CN204302156U - 一种测量低渗透岩样渗透率和孔隙度的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种测量低渗透岩样渗透率和孔隙度的实验装置，用于实验室测试低孔低渗岩样渗透率与孔隙度，如页岩、致密砂岩等。本实用新型包含气源、调压阀、压力表、压力传感器、脉冲气体生成装置、定容积室、岩样夹持器、液压泵、数据采集与处理系统等。本实用新型使用矩形波脉冲气体，数据采集与处理系统采用闭环结构，测试不同地层压力条件下的岩样，获取脉冲气体压力衰减过程中的相关实验参数，计算得到岩样渗透率和孔隙度。效果是：本实验装置与方法简单实用、渗透率测试精度为10 nD、实验数据可靠、能够实现页岩、致密砂岩等低孔低渗透或特低孔低渗岩样渗透率与孔隙度的测定。

Description

一种测量低渗透岩样渗透率和孔隙度的实验装置

技术领域

本实用新型涉及测量低渗透岩样渗透率和孔隙度的实验装置，特别涉及一种能够模拟不同地层压力条件下，利用低频矩形脉冲波，测量页岩、致密砂岩等低孔低渗或特低孔低渗岩样的实验装置。

背景技术

随着社会发展与油气勘探开发需求，各类的非常规油气藏开始进入人们视野，需要提高油气勘探开发技术，满足各类非常规油气藏的经济开发需求。从常规油藏到超低渗的非常规油气藏(例如页岩气储层)，渗透率测试精度要求从毫达西级发展到纳达西级，进而对相应的实验仪器和实验方法提出了更高的精度要求，相应实验方法也必须做出改进和创新。

当前，实验室测试岩样渗透率主要分为稳态和非稳态两大类，而低渗透岩样孔隙度与渗透率测试主要通过非稳态法实现。特别是瞬态压力脉冲法，通过测量岩样两端不稳定压差与平衡的压力衰减过程求取渗透率和孔隙度值。该方法与传统稳态法相比，精度高，适合低渗透岩样，所需时间较短，应用广泛。此外非稳态法测定岩样孔隙度与渗透率的方法还有：变容压力脉冲法、孔隙压力震荡法。变容压力脉冲法是对瞬态压力脉冲法的一种改进，用气液混合且容积可变的水箱代替了瞬态压力脉冲法中的上下游容器，从而扩大装置的量程。孔隙压力震荡法在控制岩样围压、孔压下，对岩石施加一个已知的小幅度正弦震荡的压力，通过测量岩样另一侧的压力响应，利用震荡边界条件计算渗透率。但针于页岩等致密岩样，这两种方法当前国内应用还比较少，主要是采用瞬态压力脉冲法。

瞬态压力脉冲法测量低渗透岩样渗透率和孔隙度在当前虽然得到广泛应用，但也存在一定缺点：

1.测量孔隙度、渗透率较大的岩样样品时误差较大，当前主要应用于低渗透率岩样测量。

2.测试过程中压力脉冲波稳定时间长，导致测试时间较长。常规采用的正余弦或恒定压等脉冲压力波形直接影响测试精度，压力脉冲波形有待于优化。

3.常规瞬态压力脉冲法测量粉碎岩样获得的岩样渗透率和孔隙度值常出现比实际地层渗透率和孔隙度值高的情况，或者只是简单采用一个压力影响因子系数校正粉碎岩样渗透率和孔隙度随着有效围压的增大而降低的情况。

发明内容

本实用新型提供一种测量低渗透岩样渗透率和孔隙度的实验装置，能够测量不同地层压力条件下低渗透岩样渗透率和孔隙度，其测试过程时间段短，脉冲压力波稳定，测试精度能达到10nD级别。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种测量低渗透岩样渗透率和孔隙度的实验装置，包括地层压力模拟装置、脉冲气体产生装置、数据采集与处理系统。

所述地层压力模拟装置由液压泵连接岩样夹持器组成，系统围压由岩样夹持器通过液压泵直接施加。

脉冲气体产生装置包括气源、脉冲气体生成装置、第一定容积室、第二定容积室，气源通过管路和调压阀连接脉冲气体生成装置的进气端，脉冲气体生成装置可根据需要提供1-20MPa不同振幅的低频矩形波状脉冲，脉冲气体生成装置出气端通过管路连接第一定容积室，第一定容积室通过管路连接岩样夹持器的进气端，将脉冲气体送入到被夹持的测试岩样中，岩样夹持器的出气端通过管路连接第二定容积室；所述第一定容积室容积体积为100cm³，第二定容积室的容积体积为100cm³。

数据采集与处理系统包括第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和数据采集与处理器，第一压力传感器实时采集脉冲气体生成装置的压力，第二压力传感器实时采集第一定容积室的压力，第三压力传感器实时采集第二定容积室的压力，它们信号连接至数据采集与处理器，数据采集与处理器压力信号计算出岩样渗透率与孔隙度。整个数据采集与处理系统为闭环循环结构，能够实时获取各项试验数据，并能按照实验处理数据要求实时处理实验数据，获取被测样品渗透率与孔隙度值。同时可根据计算出的样品渗透率与孔隙度值调整脉冲气体生成装置产生的压力脉冲波振幅，进一步验证不同脉冲波条件下所测渗透率与孔隙度值，提高测量准确度。

本装置由脉冲气体生成装置生成低频矩形波状脉冲波后经过调压阀进入第一定 容积室，脉冲气体经过测试岩样后进入第二定容积室，两个定容积室容积体积都为100cm³，能产生持续稳定的低频矩形脉冲波，脉冲压力的实验稳定时间短，能更易、更快实现图3所示的测量气体密度变化稳定曲线。定容积室的压力变化分别由压力传感器监测，并传入数据采集与处理系统处理、监测、判断实验情况。本实用新型的有益效果是：本实验装置采用了低频矩形波状脉冲波、较大容积定容器和闭循环结构的数据采集与处理系统，能够较快达到压力稳定，完成实验测试。测试设备较已有同类低渗透岩样渗透率和孔隙度测试设备简单、稳定，计算方法简单、可靠，且实验精度能达到10nD级别，满足低渗透岩样测试需求。

附图说明

上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是低孔低渗岩样渗透率和孔隙度的装置结构示意图。

图2是脉冲气体生成装置生成的脉冲矩形波示意图。

图3是渗透率和孔隙度测定过程中气体密度变化曲线示意图。

图4是测试过程中第二定容器压力变化曲线示意图。

图中，1-气源，2-第一调压阀，3-压力表，4-第二调压阀，5-第一压力传感器，6-脉冲气体生成装置，7-第三调压阀，8-第一定容积室，9-第二压力传感器，10-岩样夹持器，11-岩样，12-液压泵，13-第三压力传感器，14-第二定容积室，15-数据采集与处理系统。

具体实施方式

下面对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施实例。

参阅图1，一种测试低渗透岩样渗透率和孔隙度的实验装置，由气源(1)提供1-2MPa稳定压力气源，气源(1)采用氮气作为气体介质，通过管路和调压阀连接脉冲气体生成装置(6)。第一调压阀(2)控制气源(1)出口压力大小，第一调压阀(2)配合第二调压阀(4)控制进入脉冲气体生成装置(6)的入口气体压力。脉冲气体生成装置(6)能根据实验需要生成如图2所示形状、振幅为 1-20MPa的低频脉冲矩形波，其脉冲矩形波具有振幅大、频率低等特点。

参阅图1，脉冲气体生成装置(6)生成低频脉冲矩形波后经过第三调压阀(7)进入第一定容积室(8)，第一定容积室(8)容积体积为100cm³，脉冲气体经过测试岩样(11)后进入第二定容积室(14)，第二定容积室(14)容积体积为100cm³，第一定容积室(8)、第二定容积室(14)的压力变化分别由第二压力传感器(9)和第三压力传感器(13)监测，并传入数据采集与处理器(15)处理、监测、判断实验情况。实验中第一定容积室(8)的气体密度和气体密度自然对数曲线与如图3所示的形状类同，同时第二定容积室(14)压力与如图4所示形状类同，可判断实验已达到稳定状态，满足实验要求。本实验装置中的第一定容积室(8)、第二定容积室(14)容积体积都为100cm³，能够使实验测试过程脉冲压力波的稳定速度加快，缩短实验时间。

参阅图1，数据采集与处理系统(15)为闭环循环结构，能够实时获取、处理各项实验数据，计算出被测样品渗透率与孔隙度值。并能够反馈计算出的样品渗透率与孔隙度值给脉冲气体生成装置(6)，通过调整压力脉冲波振幅，进一步验证不同脉冲波条件下所测渗透率与孔隙度值，提高测量精确度。

参阅图1，测试岩样(11)为标准柱状体岩样或粉碎岩样经过压实获得，放在岩样夹持器(10)内，由岩样夹持器(10)固定和施加围压，测试岩样(11)模拟地层的三轴压力由液压泵(12)提供，最大围压可达150MPa。

实验方法如下：

步骤A，制备岩样。通过岩样切割机，制取直径为1英寸，高为2英寸的岩样。如果岩样为页岩，应粉碎页岩岩样，再通过压实粉碎样品制取岩样。

步骤B，安装岩样(11)于岩样夹持器(10)中，打开实验气源(1)和实验设备各回路，调节调压阀(2)、调压阀(4)、脉冲气体生成装置(6)生成所需脉冲能量大小气体。然后排空实验设备回路中空气。排尽空气后，关闭气源(1)和回路中各阀门。

步骤C，打开数据采集与处理系统(15)，开始记录整个实验过程各项数据。

步骤D，根据实验要求，调节液压泵(12)施加岩样(11)所需实验围压大小。

步骤E，打开气源(1)和回路中开关，对岩样产生一个低频矩形脉冲波，待定 容积室(8)中压力稳定后，关闭气源(1)，靠脉冲气体生成装置(6)产生持续矩形脉冲波，并用数据采集与处理系统(15)记录整个过程各项数据。待定容积室(8)中的气体密度和气体密度自然对数曲线形状如图3、定容积室(14)内气体压力如图4所示时，可判断为实验过程已稳定，结束实验。

步骤F，达到实验结束要求后，先关闭脉冲气体生成装置(6)和液压泵(12)，关闭实验回路各阀门。

步骤G，孔隙度和渗透率的计算。孔隙度计算公式：

$\mathrm{\Φ}=\frac{(V_s+V_r){\mathrm{\ρ}}_m-(V_s\×{\mathrm{\ρ}}_s+V_r\×{\mathrm{\ρ}}_r)}{({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_m)\×V_b}$

其中，ρ_s、ρ_r、ρ_m分别为一定温度下、压力为P_s、P_r、P_m时，初始测量岩样中气体密度(g/cm³)、初始测量气源气体密度(g/cm³)、实验平衡气体密度(g/cm³)；V_b为模拟围压条件下的岩样体积(cm³)；V_s为回路调压阀(7)到岩样(11)之间回路容积体积(cm³)；V_s为回路调压阀(7)与调压阀(2)之间回路容积体积(cm³)。

步骤H，渗透率计算公式：

式中，S为时间——气体密度自然对数图拟合直线斜率(如图3中理想气体密度自然对数曲线斜率)；c为气体压缩系数(1/MPa)，μ为气体粘度(MPa·s)；Φ岩样孔隙度；b为方程的根，由下式确定：b×cot(b×l)＝-h；其中：l为样品长度(cm)，A为样品横截面积(cm²)，

步骤I，图3中气体密度计算公式为：

${\mathrm{\ρ}}_D=\frac{(\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_s)\×(1+h\×1)-({\mathrm{\ρ}}_e-{\mathrm{\ρ}}_s)}{(1+h\×1)\×({\mathrm{\ρ}}_e-{\mathrm{\ρ}}_s)}$

其中ρ为气源气体密度(g/cm³).。

Claims (1)

1.一种测量低渗透岩样渗透率和孔隙度的实验装置，包括地层压力模拟装置、脉冲气体产生装置、数据采集与处理系统；其特征在于，所述地层压力模拟装置由液压泵（12）连接岩样夹持器（10）组成，系统围压由岩样夹持器（10）通过液压泵（12）直接施加；

    脉冲气体产生装置包括气源（1）、脉冲气体生成装置（6）、第一定容积室（8）、第二定容积室（14），气源（1）通过管路和调压阀连接脉冲气体生成装置（6）的进气端，脉冲气体生成装置（6）提供1-20MPa不同振幅的低频矩形波状脉冲，脉冲气体生成装置（6）出气端通过管路连接第一定容积室（8），第一定容积室（8）通过管路连接岩样夹持器（10）的进气端，将脉冲气体送入到被夹持的测试岩样（11）中，岩样夹持器（10）的出气端通过管路连接第二定容积室（14）；所述第一定容积室（8）容积体积为100cm³，第二定容积室（14）的容积体积为100cm³；

数据采集与处理系统包括第一压力传感器（5）、第二压力传感器（9）、第三压力传感器（13）和数据采集与处理器（15），第一压力传感器（5）实时采集脉冲气体生成装置（6）的压力，第二压力传感器（9）实时采集第一定容积室（8）的压力，第三压力传感器（13）实时采集第二定容积室（14）的压力，它们信号连接至数据采集与处理器（15），数据采集与处理器（15）压力信号计算出岩样渗透率与孔隙度；

数据采集与处理系统采用闭循环结构，实时获取各项试验数据，并按照实验处理数据要求实时处理实验数据，获取被测样品渗透率与孔隙度值，并根据测量值实时调整脉冲气体生成装置（6）。