CN104297123B - 一种基于电势的自发渗吸测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电势的自发渗吸测量装置，包括围压控制***、电势监测***和压差控制***。围压控制***包括机架、橡胶筒、岩心、围压阀、围压泵、液压油。电势监测***包括恒压电源、网状正电极、网状负电极、数据传输线、电势测量片、定值电阻片。压差控制***包括压力表、储水空间、连通管、水池、连通阀、手摇泵、放空阀。该测量装置结构简单，易于实现，能监测岩心自发渗吸过程中周向各处饱和度随时间的变化情况；可测量在施加不同围压的条件下，自发渗吸过程中的岩心饱和度随时间的变化情况；还可测量在岩心两端施加不同压差的条件下，驱替过程中的岩心饱和度随时间的变化情况，了解岩心的吸水速率、毛管力、吸水质量等参数。

Description

一种基于电势的自发渗吸测量装置

技术领域

本发明属于石油工程技术领域，涉及岩心自发渗吸测量技术，尤其涉及一种基于电势的自发渗吸测量装置。

背景技术

目前，以页岩气为代表的非常规储层具有致密的特征，其开发需要进行大规模水力压裂，大量的水注入地层，因此，评价储层岩石自发渗吸规律是非常规油气开发研究的关键问题之一。这主要有以下几方面的原因：首先，由于致密储层的孔喉细小，喉道分布多处于微纳米级别，毛细管力引起的自发渗吸现象比常规储层更为明显，对储层产生的影响更大；其次，此类储层的吸水能力取决于岩性、地层以及人工注入的液体类型，需要进行大批量的自吸实验研究致密储层与人工注入液体的相互作用；最后，此类储层的非均质性较强，尤其是在页岩气钻井过程中，需要对不同地层或同一地层不同位置的页岩进行多次取样评价。

以页岩气为代表的非常规储层的压裂液返排率往往低于50％，大量的压裂液滞留在地层中。此类储层通常发育有微纳米孔隙，由于其孔喉细小，毛管效应大大增强，压裂液由裂缝靠自吸作用进入基质，形成水相圈闭导致压裂液不易返排，不同的压裂液由于其表面张力、润湿性、地层性质等差异，其自吸作用差异较大。

由于致密岩心的孔喉细小，其自发渗吸实验所需的测试时间更长，测试期间更易受到环境温度、湿度变化的影响，所以常规测试方法无法满足测试精度的要求，并且无法获得岩心中流体饱和度的分布规律和随时间的变化规律。

目前常用的方法是，将岩心筒内浸水，并在筒的一端接一根可以计量水的高度的玻璃管，并使用摄像机针对玻璃管内液面高度进行监测。当岩样吸水以后，玻璃管内的液面高度下降，记录液面下降高度随时间的变化，再通过玻璃管横截面积与液面下降高度的乘积，计算岩石吸入水的质量随时间的变化。但是该测量方法存在一些人为误差，会导致测量结果不准确，另外该测量装置只能测量整个岩心吸入水的质量随时间的变化，有一定的局限性。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于电势的自发渗吸测量装置，包括围压控制***，还包括电势监测***和压差控制***。

本发明的测量装置具有如下优点：结构简单，易于实现，能监测岩心自发渗吸过程中周向各处饱和度随时间的变化情况，可用于从活塞式驱替到非活塞式驱替的各种可能的驱替模式；可测量在施加不同围压的条件下，自发渗吸过程中的岩心饱和度随时间的变化情况，了解该岩石样品的吸水速率、毛管力、吸水量等参数；可测量在岩心两端施加不同压差的条件下，驱替过程中的岩心饱和度随时间的变化情况，了解该岩石样品吸水速率、毛管力、吸水质量等参数。

优选的是，所述围压控制***包括机架、橡胶筒、岩心、围压阀、围压泵、液压油。

在上述任一方案中优选的是，所述机架的上部为圆筒，下部为储水空间。所述圆筒由不锈钢材料制成。不锈钢材料的强度高，硬度高，耐磨性和抗腐蚀性较好。在无围压条件下，岩心可从圆筒内自由放入或者卸载。

在上述任一方案中优选的是，所述橡胶筒放置于圆筒与岩心之间，所述岩心放置于橡胶筒内，所述围压阀和所述围压泵放置于圆筒的外侧，并与所述橡胶筒相连，所述橡胶筒内充有液压油。

液压油可对岩心施加围压。打开围压阀后，调节围压泵，并向橡胶筒内注入液压油，橡胶筒对岩心施加围压的同时保证岩心柱面密封。

在上述任一方案中优选的是，所述电势监测***包括恒压电源、网状正电极、网状负电极、数据传输线、电势测量片、定值电阻片。

在上述任一方案中优选的是，所述恒压电源通过第一导线与网状正电极和网状负电极相连，所述网状正电极放置于岩心顶端，所述网状负电极放置于岩心底端，所述定值电阻片放置于网状正电极与岩心顶端之间，所述电势测量片与所述数据传输线相连。

在上述任一方案中优选的是，所述电势测量片的数量至少为四个。本发明经过大量实验证明，至少四个电势测量片可以保证能够测量各个方位的电势分布，防止岩心强非均质性对测量结果的影响，并且能够根据测量结果反演空间的电势分布，电势测量片越多，电势空间分布测量结果越准确。

在上述任一方案中优选的是，所述电势测量片的数量为十二个。

每一个电势测量片均连接一条数据传输线，所有的数据传输线均与计算机相连，或者所有的数据传输线汇聚成一条总的数据传输线，再与计算机相连。

在上述任一方案中优选的是，所述电势测量片沿所述橡胶筒的周向均匀分布于橡胶筒的内壁上。

在上述任一方案中优选的是，所述定值电阻片为圆柱形，其直径与所述岩心的直径相等，或者近似相等。该定值电阻片为已知电阻率的圆柱形的无绝缘体包裹的导体。

在上述任一方案中优选的是，所述电势测量片包括测量探头、第二导线、电势传感器、零线。

在上述任一方案中优选的是，所述测量探头通过第二导线与所述电势传感器的一端相连，所述电势传感器的另一端通过第二导线与所述零线相连，所述零线与网状负电极相连。

在上述任一方案中优选的是，所述测量探头沿电势测量片的长度方向均匀分布于电势测量片上。

在电势监测***中，恒压电源通过导线和网状电极给岩心两端施加电势差，电势测量片受围压作用紧贴在岩心表面，零线与网状负电极相连构成零势线，每一个电势传感器两端通过导线分别与测量探头和零线相连，电势传感器所感应的电势差数据通过数据传输线输出至计算机，并在计算机上实时储存。

在上述任一方案中优选的是，所述压差控制***包括压力表、连通管、水池、连通阀、手摇泵、放空阀。所述水池的容积足够大，水池通过连通管与机架下部的储水空间连通构成连通器。压力表用于显示岩心底端的压力值。

在上述任一方案中优选的是，所述压力表与所述储水空间相连，并与所述岩心底端位于同一水平线上，所述水池通过所述连通管与储水空间相连，所述手摇泵通过所述连通阀与水池相连，所述放空阀设置于水池的上方。

本发明的测量装置可测量围压下岩心自发渗吸含水饱和度随时间的变化情况，以及在不同围压作用下，岩心自发渗吸性质与应力敏感之间的关系。

本发明还提供一种利用上述基于电势的自发渗吸测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)调试测量装置，并检查测量装置的气密性；

(2)将岩心烘干至无自由水状态，并将其放置于橡胶筒内；

(3)打开围压阀，调节围压泵，将岩心的围压升至一定值后，关闭围压阀；

(4)打开恒压电源，记录各相邻测量探头间的电势差，并将测量数据通过数据传输线输出至计算机；

(5)打开放空阀和连通阀，调节手摇泵，使储水空间内的水面刚好接触岩心底端，此时开始记录各测量探头的电势随时间的变化；

(6)待计量时间达到测量要求后，打开围压阀，调节围压泵，卸载岩心的围压，取出岩心后放置于水池内至饱和状态，并将饱和状态的岩心放置于橡胶筒内；

(7)打开围压阀，调节围压泵，将岩心的围压升至一定值后，关闭围压阀；

(8)打开恒压电源，记录各相邻测量探头间的电势差，并将测量数据通过数据传输线输出至计算机；

(9)将计算机记录的数据进行分析，求解各参数，评价岩心自发渗吸规律；

所述测量装置为一种基于电势的自发渗吸测量装置。

步骤(3)中对无自由水状态的岩心施加的围压值与步骤(7)中对饱和状态的岩心施加的围压值相等。岩心具有应力敏感的特性，若岩心在无自由水状态下与在饱和状态下所施加的围压值不相等，则岩心的孔隙率也不同，会导致测量出现误差，影响测量结果，因此不能准确的表征岩心自发渗吸规律。

本发明的测量方法是通过使用上述基于电势的自发渗吸测量装置给岩心施加电势差，测量岩心表面各点电势，监测岩心对压裂液等各种液体自发渗吸的界面高度，以及岩心上该液体的饱和度分布随时间的变化，实时的掌握被测样品的吸水速率、毛管力、吸水质量等参数，更加准确的表征致密岩心的自发渗吸规律，为现场施工提出指导性建议，也为储层评价提供合理依据。

优选的是，所述基于电势的自发渗吸测量装置包括围压控制***、电势监测***、压差控制***。

在上述任一方案中优选的是，所述围压控制***包括机架、橡胶筒、岩心、围压阀、围压泵、液压油。

在上述任一方案中优选的是，所述电势监测***包括恒压电源、网状正电极、网状负电极、数据传输线、电势测量片、定值电阻片。

在上述任一方案中优选的是，所述压差控制***包括压力表、储水空间、连通管、水池、连通阀、手摇泵、放空阀。

当进行自发渗吸测量时，打开放空阀和连通阀，通过手摇泵调整水池内的液面高度，使其与网状负电极的高度一致，并且压力表的表压为零，从而保持岩心的两端无压差；当进行驱替测量时，关闭放空阀，打开连通阀，通过手摇泵给储水空间加压，使岩心的两端保持定压。通过各电势传感器数值的变化监测岩心周向上的各点电势，判断岩心吸入液体饱和度在岩心内的纵向分布状况。

本发明的主要设计原理是在岩心两端制造电势差，在橡胶筒内壁沿周向均布至少四个电势测量片，当橡胶筒内填充液压油后，使得电势测量片紧贴岩心表面，电势测量片上等距分布的测量探头也紧贴岩心。在岩心顶端放上和岩心等直径的定值电阻片，该定值电阻片的电阻率已知，如此，岩心和定值电阻片构成串联电路，通过的电流相等，由于相邻测量探头的距离相等，根据电路基本定律，则有岩心上某相邻测量探头间的电势差与定值电阻片上相邻测量探头间的电势差之比等于岩心上该测量探头间岩心的电阻率与定值电阻片的电阻率之比，即

其中，ρ_岩心和ρ_{定值电阻片}分别表示岩心上某相邻的两个测量探头间的岩心的电阻率和定值电阻片的电阻率；U_岩心和U_{定值电阻片}分别表示岩心上某相邻的两个测量探头间的岩心的电势差和定值电阻片的电势差。

假设岩心电阻率与含水饱和度呈线性关系，则岩心吸水后，岩心上的电阻率会发生改变。岩心烘干至只有束缚水后，相邻两个测量探头间的岩心的电阻率为ρ_wi，含水饱和度为S_wi，岩心饱和水后，相邻两个测量探头间的岩心的电阻率为ρ_s，含水饱和度为S_s，那么，如果已知岩心上相邻两个测量探头间的岩心的电阻率ρ_i，则可计算该处的饱和度S_i：

$S_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i-{\mathrm{\ρ}}_{wi}}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_{wi}}(S_s-S_{wi})+S_{wi}---\left(2\right)$

因此，通过式(1)可知，已知岩心上每个测量探头间的电势差，便可知道该时刻岩心上的电阻率分布，通过式(2)可知，已知岩心上的电阻率分布，便可计算出岩心上的含水饱和度的分布。因此，通过对岩心表面电势分布的监测，可以计算出岩心饱和度的分布，从而观察活塞式自发渗吸过程中界面的上升情况以及非活塞式吸水过程中岩心饱和度的变化，进而认识岩石样品的吸水速率、毛管力、吸水量等参数，更加准确的表征致密岩心的自发渗吸规律，为现场施工提出指导性建议，也为储层评价提供合理依据。

进行岩心的自发渗吸实验，监测岩心饱和度随时间的变化情况时，由于储水空间与具有足够大容积的水池构成连通器结构，打开放空阀和连通阀，通过手摇泵调整水池内的液面高度，使其与网状负电极高度一致，并且压力表的表压为零，从而保持岩心的两端无压差。如果需要对岩心两端制造压差，则关闭放空阀，打开连通阀，通过手摇泵给储水空间加压，使岩心的两端保持定压，压差值可以通过压力表读出。并且，通过调节围压泵，可监测不同围压下岩石的自发吸水情况。

附图说明

图1为按照本发明的基于电势的自发渗吸测量装置的一优选实施例示意图；

图2为按照本发明的基于电势的自发渗吸测量装置的橡胶筒内的电势测量片的一优选实施例示意图；

图3为按照本发明的基于电势的自发渗吸测量装置的图2所示橡胶筒内的电势测量片的A处放大图；

图4为按照本发明的基于电势的自发渗吸测量装置的电势监测***中的网状正电极和网状负电极的俯视示意图；

图5为按照本发明的基于电势的自发渗吸测量装置的橡胶筒内的电势测量片的另一优选实施例示意图；

图6为按照本发明的基于电势的自发渗吸测量装置的测量方法的工艺流程图；

图7为按照本发明的基于电势的自发渗吸测量装置的岩心自吸水质量随时间变化曲线；

图8为按照本发明的基于电势的自发渗吸测量装置的岩心自吸水质量随时间平方根变化曲线。

图中标注说明：1-机架，2-橡胶筒，3-岩心，4-围压阀，5-围压泵，6-液压油，7-圆筒，8-储水空间，9-恒压电源，10-网状正电极，11-网状负电极，12-数据传输线，13-电势测量片，14-定值电阻片，15-测量探头，16-第二导线，17电势传感器，18-零线，19-压力表，20-连通管，21-水池，22-连通阀，23-手摇泵，24-放空阀。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

如图1所示，一种基于电势的自发渗吸测量装置，包括围压控制***、电势监测***和压差控制***。

围压控制***包括机架1、橡胶筒2、岩心3、围压阀4、围压泵5、液压油6。机架1的上部为圆筒7，下部为储水空间8。圆筒7由不锈钢材料制成。橡胶筒2放置于圆筒7与岩心3之间，岩心3放置于橡胶筒2内，围压阀4和围压泵5放置于圆筒7的外侧，并与橡胶筒2相连，橡胶筒2内充有液压油6。液压油可对岩心施加围压。打开围压阀后，调节围压泵，并向橡胶筒内注入液压油，橡胶筒对岩心施加围压的同时保证岩心柱面密封。

电势监测***包括恒压电源9、网状正电极10、网状负电极11、数据传输线12、电势测量片13、定值电阻片14。恒压电源9通过第一导线与网状正电极10和网状负电极11相连，网状正电极10放置于岩心3顶端，网状负电极11放置于岩心3底端，定值电阻片14放置于网状正电极10与岩心3顶端之间，电势测量片13与数据传输线12相连。定值电阻片为圆柱形，其直径与岩心的直径相等。该定值电阻片为已知电阻率的圆柱形的无绝缘体包裹的导体。

压差控制***包括压力表19、连通管20、水池21、连通阀22、手摇泵23、放空阀24。水池的容积足够大，水池通过连通管与机架下部的储水空间连通构成连通器。压力表显示岩心底端的压力值。压力表19与储水空间8相连，并与岩心3底端位于同一水平线上，水池21通过连通管20与储水空间8相连，手摇泵23通过连通阀22与水池21相连，放空阀24设置于水池21的上方。

如图2所示，电势测量片13的数量为四个。每一个电势测量片13均连接一条数据传输线12，所有的数据传输线12均与计算机相连。电势测量片13沿橡胶筒2的周向均匀分布于橡胶筒2的内壁上。

如图3所示，电势测量片包括测量探头15、第二导线16、电势传感器17、零线18。测量探头15通过第二导线16与电势传感器17的一端相连，电势传感器17的另一端通过第二导线16与零线18相连，零线18与网状负电极相连。测量探头15沿电势测量片的长度方向均匀分布于电势测量片上。

如图4所示，网状正电极和网状负电极具有致密的网状结构。

在电势监测***中，恒压电源通过导线和网状电极给岩心两端施加电势差，电势测量片受围压作用紧贴在岩心表面，零线与网状负电极相连构成零势线，每一个电势传感器两端通过导线分别与测量探头和零线相连，电势传感器所感应的电势差数据通过数据传输线输出至计算机，并在计算机上实时储存。

如图6所示，一种利用上述基于电势的自发渗吸测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)调试测量装置，并检查测量装置的气密性；

(2)将岩心烘干至无自由水状态，并将其放置于橡胶筒内；

(3)打开围压阀，调节围压泵，将岩心的围压升至一定值后，关闭围压阀；

(4)打开恒压电源，记录各相邻测量探头间的电势差，并将测量数据通过数据传输线输出至计算机；

(5)打开放空阀和连通阀，调节手摇泵，使储水空间内的水面刚好接触岩心底端，此时开始记录各测量探头的电势随时间的变化；

(6)待计量时间达到测量要求后，打开围压阀，调节围压泵，卸载岩心的围压，取出岩心后放置于水池内至饱和状态，并将饱和状态的岩心放置于橡胶筒内；

(7)打开围压阀，调节围压泵，将岩心的围压升至一定值后，关闭围压阀；

(8)打开恒压电源，记录各相邻测量探头间的电势差，并将测量数据通过数据传输线输出至计算机；

(9)将计算机记录的数据进行分析，求解各参数，评价岩心自发渗吸规律；

所用测量装置为上述基于电势的自发渗吸测量装置。步骤(3)中对无自由水状态的岩心施加的围压值与步骤(7)中对饱和状态的岩心施加的围压值相等。

以RZI-ZS砂岩自吸水测量为例，流体为标准盐水，在平行于地层方向取岩心，岩心直径为2.5cm，长度为4.4cm，干重(无自由水状态)为51.5195g，岩心孔隙度为5.89％，通过上述测量装置和测量方法测得岩心的自吸水质量随时间的变化情况，如图7所示。

根据Handy(1960)模型，可求解单位面积上岩心的自吸水速率：

$m/s=\mathrm{\α}\sqrt{t}$

式中，m—自吸水质量，g；

s—自吸水面的面积，cm²；

t—自吸水时间，s；

α—自吸水速率g/(cm²·s^0.5)。

数据处理后，得到岩心的自吸水质量随时间平方根的变化情况，如图8所示。由图8可知，上述数据直线段拟合良好，该岩心渗吸规律符合Handy模型，自发渗吸段与扩散段的直线延长线交点为(70,1.2)，故进一步计算分析得到自吸水速率α＝3.9199×10^-4g/(cm²·s^0.5)，交点处的润湿相饱和度为置换效率为94.3％，交点对应的时间为置换时间T为4900s，非润湿相的残余饱和度为5.7％。

实施例二：

一种基于电势的自发渗吸测量装置和测量方法，与实施例一基本相同，不同的是，如图5所示，电势测量片的数量为十二个，每一个电势测量片均连接一条数据传输线，所有的数据传输线均与计算机相连。电势测量片沿橡胶筒的周向均匀分布于橡胶筒的内壁上。

实施例三：

一种基于电势的自发渗吸测量装置和测量方法，与实施例一基本相同，不同的是，电势测量片的数量为十六个，每一个电势测量片均连接一条数据传输线，所有的数据传输线均与计算机相连。电势测量片沿橡胶筒的周向均匀分布于橡胶筒的内壁上。

实施例四：

一种基于电势的自发渗吸测量装置和测量方法，与实施例一基本相同，不同的是，电势测量片的数量为二十个，每一个电势测量片均连接一条数据传输线，所有的数据传输线均与计算机相连。电势测量片沿橡胶筒的周向均匀分布于橡胶筒的内壁上。

实施例五：

一种基于电势的自发渗吸测量装置和测量方法，与实施例一基本相同，不同的是，电势测量片的数量为四个，每一个电势测量片均连接一条数据传输线，所有的数据传输线汇聚成一条总的数据传输线，再与计算机相连。电势测量片沿橡胶筒的周向均匀分布于橡胶筒的内壁上。

实施例六：

一种基于电势的自发渗吸测量装置和测量方法，与实施例一基本相同，不同的是，电势测量片的数量为十二个，每一个电势测量片均连接一条数据传输线，所有的数据传输线汇聚成一条总的数据传输线，再与计算机相连。电势测量片沿橡胶筒的周向均匀分布于橡胶筒的内壁上。

实施例七：

一种基于电势的自发渗吸测量装置和测量方法，与实施例一基本相同，不同的是，电势测量片的数量为十六个，每一个电势测量片均连接一条数据传输线，所有的数据传输线汇聚成一条总的数据传输线，再与计算机相连。电势测量片沿橡胶筒的周向均匀分布于橡胶筒的内壁上。

实施例八：

一种基于电势的自发渗吸测量装置和测量方法，与实施例一基本相同，不同的是，电势测量片的数量为二十个，每一个电势测量片均连接一条数据传输线，所有的数据传输线汇聚成一条总的数据传输线，再与计算机相连。电势测量片沿橡胶筒的周向均匀分布于橡胶筒的内壁上。

本领域技术人员不难理解，本发明的基于电势的自发渗吸测量装置包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电势的自发渗吸测量装置，包括围压控制***，其特征在于：还包括电势监测***和压差控制***；所述电势监测***包括恒压电源、网状正电极、网状负电极、数据传输线、电势测量片、定值电阻片，所述恒压电源通过第一导线与网状正电极和网状负电极相连，所述网状正电极放置于岩心顶端，所述网状负电极放置于岩心底端，所述定值电阻片放置于网状正电极与岩心顶端之间，所述电势测量片与所述数据传输线相连。

2.如权利要求1所述的基于电势的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述围压控制***包括机架、橡胶筒、岩心、围压阀、围压泵、液压油；所述机架上部为圆筒，下部为储水空间。

3.如权利要求2所述的基于电势的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述橡胶筒放置于圆筒与岩心之间，所述岩心放置于橡胶筒内，所述围压阀和所述围压泵放置于圆筒的外侧，并与所述橡胶筒相连，所述橡胶筒内充有液压油。

4.如权利要求2所述的基于电势的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述电势测量片的数量至少为四个。

5.如权利要求4所述的基于电势的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述电势测量片的数量为十二个。

6.如权利要求4或5所述的基于电势的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述电势测量片沿所述橡胶筒的周向均匀分布于橡胶筒的内壁上。

7.如权利要求2所述的基于电势的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述定值电阻片为圆柱形，其直径与所述岩心的直径相等。

8.如权利要求1所述的基于电势的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述电势测量片包括测量探头、第二导线、电势传感器、零线；所述测量探头通过第二导线与所述电势传感器的一端相连，所述电势传感器的另一端通过第二导线与所述零线相连，所述零线与网状负电极相连。

9.如权利要求8所述的基于电势的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述测量探头沿电势测量片的长度方向均匀分布于电势测量片上。

10.如权利要求2所述的基于电势的自发渗吸测量装置，其特征在于：所述压差控制***包括压力表、连通管、水池、连通阀、手摇泵、放空阀；所述压力表与储水空间相连，并与所述岩心底端位于同一水平线上，所述水池通过所述连通管与储水空间相连，所述手摇泵通过所述连通阀与水池相连，所述放空阀设置于水池的上方。