各向異性滲透率的測試方法及裝置的製作方法

2024-04-05 14:39:05

專利名稱：各向異性滲透率的測試方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種油氣田開發領域實驗室測量巖石滲透率的方法與相應裝 置。尤其是指一種針對沉積各向異性油藏、利用全巖芯非均勻徑向流動測定地層平面內各向異性滲透率的技術；同時適用於一般的各向異性介質。
技術背景地層滲透率的測定是油氣田開發的基礎，而實驗室巖芯測試分析是各種滲 透率測定方法中最直接、最可靠的方法。各向異性滲透率有兩大類， 一類由沉 積作用形成，另一類由裂縫作用造成。油藏裂縫各向異性滲透率只能在油田現場 測試，實驗室巖心測試主要針對沉積各向異性滲透率。早在20世紀30年代以前，人們對油藏滲透率的各向異性就已有所認識， 但只限於垂向滲透率跟水平方向滲邊率的不同。從40年代起，隨著二次採油(油 田注水開發)方法的使用，人們發現同 一地層平面內滲透率的各向異性同樣普遍 存在，並且對油田注水開發效果有著非常明顯的影響。由於各向異性油藏滲透 率的複雜性，其測試方法一直是乂J']所探尋的課題。(1) Willard E. Johnson和Richard V. Hughes[2]早在1948年提出了專 門用於測量地層平面各向異性滲透率張量的方法沿柱形巖心軸線鑽孔，從中 心圓孔注入氣體，然後測量巖心外壁各方向流出的氣體量，以此數據為基礎計 算巖心各向異性滲透率的主方向和主值。但由於缺少巖心內部各向異性滲流分析，沒能給出計算各向異性滲透率主值的方法；其數據處理僅簡單地採用各向 同性巖心徑向流動公式，必然導致不正確的結果。同時，將氣體作為流體介質 4艮難準確測量其在巖芯外壁的流量分布。(2) R. A. Greenkorn和C. R. Johnson於1964年提出了類似的測試方法，但仍然沒有解決上述問題。(3 )其後的研究者改變思路，試圖用與常規巖心測試相似的手段進行測量， 再通過特殊的數學處理獲得巖心的各向異性滲透率參數，但這些方法的可靠性 和實用性都不夠強。有鑑於此，本發明人為解決上述公知技術存在的問題，乃決心憑其從事本 領域多年研發的經驗，經多次的精心開發研究後終於得到本發明的各向異性滲 透率的測試方法與裝置。發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種各向異性滲透率的測試方法及裝置， 以利用全巖芯非均勻徑向流動測定地層平面內各向異性滲透率，獲取各向異性 滲透率的主方向及相應主值，從而改善甚至克服上述公知技術的缺陷。本發明首先提供一種各向異性滲透率的測試方法，包括下列步驟形成巖心中心孔的步驟，將圓柱形全直徑巖心上下端面密封，然後沿中心 軸線鑽空形成圓形孔眼，其中，中心孔眼直徑跟巖心直徑相比為小量；測試步驟，將巖心垂直》i:置，向端面中心孔注入流體，流體從軸心孔進入 巖心體內，在巖心體內形成垂直於巖心軸線的輻射狀平面流動，再由巖心周圍 側表面流出；測量步驟，測量巖心外側表面不同方向的流量或流速，同時記錄中心孔注 入壓力與巖心外表面壓力之差，流體流速最大的方向則為最大滲透率主方向，流量最小的方向則為最小滲透率主方向；計算步驟，根據巖心內外壓差和滲透率主方向的流速計算得到滲透率主值。 其次，本發明還提出一種各向異性滲透率的測試裝置，其利用具有中心孔 的全直徑巖心進行測試，根據定壓邊界各向異性圓形地層中心一口井滲流的解 析解得到各向異性巖心內部流動解析解；圓柱形全直徑巖心沿中心軸線鑽空形成上述中心孔，且中心孔眼直徑跟巖心直徑相比為小量，所述測試裝置包括將泵中流體注入巖心內部的注入部分、流動測量部分及輔助部分。本發明的特點和優點是本發明是以各向異性介質滲流分析為基礎，提出 一套測定二維各向異性滲透率的測試方法與裝置，給出實驗悽欠據處理及各向異 性滲透率計算的^^式，建立完善的各向異性巖心滲透率測試計算方法。本發明 的測定巖心二維各向異性滲透率張量的測試方法與以前的實-瞼方法相比具有以 下優點(1) 本項發明以最新的各向異性介質滲流理論為基礎，原理、方法和裝置自 然地融為一體，符合各向異性滲透率巖心結構及其滲流特點；(2) 全直徑巖心的軸線就是實際井筒的軸線，實驗巖心內的流動為徑向滲流 流動，與實際生產井及近井地層中的滲流情況相似，能更準確的反映實際油藏內 滲流與滲透率的分布情況；(3) 全直徑巖芯垂直放置，避免了重力對各方向滲流分布及滲透率值測試結 果的影響；(4) 本測試裝置可同時測定圓柱形巖心四個互相垂直方向上的流體流量，大 大提高了實驗工作效率。


圖1為鑽有中心孔的全直徑巖心。圖2為各向異性滲透率巖心截面流場示意圖。圖3為各向異性滲透率測定實驗裝置的整體結構示意圖。圖3A、圖3B為圖3中的沿A-A線及B-B線的截面示意圖。圖4為注入部分的結構示意圖。圖5為流動測量部分的底盤結構示意圖。圖6A、圖6B為流動測量部分的接收槽的俯視及正視方向的結構示意圖。 圖7為流動測量部分的定位座頂面示意圖。 圖8為輔助部分的底座的示意圖。圖9為全直徑巖心外側表面流速分布曲線。
具體實施方式
下面配合附圖及具體實施例對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。本發明首先提出一種各向異性滲透率的測試方法，包括下列步驟 形成巖心中心孔的步驟，將圓柱形全直徑巖心上下端面密封，然後沿中心軸線鑽空形成圓形孔眼，其中，中心孔眼直徑跟巖心直徑相比為小量；測試步驟，將巖心垂直放置，向端面中心孔注入流體，流體從軸心孔進入巖心體內，在巖心體內形成垂直於巖心軸線的輻射狀平面流動，再由巖心周圍側表面5危出；測量步驟，測量巖心外側表面不同方向的流量或流速，同時記錄中心孔注 入壓力與巖心外表面壓力之差，流體流速最大的方向則為最大滲透率主方向， 流量最小的方向則為最小滲透率主方向；計算步驟，根據巖心內外壓差和滲透率主方向的流速計算得到滲透率主值。 以下對本發明的測試試驗原理、計算方法及測試計算步驟進行詳細說明測試實驗原理本發明的巖心各向異性滲透率測試的目的就是獲取各向異性滲透率的主方 向及相應主值。其是將圓柱形全直徑巖心100的上下端面102、 103密封，然後 沿中心軸線鑽空形成圓形孔眼狀的中心孔101,其中，中心孔101的直徑跟巖 心100的直徑相比為小量，如圖1所示。測試時，將巖心100垂直放置，向端 面中心孔101注入流體，流體從軸心孔101進入巖心100體內，在巖心體內形 成垂直於巖心軸線的輻射狀平面流動，再由巖心周圍側表面流出，如圖2所示。 測量巖心外側表面不同方向的流量(流速)，同時記錄中心孔100注入壓力與巖 心外表面壓力之差。流體流速最大的方向則為最大滲透率主方向，流量最小的 方向則為最小滲透率主方向；再根據巖心內外壓差和滲透率主方向的流速計算得到滲透率主值，計算方法通過滲流分析給出。 計算方法本發明是利用定壓邊界各向異性圓形地層中心一口井滲流的解析解來實現 的，其將全直徑巖心看作油藏，中心孔作為注水井，則可以直接得到各向異性巖心內部流動的解。設巖心半徑為、高度為A，中心孔半徑為V中心孔壓力為Pw,巖心外表面壓力為A。以巖心中心為原點、取滲透率主方向為坐標軸^J建立直角坐標系，x'y方向上的滲透率主值分別為、和、，&A。油藏內流體為 單相不可壓流體，粘度為A，整個流場為穩定滲流且不考慮垂向流動。巖心內壓力分布為； ，流體注入流量為Q。建立如下關係式formula see original document page 10其中formula see original document page 104滿足:formula see original document page 10a。和6。由如下兩式聯立決定:formula see original document page 10(5)圖2為上述流動的流場示意圖。圖中環形線為等壓線，巖心的內外等壓邊 界用粗環線表示；圖中的輻射狀曲線為流線，其中互相垂直的粗直線為主流線， 分別對應不同的滲透率主方向。該流場為非均勻徑向平面流動，流線越密的區 域其滲流速度越大，沿最大和最小滲透率主方向滲流速度分別達到最大和最小； 巖心外側流體的流量分布是不均勻的，隨角度的變化呈橢圓型分布。流場內任意一點的滲流速度與經過該點的流線平行。與常規(各向同性)介質滲流不同， 各向異性介質中的流線(滲流速度) 一般不與等壓線垂直，這意味著流體將斜向流出巖心的側表面；只有在滲透率主方向上流線(滲流速度)才與等壓線垂直。 在上述所列關係式的基礎上，本發明的計算公式如下 由(1)式可得formula see original document page 11根據達西定律，巖心外表面與兩個滲透率主方向的交點(/"e,0)和(CU)處的滲 流速度為formula see original document page 11(8)其中滲流速度v、由實驗測得。根據上述測試試驗原理及計算公式，本發明的測試方法的測量、計算步驟表述如下(1) 測試記錄流體注入量2，壓差a-a;在巖心外表面上根據流量分布判斷 滲透率最大和最小主方向所在位置，並計算這些點的流速^,、；formula see original document page 12，得到A(5) 由yS-7^和K-V^求得滲透率主值&=《.A ^-"〃。相應地，為了與上述測試方法相配合，本發明還提出一種各向異性滲透率 的測試裝置，其用於測定二維各向異性滲透率張量，其測試裝置(圖3)由注 入部分、流動測量部分、輔助部分組成。具體如下注入部分的用途是將泵中流體注入巖心100內部，如圖3、圖4所示，其主要包括以下幾個部分注入管11，在一具體實施例中，該注入管11為外直徑D = 6mm，內直徑d =3. lmm的鋼管；頂盤12,在一具體實施例中，其為直徑D= 320mm，厚h = 20mm的鋼體，且 中間設有一螺紋孔121，通過使用配套的固定螺母123可以將穿過頂盤12的注 入管11固定，另外在頂盤12上以UO度為間隔鑽三個緊固螺孔124，以裝i殳 下述的緊固螺杆33，緊固螺孔124的直徑由緊固螺杆33的直徑決定。環形膠墊13，該環形膠墊13可為彈性膠，設於頂盤12與被測巖心100之 間，注入管11穿過頂盤12螺紋孔121後通過膠墊13插入巖心孔101中，膠墊 13在此起密封作用。如圖3、圖3A、圖3B、圖5、圖6A、圖6B所示，上述流動測量部分包括底盤n,如圖5所示，在一具體實施例中，該底盤是直徑240111111、厚20mm 的柱狀鋼體，在半徑為70mm的同心圓與兩個互相垂直的直徑相交的四個點上分 別鑽設匯流孔212 (共4個)，孔直徑6mm;在底盤21頂面上用膠(環氧樹脂和 聚醯胺樹脂混合物)粘一層底盤大小的膠皮，待膠皮千燥後，用衝子在膠皮上打 孑L,孔位置與底盤21上所鑽匯流孔212位置重合，然後在附圖中每兩個匯流孔 212中間位置割出一條槽以作為排水溝213 (如圖5中兩條短直線間的區域所示)，巖芯IOO表面上非測試區域滲出的流體經排水溝213流入下面的燒杯；接收槽22,如圖6A、圖6B所示，在本發明的一具體實施例中，該接收槽 22共有四個，結構相同。本實施例中，該接收槽高h=100mm， ^=70腿，其餘尺寸 參考附圖所示(上述尺寸可根據需要靈活設置)；在測量過程中將M收槽22對 應固定在各匯流孔212的上方，接收槽22底部與底盤密封，其外沿緊貼巖心側 表面。接收槽22的高度等於可測巖心的長度；可測巖心直徑範圍可為86-134mm(—般全直徑巖心的直徑在IOO咖左右)。上述接收槽22與巖心100側表 面的密封是本測試裝置設計中的一個難點，也是決定實驗誤差大小的一個關鍵 所在。巖心表面凹凸不平，並且和接收槽的硬度都比較大，因此兩者之間很難 密封。本發明選用聚四氟乙烯密封帶，該材料較薄，具有一定的彈性和形變， 能夠滿足測試中對密封的要求。定位座23，如圖7所示，該定位座23可為環狀鋼板，實驗時固定於底盤 21上，在互相垂直的兩個直徑方向上鑿出如圖7所示與接收槽22底端外側形 狀相對應的容置凹槽231，每個容置凹槽231的寬度恰能使接收槽22嵌入。 如圖8所示，上述測試裝置的輔助部分包括底座31,鋼製，在一具體實施例中，其直徑400mm,厚20mm,距邊緣10ram 處鑿一環形槽310 (寬為10mm，深5畫)；同時在底座31上以120度為間隔鑽 三個緊固螺孔311,以裝配緊固螺杆33,緊固螺孔311的中心與底座31中心的 3巨離等於頂盤12上的三個緊固螺孔124與頂盤12中心的距離；支撐圓柱32，鋼製，在一具體實施例中，共設有六個，位於底座31和底 盤21之間，直徑均為50mm、高分別為80mm和50mm的各三個。每次實驗時可 根據燒杯高度選用合適高度的圓柱；緊固螺杆33，共設三根，長280mm;另附緊固螺母34若干，直徑10mm。在利用上述測試裝置進行測試時，要保證頂盤12、底盤21和底座31的中 心在同一條垂直線上。以上述測試裝置進行測試時，將底盤21和接收槽22固定，並保持中心孔101流體注入壓力不變，具體測量過程包括由中心孔101注入的流體從巖芯100四周表面流出，而進入到測試裝置接 收槽22的流體通過匯流孔212流到底盤21下面的燒杯(圖中未示)中；記錄時間，測量與接收槽22相接的條帶形的巖芯表面積及燒杯流體流量， 據此得出巖芯表面被測面積上的滲流速度；將巖芯100轉動一個角度，則接收槽22對應到巖芯表面第二個條帶面積， 重複上面測試過程，則可以得到第二個測試面積的滲流速度，如此重複進行測 試，便可得到巖芯四周表面任意部位上的滲流速度。在上述測量步驟中，除了計量上述接收槽的流體流量外，還對測試過程中 從巖芯四周表面流入測試裝置排水槽並從底盤邊緣排出的流體進行計量，用於校驗流體總流量，即注入流體總量=匯流孔流量+排水槽流量。下面以實例說明利用本發明的測試裝置及測試方法進行測試的結果 所選各向異性巖心的長度為9,. 0cm，直徑為10. 0cm,軸心所鑽內孔直徑為 0. 6cm。實驗流體選用水，實驗壓差為0. 0085MPa。測得巖心總流量為1. 782cmVs, 圖9所糸為折算成單位壓差下的巖心外側面流速分布，可以看出其分布曲線呈 橢圓形，這與各向異性滲流分析結果是一致的。經計算所得巖心各向異性滲透 率的最大和最小主值分別為720 x 10— 363 x 10—Vm2，其方向分別為36°(216°) 和126°(3060)。利用以上方法和裝置進行了多個巖心多種壓差的重複試驗，均取得了成功。雖然本發明已以具體實施例揭示，但其並非用以限定本發明，任何本領域 的技術人員，在不脫離本發明的構思和範圍的前提下所作出的等同組件的置換， 或依本發明專利保護範圍所作的等同變化與修飾，皆應仍屬本專利涵蓋的範疇。
權利要求
1. 一種各向異性滲透率的測試方法，包括下列步驟形成心中心孔的步驟，將圓柱形全直徑巖心上下端面密封，然後沿中心軸線鑽空形成圓形孔眼，其中，中心孔眼直徑跟巖心直徑相比為小量；測試步驟，將巖心垂直放置，向端面中心孔注入流體，流體從軸心孔進入巖心體內，在巖心體內形成垂直於巖心軸線的輻射狀平面流動，再由巖心周圍側表面流出；測量步驟，測量巖心外側表面不同方向的流量或流速，同時記錄中心孔注入壓力與巖心外表面壓力之差，流體流速最大的方向則為最大滲透率主方向，流量最小的方向則為最小滲透率主方向；計算步驟，根據巖心內外壓差和滲透率主方向的流速計算得到滲透率主值。
2、 如權利要求l所述的各向異性滲透率的測試方法，其特徵在於，該計 算步驟是通過滲流分析方法實現的，該步驟進一步包括以巖芯內各向異性流動解析解為！^出，建立巖芯側表面流量與巖芯內各向 異性滲透率參數間的關係式，即由表面流量測試值求取各向異性滲透率的計算 公式。
3、 如權利要求2所述的各向異性滲透率的測試方法，其特徵在於，所述 滲流分析方法具體為設巖心半徑為、高度為、中心孔半徑為巧，中心孔壓力為Av，巖心外表 面壓力為A ，以巖心中心為原點、^c滲透率主方向為坐標軸x^建立直角坐標系，x,y方向上的滲透率主值分別為、和、，、外，油藏內流體為單相不可壓流體， 粘度為〃，假設整個流場為穩定滲流且不考慮垂向流動，巖心內壓力分布為p, 流體注入流量為Q，建立關係式formula see original document page 2formula see original document page 3其中formula see original document page 3根據達西定律，巖心外表面與兩個滲透率主方向的交點(/"e,0)和(0，AO處的滲流速度為formula see original document page 3(8)其中滲流速度、,v,由實驗測得。
4、 如權利要求3所述的各向異性滲透率的測試方法，其特徵在於，建立 上述關係式後，該測試方法包括以下計算步驟U)將流速、,、代入(8)，與(4)聯立求得^和^，再由(3)得 少 2夂 2rfe到,^A-Z^/^'.ae 2rfe 2《 (b )由；5求4尋~,& , a。 A, ae,&e,《；(C)將"w，&w, a。力。，fleA，《和實測注入量2、壓差/ w-a代入(2)式，得到(d)由formula see original document page 4和formula see original document page 4求得滲透率主值: formula see original document page 4.
5、 如權利要求1至4任一項所述的各向異性滲透率的測試方法，其特徵 在於，所述測量步驟包括由中心孔注入的流體從巖芯四周表面流出，進入測試裝置接收槽的流體通 過匯流孔流到底盤下面的燒杯中；記錄時間，測量與接收槽相接的條帶形的巖芯表面積及燒杯流體流量，據 此得出巖芯表面被測面積上的滲流速度；將巖芯轉動一個角度，則接收槽對應到巖芯表面第二個條帶面積，重複上 面測試過程，則可以得到第二個測試面積的滲流速度，如此重複進行測試，便 可得到巖芯四周表面任意部位上的滲流速度。
6、 如權利要求5所述的各向異性滲透率的測試方法，其特徵在於，在上 述測量步驟中，底盤和接收槽固定，並保持中心孔流體注入壓力不變。
7、 如權利要求6所述的各向異性滲透率的測試方法，其特徵在於，在上 述測量步驟中，除了計量上述接收槽的流體流量外，還對測試過程中從巖芯四 周表面流入測試裝置排水槽並從底盤邊緣排出的流體進行計量，用於校驗流體 總流量，即注入流體總量=匯流孔流量+排水槽流量。
8、 一種各向異性滲透率的測試裝置，其利用具有中心孔的全直徑巖心進 行測試，根據定壓邊界各向異性圓形地層中心一口井滲流的解析解得到各向異 性巖心內部流動解析解；圓柱形全直徑巖心沿中心軸線鑽空形成上述中心孔， 且中心孔眼直徑跟巖心直徑相比為小量，所述測試裝置包括將泵中流體注入巖 心內部的注入部分、流動測量部分及輔助部分。
9、 如權利要求8所述的各向異性滲透率的測試裝置，其特徵在於，所述 注入部分包括注入管、頂盤及環形膠墊，其中該頂盤中間有一螺紋孔，通過4吏 用配套的固定螺母可以將穿過頂盤的注入管固定，所述環形膠墊位於頂盤與被 測巖心之間，注入管穿過頂盤螺紋孔後通過膠墊插入巖心孔中，膠墊起密封作用。
10、 如權利要求9所述的各向異性滲透率的測試裝置，其特徵在於，所述 流動測量部分包括底盤、接收槽及定位座，其中，底盤為柱狀鋼體，且在同心 圓與兩個互相垂直的直徑相交的各點上分別鑽孔；該底盤頂面上用膠粘設一層 底盤大小的膠皮；膠皮與底盤上所鑽小孔位置重合處設有小孔，然後在每兩個 小孔間割設有排水溝，巖芯表面上非測試區域滲出的流體經排水溝流入下面的 燒杯；所述接收槽固定在各小孔的上方，槽底部與底盤密封，其外沿緊貼巖心 側表面；所述定位座為環狀鋼板，固定於底盤上，在互相垂直的兩個直徑方向 上鑿設有容置凹槽，每個容置凹槽恰能使接收槽嵌入。
11、 如權利要求10所述的各向異性滲透率的測試裝置，其特徵在於，所 述輔助部分包括鋼製底座、支撐圓柱及緊固螺杆，所述底座的鄰近邊緣處鑿設 有環形槽，且底座上以120度為間隔鑽三個孔，孔中心與底座中心的距離等於 頂盤上的三個小孔與頂盤中心的距離；該支撐圓柱用於裝設在底座和底盤之間， 才艮據燒杯高度選用合適高度的圓柱。
12、 如權利要求11所述的各向異性滲透率的測試裝置，其特徵在於，前 述頂盤、底盤和底座的中心在同一條垂直線上。
13、 如權利要求10至12任一項所述的各向異性滲透率的測試裝置，其特 徵在於，接收槽與巖心側表面的密封選用聚四氟乙烯密封帶。
全文摘要
一種各向異性滲透率的測試方法及裝置，其是將圓柱形全直徑巖心上下端面密封，然後沿中心軸線鑽空形成圓形孔眼，將巖心垂直放置，向端面中心孔注入流體，流體從軸心孔進入巖心體內，在巖心體內形成垂直於巖心軸線的輻射狀平面流動，再由巖心周圍側表面流出；測量巖心外側表面不同方向的流量或流速，同時記錄中心孔注入壓力與巖心外表面壓力之差，流體流速最大的方向則為最大滲透率主方向，流量最小的方向則為最小滲透率主方向；根據巖心內外壓差和滲透率主方向的流速計算得到滲透率主值。本發明以各向異性介質滲流分析為基礎，提出一套測定二維各向異性滲透率的測試方法與裝置，給出實驗數據處理及各向異性滲透率計算的公式，建立了完善的各向異性巖心滲透率測試計算方法。
文檔編號G01N11/00GK101221111SQ20071006265
公開日2008年7月16日 申請日期2007年1月12日 優先權日2007年1月12日
發明者劉月田, 彬 塗 申請人:中國石油大學(北京)