CN210775151U - 致密敏感性储层自发渗吸实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及储层渗吸实验技术领域，是一种致密敏感性储层自发渗吸实验装置，其包括岩心夹持器、流体输入装置、流体输出装置和围压泵，岩心夹持器包括左右连通的刚性筒体，在刚性筒体的左右两端分别固定安装有左端盖和右端盖，在刚性筒体内同轴限位间隔安装有橡胶内筒。通过对待检测岩心样品施加孔压和围压，模拟岩石所处的不同地层条件，实验人员可以实时监测不同时刻的第一压力值与所述第二压力值，确定不同时刻的压力差，根据压力差确定岩心样品的渗吸质量，同时，根据压力差的变化情况确定岩心样品的水敏损害率，并实现了模拟不同地层条件下岩心的自发渗吸过程，提高了致密储层岩石的渗吸测量精度。

Description

致密敏感性储层自发渗吸实验装置

技术领域

本实用新型涉及储层渗吸实验技术领域，是一种致密敏感性储层自发渗吸实验装置。

背景技术

由于世界对油气资源需求的增加与开采技术的进步，使非常规油气的开发成为国内外研究的热点领域之一。致密敏感性储层具有孔渗参数极小、含水饱和度较低的特点，因而毛管力作用明显，自发渗吸现象严重。同时，由于其粘土含量很高，在压裂液渗吸过程中容易造成粘土膨胀、分散、运移，产生严重的水敏伤害。据统计，致密敏感性气藏由于储层伤害所造成的产量下降能够达到70％。因此，研究致密敏感性储层的渗吸过程及渗吸过程中造成的水敏伤害，对于研究在渗吸中粘土膨胀的程度，进而减少储层伤害，提高气井产量具有重要意义。

现有技术中，可采用体积法测试致密岩心的自发渗吸，包括同向渗吸体积法和逆向渗吸体积法。同向渗吸体积法实验的主要原理是用带刻度的毛细管与装有岩心的容器相连，通过观察渗吸前后毛细管内液面变化来测量岩心渗吸量的大小。逆向渗吸体积法实验是将岩心完全浸没在液体里，由于渗吸作用岩心内的非润湿相被润湿相驱替出来，在重力作用下汇聚在容器顶部的细管中，通过测量容器顶部的液体或气体体积，得到渗吸采收率。两种实验方法都操作简单，主要适用于高孔、高渗的岩石样品，但对于低孔、低渗或致密岩样，由于岩石孔喉细小导致的渗吸量少、渗吸时间长，以及外界温度、湿度变化引起的润湿液体的蒸发、组分变化，会对实验结果的准确性造成一定影响。同时上述方法受到刻度限制，渗吸速率的测定受到影响。另外，上述方法仅能在常压下测量，与致密储层条件相差太大，测量结果参考价值不大。

现有技术中，还可以采用称重法测试致密岩心的自发渗吸。称重法实验的主要原理是力臂力矩和杠杆原理，连杆一端连着装有岩心的容器，另一端是放在电子天平上已知质量的砝码。将岩心一个端面与润湿液接触(同向渗吸)，或者，将岩心全部浸没在液体中(逆向渗吸为主)，每隔一定时间记录电子天平读数，直到质量不再增加为止，根据公式一求得该时刻吸入的润湿液量占总孔隙体积的百分数Et：

Et＝△m/(V×k)×100％ 公式一

其中，Et-不同时刻吸入的润湿液量占总孔隙体积的百分数，％；△m-吸入质量，g；V-岩心体积，cm3；k-孔隙度，％。

然而利用称重法测试致密砂岩岩心的渗吸过程时，经常出现挂壁现象、门槛跳跃效应导致渗吸数据不准确，同时，该方法也不能测试模拟在地层压力下的渗吸作用，测量结果的参考价值有限。

由此可见，现有的测试实验中，对于致密储层渗吸作用的研究大多是在常温常压下进行，且对于粘土含量高的致密储层，在渗吸过程中并没有考虑储层伤害所导致的渗透率下降对于渗吸的影响。

发明内容

本实用新型提供了一种致密敏感性储层自发渗吸实验装置，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有密敏感性储层渗吸实验方法得到的渗吸数据准确度不高的问题。

本实用新型的技术方案是通过以下措施来实现的：一种致密敏感性储层自发渗吸实验装置，包括岩心夹持器、流体输入装置、流体输出装置和围压泵，岩心夹持器包括左右连通的刚性筒体，在刚性筒体的左右两端分别固定安装有左端盖和右端盖，在刚性筒体内同轴限位间隔安装有橡胶内筒，在橡胶内筒内侧、左端盖和右端盖之间形成夹持腔，在橡胶内筒外侧与刚性筒体内侧之间形成环形围压腔，流体输入装置与夹持腔左侧通过第一连接管连通，流体输出装置与夹持腔右侧通过第二连接管连通，围压泵的输出端与环形围压腔通过第三连接管连通；流体输入装置设置有第一压力监测装置，流体输出装置设置有第二压力监测装置，在第三连接管上设置有第三压力监测装置。

下面是对上述实用新型技术方案的进一步优化或/和改进：

上述刚性筒体的左端固定有伸入刚性筒体内部的左限位环板，在左限位环板外侧与刚性筒体左部内侧形成开口朝右的左环槽；在刚性筒体的右端固定有伸入刚性筒体内部的右限位环板，在右限位环板外侧与刚性筒体右部内侧形成与左环槽相对的右环槽；橡胶内筒的左端和右端分别***左环槽和右环槽内；左端盖固定安装在左限位环板内侧，右端盖固定安装在右限位环板内侧。

上述流体输入装置包括贮水池、水泵和上游腔室，在左端盖上设置有将夹持腔与第一连接管连通的左通孔，上游腔室与左通孔通过第一连接管连通，水泵的出水端与上游腔室通过进水管连通，贮水池与水泵的进水端通过管线连通；第一压力监测装置设置在上游腔室处。

上述进水管上设置有流量计和第一阀门。

上述流体输出装置包括下游腔室，在右端盖上设置有将夹持腔与第二连接管连通的右通孔，下游腔室与右通孔通过第二连接管连通，第二压力监测装置设置在下游腔室处，在第三连接管上还串接有第二阀门。

上述加刚性筒体、左端盖和右端盖的材料为导热材料，在刚性筒体外侧设置有加热器；或/和，在刚性筒体外侧设置有用于检测环形围压腔内温度的温度计。

上述还包括数据采集装置和数据处理装置，数据采集装置采用数据采集器，第一压力监测装置、第二压力监测装置和温度计的信号输出端与数据采集装置的信号输入出端电连接，数据采集装置的信号输出端与数据处理装置的信号输入端电连接。

上述第一压力监测装置、第二压力监测装置和第三压力监测装置分别为第一压力表、第二压力表和第三压力表。

本实用新型结构合理而紧凑，使用方便，其通过对待检测岩心样品施加孔压和围压，模拟岩石所处的不同地层条件，实验人员可以实时监测不同时刻的第一压力值与所述第二压力值，确定不同时刻的压力差，根据压力差确定岩心样品的渗吸质量，同时，根据压力差的变化情况确定岩心样品的水敏损害率，并实现了模拟不同地层条件下岩心的自发渗吸过程，提高了致密储层岩石的渗吸测量精度；并通过岩心上下游压力差的衰减规律，得到岩心中粘土的膨胀规律，判断水敏伤害的大小。

附图说明

附图1为本实用新型最佳实施例的连接示意图。

附图2为本实用新型最佳实施例的具体连接方式之一的示意图。

附图3为岩心夹持器的主视剖视放大结构示意图。

附图4为本实用新型最佳实施例的具体连接方式之二的示意图。

附图中的编码分别为：11为流体输入装置，12为岩心夹持器，13为流体输出装置，14为围压泵，15为加热器，16为温度计，17为数据采集装置，18为数据处理装置；

111为第一连接管，112为第一压力表，113为贮水池，114为水泵，115为上游腔室，116为流量计，117为第一阀门，118为进水管；

121为夹持腔，122为刚性筒体，123为左端盖，124为右端盖，125为岩心样品，126为左通孔，127为右通孔，128为橡胶内筒，129为左限位环板，1220为右限位环板，1221为环形围压腔；

131为第二连接管，132为第二压力表，133为下游腔室；

141为第三连接管，142为第二阀门，143为第三压力表。

具体实施方式

本实用新型不受下述实施例的限制，可根据本实用新型的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本实用新型中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1的布图方向来确定的。

挂壁现象：在岩心渗吸实验中经常出现，并影响测量的精度。在渗吸作用下非润湿相被润湿相液体驱替出来并由于界面张力作用黏附在岩心表面，随着渗吸量的增加，小的液珠或气泡会慢慢聚集在一起，重力分异作用逐渐克服界面张力，液珠或气泡就会脱离岩心表面。而在致密油渗吸实验中，由于渗透率低、孔喉细小，渗吸速率慢，挂壁现象持续时间长，对采用传统方法特别是体积法初期测量渗吸量和计算渗吸速率会造成较大误差。

门槛跳跃效应：在液体和干岩样接触时，由于液体表面能和毛管作用对岩心产生一种拉力造成质量的突然增加，这就是门槛跳跃效应，这在水湿岩心渗吸实验中特别明显。

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步描述：

如附图1至4所示，该致密敏感性储层自发渗吸实验装置包括岩心夹持器12、流体输入装置11、流体输出装置13和围压泵14，岩心夹持器12包括左右连通的刚性筒体122，在刚性筒体122的左右两端分别固定安装有左端盖123和右端盖124，在刚性筒体122内同轴限位间隔安装有橡胶内筒128，在橡胶内筒128内侧、左端盖123和右端盖124之间形成夹持腔121，在橡胶内筒128外侧与刚性筒体122内侧之间形成环形围压腔1221，流体输入装置11与夹持腔121左侧通过第一连接管111连通，流体输出装置13与夹持腔121右侧通过第二连接管131连通，围压泵14的输出端与环形围压腔1221通过第三连接管141连通；流体输入装置11设置有第一压力监测装置，流体输出装置13设置有第二压力监测装置，在第三连接管141上设置有第三压力监测装置。

本装置通过对待检测岩心样品125施加孔压和围压，模拟岩石所处的不同地层条件，实验人员可以实时监测不同时刻的第一压力值与第二压力值，确定不同时刻的压力差，根据压力差确定岩心样品125的渗吸质量，同时，根据压力差的变化情况确定岩心样品125的水敏损害率，并实现了模拟不同地层条件下岩心的自发渗吸过程，提高了致密储层岩石的渗吸测量精度；并通过岩心上下游压力差的衰减规律，得到岩心中粘土的膨胀规律，判断水敏伤害的大小。

即本装置通过测试岩心样品125上下游压力的微弱变化，解决了采用称重法测试渗吸过程中的挂壁现象以及门槛跳跃效应导致的渗吸数据不准确的问题，提高了致密储层岩石的渗吸测量精度。

需要指出的是，考虑到致密储层的脆性较大、渗吸量较小，在实验中要充分考虑保护岩心样品125，以确保测量的准确度。

可根据实际需要，对上述致密敏感性储层自发渗吸实验装置作进一步优化或/和改进：

如附图3所示，在刚性筒体122的左端固定有伸入刚性筒体122内部的左限位环板129，在左限位环板129外侧与刚性筒体122左部内侧形成开口朝右的左环槽；在刚性筒体122的右端固定有伸入刚性筒体122内部的右限位环板1220，在右限位环板1220外侧与刚性筒体122右部内侧形成与左环槽相对的右环槽；橡胶内筒128的左端和右端分别***左环槽和右环槽内；左端盖123固定安装在左限位环板129内侧，右端盖124固定安装在右限位环板1220内侧。

左端盖123通过螺纹固定安装在左限位环板129内侧，右端盖124通过螺纹固定安装在右限位环板1220内侧。在加工时，先将刚性筒体122加工成两瓣式结构，将橡胶内筒128两端分别***左环槽和右环槽内后，再将两瓣式结构对接并固定，根据不同材料，选择不同固定方式，刚性筒体122采用金属材料时，可焊接，不便于焊接材料，可以采用粘接剂粘接固定。

实际应用时，左限位环板129和右限位环板1220的厚度很薄，采用片状，不影响橡胶内筒128向岩心样品125施加围压。

如附图4所示，流体输入装置11包括贮水池113、水泵114和上游腔室115，在左端盖123上设置有将夹持腔121与第一连接管111连通的左通孔126，上游腔室115与左通孔126通过第一连接管111连通，水泵114的出水端与上游腔室115通过进水管118连通，贮水池113与水泵114的进水端通过管线连通；第一压力监测装置设置在上游腔室115处。

贮水池113中盛有蒸馏水或者饱和地层水，通过水泵114将贮水池113中的蒸馏水或者饱和地层水经上游腔室115后进入岩心夹持器12内。

如附图4所示，在进水管118上设置有流量计116和第一阀门117。

流量计116可读取水泵114泵入上游腔室115的流体的流量。当第一压力监测装置检测的第一压力值达到预设初始压力值时，关闭第一阀门117，则停止注入流体。

如附图4所示，流体输出装置13包括下游腔室133，在右端盖124上设置有将夹持腔121与第二连接管131连通的右通孔127，下游腔室133与右通孔127通过第二连接管131连通，第二压力监测装置设置在下游腔室133处，在第三连接管141上还串接有第二阀门142。

如附图4所示，刚性筒体122、左端盖123和右端盖124的材料为导热材料，在刚性筒体122外侧设置有加热器15；或/和，在刚性筒体122外侧设置有用于检测环形围压腔1221内温度的温度计16。

导热材料可以采用不锈钢等现有公知材料。加热器15可间接对夹持腔121内的岩心样品125和流体进行加热，通常，实验温度设置为常温，根据储层条件还可设置为50℃至100℃。

如附图4所示，还包括数据采集装置17和数据处理装置18，数据采集装置17采用数据采集器，第一压力监测装置、第二压力监测装置和温度计16的信号输出端与数据采集装置17的信号输入出端电连接，数据采集装置17的信号输出端与数据处理装置18的信号输入端电连接。

数据处理装置18可以采用计算机。数据处理装置18用于根据数据采集装置17采集的各个时刻的第一压力值(通过第一压力监测装置获取)与所述第二压力值(通过第二压力监测装置获取)确定各个时刻的压力差，根据各个时刻的压力差变化情况确定所述岩心样品125的水敏损害率。

数据采集装置17获取实验过程中压力的实时数据，通过数据处理装置18进行数据处理和分析，无需人工记录实验数据，并在实验结束后进行数据处理和分析，实现了对实验数据的实时监控，以及对实验数据的自动化处理过程。

根据需要，第一压力监测装置、第二压力监测装置和第三压力监测装置分别为第一压力表112、第二压力表132和第三压力表143。

第一压力表112用于检测流体输入装置11泵入岩心夹持器12内夹持腔121的流体的第一压力值。

第二压力表132用于检测流体流经岩心夹持器12的夹持腔121之后的第二压力值。

第三压力表143用于检测注入到环形围压腔1221的围压值。

本实用新型的使用方法：第一步：选取岩心样品125，钻取直径与岩心夹持器12夹持腔121内径相同的圆柱形样品，并将断面磨平；

第二步：将岩心样品125从左侧或右侧装入岩心夹持器12的夹持腔121内，然后拧紧左端盖123和右端盖124；

第三步：根据岩心样品125的长度，通过围压泵14经第三连接管141向环形围压腔1221内打入合适的围压，关闭第二阀门142，其使橡胶内筒128在围压作用下向夹持腔121内形变，从而达到向夹持腔121内岩心样品125施加围压的目的；选择合适的流量用水泵114泵入流体使岩心样品125上游压力(P1，即第一压力表112测得的第一压力，也称为驱替压力)达到预设的初始压力，关闭第一阀门117；

需要指出的是，实验过程中为了确保岩心夹持器12不受破环，围压始终保持大于上游压力。

第四步：采集不同时刻第一压力表112的第一压力值(P1)和第二压力表132的第二压力值(P2)，确定不同时刻的压力差；

第五步：根据压力差，确定不同时刻岩心样品125的渗吸质量。

第六步：根据压力差降低0.1Mpa所用时间确定渗吸过程中岩心的损害程度。

其实验原理具体如下：

采用达西定律对岩心的渗吸质量与时间的关系进行研究。当水通过岩心时，其流量和岩心的截面积、进出口端的压差成正比，与岩心的长度成反比。采用不同流体时，流量与流体粘度成反比，达西公式参见公式二：

其中，Q-在压差下通过岩心的流量，cm3/s；-岩心截面积，cm2；-岩心长度，cm；-通过岩心的流体粘度，MPa.s；-流体通过岩心前后的压力差，10-1MPa；k-岩心孔隙介质的渗透率。

在实验前，测试岩心的渗透率和流体粘度，通过读取第一压力表112和第二压力表132的压力值得到压力差，将公式二进行处理得到公式三：

其中，P1-第一压力值(上游压力)；P2-第二压力值(下游压力)；ρ-流体密度，t-渗吸时间。

通过岩心上下游的压力差，得到不同时间岩心的渗吸质量。

达西定律有一定的适用条件：当渗流速度增大到一定值后，除产生粘滞阻力外，还会产生较大的惯性阻力。此时流量与压差不再是线性关系，这个渗流速度值就是达西定律的临界渗流速度，超过次临界渗流速度时，流动由线性渗流转变为非线性渗流，达西公式不再适用，临界渗流速度的公式参见公式四：

其中，Rec-临界雷诺数；μ-流体的粘度，mPa·s；φ-孔隙度；ρ-流体的密度，g/cm3；K-渗透率，D。

根据经验，一般储层的临界雷诺数为0.2-0.3，致密储层的渗透率一般在0.01mD，将其带入公式四中可得致密敏感性储层的临界渗流速度为30cm/s。在实际的实验中，致密敏感性储层岩心在3Mpa的压差下，长达10h的驱替过程中流动仪出口端出液流量尚且较小，可见其渗流速度远远小于30cm/s，因此达西定律适用于致密敏感性储层。

致密敏感性储层由于其粘土含量较高，在低矿化度的流体进入储层后易于引起储层内粘土的膨胀、分散、运移，进而导致渗透率下降，岩心的渗吸量减小。因此，难以采用常规的液测渗透率法对敏感性伤害进行评价。渗透率的下降也会使岩心上游压力的衰减变得更慢，压力衰减法便是通过研究同一时段内岩心上游压力的衰减速率评价水敏伤害的，其方法在致密储层的实际应用中得到了很好的验证。

具体来说，实验人员根据不同时刻的第一压力值和第二压力值确定不同时刻的压力差，记录压力差随时间的变化情况。通常压力差随着时间的增加会慢慢减小，其压力差的衰减反映了岩心渗透率的变化和岩心渗吸质量的变化。水敏损害率计算公式参见公式五：

IK＝(△T1-△T2)/△T2×100％ 公式五

其中，IK-水敏损害率，△T1-压差降低0.1Mpa所用时间，△T2-压差再降低0.1MPa所用时间。表1给出了水敏损害率与损害程度的对应关系表，如表1所示，水敏损害程率越大，损害程度越强，则说明岩心样品125中粘土的膨胀速率越大，渗透率的下降越快。

以上技术特征构成了本实用新型的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

表1

水敏损害率，％	损害程度
		IK≤5	无
5<IK≤30	弱
		30<IK≤50	中等偏弱
50<IK≤70	中等偏强
		70<IK≤90	强
IK>90	极强

Claims (10)

1.一种致密敏感性储层自发渗吸实验装置，其特征在于包括岩心夹持器、流体输入装置、流体输出装置和围压泵，岩心夹持器包括左右连通的刚性筒体，在刚性筒体的左右两端分别固定安装有左端盖和右端盖，在刚性筒体内同轴限位间隔安装有橡胶内筒，在橡胶内筒内侧、左端盖和右端盖之间形成夹持腔，在橡胶内筒外侧与刚性筒体内侧之间形成环形围压腔，流体输入装置与夹持腔左侧通过第一连接管连通，流体输出装置与夹持腔右侧通过第二连接管连通，围压泵的输出端与环形围压腔通过第三连接管连通；流体输入装置设置有第一压力监测装置，流体输出装置设置有第二压力监测装置，在第三连接管上设置有第三压力监测装置。

2.根据权利要求1所述的致密敏感性储层自发渗吸实验装置，其特征在于刚性筒体的左端固定有伸入刚性筒体内部的左限位环板，在左限位环板外侧与刚性筒体左部内侧形成开口朝右的左环槽；在刚性筒体的右端固定有伸入刚性筒体内部的右限位环板，在右限位环板外侧与刚性筒体右部内侧形成与左环槽相对的右环槽；橡胶内筒的左端和右端分别***左环槽和右环槽内；左端盖固定安装在左限位环板内侧，右端盖固定安装在右限位环板内侧。

3.根据权利要求1或2所述的致密敏感性储层自发渗吸实验装置，其特征在于流体输入装置包括贮水池、水泵和上游腔室，在左端盖上设置有将夹持腔与第一连接管连通的左通孔，上游腔室与左通孔通过第一连接管连通，水泵的出水端与上游腔室通过进水管连通，贮水池与水泵的进水端通过管线连通；第一压力监测装置设置在上游腔室处。

4.根据权利要求3所述的致密敏感性储层自发渗吸实验装置，其特征在于进水管上设置有流量计和第一阀门。

5.根据权利要求1或2或4所述的致密敏感性储层自发渗吸实验装置，其特征在于流体输出装置包括下游腔室，在右端盖上设置有将夹持腔与第二连接管连通的右通孔，下游腔室与右通孔通过第二连接管连通，第二压力监测装置设置在下游腔室处，在第三连接管上还串接有第二阀门。

6.根据权利要求1或2或4所述的致密敏感性储层自发渗吸实验装置，其特征在于刚性筒体、左端盖和右端盖的材料为导热材料，在刚性筒体外侧设置有加热器；或/和，在刚性筒体外侧设置有用于检测环形围压腔内温度的温度计。

7.根据权利要求3所述的致密敏感性储层自发渗吸实验装置，其特征在于刚性筒体、左端盖和右端盖的材料为导热材料，在刚性筒体外侧设置有加热器；在刚性筒体外侧设置有用于检测环形围压腔内温度的温度计。

8.根据权利要求5所述的致密敏感性储层自发渗吸实验装置，其特征在于刚性筒体、左端盖和右端盖的材料为导热材料，在刚性筒体外侧设置有加热器；在刚性筒体外侧设置有用于检测环形围压腔内温度的温度计。

9.根据权利要求8所述的致密敏感性储层自发渗吸实验装置，其特征在于还包括数据采集装置和数据处理装置，数据采集装置采用数据采集器，第一压力监测装置、第二压力监测装置和温度计的信号输出端与数据采集装置的信号输入出端电连接，数据采集装置的信号输出端与数据处理装置的信号输入端电连接。

10.根据权利要求1或2或4或7或8或9所述的致密敏感性储层自发渗吸实验装置，其特征在于第一压力监测装置、第二压力监测装置和第三压力监测装置分别为第一压力表、第二压力表和第三压力表。

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