一种低渗透岩样渗透率的测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种低渗透岩样渗透率的测量方法及测量装置，该方法通过测量穿过待测岩样的测量介质的浓度变化得出渗透率，采用氦气或六氟化硫为测量介质。其包括检测气源（1）、调压阀（2）、一对压力传感器（4）、岩样室（5）、定容积室（6）、气体浓度检测装置（7）和中央控制单元（8）；所述检测气源（1）通过调压阀（2）与所述岩样室（5）相连，所述岩样室的出口端与所述定容积室（6）的入口连接；所述气体浓度检测装置（7）与所述定容积室（6）连接，用于探测所述定容积室（6）的气体浓度；所述气体浓度检测装置（7）的输出端与所述的中央控制单元（8）连接；本发明的测量装置所采用的测量方法能够准确测量微小气体流量，并能够实现页岩、泥页岩、泥岩和致密砂岩等低渗透岩样渗透率的测定。
【专利说明】一种低渗透岩样渗透率的测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岩样渗透率的测量装置及其测量方法，具体而言，本发明涉及一种低渗透岩样渗透率的测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002]在地质领域测定岩样渗透率的过程中，介质流量是一个待测的重要参数，在现有的气体法(测量介质为气体)测定岩样渗透率中，就自动化程度而言，常使用流量计法和人工皂沫(膜)法。
[0003]流量计法:在待测岩样的后端(测量介质出口)气路上，并联连接一组量程大小不一的流量计，根据测量介质流过岩样后的流量大小，选择一种流量计自动测定测量介质的流量。
[0004]人工皂沫(膜)法:在待测岩样的后端(测量介质出口)气路上，根据测量介质流过岩样后的流量大小，选择连接某一种规格的定量管，在定量管一端做一个皂沫(膜)，依据定量管上的刻度和皂沫(膜)流过一段刻度所用时间，计算测量介质的流量。
[0005]上述两类方法在以往的岩样渗透率测定过程中发挥了重要作用，取得了良好效果，但随着油气勘探开发工作的发展，特别是在非常规油气资源评价研究和盖层研究工作中，页岩、泥页岩、泥岩、致密砂岩等岩样的测试工作量越来越多，这些岩样往往具有低渗透性，甚至超低渗透性的特点，现有的渗透率测量方法的缺陷在于:
[0006]流量计法:现有的流量计检测下限高，不能满足微小气体流量测量的需要。虽然存在能够测定微小气体流量的流量计，但其测定周期长。
[0007]人工皂沫(膜)法:一是在进行页岩、泥页岩、泥岩和致密砂岩等低渗透率岩样测定时，皂沫(膜)移动达到稳定状态往往需要很长时间。二操作环境对皂沫(膜)移动有影响，容易产生测量误差。三是人工操作，计时容易产生人为误差。
[0008]总之，现有的流量测量方法难以满足微小气体流量测量的需要，导致页岩、泥页岩、泥岩和致密砂岩等低渗透岩样渗透率测定困难，非常需要一种微小气体流量测量的新方法。
【发明内容】
[0009]为了解决现有的渗透率测量方法难以测量微小气体流量，导致页岩、泥页岩、泥岩和致密砂岩等低渗透岩样渗透率测定困难，本发明提供了一种低渗透岩样渗透率的测量方法及其测量装置，能够测得低渗透岩样的渗透率。
[0010]本发明所提供的低渗透岩样渗透率的测量装置，
[0011]一种低渗透岩样渗透率的测量装置，其包括检测气源1、调压阀2、一对压力传感器4、岩样室5、定容积室6、气体浓度检测装置7和中央控制单元8 ；
[0012]所述检测气源I通过调压阀2与所述岩样室5相连，所述岩样室的出口端与所述定容积室6的入口连接；所述气体浓度检测装置7与所述定容积室6连接，用于探测所述定容积室6的气体浓度；所述气体浓度检测装置7的输出端与所述的中央控制单元8连接；
[0013]所述一对压力传感器4分别设置在所述的岩样室5的入口处和定容积室6的出口处；且该对压力传感器4的输出端分别与所述的中央控制单元8连接。
[0014]所述测量装置还包括围压单元,所述围压单元包括围压气源9和围压套；所述围压套设置所述的岩样室5内，待测岩样设置在所述的围压套内；所述围压气源9的输出端与所述的岩样室5连接。
[0015]在所述调压阀2与岩样室5之间设置有气体干燥装置3，所述气体干燥装置3为vitlab干燥管。
[0016]在实施中，所述检测气源I内的测量气体介质为氦气或六氟化硫。
[0017]所述定容积室6的一端与大气相通且其容积固定；所述定容积室6的内壁光滑。
[0018]所述中央控制单元为处理芯片或计算机，用于接收传感器信号，并分析计算输出数据；
[0019]所述气体浓度检测装置7为SCHUTZ型红外线气体检测仪、LLD-100型激光光声光谱气体检测仪或MIC-500氦气探测仪中的一种。
[0020]本发明的另一个发明点就是所述的装置进行低渗透岩样渗透率的测量方法[0021 ] 步骤I，实验准备步骤:
[0022][11]将岩样烘干后冷却至室温，测量其长度和直径数据；人工读取所述大气压力表显示的大气压力数据；测量所述定容积室6的体积，将上述各个数据输入所述的中央控制单元8中，并由其计算岩样的横截面积；
[0023][12]将所述定容积室6与大气相通；
[0024][13]将所述检测气源1，调压阀2，气体干燥装置3，定容积室6、岩样室5和气体浓度检测装置7连接在测量气体通路上；将气体浓度检测装置7与所述的中央控制单元8连接；
[0025]在实际的应用，当操作环境通风良好的条件下，步骤[14]为非必要步骤，可以省去。当操作环境通风不畅时，还包括，
[0026][14]检测得到介质浓度背景参考值:
[0027]关闭所述检测气源I条件下，启动所述气体浓度检测装置7，所述中央控制单元8采集定容积室6中测量介质的浓度作为背景值；
[0028]步骤2，检测通过岩样的介质浓度:
[0029][31]设置围压:将待测岩样装入所述岩样室5的围压套中,连接岩样室5和定容积室6,开启围压气源9,向围压套施加压力，使岩样室5的围压套紧缚岩样,用于避免测量介质在岩样和围压套接触处发生泄漏；
[0030][32]通过所述调压阀2调节检测气源I输出的测量介质的压力，使其通过岩样室5并进入所述定容积室6，中央处理单元8采集所述气体浓度检测装置7检测到的定容积室6中测量介质的浓度及其检测时间数据；
[0031]步骤3求取得到测量介质出口流量:
[0032][41]所述中央控制单元8将测量介质浓度换算为测量介质出口流量；
[0033]Q0 =ANXV/Λ T (I)
[0034]其中，[0035]Q0为出口气体流量，ml/s ；
[0036]Δ N为定容积室气体浓度的变化量，ppm ；
[0037]V为定容积室的容积，cm3 ；
[0038]Δ T为时间的变化量，S。
[0039]公式(I)的Λ N为在时间T1时刻到T2时刻这段时间内，定容积室中测量介质浓度的变化量，变化量Λ N=N2-N1, N1是T1时刻定容积室中测量介质的浓度，N2是T2时刻定容积室中测量介质的浓度；
[0040]步骤4输出步骤，所述中央控制单元8将数据输出。
[0041]在所述步骤3中，还包括[42]检测岩样渗透率步骤；其包括，
[0042][421]所述一对压力传感器4将信号输入给所述中央控制单元8，即采集测量介质在岩样两端的进口压力和出口压力；
[0043][422]计算得到渗透率；
[0044]渗透率需要通过测量岩样气体进口压力、出口压力、大气压力、岩样长度、横截面积、气体粘度数据，渗透率的计算公式为:
[0045]Ka=2P0Q0 μ L/ Δ PA(2Ρ0+ Δ ρ) (2)；
[0046]其中，
[0047]Ka是渗透率
[0048]P0为大气压力，其单位是MPa ；
[0049]Q0为出口气体流量，其单位是mL/s ；
[0050]μ为气体粘度，其单位是Pa.s ;
[0051]L为所述岩样的长度，其单位是cm;
[0052]A为所述岩样的断面积，其单位是cm2 ；
[0053]Δ ρ为岩样两端的压力差，单位是Mpa。
[0054]在具体步骤在所述步骤[31]中，所述气体浓度检测装置7采集的条件是:测量介质进入岩样室的气体压力范围在0.1-0.2Mpa ;围压套上的压力范围1.4-1.6Mpa ;岩样室和定容积室之间管线的长度10-20cm和岩样室和定容积室之间管线的直径0.2-0.5cm。
[0055]所述步骤[31]中向岩样室5的围压套施加的压力为1.5MPa。
[0056]所述气体浓度检测装置7的检测精度和其检测的范围应该满足测量需要，比如，定容积室6的容积为IOcm3时，要求气体浓度检测装置7的量程至少为O-lOOOppm，检测精度不低于满量程的2%。
[0057]本发明的低渗透岩样渗透率的测量装置，其测量方法主要根据以下原理进行:
[0058]首先，通过以下述公式完成浓度和流量的转换:
[0059]Q0 =ANXV/Λ T (I)
[0060]其中，
[0061]Q。为出口气体流量，ml/s ；
[0062]Δ N为定容积室气体浓度的变化量，在本发明中，用ppm表示；
[0063]V为定容积室的容积，cm3 ；
[0064]Δ T为时间的变化量，S。
[0065]公式(I)的Λ N为在时间T1时刻到T2时刻这段时间内，定容积室中测量介质浓度的变化量，变化量Λ N=N2-N1, N1是T1时刻定容积室中测量介质的浓度，N2是T2时刻定容积室中测量介质的浓度。1\、T2时刻的确定是由计算机中的软件完成的。
[0066]上述公式(I)能够实现浓度与流量的转换。之后，渗透率的计算通过测量岩样气体进口压力、出口压力、大气压力、岩样长度、横截面积、气体粘度数据，最后用渗透率计算公式得到，本发明所采用的渗透率的计算公式为:
[0067]Ka=2P0Q0 μ L/ Δ PA(2Ρ0+ Δ ρ) (2)；
[0068]其中，
[0069]P0为大气压力，其单位是MPa ；
[0070]Q0为出口气体流量，其单位是mL/s ；
[0071]μ为气体粘度，其单位是Pa.s ;
[0072]L为所述岩样的长度，其单位是cm ；
[0073]A为所述岩样的断面积，其单位是cm2 ；
[0074]Δ ρ为岩样两端的压力差，单位是Mpa。
[0075]本发明的测量装置所采用的测量方法能够准确测量微小气体流量(例如，0.0001ml/min),能够实现页岩、泥页岩、泥岩和致密砂岩等低渗透岩样渗透率的测定。
【专利附图】
【附图说明】
[0076]图1为本发明低渗岩样渗透率测定仪组成示意图。
[0077]附图标记说明:
[0078]1-检测气源；2_调压阀；3_气体干燥装置；41_压力传感器；42_压力传感器；
[0079]5-岩样室；6_定容积室；7_气体浓度检测装置；8-中央控制单元；9_围压气源
【具体实施方式】
[0080]如图1所示的一种低渗透岩样渗透率的测量装置，其包括:检测气源1、调压阀2、气体干燥装置3、压力传感器4、岩样室5、定容积室6、气体浓度检测装置7、中央控制单元8，如计算机，和围压气源9，其中所述检测气源I与调压阀2相连以通过该调压阀2来调节气源I输出的测量介质的压力，气体干燥装置3与调压阀2和岩样室5相连,该岩样室5后端接有定容积室6，所述定容积室6通大气，其连有气体浓度检测装置7以测量该定容积室6内测量介质的浓度，该岩样室5的入口和该定容积室6的出口各连有压力传感器4,各压力传感器4和所述气体浓度检测装置7与计算机8相连，岩样室5与另外的围压气源9相连，气源9用于给岩石室5中的围压套施压。所述定容积室6的内壁光滑，所述输出测量介质的气源I通常为氦气或六氟化硫。
[0081]本发明所提供的一种低渗透岩样渗透率的测量方法，通过测量测量介质的浓度变化得出气体流量，进而计算渗透率，该方法主要包括数据录入、测量和计算的步骤，具体而言，包括以下步骤:
[0082]I)将岩样烘干后冷却至室温，以游标卡尺测量其长度和直径数据，人工读取大气压力表显示的大气压力数据，测量定容积室6的容积V，将以上数据录入到计算机8中，并由计算机8计算岩样的横截面积；
[0083]2)定容积室6通大气，以使其在测量过程中能与流入的测量介质混合，便于测定混合后测量介质的浓度(如果不通大气，仪器是密闭的，随着流过来的测量介质越来越多，密闭空间的压力升高，不利于检测);
[0084]3)将定容积室6、岩样室5和气体浓度检测装置7相连，关闭气源1，启动气体浓度检测装置7，并由计算机8采集定容积室6中的测量介质的浓度作为背景值；
[0085]4)将待测岩样装入岩样室5的围压套中，打开与岩样室5所连气源9，向围压套施加压力，使岩样室5的围压套包紧岩样，避免测量介质在岩样和围压套接触处发生泄漏，通常向岩样室5的围压套施加的压力为1.5MPa ；
[0086]5)通过调压阀2调节气源I输出的测量介质的压力，通常将其压力调节至
0.1-0.2Mpa以使其通过岩样室5并进入定容积室6，在作为测量介质的气体压力、围压套上的压力、管线长度和直径等工作参数一定的条件下，定容积室6中作为测量价值的气体在一定时间内(Λ T，T2-T1)浓度上升的幅度(Λ N, Δ N=N2-N1)主要受该气体在岩样室5出口流量的影响和控制，气体浓度检测装置7通过计算机8自动采集定容积室6中测量介质的浓度数据和检测时间数据，并由计算机8将测量介质浓度按公式(I)换算为测量介质出口流量，同时，计算机8和压力传感器4自动采集测量介质在岩样两端的进口压力和出口压力；
[0087]6)计算机8按公式(2)计算岩样的渗透率。
[0088]在上述低渗透岩样渗透率的测量方法中，所述输出测量介质的气源I通常为氦气或六氟化硫，上述气体具有惰性气体的性质，其中氦气在大气中的含量为5ppm左右。所述与岩样室5相连的气源9为高压空气，所述高压空气指经过除水等处理的储存在钢瓶中的高压空气，通常具有l_20Mpa左右的压力，上述空气的压力通过钢瓶上的调压装置调节和控制，通常以1.5MPa压力的气体给岩样室5中的围压套施加围压。
【权利要求】
1.一种低渗透岩样渗透率的测量装置，其特征在于，其包括检测气源(I)、调压阀(2)、一对压力传感器(4)、岩样室(5)、定容积室(6)、气体浓度检测装置(7)和中央控制单兀(8)； 所述检测气源(I)通过调压阀(2)与所述岩样室(5)相连，所述岩样室的出口端与所述定容积室(6)的入口连接；所述气体浓度检测装置(7)与所述定容积室(6)连接，用于探测所述定容积室(6)的气体浓度；所述气体浓度检测装置(7)的输出端与所述的中央控制单元(8)连接； 所述一对压力传感器(4)分别设置在所述的岩样室(5)的入口处和定容积室(6)的出口处；且该对压力传感器(4)的输出端分别与所述的中央控制单元(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种低渗透岩样渗透率的测量装置，其特征在于: 所述测量装置还包括围压单元，所述围压单元包括围压气源(9)和围压套；所述围压套设置所述的岩样室(5)内，待测岩样设置在所述的围压套内；所述围压气源(9)的输出端与所述岩样室(5)连接。
3.根据权利要求1所述的一种低渗透岩样渗透率的测量装置，其特征在于: 在所述调压阀(2 )与岩样室(5 )之间设置有气体干燥装置(3 )。
4.根据权利要求1所述的一种低渗透岩样渗透率的测量装置，其特征在于: 所述检测气源(I)内的测量气体介质为氦气或六氟化硫。
5.根据权利要求1或2所述的一种低渗透岩样渗透率的测量装置，其特征在于: 所述定容积室(6)的一端与大气相通且其容积固定；所述定容积室(6)的内壁光滑。
6.根据权利要求1所述的一种低渗透岩样渗透率的测量装置，其特征在于: 所述测量装置还包括气体压力传感器，所述气体压力传感器与所述中央控制单元连接；所述中央控制单元为处理芯片或计算机，用于接收传感器信号，并分析计算输出数据； 所述气体浓度检测装置(7)为SCHUTZ型红外线气体检测仪、LLD-1OO型激光光声光谱气体检测仪或MIC-500氦气探测仪中一种。
7.根据权利要求1-6之一所述的装置进行低渗透岩样渗透率的测量方法，其包括以下步骤: 步骤I，实验准备步骤: [11]将岩样烘干后冷却至室温，测量其长度和直径数据；人工读取大气压力表显示的大气压力数据；测量所述定容积室(6)的体积，将上述各个数据输入所述的中央控制单元(8)中，并由其计算岩样的横截面积； [12]将所述定容积室(6)与大气相同； [13]将所述检测气源(1)，调压阀(2)，气体干燥装置(3)，定容积室(6)、岩样室(5)和气体浓度检测装置(7)连接在测量气体通路上；将气体浓度检测装置(7)与所述的中央控制单元(8)连接； 步骤2，检测通过岩样的介质浓度: [31]设置围压:将待测岩样装入所述岩样室(5)的围压套中，连接岩样室(5)和定容积室(6),开启围压气源(9),向围压套施加压力，使岩样室(5)的围压套紧缚岩样,用于避免测量介质在岩样和围压套接触处发生泄漏； [32]通过所述调压阀(2)调节检测气源(I)输出的测量介质的压力，使其通过岩样室(5)并进入所述定容积室(6)，中央处理单元(8)采集所述气体浓度检测装置(7)采集到的定容积室(6)中测量介质的浓度及对应的检测时间数据； 步骤3求取得到测量介质出口流量: [41]所述中央控制单元(8)将测量介质浓度换算为测量介质出口流量； Q0 =Δ NXV/ Δ T (I) 其中， Q。为出口气体流量，ml/s ； Δ N为定容积室气体浓度的变化量，ppm ； V为定容积室的容积，cm3 ； Λ T为时间的变化量，S。 公式⑴的Λ N为在时间T1时刻到T2时刻这段时间内，定容积室中测量介质浓度的变化量，变化量Λ N=N2-N1, N1是T1时刻定容积室中测量介质的浓度，N2是T2时刻定容积室中测量介质的浓度； 步骤4输出步骤，所述中央控制单元(8)将数据输出。
8.根据权利要求7所述的进行低渗透岩样渗透率的测量方法，其特征在于:在所述步骤3中，还包括[42]检测岩样渗透率步骤；其包括， [421]所述一对压力传感器(4)将信号输入给所述中央控制单元(8)，即采集测量介质在岩样两端的进口压力和出口压力； [422]计算得到渗透率； 渗透率需要通过测量岩样气体进口压力、出口压力、大气压力、岩样长度、横截面积、气体粘度数据，渗透率的计算公式为: Ka=2P0Q0μ L/ Δ PA(2Ρ0+ Δ ρ) (2)； 其中， Ka是渗透率 P0为大气压力，其单位是MPa ； Qtl为出口气体流量，其单位是mL/s ； μ为气体粘度，其单位是Pa.S; L为所述岩样的长度，其单位是cm ； A为所述岩样的断面积，其单位是cm2 ； Δ ρ为岩样两端的压力差，单位是Mpa。
9.根据权利要求7所述的进行低渗透岩样渗透率的测量方法，其特征在于: 在所述步骤I中还包括， [14]，检测得到介质浓度背景参考值: 关闭所述检测气源I条件下，启动所述气体浓度检测装置7，所述中央控制单元8采集定容积室6中测量介质的浓度作为背景值。
10.根据权利要求7所述的进行低渗透岩样渗透率的测量方法，其特征在于: 在所述步骤[31]中，所述气体浓度检测装置(7)采集的条件是:测量介质进入岩样室(5)的气体压力范围在0.1-0.2Mpa ;围压套上的压力范围1.4-1.6Mpa ;所述岩样室和定容积室之间管线的长度10-20cm和岩样室和定容积室之间管线的直径0.2-0.5cm。
11.根据权利要求7或10所述的一种低渗透岩样渗透率的测量方法，其特征在于:所述步骤[31]中向 岩样室(5)的围压套施加的压力为1.5MPa。
【文档编号】G01N15/08GK103674800SQ201210322339
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月3日 优先权日:2012年9月3日
【发明者】鲍云杰, 腾格尔, 黄泽光, 俞凌杰, 付小东, 李志明, 徐二社 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院