以以通用式写为：
Pu(t)-Pd(t)＝f(φt,L,A,V堆积,c,μ,Vt,Vu,Vd,k,t) (1)
其中“Φt”为样品的总孔隙度，“L”为样品长度，“A”为样品的截面面积，“V堆积”为样品的堆积体积(其中V堆积＝L*A；并且Φt＝Vt/V堆积)，“c”为气体压缩率，“μ”为气体粘度，“Vt”为样品的总孔体积，“Vu”为上游容器体积，“Vd”为下游容器体积，“Pu(t)”为上游侧的压力，“Pd(t)”为下游侧的压力，“k”为样品渗透率，并且“t”为时间。除无量纲变量外，所有变量均为公制单位。
下面给出几个中间变量：
其中θ方程有多个解θm(m＝1、2、3……)。
方程(1)的左侧是测定的压力信号，并且右侧表示时间和相关参数这两者的函数。除了渗透率“k”之外，全部这些参数都是已知的。因此，可以求解方程(1)以确定“k”。通过包括总孔隙度的一组给定参数确定估算的“k”值。然而，通过双连续介质系统更精确地描述了烃源岩岩心中的流动。应当将移动连续介质的孔隙度用于渗透率估算，而不是将总孔隙度用于渗透率估算。
图2示出用于特征为双连续介质系统的岩心样品230的脉冲衰减实验的示意图。最初，在P饱和气压，上游气体容器212、下游气体容器214和岩心样品230中的孔隙处于平衡。然后，上游气体容器212中压力增加至P脉冲(例如，100psi)，P脉冲通常是P饱和(例如，2,500psi)的百分之几。之后，上游气体容器212与岩心样品230连接，并且气体沿着箭头216通过岩心样品流向下游气体容器。在发生气体流动之后，气体容器与岩心样品连接。在岩心样品内，气体从确定渗透率的移动连续介质220沿着箭头226流动到渗透率远低于移动连续介质的固定连续介质240，这是因为两种连续介质之间存在压力差。
因此，需要区分移动连续介质(其确定渗透率)的孔隙的分数和构成固定连续介质(其具有比移动连续介质低得多的渗透率)的孔隙的分数，以更好地计算脉冲衰减实验中的渗透率。
图3示出了脉冲衰减实验中作为时间的函数的上游和下游压力的典型曲线图。当气体开始从上游气体容器流到岩心样品时，上游气体容器的压力下降。当气流到达下游气体容器时，下游气体容器中的压力开始增加。在对应于图3中的点A的某一时间(tA)，两个气体容器具有相同的压力。在相应的时间tA和更早的时间，移动连续介质中的气流是主要的流动机制，这是因为两种连续介质之间的气体交换是缓慢的过程。在tA之后，两种连续介质之间的气体交换变得相对重要，这是因为由于两个气体容器之间缺乏压力梯度，使得移动连续介质中的流动接近于零。由于移动连续介质中的气压较大，因此由移动连续介质向固定连续介质发生流动。因此，图3中点A右侧的压力随时间推移保持下降。在点B处，当两个气体容器(上游容器和下游容器)以及两种连续介质(移动连续介质和固定连续介质)都处于平衡时，压力将不再随时间变化。
因为在时间tA时，气体容器和移动连续介质这两者具有相同的气压PA，而固定连续介质可能仍然处于压力P饱和，由于这两种连续介质之间的气体交换可忽略不计，因此可应用以下质量平衡方程：
(Vu+Vd+Vf)ρ饱和+(Vu)ρ脉冲＝(Vu+Vd+Vf)ρA (3)
其中Vf为移动连续介质的孔体积，Φf为仅移动连续介质的孔隙度，Φf＝Vf/V堆积，并且ρ饱和、ρ脉冲、ρA为分别对应于P饱和、P脉冲和PA的压力的气体密度；φt为包括移动和固定连续介质这两者的孔隙度的总孔隙度。
由方程(3)确定孔隙度φf。使用方程(2)将移动连续介质中的孔隙度用于估算渗透率，而不是将总孔隙度φt用于估算渗透率。应当注意，方程(3)可以应用于图3中的点B，并且形式示于方程(4)。因为两个气体容器、移动连续介质和固定连续介质处于平衡，因此由方程(4)计算的Vt将是岩心样品的总孔体积。因此，计算出的φt为总孔隙度。
(Vu+Vd+Vt)ρ饱和+(Vu)ρ脉冲＝(Vu+Vd+Vt)ρB (4)
如表1所示，将该方法应用于脉冲衰减实验中使用的四个岩石样品。用上述方法估算k新方法，并且k现有方法是用总孔隙度估算的渗透率。将表中的相对差异定义为两个渗透率值之间的绝对差与k新方法值的比率。相对差异高达36％，从而表明使用改进的方法以确定渗透率的重要性。
实验数据
表1比较了使用根据本公开的一个或以上示例性实施方案的方法和现有方法学获得的渗透率值。
为了验证本公开的方法的准确性，如图4所示，对于相同岩石样品，将稳态流法的估算渗透率值与基于所提出的方法的脉冲衰减实验的估算渗透率值进行比较。在此，将由本公开的方法获得的值绘制在图的Y轴(k_ust，单位为纳达西或nD)，并且将由稳态流法获得的值绘制在图的X轴(k_st，单位为nD)。在稳态流法中，建立岩心样品的稳态流，然后基于观察到的流体通量和沿岩心的压力梯度，用达西定律计算渗透率。因此，稳态流法中的渗透率估算不涉及孔隙度。如图4所示，对于各岩心样品，用本公开的方法估算的渗透率和由稳态流法确定的渗透率非常接近，并且它们的相对差异通常在±10％的范围内。这表明本公开的方法的有效性和可靠性。
图5示出了根据本公开的一个示例性实施方案的用于确定地下地层的岩心渗透率的方法500中的示例性操作的流程图。在步骤502，方法500包括将上游容器与包括地下地层的岩心样品的样品夹持器的一端连接。在步骤504，该方法包括将下游容器与样品夹持器的另一端连接。在步骤506，该方法包括在样品夹持器内提供恒定围限压力(PA)。在步骤508，该方法包括在饱和压力P饱和下用氮使样品夹持器和岩心样品饱和。在步骤510，该方法包括将压力脉冲P脉冲施加至样品夹持器的一端。在步骤512，该方法包括当上游容器、下游容器、移动连续介质和固定连续介质中的压力处于平衡时确定岩心渗透率。可以使用以下方程进行确定地下地层的岩心渗透率的步骤：
Pu(t)-Pd(t)＝f(φf,L,A,V堆积,c,μ,Vf,Vu,Vd,k,t)
其中“Φf”为来自移动连续介质的样品孔隙度，“L”为样品长度，“A”为样品的截面面积，“V堆积”为样品的堆积体积(其中V堆积＝LA；并且φ＝Vs/V堆积)，“c”为气体压缩率，“μ”为气体粘度，“Vf”为移动连续介质的孔体积，“Vu”为上游容器体积，“Vd”为下游容器体积，“Pu(t)”为上游侧的压力，“Pd(t)”为下游侧的压力，“k”为样品渗透率，并且“t”为时间。
另一示例性实施方案是专用计算机，将该专用计算机配置成执行存储在计算机可读介质中的计算机程序中的指定计算机指令。参考图6，可以以计算机可读代码体现如参考图1至5所解释的前述过程。可以将该代码存储在(例如)计算机可读介质上，例如可以由盘驱动器158读取的软盘164、可以由盘驱动器156读取的CD-ROM 162、或形成通用可编程计算机的一部分的磁(或其他类型)硬盘驱动器160。如本领域所公知的，计算机包括中央处理单元150、诸如键盘154之类的用户输入设备和诸如平板LCD显示器或阴极射线管显示器之类的用户显示器152。根据这方面，计算机可读介质包括能够使计算机执行如上所阐述的以及关于先前附图所解释的动作的逻辑。
尽管已经参考特定实施方案描述了本技术，但是应当理解，这些实施方案仅是本技术的原理和应用的说明。因此，应当理解，可以对说明性实施方案进行诸多修改，并且可以设计出其他布置，而在不背离由所附权利要求限定的本技术的精神和范围。
Claims (20)
1.一种用于在脉冲衰减实验中确定岩心渗透率的方法，该方法包括以下步骤：
将上游容器与包括地下地层的岩心样品的样品夹持器的一端连接；
将下游容器与所述样品夹持器的另一端连接；
在所述样品夹持器内提供恒定围限压力(Pc)；
在饱和压力P饱和下用氮使所述样品夹持器和所述岩心样品饱和；
将压力脉冲P脉冲施加至所述样品夹持器的一端；以及
当所述上游容器、所述下游容器和移动连续介质中的压力处于平衡时，确定岩心渗透率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中使用以下方程确定所述岩心渗透率：
Pu(t)-Pd(t)＝f(φf,L，A，V堆积，c，μ，Vf,Vu，Vd，k,t)
其中“Φf”为来自所述移动连续介质的样品孔隙度，“L”为所述样品长度，“A”为所述样品的截面面积，“V堆积”为所述样品的堆积体积(其中V堆积＝L A；并且Φf＝Vf/V堆积)，“c”为气体压缩率，“μ”为气体粘度，“Vf”为所述移动连续介质的孔体积，“Vu”为所述上游容器体积，“Vd”为所述下游容器体积，“Pu(t)”为上游侧的压力，“Pd(t)”为下游侧的压力，“k”为样品渗透率，并且“t”为时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其中使用以下方程确定来自所述移动连续介质的样品孔隙度：
(Vu+Vd+Vf)ρ饱和+(Vu)ρ脉冲＝(Vu+Vd+Vf)ρA
其中Vf为所述移动连续介质的孔体积，并且ρ饱和、ρ脉冲、ρA为分别对应于P饱和、P脉冲和PA压力的气体密度，并且下标A表示当所述上游容器、所述下游容器和所述移动连续介质内的压力达到平衡的时间。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中，在某一时间，
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中当将所述压力脉冲施加至所述样品夹持器的一端时，由于所述移动连续介质中的气压高于固定连续介质中的气压，因而气体从移动连续介质流动到固定连续介质。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述围限压力的范围为约3,000psi至10,000psi。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述饱和压力为约2,500psi或以上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中由所述压力脉冲施加的压力为约100psi或以上。
9.一种用于确定岩心渗透率的系统，该系统包括：
包括地下地层的岩心样品的样品夹持器；
与所述样品夹持器的一端连接的上游容器；
与所述样品夹持器的另一端连接的下游容器；
与所述上游容器连接的入口泵；
与所述下游容器连接的出口泵；
与所述上游容器、所述下游容器和所述样品夹持器连接的多个压力传感器；以及
处理器，其被配置成接收来自所述多个压力传感器的信号，并且基于所述上游容器中的压力和所述下游容器中的压力确定所述岩心渗透率。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述岩心样品包括移动连续介质和固定连续介质。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的系统，其中所述上游容器中的压力等于所述下游容器中的压力。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的系统，其中当所述上游容器、所述下游容器、所述移动连续介质和所述固定连续介质中的压力处于平衡时，进行所述确定岩心渗透率的步骤。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的系统，其中将所述系统进一步配置成：
在所述样品夹持器内提供恒定围限压力(Pc)；
在饱和压力P饱和下用氮使所述样品夹持器和所述岩心样品饱和；以及
将压力脉冲P脉冲施加至所述样品夹持器的一端。
14.根据权利要求13所述的系统，其中使用以下方程确定所述岩心渗透率：
Pu(t)-Pd(t)＝f(φf,L,A，V堆积，c，μ,Vf，Vu，Vd,k，t)
其中“Φf”为来自所述移动连续介质的样品孔隙度，“L”为所述样品长度，“A”为所述样品的截面面积，“V堆积”为所述样品的堆积体积(其中V堆积＝L x A；并且φ＝Vs/V堆积)，“c”为气体压缩率，“μ”为气体粘度，“Vf”为所述移动连续介质的孔体积，“Vu”为所述上游容器体积，“Vd”为所述下游容器体积，“Pu(t)”为上游侧的压力，“Pd(t)”为下游侧的压力，“k”为样品渗透率，并且“t”为时间。
15.根据权利要求14所述的系统，其中使用以下方程确定所述移动连续介质的孔隙度：
(Vu+Vd+Vf)ρ饱和+(Vu)ρ脉冲＝(Vu+Vd+Vf)ρA
其中Vf为所述移动连续介质的孔体积，并且ρ饱和、ρ脉冲、ρA为分别对应于P饱和、P脉冲和PA的压力的气体密度，“Φf”为来自所述移动连续介质的样品孔隙度。
16.根据权利要求15所述的系统，
其中
Pu)t(-Pd(t)＝f(φf,L,A,V堆积,c,μ,Vf,Vu,Vd,k,t)。
17.根据权利要求9至17中任一项所述的系统，其中所述围限压力的范围为约3,000psi至10,000psi。
18.根据权利要求9至18中任一项所述的系统，其中所述饱和压力为约2,500psi或以上。
19.根据权利要求9至19中任一项所述的系统，其中由所述压力脉冲施加的压力为约100psi或以上。
20.一种在用于确定岩心渗透率的方法中使用的计算机程序，所述方法包括以下步骤：
将上游容器与包括地下地层的岩心样品的样品夹持器的一端连接；
将下游容器与所述样品夹持器的另一端连接；
在所述样品夹持器内提供恒定围限压力(Pc)；
在饱和压力P饱和下用氮使所述样品夹持器和所述岩心样品饱和；
将压力脉冲P脉冲施加至所述样品夹持器的一端；并且
所述计算机程序包括当由处理器执行时，使所述处理器使用以下方程确定所述地下地层的岩心渗透率的程序指令：
Pu(t)-Pd(t)＝f(φf,L,A,V堆积,c,μ,Vf,Vu,Vd,k,t)
其中“Φf”为来自移动连续介质的样品孔隙度，“L”为所述样品长度，“A”为所述样品的截面面积，“V堆积”为所述样品的堆积体积(其中V堆积＝L A；并且
)，“c”为气体压缩率，“μ”为气体粘度，“Vf”为所述移动连续介质的孔体积，“Vu”为所述上游容器体积，“Vd”为所述下游容器体积，“Pu(t)”为上游侧的压力，“Pd(t)”为下游侧的压力，“k”为样品渗透率，并且“t”为时间。
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