使用三轴压力离心机设备测试石油物理性质

摘要

一种用于测试样品的性质的系统，所述系统包括测试单元。该测试单元包括单元外壳，该单元外壳具有第一端件、第二端件、以及在第一端件与第二端件之间延伸的至少一个壁。单元外壳限定包围单元的内部区域的压力边界。测试单元还包括设置在压力边界内的样品腔室、第一贮存器和第二贮存器。样品腔室限定内部区域。第一贮存器以流体连通的方式连接到样品腔室的内部区域。第二贮存器以流体连通的方式连接到样品腔室的内部区域。测试腔室还具有活塞组件，该活塞组件具有活塞流体腔室和活塞，该活塞具有延伸到活塞流体腔室中的杆。活塞部分地限定样品腔室。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年4月24日提交的美国专利申请第16/393,059号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于使用三轴压力离心机系统测试石油物理性质的系统和方法。

背景技术

三轴测试可以用于测量地下地层的机械性质。例如，在三轴剪切测试中，应力被施加到来自地下地层的样品，且沿着一个轴线的应力不同于垂直方向上的应力。在测试设备中施加不同的压缩应力导致在样品中产生剪切应力，且载荷增加并监测挠曲直到样品失效。在测试期间可以测量流体(例如，水或油)的孔隙压力和样品中的其他性质。

发明内容

本说明书中描述的系统和方法能够在一个单独的系统上执行各种测试，以测量和感测岩石物理、流体相行为、地层损害，并且增强估计储层容量和烃开采所需的采油数据。该系统可以测量电气性质以校准电测井、流体饱和度和阿尔奇参数，施加1000磅/平方英寸(psi)以上的毛细管压力，以执行流体润湿性测试，测量用于动态机械性质的声速，执行用于饱和度分布的x射线，执行储层流体可压缩性，以及确定流体性质(静态、动态、物理和组成)的变化。相同的系统能够在应用现场观察到的三轴条件的同时执行这些测量和测试。

用于测试样品的性质的一些系统包括：测试单元，所述测试单元包括：单元外壳，所述单元外壳包括第一端件、第二端件和在第一端件和第二端件之间延伸的圆筒形本体，单元外壳包围测试单元的内部区域；具有杆和头部的活塞，活塞的头部与测试单元的圆筒形本体的内部表面密封接合，其中活塞的头部和第一端件至少部分地限定样品腔室；内部通道，所述内部通道延伸穿过活塞的杆，所述内部通道延伸到样品腔室；和导管，所述导管附接内部通道，所述导管从活塞的杆延伸穿过第二端件。这些系统的实施例可以包括以下特征中的一个或更多个。

在一些实施例中，活塞是活塞组件的一部分，活塞组件还包括被限定在第二端件中的活塞流体腔室。在一些情况下，导管延伸穿过活塞流体腔室。

在一些实施例中，样品腔室由活塞的头部、第一端件和测试单元的圆筒形本体限定。在一些情况下，该系统包括由第一端件限定的孔隙流体通道，该孔隙流体通道从样品腔室延伸穿过单元外壳。

在一些实施例中，样品腔室由活塞头部、第一端件和平行于测试单元的圆筒形本体的圆筒形护套限定，所述圆筒形护套在活塞的头部和第一端件之间延伸。在一些情况下，系统包括从内部区域的在样品腔室外部的一部分延伸穿过单元外壳的过载流体供应管路。

在一些实施例中，第一端件的暴露于样品腔室的表面是平坦的。

在一些实施例中，系统包括实现神经网络的一个或更多个处理单元。在一些情况下，该系统包括与样品腔室相邻地结合在第一端件中的电探头，该电探头与神经网络通信。在一些情况下，系统包括结合在第二端件中的第一声学传感器，所述第一声学传感器与神经网络通信。在一些情况下，系统包括结合在在第一端件中的第二声学传感器，所述第二声学传感器与神经网络通信。

用于在离心机设备中测试样品的方法包括：在测试单元的活塞头部与测试单元的端件接触的情况下，使测试单元达到测试压力和测试温度；在活塞头部和测试单元的端件之间引入被测试的流体样品；使流体样品平衡；对流体样品执行至少一种速度测试；以及将从与测试单元或离心机设备相关联的传感器采集的声学数据、电气数据和x射线数据馈送到神经网络。这些方法的实施例可以包括以下特征中的一个或更多个。

在一些实施例中，该方法包括使用神经网络来评估样品是否可接受。在某些情况下，方法包括在所述样品不可接受的情况下，丢弃所述样品。在某些情况下，使用神经网络来确定样品是否不可接受。

在一些实施例中，使测试单元达到测试压力包括将惰性流体注入到测试单元中。

在一些实施例中，该方法包括改变测试参数并在改变的测试参数下对样品执行至少一种速度测试。在一些情况下，改变测试参数包括改变测试压力、改变测试温度、抽取流体样品并进行成分分析、以及更改测试流体中的至少一个。

在一些实施例中，该方法包括将系统温度降低到环境条件，同时保持系统压力恒定。在某些情况下，方法包括将系统压力降低到环境条件。

在一些实施例中，该方法包括在使测试单元达到测试压力和测试温度之前，在测试单元的活塞头部与测试单元的端件接触的情况下，用过载流体填充测试单元。在一些情况下，在测试单元的活塞头部和端件之间引入被测试的流体样品包括在测试单元的活塞头部和端件之间引入水泥样品。在一些情况下，方法包括将水注入测试单元的活塞头部和端件之间的空间。在某些情况下，方法包括使水泥样品凝固和固化。在某些情况下，方法包括在水泥样品凝固和固化之后测量和移除游离水。在某些情况下，方法包括对样品执行至少一种测试。在某些情况下，方法包括改变测试参数并在改变的测试参数下对样品执行至少一种测试。

此外，该系统可以在三轴储层条件下，利用储层孔隙压力对储集岩进行地层损害研究，并且可以施加受控的毛细管压力。该系统还可以包含对地层岩石和流体具有腐蚀性和/或反应性的材料。

这些系统和方法中的一些可以用于执行水泥测试，以评估在储层中使用的水泥的性质。性质可以是例如增稠时间、游离水、胶结、凝固时间、声速、电气性质和机械强度。在存在储层流体和储集岩的情况下，这些测试可以在储层温度、压力和孔隙压力下进行。该仪器还可以测量水泥在三轴和孔隙压力条件下在水泥寿命周期的各个阶段的流动性质。

这些系统和方法中的一些可以用于在三轴和孔隙压力条件下利用储层材料(砂、岩石、流体)研究气体水合物的形成、分解和产生，以及研究储层材料在毛细管压力条件下的流动性质。

这些系统和方法中的一些可以用于在毛细管压力应力状态下评估非常规储层(致密含气砂岩、页岩、源岩等)在该储层中遇到的三轴和孔隙压力条件下的岩石物理性质。另外，该系统可以提供模拟非常规致密储层的开采所需的压裂和支撑剂注入测试的能力。

在附图和以下描述中阐述了这些系统和方法的一个或更多个实施例的细节。这些系统和方法的其它特征、目的和优点将从说明书和附图以及从权利要求书中变得显而易见。

附图说明

图1是用于使用离心机进行样品三轴测试的系统的示意性立体图。

图2是测试单元的示意性横截面图。

图3是图1的离心机设备的一部分的示意性仰视图。

图4是图1的离心机设备的盖子的示意图。

图5是用于执行岩心分析测试的方法的流程图。

图6是测试单元的示意性横截面图。

图7是用于执行相行为测试的方法的流程图。

图8是测试单元的示意性横截面图。

图9是用于执行水泥测试的方法的流程图。

在各个附图中相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

本说明书描述了可以重建地质样品上的储层条件的系统和方法。这些系统和方法可以用于在储层开采期间遇到的毛细管压力下生成储层温度、储层围压、储层轴向应力和储层孔隙压力。这些系统和方法也可以用于收集样品的流动性质、压力性质、温度性质、x射线性质、声学性质、电气性质和尺寸性质。通过这些系统可以执行各种测试，包括例如单速流动测试、多速流动测试、单速毛细管测试、多速毛细管测试、电气性质测试、声速测试、水泥胶结测试和气体泄漏测试。这些系统和方法还可以用于在测试期间通过使用人工智能技术来分析所生成的数据。

图1示出了用于测试布置在系统100内的样品的石油物理性质和收集所述样品的地质力学信息的系统100。系统100包括离心机设备102和计算机系统103。离心机设备102包括离心机104和x射线装置106。离心机设备102具有转子108和桶110。这种构造可以通过以给定的每分钟转数(rpm)旋转样品来提供高的毛细管压力。离心机设备102的桶110具有第一桶窗体112和第二桶窗体114。离心机设备102的盖子116具有与桶窗体112、114对准的两个盖子窗体118、120，以用于x射线扫描和视觉扫描。

计算机系统103与离心机设备102的部件通信。计算机系统103可以用于控制离心机设备的操作，并且接收、处理和存储由离心机设备102生成的数据。在系统100中，计算机系统103用于实现神经网络115，所述神经网络115评估和处理使用离心机系统正在执行的测试。神经网络的实施方式的一个示例在2018年9月14日提交的美国专利申请第16/131,341号(“Inferring Petrophysical Properties of Hydrocarbon Reservoirs Using aNeural Network”)中详细描述。在系统100中，计算机系统103与离心机设备102分离。在一些系统中，计算机系统103被并入离心机设备102中。

系统100具有四个凹部122，每个凹部的尺寸都适于接纳测试单元。在系统100中，凹部122位于离心机设备102的转子108中。在一些实施例中，离心机设备可具有多于四个凹部或少于四个凹部。放置在离心机设备102中的三轴单元的数量基于特定的测试参数。在一些实施方式中，离心机设备102是可从Hettich商购获得的Roto-Salina离心机，该离心机被构造成提供大于20,000rpm。

视觉扫描由包括视觉照相机光源126和视觉照相机128的流体照相机系统124执行。视觉照相机光源126可以是闪光灯，并且视觉照相机128可以是高速照相机以在测试进行时捕获图像。流体照相机系统124被设计成在透射和反射模式下都工作。视觉照相机光源126和视觉照相机128可以安装在测试样品的相反侧(例如，顶部和底部)或同一侧(例如，顶部)上，并且使用桶110中的反射镜机构来捕获图像。在对桶100进行有限访问的情况下，可以使用反射镜机构。在系统100中，视觉照相机光源126安装在离心机设备102的盖子116上方，并且视觉照相机128安装在桶110下方。使用这种流体照相机系统124允许在流体体积被生产时读取所述流体体积。

x射线装置106包括x射线源130和x射线照相机132。x射线装置106对由转子108中的凹部122所接纳的测试单元134进行成像。x射线照相机132在离心机设备102的盖子116上布置在第一盖子窗体118上方。

所收集的数据可以包括例如声学、温度、电性、x射线、饱和度、流体体积、流体体积的速率和饱和度变化。测试进展的最终综合图像可以与测井图和地震数据结合，以用于监测和评估现场处理的有效性。可以使用温度传感器来监测温度，并且可以利用x射线装置106来监测饱和度变化。可以为测井图不可用或测井图不能代表地震数据、声学数据、电气数据和饱和度数据的组合以及井测试信息的井生成电气数据。

可以利用离心机设备102在三轴、约束和无约束应力条件下进行离心式毛细管压力测试。在一些实施例中，可以对油/气/水系统施加超过20,000磅/平方英寸(psi)的毛细管压力。要被测试的毛细管压力的范围将取决于储层的类型。例如，对于未固结砂储层，毛细管压力可以在0.1psi至100psi的范围内；对于常规储层，毛细管压力可以在1psi至134psi；以及对于非常规储层(如页岩和致密气砂(TGS))，毛细管压力可以为100psi-100,000psi。应当注意，在毛细管压力超过30,000psi的情况下，样品完整性可能是个问题。在许多这样的情况下，可以通过增加三轴应力来形成应变措施。测试可以被执行为岩石样品上的空气/水、空气/油、水/油进行，并且在有限的情况下，可以被执行为岩石样品上的所有三相(空气/油/水)。一些系统允许在20,000psi和更高的毛细管压力下从储层岩心样品提取流体。在一些实施例中，通过增加马达速度、通过增加桶110的尺寸、通过增加测试样品与离心机设备102的中心之间的距离、和/或通过改变样品尺寸和取向，获得高于20,000psi的毛细管压力。在一些实施例中，测试样品以垂直取向被装载在离心机设备102中。在其它实施例中，测试样品以水平取向被装载在离心机设备102中。一些测试样品的直径为约0.5英寸至约8英寸，长度为约0.5英寸至约12英寸。

图2示出了具有包含样品保持器138的外壳136的测试单元134。外壳136包括第一端件(基部140)、第二端件(端盖142)、在基部140和端盖142之间延伸的本体144、至少一个电传感器146、以及至少一个声学传感器148。

样品保持器138被构造成保持测试样品150，例如来自储层的实心岩心。样品保持器138包括活塞组件152和在活塞组件152与外壳136的基部140之间延伸的护套(例如，电气测量护套154)。通常，用于活塞组件152和基部140的与样品相邻的部分的材料应该是x射线可穿透的，并且具有最小的电导或没有电导，并且可以是例如(可从Solvay Plastics获得的)聚酰胺-酰亚胺

基部140具有接合样品150的第二端部的端面，该第二端部与样品150的第一端部相反。样品150被容纳在活塞构件156的端面与基部140的端面之间。当流体通过轴向压力流体供应管路166被添加到活塞流体腔室158时，活塞构件156的端面将轴向力施加在样品150的第一端部上，从而在样品150中引起轴向应力。活塞组件152的端面和基部140的端面可以被涂覆有诸如特氟隆

在一些实施例中，样品保持器138包括电气测量护套154。电气测量护套154是不可渗透的、弹性体的、橡胶的或聚氨酯的护套，并且可以由例如(可从DuPont获得)的氟橡胶

电气测量护套154配备有护套传感器164，以提供测试样品的电气特性和饱和度分布数据的额外测量。电气测量护套154通过在护套制作的硫化过程期间结合护套传感器164而制成。护套传感器164的类型、传感器的数量及其位置基于样品尺寸和样品性质，诸如所述样品的矿物组成和均匀性。可以增加和分配电气测量护套154中的护套传感器164的数量，以使得对样品150执行各种电气测量，并且所收集的电气测量值可以提供电气图像。由护套传感器164收集的数据可以通过导线168传输到处理单元170。这种类型的数据采集对于具有分层、不连接的孔隙结构、裂缝、油母质浓度和其它样品异常的异质样品是非常有价值的。来自多个护套传感器164的数据可以用于测量样品150上的电阻，并且产生岩石岩性和地质的图像。

在一些实施例中，系统100包括与基部140相关联的电测量馈线180。基部140设计有电绝缘材料，并且所述材料被嵌入有用于执行2个或4个电极电导率和电阻率测量的电极(电传感器146)。电测量馈线180连接到基部140的电极(电传感器146)，以将信号传递到处理单元170，用于从自然状态样品收集关于储层盐度信息的数据，这将允许更好的储量估计。在某些实施例中，电测量馈线180可以利用小型电池操作的装置(未示出)提供电流并测量电压，该小型电池操作的装置可以安装在离心机设备102(图1)的转子108上并连接到测试单元134。

在测试期间可以进行各种电测量。例如，在一些实施例中，样品150的电分析包括测量测试样品的电阻、电导率、电容或阻抗中的至少一个。在一些实施例中，样品150的电分析包括测量作为输入电流的可变频率的函数的电导、电阻或阻抗中的至少一个。在一些实施例中，外壳136的端盖142被设计成使得该端盖142与外壳136的其余部分隔离并且用作电极。外壳136的本体144可以用作接地，以在测试期间测量样品150的电特性。在测试期间可以以各种方式进行电测量。在一种方法中，在每个毛细管压力平衡步骤中停止离心机设备102，从离心机设备102中取出测试单元134，并且测量测试单元134中的样品的电特性。基于测试设计，可能需要额外的平衡步骤。在一些实施例中，可以有2个至15个平衡步骤，并且可以在每个步骤执行测量。在另一种方法中，处理单元170包括电池操作的电测量装置，该电测量装置具有采集时域数据的能力，该时域数据可以在测试结束时被下载。第二种方法的优点在于该方法提供了连续的测量且不需要停止离心机设备102，并且还提供了毛细管压力平衡阶段之间的传输数据。系统100包括另一个处理单元170，该另一个处理单元170可操作以在样品的测试期间采集数据并存储数据以供稍后下载。在一些实施例中，数据被实时下载。在样品150上收集的电气数据可以在收集其它数据的同时被收集，或者在与其它数据的顺序步骤中被收集。在一些实施例中，电传感器146测量接触外壳136的表面的流体的电特性。

测试单元134被图示为具有多个处理单元170。在系统100中，计算机系统103和相关的神经网络115与测试单元134中的两个处理单元170通信。一些测试单元具有单个处理单元。处理单元可以被结合到测试单元134中或位于测试单元134外部。例如，在一些系统中，计算机系统103和相关的神经网络115提供处理单元170的功能，并且与测试单元的传感器和阀直接通信。

如前所述，外壳136包括基部140、端盖142和在基部140与端盖142之间延伸的本体144。本体144是具有内孔172的大致圆筒形构件。基部140和端盖142被栓接到外壳136的本体144。外壳密封件174限制内孔172的内表面与端盖142的直径减小部分的外表面之间的流体流动。

当被组装时，基部140、端盖142和本体144限定了单元腔室176。围压流体供应管路178将流体输送到单元腔室176，以便将双轴应力施加在样品150上。

在一些实施例中，外壳136由钛制成。钛允许在测试进行时进行x射线扫描。在其它实施例中，外壳136由聚酰胺-酰亚胺

声学传感器148可以各自是具有P波分量和S波分量的声学传感器。声学传感器148可以是能够发送和接收信息的双模式换能器。在一些实施例中，声学传感器148位于端盖142上或端盖142中。在一些实施例中，端盖142与样品保持器138的本体144隔离，以使得可以使用端盖142中的电传感器146和样品保持器138的本体144作为接地来测量电特性。在这种实施例中，端盖142的电传感器146可以通过引线将电信息提供给处理单元170。

基部140中的声学传感器148提供两个功能。该声学传感器148提供了试样和两个流体腔室之间的通过传输，以在传输模式时提供总体质量评估。在反射模式中，顶部声学传感器和底部声学传感器两者都提供每个流体容器内的特定变化，从而提供流体腔室内各种流体的分离的指示。孔隙压力流体对其上的压力敏感，这是因为由于压力变化会产生固体或气体，并且可能在流体腔室内导致各种流体层。声学传感器将有助于理解每个腔室中的流体行为，仅使用流体腔室的x射线扫描可能不能清楚地观察到该流体行为。该功能在施加孔隙压力的系统中是重要的，但与不向样品施加孔隙压力的系统无关。当没有孔隙压力时，没有流体特性变动作为流体压力的函数，因此不需要底部声学传感器。

在测试期间可以进行各种声学测量，包括声速数据。在一些实施例中，声学传感器148可以收集纵波、剪切波和/或斯通利波数据。所收集的声学数据可以通过导线被传递到处理单元170，并且针对时域和频域两者进行分析。由于一个换能器可以包含纵向波和剪切波的晶体，所以同一声学传感器可以收集各种波形。在优选实施例中，声学传感器148是具有安装在外壳136的端盖142上的纵波分量和剪切波分量的换能器。在一些实施例中，声学传感器148是双模式换能器，并且以反射模式工作以发送和接收声波。在一些实施例中，系统100可操作以测量样品150的声速以及基部140中的各种流体的速度。在测试开始之前并且一旦测试结束，同一声学传感器可以利用声学传感器148的适当校准来执行所有期望的测量，这取决于测试期间所使用的岩石样品性质和流体。在基部140中的流体的声速可以用于分析诸如颗粒、沥青质等的固体粒子的产生和存在。通常，应当特别注意确保声学传感器148和相关部件不干扰电测量。在样品150上收集的声数据可以与其它数据一起被同时收集，或者在与其它数据顺序的步骤中被收集。

外壳136的基部140包括限定在基部140中的第一贮存器182。外壳136的端盖142包括限定在端盖142中的第二贮存器184。根据测试类型，第一贮存器182和第二贮存器184可以保持流体，例如来自样品150的流体样品，或者将被注入到样品150中的流体，例如用于EOR的溶剂、酸或化学制品。第一贮存器182和第二贮存器184的壁具有中性润湿性。中性润湿性有助于快速且以明显对比分离空气、水和烃流体。在一些测试中，第一贮存器182容纳第一流体183，并且第二贮存器184保持第二流体185。流体可以具有不同的密度。例如，第一流体183可以比第二流体185更稠密，以抵消两种流体的密度变化的影响，并模拟在测试样品的加载期间的重力变化。

如前所述，基部140和端盖142由提供低x射线干扰的材料制成。这种设计限制了当x射线装置106对第一贮存器182和第二贮存器184内的流体进行成像时的干扰。

样品管路186提供样品保持器138与第一贮存器182之间的流体连通。孔隙流体循环系统188还将第一贮存器182和第二贮存器184与样品保持器138连接。孔隙流体循环系统188包括访问管路190和由多个阀194连接并控制的多个循环管路192。孔隙流体循环系统188和贮存器的构造允许将不同的压力施加到第一贮存器182、第二贮存器184和单元腔室176。实际上，外壳136是第一压力边界。第一贮存器182和第二贮存器184分别是位于第一压力边界内的第二压力边界和第三压力边界。在测试单元134中，第一贮存器182布置在外壳136的基部140附近，并且第二贮存器184布置在外壳136的端盖142附近。将贮存器和样品150放置在外壳136内允许施加在测试单元134内的三轴压力被施加到第一贮存器182、第二贮存器184和样品150。第二压力边界和第三压力边界允许独立于过载压力控制孔隙压力。通过离心机设备102施加独立的孔隙压力、过载压力和三轴压力允许该系统比缺乏这种功能的系统能够更精确地模拟储层条件。第一贮存器182和第二贮存器184内的压力可独立控制，并且保持低于由单元腔室176中的流体施加的三轴压力。

测试单元134可以用于执行实验研究，包括：各种孔径(大/微/纳米)之间的产生机制；了解大-微孔隙之间的渗吸/排出基础产物；两相和三相相对渗透率；两相和三相毛细管压力；化学驱EOR；润湿性改变研究和润湿性改变材料的有效性；酸化流动测试和有效性作为毛细管压力和注入波及效率的函数；在毛细管压力与流量的关系下，残油产量和水交替气体(WAG)的波及效率；杨氏模量、泊松比和破坏包络的机械性质测试；作为温度和/或压力和/或组成的函数的水合物形成、离解和生产(流动)机制；来自完整测试样品的煤层甲烷研究在相同设置内未能获得残余气体；与由于注入流体、开采流体、滤液、应力变化和温度变化引起的损坏有关的地层损坏研究；增强具有混相流体、非混相驱替液、对储层流体有反应性的流体、对储集岩有反应性的流体及其任何组合的油驱；支撑剂强度、支撑剂注入和在储层内的嵌入；支撑剂与储层流体的相互作用和储层流体对支撑剂完整性的影响；支撑剂裂缝孔隙保持能力及其作为应力和流体组成的函数的变化；支撑剂回流特性、裂缝闭合和对储层生产的相关影响；非常规页岩、致密气砂和焦油砂研究；由于生产、应力变化和流体组成变化的精细运移；作为组成和压降的函数的冷凝物流动测试；冷凝物润湿性和润湿性变化研究；低电阻率生产层测试以用于理解地层盐水盐度及其作为大孔隙、微孔隙和纳米孔隙中的孔隙流体的函数的影响。

图3是具有桶窗体112的桶110的立体图。在一些实施例中，桶窗体112由诸如玻璃的透明材料制成。如图1所示，桶窗体112布置在桶110上以与x射线源130对准。

图4是具有第一盖子窗体118和第二盖子窗体120的盖子116的立体图。第一盖子窗体118与桶窗体112相反，并与图1所示的x射线装置106对准。第二盖子窗体120被布置成与图1所示的视觉照相机光源126对准。第三盖子窗体被布置成与图1所示的视觉照相机128对准。

图5是用于在升高的孔隙流体压力下对样品进行岩心分析测试的方法200的流程图。岩心分析测试包括例如渗透性、溶剂清洁、饱和度和毛细管压力测试。方法200可以使用图2所示的测试单元134和图1所示的离心机设备102来执行。为了使用系统100，样品150被装入在测试单元134中(步骤202)。装入开始于将样品150放置在电气测量护套154中。测试单元的本体144放置在基部140上被栓接到位。然后，样品150和电气测量护套154被固定在基部140的端件上。当具有样品150的护套154安装在基部140上时，O形环163提供密封，因此当注入受压流体时，护套154被压靠在基部140和密封件161上。这产生了限制受压流体进入护套154内的样品150的密封。端盖142安装在本体144的顶部上，并被栓接到位，从而形成内部具有样品150和电气测量护套154的单元腔室176。然后，测试单元134被置于离心机设备中。

使用活塞组件152将轴向应力(也被称为轴向压力)施加到样品(步骤204)。轴向应力由通过阀194

如果样品150是可接受的，则将过载应力(也被称为过载压力)施加到样品150(步骤206)。离心机系统利用通过阀194

可选地，可以以小于过载应力水平的水平将孔隙压力施加到样品150(步骤208)。可以通过阀194

在建立这些初始条件之后，在保持孔隙压力小于过载压力且过载压力小于轴向压力的同时，增加轴向压力、过载压力和孔隙压力以测试压力条件(步骤210)。如果过载压力变得高于轴向活塞压力，则该压力关系是重要的，这将导致轴向活塞缩回到活塞腔室中，从而在样品150和活塞162之间产生间隙。这将导致护套154失效，并且使过载油侵入样品150，因此轴向压力必须高于过载压力。如果孔隙压力增大到高于过载应力，则这将导致护套154膨胀，并且密封件161和163失效，从而导致孔隙流体泄漏到单元组件中，并与过载流体混合，从而导致测试失效。从声学传感器148、电传感器146和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。神经网络115评估样品150，并且如果需要的话更换该样品。

在达到测试压力条件之后，在保持孔隙压力小于过载压力且过载压力小于轴向压力的同时，测试单元134中的温度被升高到测试温度(步骤212)。从声学传感器148、电传感器146和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。神经网络115评估样品150，并且如果需要的话更换该样品。

在建立了测试压力和温度条件之后，执行一个或更多个岩心分析测试(例如，流动测试、毛细管压力测试、电气性质测试和声速测试)(步骤214)。样品150中的孔隙压力可以由第一贮存器182和第二贮存器184中的流体压力控制。双贮存器方法允许至少部分地基于第一贮存器182和第二贮存器184中的测试流体的压力独立控制孔隙压力。双贮存器方法还允许将两种不同的测试流体施加到样品150，并且允许从一个贮存器施加一种测试流体的同时从样品150冲洗的流体被收集在另一个贮存器中。

两个贮存器182、184在测试单元的压力边界内的位置使两个贮存器182、184保持在压力下，这使得流体183、185能够是具有在压力和温度下被溶解的气体的两种不同流体。例如，一种流体可以是具有溶解气体的地层水，而另一种流体可以是具有溶解气体的地层油。溶解气体仅由于升高的压力而保持可溶于液相中。两种流体可以都是液体、都是气体，或者一种是液体而一种是气体。

在执行测试期间和测试之后，从声学传感器148、电传感器146和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115(步骤216)。神经网络115评估样品150，并且如果需要的话更换该样品。

如果样品仍然完整，则可以进行其它测试，或者在不同条件下进行相同的测试。例如，可以改变压力条件，可以改变温度，可以改变孔隙流体，或者可以应用这些改变的组合(步骤218)。

在测试完成之后，离心机设备102返回到用户可以移除样品150并添加新样品的状态。离心机设备102将样品的温度降低到环境条件，同时保持孔隙压力小于过载压力且过载压力小于轴向压力(步骤220)。从声学传感器148、电传感器146和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。孔隙压力、轴向压力和过载压力降低到大气条件，同时保持孔隙压力小于过载压力且过载压力小于轴向压力，直到各压力顺序地达到大气条件为止(步骤222)。从声学传感器148、电传感器146和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115(步骤224)。

方法200被描述为结合实现神经网络115的计算机系统103来实现。尽管数据通信和样品条件评估被描述为在每个步骤之后执行，但是这是可选的。一些方法利用较不频繁的数据通信和样品条件评估来实现。此外，方法200还可以结合不包括神经网络的常规控制和数据采集计算机系统来执行。在没有神经网络的情况下，必须手动地执行样品条件的自动化监测和评估。

图6示出了可以用于测试样品的相行为的测试单元300。与一些测试单元不同，测试单元300可以被离心分离，这使得能够分离

测试单元300包括外壳310，该外壳包括第一端件(基部312)、第二端件(端盖314)、在基部312与端盖314之间延伸的本体316、至少一个电传感器318、至少一个声学传感器320和活塞组件322。本体316是具有内孔的大致圆筒形构件。基部312和端盖314被栓接到外壳310的本体316。外壳310可以由诸如钛、聚酰胺-酰亚胺

与测试单元134不同，测试单元300不包括独立的样品保持器。相反，测试单元300将样品保持在样品腔室324中，所述样品腔室被限定在基部312、本体316和活塞组件322之间。通常，用于活塞组件322和基部312的材料应该是x射线可穿透的，并且具有最小的电导或者没有电导，并且可以是例如(可从Solvay Plastics获得)聚酰胺-酰亚胺

活塞组件322包括活塞构件326和活塞流体腔室328。轴向压力流体供应管路330将流体供应到活塞流体腔室328。活塞构件326具有杆332和头部334。活塞流体腔室基部具有开口，活塞构件326的杆332延伸穿过该开口。活塞构件326的端面限定样品腔室324的一个端部。

第一样品325、第二样品327和第三样品329被容纳在活塞构件326的端面与基部312的端面之间。当流体通过轴向压力流体供应管路336被添加到活塞流体腔室328时，活塞构件156的端面将轴向力施加到第一样品325，从而在样品中引起轴向应力。活塞构件326的端面和基部312的端面可被涂覆有诸如特氟隆

活塞构件326的杆332限定延伸到样品腔室324的内部通道338。内部通道338附接到从杆332延伸穿过活塞流体腔室328和端盖314的导管339。导管339由柔性材料制成，以补偿活塞构件326在测试期间的移动。测试流体可以被供应到样品腔室324，或者可以通过内部通道338和导管339从样品腔室324抽取流体。

测试单元300还包括在外壳310的基部312中的两个电探头340、和两个声学传感器342(一个位于基部312中，一个位于端盖314中)。电探头340和声学传感器342可以大体上类似于相对于测试单元134描述的电探头和声学传感器。电探头340测量第一样品325、第二样品327和第三样品329的电气性质，并且声学传感器342测量第一样品325、第二样品327和第三样品329的声学性质。离心机设备102中的x射线装置106对第一样品325、第二样品327和第三样品329进行成像。

测试流体管路344延伸穿过基部312。测试流体可以被供应到样品腔室324，或者可以通过测试流体管路344从样品腔室324抽取流体。

三个密封件346设置在端盖314和本体316之间，以限制或防止流体在端盖314和本体316之间流动。这三个密封件在处理具有高气体含量的流体和可能损坏O形环(密封件)的腐蚀性成分时提供了额外的安全性。如果密封件(O形环)中的一个受损，则将在压力变化和x射线观察中都有指示。在其他密封件进行保持的同时，测试过程可以安全地被停止。

测试单元300可以用于执行实验研究，所述实验研究包括：气泡的饱和压力测试及应变点，利用离心力快速分离各种流体，以及利用x射线识别各种流体的相界和体积；作为温度和组成的函数的储层流体的压缩系数；作为温度和成分的函数的储层流体的压力体积关系；差动气体释放测试以及留在流体上的每一级的可压缩性；定容衰竭测试；用于可混溶流体和不可混溶流体的EOR研究的流体的重组；注入流体和产出流体与储层流体的流体-流体相容性；蜡出现温度预测和对蜡的数量进行定量；沥青质预测和沥青质的定量和分级，二者均在悬浮相和沉积相中；沥青质偏聚压力、沥青质聚结压力和沥青质沉积压力的确定；了解沥青质对利用盐水饱和岩心盘对声速和电气性质进行测量的影响；了解由于储层烃流体的组成变化而引起的、作为压降的函数的润湿性变化；研究作为温度和压力的函数的盐的结晶；研究作为温度、压力、气体组成和盐水盐度的函数的水合物形成和离解；了解水合物的起始、尺寸、数量和类型；研究作为温度、压力和组成的函数的乳液形成、数量和尺寸；以及冷凝物抗富集处理研究。

图7是用于执行相行为测试的方法400的流程图。方法400可以使用图1所示的离心机设备102和图6所示的测试单元300来进行。第一样品325、第二样品327和第三样品329被装入到测试单元300中(步骤402)。测试单元300的本体316被栓接到基部312上的适当位置。第三样品329被放置在本体316中，随后是第二样品327，然后是第一样品325。具有活塞组件322的端盖314放置在本体316上并被栓接在适当的位置。

在一些情况下，对由单一流体(例如，气体饱和流体)组成的样品执行测试。在这种方法中，活塞226与基部312接触，并且组装完整的单元300。在单元300被组装之后，通过管路336填充腔室328，并且所述腔室328被加压到测试流体的压力。首先，惰性流体(通常为气体)通过管路336被注入到测试单元300中，以将活塞与基部312略微分开(～1mm)。然后，加压测试流体通过管路344被注入到测试单元300中，以加载所需量的测试流体，同时移动活塞326并一直保持压力。一旦测试流体被装载，就通过管路336从测试单元300移除惰性流体。在一些情况下，样品329是固体样品。固体样品329首先被置于测试单元300中，并使活塞326与固体样品329接触。然后，如参照测试单个流体样品所解释的那样，加载其它测试流体。在测试单元300被置于离心机设备102的凹部122之一中之后，流体被供应到活塞流体腔室328以移动活塞头334接触第一测试样品325。

测试单元300的压力和温度被升高到测试条件(步骤404)。可以通过将惰性流体(例如，氮气)通过内部通道338和管道339、测试流体管路344或两者注入到样品腔室324中，同时增加活塞流体腔室328中的压力，来升高压力。

测试流体然后被引入到测试单元300中(步骤406)。测试流体可以通过内部通道338和导管339、测试流体管路344或两者被引入到样品腔室324中。测试流体的示例包括地层盐水、油、气；冷凝物；用于强化采油的化学制品；与用于压裂的支撑剂混合的流体或被开采或注入到储层中的其它流体。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。神经网络115评估第一样品325、第二样品327和第三样品329，并且如果需要的话更换这些样品。例如，声学传感器、电传感器和x射线传感器向神经网络提供关于测试腔室中的流体相的信息。如果接收到的信息与神经网络已经被训练的预定范围不匹配，则可以更换样品。例如，可以利用来自声学传感器的信息来计算(一个或更多个)样品的密度；可以利用来自电传感器的信息监测电阻率/电导率；并且可以基于来自x射线传感器的信息检测指示测试流体样品的失效的相分离或固体颗粒。

如果样品是可接受的，则测试流体被平衡期望的时间或参数(步骤408)。在平衡之后，从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。神经网络115评估第一样品325、第二样品327和第三样品329，并且如果需要的话更换这些样品。

如果样品在平衡后仍然是可接受的，则系统100执行单速测试、多速测试或两者(步骤410)。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。如果将要执行额外的测试，则至少改变测试参数(步骤412)。可以通过例如改变测试压力、改变测试温度、取出流体样品并执行成分分析、以及更改/改变测试流体来改变测试参数。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。神经网络115评估第一样品325、第二样品327和第三样品329，并且如果需要的话更换这些样品。

在测试完成之后，系统100转变到可以移除测试样品并且可以添加新样品的模式。系统温度被降低到环境温度，同时保持压力恒定(步骤414)。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。然后，压力被降低到环境压力(步骤416)。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。

方法700被描述为结合实现神经网络115的计算机系统103来实现。尽管数据通信和样品条件评估被描述为在每个步骤之后执行，但是这是可选的。一些方法利用较不频繁的数据通信和样品条件评估来实现。此外，方法200还可以结合不包括神经网络的常规控制和数据采集计算机系统来执行。在没有神经网络的情况下，必须手动地执行样品条件的自动化监测和评估。

图8示出了用于使用离心机设备102测试水泥凝固、固化和完整性的测试单元600。测试单元600以与测试单元300类似的方式被构造而成，但是用于测试在测试循环期间可以从流体形式变为固体形式的样品的性质。

测试单元600包括壳体610，所述壳体610包括第一端部(基部612)和第二端部(端盖614)。本体616从基部612延伸到端盖614。在壳体610中，基部612、端盖614和本体616是被栓接在一起的三个不同的部件。

测试单元600还包括具有活塞620和活塞流体腔室622的活塞组件618。本体616、基部612和端盖614限定活塞腔室624。轴向液压流体管路625延伸穿过端盖614，并且可以用于将液压流体供应到活塞流体腔室和从活塞流体腔室移除液压流体。

橡胶护套626在活塞腔室624内平行于本体616延伸。活塞620具有头部628和杆629，并且可在活塞腔室624内移动。活塞620的头部628的尺寸被设计成在橡胶护套626内移动。橡胶护套626和头部628之间的O形环产生流体密封，以限制或防止测试样品移动通过头部628。壳体610的基部612、头部628、橡胶护套626在活塞腔室624内限定样品腔630。

测试单元600包括被限定为延伸穿过基部612到达活塞腔室624的第一过载流体管路632、和被限定为延伸穿过端盖614到达活塞腔室624的第二过载流体管路634。活塞构件326的杆629限定延伸到样品腔室630的内部通道636。内部通道636附接至从杆629延伸穿过活塞流体腔室622和端盖614的导管638。导管638由柔性材料制成，以补偿活塞620在测试期间的移动。测试流体可以被供应到样品腔室630，或者可以通过内部通道636和导管638被从样品腔室630抽取流体。测试流体管路640延伸穿过基部612。测试流体可以被供应到样品腔室630，或者可以通过测试流体管路640从样品腔室630抽取流体。

在使用中，头部628接触水层602，并将(高达50,000psi的)压力施加在水层602上。水层602和水泥浆604在位于样品腔室630中的同时经历从流体到固体的相变。通过使测试流体流入到样品腔室630中而产生的孔隙压力可在相变之前、相变期间或相变之后被施加到样品。这种方法可以模拟在水泥测试的各个阶段期间的流体流动，同时确定渗透性，这是因为在凝固和固化期间存在可能侵入水泥的地层流体。该方法还模拟流体流动对最终凝固水泥的质量的影响，包括水泥组分和流体之间的反应的影响，以帮助评估和改进水泥并设计更好的水泥。活塞620能够移动至少三倍于测试样品长度的距离。

橡胶护套626仅部分地从基部612朝向端盖614沿本体616向上延伸。橡胶护套626接触壳体的基部612，但未到达壳体610的端盖614。相反，橡胶护套626比本体616短以提供开口641，该开口641便于活塞腔室624中的第一空间642与外部通道644之间的流体连通，其中所述外部通道644被限定在橡胶护套626与本体616之间。与样品腔室630类似，第一空间642部分地由头部628和橡胶护套626限定。然而，第一空间642由头部628的与样品腔室630相反的一侧限定。因此，活塞腔室624包括样品腔室630、第一空间642和外部通道644。头部628和杆524延伸到活塞腔室624中，以向水泥浆和相关联的水层施加机械压力和测试流体(孔隙)压力。

头部628的移动改变第一空间642和样品腔室630的容积。例如，随着头部628朝向水602移动，第一空间642的容积增加，而样品腔室630的容积减小。外部通道644的容积保持恒定，与活塞620的位置无关，这是因为与第一空间642和样品腔室630不同，外部通道644不是由活塞620限定的。外部通道644便于填充第一空间642的受压流体的流动。

测试单元300可以用于执行实验研究，所述实验研究包括：在有或没有储集岩和套管的情况下在具有孔隙压力的真三轴条件下的水泥稠化时间测试；水泥凝固和固化时间以及在固化/凝固之前、期间和之后的动态变化的记录；在水泥凝固之前和之后对游离水的测量以评估水泥水合和密封能力；用于评估水泥基质的渗透性的流体注入；用于测量水泥与储集岩和套管材料之间的密封强度和有效性的流体流动；水泥的凝固和固化期间固体/液体/气体添加剂分散的测量；在失效前和失效后的各个阶段期间对凝固水泥和泄漏/密封能力的静水压强度测试；在失效前和失效后的各个阶段期间对凝固水泥和泄漏/密封能力的三轴抗压强度测试；水泥针对静态和动态的泊松比和杨氏模量；钻井液对水泥与储集岩和套管的胶结能力的影响；酸化和压裂液对水泥的影响；气体运移研究；以及用于校准胶结记录的电气性质和声速的测量。

图9是用于执行凝固、固化和完整性测试的方法700的流程图。方法700可以使用图8所示的测试单元600和图1所示的离心机设备102来执行。

通过将本体616栓接到基部612上并且将端盖614栓接到本体616上且使橡胶护套626位于适当的位置，来组装测试单元600。如果包括中空储集岩，则在组装过程期间将中空储集岩装入样品腔室630中(步骤702)。流体通过轴向液压流体管路625被供应到活塞流体腔室622，以使活塞620伸出，并使活塞620的头部628与基部612或中空储集岩(如果存在)接触。通过第二过载流体管路634使活塞腔室624填充有过载流体，同时通过第一过载流体管路632排出空气。在建立这些初始条件之后，测试单元600中的压力和温度被升高到测试条件(步骤704)。

正在被测试的水泥浆通过测试流体管路640被注入到样品腔室630中(步骤706)。当正在注入水泥浆时，液压流体通过轴向液压流体管路625被从活塞流体腔室622释放，并且过载流体通过第一过载流体管路632被从活塞腔室624释放。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。神经网络115评估样品，并且如果需要的话更换该样品。例如，将声学数据、x射线数据和电传感器数据馈送到经训练的神经网络以确认水泥成分未分离，并且确认颗粒、流体和气体被均匀地分布。例如，在水泥具有纤维、珠子或气体(泡沫水泥)的情况下，重要的是在水泥的装载浆料、固化和凝固期间分散是均匀的。

然后，系统100将水注入到样品腔室630中，直到在浆料604的顶部上存在期望体积的自由水602(步骤708)。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。神经网络115评估样品，并且如果需要的话更换该样品。

水泥浆604凝固并固化(步骤710)。在该过程中，水泥浆从自由水层602吸收水。基于测试压力和测试温度，水泥可以凝固和固化持续数小时至数周。所有的压力(所述压力为轴向压力、围压/过载压力和孔隙压力在浆料的装载、凝固、固化期间以及在固化/凝固期间/之后的任何测试期间被施加和保持。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据在凝固和固化过程期间被馈送到神经网络115。在凝固和固化过程完成之后，从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。神经网络115评估样品，并且如果需要的话更换该样品。

从凝固和固化的水泥604中除去剩余的游离水602并测量该剩余的游离水(步骤712)。在执行测试之前，从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。

如果样品仍然是可接受的，则系统100执行与水泥测试相关联的一个或更多个测试(步骤714)。适当的测试包括例如流动测试、毛细管压力测试、电气性质测试、声速测试、水泥胶结测试、气体泄漏测试、机械测试和失效测试。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。如果要执行额外的测试，则至少改变测试参数(步骤716)。可以通过例如改变测试压力、改变测试温度、以及更改/改变测试流体而改变测试参数。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。神经网络115评估水泥浆604，并且如果需要的话更换样品。

在测试完成之后，系统100转换到可以移除测试样品并且可以添加新样品的模式。系统温度被降低到环境温度，同时保持压力恒定(步骤718)。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。然后压力被降低到环境压力(步骤720)。从声学传感器342、电传感器340和x射线照相机132采集的声学数据、电气数据和x射线数据被馈送到神经网络115。

方法700被描述为结合实现神经网络115的计算机系统103来实现。尽管数据通信和样品条件评估被描述为在每个步骤之后执行，但是这是可选的。一些方法利用较不频繁的数据通信和样品条件评估来实现。此外，方法700还可以结合不包括神经网络的常规控制和数据收集计算机系统来执行。在没有神经网络的情况下，必须手动地执行样品条件的自动化监测和评估。

已经描述了系统和方法的多个实施例。然而，应当理解，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其它实施例也在所附权利要求的范围内。