一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的裝置及方法，包括：準備待測低滲透巖心樣，并放入巖心夾持器；利用自動水力泵為巖心夾持器提供所需圍壓、回壓；關(guān)閉第三閥門，氣體加壓裝置對標準瓶加壓；待第二壓力傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，打開第三閥門，標準瓶內(nèi)氣體向巖心夾持器的入口滲透；控制器記錄第二壓力傳感器所讀取的壓力隨時間變化的數(shù)值，直到第二壓力傳感器讀數(shù)變化速率低于門限值時停止記錄；根據(jù)第二壓力傳感器隨時間變化的讀數(shù)計算巖心啟動壓力梯度。本發(fā)明僅需要在標準瓶出口添加高精度壓力傳感器對出口壓力進行記錄即可，高精度壓力傳感器具有價格低廉、測試精度高、量程大等特點，避免了測量低流速的困難。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及油氣田開發(fā)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域中的巖心參數(shù)實驗室測試【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是 涉及一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的裝置及方法。 一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的裝置 及方法

【背景技術(shù)】
[0002] 目前國內(nèi)測試巖心啟動壓力梯度實驗室測試技術(shù)大部分仍采用穩(wěn)態(tài)法測試，穩(wěn)態(tài) 法是利用穩(wěn)定驅(qū)替壓力將氣體或者液體驅(qū)替進入多孔介質(zhì)，經(jīng)過較長時間使流動達到穩(wěn) 定，測定多孔介質(zhì)出口端速度，將測定的流體速度作為該多孔介質(zhì)在某實驗室溫度以及圍 壓下驅(qū)替壓差所對應的穩(wěn)定驅(qū)替速度。通過設定多組驅(qū)替壓力得到對應的驅(qū)替速度，最終 將實驗數(shù)據(jù)繪制成"壓差-流速"圖。將達西滲流段直線向下延展相交到橫坐標軸，將這一 交點所對應的壓差值定義為啟動壓力梯度。
[0003] 穩(wěn)態(tài)法測試啟動壓力梯度需要的達到穩(wěn)定流動時間長。由于巖心達到穩(wěn)定流動沒 有明確現(xiàn)象，只有通過長時間以同一壓差驅(qū)替巖心后測試多個流速值，當流速值無變化時 認為巖心在該壓差下流動達到穩(wěn)定。對于低滲透性或特低滲透性巖石，每個壓差條件對應 的流速極小，流速值稍有干擾就會跳動，用上述辦法很難準確判斷是否達到了穩(wěn)定狀態(tài)。巖 心滲透率越低，穩(wěn)態(tài)法測試時間就越長。
[0004] 穩(wěn)態(tài)法測試啟動壓力梯度精度低。穩(wěn)態(tài)法測試低滲透率巖心啟動壓力梯度需要精 度較高的流量計，特別低壓差下流速測試難度極大，由于流速極低，絕大多數(shù)流速測試儀器 不能達到精度要求。若采用普通流速測試裝置，流速誤差大，導致實驗得出啟動壓力梯度不 準確。而高精度流速測試儀器價格昂貴，抗外界干擾能力差，儀器能夠測試的流速量程有 限，高壓差下的流速可能超過有效量程，同樣也無法滿足實驗要求。
[0005] 現(xiàn)有的測試啟動壓力梯度的方法只能測試"擬啟動壓力梯度"，無法測試巖心"真 實真實壓力梯度"。在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，實驗室利用穩(wěn)態(tài)法得到的啟動壓力梯度遠大 于實際生產(chǎn)過程中注入流體時所需的壓力梯度。經(jīng)過大量研究，這種以達西滲流段直線延 長得到的啟動壓力梯度不是巖心"真實啟動壓力梯度"，因此將該交點稱為"擬啟動壓力梯 度"。現(xiàn)有穩(wěn)態(tài)法以及非穩(wěn)態(tài)法無法測試巖心真實啟動壓力梯度，并且擬啟動壓力梯度在 實際運用中并不具有指導意義，在低速非達西滲流領(lǐng)域?qū)訅毫μ荻葴y定仍有較大爭議 性，氣體滲流啟動壓力梯度是判斷氣藏開發(fā)過程中氣體在儲層中能否有效流動的重要依 據(jù)，是評價致密氣藏儲量動用程度的關(guān)鍵參數(shù)，同時對油氣田開發(fā)過程中精確設計計算注 入井注入壓力，生產(chǎn)井定井底壓力帶來了困難。
[0006] 因此，有必要開發(fā)一種新型快速氣測低滲透巖心真實啟動壓力梯度的壓力脈沖測 試技術(shù)以及設備。
[0007] 現(xiàn)有氣體滲流方程采用Brinkman-Forchheimer提出的經(jīng)典巖心內(nèi)部壓降梯度與 流速關(guān)系方程：

【權(quán)利要求】
1. 一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的裝置，其特征在于：它包括巖 心夾持器、氣體加壓裝置、標準瓶、回壓閥、自動水力泵和控制器： 巖心夾持器用于夾持待測低滲透巖心樣； 氣體加壓裝置用于為標準瓶提供所需壓力； 自動水力泵用于為回壓閥提供初始設定回壓，以及為巖心夾持器提供穩(wěn)定圍壓； 自動水力泵的一個出口通過第四閥門與巖心夾持器的圍壓調(diào)節(jié)端連接，另一個出口通 過第五閥門和回壓閥與巖心夾持器的回壓調(diào)節(jié)端相連，第五閥門與回壓閥之間設置有第三 壓力傳感器； 氣體加壓裝置的出口處設置有第一壓力傳感器和第一閥門，第一閥門的出口通過第三 閥門與巖心夾持器的入口連接，第一閥門的出口還通過第二壓力傳感器和第二閥門與標準 瓶連接； 第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和第三壓力傳感器分別與控制器的信號采集端電連 接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的裝置， 其特征在于：還包括加熱單元，加熱單元由烘箱組成，標準瓶、巖心夾持器以及回壓閥均設 置于烘箱內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的裝置， 其特征在于：所述的第一閥門、第二閥門、第三閥門、第四閥門和第五閥門均為電磁閥，各電 磁閥均與控制器的控制信號輸出端電連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的裝置， 其特征在于：所述的第二壓力傳感器為高精度壓力傳感器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的裝置， 其特征在于：所述的控制器中設置有巖心啟動壓力梯度計算模塊，巖心啟動壓力梯度計算 模塊用于根據(jù)第二壓力傳感器隨時間變化的讀數(shù)計算巖心啟動壓力梯度。
6. -種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的方法，其特征在于：它包括以 下步驟： 51 :準備待測低滲透巖心樣，并將待測低滲透巖心樣放入巖心夾持器； 52 :利用自動水力泵為巖心夾持器提供所需圍壓、回壓； 53 :關(guān)閉第三閥門，氣體加壓裝置對標準瓶加壓，利用第一壓力傳感器采集壓力值，達 到所需標準瓶初始壓力時，關(guān)閉第一閥門； S4:待第二壓力傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，打開第三閥門，標準瓶內(nèi)氣體向巖心夾持器的入口 滲透； 55 :控制器記錄第二壓力傳感器所讀取的壓力隨時間變化的數(shù)值，直到第二壓力傳感 器讀數(shù)變化速率低于門限值時停止記錄； 56 :根據(jù)第二壓力傳感器隨時間變化的讀數(shù)計算巖心啟動壓力梯度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的方法， 其特征在于：所述的步驟S2包括以下子步驟： 5201 :關(guān)閉第四閥門，開啟第五閥門，自動水力泵為回壓閥提供所需回壓； 5202 :當?shù)谌龎毫鞲衅髯x數(shù)達到設定的回壓值時，關(guān)閉第五閥門； S203 :打開第四閥門，為巖心夾持器提供穩(wěn)定的所需圍壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的方法， 其特征在于：所述的步驟S6包括以下子步驟： 對Forchheimer方程進行修正，建立新的滲流方程：
(2) dp 其中，為巖心內(nèi)部壓降梯度，μ為氣體粘度，κ為巖心表觀滲流率，V為巖心中氣 ciL 體流速，β為氣體紊流因子，P為氣體密度，Y為低速非達西滲流系數(shù)，λ為真實啟動壓 力梯度； 根據(jù)狀態(tài)方程： PV = ZnRT (3) 途流討趕為等潟途流，_狀態(tài)方程變?yōu)椋?br> (4) 對式（4)進行全微分得到： ZVdP+ZPdV-PVdZ = 0 (5) 將式（5)對時間微分得到：
(6) 對式（6)中各項賦予與標準瓶有關(guān)的形式得：
(7) 其中，VT為容器體積，為容器出口壓力，為容器氣體偏差因子，為容器出口流量； 由式（7)得出容器出口流量與容器氣體偏差因子以及容器壓差有關(guān)，則：
將完整的非穩(wěn)態(tài)滲流過程看作是無數(shù)個無窮小時間段內(nèi)流動的累積，則在任意無窮 小時間段內(nèi)標準瓶壓降也為無窮小，因此認為在任意無窮小時間段內(nèi)的流動為穩(wěn)態(tài)流動， 則：
(15) 其中，Pn為某一時刻容器出口壓力讀數(shù)，Zn為某一時刻容器出口壓力對應的氣體滑脫 因子； 由式（15)得：
(16) 其中，tn為實驗開始時間； 同理可得：
(17) 聯(lián)立式（8)、式（15)、式（16)得：
(18、 在流動過程中，容器出口質(zhì)量流量與巖心中的質(zhì)量流量相等，利用狀態(tài)方程表示容器 和巖心中的氣體密度，整理得：
(19) 其中，Zm為巖心中氣體偏差因子，Pm為巖心孔隙壓力，Qm為巖心中氣體體積流量； 聯(lián)立式（17)、式iis)πτΦ□?巖心由流動諫庶可表示為：
(20) 其中，Vm為巖心中氣體流速，Α為巖心截面積； 式（20)為標準瓶壓降與巖心各無窮小時間段流速關(guān)系；
由于測試介質(zhì)為氣體，考慮氣體滑脫效應，Klinberg方程用于描述氣體滑脫效應，方程 為： (21) 其中，b為氣體滑脫因子，Km為巖心絕對滲透率； 將式（20)、（21)帶入⑵得：
由于巖心長度小，假設巖心中壓降梯度為線性下降，以此假設化簡整理（22)得到：
其中，Pg為巖心標準瓶幾何平均壓力，為巖心夾持器放空壓力； 對式（23)進行化簡整理得到： y = Cx1+Dx2+Ex3+Fx4+Gx5 (24)

其中11、&、13^4^5和y通過實驗數(shù)值算出，未知量為C、D、E、F、G，利用最小二乘法對 這五個未知量進行處理，通過壓降曲線取得最優(yōu)值； 利用優(yōu)化后的C、D、E、F、G反算各參數(shù)，表達式如下：
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的方法， 其特征在于：通過對容器壓降曲線的重新利用能夠一次性作出"壓差-流速"曲線，方程如
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種非穩(wěn)態(tài)高溫高壓測試低滲透巖心啟動壓力梯度的方 法，其特征在于：對于Xp X2、x3、χ4中的未知數(shù)b，在計算之前首先假設b為某一值，通過循 環(huán)每次得出的G并反算出新的b，直至b的變化量小于0. OOOIMPa收斂。
【文檔編號】G01N15/08GK104101564SQ201410340050
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】劉建儀, 游旭濤, 譚曉華, 張烈輝, 張廣東 申請人:西南石油大學