CN110411905A - 一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置，它包括气相注入***、液相注入***、第一三通阀（6）、驱替***、测量***和数据采集***，所述气相注入***和液相注入***的注入管道分别与第一三通阀（6）的A口和B口相连，所述驱替***与第一三通阀（6）的C口相连，所述测量***与驱替***相连，所述数据采集***（26）与测量***相连。本发明通过将产出水转化为水蒸气，用湿度仪测试混合气湿度从而换算得到产水量的方法，精确测量出页岩气水相渗实验中的产水量，实现对地层高温高压条件下页岩气水相渗曲线的在线检测，为页岩气藏的开发提供实验依据。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开发技术领域，特别是一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置及方法。
背景技术
目前气水相渗的测试方法主要有稳态法与非稳态法。其中，稳态法是将气、水按一定比例同时恒速注入岩样，当进、出口压力及气、水流量稳定时，岩样含水饱和度分布也相应的稳定。通过测定进、出口压力及气、水流量，用称重法得到岩样的含水量，便可计算气、水有效渗透率和相对渗透率以及岩样的含水饱和度，并可绘制气、水相对渗透率与岩样的含水饱和度曲线。稳态法测试时，由于页岩岩心的致密性，岩心达到稳定流动的时间较长，并且岩心达到稳定流动时没有明确的现象，只能通过在相同压差下测试多个流速值，当流速值无变化时则认为岩心达到稳定流动状态的方法确定，对于页岩岩心，每个压差条件下对应的流速极小，很容易受到干扰，所以此种方法很难准确判断岩心是否达到了稳定状态。
非稳态法是以一维两相水驱油前缘推进理论为基础，忽略毛管力与重力的作用，并且假设气水两相不可压缩、不互溶，岩样任意截面内气水饱和度均匀。实验时并不是同时向岩心中注入气和水，而是先将岩石饱和水后再用气驱替，整个过程中，气水饱和度在岩心中的分布是一个非稳态的过程。使用非稳态法测试页岩气、水相对渗透率时，由于页岩岩心十分致密，饱和水量特别少，测试过程中每级测试驱出水量不超过0.1g，极少的产出水量对页岩的气水相渗测试有如下影响：1.驱出水附着在管线、阀门处无法继续产出。2.常规水量测试方法(称重法、体积法)中，气体流动、环境变化等对天平读数带来的变化甚至大于产出水，导致无法准确测量产出水量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置及方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置，它包括气相注入***、液相注入***、第一三通阀、驱替***、测量***和数据采集***，所述气相注入***和液相注入***的注入管道分别与第一三通阀的A口和B口相连，所述驱替***与第一三通阀的C口相连，所述测量***与驱替***相连，所述数据采集***与测量***相连。
具体的，所述气相注入***包括气相驱替泵、中间容器A、流量计、气体加湿罐和电磁阀，所述气相驱替泵与中间容器A的进口端相连，所述流量计的一端与中间容器A的出口端相连，另一端与气体加湿罐的进口管相连，所述电磁阀的一端与气体加湿罐的出口管相连，另一端连接至第一三通阀的A口，所述中间容器A和流量计之间还设有第二三通阀，第二三通阀的A口和C口分别与中间容器A和流量计相连，第二三通阀的B口还连接有气瓶。
具体的，所述液相注入***包括液相驱替泵、中间容器B和过滤器，所述液相驱替泵与中间容器B的进口端相连，所述过滤器与中间容器B的出口端相连，所述中间容器B和过滤器之间还设有第三三通阀，第三三通阀的A口和C 口分别与中间容器B和过滤器相连，第三三通阀的B口还连接有样品瓶。
具体的，所述驱替***包括烘箱、岩心夹持器、围压泵、气体混合缸和回压阀，所述岩心夹持器设置在烘箱内，并与第一三通阀的C口相连，所述围压泵的出口管上安装有常开式四通阀，常开式四通阀的各出口均连有围压管，多根围压管分别连至岩心夹持器的不同端面，所述回压阀与岩心夹持器相连，回压阀的一侧连有加压泵，所述气体混合缸的一端与回压阀相连，另一端连有尾气瓶。
具体的，所述气体混合缸和回压阀之间设有第四三通阀，第四三通阀的A 口和B口分别与回压阀和气体混合缸相连，第四三通阀的C口还连有烧杯。
具体的，所述测量***包括***式流量计、湿度仪和烘箱内的温度仪，以及可供气体混合缸放置的恒温箱，所述***式流量计设置在恒温箱内并与气体混合缸相连，所述湿度仪与气体混合缸的首尾两端均相连。
具体的，所述***式流量计、湿度仪、温度仪和恒温箱分别均与数据采集***电连接。
具体的，所述数据采集***为计算机。
本发明还提供了一种低成本的VOC安全净化的方法，包括以下步骤：
S1：打开第二三通阀的A口和C口，关闭B口，向中间容器中加气，注入一定气量后关闭第二三通阀的C口，打开第三三通阀的A口和C口，关闭B口，向中间容器中加水，加入一定水量后关闭第三三通阀的C口；
S2：准备页岩岩心，并将待测页岩岩心装入三轴应力岩心夹持器；
S3：关闭第一三通阀的A口、第四三通阀的A口，打开第一三通阀的B口和C 口，围压泵加压至2MPa；
S4：向中间容器中注水，控制围压始终比内压高出2MPa，同时控制回压阀的压力比内压高出1～3MPa，分4～5次逐级加压至要求内压，然后增加围压至要求围压，防止岩心在加压过程中损坏，关闭第一三通阀的C口，将烘箱的温度调节至指定温度，饱和水12h；
S5：恒温箱温度调节至120℃，将中间容器A加压至要求前端压力，回压阀压力调节至指定尾端压力，打开实时采集软件，待内压稳定后，打开第一三通阀的A 口和C口、第二三通阀的A口和C口、第三三通阀的A口和C口、第四三通阀的A口和C口，关闭第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的B 口，开始驱替实验；
S6：实验结束后关闭第一三通阀的C口、第四三通阀的C口，打开第四三通阀的B口，恒定围压和内压压差，同步降低围压泵和回压阀压力进行卸压操作。
进一步地，所述步骤S5还包括以下子步骤：
S51：湿度仪测得的t时刻的湿度为U，则t时刻下的累积产水量为：
其中，V为气体混合缸的标定体积，ρg为当前温度下干燥空气的密度，α为当前温度下饱和湿空气的含水率，ρw为当前温度下水蒸汽的密度，α与ρw均可通过查表获得；
S52：将岩样出口大气压力下、120℃测量的累积产量修正到岩样平均温度、压力下的值；
Vi＝{ΔVwi+Vi-1+[2pa/(Δp+2pa)]ΔVgi}×{ZTpa/[Za(120+273.15)p]} (2)
其中，Vi为累积流体产量，Vi-1上一点的累积流体产量，ΔVwi某一时刻间隔的水增量，ΔVgi为***式流量计测得的某一时间间隔的气增量，Z为实验条件下的偏差因子；
S53：绘制累计产气量∑Vg，累计产水量∑Vw，累计注入时间∑t的关系曲线；
S54：在曲线上均匀取点，得到在一定时间间隔Δt内对应的产气量ΔVg、产水量ΔVwi，计算气水相对渗透率和平均含水饱和度；
平均含水饱和度
其中，Vw为累积出口水量
气水相对渗透率
其中，fw为含水率，fg为含气率，μg为实验条件下气体粘度，μw为实验条件下水相粘度；
S55：绘制气水相对渗透率和含水饱和度的关系曲线。
本发明具有以下优点：本发明通过将产出水转化为水蒸气，用湿度仪测试混合气湿度从而换算得到产水量的方法，精确测量出页岩气水相渗实验中的产水量，实现对地层高温高压条件下页岩气水相渗曲线的在线检测，为页岩气藏的开发提供实验依据。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：1-液相驱替泵，2-中间容器B，3-样品瓶，4-第三三通阀，5-过滤器， 6-第一三通阀，7-压力传感器，8-气瓶，9-气相驱替泵，10-中间容器A，11- 第二三通阀，12-流量计，13-气体加湿罐，14-电磁阀，15-常开式四通阀，16- 围压泵，17-回压阀，18-加压泵，19-第四三通阀，20-烧杯，21-气体混合缸， 22-恒温箱，23-***式流量计，24-湿度仪，25-尾气瓶，26-数据采集***，27- 岩心夹持器，28-烘箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图所示，一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置，它包括气相注入***、液相注入***、第一三通阀6、驱替***、测量***和数据采集***，所述气相注入***和液相注入***的注入管道分别与第一三通阀6的A口和B口相连，所述驱替***与第一三通阀6的C口相连，所述测量***与驱替***相连，所述数据采集***26与测量***相连。
进一步地，所述气相注入***包括气相驱替泵9、中间容器A10、流量计12、气体加湿罐13和电磁阀14，所述气相驱替泵9与中间容器A10的进口端相连，为中间容器A10提供驱替压力，所述流量计12的一端与中间容器A10的出口端相连，另一端与气体加湿罐13的进口管相连，所述电磁阀14的一端与气体加湿罐13的出口管相连，另一端连接至第一三通阀6的A口，所述中间容器A10和流量计12之间还设有第二三通阀11，第二三通阀11的A口和C口分别与中间容器A10和流量计相连，第二三通阀11的B口还连接有气瓶8。
进一步地，所述液相注入***包括液相驱替泵1、中间容器B2和过滤器5，所述液相驱替泵1与中间容器B2的进口端相连，为中间容器B2提供驱替压力，所述过滤器5与中间容器B2的出口端相连，所述中间容器B2和过滤器5之间还设有第三三通阀4，第三三通阀4的A口和C口分别与中间容器B2和过滤器5 相连，第三三通阀4的B口还连接有样品瓶3。
进一步地，所述驱替***包括烘箱28、岩心夹持器27、围压泵16、气体混合缸21和回压阀17，所述岩心夹持器27设置在烘箱28内，并与第一三通阀6 的C口相连，所述围压泵16的出口管上安装有常开式四通阀15，常开式四通阀 15的各出口均连有围压管，多根围压管分别连至岩心夹持器27的不同端面，所述回压阀17与岩心夹持器27相连，控制出口压力，回压阀17的一侧连有加压泵18用以控制回压，所述气体混合缸21的一端与回压阀17相连，另一端连有尾气瓶25。
进一步地，所述气体混合缸21和回压阀17之间设有第四三通阀19，第四三通阀19的A口和B口分别与回压阀17和气体混合缸21相连，第四三通阀19 的C口还连有烧杯20。
进一步地，所述测量***包括***式流量计23、湿度仪24和烘箱28内的温度仪，以及可供气体混合缸21放置的恒温箱22，所述***式流量计23设置在恒温箱22内并与气体混合缸21相连，测试产出混合气的总流量，所述湿度仪 24与气体混合缸21的首尾两端均相连。
进一步地，所述***式流量计23、湿度仪24、温度仪和恒温箱22分别均与数据采集***26电连接。所述气相驱替泵9、液相驱替泵1、围压泵16和加压泵18上均装有用于监测压力的压力传感器7，多个压力传感器7均与数据采集***26电连接，数据采集***26还可以控制烘箱28和恒温箱22的温度
进一步地，所述数据采集***26为计算机。
本发明还提供了一种低成本的VOC安全净化的方法，包括以下步骤：
S1：打开第二三通阀11的A口和C口，关闭B口，向中间容器中加气，注入一定气量后关闭第二三通阀11的C口，打开第三三通阀4的A口和C口，关闭B 口，向中间容器中加水，加入一定水量后关闭第三三通阀4的C口；
S2：准备页岩岩心，并将待测页岩岩心装入三轴应力岩心夹持器27；
S3：关闭第一三通阀6的A口、第四三通阀19的A口，打开第一三通阀6的B 口和C口，围压泵16加压至2MPa；
S4：向中间容器中注水，控制围压始终比内压高出2MPa，同时控制回压阀17 的压力比内压高出1～3MPa，分4～5次逐级加压至要求内压，然后增加围压至要求围压，防止岩心在加压过程中损坏，关闭第一三通阀6的C口，将烘箱28的温度调节至指定温度，饱和水12h；
S5：恒温箱22温度调节至120℃，将中间容器A10加压至要求前端压力，回压阀17压力调节至指定尾端压力，打开实时采集软件，待内压稳定后，打开第一三通阀6的A口和C口、第二三通阀11的A口和C口、第三三通阀4的A口和C口、第四三通阀19的A口和C口，关闭第一三通阀6、第二三通阀11、第三三通阀4和第四三通阀19的B口，开始驱替实验；
S6：实验结束后关闭第一三通阀6的C口、第四三通阀19的C口，打开第四三通阀19的B口，恒定围压和内压压差，同步降低围压泵16和回压阀17压力进行卸压操作。
进一步地，所述步骤S5还包括以下子步骤：
S51：湿度仪24测得的t时刻的湿度为U，则t时刻下的累积产水量为：
其中，V为气体混合缸21的标定体积，ρg为当前温度下干燥空气的密度，α为当前温度下饱和湿空气的含水率，ρw为当前温度下水蒸汽的密度，α与ρw均可通过查表获得；
S52：将岩样出口大气压力下、120℃测量的累积产量修正到岩样平均温度、压力下的值；
Vi＝{ΔVwi+Vi-1+[2pa/(Δp+2pa)]ΔVgi}×{ZTpa/[Za(120+273.15)p]} (2)
其中，Vi为累积流体产量，Vi-1上一点的累积流体产量，ΔVwi某一时刻间隔的水增量，ΔVgi为***式流量计23测得的某一时间间隔的气增量，Z为实验条件下的偏差因子；
S53：绘制累计产气量∑Vg，累计产水量∑Vw，累计注入时间∑t的关系曲线；
S54：在曲线上均匀取点，得到在一定时间间隔Δt内对应的产气量ΔVg、产水量ΔVwi，计算气水相对渗透率和平均含水饱和度；
平均含水饱和度
其中，Vw为累积出口水量
气水相对渗透率
其中，fw为含水率，fg为含气率，μg为实验条件下气体粘度，μw为实验条件下水相粘度；
S55：绘制气水相对渗透率和含水饱和度的关系曲线。
本发明采用以上的技术方案具有以下的有益效果：1.采用三轴应力夹持器有利于岩心均匀受力而不容易被压坏。2.通过驱替***与测量***分离加温的方式可以保证实验满足较高温度的要求，而不会对测量仪器造成损坏，降低了测量仪器的抗温要求。3.将产出相通入气体混合缸中，并将气体混合缸恒温120℃，使得产出的水全部转换为水蒸气，通过测试气体混合缸的湿度换算出产水量，使用此种方法能够精确测出实验产出水量。4.此套装置可以实现在线实时测量，操作简单，减少了手动操作同时减少了人为误差。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置，其特征在于：它包括气相注入***、液相注入***、第一三通阀(6)、驱替***、测量***和数据采集***，所述气相注入***和液相注入***的注入管道分别与第一三通阀(6)的A口和B口相连，所述驱替***与第一三通阀(6)的C口相连，所述测量***与驱替***相连，所述数据采集***(26)与测量***相连。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置，其特征在于：所述气相注入***包括气相驱替泵(9)、中间容器A(10)、流量计(12)、气体加湿罐(13)和电磁阀(14)，所述气相驱替泵(9)与中间容器A(10)的进口端相连，所述流量计(12)的一端与中间容器A(10)的出口端相连，另一端与气体加湿罐(13)的进口管相连，所述电磁阀(14)的一端与气体加湿罐(13)的出口管相连，另一端连接至第一三通阀(6)的A口，所述中间容器A(10)和流量计(12)之间还设有第二三通阀(11)，第二三通阀(11)的A口和C口分别与中间容器A(10)和流量计相连，第二三通阀(11)的B口还连接有气瓶(8)。
3.根据权利要求1所述的一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置，其特征在于：所述液相注入***包括液相驱替泵(1)、中间容器B(2)和过滤器(5)，所述液相驱替泵(1)与中间容器B(2)的进口端相连，所述过滤器(5)与中间容器B(2)的出口端相连，所述中间容器B(2)和过滤器(5)之间还设有第三三通阀(4)，第三三通阀(4)的A口和C口分别与中间容器B(2)和过滤器(5)相连，第三三通阀(4)的B口还连接有样品瓶(3)。
4.根据权利要求1所述的一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置，其特征在于：所述驱替***包括烘箱(28)、岩心夹持器(27)、围压泵(16)、气体混合缸(21)和回压阀(17)，所述岩心夹持器(27)设置在烘箱(28)内，并与第一三通阀(6)的C口相连，所述围压泵(16)的出口管上安装有常开式四通阀(15)，常开式四通阀(15)的各出口均连有围压管，多根围压管分别连至岩心夹持器(27)的不同端面，所述回压阀(17)与岩心夹持器(27)相连，回压阀(17)的一侧连有加压泵(18)，所述气体混合缸(21)的一端与回压阀(17)相连，另一端连有尾气瓶(25)。
5.根据权利要求4所述的一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置，其特征在于：所述气体混合缸(21)和回压阀(17)之间设有第四三通阀(19)，第四三通阀(19)的A口和B口分别与回压阀(17)和气体混合缸(21)相连，第四三通阀(19)的C口还连有烧杯(20)。
6.根据权利要求4所述的一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置，其特征在于：所述测量***包括***式流量计(23)、湿度仪(24)和烘箱(28)内的温度仪，以及可供气体混合缸(21)放置的恒温箱(22)，所述***式流量计(23)设置在恒温箱(22)内并与气体混合缸(21)相连，所述湿度仪(24)与气体混合缸(21)的首尾两端均相连。
7.根据权利要求6所述的一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置，其特征在于：所述***式流量计(23)、湿度仪(24)、温度仪和恒温箱(22)分别均与数据采集***(26)电连接。
8.根据权利要求1或7所述的一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试装置，其特征在于：所述数据采集***(26)为计算机。
9.一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试方法，其特征在于，包括以下步骤:
S1：打开第二三通阀(11)的A口和C口，关闭B口，向中间容器中加气，注入一定气量后关闭第二三通阀(11)的C口，打开第三三通阀(4)的A口和C口，关闭B口，向中间容器中加水，加入一定水量后关闭第三三通阀(4)的C口；
S2：准备页岩岩心，并将待测页岩岩心装入三轴应力岩心夹持器(27)；
S3：关闭第一三通阀(6)的A口、第四三通阀(19)的A口，打开第一三通阀(6)的B口和C口，围压泵(16)加压至2MPa；
S4：向中间容器中注水，控制围压始终比内压高出2MPa，同时控制回压阀(17)的压力比内压高出1～3MPa，分4～5次逐级加压至要求内压，然后增加围压至要求围压，防止岩心在加压过程中损坏，关闭第一三通阀(6)的C口，将烘箱(28)的温度调节至指定温度，饱和水12h；
S5：恒温箱(22)温度调节至120℃，将中间容器A(10)加压至要求前端压力，回压阀(17)压力调节至指定尾端压力，打开实时采集软件，待内压稳定后，打开第一三通阀(6)的A口和C口、第二三通阀(11)的A口和C口、第三三通阀(4)的A口和C口、第四三通阀(19)的A口和C口，关闭第一三通阀(6)、第二三通阀(11)、第三三通阀(4)和第四三通阀(19)的B口，开始驱替实验；
S6：实验结束后关闭第一三通阀(6)的C口、第四三通阀(19)的C口，打开第四三通阀(19)的B口，恒定围压和内压压差，同步降低围压泵(16)和回压阀(17)压力进行卸压操作。
10.根据权利要求9所述的一种高温高压页岩非稳态气水相渗测试方法，其特征在于：所述步骤S5还包括以下子步骤：
S51：湿度仪(24)测得的t时刻的湿度为U，则t时刻下的累积产水量为：
其中，V为气体混合缸(21)的标定体积，ρg为当前温度下干燥空气的密度，α为当前温度下饱和湿空气的含水率，ρw为当前温度下水蒸汽的密度，α与ρw均通过查表获得；
S52：将岩样出口大气压力下、120℃测量的累积产量修正到岩样平均温度、压力下的值；
Vi＝{ΔVwi+Vi-1+[2pa/(Δp+2pa)]ΔVgi}×{ZTpa/[Za(120+273.15)p]} (2)
其中，Vi为累积流体产量，Vi-1上一点的累积流体产量，ΔVwi某一时刻间隔的水增量，ΔVgi为***式流量计(23)测得的某一时间间隔的气增量，Z为实验条件下的偏差因子；
S53：绘制累计产气量∑Vg，累计产水量∑Vw，累计注入时间∑t的关系曲线；
S54：在曲线上均匀取点，得到在一定时间间隔Δt内对应的产气量ΔVg、产水量ΔVwi，计算气水相对渗透率和平均含水饱和度；
平均含水饱和度
其中，Vw为累积出口水量
气水相对渗透率
其中，fw为含水率，fg为含气率，μg为实验条件下气体粘度，μw为实验条件下水相粘度；
S55：绘制气水相对渗透率和含水饱和度的关系曲线。
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