CN109883894A - 一种超高温超高压稳态气水相渗测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种超高温超高压稳态气水相渗测试装置，包括外侧设有橡胶套的岩心夹持器，在橡胶套外侧设有加热装置，并连接有围压泵，在岩心夹持器的左侧通过四通分别连接有四条管线，其中一条连接有真空泵，另一条通过单流阀连接有高温高压反应釜，高温高压反应釜同时连接有恒压泵；第三条管线连接至岩心夹持器的右侧，在该管线上从左至右顺序设有蠕动泵、差压变送器、气液比检测装置、液体计量管、阀门，其中，液体计量管还连接有液体计量泵。利用该装置可以在超高温超高压下准确测量岩心含水饱和度稳态气水相渗，并能考虑气水互溶作用。
Description
技术领域
本发明属于天然气气藏气水两相渗流领域，具体涉及一种超高温超高压稳态气水相渗测试装置及测试方法。
背景技术
测试气水相渗方法分为稳态法和非稳态法。由于非稳态法测量时间短，目前多使用非稳态法进行测试，但是非稳态方法在测定过程中会出现流量滞后、出水瞬间水速度快易错过、含水饱和度不易准确获取等缺点，同时，也有部分学者采用非稳态方法测定了高温高压条件下的气水相渗，但是高温高压非稳态方法采用的仍是常温常压实验流程及处理方法，未考虑水气相互溶解等对相渗的影响。
稳态法是公认测试最准确的气水相渗测试方法，由于测试时间长，较少使用，在仅有的少数测试中也几乎在常温常压下条件下测定。
2015年，钟晓等人在常规气水相渗测试基础上进行流程改进，用稳态法对Berea砂岩进行气水相渗的实验,岩样进出口处的气体流速可以用水的注入或产出速度由气体的温度和实验测定的压力来综合计算。但该方法主要基于行业标准稳态法水气相渗原理进行测定，未考虑气水相互作用对相渗处理方法的影响。2017年，张译丹等人发明一种测量常温常压气水相渗的装置，该装置基于重量变化量转化为饱和度的变化的思路，提供一种在相渗过程中能方便并且快速得到相关系数的驱替实验装置。但在实验过程中由于岩心体积较小，驱替出来的水量有限，重量传感器很难准确测量含水饱和度，并且抗干扰能力较差。
综上所述，由于超高温高压条件下气水相互作用导致岩心中的含水饱和度很难测定，制约了高温高压稳态法气水相渗的应用，截至目前，未见超高温高压条件下稳态法气水相渗实验测试。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高温超高压稳态气水相渗测试装置及测试方法，可以在超高温高压条件下采用稳态法进行气水两相的渗流测试试验。
本发明采取的技术方案是：
一种超高温超高压稳态气水相渗测试装置，包括外侧设有橡胶套的岩心夹持器，在橡胶套外侧设有加热装置，并连接有围压泵，在岩心夹持器的左侧通过四通分别连接有四条管线，其中一条连接有真空泵，另一条通过单流阀连接有高温高压反应釜，高温高压反应釜同时连接有恒压泵；第三条管线连接至岩心夹持器的右侧，在该管线上从左至右顺序设有蠕动泵、差压变送器、气液比检测装置、液体计量管、阀门，其中，液体计量管还连接有液体计量泵。
进一步的，在单流阀与恒压泵之间，通过如图1所示的循环管路连接(当需要通过恒压泵驱动高温高压反应釜中上层的水蒸气时，关闭阀门A和阀门C，打开阀门B和阀门D；当需要驱动高温高压反应釜中下层的水时，关闭阀门B和阀门D，打开阀门A和阀门C)。
利用超高温超高压稳态气水相渗测试装置进行测试的方法，包括以下步骤：
(1)岩心准备：对岩心进行抽提、清洗、烘干后测量干重m1、直径、长度、气测孔隙度、气测渗透率K；
(2)流体准备：根据实际气藏地层水数据配制地层水样，选取实际气藏的天然气样品，并用粘度计分别测量配制地层水样和天然气样品在模拟原始地层温度和压力下的粘度；将地层温度压力条件下的水和气体加入高温高压反应釜3里面充分混合；
(3)连接实验流程：连接测试装置各流程部件，并保证气密性合格；
(4)标定实验流程死体积：在岩心夹持器5中依次放入4个不同体积的标准块，抽真空，然后基于波义尔定律标定实验流程中的死体积V0；
(5)测量超高温超高压下的气相渗透率KG：将岩心13装入岩心夹持器5中，打开围压泵7加围压、打开单流阀4，利用高温高压反应釜3里面的充分饱和水蒸汽的气体向***中加内压，同时，利用加热装置8将***温度升至设定温度，在加压过程中，采用逐级饱和法不断增加围压和内压，且始终保持围压高于内压3-5MPa，直到围压加至原始上覆压力、内压加至目标流体压力；之后，打开蠕动泵15，在设定的蠕动压差下进行循环，待气体流量稳定，用此时的压差和流量获取高温高压条件下的气测渗透率；
(6)标定岩心束缚水量和可动水量：将步骤(5)中的内压和围压缓慢释放到内压为常压、围压为3MPa；然后利用真空泵1抽真空至-0.1Mpa，再打开单流阀4，转换高温高压反应釜3与单流阀4的连接管路，使得下层水能直接通过单流阀4进入***中，然后利用恒压泵2向岩心和死体积中饱和水，饱和水量为V1；转换高温高压反应釜3两端的连接管路，使得上层充分饱和水的气体能直接通过单流阀4进入***中，进而用该气体驱水直至无水产出，此时液体计量管中的增加水量即为岩心中的可动水量V，束缚水量为V1-V，关闭单流阀4；
(7)岩心再次饱和水：按照步骤(6)的方式将***压力释放到内压为常压、围压为3MPa，按照步骤(5)采用逐级饱和法将围压加至原始上覆压力，内压加至目标流体压力；
(8)测定不同含水饱和度下的气相有效渗透率和水相有效渗透率
打开液体计量泵9调节液体计量管10的液面高度与进液管相平后，打开单流阀4，保持饱和水蒸汽的气体与岩心***压力相同，之后，再打开液体计量泵9，缓慢调节液体计量管10里面液位高度下降十分之一，待压力稳定后，关闭单流阀4；打开蠕动泵15进行循环，直至气水比稳定，然后根据超高静压差压变送器14的压差和此时的气水流量，计算此时的气相有效渗透率和水相有效渗透率，根据气液比和死体积计算岩心中的含水饱和度；然后采用相同的办法，缓慢调节液体计量管里面液位高度再下降十分之一，测定第二含水饱和度时的气相有效渗透率和水相有效渗透率，以此类推，直至可动水退完为止；
(9)计算并绘制稳态法气水相渗曲线
利用上述实验结果，结合下面模型计算得到不同饱和度下Sw的气水相对渗透率曲线：
式中：μW——实验用水的粘度，单位mPa·s；
L——岩心长度，单位cm；
A——岩心横截面积，单位cm2；
Qw——水的流量，单位mL/s；
Δp——进出口两端压差，单位MPa
GWR——气水比例；无量纲
ρw——水的密度，单位g/cm3；
Sw——含水饱和度；
式中：Qw、Qg——水相、气相流量，单位mL/s；
Q——气液总流量，单位mL/s；
V3、V2—利用气液比求取出来的气、水体积，单位cm3；
Krw、Krg——水相、气相相对渗透率，单位mD。
本发明的有益效果：
本发明提供的测试装置，可以进行精准测量超高温超高压条件下的气水稳态法相渗，测试方法基于无限气水循环稳定流动原理，考虑超高温高压条件下的气水互溶作用，可精准控制岩心中的不同含水饱和度、准确监测气水稳定循环气液比、装置可耐温200℃，100MPa，可满足超高温高压气藏条件下的气水稳态相渗曲线测量需要。
测试装置中所用的压力传感器自身能承受超高压并且还能准确检测到两端很小压差，而液体计量管基于电容原理，可以在超高温超高压条件下保证从岩心驱替出水量的准确测量，基于此，获得精确的测量结果。
附图说明
图1是本发明测试装置的整体结构示意图，
图中：1、真空泵，2、恒压泵，3、高温高压反应釜，4、单流阀，5、岩心夹持器，6、橡胶套，7、围压泵，8、加热装置，9、液体计量泵，10、液体计量管，11、阀门，12、气液比检测装置，13、岩心，14、差压变送器，15、蠕动泵，16、四通。
具体实施方式
一种超高温超高压稳态气水相渗测试装置，包括外侧设有橡胶套6的岩心夹持器5，在橡胶套6外侧设有加热装置8，并连接有围压泵7，在岩心夹持器5的左侧通过四通分别连接有四条管线，其中一条连接有真空泵1，另一条通过单流阀4连接有高温高压反应釜3，高温高压反应釜3同时连接有恒压泵2，在单流阀4与恒压泵2之间，通过如图1所示的循环管路连接(当需要通过恒压泵驱动高温高压反应釜中上层的水蒸气时，关闭阀门A和阀门C，打开阀门B和阀门D；当需要驱动高温高压反应釜中下层的水时，关闭阀门B和阀门D，打开阀门A和阀门C)；第三条管线连接至岩心夹持器5的右侧，在该管线上从左至右顺序设有蠕动泵15、差压变送器14、气液比检测装置12、液体计量管10、阀门11，其中，液体计量管10还连接有液体计量泵9。
利用超高温超高压稳态气水相渗测试装置进行测试的方法，包括以下步骤：
(1)岩心准备：对选取的岩心进行抽提、清洗、烘干后测量干重m1、直径、长度、气测孔隙度、气测渗透率K(常温下、采用地层压力测得的渗透率)，具体结果见表1：
(2)流体准备：根据实际气藏地层水数据配制地层水样，选取实际气藏的天然气样品，并用粘度计分别测量配制地层水样和天然气样品在模拟原始地层温度和压力下的粘度(见表1)；将地层温度压力条件下的500mL水和600mL气体加入高温高压反应釜3里面充分混合(稳定后，下层为水，上层为气水混合物)；
表1岩心和流体性能参数
(3)连接实验流程：连接测试装置各流程部件，并保证气密性合格；
(4)标定实验流程死体积：在岩心夹持器5中依次放入3个标准块，体积分别为3.55cm3、1.17cm3、1.17cm3，抽真空，然后基于波义尔定律标定实验流程中的死体积V0；(标准块外边是一个有一定厚度的空心铁套，铁套体积占据整个标准块体积的50％，空心部分体积占据50％，每次放入一个固定体积的标准块，确定剩余未被占据的体积与平衡时***压力的关系图像，p2＝(p1/v2)*v1,利用斜率和p1即可求出管线体积。)
经计算，该死体积V0＝1.767m3；
(5)测量超高温超高压下的气相渗透率KG：将岩心13装入岩心夹持器5中，打开围压泵7加围压、打开单流阀4，利用高温高压反应釜3里面的充分饱和水蒸汽的气体(使用充分饱和水蒸气的气体，能够更加切合实际，将高温高压气水互溶情况考虑到)向***中加内压(关闭阀门A和阀门C，打开阀门B和阀门D)，同时，利用加热装置8将***温度升至100℃，在加压过程中，采用逐级饱和法不断增加围压和内压，且始终保持围压高于内压3-5MPa，直到围压加至原始上覆压力100MPa、内压加至目标流体压力45MPa；之后，打开蠕动泵15，在设定的蠕动压差0.3MPa下进行循环，待气体流量稳定，用此时的压差和流量获取高温高压条件下的气测渗透率KG＝310mD；
(6)标定岩心束缚水量和可动水量：将步骤5中的内压和围压缓慢释放到内压为常压(通过阀门11泄压)、围压为3MPa(通过与围压泵相连的阀门)；然后利用真空泵1抽真空至-0.1Mpa，再打开单流阀4，转换高温高压反应釜3与单流阀4的连接管路(关闭阀门B和阀门D，打开阀门A和阀门C)，使得下层水(用于饱和岩心和死体积，该层水中饱和有天然气)能直接通过单流阀4进入***中，然后利用恒压泵2向岩心和死体积中饱和水(按照步骤5)采用的逐级饱和法，利用下层水将围压加至原始上覆压力，内压加至目标流体压力)，饱和水量为V1＝5.956mL；转换高温高压反应釜3两端的连接管路(关闭阀门A和阀门C，打开阀门B和阀门D)，使得上层充分饱和水的气体能直接通过单流阀4进入***中，进而用该气体驱水直至无水产出，此时液体计量管(两层结构，外层是金属壳用于耐高温高压，内部是带有电阻以及刻度的竖管来精准测量进入的水量，该液体计量管基于电容原理，可以保证从岩心驱替出水量的准确测量)中的增加水量即为岩心中的可动水量V＝4.16mL，束缚水量为V1-V＝1.51mL，关闭单流阀4；
(7)岩心再次饱和水：按照步骤6)的方式将***压力释放到内压为常压、围压为3MPa，按照步骤5)采用逐级饱和法将围压加至原始上覆压力，内压加至目标流体压力(打开单流阀4)向岩心中饱和相同温度压力下饱和气体的地层水)；
(8)测定不同含水饱和度下的气相有效渗透率和水相有效渗透率
打开液体计量泵9调节液体计量管10的液面高度与进液管(图1中伸入液体计量装置内较长的管线)相平(若不相平，当气液混相从岩心出来时，则进入计量管，无法全部沿管线流动形成循环***，通过相平设置，保证稳态循环)后，打开单流阀4，保持饱和水蒸汽的气体与岩心***压力相同，之后，再打开液体计量泵9，缓慢调节液体计量管10里面液位高度下降十分之一(整个***可动水体积V减少十分之一)，待压力稳定后，关闭单流阀4；打开蠕动泵15进行循环，直至气水比稳定，然后根据超高静压差压变送器14的压差和此时的气水流量，计算此时的气相有效渗透率和水相有效渗透率，根据气液比(由气液比检测装置12获得)和死体积计算岩心中的含水饱和度；然后采用相同的办法，缓慢调节液体计量管里面液位高度再下降十分之一，测定第二含水饱和度时的气相有效渗透率和水相有效渗透率，以此类推，直至可动水退完为止；
(9)计算并绘制稳态法气水相渗曲线
利用上述实验结果，结合下面模型计算得到不同饱和度下Sw的气水相对渗透率曲线：
式中：μW——实验用水的粘度，单位mPa·s；
L——岩心长度，单位cm；
A——岩心横截面积，单位cm2；
Qw——水的流量，单位mL/s；
Δp——进出口两端压差，单位MPa
GWR——气水比例；无量纲
ρw——水的密度，单位g/cm3；
Sw——含水饱和度；
式中：Qw、Qg——水相、气相流量，单位mL/s；
Q——气液总流量，单位mL/s；
V3、V2—利用气液比求取出来的气、水体积，单位cm3；
Krw、Krg——水相、气相相对渗透率，单位mD。
获得的不同含水饱和度下的气相有效渗透率和水相有效渗透率见表2所示。
表2不同含水饱和度下的气相有效渗透率和水相有效渗透率
Claims (3)
1.一种超高温超高压稳态气水相渗测试装置，其特征在于，包括外侧设有橡胶套(6)的岩心夹持器(5)，在橡胶套(6)外侧设有加热装置(8)，并连接有围压泵(7)，在岩心夹持器(5)的左侧通过四通分别连接有四条管线，其中一条连接有真空泵(1)，另一条通过单流阀(4)连接有高温高压反应釜(3)，高温高压反应釜(3)同时连接有恒压泵(2)；第三条管线连接至岩心夹持器(5)的右侧，在该管线上从左至右顺序设有蠕动泵(15)、差压变送器(14)、气液比检测装置(12)、液体计量管(10)、阀门(11)，其中，液体计量管(10)还连接有液体计量泵(9)。
2.如权利要求1所述的一种超高温超高压稳态气水相渗测试装置，其特征在于，在单流阀(4)与恒压泵(2)之间，通过如图1所示的循环管路连接。
3.利用权利要求2所述的超高温超高压稳态气水相渗测试装置进行测试的方法，包括以下步骤：
步骤一、岩心准备：对岩心进行抽提、清洗、烘干后测量干重m1、直径、长度、气测孔隙度、气测渗透率K；
步骤二、流体准备：根据实际气藏地层水数据配制地层水样，选取实际气藏的天然气样品，并用粘度计分别测量配制地层水样和天然气样品在模拟原始地层温度和压力下的粘度；将地层温度压力条件下的水和气体加入高温高压反应釜(3)里面充分混合；
步骤三、连接实验流程：连接测试装置各流程部件，并保证气密性合格；
步骤四、标定实验流程死体积：在岩心夹持器(5)中依次放入4个不同体积的标准块，抽真空，然后基于波义尔定律标定实验流程中的死体积V0；
步骤五、测量超高温超高压下的气相渗透率KG：将岩心(13)装入岩心夹持器(5)中，打开围压泵(7)加围压、打开单流阀(4)，利用高温高压反应釜(3)里面的充分饱和水蒸汽的气体向***中加内压，同时，利用加热装置(8)将***温度升至设定温度，在加压过程中，采用逐级饱和法不断增加围压和内压，且始终保持围压高于内压3-5MPa，直到围压加至原始上覆压力、内压加至目标流体压力；之后，打开蠕动泵(15)，在设定的蠕动压差下进行循环，待气体流量稳定，用此时的压差和流量获取高温高压条件下的气测渗透率；
步骤六、标定岩心束缚水量和可动水量：将步骤(5)中的内压和围压缓慢释放到内压为常压、围压为3MPa；然后利用真空泵(1)抽真空至-0.1Mpa，再打开单流阀(4)，转换高温高压反应釜(3)与单流阀(4)的连接管路，使得下层水能直接通过单流阀(4)进入***中，然后利用恒压泵(2)向岩心和死体积中饱和水，饱和水量为V1；转换高温高压反应釜(3)两端的连接管路，使得上层充分饱和水的气体能直接通过单流阀(4)进入***中，进而用该气体驱水直至无水产出，此时液体计量管中的增加水量即为岩心中的可动水量V，束缚水量为V1-V，关闭单流阀(4)；
步骤七、岩心再次饱和水：按照步骤(6)的方式将***压力释放到内压为常压、围压为3MPa，按照步骤(5)采用逐级饱和法将围压加至原始上覆压力，内压加至目标流体压力；
步骤八、测定不同含水饱和度下的气相有效渗透率和水相有效渗透率
打开液体计量泵(9)调节液体计量管(10)的液面高度与进液管相平后，打开单流阀(4)，保持饱和水蒸汽的气体与岩心***压力相同，之后，再打开液体计量泵(9)，缓慢调节液体计量管(10)里面液位高度下降十分之一，待压力稳定后，关闭单流阀(4)；打开蠕动泵(15)进行循环，直至气水比稳定，然后根据超高静压差压变送器(14)的压差和此时的气水流量，计算此时的气相有效渗透率和水相有效渗透率，根据气液比和死体积计算岩心中的含水饱和度；然后采用相同的办法，缓慢调节液体计量管里面液位高度再下降十分之一，测定第二含水饱和度时的气相有效渗透率和水相有效渗透率，以此类推，直至可动水退完为止；
步骤九：计算并绘制稳态法气水相渗曲线
利用上述实验结果，结合下面模型计算得到不同饱和度下Sw的气水相对渗透率曲线：
式中：μW——实验用水的粘度，单位mPa·s；
L——岩心长度，单位cm；
A——岩心横截面积，单位cm2；
Qw——水的流量，单位mL/s；
Δp——进出口两端压差，单位MPa
GWR——气水比例，无量纲；
ρw——水的密度，单位g/cm3；
Sw——含水饱和度；
式中：Qw、Qg——水相、气相流量，单位mL/s；
Q——气液总流量，单位mL/s；
V3、V2—利用气液比求取出来的气、水体积，单位cm3；
Krw、Krg——水相、气相相对渗透率，单位mD。
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