一种岩石渗透率、孔隙度及压缩系数的实时测量装置及测量方法和计算方法

摘要

本发明公开了一种岩石渗透率、孔隙度及压缩系数的实时测量装置，它包括内部装载有岩心的岩心夹持器（20）、下游缓冲室（24）以及顺次相连接的内压泵（15）、阀门g（7）连通阀（8）、控速阀A（9）、放空阀（10），压差计（16）上设置有温度传感器（19），上游压力传感器（17）与上游压力室（21）连通，下游压力传感器（18）与下游压力室（22）连通，阀门g（7）和连通阀（8）的连接点与连通阀（8）与控速阀A（9）的连接点之间设置有控速阀B（11）。本发明的有益效果是：能够实时测量得到岩石渗透率、孔隙度与压缩系数，及其随压力变化的曲线，为相关的科学研究、工程设计、安全性评价提供可靠的实验依据。

说明书

技术领域

本发明涉及对岩石渗透率、孔隙度及压缩系数测量的技术领域，特别是一种岩石渗透率、孔隙度及压缩系数的实时测量装置及测量方法和计算方法。

背景技术

致密气、页岩气等非常规能源的勘探开发已成为近年来天然气勘探开发的亮点。随着国内鄂尔多斯盆地致密气以及四川、重庆等地页岩气的相继开发，对储量的评价、开发技术政策的制定、开发动态分析、数值模拟等都需要岩石在地层应力下的渗透率、孔隙度、压缩系数等相关参数。另外，近年来CO₂、核废料等能源与废弃物质封存技术的需求与发展也对岩石相关参数的测量提出了新的技术要求。实验室内模拟地层应力条件得到岩石的渗流特性参数是目前最有效的方法。

目前，渗流特性参数多采用单一的设备分别测量(瞬时脉冲法测渗透率、孔隙度仪测出孔隙度、流变仪测压缩系数)或者同一个设备多次测量(《同时测量岩石渗透系数、压缩系数及孔隙度的装置及方法》)。致密气以及页岩气岩心孔隙度小，通用孔隙度仪无法对其进行测量；页岩性脆，流变仪容易将其压碎；再者每次岩心的加载卸载过程不仅效率低下而且会引起岩心内部孔隙结构的不同程度的变化，测量结果也不具备代表性。此外，目前测量压缩系数的方法大多通过改变围压，测量岩石总体积的变化，继而计算岩石压缩系数。但是工程上更关心的是岩石的孔隙体积随着孔隙流体压力(实验室称为“内压”)变化的变化量，更好地模拟地层能量衰竭以及人工注入能量对地层岩石物理参数的影响。

为了克服岩石渗流实验装置功能单一、所测岩石渗流特性参数单一、测试条件苛刻、不能反应工程实际，不能测试非常规页岩性质，也不能同时实时测量超低渗、低孔隙度岩心多项岩石渗流特性参数的不足，提出了一种快速，同时实时测量岩石渗透率、孔隙度与压缩系数的装置及计算方法。采用瞬时脉冲法对岩石测量，利用迭代步骤同时计算出岩石的渗透率、孔隙度及压缩系数。采用特殊的测试过程降低岩心测试的等待时间，同时降低了计算过程中人为的客观误差。独特的实验装置设计增加了渗流特性参数的可测范围。

发明内容

本发明采用氮气作为测试介质，能够实时测量同时得到岩石渗透率、孔隙度与压缩系数，及其随有效应力变化的岩石渗透率、孔隙度及压缩系数的实时测量装置及测量方法和计算方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种岩石渗透率、孔隙度及压缩系数的实时测量装置，它包括内部装载有岩心的岩心夹持器、上游压力室、上游缓冲室、下游压力室、下游缓冲室以及顺次相连接的内压泵、阀门g、连通阀、控速阀A、放空阀，所述的岩心夹持器的一侧与上游压力室的底端之间设置有阀门a，上游压力室的顶端与上游缓冲室的底端之间设置有阀门c，上游缓冲室的顶端连接有阀门e，阀门e的另一端连接在阀门g与连通阀之间，所述的岩心夹持器的另一侧与下游压力室的底端之间设置有阀门b，下游压力室的顶端与下游缓冲室的底端之间设置有阀门d，下游缓冲室的顶端连接有阀门f，阀门f的另一端连接在连通阀与控速阀A之间，所述的岩心夹持器的外腔顺次连接有围压阀和围压泵，它还包括上游压力传感器、下游压力传感器、控制台和压差计，压差计设置在阀门a与阀门b之间，压差计上设置有温度传感器，上游压力传感器与上游压力室连通，下游压力传感器与下游压力室连通，上游压力传感器、下游压力传感器和温度传感器均与控制台连接，阀门g和连通阀的连接点与连通阀与控速阀A的连接点之间设置有控速阀B。

一种岩石渗透率、孔隙度及压缩系数的实时测量方法，它包括以下步骤：

S1、先按照系统置换氮气的过程将岩心内的流体置换为氮气，将系统内压力施加到设计值p_m1，然后关闭阀门g、连通阀、控速阀B和放空阀，其余所有阀门全部打开；

S2、全开控速阀B后，打开放空阀，下游压力室和下游缓冲室内的压力下降，压差计读数快速增大，当观察到压差计的读数接近最大量程时，关小控速阀B，当压差计达到满量程后关死控速阀B，上游压力比下游压力大，上游氮气通过岩心流入下游压力室；

S3、控制台上的计算机通过数据采集卡得到上游压力室压力值p₁与下游压力室压力值p₂和压差计上读数△p；同时观察p_m(p_m＝0.5*△p+p₂)随时间的变化，直到p_m趋于稳定后关闭阀门c和阀门d；

S4、计算机采集卡采集压差△p、上游压力p₁、下游压力p₂、温度T随时间的实时变化数据，拟合无因次变量与时间t的半对数关系：可以得到计算所需的斜率S和I，步骤S1-S4即为一个正向脉冲测试过程；

S5、打开阀门e、阀门f、阀门g和连通阀，将缓冲室压力再次加到上一次的实验测定值p_m1；在相等内压下反方向(即一个反向脉冲测试过程)重复步骤S1-S4；

S6、步骤S5结束后调整系统内压到测试方案设定值p_m2、p_m3、p_m4等，再重复步骤S1-S5；等步长降(或升)内压设计实验方案，步长大小以及内压的升或降可根据实际的模拟需求选定。

一种渗透率、孔隙度、压缩系数同时计算的方法，它的计算步骤如下：

S1、根据公式1计算每个内压p_m下的渗透率，得到渗透率随内压变化的关系曲线；

S2、参照测试岩心类型估计压缩系数c_pv的初值c_pv11＝c_pv21＝c_pv31＝…＝c_pvn1；内压p_m1下的初值为c_pv11，内压p_mn下的初值为c_pvn1；第二个数字代表计算次数；

S3、根据公式2计算每一个内压p_m下的孔隙体积V_p，得到V_p11、V_p21、V_p31…V_pn1；

S4、绘制出孔隙体积V_p11、V_p21、V_p31…V_pn1随p_m1、p_m2、p_m3…p_mn的变化关系图，拟合得到V_p＝f(p_m)的数学表达式，代入公式6即可得到压缩系数c_pv12、c_pv22、c_pv32…c_pvn2；

S5、重复步骤S3、S4；直到误差δ＝Σ|(V_pi(n-1)-V_pi(n))/V_pi(n-1)|满足实验方案设计精度要求为止；输出对应的孔隙体积与压缩系数；

S6、根据公式3计算孔隙度，输出对应的压缩系数和孔隙度及其随内压的变化关系曲线。

本发明具有以下优点：(1)一种测试方法可以同时测试岩心的渗透率、孔隙度、压缩系数三个参数，并且只需要加载岩心一次就能完成所有测试，保护了所测试得到的数据之间的内在联系。(2)应用了改进的实验装置及相应的操作方法，使得测试所得的数据在处理时能够减少人为的客观误差。(3)可以调整装置参数，优化实验时间，这样既保证了数据的可靠性，同时又增强了测试的可操作性，能够量产岩心。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中，1-阀门a，2-阀门b，3-阀门c，4-阀门d，5-阀门e，6-阀门f，7-阀门g，8-连通阀，9-控速阀A，10-放空阀，11-控速阀B，12-控制台，13-围压阀，14-围压泵，15-内压泵，16-压差计，17-上游压力传感器，18-下游压力传感器，19-温度传感器，20-岩心夹持器，21-上游压力室，22-下游压力室，23-上游缓冲室，24-下游缓冲室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

本发明理论基于瞬态脉冲压力法，测式原理如下：岩石上游施加一个瞬时脉冲压力，在岩石内部产生一维渗流，岩石上游的压力逐渐降低，而岩石下游的压力逐渐升高，可得岩石上、下游之间压力差的衰减曲线及数据；基于达西定律以及气体的连续性方程，可以得到气体的扩散方程的数值解；用扩散方程的数值解来解释瞬态脉冲法得到的实验数据，得到岩石的渗透率。测量时多次施加正反脉冲，取测量平均值作为渗透率结果。这样可以降低岩心非均质性对结果的影响。改变测试的有效应力，根据不同有效应力下孔隙体积的变化同时计算压缩系数和孔隙度。渗透率及孔隙度计算公式如下：

$>k_g=\frac{-\mathrm{S\mu }{\mathrm{Lf}}_z}{f_1{\mathrm{Ap}}_m(\frac{1}{V_u}+\frac{1}{V_d})}---\left(1\right)$>

$>V_P=\frac{a{V}_u}{1+p_m{c}_{\mathrm{pv}}/f_z}---\left(2\right)$>

$>\phi =\frac{V_p}{V_b}\times 100\%---\left(3\right)$>

其中：S是拟合数据得到的斜率，量纲s^-1。μ是气体的粘度，量纲mPa·s。L是岩样长度，量纲cm。f₁和f_z是和氮气性质相关的系数，无量纲。A是岩样的截面积，量纲cm²。p_m是孔隙压力，MPa。V_u和V_d分别是岩样端面上游水箱(包括管线内及阀门内体积)和下游水箱的体积，量纲cm³。a是岩样孔隙体积的融水量与上游体积的融水量之比，无量纲。c_pv是孔隙体积的压缩系数，MPa^-1。V_p是岩样的孔隙体积，量纲cm³。V_b是岩样的总体积，量纲cm³。

拟合无因次变量与时间的半对数关系曲线得到斜率S和截距I。拟合关系式为：

$>\ln \left[\frac{\mathrm{\Delta p}\left(t\right)p_m\left(t\right)}{\mathrm{\Delta p}\left(0\right)p_m\left(0\right)}\right]=S·t+I---\left(4\right)$>

实验过程中用计算机实时采集上游压力p₁、下游压力p₂、岩样两端压差△p以及系统内温度T，用下式计算孔隙压力：

$>p_m=\frac{1}{2}\mathrm{\Delta p}+p_2---\left(5\right)$>

拟合后得到的截距I可以用来查询相关的参数f₁和a，见附表。

实验过程中采用原始孔隙压力的10％作为脉冲压力，这种情况下所引起的有效应力的改变很小，由此引起的岩样孔隙体积的改变，孔隙内氮气的粘度变化等可以忽略不计。本发明在装置上的改进使得很小的脉冲压力所测试的数据可靠，能够被充分用到渗流特性参数的计算中，同时上下游可变体积的压力室能够适应不同渗透率数量级的岩心测试，确保实验时间可控、数据可靠，实验前对压力室体积标定得到用于计算的精确值。

压缩系数以及孔隙度的计算方法如下：按指定步长改变测试时的孔隙内压力，在相应压力下测试得到多组实验数据。按照一定的迭代步骤同时得到压缩系数以及孔隙度。根据所测试的岩心类型，查得岩心压缩系数的大致范围，估计压缩系数的初值。随着孔隙内压力的改变，岩心挟持器中岩心的孔隙体积会发生变化，使用选定的压缩系数的初值，由公式2就可以得到一系列孔隙体积值，绘制出孔隙体积与孔隙压力的关系曲线1。根据孔隙压缩系数的定义：

$>c_{\mathrm{pv}}=-\frac{1}{V_p}\frac{\partial V_p}{\partial p}---\left(6\right)$>

由曲线1计算后又可以得到新的压缩系数，再次代入公式2，绘制出关系曲线2。以此类推，直到两次迭代的压缩系数的误差满足既定精度，继而就同时得到压缩系数与孔隙度了。采用本实验方案可以同时可以得到孔隙体积与孔隙压力的关系曲线，孔隙压缩系数与孔隙压力的关系曲线以及渗透率与孔隙压力的关系曲线。

具体实施例一如下：

如图1所示，一种岩石渗透率、孔隙度及压缩系数的实时测量装置，它包括内部装载有岩心的岩心夹持器20、上游压力室21、上游缓冲室23、下游压力室22、下游缓冲室24以及顺次相连接的内压泵15、阀门g7、连通阀8、控速阀A9、放空阀10，所述的岩心夹持器20的一侧与上游压力室21的底端之间设置有阀门a1，上游压力室21的顶端与上游缓冲室23的底端之间设置有阀门c3，上游缓冲室23的顶端连接有阀门e5，阀门e5的另一端连接在阀门g7与连通阀8之间，所述的岩心夹持器20的另一侧与下游压力室22的底端之间设置有阀门b2，下游压力室22的顶端与下游缓冲室24的底端之间设置有阀门d4，下游缓冲室24的顶端连接有阀门f6，阀门f6的另一端连接在连通阀8与控速阀A9之间，所述的岩心夹持器20的外腔顺次连接有围压阀13和围压泵14，它还包括上游压力传感器17、下游压力传感器18、控制台12和压差计16，压差计16设置在阀门a1与阀门b2之间，压差计16上设置有温度传感器19，上游压力传感器17与上游压力室21连通，下游压力传感器18与下游压力室22连通，上游压力传感器17、下游压力传感器18和温度传感器19均与控制台12连接，阀门g7和连通阀8的连接点与连通阀8与控速阀A9的连接点之间设置有控速阀B11。

该装置与同类常规装置的最大不同在于：上、下游压力室分别由两个体积不同，并且体积可变的活塞式容器组成；连接岩心挟持器上、下游的平衡阀直接连接在两个体积较大的上、下游压力缓冲室上。这样做得到的数据点的随机波动对计算的影响更小，能够满足测试误差的要求；再者，上、下游压力室都选用两个最大体积相差一个数量级的压力室串联而成，测试初期连接上缓冲压力室可以观察压力的变化判断岩心两端是否连通又不至于使得施加的脉冲压力衰减太快，测试阶段断开缓冲室可以提高测试压差的分辨率同时加快脉冲压力的衰减快速得到所需数据，计算出所需的斜率S和I，同类常规装置得到的数据点会受到岩心非均质性的影响，部分数据点偏离真实的斜率S，人为得去选择数据点的集合会得到不同的斜率，增加了测试的主观性；平衡阀的特殊设计也是为了能够使得两个串联的压力室在一次测量中同时作用，同时由于平衡阀的特殊位置以及施加脉冲压力的特殊方式，平衡阀开启和关闭所造成的管线体积的变化不会影响测试结果的计算。

此外，该装置还需要数块中空的标准钢岩心，中空体积已知且各不相同，用于每块岩心测试前标定上下游体积的精确值。由于测试系统所采用的是氮气，氮气的纯度对测试结果的解释也有影响，因此，整个测试装置安装于带有手窗的可视玻璃柜中。更换岩心柱的过程需要将玻璃柜内空气完全置换为氮气后，保持玻璃柜内氮气为微正压下操作，岩心更换成功后再排放玻璃柜中的氮气。

在测试前根据岩心的渗透率数量级，首先要调整上下游压力室的体积，要确保缓冲室与压力室的体积比在一个数量级左右，并且上下游压力室的体积要大致相等。然后选择合适的压差计膜片。

在测试前还需要将整个装置完全置换为测试介质，氮气。岩心夹持器装入一块中空钢岩心，测试装置连接好，关闭阀门g7，打开其余所有阀门，将真空泵连接在放空阀10后，将系统抽至负压。关闭放空阀b2，打开阀门g7，气瓶中氮气自然充满整个系统。重复此过程3次以上，确保整个系统空气完全被氮气代替。

整个系统被氮气充满后就需要对各部分的体积进行标定，只需要标定上游压力室以及下游压力室之间各段的管线以及附带设备的体积。标定步骤如下：

置换的最后一次将系统内氮气充到一定压力后关闭阀门c3和d4，其余阀门全部打来。

需要标定的体积分为四个部分：1)阀门c3至阀门a1之间的容器以及所有管线，包括压差计与上游连通的管线在内，记为V₁。2)阀门a1至岩心挟持器端口部分，记为V₁₁。3)阀门d4至阀门b2之间的压力室以及所有管线，包括压差计与下游连通的管线在内，记为V₂。4)阀门a1至岩心挟持器端口部分，记为V₂₂。公式1中的V_u和V_d是由以上四个部分的体积组成的：

V_u＝V₁+V₁₁   (7)

V_d＝V₂+V₂₂   (8)

基于波义尔定律对这四个部分进行标定。关闭阀门c3和d4的状态下，打开阀门b2，关闭阀门a1后读取压力表PIC2的压力值，记为p¹。然后打开阀门c3到放空阀之间的所有阀门，稳定后关闭阀门c3，读取压力表PIC1的压力值，记为p_a。最后打开阀门a1，稳定后读取压力表PIC2的压力值(稳定后压力表PIC1的压力值应与PIC2相同)，记为p²。上述步骤即完成一组实验数据。更换另外一块标准中空钢岩心后重复上述操作，记录下一组数据，得到3组以上数据。根据质量守恒原理有以下关系式：

$>\left(\frac{p^1+p_{\mathrm{atm}}}{z_1}\right)(V_{11}+V_2+V_{22}+V_{H_i})+V_1\left(\frac{p_a+p_{\mathrm{atm}}}{z_a}\right)=(V_1+V_{11}+V_2+V_{22}+V_{H_i})\left(\frac{p^2+p_{\mathrm{atm}}}{z_{2\left(9\right)}}\right)$>

其中，压力下标atm代表大气压，压力上标代表开关阀门a1前后的压力室内氮气压力，z为当前状态下氮气的压缩因子。对式8进行如下变形：

$>V_{H_i}=V_1\left[\frac{\frac{p^2+p_{\mathrm{atm}}}{z_2}-\frac{p_a+p_{\mathrm{atm}}}{z_a}}{\frac{p^1+p_{\mathrm{atm}}}{z_1}-\frac{p^2+p_{\mathrm{atm}}}{z_2}}\right]-(V_{11}+V_2+V_{22})---\left(10\right)$>

拟合V_Hi和中括号内无量纲量之间的关系得到斜率和截距，斜率即为V₁，截距为(V₁₁+V₂+V₂₂)。反方向重复上述操作步骤即可拟合得到V₂以及(V₁+V₁₁+V₂₂)。完成上述操作步骤后，更换实心钢岩心，分别在阀门c3至钢岩心前端以及阀门d4至钢岩心后端进行上述类似实验操作，拟合数据可以进一步得到V₁₁和V₂₂。这样就完成了实验开始之前的所有准备工作。

一种岩石渗透率、孔隙度及压缩系数的实时测量方法，它包括以下步骤：

S1、先按照系统置换氮气的过程将岩心内的流体置换为氮气，将系统内压力施加到设计值p_m1，然后关闭阀门g7、连通阀8、控速阀B和放空阀10，其余所有阀门全部打开；

S2、全开控速阀B11后，打开放空阀10，下游压力室22和下游缓冲室24内的压力下降，压差计16读数快速增大，当观察到压差计16的读数接近最大量程时，关小控速阀B11，当压差计达到满量程后关死控速阀B11，上游压力比下游压力大，上游氮气通过岩心流入下游压力室；

S3、控制台12上的计算机通过数据采集卡得到上游压力室21压力值p₁与下游压力室22压力值p₂和压差计16上读数△p；同时观察p_m(p_m＝0.5*△p+p₂)随时间的变化，直到p_m趋于稳定后关闭阀门c3和阀门d4；

S4、计算机采集卡采集压差△p、上游压力p₁、下游压力p₂、温度T随时间的实时变化数据，拟合无因次变量与时间的半对数关系：可以得到计算所需的斜率S和I，步骤S1-S4即为一个正向脉冲测试过程；

S5、打开阀门e5、阀门f6、阀门g7和连通阀8，将缓冲室压力再次加到上一次的实验测定值p_m1；在相等内压下反方向(即一个反向脉冲测试过程)重复步骤S1-S4；

S6、步骤S5结束后调整系统内压到测试方案设定值p_m2、p_m3、p_m4等，再重复步骤S1-S5。等步长降(或升)内压设计实验方案，步长大小以及内压的升或降可根据实际的模拟需求选定。

S7、一种渗透率、孔隙度、压缩系数同时计算的方法，它的计算步骤如下：

S7(1)、根据公式1计算每个内压p_m下的渗透率，得到渗透率随内压变化的关系曲线；

S7(2)、参照测试岩心类型估计压缩系数c_pv的初值c_pv11＝c_pv21＝c_pv31＝…＝c_pvn1；内压p_m1下的初值为c_pv11，内压p_mn下的初值为c_pvn1；第二个数字代表计算次数；S7(3)、根据公式2计算每一个内压p_m下的孔隙体积V_p，得到V_p11、V_p21、V_p31…V_pn1；

S7(4)、绘制出孔隙体积V_p11、V_p21、V_p31…V_pn1随p_m1、p_m2、p_m3…p_mn的变化关系图，拟合得到V_p＝f(p_m)的数学表达式，代入公式6即可得到压缩系数c_pv12、c_pv22、c_pv32…c_pvn2；

S7(5)、重复步骤S3、S4；直到误差δ＝Σ|(V_pi1-V_pi2)/V_pi1|满足实验方案设计精度要求为止；输出对应的孔隙体积与压缩系数；

S7(6)、根据公式3计算孔隙度，输出对应的压缩系数和孔隙度及其随内压的变化关系曲线。