CN114839351B - 一种出砂实验测量装置及其出砂测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种出砂实验测量装置及其出砂测量方法，岩心夹持器包括夹持器壳体、内侧固定有岩心的套筒，套筒的外周与夹持器壳体之间具有密封状的环形腔体，环形腔体与围压施加泵相连通，夹持器壳体开设有分别与套筒两端相连通的进气口和出气口，进气口按先后顺序且交替连通高压气瓶和低压气瓶，出气口连通有用于调节驱替压差的回压阀，回压阀交替连通有出砂管路和气体流量计，出砂管路和气体流量计分别与高压气瓶和低压气瓶相导通，在利用低压气驱对岩心进行驱替时，气压驱替对岩心出砂基本上没有影响，那么岩心的孔隙几乎不再变化，将岩心夹持器连接到低压气瓶，将压差减小，使流量能到达气体流量计额定量程，得到较准确的渗透率。

Description

一种出砂实验测量装置及其出砂测量方法

技术领域

本发明涉及驱替实验技术领域，特别是涉及一种出砂实验测量装置及其出砂测量方法。

背景技术

在气藏开发过程中，或者地下储气库注采过程中，储层可能会出现出砂现象，这将严重影响生产的正常运行。特别是地下储气库的生产方式特殊，要求短期高速地注入和采出大量气体，这要求在满足季节性应急调峰的同时，储气库也必须安全、平稳、可持续地开发。储气库的生产特点会加剧储层出砂风险，高效长效出砂防控是储气库长期安全运行的重要技术保障。因此明确储集层出砂临界生产压差尤为关键。专利文件CN101915854A公开了一种用于测定气井出砂临界流速的装置及方法，通过气体供给系统为模拟气井生产状态的模拟系统提供不同供给压力,测出进口压力、出口压力、气体流量及试验一定时间后的出砂量等参数,通过测试结果得到出砂临界流量,结合岩心尺寸求出出砂临界流速,从而形成确定现场气井出砂临界流速的一项技术，但是其进口压力始终采用高压对岩心进行驱替，在测定流量的过程中，不可避免的容易造成压力过大，持续影响出砂，导致对气体流量测量的不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种出砂实验测量装置及其出砂测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，在使用高压气驱完成对岩心的驱替后，使用低压气驱代替高压气驱，减少驱替压差，使得岩心不会出砂，那么在利用气体流量计测量时，则不会受出砂影响，保证了测量渗透率的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种出砂实验测量装置，包括岩心夹持器、对所述岩心夹持器提供围压的围压施加泵、对所述岩心夹持器提供驱替压力的高压气瓶和低压气瓶，所述岩心夹持器包括夹持器壳体、内侧固定有岩心的套筒，所述套筒的外周与所述夹持器壳体之间具有密封状的环形腔体，所述环形腔体与所述围压施加泵相连通，所述夹持器壳体开设有分别与所述套筒两端相连通的进气口和出气口，所述进气口按先后顺序且交替连通所述高压气瓶和所述低压气瓶，所述出气口连通有用于调节驱替压差的回压阀，且所述回压阀交替连通有出砂管路和气体流量计，所述出砂管路和所

述气体流量计分别与所述高压气瓶和所述低压气瓶相导通。

优选的，所述出砂管路的出口处设有用于实时测量出沙量的称重机构，所述称重结构包括称重天平及设置在其称重台上的容纳腔体，所述容纳腔体与所述出砂管路相连通。

优选的，所述回压阀的入口与所述出气口相连通，所述回压阀的出口处设有用于调节其出口压力的手摇泵。

优选的，所述环形腔体内填充有环绕在所述套筒外周侧的加压水流，所述围压施加泵为朝所述环形腔体内泵入所述加压水流的恒速恒压泵。

优选的，所述回压阀的出口连通有可切换导通路径的第一多通阀，所述出砂管路和所述气体流量计分别连通所述第一多通阀的两出口。

优选的，所述进气口连通有可切换导通路径的第二多通阀，所述高压气瓶和所述低压气瓶分别连通所述第二多通阀的两入口。

优选的，所述高压气瓶和所述低压气瓶与所述第二多通阀之间均设有用于平衡进气流的中间容器，所述中间容器上设有用于显示进气压力的压力表。

优选的，所述高压气瓶配套有对其供气的储气瓶，所述储气瓶连通有将其内侧气体加压至所述高压气瓶的高压泵。

优选的，所述低压气瓶的出口设有调压阀，所述调压阀电连接有对其调节的计算机。

还提供一种出砂测量方法，包括如下步骤：

驱替前准备：将烘干的岩心放入夹持器壳体内侧的套筒中，启动恒速恒压泵，将加压水流泵入所述夹持器壳体与套筒之间的环形腔体中，对所述套筒及所述岩心施加围压；

高压驱替：打开储气瓶和高压泵，在高压气瓶内储存高压气体，并设定所述高压气瓶对所述岩心的供气压力，使用手摇泵调节回压阀的出口压力，转换第一多通阀和第二多通阀，导通所述高压气瓶、所述套筒、所述回压阀和出砂管路；

出砂计量：保持高压驱替至所需时间，通过称重天平对出砂称重，得出出砂量；

低压驱替：关闭所述高压气瓶、所述储气瓶和所述高压泵，将所述手摇泵

归零，打开低压气瓶，并通过计算机调节所述低压气瓶对所述岩心的供气压力，转换所述第一多通阀和所述第二多通阀，导通所述低压气瓶、所述套筒、所述回压阀和气体流量计；

气体流量计量：通过所述气体流量计得到单位时间内通过所述岩心的气体流量，并通过达西公式计算得到岩心渗透率；

重复驱替：重复高压驱替、出砂计量、低压驱替和气体流量计量的工序，得到所述岩心出砂临界生产压差。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

第一，岩心夹持器包括夹持器壳体、内侧固定有岩心的套筒，套筒的外周与夹持器壳体之间具有密封状的环形腔体，环形腔体与围压施加泵相连通，夹持器壳体开设有分别与套筒两端相连通的进气口和出气口，进气口按先后顺序且交替连通高压气瓶和低压气瓶，出气口连通有用于调节驱替压差的回压阀，且回压阀交替连通有出砂管路和气体流量计，出砂管路和气体流量计分别与高压气瓶和低压气瓶相导通，一方面，先利用高压气瓶与进气口相连通，利用高压气瓶对岩心进行高压气驱，在完成高压驱替后，使低压气瓶替代高压气瓶与进气口相连通，对岩心进行低压气驱，再利用气体流量计对低压气驱时通过岩心的气体进行流量计量，在利用低压气驱对岩心进行驱替时，气压驱替对岩心出砂基本上没有影响，那么岩心的孔隙几乎不再变化，而且因为岩心的物性较好，即孔隙结构较好、孔隙度大，远大于气体流量计的量程，待高压气驱实验做完后，将岩心夹持器连接到低压气瓶，将压差减小，从而使流量能到达气体流量计额定量程，从而得到较准确的渗透率；另一方面，先进行高压驱替逐渐进行压力提升，在每次进行压力提升后，均替换成低压气瓶进行低压驱替，以得到每次压力提升且高压驱替后的渗透率，在渗透率发生突变时，得到相应的高压驱替压差，即为出砂临界时对应的驱替压差，且通过设置回压阀以模拟实际井口压力。

第二，出砂管路的出口处设有用于实时测量出沙量的称重机构，称重结构包括称重天平及设置在其称重台上的容纳腔体，容纳腔体与出砂管路相连通，那么在高压驱替的过程中，使得岩心出砂能够直接通过出砂管路进入容纳腔体，进而通过称重天平能够得到出砂的重量，在逐渐增加高压驱替的压力时，

每次进行压力提升后，均对出砂重量进行测量，测得的出砂重量发生突变时，其对应的驱替压差即为出砂临界时对应的驱替压差。

第三，回压阀的入口与出气口相连通，回压阀的出口处设有用于调节其出口压力的手摇泵，通过手摇泵将回压阀的出口端的压力调节为预设压力，且通过调节回压阀的压力来调节出口处的压力,从而模拟井口压力,使得驱替压差更加准确，且手摇泵的设置使得回压阀的出口压力的调节过程更加方便，从而提高了工作效率。

第四，环形腔体内填充有环绕在套筒外周侧的加压水流，围压施加泵为朝环形腔体内泵入加压水流的恒速恒压泵，通过恒速恒压泵使得环形腔体内形成稳定及准确的围压环境，以对套筒形成稳定及准确的围压，以能够更加真实的模拟井下出砂环境。

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为本发明整体结构示意图；

其中，1-计算机、2-低压气瓶、3-中间容器、4-第一多通阀、5-岩心夹持器、6-回压阀、7-称重天平、8-储气瓶、9-高压泵、10-高压气瓶、11-恒速恒压泵、12-手摇泵、13-气体流量计。

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。

本发明的目的是提供一种出砂实验测量装置及其出砂测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，在使用高压气驱完成对岩心的驱替后，使用低压气驱代替高压气驱，减少驱替压差，使得岩心不会出砂，那么在利用气体流量计测量时，则不会受出砂影响，保证了测量渗透率的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1，本实施例提供一种出砂实验测量装置，包括岩心夹持器5、对岩心夹持器5提供围压的围压施加泵、对岩心夹持器5提供驱替压力的高压气瓶10和低压气瓶2，岩心夹持器5包括夹持器壳体、内侧固定有岩心的套筒，套筒的外周与夹持器壳体之间具有密封状的环形腔体，环形腔体与围压施加泵相连通，夹持器壳体开设有分别与套筒两端相连通的进气口和出气口，进气口按先后顺序且交替连通高压气瓶10和低压气瓶2，优选的高压气瓶10和低压气瓶2均储存的为氮气，出气口连通有用于调节驱替压差的回压阀6，且回压阀6交替连通有出砂管路和气体流量计13，优选的气体流量计13为湿式气体流量计13，出砂管路和气体流量计13分别与高压气瓶10和低压气瓶2相导通，也就是说，一方面先利用高压气瓶10与进气口相连通，利用高压气瓶10对岩心进行高压气驱，在完成高压驱替后，使低压气瓶2替代高压气瓶10与进气口相连通，对岩心进行低压气驱，再利用气体流量计13对低压气驱时通过岩心的气体进行流量计量，在利用低压气驱对岩心进行驱替时，对岩心出砂基本上没有影响，即几乎不会使岩心出砂，那么岩心的孔隙几乎不再变化，而且因为出砂实验中用的是中低渗的岩心，且岩心的物性较好，即孔隙结构较好、孔隙度大，远大于气体流量计13的量程，待高压气驱实验做完后，将岩心夹持器5连接到低压气瓶2，将压差减小，从而使流量能到达气体流量计13额定量程，从而得到较准确的渗透率，具体的，在长时间的高压气驱后，高压气驱的加压压力超过实验所需压力5～10MPa即可，采用低压气瓶2替换高压气瓶10，将驱替压差调成大概0.1～0.5MPa等，驱替一到两分钟求取流量。另一方面先进行高压驱替逐渐进行压力递增，在每次进行压力递增后，均替换成低压气瓶2进行低压驱替，以得到每次压力提升且高压驱替后的渗透率，在渗透率发生突变时，得到相应的高压驱替压差，即为出砂临界时对应的驱替压差。

进一步的，通过设置回压阀6以模拟实际井口压力，更准确的模拟地层中气井生产过程。而现有技术中，气驱实验中为了模拟生产压差选用驱替压力与大气压的差值来进行模拟实验，本发明中通过用高压气瓶10和回压阀6来进行模拟真实储气库生产时砂岩出砂情况。

而且由于环形腔体与围压施加泵相连通，使得围压施加泵朝环形腔体中泵入对套筒产生围压的介质，以模拟地层中气井受到的围压，而且通过回压阀6对出砂压力进行调节，以模拟地层中气井出口压力，来进行模拟地层状况来进行气驱出砂，使得整个实验过程更加贴近真实环境，保证了实验的准确性。

作为优选的，为充分避免出砂对气体流量计13的影响，在回压阀6和气体流量计13之间设有封闭状的排砂筒，优选的，回压阀6连通有出气管，出气管的出口伸至排砂筒的底部，气体流量计13连通进气管，进气管的入口连通至排砂筒的顶部位置处，从回压阀6流出的砂进入排砂筒后直接留存在其底部位置处，一同排出的气体经进气管进入气体流量计13中。进而也无需再利用孔渗仪，避免使用孔渗仪，在测得时候有部分气体通过岩心导致出砂，影响孔渗仪的精确测量。

进一步的，出砂管路的出口处设有用于实时测量出沙量的称重机构，称重结构包括称重天平7及设置在其称重台上的容纳腔体，容纳腔体与出砂管路相连通，那么在高压驱替的过程中，使得岩心出砂能够直接通过出砂管路进入容纳腔体，进而通过称重天平7能够得到出砂的重量，在逐渐增加高压驱替的压力时，每次进行压力提升后，均对出砂重量进行测量，测得的出砂重量发生突变时，其对应的驱替压差即为出砂临界时对应的驱替压差，优选的容纳腔体为安装在称重天平7上的量筒，通过量筒不仅能够收集出砂，还能够对出砂量体积进行计量。优选的，量筒直接制作成为排砂筒结构，使得气体流量计13能够直接连通在量筒上，以减少管路的设置。

作为本发明优选的实施方式，回压阀6的入口与出气口相连通，回压阀6的出口处设有用于调节其出口压力的手摇泵12，通过手摇泵12将回压阀6的出口端的压力调节为预设压力，且通过调节回压阀6的压力来调节出口处的压力,从而模拟井口压力,使得驱替压差更加准确，且手摇泵12的设置使得回压阀6的出口压力的调节过程更加方便，从而提高了工作效率。

进一步的，环形腔体内填充有环绕在套筒外周侧的加压水流，也就是说通过将套筒外周侧填充水产生围压，围压施加泵为朝环形腔体内泵入加压水流的恒速恒压泵11，通过恒速恒压泵11使得环形腔体内形成稳定及准确的围压环境，以对套筒形成稳定及准确的围压，以能够更加真实的模拟井下出砂环境。

而且，在实验中因为驱替压差过大导致围压变化使实验数据不准确，所以使用恒速恒压泵11对岩心夹持器5进行加压，使其围压始终保持一致。

其中，回压阀6的出口连通有可切换导通路径的第一多通阀4，出砂管路和气体流量计13分别连通第一多通阀4的两出口，进而通过控制第一多通阀4的切换，即能够方便岩心夹持器5的出口分别连通出砂管路和气体流量计13，形成高压气瓶10/低压气瓶2-岩心夹持器5-回压阀6-出砂管路/气体流量计13的连通。

而且，进气口连通有可切换导通路径的第二多通阀，高压气瓶10和低压气瓶2分别连通第二多通阀的两入口，进而通过控制第二多通阀的切换，即能够方便岩心夹持器5的进气口分别连通高压气瓶10和低压气瓶2，形成高压气瓶10/低压气瓶2-岩心夹持器5-回压阀6-出砂管路/气体流量计13的连通。

为保证对高压气驱和低压气驱的精确调节，高压气瓶10和低压气瓶2与第二多通阀之间均设有用于平衡进气流的中间容器3，中间容器3上设有用于显示进气压力的压力表，优选的压力表为高精度压力表。

作为本发明优选的实施方式，高压气瓶10配套有对其供气的储气瓶8，储气瓶8连通有将其内侧气体加压至高压气瓶10的高压泵9，具体的先用储气瓶8通过高压泵9的加压到高压气瓶10中，加压压力超过实验所需压力5～10MPa即可，具体所需需要根据实验驱替时间而定。通过配备高压调压阀，且通过中间容器3上的压力表来校准所需的驱替压力，然后通过恒速恒压泵11对岩心夹持器5的环形腔体进行加压，其中也是通过中间容器3压力表进行校准。回压阀6通过手摇泵12进行调整压力，进行驱替实验。当进行对流量测量时，将回压阀6的出气口切换连通气体流量计13，将岩心夹持器5与低压气瓶2相连通。

进一步的，低压气瓶2的出口设有调压阀，调压阀电连接有对其调节的计算机1，进而通过计算机1对调压阀进行高精度调节，以对岩心夹持器5形成高精度的低压驱替，在出砂实验中因为中低渗岩心的渗透率变化很小，并且因为调压阀以及压力表读数不够精确，从而导致渗透率变化曲线并不明显，所以在实验装置中加入了用于监测调节的计算机1，这样可以将岩心夹持器5的入口压力精确到小数点间后三位，就可以在计算渗透率时更好的降低误差。

进一步的，还提供一种出砂测量方法，包括如下步骤：

驱替前准备：将烘干的岩心放入夹持器壳体内侧的套筒中，启动恒速恒压泵11，将加压水流泵入夹持器壳体与套筒之间的环形腔体中，对套筒及岩心施加围压，以模拟地层中气井所受到的恒定的围压；

高压驱替：打开储气瓶8和高压泵9，在高压气瓶10内储存高压气体，并设定高压气瓶10对岩心的供气压力，使用手摇泵12调节回压阀6的出口压力，转换第一多通阀4和第二多通阀，导通高压气瓶10、套筒、回压阀6和出砂管路，通过设置回压阀6以模拟实际井口压力，更准确的模拟地层中气井生产过程；

出砂计量：保持高压驱替至所需时间，通过称重天平7对出砂称重，得出出砂量，进而知晓不同的驱替压差所对应的出砂量的关系；

低压驱替：关闭高压气瓶10、储气瓶8和高压泵9，将手摇泵12归零，打开低压气瓶2，并通过计算机1调节低压气瓶2对岩心的供气压力，转换第一多通阀4和第二多通阀，导通低压气瓶2、套筒、回压阀6和气体流量计13，优选的第一多通阀4和第二多通阀可对应设置为六通阀等，通过低压气驱使流量能到达气体流量计13额定量程，而且几乎没有出砂，从而得到较准确的渗透率，具体的，在长时间的高压气驱后，高压气驱的加压压力超过实验所需压力5～10MPa即可，采用低压气瓶2替换高压气瓶10，将驱替压差调成大概0.1～0.5MPa等，驱替一到两分钟求取流量；

气体流量计13量：通过气体流量计13得到单位时间内通过岩心的气体流量，并通过达西公式计算得到岩心渗透率；

具体所应用到的公式为：

K_g—岩石气体渗透率，mD；

Q₀—在大气压p₀下通过岩心的气体流量，cm³/s；

p₀—测试条件下的大气压，MPa；

μ₀—气体黏度，mPa·s；

L—岩心长度，cm；

A—岩心横截面积，cm²；

p₁—岩心入口压力，MPa；

p₂—岩心出口压力，MPa。

其中，实验前用游标卡尺测量岩心的长度和横截面积；

重复驱替：重复高压驱替、出砂计量、低压驱替和气体流量计13量的工序，得到岩心出砂临界生产压差，具体的，先进行高压驱替逐渐进行压力递增，在每次进行压力递增后，均替换成低压气瓶2进行低压驱替，以得到每次压力提升且高压驱替后的渗透率，在渗透率发生突变时，得到相应的高压驱替压差，即为出砂临界时对应的驱替压差。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种出砂实验测量装置，其特征在于，包括岩心夹持器、对所述岩心夹持器提供围压的围压施加泵、对所述岩心夹持器提供驱替压力的高压气瓶和低压气瓶，所述岩心夹持器包括夹持器壳体、内侧固定有岩心的套筒，所述套筒的外周与所述夹持器壳体之间具有密封状的环形腔体，所述环形腔体与所述围压施加泵相连通，所述夹持器壳体开设有分别与所述套筒两端相连通的进气口和出气口，所述进气口按先后顺序且交替连通所述高压气瓶和所述低压气瓶，所述进气口连通有可切换导通路径的第二多通阀，所述高压气瓶和所述低压气瓶分别连通所述第二多通阀的两入口，所述出气口连通有用于调节驱替压差的回压阀，且所述回压阀交替连通有出砂管路和气体流量计，所述回压阀的出口连通有可切换导通路径的第一多通阀，所述出砂管路和所述气体流量计分别连通所述第一多通阀的两出口，所述出砂管路和所述气体流量计分别与所述高压气瓶和所述低压气瓶相导通，先利用高压气瓶进行高压驱替逐渐进行压力递增，在每次进行压力递增后，均替换成低压气瓶进行低压驱替，以得到每次压力提升且高压驱替后的渗透率，在渗透率发生突变时，得到相应的高压驱替压差，所述出砂管路的出口处设有用于实时测量出沙量的称重机构，所述称重机构包括称重天平及设置在其称重台上的容纳腔体，所述容纳腔体与所述出砂管路相连通。

2.根据权利要求1所述的出砂实验测量装置，其特征在于，所述回压阀的入口与所述出气口相连通，所述回压阀的出口处设有用于调节其出口压力的手摇泵。

3.根据权利要求2所述的出砂实验测量装置，其特征在于，所述环形腔体内填充有环绕在所述套筒外周侧的加压水流，所述围压施加泵为朝所述环形腔体内泵入所述加压水流的恒速恒压泵。

4.根据权利要求3所述的出砂实验测量装置，其特征在于，所述高压气瓶和所述低压气瓶与所述第二多通阀之间均设有用于平衡进气流的中间容器，所述中间容器上设有用于显示进气压力的压力表。

5.根据权利要求4所述的出砂实验测量装置，其特征在于，所述高压气瓶配套有对其供气的储气瓶，所述储气瓶连通有将其内侧气体加压至所述高压气瓶的高压泵。

6.根据权利要求5所述的出砂实验测量装置，其特征在于，所述低压气瓶的出口设有调压阀，所述调压阀电连接有对其调节的计算机。

7.一种应用如权利要求1至6任一项所述的出砂实验测量装置的出砂测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

驱替前准备：将烘干的岩心放入夹持器壳体内侧的套筒中，启动恒速恒压泵，将加压水流泵入所述夹持器壳体与套筒之间的环形腔体中，对所述套筒及所述岩心施加围压；

高压驱替：打开储气瓶和高压泵，在高压气瓶内储存高压气体，并设定所述高压气瓶对所述岩心的供气压力，使用手摇泵调节回压阀的出口压力，转换第一多通阀和第二多通阀，导通所述高压气瓶、所述套筒、所述回压阀和出砂管路；

出砂计量：保持高压驱替至所需时间，通过称重天平对出砂称重，得出出砂量；

低压驱替：关闭所述高压气瓶、所述储气瓶和所述高压泵，将所述手摇泵归零，打开低压气瓶，并通过计算机调节所述低压气瓶对所述岩心的供气压力，转换所述第一多通阀和所述第二多通阀，导通所述低压气瓶、所述套筒、所述回压阀和气体流量计；

气体流量计量：通过所述气体流量计得到单位时间内通过所述岩心的气体流量，并通过达西公式计算得到岩心渗透率；

重复驱替：重复高压驱替、出砂计量、低压驱替和气体流量计量的工序，得到所述岩心出砂临界生产压差。