CN117949363A - 岩心渗透率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩心渗透率测量装置及方法。岩心渗透率测量装置包括：夹持器，用于放置岩心试样；第一计量泵；第二计量泵，第一计量泵和第二计量泵分别与夹持器的进口端和夹持器的出口端连接，用于向岩心试样施加孔隙压力；围压管路，围压管路与夹持器的围压腔连通，用于向岩心试样施加围压。本发明解决了现有技术中岩心渗透率测量不准确的问题。

Description

岩心渗透率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及石油天然气配套设备技术领域，具体而言，涉及一种岩心渗透率测量装置及方法。

背景技术

渗透率是岩石最重要的基本物性参数之一，在一定压差下岩石允许流体通过的性质称为渗透性。准确测定地层条件下尤其是在高孔隙流体压力下岩石的渗透率以及获取渗透率随地层孔隙流体压力的变化规律对认识储层、调整油气藏开发方案等具有重要的意义。

目前渗透率测试是在孔隙流体压力为大气压条件下进行的，通常使用有效应力转化为地层条件渗透率，即根据“相等有效应力对应的渗透率相等”建立渗透率与有效应力的关系，以此作为研究储层岩石的渗透率随应力变化而变化的规律。然而，有研究表明有效应力并不适于储层岩石渗透率变化规律的研究。因此，基于行业标准的应力敏感性实验不能用于储层岩石的渗透率变化规律。

为了真实反映地层条件下的渗透率及其变化规律，通常在岩心的出口端增加回压阀以达到高孔隙流体压力。回压阀的主要原理是通过回压阀设定一个回压值，当岩心夹持器的出口端压力高于设定的回压值之后，回压阀打开，流体流经岩心；但是目前所使用的回压阀常存在启动压力较大、变形不易恢复、控制精度低等问题，测试岩心的渗透率越高，测量误差越大。

由上可知，现有技术中存在岩心渗透率测量不准确的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种岩心渗透率测量装置及方法，以解决现有技术中岩心渗透率测量不准确的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种岩心渗透率测量装置，包括：夹持器，用于放置岩心试样；第一计量泵；第二计量泵，第一计量泵和第二计量泵分别与夹持器的进口端和夹持器的出口端连接，用于向岩心试样施加孔隙压力；围压管路，围压管路与夹持器的围压腔连通，用于向岩心试样施加围压。

进一步地，岩心渗透率测量装置还包括：介质注入管路，介质注入管路与夹持器的进口端连接，第一计量泵设置在介质注入管路上；介质流出管路，介质流出管路与夹持器的出口端连接，第二计量泵设置在介质流出管路上。

进一步地，围压管路与介质注入管路并联。

进一步地，岩心渗透率测量装置还包括第一开闭阀，第一开闭阀设置在介质注入管路上，用于控制介质注入管路的开闭。

进一步地，岩心渗透率测量装置还包括第二开闭阀，第二开闭阀设置在围压管路上，用于控制围压管路的开闭。

进一步地，岩心渗透率测量装置还包括排空管路和排空阀，排空管路和排空阀均为两个，两个排空管路分别与夹持器的进口端和出口端连接，两个排空阀分别设置在两个排空管路上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种岩心渗透率测量方法，其特征在于，使用上述的岩心渗透率测量装置实施测量方法，测量方法包括：制备岩心试样并将岩心试样放置在夹持器内；通过围压管路向岩心试样施加围压至上覆地层压力；对岩心渗透率测量装置进行排空；先将第一计量泵的压力和第二计量泵的压力调节至地层压力，然后调高第一计量泵的压力以使岩心试样的两端具有压差；判断岩心渗透率测量装置是否达到稳态；当达到稳态后，计算岩心试样的渗透率。

进一步地，岩心试样的渗透率的计算公式为：

其中，K为岩心试样的渗透率，单位为mD；Q为流过岩心试样的测量介质的流量，单位为ml/s；μ为测量介质的粘度，单位为cP；L为岩心试样的长度，单位为cm；A为岩心试样的横截面积，单位为cm²；ΔP为岩心试样的两端的压差，单位为MPa。

进一步地，第一计量泵处于恒压模式时，稳态的判断方法为：保持岩心试样的两端的压差不变，计量第一预设时间内从第一计量泵流出的测量介质的体积V1和流入第二计量泵的测量介质的体积V2，当V1＝V2时，判定达到稳态。

进一步地，稳态的判断方法为：令第一计量泵的压力保持第二预设时间后，将第一计量泵设置为恒流模式，当第一计量泵的压力不再改变时，判定达到稳态。

应用本发明的技术方案，岩心渗透率测量装置包括夹持器、第一计量泵、第二计量泵和围压管路，夹持器用于放置岩心试样，第一计量泵和第二计量泵分别与夹持器的进口端和夹持器的出口端连接，用于向岩心试样施加孔隙压力，围压管路与夹持器的围压腔连通，用于向岩心试样施加围压，这样通过夹持器两端设置计量泵实现对岩心试样准确地施加孔隙压力，大大减小了测量误差，从而实现孔隙压条件下岩心渗透率的准确测量，解决了现有技术中岩心渗透率测量不准确的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的一个具体实施例中的岩心渗透率测量装置的结构示意图；

图2示出了本发明的一个具体实施例中的岩心渗透率测量方法的流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、夹持器；11、夹持器主体；12、第一堵头；13、第二堵头；20、第一计量泵；30、第二计量泵；40、围压管路；50、介质注入管路；60、介质流出管路；70、第一开闭阀；80、第二开闭阀；90、排空管路；100、排空阀；110、三通阀。

具体实施方式

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特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中岩心渗透率测量不准确的问题，本发明提供了一种岩心渗透率测量装置及方法。其中，下述的岩心渗透率测量方法通过下述的岩心渗透率测量装置来实施。

如图1所示，岩心渗透率测量装置包括夹持器10、第一计量泵20、第二计量泵30和围压管路40。夹持器10用于放置岩心试样。第一计量泵20和第二计量泵30分别与夹持器10的进口端和夹持器10的出口端连接，用于向岩心试样施加孔隙压力。围压管路40与夹持器10的围压腔连通，用于向岩心试样施加围压。

通过设置岩心渗透率测量装置包括夹持器10、第一计量泵20、第二计量泵30和围压管路40，夹持器10用于放置岩心试样，第一计量泵20和第二计量泵30分别与夹持器10的进口端和夹持器10的出口端连接，用于向岩心试样施加孔隙压力，围压管路40与夹持器10的围压腔连通，用于向岩心试样施加围压，这样通过夹持器10两端设置计量泵实现对岩心试样准确地施加孔隙压力，大大减小了测量误差，从而实现孔隙压条件下岩心渗透率的准确测量，能够反应高压地层条件下岩石的真实渗透率。

可以理解的是，第一计量泵20通过向夹持器10内注入测量介质实现对岩心试样施加孔隙压力。如图1所示，岩心渗透率测量装置还包括介质注入管路50和介质流出管路60。介质注入管路50与夹持器10的进口端连接，第一计量泵20设置在介质注入管路50上。介质流出管路60与夹持器10的出口端连接，第二计量泵30设置在介质流出管路60上。

如图1所示，夹持器10包括夹持器主体11、第一堵头12和第二堵头13。夹持器主体11具有围压腔体，围压腔体的侧面开设有围压入口，围压入口与围压管路40连通，围压腔体内部用于放置待检测的岩心试样。进一步的，夹持器10还包括进出口端盖和胶套组件。胶套组件套设在岩心试样的外表面，胶套组件的外表面与围压腔体内壁之间形成围压空间。进出口端盖分别位于围压腔体的两端，第一堵头12、第二堵头13与进出口端盖均同轴设置，且第一堵头12和第二堵头13的一端分别伸入胶套组件内部与岩心试样的两端端面接触，另一端延伸出围压腔体的端部。

在本实施例中，胶套组件包括绝缘橡胶套管、固定环、O型密封圈以及套管端塞。套管端塞上设有第一连接部、第二连接部和第一限位部。第一连接部与第二连接部同轴固定连接，且第一限位部位于第一连接部和第二连接部的结合位置。第一连接部表面呈锥形，且第一连接部的直径向远离第一限位部的方向逐渐减小。绝缘橡胶套管的两端分别设有一个套管端塞；套管端塞的第一连接部位于绝缘橡胶套管内部，第二连接部上同轴套设O型密封圈和固定环，O型密封圈位于固定环与第一限位部之间，且固定环与第一限位部将O型密封圈压紧固定。

进一步的，围压腔体上开设有进口和出口，围压腔体的进口和出口分别位于围压腔体的两端位置。进口端盖螺纹连接于围压腔体的进口，出口端盖螺纹连接于围压腔体的出口。进口端盖内表面设有第一安装螺纹，出口端盖内表面设有第二安装螺纹。第一堵头12同轴螺纹安装于进口端盖的第一安装螺纹，且第一堵头12的一端伸入胶套组件内部。第二堵头13同轴螺纹安装于出口端盖的第二安装螺纹，且第二堵头13的一端伸入胶套组件内部，岩心试样位于第一堵头12和第二堵头13之间。第一堵头12和第二堵头13与岩心试样接触一端端面上刻有导流槽和导流孔，导流槽为多个且多个导流槽呈同心圆设置，且同心圆导流槽之间设有多个连通导流槽，导流孔均匀分布于连通导流槽的底面。

在本实施例中，第一堵头12内部开设有第一流道，第一流道与介质注入管路50连通，相应的，第二堵头13内部开设有第二流道，第二流道与介质流出管路60连通。

如图1所示，岩心渗透率测量装置还包括第一开闭阀70。第一开闭阀70设置在介质注入管路50上，用于控制介质注入管路50的开闭。

在本实施例中，围压管路40与介质注入管路50并联。具体的，如图1所示，岩心渗透率测量装置还包括三通阀110，三通阀110设置在介质注入管路50，围压管路40与三通阀110连接，从而实现与介质注入管路50的并联。

如图1所示，岩心渗透率测量装置还包括第二开闭阀80。第二开闭阀80设置在围压管路40上，用于控制围压管路40的开闭。

在本实施例中，围压管路40与介质注入管路50的并联处位于第一计量泵20的下游。第一开闭阀70位于三通阀110与夹持器10之间。在向岩心试样施加围压时，将第一开闭阀70开闭并打开第二开闭阀80，使得第一计量泵20先向围压空间内注入测量介质，从而向岩心试样施加围压，然后关闭第二开闭阀80，使得围压保持不变。然后打开第一开闭阀70，使得第一计量泵20向岩心试样所在空间内注入测量介质，从而向岩心试样施加孔隙压力。这样无需额外设置围压施加装置，使得整个岩心渗透率测量装置结构简单，便于操作。

如图1所示，岩心渗透率测量装置还包括排空管路90和排空阀100，排空管路90和排空阀100均为两个，两个排空管路90分别与夹持器10的进口端和出口端连接，两个排空阀100分别设置在两个排空管路90上。通过上述设置，使得岩心渗透率测量装置能够在测量开始之前对管路和夹持器10内的空气进行排空，保证测量准确性。

本申请还提供一种岩心渗透率测量方法，使用上述的岩心渗透率测量装置实施本测量方法。如图2所示，测量方法包括：制备岩心试样并将岩心试样放置在夹持器10内；通过围压管路40向岩心试样施加围压至上覆地层压力；对岩心渗透率测量装置进行排空；先将第一计量泵20的压力和第二计量泵30的压力调节至地层压力，然后调高第一计量泵20的压力以使岩心试样的两端具有压差；判断岩心渗透率测量装置是否达到稳态；当达到稳态后，计算岩心试样的渗透率。

在本实施例中，岩心试样的渗透率的计算公式为：

其中，K为岩心试样的渗透率，单位为mD；Q为流过岩心试样的测量介质的流量，单位为ml/s；μ为测量介质的粘度，单位为cP；L为岩心试样的长度，单位为cm；A为岩心试样的横截面积，单位为cm²；ΔP为岩心试样的两端的压差，单位为MPa。

在本实施例中，第一计量泵20和第二计量泵20均为高精度恒流恒压计量泵。具体的，第一计量泵20和第二计量泵20具有恒流模式和恒压模式。

在本实施例中，第一计量泵20处于恒压模式时，稳态的判断方法为：保持岩心试样的两端的压差不变，计量第一预设时间内从第一计量泵20流出的测量介质的体积V1和流入第二计量泵30的测量介质的体积V2，当V1＝V2时，判定达到稳态。在恒压模式下，可以直接测量得到岩心试样的两端的压差和流过岩心试样的测量介质的流量，从而计算得到岩心试样的渗透率。

在本实施例中，稳态的判断方法还可以为：令第一计量泵20的压力保持第二预设时间后，将第一计量泵20设置为恒流模式，当第一计量泵20的压力不再改变时，判定达到稳态。在恒流模式下，当达到稳态后，记录此时刻T0、第二计量泵30的体积V0，然后从时刻T0开始计算，当第二计量泵30的体积改变量超过5mL后，记录此时刻T0’、第二计量泵30的体积V0’，那么流过岩心试样的测量介质的流量Q可以通过下述公式得到：

需要说明的是，假设被测岩心试样的原始渗透率为K1，长度为L，截面积为A，液体粘度为μ，泵流量最小值为qmin，围压与孔隙压压力差为ΔP。为了使整套装置处于密闭状态，围压与孔隙压力的压差应不少于5Mpa，即岩心两端最大压差应不超过(ΔP-5)MPa。则使用恒流模式的条件为：K1/L>qμ/(A(ΔP-5))，否则使用恒压模式。

采用上述测量方法测量岩样地层条件渗透率K，当不考虑环境和人为因素带来的测量不确定时，依据CNAS-GL05《测量不确定度要求的实施指南》，参考CNAS-GL016：2020《石油化工领域理化检测不确定度评估指南及实例》，地层压力条件渗透率测量的B类不确定度可以表示为：

当数显卡尺的精度为0.001cm，计量泵的计量精度为0.001ml、0.01MPa时，测量直径1英寸、长度5cm岩样试样的原位渗透率的合成相对不确定度u_k≈0.0001mD。当测量岩心试样的渗透率大于0.02mD时，渗透率测量的误差不高于5％，能够满足渗透率测试的准确度要求。

实施例一

使用本实施例中的岩心渗透率测量方法对某油气藏的4块岩心试样进行测量计算。

S1、分别将4块岩心试样洗油烘干，饱和地层水；

S2、测量岩心试样的长度L，横截面积A后放入夹持器10；

S3、打开第二开闭阀80，设定第一计量泵20的压力值施加围压至上覆地层压力并保持稳定，关闭第二开闭阀80。打开第一开闭阀70和排空阀100，设定第一计量泵20的压力施加1MPa驱替压力排空管路内的空气，关闭排空阀100。设定第一计量泵20和第二计量泵30的压力为地层压力，并加压至地层孔隙压力；

S4、调高第一计量泵20的压力使岩心试样的两端达到压差ΔP，保持一段时间，当第一计量泵20的体积改变量与第二计量泵30的体积改变量在一定时间内相等时，记录此时刻T0、出口端计量泵体积V0；

S5、当第二计量泵30的体积改变量超过5mL后，记录此时刻T0’、出口端计量泵体积V0’，则流量Q可以通过公式(2)得到；

S6、卸载压力，取出岩心；

S7、重复步骤S2-S6，测量全部4块岩心试样地层压力条件下两端压差ΔP、流量Q，从而计算得到4块岩心试样的渗透率，结果如表1所示。

表1地层条件渗透率测量结果

对比例

使用现有技术中的全自动覆压孔隙度渗透率测量设备对同一油气藏的4块岩心试样进行渗透率测量。具体测量方法包括以下步骤：

S1、分别将4块岩心试样洗油烘干；

S2、测量岩心试样的长度L，横截面积A后放入覆压夹持器；

S3、设定围压地层条件有效压力12MPa，点击开始测量按钮，一段时间后自动测得地层压力条件覆压渗透率；

S4、卸载压力，取出岩心试样；

S5、重复步骤S2-S4，测量全部4块岩心试样地层压力条件下覆压渗透率，测量结果如表2所示。

表2覆压渗透率测量结果

表3为本申请的测量方法测量地层条件渗透率和现有技术中的覆压测量设备测得覆压渗透率测量结果对比。相关研究表明，高孔隙压力时，岩石保持更多的微裂隙开启，物性更好。对比覆压渗透率测量结果，使用本申请的测量方法测量地层条件的渗透率增大超过10.7388mD。表明本申请的测量方法能够反应真实的地层压力条件岩石渗透率特征。

表3本申请测量方法测量渗透率和现有覆压渗透率测量结果对比

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过设置岩心渗透率测量装置包括夹持器10、第一计量泵20、第二计量泵30和围压管路40，夹持器10用于放置岩心试样，第一计量泵20和第二计量泵30分别与夹持器10的进口端和夹持器10的出口端连接，用于向岩心试样施加孔隙压力，围压管路40与夹持器10的围压腔连通，用于向岩心试样施加围压，这样通过夹持器10两端设置计量泵实现对岩心试样准确地施加孔隙压力，大大减小了测量误差，从而实现孔隙压条件下岩心渗透率的准确测量，能够反应高压地层条件下岩石的真实渗透率。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩心渗透率测量装置，其特征在于，包括：

夹持器(10)，用于放置岩心试样；

第一计量泵(20)；

第二计量泵(30)，所述第一计量泵(20)和所述第二计量泵(30)分别与所述夹持器(10)的进口端和所述夹持器(10)的出口端连接，用于向所述岩心试样施加孔隙压力；

围压管路(40)，所述围压管路(40)与所述夹持器(10)的围压腔连通，用于向所述岩心试样施加围压。

2.根据权利要求1所述的岩心渗透率测量装置，其特征在于，所述岩心渗透率测量装置还包括：

介质注入管路(50)，所述介质注入管路(50)与所述夹持器(10)的进口端连接，所述第一计量泵(20)设置在所述介质注入管路(50)上；

介质流出管路(60)，所述介质流出管路(60)与所述夹持器(10)的出口端连接，所述第二计量泵(30)设置在所述介质流出管路(60)上。

3.根据权利要求2所述的岩心渗透率测量装置，其特征在于，所述围压管路(40)与所述介质注入管路(50)并联。

4.根据权利要求2所述的岩心渗透率测量装置，其特征在于，所述岩心渗透率测量装置还包括第一开闭阀(70)，所述第一开闭阀(70)设置在所述介质注入管路(50)上，用于控制所述介质注入管路(50)的开闭。

5.根据权利要求1所述的岩心渗透率测量装置，其特征在于，所述岩心渗透率测量装置还包括第二开闭阀(80)，所述第二开闭阀(80)设置在所述围压管路(40)上，用于控制所述围压管路(40)的开闭。

6.根据权利要求1所述的岩心渗透率测量装置，其特征在于，所述岩心渗透率测量装置还包括排空管路(90)和排空阀(100)，所述排空管路(90)和所述排空阀(100)均为两个，两个所述排空管路(90)分别与所述夹持器(10)的进口端和出口端连接，两个所述排空阀(100)分别设置在两个所述排空管路(90)上。

7.一种岩心渗透率测量方法，其特征在于，使用权利要求1至6中任一项所述的岩心渗透率测量装置实施所述测量方法，所述测量方法包括：

制备所述岩心试样并将所述岩心试样放置在所述夹持器(10)内；

通过所述围压管路(40)向所述岩心试样施加所述围压至上覆地层压力；

对所述岩心渗透率测量装置进行排空；

先将所述第一计量泵(20)的压力和所述第二计量泵(30)的压力调节至地层压力，然后调高所述第一计量泵(20)的压力以使所述岩心试样的两端具有压差；

判断所述岩心渗透率测量装置是否达到稳态；

当达到所述稳态后，计算所述岩心试样的渗透率。

8.根据权利要求7所述的岩心渗透率测量方法，其特征在于，所述岩心试样的渗透率的计算公式为：

其中，K为所述岩心试样的渗透率，单位为mD；Q为流过所述岩心试样的测量介质的流量，单位为ml/s；μ为所述测量介质的粘度，单位为cP；L为所述岩心试样的长度，单位为cm；A为所述岩心试样的横截面积，单位为cm²；ΔP为所述岩心试样的两端的压差，单位为MPa。

9.根据权利要求7所述的岩心渗透率测量方法，其特征在于，所述第一计量泵(20)处于恒压模式时，所述稳态的判断方法为：

保持所述岩心试样的两端的压差不变，计量第一预设时间内从所述第一计量泵(20)流出的测量介质的体积V1和流入所述第二计量泵(30)的所述测量介质的体积V2，当所述V1＝V2时，判定达到所述稳态。

10.根据权利要求7所述的岩心渗透率测量方法，其特征在于，所述稳态的判断方法为：

令所述第一计量泵(20)的压力保持第二预设时间后，将所述第一计量泵(20)设置为恒流模式，当所述第一计量泵(20)的压力不再改变时，判定达到所述稳态。