一种非稳态变流速大尺度岩心水驱气相对渗透率测试方法

1.本发明涉及水驱气藏开采技术领域，具体为一种非稳态变流速大尺度岩心水驱气相对渗透率测试方法。


背景技术：

2.世界能源优化结构要求能源逐渐向低碳化甚至无碳化发展。天然气作为一种低碳化能源，热效率高、环境效益好，在目前能源结构中占据举足轻重的位置。据2020年世界能源统计分析，天然气在世界油气一次能源消费结构中占比达到总能源的24.2％，创历史新高。从我国的形式来看，国家已经将天然气的开发和利用提高到非常重要的位置。因此，提高天然气的产量将有助于我国国民经济对天然气日益增长的需求。国内水驱气藏在已投入开发气藏中占有较大比重，其中主要分布在四川气田，南海气田等。水驱气藏开发初期不产水，随着生产压力的下降，边水侵入是水驱气藏开发后期产生气水两相流的主要原因。气水两相渗流理论属于多相渗流理论研究，大多数多相渗流理论主要集中在油水两相、油气两相和油气水三相渗流，对气水两相渗流过程研究相对较少。对于非均质强的孔隙型疏松砂岩水驱气藏，开发过程主要以水驱气渗流形式为主。水驱气藏开发过程中两相渗流过程较为复杂，在气藏开发过程中由于边水侵入气区形成水驱气两相渗流，而随着开采地层压力下降，封闭气体积膨胀在气藏中又会形成气驱水两相渗流。因此，水驱气藏在渗流过程是同时存在水驱气和气驱水两种渗流方式。气驱水和水驱气渗流过程是不一样的，其实验测量方法和相对渗透率曲线也不同，所获得的剩余气饱和度存在较大差异。显然目前矿场实验常用气驱水相对渗透率实验测量结果来获得水驱气藏剩余气分布和实际水驱气藏剩余气分布是不匹配的，较难指导实际水驱气藏剩余气的高效开采。
3.现有技术可获得水气相对渗透率曲线，但是由于水驱气藏特殊的成藏条件和开采要求，这些方法应用于水驱气藏还存在一定的不足：
4.(1)水驱气藏非均质性较强，储层绝对渗透率从零点几毫达西到几百毫达西不等。孔喉分布较为复杂，常规实验直接获取水气相对渗透率曲线较为困难，且价格昂贵。
5.(2)大部分水驱气藏富含较为活跃的边底水，边底水的侵入使得水驱气藏渗流规律十分复杂。常规气藏的渗流机理和气、水两相相对渗透率计算公式以及含水饱和度的求取都无法满足水驱气藏的实际生产要求。
6.(3)目前大多气藏使用非稳态气驱水的实验方法获得气水相对渗透率曲线，该方法克服了稳态法较为费时等缺陷，但是由于大部分水驱气藏渗透率较高，气驱水的实验方法所获得的气水相对渗透率曲线两相共渗区宽，残余气饱和度较低。如果用气驱水得到的相对渗透率曲线计算的剩余气分布与气藏实际剩余气分布存在很大偏差，预测不准不利于提高剩余气的采收率。
7.(4)水驱气藏在水侵过程中，储层表面颗粒脱落运移造成气水相对渗透率的变化。目前实验方法无法测定和校准。
8.(5)常规标准岩心(5cm*2.5cm)内含气量较少，且入口端和出口端压力差使得气体
体积发生膨胀。用水驱气实验方法在常规标准岩心中很难准确计量累积产气量。所测得的相对渗透率曲线不准确。
9.(6)在实验过程中，管线、夹持器以及计量装置中的死孔隙体积对气、水两相相对渗透率数据的获取有很大影响。
10.(7)采用其他气水两相相对渗透率，如生产数据计算、毛管压力计算等间接求取的方法，计算量较大，且具有较高的成本。
11.因此，准确获得水驱气藏剩余气分布，测准气水两相渗流规律，一直是水驱气藏渗流理论研究的前沿课题，也是水驱气藏提高采收率亟待解决的关键技术。为了更好的研究水驱气藏开发规律，必须弄清水侵过程中固体颗粒运移、水侵速度等因素对水气两相相对渗透率的影响。由于常规标准岩心(2.5cm*5cm)内孔隙范围太小，所含气体量较小而无法精确测量累积产气量。因此，本专利使用人造大尺度岩心(7cm*10cm)，岩心孔隙度为20％左右，保证岩心中的气体量足够在出口端被精确计量。另外，本专利利用u型管原理，采用排水采气方法计量出口端随时间增加的累积产气量和累积产水量。将实验测量结果与核磁共振t2谱结果进行对比，降低实验误差，使得实验结果更能加符合实际气藏。最后，在实验数据处理的过程中，采用非稳态jbn拟合的方式进行水气相渗的数据拟合，由于气体的可压缩性，我们必须求解平均压力下气体体积增量。在使用大尺度岩心实验计算含水饱和度时，死孔隙体积是一个不容忽略的量。在实验过程和数据处理中，应人为去掉死孔隙体积，避免造成相对渗透率曲线的偏移。


技术实现要素：

12.本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
13.鉴于现有气驱水相对渗透率测试方法中存在的问题，提出了本发明。
14.因此，本发明的目的是提供一种非稳态变流速大尺度岩心水驱气相对渗透率测试方法，仅靠两个六通阀就可以同时测量气驱水和水驱气实验，操作简单，成本低，实现的功能多，精确度高。
15.为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
16.一种非稳态变流速大尺度岩心水驱气相对渗透率测试方法，其包括如下步骤：
17.步骤一：从研究区取心后，测量取心样品的孔隙度φ和渗透率k，结合研究区测井曲线确定孔隙度φ和渗透率k的范围，并对取心样品进行x衍射，得到其矿物组成，根据取心样品的矿物组成合成相应孔隙度φ和渗透率k范围内的人造大尺度全直径岩心，将人造大尺度全直径岩心放入烘箱内烘干48小时后取出，按照行业标准测量其直径d，长度l，计算截面积a，孔隙度φ和渗透率k，大气压pa下称其干重m1，再将称取干重后的岩心样品放入真空泵中抽真空加压饱和模拟地层水kcl溶液，称湿重m2，将饱和kcl溶液后的岩心样品放入核磁共振t2监测系统14中，扫描完全饱和状态下的t2谱图；
18.步骤二：将饱和kcl溶液后的岩心装入大尺度全直径岩心夹持器6中，按照附图1中的连接方式进行连接，首先进行气驱水实验建立束缚水饱和度，具体方法如下：岩心夹持器
左端的六通阀连接氮气瓶1的阀门打开，而连接isco流体注入泵2的阀门关闭，六通阀右端连接干燥瓶10的阀门打开，而连接带刻度玻璃管11的阀门关闭，这时附图1中所示线路为气驱水实验流程；
19.步骤三：建立束缚水饱和度；用高精度围压泵给大尺度全直径岩心夹持器6中加围压至15mpa后关闭围压泵阀门，使得岩心夹持器6中的围压始终保持在15mpa不变；打开氮气瓶1，经过减压阀按照公式1所计算的参考驱替压差进行气驱水实验；在实验过程中用秒表计量累积时间，压力传感器4计量实验过程中驱替压差的，电子天平9计量干燥瓶4中吸收溶液的重量m3，用气体流量计量装置13计量采出气体的量；直到电子天平9的重量不再发生变化或注入气体量大于30倍岩心孔隙体积后，停止供气；称束缚水状态下的岩心重量m3，并计算束缚水状态下孔隙体积v
φ
；
20.v
φ
＝alφ
‑
(m3
‑
m1)*μ
w
21.步骤四：将束缚水状态的岩心放入核磁共振t2谱监测系统14中，测量束缚水在岩心中的分布；对束缚水状态的岩心再进行不同毛管数作用下的水驱气实验；在水驱气实验中，大尺度全直径岩心夹持器6的左端六通阀打开连接isco流体注入泵2的阀门，关闭连接氮气瓶1的阀门；而大尺度全直径岩心夹持器6的右端关闭连接干燥瓶10的阀门，打开连接带刻度玻璃管11的阀门；调节isco流体注入泵2使得注入流量分别选择0.5ml/min，1.5ml/min，2.5ml/min；通过毛管数计算公式ca＝(v*μw)/σgw计算注入毛管数；用秒表记录累积时间δt，用带刻度的玻璃管11上水位的变化计量随时间增加的累积产气量δg，用左端六通阀14上连接的压力传感器4读取随时间变化的驱替压差δp，用烧杯12下的电子天平9读取随时间增加的累积产水量δw；
22.其中，根据达西公式和能量守恒定律，推导出水驱气过程中，含水饱和度，水相相对渗透率和气相相对渗透率；
23.水驱气含气饱和度：
24.水驱气含水饱和度：s
w
＝100
‑
s
g
25.水相相对渗透率：
26.气相相对渗透率：
27.其中：(由于气体具有压缩性，在水驱气实验过程中，气体体积会发生变化，此处求得的δg’指平均压力下气体体积的增量，为矫正值)，推导得到了水驱气实验含水饱和度s
o
，水相相对渗透率k
rw
和气相相对渗透率kr
g
计算公式；并在气相相对渗透率公式中考虑了气体体积随压差的变化，求解出δg’平均压力下的累积产气量；
28.步骤五：在水驱气实验过程中，选择合适的时间进行核磁共振t2谱的测量，得到一簇随着时间的增加，注入水在岩心中的分布规律，根据核磁共振t2谱图计算残余气饱和度，将核磁共振t2谱所得残余气饱和度和水驱气实验所得到的残余气饱和度值进行对比和矫正，得到实验的误差范围。求解水驱气实验水气相对渗透率计算公式中的矫正系数ε。
29.作为本发明所述的一种非稳态变流速大尺度岩心水驱气相对渗透率测试方法的
一种优选方案，其中：采用水驱气实验装置并结合核磁共振t2谱来完成，该装置主要由以下四个系统完成，包括能量供给系统、实验测试系统、实验计量系统和核磁共振t2谱监测系统；能量供给系统包括氮气瓶1，isco流体注入泵2、中间容器3中储存地层水，压力传感器4和减压阀5；实验测试系统包括大尺度全直径岩心夹持器6，高精度围压泵7，压力表8；实验测试系统包括电子天平9，干燥瓶10，带刻度的玻璃管11、烧杯12，气体流量计量装置13；核磁共振t2谱监测系统14；将饱和水的岩心装入大尺度全直径岩心夹持器6中，用高精度围压泵7加围压至15mpa，关闭围压泵使得大尺度全直径围压泵内的压力在实验过程中保持15mpa不变；大尺度全直径岩心夹持器6的左端连接六通阀14，六通阀14的一个端口通过减压阀5连接氮气瓶1，另外一个端口通过压力表8和中间容器3连接到isco流体注入泵2上，通过isco流体注入泵2将中间容器3中的模拟地层水以恒定流量或恒定压力的方式注入到岩心夹持器中；六通阀上还安装有压力传感器4，通过压力传感器可精确监测到注入气体或者注入液体的压力变化；大尺度全直径岩心夹持器6的另一端也连接一个六通阀14，该六通阀14的一个端口先通过一个干燥瓶(装有无水氯化钙)10，干燥瓶放置在电子天平9上，通过电子天平计量进入干燥瓶中的水量；干燥后的气体进入气体流量计量装置13进行气体计量；这个端口是气驱水实验过程中，由于气体量多而水量较少设计的；当进行气驱水实验时，该端口打开，而做水驱气实验时，该端口关闭；六通阀14的另外一个端口通过管线连接到带刻度的玻璃管11中，带刻度的玻璃管11内装有水，倒插在装水的烧杯12中并固定；烧杯12下端放置电子天平9；当进行水驱气实验时，气量较少而水量较多，采用该方法可准确测量微量的气量。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31.(1)在传统气驱水相对渗透率实验装置上增加了水驱气相对渗透率实验装置，仅靠两个六通阀实现了两组实验之间轻松切换。操作简单，可控性强，成本低，测量精准。
32.(2)使用大尺寸全直径岩心进行水驱气实验，岩心中饱和气量较高，便于测量。
33.(3)实验计量系统，气驱水和水驱气实验分别采用不同的计量方式。气驱水实验由于水量较少，气量较多，因此岩心夹持器出口端的混合流体先经过干燥瓶计量水，干燥后的气体经过气体计量装置进行计量。而水驱气实验由于气量较少，水量较多，因此岩心夹持器出口端的混合流体先经过带刻度的玻璃管计量气体，同时通过电子天平计量水量。
34.(4)提出了通过改变注入毛管数ca，可有效改变水驱气实验的剩余气饱和度。与常规气藏或者油藏注入开采完全相反。增加注入毛管数ca，水气相对渗透率曲线向左偏移，无水采气期越短，越不利于天然气的开采。此过程对于水驱气藏来说，相当于边水侵入速度越快，无水采气期越短，气井很快见水而不利天然气的开采，剩余气饱和度很高。减少注入毛管数ca，则刚好相反。边水侵入速度越慢，无水采气期越长，气井见水时间越晚采气量越高。
35.(5)本发明每个实验环节都具有相应的监测和验证方法，在气驱水实验过程中，采用核磁共振得到束缚水状态气水分布规律和水驱气实验过程中，剩余气随注水时间的变化。在水驱气实验结束后，利用核磁共振t2谱矫正和监测水驱气实验气水分布规律。
36.(6)本发明在实验过程中，消除死孔隙体积的影响，减少实验的误差。
37.(7)本发明在实验过程中，考虑了气体体积随着压力变化而变化的特性，用平均压力下的气体体积增量δg’来参与计算，降低气相相对渗透率因实验条件变化而出现的误差。
38.(8)本发明实验方法简单，可同时实现水驱气藏成藏过程和开发过程的实验研究，同时利用核磁共振t2谱实时监测，实验精度高，受人为误差影响小。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
40.图1为气驱水和水驱气实验装置图；
41.图2为不同毛管数ca所对应的注入流量下，水驱气相对渗透率曲线图(图中：k
rg
(0.5ml/min)为低ca所对应注入流量的气相相对渗透率曲线，k
rw
(0.5ml/min)为低ca所对应注入流量的水相相对渗透率曲线；k
rg
(1.5ml/min)为中ca所对应注入流量的气相相对渗透率曲线，k
rw
(1.5ml/min)为中ca所对应注入流量的水相相对渗透率曲线；k
rg
(2.5ml/min)为高ca所对应注入流量的气相相对渗透率曲线，k
rw
(2.5ml/min)为高ca所对应注入流量的水相相对渗透率曲线)；
42.图3为水驱气实验核磁共振t2谱图。
43.图中；1、氮气瓶；2、isco流体注入泵；3、中间容器；4、压力传感器；5、减压阀；6、大尺度全直径岩心夹持器；7高精度围压泵；8、压力表；9、电子天平；10、干燥瓶；11、带刻度的玻璃管；12、烧杯；13、气体流量计量装置。
具体实施方式
44.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
45.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
46.其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
47.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
48.实施例1
49.一种非稳态变毛管数大尺度岩心水驱气相对渗透率测试方法，在传统气驱水实验装置的基础上加装了水驱气实验装置，用来完成水驱气藏水侵过程中，水侵速度对天然气采收率及剩余气分布规律的影响。该装置(见附图1)由能量供给系统包括氮气瓶1，isco流体注入泵2、中间容器3中储存地层水，压力传感器4和减压阀5；实验测试系统包括大尺度全直径岩心夹持器6，高精度围压泵7，压力表8；实验测试系统包括电子天平9，干燥瓶10，带刻度的玻璃管11、烧杯12，气体流量计量装置13；核磁共振t2谱监测系统14。将饱和水的岩心装入大尺度全直径岩心夹持器6中，用高精度围压泵7加围压至15mpa，关闭围压泵使得大尺
度全直径围压泵内的压力在实验过程中保持15mpa不变。大尺度全直径岩心夹持器6的左端连接六通阀14，六通阀14的一个端口通过减压阀5连接氮气瓶1，另外一个端口通过压力表8和中间容器3连接到isco流体注入泵2上，通过isco流体注入泵2将中间容器3中的模拟地层水以恒定流量或恒定压力的方式注入到岩心夹持器中；六通阀上还安装有压力传感器4，通过压力传感器可精确监测到注入气体或者注入液体的压力变化。大尺度全直径岩心夹持器6的另一端也连接一个六通阀14，该六通阀14的一个端口先通过一个干燥瓶(装有无水氯化钙)10，干燥瓶10放置在电子天平9上，通过电子天平9计量进入干燥瓶中的水量；干燥后的气体进入气体流量计量装置13进行气体计量；这个端口是气驱水实验过程中，由于气体量多而水量较少设计的。当进行气驱水实验时，该端口打开，而做水驱气实验时，该端口关闭。六通阀14的另外一个端口通过管线连接到带刻度的玻璃管11中，带刻度的玻璃管11内装有水，倒插在装水的烧杯12中并固定；烧杯12下端放置电子天平9。当进行水驱气实验时，气量较少而水量较多，采用该方法可准确测量微量的气量。
50.具体步骤如下：
51.s1、从研究区取心后，测量取心样品的孔隙度φ＝14.88％和渗透率k＝3.0622md，并对取心样品进行x衍射，得到其矿物组成。根据取心样品的矿物组成合成相应孔隙度φ＝17.2％和渗透率k＝3.0622md范围内的人造大尺度全直径岩心。将人造大尺度全直径岩心放入烘箱内烘干48小时后取出。按照行业标准测量其直径d＝7cm，长度l＝10cm，计算截面积a＝πd2/4＝38.465cm2，样品体积v＝al＝384.650cm3，大气压pa＝0.1mpa下称其干重m1＝874.07g，再将称取干重后的岩心样品放入真空泵中抽真空加压饱和模拟地层水kcl溶液，称湿重m2＝926.16g。将饱和kcl溶液后的岩心样品放入核磁共振t2监测系统14中，扫描完全饱和状态下的t2谱图。
52.s2、将饱和kcl溶液后的岩心装入大尺度全直径岩心夹持器6中，按照附图1中的连接方式进行连接。首先进行气驱水实验建立束缚水饱和度。具体方法如下：岩心夹持器左端的六通阀连接氮气瓶1的阀门打开，而连接isco流体注入泵2的阀门关闭，六通阀右端连接干燥瓶10的阀门打开，而连接带刻度玻璃管11的阀门关闭。这时附图1中所示线路为气驱水实验流程。
53.s3、建立束缚水饱和度。用高精度围压泵7给大尺度全直径岩心夹持器6中加围压至15mpa后关闭围压泵阀门，使得岩心夹持器6中的围压始终保持在15mpa不变。打开氮气瓶1，经过减压阀按照公式1所计算的参考驱替压差进行气驱水实验。在实验过程中用秒表计量累积时间，压力传感器4计量实验过程中驱替压差的，电子天平9计量干燥瓶4中吸收溶液的重量m3，用气体流量计量装置13计量采出气体的量。直到电子天平9的重量不再发生变化或注入气体量大于30倍岩心孔隙体积后，停止供气。称束缚水状态下的岩心重量m3＝885.41g，并计算束缚水状态下孔隙体积v
φ
。
54.参考驱替压差：
[0055][0056]
束缚水状态下的气体所占孔隙体积：v
φ
＝vφ
‑
(m3
‑
m1)*μ
w
＝45.91cm3[0057]
s4、将束缚水状态的岩心放入核磁共振t2谱监测系统14中，测量束缚水在岩心中
的分布。对束缚水状态的岩心再进行不同毛管数作用下的水驱气实验。在水驱气实验中，大尺度全直径岩心夹持器6的左端六通阀打开连接isco流体注入泵2的阀门，关闭连接氮气瓶1的阀门。而大尺度全直径岩心夹持器6的右端关闭连接干燥瓶10的阀门，打开连接带刻度玻璃管11的阀门。调节isco流体注入泵2使得注入流量分别选择0.5ml/min,1.5ml/min,2.5ml/min。通过毛管数计算公式ca＝(v*μ
w
)/σ
gw
计算注入毛管数。用秒表记录累积时间δt，用带刻度的玻璃管11上水位的变化计量随时间增加的累积产气量δg，用左端六通阀14上连接的压力传感器4读取随时间变化的驱替压差δp，用烧杯12下的电子天平9读取随时间增加的累积产水量δw。下面进行非稳态水驱气相对渗透率随毛管数变化的计算公式：
[0058]
本发明根据达西公式和能量守恒定律，推导出水驱气过程中，含水饱和度，水相相对渗透率和气相相对渗透率。
[0059]
水驱气含气饱和度:
[0060]
水驱气含水饱和度：s
w
＝100
‑
s
g
[0061]
水相相对渗透率：
[0062]
气相相对渗透率：
[0063]
其由：(由于气体具有压缩性，在水驱气实验过程中，气体体积会发生变化，此处求得的δg’指平均压力下气体体积的增量，为矫正值)
[0064]
本发明推导得到了水驱气实验含水饱和度s
o
，水相相对渗透率k
rw
和气相相对渗透率k
rg
计算公式。并在气相相对渗透率公式中考虑了气体体积随压差的变化，求解出δg’平均压力下的累积产气量。
[0065]
s5、在水驱气实验过程中，选择合适的时间进行核磁共振t2谱的测量，得到一簇随着时间的增加，注入水在岩心中的分布规律，根据核磁共振t2谱图计算残余气饱和度，将核磁共振t2谱所得残余气饱和度和水驱气实验所得到的残余气饱和度值进行对比和矫正，得到实验的误差范围。
[0066]
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。