低速非線性滲流參數的測量系統和方法
2023-05-14 16:16:46 3
專利名稱：低速非線性滲流參數的測量系統和方法
技術領域：
本發明涉及測試多孔材料的滲透性的技術領域，特別涉及一種低速非線性滲流參 數的測量系統和方法。
背景技術：
低速非線性滲流(low velocity non-linear fluid flow)是流體在低滲透多孔 介質(Low Permeability Porous Media)中滲流時表現出的一種特殊現象。此現象廣泛存 在於油氣田開發工程、巖土工程、水利工程及工業催化等相關學科領域。低滲透多孔介質中 的滲流不再滿足達西定律(Darcy』 s Law) 0低速非線性滲流的特徵曲線形態與流體類型、 巖石類型及流體飽和度等密切相關；流體在多孔介質中的滲流能力是壓力的連續函數。圖 1為依據現有技術的方法繪製的低滲多孔介質典型非線性滲流特徵曲線示意圖。如圖1所 示，眾多研究者是將「流速-壓力梯度」曲線的直線段ed反向延長，得到擬啟動壓力梯度 (如c點所示)，並將此項作為附加滲流阻力來修正達西定律，但忽略了對低速非線性滲流 的認識和研究，並且現有技術的方法無法準確地獲得啟動壓力梯度(如a點所示)。發明人在實現本發明的過程中發現，目前測量低速非線性滲流特徵曲線的實驗方 法和實驗儀器依然沒有得到明顯改進，主要是由於實驗壓力太低、流體體積小。因此，實驗 數據對測量精度要求較高，普通的壓力和流量測量設備難以滿足要求。若購置專業實驗設 備，一般價格昂貴、操作流程複雜、容易損壞，實際運用過程中，也難以顯現此類專業設備的 優越性。從國內外已公開專利文獻CN200610069507.8來看，擬啟動壓力梯度的測量方法已 經較為完善，但更低壓力範圍內的「流速-壓力梯度」關係(ad曲線)無法得到準確測量甚 至無法測量，而且還沒有形成低滲透多孔介質的啟動壓力(a點)測量方法。因此，低滲透 多孔介質中完整的低速非線性滲流曲線無法繪製，制約了低速非線性滲流理論的發展。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種低速非線性滲流特 徵曲線的測量方法和系統，以測量不同液體介質在低滲透多孔介質中滲流時的壓力和液體 體積，得到低速非線性滲流的壓力、流速和啟動壓力，並繪製完整的低速非線性滲流曲線， 達到研究低滲透多孔介質中低速非線性滲流特徵的目的。一方面，本發明實施例提供了一種低速非線性滲流參數的測量系統，包括中間容器，具有第一開口和第二開口，內部中空以容納驅替液；巖心夾持器，具有第三開口和第四開口，所述巖心夾持器的第三開口通過管線與 所述中間容器的第二開口連接，所述巖心夾持器內設有巖心，在連接所述中間容器的第二 開口與所述巖心夾持器的第三開口的管線上設置有開關部，所述開關部靠近所述第二開
n ；動力輸出裝置，通過管線與所述中間容器的第一開口連接，用於輸出不同的驅動 壓力以驅替所述中間容器中的驅替液經由管線傳輸至巖心夾持器中的巖心；
壓力測量裝置，包括壓力表和U型管壓力計，所述壓力表的量程大於所述U型管壓 力計的量程；所述壓力表，通過管線與所述巖心夾持器的第三開口連接，用於當所述壓力表的 量程與所述巖心夾持器的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而啟動，以測量在不同的 驅動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；所述U型管壓力計，通過管線與所述巖心夾持器的第三開口連接，用於當所述U 型管壓力計的量程與所述巖心夾持器的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而啟動，以 測量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；並當所述驅動壓力降低至最小 值、所述開關部處於關閉狀態以及所述U型管壓力計內的液面達到穩定時，顯示液面高度 差以獲得所述巖心的啟動壓力；流量測量裝置，通過管線與所述巖心夾持器的第四開口連接，用於測量在不同的 所述第三開口壓力下從所述巖心滲流出的驅替液的體積。另一方面，本發明實施例提供了另一種低速非線性滲流參數的測量系統，包括中間容器，具有第一開口和第二開口，內部中空以容納驅替液；巖心夾持器，具有第三開口和第四開口，所述巖心夾持器的第三開口通過管線與 所述中間容器的第二開口連接，所述巖心夾持器內設有巖心，在連接所述中間容器的第二 開口與所述巖心夾持器的第三開口的管線上設置有開關部，所述開關部靠近所述第二開
n ；動力輸出裝置，通過管線與所述中間容器的第一開口連接，用於輸出不同的驅動 壓力以驅替所述中間容器中的驅替液經由管線傳輸至巖心夾持器中的巖心；壓力測量裝置，包括壓力表、第一 U型管壓力計和第二 U型管壓力計，所述壓力表 的量程大於所述第一 U型管壓力計的量程，所述第一 U型管壓力計的量程大於所述第二 U 型管壓力計的量程；所述壓力表，通過管線與所述巖心夾持器的第三開口連接，用於當所述壓力表的 量程與所述巖心夾持器的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而啟動，以測量在不同的 驅動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；所述第一 U型管壓力計，通過管線與所述巖心夾持器的第三開口連接，用於當所 述第一 u型管壓力計的量程與所述巖心夾持器的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而 啟動，以測量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；所述第二 U型管壓力計，通過管線與所述巖心夾持器的第三開口連接，用於當所 述第二 u型管壓力計的量程與所述巖心夾持器的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而 啟動，以測量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；並當所述驅動壓力降 低至最小值、所述開關部處於關閉狀態以及所述第二U型管壓力計內的液面達到穩定時， 顯示液面高度差以獲得所述巖心的啟動壓力；流量測量裝置，通過管線與所述巖心夾持器的第四開口連接，用於測量在不同的 所述第三開口壓力下從所述巖心滲流出的驅替液的體積。還一方面，本發明實施例提供了一種低速非線性滲流參數的測量方法，包括通過動力輸出裝置輸出不同的壓力以驅替中間容器中的驅替液經由管線傳輸至 巖心夾持器中的巖心；
通過以管線與所述巖心夾持器的第三開口連接的壓力測量裝置，測量在不同的驅 動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力，所述壓力測量裝置包括壓力表和U型管壓力 計，所述壓力表的量程大於所述U型管壓力計的量程；根據所述巖心夾持器的第三開口壓力與所述壓力表和所述U型管壓力計各自的 量程的匹配結果，啟動所述壓力表和U型管壓力計的其中之一；通過以管線與所述巖心夾持器的第四開口連接的流量測量裝置，按照預設時間長 度測量在不同的所述第三開口壓力下從所述巖心滲流出的驅替液的體積；當所述驅動壓力降低至最小值時，關閉靠近所述中間容器的第二開口的開關部， 獲取所述U型管壓力計內的液面達到穩定時的液面高度差，並根據所述液面高度差獲得所 述巖心的啟動壓力。最後一方面，本發明實施例提供了又一種低速非線性滲流參數的測量方法，包 括通過動力輸出裝置輸出不同的壓力以驅替中間容器中的驅替液經由管線傳輸至 巖心夾持器中的巖心；通過以管線與所述巖心夾持器的第三開口連接的壓力測量裝置，測量在不同的驅 動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力，所述壓力測量裝置包括壓力表、第一 U型管壓 力計和第二 U型管壓力計，所述壓力表的量程大於所述第一 U型管壓力計的量程，所述第一 U型管壓力計的量程大於所述第二 u型管壓力計的量程；根據所述巖心夾持器的第三開口壓力與所述壓力表、所述第一 U型管壓力計和所 述第二 U型管壓力計各自的量程的匹配結果，啟動所述壓力表、所述第一 U型管壓力計和所 述第二 u型管壓力計三者的其中之一，關閉上述三者中的另外兩者；通過以管線與所述巖心夾持器的第四開口連接的流量測量裝置，按照預設時間長 度測量在不同的所述第三開口壓力下從所述巖心滲流出的驅替液的體積；當所述動力輸出裝置輸出的驅動壓力降低至最小值時，關閉靠近所述中間容器的 第二開口的開關部，並獲取所述第二 U型管壓力計內的液面達到穩定時的液面高度差，以 根據所述液面高度差獲得所述巖心的啟動壓力。本發明實施例提供的上述技術方案，通過不同量程的壓力表和U型管壓力計的組 合實現對巖心夾持器的入口端壓力的實時監測，避免了在長時間測量過程中由於採用高精 度壓力傳感器因溫度升高引起的零點漂移，使壓力測量結果更加準確，提高了實驗精度，也 避免了單獨採用壓力錶帶來的測量結果不可靠問題。同時相對於高精度壓力傳感器，採用 U型管壓力計降低了測量成本，簡化了測量結構，並且不易損壞，即使發生誤操作或量程溢 出也不會使U型管壓力計損毀，提高了檢測的安全性。通過當動力輸出裝置輸出最小壓力 時，關閉中間容器的出口端開關部件，並當U型管壓力計內液面達到穩定時，獲取穩定後的 液面高度差，並根據液面高度差獲得巖心的啟動壓力，從而採用簡潔方便的操作流程實現 了對低滲透多孔介質的啟動壓力的準確測量。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可 以根據這些附圖獲得其它的附圖。圖1為現有技術的低滲多孔介質典型非線性滲流特徵曲線示意圖；圖2為本發明實施例1的低速非線性滲流曲線的測量系統的結構框圖；圖3為本發明實施例2的低速非線性滲流參數的測量系統的結構框圖；圖4為本發明實施例3的低速非線性滲流參數的測量系統的結構框圖；圖4A為本發明實施例3的圖4中密封元件的剖面圖；圖5為本發明實施例4的低速非線性滲流參數的測量方法的整體流程圖；圖6為本發明實施例5的低速非線性滲流參數的測量方法的具體流程圖。
具體實施例方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員 在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。在本發明實施例中，所述的低滲透多孔介質包括但不限定於巖石、土壤、流化床 巖心等。本發明實施例中採用的驅替(displacement)液體介質包括但不限定於蒸餾水、 去離子水、地層水、注入水和活性水等水溶液，還包括煤油、白油、原油等。實施例1 本發明實施例1提供了一種低速非線性滲流參數的測量系統，以實現在低速非線 性滲流條件下的壓力和流體體積的測量。本發明實施例的測量系統主要應用於對低速非線 性條件下的壓力(包括啟動壓力)和流體體積測量，並根據測量結果繪製低滲多孔介質的 「流速-壓力梯度」曲線。圖2為本發明實施例1的一種低速非線性滲流參數的測量系統的結構框圖。以下 對該測量系統的結構及功能進行詳細說明，如圖2所示，該測量系統包括中間容器13，具有第一開口 13a和第二開口 13b，內部中空以容納驅替液16 ；可選 地，還可以在中間容器13中設置活塞18以將中間容器13的內部空間一分為二，活塞18上 部空間容納驅替液16，活塞18下部空間容納動力液17。巖心夾持器20，具有第三開口 21和第四開口 22，所述巖心夾持器20的第三開口 21通過管線(pipeline) 19與所述中間容器13的第二開口 13b連接，所述巖心夾持器20內 設有巖心23，在連接所述中間容器13的第二開口 13b與所述巖心夾持器20的第三開口 21 的管線19上設置有開關部14，所述開關部14靠近所述第二開口 13b ；具體地，上述開關部 14例如可以是閥門，其中閥門可以是三通閥或者六通閥。其中上述用於測試的巖心為低滲 透多孔介質中的一種，進一步地，還可以在巖心23的外表面上設置與巖心23緊密接觸的橡 膠套24。進一步地，巖心夾持器20還可以通過管線32與圍壓泵31相連接，在圍壓泵31的 輸出端管線上設置有閥門33和壓力表34。動力輸出裝置11，通過管線12與所述中間容器13的第一開口 13a連接，用於輸出 不同的驅動壓力以驅替所述中間容器13中的驅替液16經由管線19傳輸至巖心夾持器20 中的巖心23 ；具體地，動力輸出裝置11例如可以為動力泵，其中動力泵可以是恆速恆壓泵、ISC0泵、Quizix泵或者配置有減壓閥的氮氣瓶等。進一步地，還可以在管線12上靠近中間 容器13的第一開口 13a的位置設置開關部15。 壓力測量裝置，包括壓力表26和U型管壓力計28，所述壓力表26的量程大於所述 U型管壓力計28的量程；所述壓力表26，通過管線與所述巖心夾持器20的第三開口 21連接，用於當所述壓 力表26的量程與所述巖心夾持器20的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而啟動，以測 量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器20的第三開口壓力；所述U型管壓力計28，通過管線與所述巖心夾持器20的第三開口 21連接，用於當 所述U型管壓力計28的量程與所述巖心夾持器20的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸 發而啟動，以測量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器20的第三開口壓力；並當所述驅動 壓力降低至最小值、所述開關部14處於關閉狀態以及所述U型管壓力計28內的液面達到 穩定時，顯示液面高度差以獲得所述巖心的啟動壓力；流量測量裝置25，通過管線與所述巖心夾持器20的第四開口 22連接，用於測量在 不同的所述第三開口壓力下從所述巖心23滲流出的驅替液16的體積。以下對上述測量系統各部分的結構、功能及效果分別進一步詳細說明。通過在中間容器13中設置有用於分隔動力液17和驅替液16的活塞18，可以有效 地緩衝動力輸出裝置11輸出的壓力，避免巖心夾持器20入口壓力(即第三開口壓力)在 某一值附近波動，使入口壓力保持穩定或平穩。進一步地，動力泵上可設置顯示當前的輸出壓力的顯示裝置，以利於控制降壓的 幅度，並利於估計巖心夾持器20的入口壓力。優選地，本發明實施例的實驗過程中，圍壓泵31始終向巖心夾持器20內的橡膠套 24提供壓力，使橡膠套24與巖心23的柱面緊密接觸，有利於防止驅替介質從巖心23與橡 膠套24的接觸面流過。具體地，U型管壓力計28內的工作液體可以包括水、水銀或者煤油。壓力表26可 以是普通的壓力表，此時，該壓力測量裝置形成為2級壓力監測儀，第1級為普通壓力表，第 2級為U型管壓力計。當巖心夾持器20的入口端壓力在該壓力表的量程範圍內時，通過人 工控制、外部控制或外部觸發等手段啟動該壓力表進入工作狀態，並關閉U型管壓力計28 ； 當巖心夾持器20的入口端壓力在U型管壓力計28的量程範圍內時，啟動該U型管壓力計 28，並同時根據人工控制、外部控制或外部觸發等手段關閉該壓力表26。進一步地，本發明 實施例還基於以下原則來啟動相應的壓力監測儀當巖心夾持器20入口壓力同時滿足相 鄰兩級壓力測量儀的測量範圍時，優先選擇啟動量程範圍較小且精度較高的壓力測量儀。可選地，可在進一步與U型管壓力計配套設置刻度標記30，這個刻度標記30可以 是U型管壓力計本身固有的，也可以是一個獨立的刻度標尺。可選地，U型管壓力計28的 兩個管口上還可以進一步設置具有孔的薄膜，以有效地防止管內工作液體受到汙染，並減 少蒸發對實驗結果的影響。薄膜的材料和孔的形狀、尺寸及排列方式，本發明實施例不做限 制。進一步地，可對U型管壓力計28設置與其形狀、結構相匹配的固定支架，以使US 管壓力計內液面保持水平，便於減小讀數誤差。由於U型管管口敞開，大氣壓在巖心夾持器入口產生的壓力與出口的大氣壓抵消，U型管內液面高度差產生的壓力即為作用在巖心上的壓力，也即巖心夾持器的入口端壓 力。本發明實施例採用U型管壓力計，而不採用高精度壓力傳感器進行實時壓力監測 的主要原因在於壓力傳感器的任何元器件參數的變化(包括電源電壓的波動)，都會引起 輸出電壓的漂移，而環境溫度的變化是引起這種漂移的最主要原因，也是最難克服的因素， 這是由於半導體元件的導電性對溫度非常敏感，而在長時間的測量過程中環境溫度又很難 維持恆定，從而將導致壓力傳感器中三極體的靜態工作點發生微小而緩慢的變化，這種變 化量會被後面的電路逐級放大，最終在輸出端產生較大的電壓漂移，因此，零點漂移也叫溫切。本發明實施例要求實時監測壓力，而長時間使用壓差傳感器，會使其溫度提高，發 生零點漂移，從而降低測量精度。有鑑於此，本發明實施例採用U型管壓力計來實現實時壓 力監測。u型管壓力計長時間測量時不存在零點漂移現象，故能保證實驗精度，而且u型管 壓力計成本低廉，降低了檢測成本，並且不易損壞，即使發生量程溢出也不會損壞U型管壓 力計，減輕了維護開銷和負擔，有利於大量開展此類實驗。具體地，圖2所示的流量測量裝置25，與所述巖心夾持器20的出口端管線相連接， 用於按照預設時間長度測量在不同的所述入口端壓力下從所述巖心23滲流出的流體的體 積。可選地，該流量測量裝置25還可以用於針對同一個入口端壓力時，按照預設的多 段時間長度，分別測量每段時間長度內從所述巖心23滲流出的流體的體積，通過將同一壓 力下的流體流量至少記錄三次，然後將各次計算的流速取算術平均，可提高計量的準確性。進一步地，流量測量裝置25可採用毛細管流量計(capillary flowmeter) 0在本 發明實施例的實驗過程中，由於從低滲多孔介質中滲流出的流體流量較小，若採用量筒計 量液體體積，將導致較大測量誤差，測量精度無法保證，而且量筒開口較大，暴露於空氣中， 量筒中液體與空氣間具有較大接觸面積，使流體易蒸發，影響流體體積的測量精度，因此不 適宜採用量筒進行計量。與小量筒相比，本發明實施例的毛細管流量計的優勢還包括首 先，便於讀取流體體積，微小液體體積即可在毛細管流量計內產生較明顯的液柱長度；其 次，內徑較小，管內液體與空氣接觸面積小，不易揮發或揮發量較小，能在長時間的測量過 程中保證計量準確度，可以有效地減小微流量條件下的流體蒸發對實驗結果的影響。總之， 這是一種經濟實惠的準確測量低滲透多孔介質中流體滲流體積的儀器。在本發明實施例中，可根據實際需要製作不同規格(量程、精度)的毛管流量 計，例如可製作如下規格的毛管流量計以滿足不同壓力下的流體體積測量的需求量程 0. 1ml，精度 0. 0005ml、量程 0. 5ml，精度 0. 0025ml、量程 1. 0ml，精度 0. 005ml ；量程 5. 0ml, 精度0. 0125ml等。當待測試的巖心滲透率較大時，可選擇較大量程的毛管流量計，當待測 試的巖心滲透率較小時，可選擇較小量程的毛管流量計，其它情況依此類推，以適應不同的 需要。利用上述測量系統獲得的參數，在信息處理裝置上進行數據處理，即可以繪製「流 速_壓力梯度」關係曲線。具體地，在「流速_壓力梯度」關係曲線中，壓力梯度等於巖心夾 持器20入口壓力與巖心長度的比值，即gradP = P/L, gradP為壓力梯度(單位MPa/m) ；P 為巖心夾持器入口壓力(單位MPa) ；L為巖心長度(單位m)。巖心夾持器20入口壓力的測量數值通過兩種方式獲得普通壓力表讀數和U型管液面高度差產生的壓力。其中，對於 普通壓力表，可直接讀取指針對應數值；而對於U型管而言，U型管液面高度差對應的壓力 為Pgh，P為U型管內工作液體的密度(單位kg/m3)，g為實驗所在地的重力加速度(單 位m/s2)，h為U型管液面高度差(單位m)。液體流速的計算公式為v = Q/( Ji r2 t)， Q為t時間內的流體體積(單位m3) ；t為每次測量液體體積的時間長度(單位s) ；r為巖 心截面的半徑(單位m)。ae段曲線的繪製可以通過常用軟體將「流速 壓力梯度」等多組 散點連接。利用外推法可得到de段的延長線與壓力梯度坐標軸的交點即為擬啟動壓力梯度 (c 點)。通過本發明實施例獲得的「流速-壓力梯度」關係曲線及啟動壓力，有利於建立低 滲透多孔介質的低速非線性滲流數學模型，並且可用於研究低滲多孔介質中的流體的有效 動用範圍、壓力分布特徵和產能評價，特別適合於油氣田開發和水利工程等領域。實施例2 圖3為本發明實施例2另一種低速非線性滲流參數的測量系統的結構框圖。圖3 的測量系統與圖2的測量系統相比，不同之處在於，圖3中壓力測量裝置為基於壓力表26、 第一 U型管壓力計28和第二 U型管壓力計35的3級壓力監測裝置。以下針對上述不同之 處進行詳細說明，而相同之處則不再贅述。請參閱圖3，壓力測量裝置包括壓力表26、第一 U型管壓力計28和第二 U型管壓 力計35，所述壓力表26的量程大於所述第一 U型管壓力計28的量程，所述第一 U型管壓力 計28的量程大於所述第二 U型管壓力計35的量程；所述壓力表26，通過管線與所述巖心夾持器20的第三開口 21連接，用於當所述壓 力表26的量程與所述巖心夾持器20的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而啟動，以測 量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器20的第三開口壓力；所述第一 U型管壓力計28，通過管線與所述巖心夾持器20的第三開口 21連接，用 於當所述第一 U型管壓力計28的量程與所述巖心夾持器20的第三開口壓力相匹配時，根 據外部觸發而啟動，以測量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器20的第三開口壓力；所述第二 U型管壓力計35，通過管線與所述巖心夾持器20的第三開口 21連接，用 於當所述第二 U型管壓力計35的量程與所述巖心夾持器20的第三開口壓力相匹配時，根 據外部觸發而啟動，以測量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器20的第三開口壓力；並當 所述驅動壓力降低至最小值、所述開關部14處於關閉狀態以及所述第二 U型管壓力計35 內的液面達到穩定時，顯示液面高度差以獲得所述巖心的啟動壓力。具體地，本發明實施例的測量系統在工作過程中，根據所述巖心夾持器20的第三 開口壓力(即入口端壓力)與所述壓力表、所述第一 U型管壓力計28和所述第二 U型管壓 力計35各自的量程的匹配結果，啟動所述壓力表26、所述第一 U型管壓力計28和所述第二 U型管壓力計35三者的其中之一，關閉上述三者中的另外兩者。具體地，當巖心夾持器20入口壓力在水柱U型管壓力計的測量範圍內，並且動力 泵不足以提供更低的壓力時，而且中間容器13的出口端附近的開關部14被關閉後，巖心夾 持器20的入口壓力不斷下降，水柱U型管壓力計內的水柱高度也隨之變化，當水柱U型管 壓力計內的水柱高度連續幾天甚至更長時間內沒有出現明顯變化時(即達到穩定時)，該水柱產生的壓力即為低滲巖心的啟動壓力。 可選地，如圖3所示，所述壓力表26、所述第一 U型管壓力計28和所述第二 U型管 壓力計35還可以分別通過第一開關部27、第二開關部29和第三開關部36與所述巖心夾 持器20的入口端管線相連接，並分別形成交點A、B、C，其中交點A、B、C可以通過六通閥連 接在一起，通過上述配置，操作人員可根據所述巖心夾持器20的入口端壓力與所述壓力表 26、所述第一 U型管壓力計28和所述第二 U型管壓力計35各自的量程的匹配結果，開啟第 一開關部26、第二開關部29和第三開關部36中的其中之一，並關閉第一開關部26、第二開 關部29和第三開關部36中的另外兩個，以啟動與所述開啟的開關部相關聯的壓力測量裝 置。 具體地，在圖3所示的3級壓力監測裝置中，第1級採用普通壓力表，第2級採用水 銀柱U型管壓力計，第3級採用水柱U型管壓力計或者煤油柱U型管壓力計。可選地，第3 級的U型管內的工作液體還可以採用密度與水或煤油相近的其它液體，或者採用相對於水 銀而言密度更輕的液體。上述3級測量儀器量程依次遞減，並且在第2級和第3級的U型 管壓力計的兩個管口上均可以進一步設置具有孔的薄膜。以下進一步說明上述3級壓力監測裝置的配置。在第1級設置普通壓力表，發明人發現單獨採用壓力表監測數據時，當待監測壓 力介於壓力表量程的大約1/3 2/3範圍內時，所獲取的壓力數據是可靠的；但當監測壓力 大於或小於此範圍時，所獲取的數據誤差較大。因此儘量使壓力表工作在其可靠量程段，在 本發明實施例中，當巖心持器入口壓力較大時，該壓力表處於工作狀態，進行準確地壓力測量。在第2級設置水銀柱U型管壓力計，根據AP = p gh的關係式可知，由於水銀的 密度較大，可使在其壓力測量範圍內的液度高度差(在不影響讀數精度的前提下)不至於 太大，而液度高度差越大，就相應地要求U型管的長度等尺寸增大，故在第2級設置水銀柱 U型管壓力計可降低對採用過長的u型管的需求。在第3級設置水柱U型管壓力計是因為水的密度較小，在測量微小壓力時能夠在 管內顯示明顯的液面高度差，從而能夠使測量結果更加準確，可避免液面高度差太小使測 量不夠準確，以及對測量帶來不便的問題。採用煤油柱U型管壓力計也有類似效果。總之，通過在第2級採用水銀柱U型管壓力計，及在第3級採用水柱U型管壓力計， 可以使對應壓力範圍內的液面高度差異較大或較明顯，便於讀取壓力數值。當然，本發明實施例的壓力監測裝置的級別並不限制於為3級，本領域技術人員 根據本發明實施例的教導可對級數進行擴展。在本發明實施例中，由於實驗採用的最大壓力要求小於1.6MPa，最小壓力要求約 為O.OlMPa，針對該實驗要求，上述3級壓力監測儀器的規格可選地設計為普通壓力表量 程0 1. 6MPa，精度0. OlMPa ；水銀柱U型管量程0 0. 2MPa，刻度解析度0. 005m ；水柱 U型管量程0 0.02MPa，刻度解析度0.005m。在其它實施例中，要求動力輸出裝置輸出 的最小驅動壓力為0. 005MPa。實施例3 圖4為本發明實施例3的又一種低速非線性滲流參數的測量系統的結構框圖。圖 4所示的測量系統與圖3所示的測量系統相比，不同之外在於，圖4中流量測量裝置是基於
12多個毛細管流量計的多級流量監測裝置。以下針對上述不同之處進行詳細說明，而相同之 處則不再贅述。圖4中的多級流量監測裝置包括至少兩個不同規格的毛細管流量計，在連接每 個毛細管流量計與所述巖心夾持器20的第四開口 22的管線上分別設置有開關部。從而可根據所述巖心夾持器20的入口端壓力，使所述至少兩個開關部的其中之 一被打開以啟動相應規格的毛細管流量計。例如圖4中示意性地繪示了三個不同規格的毛 細管流量計38、39、40，並繪示了在連接每個毛細管流量計與所述巖心夾持器20的第四開 口 22的管線上分別設置的開關部，如圖4中標號41所示。進一步地，如圖4所示，所述毛細管流量計的入口處還可以設置有密封元件42。所 述的密封元件42用於使毛細管流量計和管線保持良好接觸，可選地，上述密封元件42可以 採用毛細管流量計接箍。圖4A為本發明實施例3的圖4中密封元件的剖面圖。如圖4A所示，密封元件包 括壓冒1、金屬二通2、塑料或橡膠卡箍3及橡膠墊片4。以下結合圖4A描述本發明實施 例中毛細管流量計與密封元件之間進行連接的裝配流程。首先，使毛細管流量計(圖中未 繪示)依次穿過壓冒1和橡膠卡箍3，然後，順時針旋轉壓冒1，並擠壓橡膠卡箍3，使橡膠卡 箍3與毛細管流量計緊密接觸，同時使毛細管流量計與橡膠墊片4緊密接觸，避免毛細管流 量計直接與金屬二通2接觸，防止液體漏失，其中管線5焊接在金屬二通2上。圖4中的多級流量監測裝置包含的多個不同規格的毛細管流量計可從如下規格 中選擇量程0. lml，精度0. 0005ml ；量程0. 5ml，精度0. 0025ml ；量程1. 0ml，精度0. 005ml ； 或者，量程5. 0ml，精度0. 0125ml。此外，毛細管流量計的長度可設計為23cm，其管徑可設計 為 lmm、2mm、2. 5mm 或者 6mm0本發明實施例中，毛細管流量計可採用帶有刻度的毛細玻璃管，通過讀取管內採 集的液柱長度對應的體積刻度，即可得到從巖心滲流出的流體體積。在測量過程中，可採用 多級毛細管流量計組合測量，根據需要，可選擇性的使用2級或3級毛細管流量計測量流體 體積。在測量過程中，當使用某一級毛細管流量計測量時，關閉與其它兩級毛細管流量 計的閥門；在實驗過程中，對於同一塊巖心，當壓力較高時，採用大量程的毛細管流量計； 當壓力較低時，採用小量程的毛細管流量計。可選地，也可以採用其它依據來控制切換不同規格的毛細管流量計的工作狀態， 例如可根據毛細管流量計在預先設定的時間長度內收集到的流體體積與多個具有不同規 格的毛細管流量計的量程的比較結果，選擇開啟與所述流體體積相匹配的毛細管流量計， 並關閉與所述流體體積不匹配的毛細管流量計。進一步地，當上述收集到的流體體積同時 與至少兩個毛細管流量計的量程相匹配時，優先選擇採用量程較小的毛細管流量計進行計 量。通過上述配置及對應的工作過程可以進一步提高對低速非線性滲流在微流量條 件下的流體體積的計量精度，減少誤差。綜上所述，本發明實施例的3級或多級壓力測量裝置不僅結構簡單，還具有簡捷 方便、準確測量液體在巖心夾持器入口的壓力(包括啟動壓力)、檢測成本低廉的優點。而 採用基於多個不同規格的毛細管流量計的多級流量測量裝置，使流量測試更加靈活、高效、精確。實施例4:以下詳細說明本發明實施例圖2-圖4所示測量系統的工作原理。圖5為本發明實施例4的一種低速非線性滲流參數的測量方法的流程圖。如圖5 所示，該方法包括如下步驟S501、通過動力輸出裝置輸出不同的驅動壓力以驅替中間容器中的驅替液經由管 線傳輸至巖心夾持器中的巖心；S502、通過以管線與巖心夾持器的第三開口連接的壓力測量裝置，測量在不同的 驅動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；其中，所述壓力測量裝置包括壓力表和U型管壓力計，所述壓力表的量程大於所 述U型管壓力計的量程；S503、根據所述巖心夾持器的第三開口壓力與所述壓力表和所述U型管壓力計各 自的量程的匹配結果，啟動所述壓力表和U型管壓力計的其中之一；S504、通過以管線與所述巖心夾持器的第四開口連接的流量測量裝置，按照預設 時間長度測量在不同的所述第三開口壓力下從所述巖心滲流出的驅替液的體積；S505、當所述驅動壓力降低至最小值時，關閉靠近所述中間容器的第二開口的開 關部，獲取所述U型管壓力計內的液面達到穩定時的液面高度差，並根據所述液面高度差 獲得所述巖心的啟動壓力。可選地，還可以將兩個U型管壓力計分別通過管線連接至巖心夾持器的第三開 口，本發明實施例中以第一 U型管壓力計和第二 U型管壓力計進行區分，其中，所述第二 U 型管壓力計的量程小於所述u型管壓力計的量程，對應於這種情況，圖5中相應步驟S502、 S503和S505的具體過程如下S502的具體過程包括通過以管線與巖心夾持器的第三開口連接的壓力測量裝 置，測量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；S503的具體過程包括根據所述巖心夾持器的第三開口壓力與所述壓力表、所述 第一 u型管壓力計和所述第二 U型管壓力計各自的量程的匹配結果，啟動所述壓力表、所 述第一 U型管壓力計和所述第二 U型管壓力計三者的其中之一，關閉上述三者中的另外兩 者；S505的具體過程包括當所述動力輸出裝置輸出的驅動壓力降低至最小值時，關 閉靠近所述中間容器的第二開口的開關部，並獲取所述第二 U型管壓力計內的液面達到穩 定時的面高度差，以根據所述液面高度差獲得所述巖心的啟動壓力。具體地，所述第一 U型管壓力計包括水銀柱U型管壓力計，所述第二 U型管壓力計 包括水柱U型管壓力計或者煤油柱U型管壓力計。進一步地，所述流量測量裝置包括至少一個毛細管流量計，並當所述流量測量裝 置包括一個以上的毛細管流量計時，在連接每個毛細管流量計與所述巖心夾持器的第四開 口的管線上分別設置有開關部。可選地，所述毛細管流量計的入口處還可以設置有密封元 件。相應地，圖5中S504的具體過程可以包括通過所述毛細管流量計針對同一個入 口端壓力，按照預設的多段時間長度，分別測量每段時間長度內從所述巖心滲流出的驅替液的體積。進一步地，當所述流量測量裝置包括至少兩個不同規格的毛細管流量計，並且分 別通過至少兩個開關部與所述巖心夾持器的出口端管線相連接時，圖5所示方法還可以包 括如下步驟根據所述巖心夾持器的第三開口壓力(入口端壓力)，通過開啟所述至少兩個 開關部的其中之一以啟動相應規格的毛細管流量計。進一步地，所述毛細管流量計的入口處還可以設置有密封元件。具體地，所述動力輸出裝置輸出的驅動壓力的最小值為O.OlMPa。在其它實施例 中，也可將動力輸出裝置輸出的驅動壓力的最小值設定為0. 005MPa。實施例5:以下以低滲透油藏巖心為例，並結合本發明實施例圖3所示的測量系統對圖5所 法方法進行詳細的說明。圖6為本發明實施例5的一種低速非線性滲流參數的測量方法的 具體流程圖。如圖6所示，該方法包括如下步驟S601、利用動力泵提供驅動能量，驅替中間容器的驅替液，使驅替液流經巖心。S602、當巖心入口壓力穩定時，記錄巖心入口壓力，並記錄巖心出口的流體體積。具體地，同一壓力下的流體流量至少記錄三次，然後將各次計算的流速算術平均， 以提高計量的準確性。S603、降低動力泵提供的壓力，重複上述操作，直至動力泵不足以提供更小的壓力 為止。在此過程中，當巖心夾持器入口壓力介於某一級壓力測量儀器範圍內時，關閉其 它兩級壓力測量儀器的閥門。每個壓力測量儀均通過獨立的閥門與巖心夾持器入口管線連 接。根據巖心夾持器入口壓力的變化順序，依次選用各壓力測量儀。只有當巖心夾持器入 口壓力在某一級壓力測量儀的量程範圍內時，才將與該壓力測量儀連接的閥門打開，並關 閉其它2個壓力測量儀的閥門。並且當巖心夾持器入口壓力同時滿足相鄰兩級壓力測量儀 的測量範圍時，優先選擇量程範圍較小且精度較高的壓力測量儀。S604、當動力泵提供的壓力達到其所能提供的最小值時，關閉中間容器的出口閥 門，並觀察液面水柱U型管的液面緩慢下降的情況，當液面連續幾天或更長時間內沒有發 生明顯變化，即液面達到穩定(巖心滲透率越低，穩定時間越長)時，通過讀取水柱U型管 內最終的液面高度差，並記錄水柱液面高度差，以便於計算巖心的啟動壓力。其中，觀察液 面是否達到穩定的時間範圍可能為幾天至幾周。S605、於實驗結束後進行數據處理和繪圖過程，將每一組壓力和流量數據分別處 理成壓力梯度和流速，並根據水柱U型管內液面穩定時的水柱液面高度差和壓力轉換公 式，計算巖心的啟動壓力，然後將啟動壓力轉換成啟動壓力梯度，最後繪製「流速-壓力梯 度」關係曲線。通過採用本發明實施例的測量方法，可以確保準確測量低速非線性滲流的壓力， 並測量低滲透多孔介質的啟動壓力，並可以準確測量微流量條件下的流體體積，有利於繪 制低滲透多孔介質中完整的低速非線性滲流特徵曲線，促進了低速非線性滲流理論的發展。以上實施例僅用以說明本發明實施例的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述 實施例對本發明實施例進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而 這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例各實施例技術方案的精 神和範圍。
權利要求
一種低速非線性滲流參數的測量系統，其特徵在於，所述測量系統包括中間容器，具有第一開口和第二開口，內部中空以容納驅替液；巖心夾持器，具有第三開口和第四開口，所述巖心夾持器的第三開口通過管線與所述中間容器的第二開口連接，所述巖心夾持器內設有巖心，在連接所述中間容器的第二開口與所述巖心夾持器的第三開口的管線上設置有開關部，所述開關部靠近所述第二開口；動力輸出裝置，通過管線與所述中間容器的第一開口連接，用於輸出不同的驅動壓力以驅替所述中間容器中的驅替液經由管線傳輸至巖心夾持器中的巖心；壓力測量裝置，包括壓力表和U型管壓力計，所述壓力表的量程大於所述U型管壓力計的量程；所述壓力表，通過管線與所述巖心夾持器的第三開口連接，用於當所述壓力表的量程與所述巖心夾持器的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而啟動，以測量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；所述U型管壓力計，通過管線與所述巖心夾持器的第三開口連接，用於當所述U型管壓力計的量程與所述巖心夾持器的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而啟動，以測量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；並當所述驅動壓力降低至最小值、所述開關部處於關閉狀態以及所述U型管壓力計內的液面達到穩定時，顯示液面高度差以獲得所述巖心的啟動壓力；流量測量裝置，通過管線與所述巖心夾持器的第四開口連接，用於測量在不同的所述第三開口壓力下從所述巖心滲流出的驅替液的體積。
2.根據權利要求1所述的測量系統，其特徵在於，所述流量測量裝置包括至少一個毛 細管流量計；當所述流量測量裝置包括一個以上的毛細管流量計時，在連接每個毛細管流 量計與所述巖心夾持器的第四開口的管線上分別設置有開關部。
3.根據權利要求3所述的測量系統，其特徵在於，所述毛細管流量計的入口處還設置 有密封元件。
4.一種低速非線性滲流參數的測量系統，其特徵在於，所述測量系統包括 中間容器，具有第一開口和第二開口，內部中空以容納驅替液；巖心夾持器，具有第三開口和第四開口，所述巖心夾持器的第三開口通過管線與所述 中間容器的第二開口連接，所述巖心夾持器內設有巖心，在連接所述中間容器的第二開口 與所述巖心夾持器的第三開口的管線上設置有開關部，所述開關部靠近所述第二開口 ；動力輸出裝置，通過管線與所述中間容器的第一開口連接，用於輸出不同的驅動壓力 以驅替所述中間容器中的驅替液經由管線傳輸至巖心夾持器中的巖心；壓力測量裝置，包括壓力表、第一 U型管壓力計和第二 U型管壓力計，所述壓力表的量 程大於所述第一 U型管壓力計的量程，所述第一 U型管壓力計的量程大於所述第二 U型管 壓力計的量程；所述壓力表，通過管線與所述巖心夾持器的第三開口連接，用於當所述壓力表的量程 與所述巖心夾持器的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而啟動，以測量在不同的驅動 壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；所述第一 U型管壓力計，通過管線與所述巖心夾持器的第三開口連接，用於當所述第 一 U型管壓力計的量程與所述巖心夾持器的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而啟動，以測量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；所述第二 U型管壓力計，通過管線與所述巖心夾持器的第三開口連接，用於當所述第 二 U型管壓力計的量程與所述巖心夾持器的第三開口壓力相匹配時，根據外部觸發而啟 動，以測量在不同的驅動壓力下所述巖心夾持器的第三開口壓力；並當所述驅動壓力降低 至最小值、所述開關部處於關閉狀態以及所述第二U型管壓力計內的液面達到穩定時，顯 示液面高度差以獲得所述巖心的啟動壓力；流量測量裝置，通過管線與所述巖心夾持器的第四開口連接，用於測量在不同的所述 第三開口壓力下從所述巖心滲流出的驅替液的體積。
5.根據權利要求4所述的測量系統，其特徵在於所述第一 U型管壓力計包括水銀柱U型管壓力計；所述第二 U型管壓力計包括水柱U 型管壓力計或者煤油柱U型管壓力計。
6.根據權利要求4所述的測量系統，其特徵在於，所述壓力表、所述第一U型管壓力計和所述第二U型管壓力計分別通過第一開關部、第 二開關部和第三開關部與所述巖心夾持器的第三開口管線連接。
7.根據權利要求4-6中任一項所述的測量系統，其特徵在於，所述流量測量裝置包括 至少一個毛細管流量計；當所述流量測量裝置包括一個以上的毛細管流量計時，在連接每 個毛細管流量計與所述巖心夾持器的第四開口的管線上分別設置有開關部。
8.根據權利要求7所述的測量系統，其特徵在於，所述毛細管流量計的入口處還設置 有密封元件。
9.一種低速非線性滲流參數的測量方法，其特徵在於，所述方法包括通過動力輸出裝置輸出不同的壓力以驅替中間容器中的驅替液經由管線傳輸至巖心 夾持器中的巖心；通過以管線與所述巖心夾持器的第三開口連接的壓力測量裝置，測量在不同的驅動壓 力下所述巖心夾持器的第三開口壓力，所述壓力測量裝置包括壓力表和U型管壓力計，所 述壓力表的量程大於所述U型管壓力計的量程；根據所述巖心夾持器的第三開口壓力與所述壓力表和所述U型管壓力計各自的量程 的匹配結果，啟動所述壓力表和U型管壓力計的其中之一；通過以管線與所述巖心夾持器的第四開口連接的流量測量裝置，按照預設時間長度測 量在不同的所述第三開口壓力下從所述巖心滲流出的驅替液的體積；當所述驅動壓力降低至最小值時，關閉靠近所述中間容器的第二開口的開關部，獲取 所述U型管壓力計內的液面達到穩定時的液面高度差，並根據所述液面高度差獲得所述巖 心的啟動壓力。
10.一種低速非線性滲流參數的測量方法，其特徵在於，所述方法包括通過動力輸出裝置輸出不同的壓力以驅替中間容器中的驅替液經由管線傳輸至巖心 夾持器中的巖心；通過以管線與所述巖心夾持器的第三開口連接的壓力測量裝置，測量在不同的驅動壓 力下所述巖心夾持器的第三開口壓力，所述壓力測量裝置包括壓力表、第一 U型管壓力計 和第二 U型管壓力計，所述壓力表的量程大於所述第一 U型管壓力計的量程，所述第一 U型 管壓力計的量程大於所述第二 U型管壓力計的量程；根據所述巖心夾持器的第三開口壓力與所述壓力表、所述第一 U型管壓力計和所述第 二 U型管壓力計各自的量程的匹配結果，啟動所述壓力表、所述第一 U型管壓力計和所述第 二U型管壓力計三者的其中之一，關閉上述三者中的另外兩者； 通過以管線與所述巖心夾持器的第四開口連接的流量測量裝置，按照預設時間長度測 量在不同的所述第三開口壓力下從所述巖心滲流出的驅替液的體積；當所述動力輸出裝置輸出的驅動壓力降低至最小值時，關閉靠近所述中間容器的第二 開口的開關部，並獲取所述第二 U型管壓力計內的液面達到穩定時的液面高度差，以根據 所述液面高度差獲得所述巖心的啟動壓力。
全文摘要
本發明實施例提供了一種低速非線性滲流參數的測量系統和方法，該系統包括動力輸出裝置通過管線與中間容器的第一開口連接，輸出不同的驅動壓力以驅替中間容器中的驅替液經由管線傳輸至巖心夾持器中的巖心；壓力測量裝置，包括壓力表和U型管壓力計，分別通過管線與巖心夾持器的第三開口連接，測量在不同的驅動壓力下巖心夾持器的第三開口壓力；U型管壓力計還當驅動壓力降低至最小值、開關部處於關閉狀態及自身的液面穩定時，顯示液面高度差以獲得巖心啟動壓力；流量測量裝置，通過管線與巖心夾持器的第四開口連接，測量在不同的第三開口壓力下從巖心滲流出的驅替液體積。該系統可對低速非線性滲流條件下的壓力、啟動壓力和流體體積精確測量。
文檔編號G01N15/08GK101852714SQ201010164988
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者曾保全, 李春蘭, 程林松, 鄭華, 郝斐 申請人:中國石油大學(北京)