五岩芯联测物理模拟装置及流体性质识别方法与流程

本发明涉及一种模拟地层条件下的钻井泥浆侵入物理模拟装置及基于该装置实验数据的流体定性识别方法，属于石油勘探开发领域。

背景技术：

在测井数据处理与解释过程中，利用测得的地层电阻率参数识别油气层，是测井储层评价的重要内容之一。但是在钻井过程中，由于泥浆及其滤液侵入改变了储层的电阻率，再加上井场工程因素(如井内压力波动、缩径等)的影响，导致侵入带半径并非固定不变，从而影响储层测井评价的精确度，而随着复杂油气藏成为研究和勘探的热点，复杂储层油水识别的困难与矛盾日益突出，国家油气专项中设立了复杂储层流体识别专题，油田方面基本从资料入手来解决问题，目前国内外油田方面基本上从地化录井、定量荧光录井、核磁测井等资料入手来进行流体性质识别，但是以上方法都存在相应的局限性。

地化录井在样品呈块状的情况下，岩石热解录井在油气水层判别具有很高的可信度，但受钻井工程方面的制约是其严重缺陷，地化录井要求录井岩屑呈颗粒状，对岩石样品选择有很高要求；定量荧光录井技术对地层中的原油及碎屑岩地层中的水可以很好的识别，但很难识别碳酸盐岩地层中的水，对岩性的要求比较高；核磁测井能够很好的识别地层中的油水，实现了对油水评价的定量解释，但是核磁测井的成本太高，难以推广。

而在钻井泥浆侵入方面，目前国内外柱塞状岩芯泥浆侵入模拟装置能够使用长岩芯研究侵入过程中径向电阻率的变化，帮助建立电测井响应泥浆侵入校正模型，但是其侵入过程没有考虑到地层的实际情况，应用单一的渗透性岩芯实验而没有考虑相邻油水层同时侵入的过程，同时没有考虑上下围岩以及夹层。因此亟需一套完整的泥浆侵入模块来研究不同条件下泥浆侵入油水层差异，解决储层流体识别的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种五岩芯联测物理模拟装置及流体性质识别方法，旨在利用五岩芯联测的实验装置，形成完整的闭合地层系统，比较精确地对地层条件下的泥浆侵入的模拟，同时监测侵入过程中相邻层位之间的电位变化和不同侵入深度电阻率随时间变化规律来识别储层流体性质。

为达到以上技术目的，本发明所采用的技术方案是：

所述五岩芯联测物理模拟装置，主要由泥浆循环模块、地层侵入室、数据采集处理系统和滤失滤液计量模块组成。所述的泥浆循环模块通过5cm循环管道连接到多功能滤失夹持器的前端，地层侵入室由五个并联的岩芯夹持器构成，各个岩芯夹持器的密封实体上面有围压孔，通过围压孔对实验岩芯施加围压，而岩芯夹持器内部电极环通过引线连接到外部的数据采集处理系统，岩芯夹持器的下堵头连接管线再连接滤失滤液计量模块。

所述泥浆循环模块由泥浆循环泵、泥浆罐、自动恒压泵和泥浆循环管道组成，其中泥浆循环泵为单向泵，连接在泥浆管路的中间，上端连接有泥浆罐，泥浆罐上下端各开有注入口和排出口，由开关控制，泥浆罐连接自动恒压泵。

所述地层侵入室适用岩芯参数为φ25×50-100mm，包含五个并联的夹持器，依次对应地层条件下的盖层、油层、隔层、水层、底层；所装入的岩芯依次为泥岩、饱和油岩芯、泥岩、饱和水岩芯、泥岩，所有岩芯夹持器的前端连通构成模拟井筒。

所述地层侵入室的岩芯夹持器上下堵头采用高强度不锈钢材料制成，它首先是实验中的液流通道，保证完成基本的驱替试验。另外在上下堵头与岩芯接触的端面内嵌有电极，用来测定岩芯电阻率参数。上下堵头均可调节长度，用来适应不同的岩芯长度。

所述地层侵入室的岩芯夹持器内部有氟橡胶胶筒，胶筒为耐高温高压材料，胶筒与不锈钢外套之间有缝隙，连接有围压孔和加力孔；

所述地层侵入室油、水层对应的岩芯夹持器胶筒内部均有5个不等间距环状电极，从岩芯端面算起电极环之间距离分别为10、15、20、25、25mm，可以用来分段测量规格为φ25×50-100mm岩芯的电阻及相对应的电阻率。

所述数据采集处理系统包括计算机、电极、电阻率测量仪、电位测量仪和相关电路，所述电极包括两端的平面电极和中间的五个环状电极，两端平面电极通过电位夹连入切换电路，环状电极通过引线连入切换电路，然后平面电极和环状电极再连接到电阻率测量仪和电位测量仪，通过计算机的数据采集软件分别测量相邻环状电极之间的电阻和电阻率以及相邻岩芯夹持器岩芯的电位差变化。

所述滤失滤液计量模块，其刻度玻璃管连接岩芯夹持器柱塞滤液出口端，可以刻度玻璃管置于精密天平之上，精密天平连接在电脑上面，通过电脑软件实时记录质量变化。

泥浆循环模块由泥浆循环泵、泥浆罐、自动恒压泵和泥浆循环管道组成，其中泥浆循环泵为单向泵，连接在泥浆管路的中间，上端连接有泥浆罐，泥浆罐上下端各开有注入口和排出口，由开关控制，泥浆罐连接自动恒压泵。

本发明的另一发明内容是提供一种基于五岩芯联测物理模拟装置实验数据的流体性质识别方法，其特征是应用如前面所述的五岩芯联测物理模拟装置，根据该模拟装置中油水层泥浆侵入电阻率变化和电化学电位差异来识别流体性质，具体实现步骤如下：

(1)将待测量的岩芯装入岩芯夹持器，其中盖层、隔层、底层装入泥岩，油水层装入物性相近的渗透性岩芯；

(2)放入夹岩芯持器右端的调节柱塞，调节旋钮使岩芯端面与岩芯夹持器内胶筒端面平齐，装上岩芯夹持器上端堵头，连接好实验循环管道，在前后堵头接上电位夹；

(3)利用围压泵连接围压孔向岩芯施加围压，利用回压泵向岩芯施加回压；

(4)分别通过油水层的恒流泵连接中间容器再连接到岩芯，中间容器储液为水，对油水层的岩芯饱和水；

(5)将储油中间容器的储液换为实验所需要的油样，对油层已饱和水岩芯进行油驱水实验，直到完全驱替；

(6)将泥浆由泥浆罐注入泥浆循环管道，打开泥浆循环泵，保证泥浆充满管道，关闭注入口，通过自动恒压泵为泥浆提供循环压力；

(7)通过数据采集处理软件监测泥浆侵入过程中不同深度的电阻率、电位随时间变化情况，同时通过量筒和天平实时记录滤失滤液的体积和质量；

(8)研究油水层电阻率随时间变化差异和油水层层间电位差异，分析油水层侵入规律，识别不同的流体性质；

(9)改变不同的实验条件，包括泥浆配置、地层水矿化度、物性、岩性、含油性及其分布，重复上述实验过程，对比不同条件下的泥浆侵入实验。

本发明与现有技术相比较，其优越性在于：

本发明应用五岩芯联测闭合实验装置模拟组成复杂地层，所有夹持器前端贯通，形成模拟井筒，井筒内模拟泥浆循环流动，能够同时进行油水层岩芯侵入对比试验，并且该发明装置能够测量不同侵入深度岩芯的电阻率变化，为建立泥浆侵入深度计算及电阻率校正提供实验依据；同时能够测量并联夹持器岩芯之间的电位变化，结合油水层侵入电阻率变化差异，达到识别流体性质的效果。本发明能够适用于不同岩性、物性、含油气性等不同条件下的泥浆侵入实验，解决复杂储层流体性质识别的难题。实现从实验出发，通过物理模拟进行油水识别，对于研究实际的泥浆侵入过程有十分重要的指导意义。

附图说明

图1是五岩芯联测物理模拟装置结构示意图。

图2是岩芯夹持器(油、水层)结构示意图。

图3是泥浆侵入电极环分布结构示意图。

图4a是油层岩芯电阻率变化示意图。

图4b是水层岩芯电阻率变化示意图。

图5是油水层电位变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本发明及实验的具体操作过程。

模拟井下泥浆侵入的五岩芯联测闭合系统实验装置，包括泥浆循环模块、地层侵入室、压力系统、数据采集处理系统、滤失滤液计量模块。如图1所示，所述的泥浆循环模块由泥浆循环管路15一端连接到底层岩芯夹持器14，一端连接到泥浆循环泵17，泥浆循环泵为单向泵，泥浆循环泵与底层岩芯夹持器14之间有泥浆放空阀门16，用于试验完成后排出下小循环管路中的泥浆；泥浆循环泵上游接泥浆罐18，泥浆罐18为储存泥浆的中间容器，为带活塞的腔体，泥浆罐18连接到盖层岩芯夹持器10，泥浆罐18通过快接头连接到自动恒压泵19，自动恒压泵19为泥浆循环提供动力和驱替压力；泥浆循环是按照自下向上单向循环，与实际地层泥浆循环的方向一致；所述的地层侵入室包括盖层岩芯夹持器10、油层岩芯夹持器11、隔层岩芯夹持器12、水层岩芯夹持器13、底层岩芯夹持器14，五个夹持器之间采用并联方式，五个岩芯夹持器适用岩芯参数均为φ25×50-100mm，耐压80Mpa，耐高温200℃。回压由气瓶1先加围压，通过压力表2来显示回压大小，当回压不够时，可以通过手压泵3继续增大到实验所需的回压，可以通过盖层阀门5来调整回压大小，回压器4连接到地层侵入室下游，油层阀门6、隔层阀门7、水层阀门8、底层阀门9控制整个地层侵入室的回压；油水层对应的岩芯夹持器通过引线接到外部的电位测量仪22和电阻测量仪23，在接到主机24上采集电位和电阻的动态数据；油泵20、水泵21分别连接在油层岩芯夹持器11和水层岩芯夹持器13上面，为岩芯饱和流体提供动力；实验过程中产生的滤失滤液通过导管导入带刻度玻璃容器25中，容器25放置于精密天平26之上，天平连接到主机24上面实时记录滤液的质量变化。

进一步地，该发明利用五个并联的岩芯夹持器组成闭合地层系统，所有岩芯夹持器前端连通组成模拟井筒，五个岩芯夹持器从上往下依次模拟地层的盖层、油层、隔层、水层、底层，其中油、水层对应的油层岩芯夹持器和水层岩芯夹持器的结构示意图如图2所示。

岩芯夹持器的上堵头27和下堵头33将岩芯紧密加持在胶套内部，上堵头前端有电位夹持点39，电位夹夹持在上面；上堵头和下堵头与岩芯接触端面有前平面电极37和后平面电极35；密封端盖38密封所有岩芯夹持器，在密封端盖38上有加力孔28，用于施加驱替压；在所有岩芯夹持器上面有围压孔29，所有岩芯夹持器壳体和胶筒之间有空隙，通过外部加油压充满空隙挤压胶筒可以对岩芯施加围压；胶筒36采用氟橡胶材料做成，内部包裹岩芯32，与岩芯32接触端面分布有5个不等间距的环状电极31，当施加围压时，环状电极与岩芯紧密相连；环状电极通过引线30接到外部电路测量其电阻变化情况；下堵头33末端有滤失孔34，使滤失滤液可以通过，连接到滤液计量装置中；整个岩芯夹持器可以采用电加热方式加热，使用智能型自动温控仪控温并加设超温报警系统，工作温度：室温～200℃可调控温精度±0.5℃。

本发明采用五个岩芯夹持器并联组成闭合地层系统，模拟地层条件下的泥浆侵入，可以很好的还原地层实际条件，通过改变不同实验条件，模拟复杂储层，监测实验中油水层侵入过程中的电阻率、自然电位、滤失速率差异可以研究泥浆侵入机理和规律，达到定性识别流体性质的目的。

下面对应用五岩芯闭合地层系统实验装置进行实验方法以及流体性质识别方法进行详细说明，具体步骤如下：

1、实验准备

(1)配制溶液(包括地层水溶液、实验用油和泥浆驱替溶液)。

(2)测量岩芯长度、直径、渗透率等实验所需的基本数据。

2、填装岩芯

(1)卸松岩芯夹持器端盖螺丝。

(2)从岩芯夹持器左端缓缓推入岩芯。

(3)放入岩芯夹持器下堵头，调节旋钮使岩芯端面与夹持器内胶筒端面平齐。

(4)拧紧岩芯夹持器端盖螺丝。

3、给岩芯加环压、系统加回压，给地层侵入室恒温

(1)根据实验要求，用手摇泵给地层侵入室加实验设定的围压。

(2)根据实验要求，先用气瓶加回压，如果达不到实验所规定的压力，则需用手压泵把压力加上去。

(3)将地层侵入室置于恒温箱之中，调节恒温箱温度与实际对应的地层温度一致。

4、对实验岩芯饱和水处理

选择实验地层同一层位取心岩芯，加工成柱塞状岩芯，岩芯规格为φ25×50-100mm，将实验岩芯洗油、洗盐、烘干处理，再将岩芯装入油水层对应的岩芯夹持器，上下围岩和夹层的岩芯也采用实际地层取心岩芯，饱和水与地层水浓度相同；用抽真空装置将实验岩芯和饱和用水抽真空至真空状态，关闭下堵头阀门，此时饱和用水充满中间容器连接地层侵入室一端，油水中间容器都充满饱和用水，对五个岩芯夹持器中的岩芯都饱和水。打开视电阻率测量仪，打开计算机数据采集软件，录入实验岩芯的参数，设定实验的采样周期，设定驱替排量和和恒压泵压力，打开恒压泵使其工作，点击开始测量进行饱和水实验，同时测量五个电极环两两之间电阻，并存储电阻数据，观察电阻随时间变化规律，至5个电极环电阻不再变化认为饱和完毕。

5、对实验油层岩芯油驱水处理

关闭除油层外其他岩芯夹持器进液阀门，更换油层中间容器饱和用水为饱和用油，点击饱和油，截止油层饱和用阀门，暂停给油层供压的恒流泵，泄除管路内的压力，进行油驱水实验。截止油层饱和用阀门是为了让岩芯内部状态不改变，等油泵压力再次达到油层岩样现存压力时，打开截止阀门，采集方式改成自动测量，实验过程至岩芯电阻率不再变化认为饱和油实验过程完毕。

6、泥浆驱替实验

在饱和油完成过后，将饱和用管路换成泥浆循环管模块，连接实验管路和相关数据采集线路，连接油水层岩芯夹持器下堵头后端的滤液计量管道，初始时刻带刻度玻璃容器内部无液体。从泥浆罐上端泥浆注入口注入所配置的泥浆，当泥浆充满循环管道和泥浆循环泵之后，关闭注入口阀门，打开自动恒压泵电源，手动加压至设定的压力，打开泥浆循环泵电源使泥浆循环，打开上堵头阀门和下堵头阀门，设定泥浆循环压力，设定好驱替排量，打开电位测量仪，再选择自动测量即可进行泥浆循环实验，测量岩芯夹持器之间的电位动态变化情况和电极环之间的电阻变化情况，记录滤失滤液量及质量变化情况，当自然电位不再变化，电阻保持一定后认为泥浆驱替过程完成，结束数据采集，导出采集数据，关闭采集软件。

7、实验对比

在不同的泥浆配置、地层水矿化度、物性、岩性、含油性及其分布条件下重复上述实验，研究不同条件下泥浆侵入油水层岩芯的侵入规律，模拟不同条件下泥浆侵入流体识别。

8、后续实验处理

泥浆驱替实验完成以后，先打开泥浆放空阀，放空实验用泥浆，用清水清洗试验用循环管路3-4次，保证循环管道清洗干净；打开回压放空阀，放空回压；打开围压放空阀，放空围压；取出岩芯夹持器中的岩芯，实验完毕。

9、流体性质识别

在实际地层泥浆侵入过程中，由于泥浆滤液质量浓度C_mf与地层水矿化度C_w存在差异，会形成扩散电动势E_d和扩散-吸附电动势E_da，将地层等效为井内泥浆柱、冲洗带、原状地层、以及相邻的泥岩层段，设井内的泥浆柱等效电阻为r_m、储层冲洗带等效电阻为r_xo，未侵入带等效电阻为r_t、泥岩等效电阻为r_sh，则串联电路的等效电流为：

$I=\frac{E_d-E_{da}}{r_m+r_{xo}+r_t+r_{sh}}---\left(1\right)$

将储层的自然电位记为SP，将其看为自然电流在井内泥浆柱上的电位降，则满足：

$SP={\mathrm{Ir}}_m=\frac{E_d-E_{da}}{r_m+r_{xo}+r_t+r_{sh}}{r}_m---\left(2\right)$

当储层含油饱和度比较高或者是油层时，储层电阻率比它完全含水时会高出很多，使得rt明显升高，因此相比纯水层自然电位减小。

图5为利用五岩芯联测物理模拟装置得到的油水层岩芯自然电位变化曲线，实验条件为咸水泥浆低侵，自然电位表现为正异常；初始时刻水层自然电位比油层自然电位高，并且达到平衡时油层岩芯自然电位比水层自然电位略低但是比较接近，与实际相符合。

图3所示为电极环结构分布，分别测量从泥浆侵入端面到各个电极环之间的电阻率数据，实验的泥浆为盐水泥浆。图4是油水层岩芯泥浆侵入电阻率变化曲线，油水层岩芯均为低侵，但是在泥浆侵入初始时刻油层油层岩芯电阻率明显比水层岩芯电阻率高，侵入过程中，油层岩芯先达到侵入平衡，并且电阻率变化幅度大，水层电阻率变化幅度较小。

结合油水层电阻率变化曲线与自然电位曲线，可以发现油水层岩芯在自然电位和电阻率变化存在明显差异，可以根据这些差异来识别流体性质；当岩芯在外部饱和时，即省略上述实验步骤4和5，装入油水层岩芯夹持器岩芯饱和流体性质不明时，可以根据上述的自然电位差异和电阻率变化差异来判断岩芯内部流体性质。

本发明根据数据采集得到的油水层不同侵入深度的电阻率变化以及油水层电位变化数据，结合油水层岩芯滤失滤液分析对比油水层的差异，达到定性识别油水层的目的。