CN107014731B - 一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验方法 - Google Patents

Abstract

一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验装置及方法，装置包括气液两驱式流体加载组件、围压泵、压力室、压差传感器、压力传感器、若干截止阀、调压阀、真空泵、辅助加热器及恒温水浴，气液两驱式流体加载组件既能满足液体输出又能满足气体输出，在低渗岩石渗透试验中，能够主动在低渗岩石的上下游建立较大的压力差，同时基于压力脉冲衰减法的设计思路，能够快速测量低渗岩石的渗透率和渗透系数；本发明所建立的试验装置管路体积更小，经实际测算小于300ml，能够有效减小环境温度波动将对管路体积产生的影响，同时再结合恒温水浴和辅助加热器，又可实现对环境温度的精确控制，进一步减小环境温度波动将对管路体积产生的影响，最终提高测量精度。

Description

一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验方法

技术领域

本发明属于低渗岩石渗透试验技术领域，特别是涉及一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验装置及方法。

背景技术

页岩气属于非常规能源的一种，其以多种状态赋存于烃源岩中，页岩气中可自由移动的游离气体约为50％，剩余气体多以吸附状态和溶解状态存在。此外，由于储层基质具有多孔低渗特性，导致页岩气在储层基质中运移困难而难以开采。页岩的渗透能力是表征页岩气运移容易程度的重要指标参数，实现页岩渗透能力的精确测量，对测井评估和进行产能预测的具有重要影响。

目前，传统的压差法岩石稳态渗透试验仅适用于渗透率较高的岩石，而对于像页岩这样的低渗岩石来说，想要测量其渗透率，建立达西稳态流动至少需要数天甚至是数周的时间，而且上下游的流量变化微小，现有流量计精度水平很难达到测量要求。因此，低渗岩石在进行传统的压差法岩石稳态渗透试验是会受到很大的限制。

再有，在页岩等低渗岩石的渗透率测量过程中，温度也是影响测量精度的重要环境因素之一，由于现有试验装置的管路体积大，由波义耳定律可知，在高压条件下，较小的环境温度波动将对管路体积产生很大影响，进而间接影响压力和流量等参数的控制和测量。因此，如何减小测量装置的管路体积也是亟待解决的问题。

因此，对于现有低渗岩石渗透试验中存在的测量时间长、管路体积大以及测量精度低的问题，亟需研发一种全新的低渗岩石渗透试验装置及方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验装置及方法，具有测量时间短、管路体积小以及测量精度高的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验装置，包括气液两驱式流体加载组件、围压泵、压力室、压差传感器、压力传感器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第一调压阀、第二调压阀及恒温水浴，在所述压力室上分别设有围压入口、围压出口、脉冲压力入口及脉冲压力出口，在压力室内加装有测温热电偶；

所述气液两驱式流体加载组件的流体出口一路依次通过第一截止阀及第二截止阀与压力室的脉冲压力入口相连通，另一路依次通过第一截止阀、第三截止阀、压力传感器及第四截止阀与压力室的脉冲压力出口相连通；

所述围压泵的出口通过第五截止阀与压力室的围压入口相连通，压力室的围压出口与第一调压阀相连通；

所述压差传感器一端连接在压力传感器与第四截止阀之间的管路上，压差传感器另一端连接在第二截止阀与第三截止阀之间的管路上；

所述第二调压阀连接在压力传感器与第三截止阀之间的管路上；

所述压力室、压差传感器、压力传感器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第一调压阀、第二调压阀及其之间连接管路均位于恒温水浴内。

所述气液两驱式流体加载组件包括气瓶、水箱、增压泵、水泵、减压阀、第六截止阀、第七截止阀、驱替泵、第八截止阀、泄压阀及辅助加热器；

所述气瓶依次通过增压泵、减压阀及第六截止阀与驱替泵的入口相连通，所述水箱依次通过水泵及第七截止阀与驱替泵的入口相连通，驱替泵的出口依次通过第八截止阀及辅助加热器与第一截止阀相连通；

所述泄压阀连接在第八截止阀与辅助加热器之间的管路上，在第八截止阀与辅助加热器之间的管路上安装有压力表。

所述气液两驱式流体加载组件还包括真空泵和第九截止阀，第九截止阀连接在第八截止阀与辅助加热器之间的管路上，真空泵的吸气口与第九截止阀相连通。

在所述第二截止阀与第三截止阀之间的管路上连接有第一定容高压容器，在所述压力传感器与第三截止阀之间的管路上连接有第二定容高压容器。

所述第一定容高压容器上串联有第三定容高压容器，在第一定容高压容器与第三定容高压容器之间设置有第十截止阀；所述第二定容高压容器上串联有第四定容高压容器，在第二定容高压容器与第四定容高压容器之间设置有第十一截止阀。

一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验方法，采用了所述的低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验装置，包括如下步骤：

步骤一：封装岩样

首先清洁岩样表面，再将岩样置于两个压板之间，同时在岩样与压板之间安装孔板，然后将热缩套套装在岩样、孔板及压板外侧，最后加热热缩套使其收缩，直到岩样、孔板及压板被热缩套包裹密封；

步骤二：安装岩样

将封装后的岩样置于压力室内，同时压力室的脉冲压力入口通过岩样一侧压板接入岩样，压力室的脉冲压力出口通过另一侧压板接入岩样，然后封闭压力室；

步骤三：抽真空

打开第九截止阀，关闭第八截止阀和泄压阀，打开第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第十截止阀及第十一截止阀，关闭第五截止阀、第一调压阀及第二调压阀，然后启动真空泵，对压力室及连接管路进行抽真空作业；

步骤四：围压加载

打开第五截止阀和第一调压阀，然后启动围压泵，对压力室的岩样进行围压加载；

步骤五：岩样饱和

打开第八截止阀，在初始设定压力值下，选择液体或气体对岩样进行饱和；

当选用液体进行岩样饱和时，关闭第六截止阀，打开第七截止阀，然后启动水泵和驱替泵，直到完成岩样的液体饱和；

当选用气体进行岩样饱和时，关闭第七截止阀，打开第六截止阀，然后开启气瓶，启动增压泵和驱替泵，直到完成岩样的气体饱和；

步骤六：脉冲压力加载

关闭第二截止阀和第三截止阀，通过驱替泵继续输出流体，直至完成上游管路的脉冲压力加载，并根据实际需要选择接入的定容高压容器数量；

步骤七：释放脉冲压力

打开第二截止阀，实现上游管路的脉冲压力释放，直到岩样的上下游压力恢复平衡；

步骤八：数据采集与渗透率计算

通过压差传感器和压力传感器采集数据，并将数据传输至计算机，在计算机中生成压差随时间变化的对数曲线，同时计算出渗透率和渗透系数，且数据采集时间为上下游压力恢复平衡时间的10％～50％，时间范围在20s～1.5h；

步骤九：孔隙压力卸载

打开第三截止阀，先通过驱替泵将管路中的压力卸载至50Pa以下，然后通过第二调压阀将管路中的流体释放，完成孔隙压力的卸载；

步骤十：围压卸载

先通过围压泵将压力室内的围压卸载至50Pa以下，然后通过第一调压阀将压力室内的流体释放，完成围压的卸载。

步骤四中，加载的围压通过计算确定，计算公式如下：

式中，P_c为围压，μ为泊松比，D为取样深度，P_gra为压力梯度。

步骤八中，渗透率和渗透系数通过如下公式进行计算：

式中，P_u为上游压力，P_e为上下游平衡后压力，ΔP为脉冲压力，V₁为上游管路体积，V₂为下游管路体积，t为脉冲压力的衰减时间，θ为上游压力随时间的变化曲线斜率，K为渗透系数，A为岩样截面积，μ_f为流体黏滞系数，C_f为流体压缩系数，L为岩样长度，k为渗透率，ρ为流体密度，g为重力加速度。

本发明的有益效果：

本发明与传统的压差法岩石稳态渗透试验相比，完全满足了低渗岩石的渗透试验，能够主动在低渗岩石的上下游建立较大的压力差，同时基于压力脉冲衰减法的设计思路，实现了低渗岩石的渗透率和渗透系数的快速测量。

本发明建立了气液两驱式的流体输出模式，只需同一套试验装置，既能满足基于液体的低渗岩石渗透试验，又能满足基于气体的低渗岩石渗透试验，有效扩展了试验装置的使用范围。

本发明所建立的试验装置的管路体积更小，经实际测算小于300ml，有效减小了环境温度波动将对管路体积产生的影响，同时再结合恒温水浴和辅助加热器，又实现了对环境温度的精确控制，进一步减小了环境温度波动将对管路体积产生的影响，最终提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明的一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验装置原理图；

图2为岩样与压力室的安装示意图；

图中，1—围压泵，2—压力室，3—压差传感器，4—压力传感器，5—第一截止阀，6—第二截止阀，7—第三截止阀，8—第四截止阀，9—第五截止阀，10—第一调压阀，11—第二调压阀，12—恒温水浴，13—气瓶，14—水箱，15—增压泵，16—水泵，17—减压阀，18—第六截止阀，19—第七截止阀，20—驱替泵，21—第八截止阀，22—泄压阀，23—辅助加热器，24—压力表，25—真空泵，26—第九截止阀，27—第一定容高压容器，28—第二定容高压容器，29—第三定容高压容器，30—第四定容高压容器，31—第十截止阀，32—第十一截止阀，33—岩样，34—压板，35—孔板，36—热缩套。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验装置，包括气液两驱式流体加载组件、围压泵1、压力室2、压差传感器3、压力传感器4、第一截止阀5、第二截止阀6、第三截止阀7、第四截止阀8、第五截止阀9、第一调压阀10、第二调压阀11及恒温水浴12，在所述压力室2上分别设有围压入口、围压出口、脉冲压力入口及脉冲压力出口，在压力室 2内加装有测温热电偶；

所述气液两驱式流体加载组件的流体出口一路依次通过第一截止阀5及第二截止阀6与压力室2的脉冲压力入口相连通，另一路依次通过第一截止阀5、第三截止阀7、压力传感器 4及第四截止阀8与压力室2的脉冲压力出口相连通；

所述围压泵1的出口通过第五截止阀9与压力室2的围压入口相连通，压力室2的围压出口与第一调压阀10相连通；

所述压差传感器3一端连接在压力传感器4与第四截止阀8之间的管路上，压差传感器 3另一端连接在第二截止阀6与第三截止阀7之间的管路上；

所述第二调压阀11连接在压力传感器4与第三截止阀7之间的管路上；

所述压力室2、压差传感器3、压力传感器4、第一截止阀5、第二截止阀6、第三截止阀7、第四截止阀8、第五截止阀9、第一调压阀10、第二调压阀11及其之间连接管路均位于恒温水浴12内。

所述气液两驱式流体加载组件包括气瓶13、水箱14、增压泵15、水泵16、减压阀17、第六截止阀18、第七截止阀19、驱替泵20、第八截止阀21、泄压阀22及辅助加热器23；

所述气瓶13依次通过增压泵15、减压阀17及第六截止阀18与驱替泵20的入口相连通，所述水箱14依次通过水泵16及第七截止阀19与驱替泵20的入口相连通，驱替泵20的出口依次通过第八截止阀21及辅助加热器23与第一截止阀5相连通；

所述泄压阀22连接在第八截止阀21与辅助加热器23之间的管路上，在第八截止阀21 与辅助加热器23之间的管路上安装有压力表24。

所述气液两驱式流体加载组件还包括真空泵25和第九截止阀26，第九截止阀26连接在第八截止阀21与辅助加热器23之间的管路上，真空泵25的吸气口与第九截止阀26相连通。

在所述第二截止阀6与第三截止阀7之间的管路上连接有第一定容高压容器27，在所述压力传感器4与第三截止阀7之间的管路上连接有第二定容高压容器28。本实施例中，第一定容高压容器27和第二定容高压容器28的容量均为100ml；

所述第一定容高压容器27上串联有第三定容高压容器29，在第一定容高压容器27与第三定容高压容器29之间设置有第十截止阀31；所述第二定容高压容器28上串联有第四定容高压容器30，在第二定容高压容器28与第四定容高压容器30之间设置有第十一截止阀32。本实施例中，第三定容高压容器29和第四定容高压容器30的容量均为1000ml；

一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验方法，采用了所述的低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验装置，包括如下步骤：

步骤一：封装岩样

首先清洁岩样33表面，再将岩样33置于两个压板34之间，同时在岩样33与压板34之间安装孔板35，然后将热缩套36套装在岩样33、孔板35及压板34外侧，最后加热热缩套36使其收缩，直到岩样33、孔板35及压板34被热缩套36包裹密封；本实施例中，岩样33 为柱状岩样，直径为长度为25mm；

步骤二：安装岩样

如图2所示，将封装后的岩样33置于压力室2内，同时压力室2的脉冲压力入口通过岩样33一侧压板34接入岩样33，压力室2的脉冲压力出口通过另一侧压板34接入岩样33，然后封闭压力室2；

步骤三：抽真空

打开第九截止阀26，关闭第八截止阀21和泄压阀22，打开第一截止阀5、第二截止阀6、第三截止阀7、第四截止阀8、第十截止阀31及第十一截止阀32，关闭第五截止阀9、第一调压阀10及第二调压阀11，然后启动真空泵25，对压力室2及连接管路进行抽真空作业；本实施例中，抽真空时间为10min，极限真空压力达到50Pa～100Pa；

步骤四：围压加载

打开第五截止阀9和第一调压阀10，然后启动围压泵1，对压力室2的岩样33进行围压加载；其中，加载的围压通过计算确定，计算公式如下：

式中，P_c为围压，μ为泊松比，D为取样深度，P_gra为压力梯度；本实施例中，泊松比μ为0.2～0.22，取样深度D为2500m，压力梯度P_gra为22.6MPa/km，计算得到的围压P_c为 25MPa～30MPa；

步骤五：岩样饱和

打开第八截止阀21，在初始设定压力值下，选择液体或气体对岩样33进行饱和；

当选用液体进行岩样33饱和时，关闭第六截止阀18，打开第七截止阀19，然后启动水泵16和驱替泵20，直到完成岩样33的液体饱和；本实施例中，液体为水，初始设定压力值为10MPa，饱和时间为3天，饱和压力为10MPa；

当选用气体进行岩样33饱和时，关闭第七截止阀19，打开第六截止阀18，然后开启气瓶13，启动增压泵15和驱替泵20，直到完成岩样33的气体饱和；本实施例中，气体为氮气，初始设定压力值为8MPa，饱和时间为8小时，饱和压力为10MPa；

步骤六：脉冲压力加载

关闭第二截止阀6和第三截止阀7，通过驱替泵20继续输出流体，直至完成上游管路的脉冲压力加载，并根据实际需要选择接入的定容高压容器数量；本实施例中，关闭第十截止阀31和第十一截止阀32，只接入第一定容高压容器27和第二定容高压容器28；

步骤七：释放脉冲压力

打开第二截止阀6，实现上游管路的脉冲压力释放，直到岩样33的上下游压力恢复平衡；

步骤八：数据采集与渗透率计算

通过压差传感器3和压力传感器4采集数据，并将数据传输至计算机，在计算机中生成压差随时间变化的对数曲线，同时计算出渗透率和渗透系数，且数据采集时间为上下游压力恢复平衡时间的10％～50％，时间范围在20s～1.5h；其中，渗透率和渗透系数通过如下公式进行计算：

式中，P_u为上游压力，P_e为上下游平衡后压力，ΔP为脉冲压力，V₁为上游管路体积，V₂为下游管路体积，t为脉冲压力的衰减时间，θ为上游压力随时间的变化曲线斜率，K为渗透系数，A为岩样截面积，μ_f为流体黏滞系数，C_f为流体压缩系数，L为岩样长度，k为渗透率，ρ为流体密度，g为重力加速度；

当选用液体进行岩样33饱和时，本实施例中，上游压力P_u为10.2MPa，上下游平衡后压力P_e为10.1MPa，脉冲压力ΔP为0.2MPa，上游管路体积V₁为2×10^-6m³，下游管路体积 V₂为2×10^-6m³，脉冲压力的衰减时间t为2.4×10²s，上游压力随时间的变化曲线斜率θ为38°，渗透系数K为9.8×10^-10m/s，岩样截面积A为4.909×10^-4m²，流体黏滞系数μ_f为1×10^-3pa·s，流体压缩系数C_f为4.2×10^-10Pa^-1，岩样长度L为25mm，渗透率k为1×10^-16m²，流体密度ρ为1×10³kg/m³，重力加速度g为9.8m/s²；

当选用气体进行岩样33饱和时，本实施例中，上游压力P_u为10.2MPa，上下游平衡后压力P_e为10.1MPa，脉冲压力ΔP为0.2MPa，上游管路体积V₁为2×10^-6m³，下游管路体积 V₂为2×10^-6m³，脉冲压力的衰减时间t为5.3×10³s，上游压力随时间的变化曲线斜率θ为32°，渗透系数K为1.244×10^-11m/s，岩样截面积A为4.909×10^-4m²，流体黏滞系数μ_f为1.78×10^{- 5}pa·s，流体压缩系数C_f为9.8×10^-7Pa^-1，岩样长度L为25mm，渗透率k为2×10^-17m²，流体密度ρ为1.13kg/m³，重力加速度g为9.8m/s²；

步骤九：孔隙压力卸载

打开第三截止阀7，先通过驱替泵20将管路中的压力卸载至50Pa以下，然后通过第二调压阀11将管路中的流体释放，完成孔隙压力的卸载；

步骤十：围压卸载

先通过围压泵1将压力室2内的围压卸载至50Pa以下，然后通过第一调压阀10将压力室内的流体释放，完成围压的卸载。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验方法，采用了低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验装置，试验装置包括气液两驱式流体加载组件、围压泵、压力室、压差传感器、压力传感器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第一调压阀、第二调压阀及恒温水浴，在所述压力室上分别设有围压入口、围压出口、脉冲压力入口及脉冲压力出口，在压力室内加装有测温热电偶；所述气液两驱式流体加载组件的流体出口一路依次通过第一截止阀及第二截止阀与压力室的脉冲压力入口相连通，另一路依次通过第一截止阀、第三截止阀、压力传感器及第四截止阀与压力室的脉冲压力出口相连通；所述围压泵的出口通过第五截止阀与压力室的围压入口相连通，压力室的围压出口与第一调压阀相连通；所述压差传感器一端连接在压力传感器与第四截止阀之间的管路上，压差传感器另一端连接在第二截止阀与第三截止阀之间的管路上；所述第二调压阀连接在压力传感器与第三截止阀之间的管路上；所述压力室、压差传感器、压力传感器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第一调压阀、第二调压阀及其之间连接管路均位于恒温水浴内；所述气液两驱式流体加载组件包括气瓶、水箱、增压泵、水泵、减压阀、第六截止阀、第七截止阀、驱替泵、第八截止阀、泄压阀及辅助加热器；所述气瓶依次通过增压泵、减压阀及第六截止阀与驱替泵的入口相连通，所述水箱依次通过水泵及第七截止阀与驱替泵的入口相连通，驱替泵的出口依次通过第八截止阀及辅助加热器与第一截止阀相连通；所述泄压阀连接在第八截止阀与辅助加热器之间的管路上，在第八截止阀与辅助加热器之间的管路上安装有压力表；所述气液两驱式流体加载组件还包括真空泵和第九截止阀，第九截止阀连接在第八截止阀与辅助加热器之间的管路上，真空泵的吸气口与第九截止阀相连通；在所述第二截止阀与第三截止阀之间的管路上连接有第一定容高压容器，在所述压力传感器与第三截止阀之间的管路上连接有第二定容高压容器；所述第一定容高压容器上串联有第三定容高压容器，在第一定容高压容器与第三定容高压容器之间设置有第十截止阀；所述第二定容高压容器上串联有第四定容高压容器，在第二定容高压容器与第四定容高压容器之间设置有第十一截止阀；其特征在于：试验方法包括如下步骤：

步骤一：封装岩样

首先清洁岩样表面，再将岩样置于两个压板之间，同时在岩样与压板之间安装孔板，然后将热缩套套装在岩样、孔板及压板外侧，最后加热热缩套使其收缩，直到岩样、孔板及压板被热缩套包裹密封；

步骤二：安装岩样

将封装后的岩样置于压力室内，同时压力室的脉冲压力入口通过岩样一侧压板接入岩样，压力室的脉冲压力出口通过另一侧压板接入岩样，然后封闭压力室；

步骤三：抽真空

打开第九截止阀，关闭第八截止阀和泄压阀，打开第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第十截止阀及第十一截止阀，关闭第五截止阀、第一调压阀及第二调压阀，然后启动真空泵，对压力室及连接管路进行抽真空作业；

步骤四：围压加载

打开第五截止阀和第一调压阀，然后启动围压泵，对压力室的岩样进行围压加载；

步骤五：岩样饱和

打开第八截止阀，在初始设定压力值下，选择液体或气体对岩样进行饱和；

当选用液体进行岩样饱和时，关闭第六截止阀，打开第七截止阀，然后启动水泵和驱替泵，直到完成岩样的液体饱和；

当选用气体进行岩样饱和时，关闭第七截止阀，打开第六截止阀，然后开启气瓶，启动增压泵和驱替泵，直到完成岩样的气体饱和；

步骤六：脉冲压力加载

关闭第二截止阀和第三截止阀，通过驱替泵继续输出流体，直至完成上游管路的脉冲压力加载，并根据实际需要选择接入的定容高压容器数量；

步骤七：释放脉冲压力

打开第二截止阀，实现上游管路的脉冲压力释放，直到岩样的上下游压力恢复平衡；

步骤八：数据采集与渗透率计算

通过压差传感器和压力传感器采集数据，并将数据传输至计算机，在计算机中生成压差随时间变化的对数曲线，同时计算出渗透率和渗透系数，且数据采集时间为上下游压力恢复平衡时间的10％～50％，时间范围在20s～1.5h；

步骤九：孔隙压力卸载

打开第三截止阀，先通过驱替泵将管路中的压力卸载至50Pa以下，然后通过第二调压阀将管路中的流体释放，完成孔隙压力的卸载；

步骤十：围压卸载

先通过围压泵将压力室内的围压卸载至50Pa以下，然后通过第一调压阀将压力室内的流体释放，完成围压的卸载。

2.根据权利要求1所述的一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验方法，其特征在于：步骤四中，加载的围压通过计算确定，计算公式如下：

式中，P_c为围压，μ为泊松比，D为取样深度，P_gra为压力梯度。

3.根据权利要求1所述的一种低渗岩石气液两驱压力脉冲衰减渗透试验方法，其特征在于：步骤八中，渗透率和渗透系数通过如下公式进行计算：

式中，P_u为上游压力，P_e为上下游平衡后压力，ΔP为脉冲压力，V₁为上游管路体积，V₂为下游管路体积，t为脉冲压力的衰减时间，θ为上游压力随时间的变化曲线斜率，K为渗透系数，A为岩样截面积，μ_f为流体黏滞系数，C_f为流体压缩系数，L为岩样长度，k为渗透率，ρ为流体密度，g为重力加速度。