一种致密岩心视渗透率测试装置及测试方法与流程

本申请属于岩心实验分析领域，涉及一种致密岩心视渗透率测试装置及基于该装置的测试方法。

背景技术：

流体在致密岩心中的异常渗流导致传统渗透率测试原理和方法不适应于致密岩心渗透率测试。因此，适合于致密岩心渗透率测试的原理和仪器需求十分迫切，已成为制约致密砂岩/页岩/煤岩等致密储层开采理论和技术研究的瓶颈问题。

目前测试岩心渗透率的方法主要有稳态法、瞬态压力脉冲衰减法、孔隙压力振荡法和非常规稳态法等。其基本原理均为线性渗流的达西公式，其中的渗透率值是与压力梯度(流速)无关的常数。但是据目前的研究表明致密岩心渗透率与压力梯度(流速)有密切的相关性。所以现有的传统渗透率测试原理和方法只适用于符合达西线性渗流的中高渗岩心，不适用于致密岩心视渗透率曲线测试。

致密岩心中的渗流存在非流动、低速非线性渗流以及线性渗流等区域。据大量实验结果表明，致密岩心中高压环境下渗流不符合传统经典理论，这就需要能够表征致密岩心中渗流特性本质和规律的模型，并需要在油藏高压环境下测量。致密岩心视渗透率测试所面临的技术瓶颈问题是地层超高压环境下微流量的实时连续测量。但是目前已有的流量测量技术均不能满足致密岩心渗透率测试要求。

技术实现要素：

本申请提供一种致密岩心视渗透率测试装置及测试方法，用于解决现有技术在高压下，无法测量微小压差下的致密岩心渗透率的问题。

为了解决上述技术问题，本申请一技术方案为提供一种致密岩心视渗透率测试装置，包括：

岩心夹持器、第一高压注入泵、第二高压注入泵、微压差计、第一耐压活塞容器、微流量计、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门及第五阀门，其中，第一耐压活塞容器通过活塞分为上部腔体及下部腔体，第一耐压活塞容器上部腔体装有气体，第二耐压活塞容器下部腔体装有泵压传递液体；

岩心夹持器用于容纳岩心样品；

第一高压注入泵连接岩心夹持器第二入口，用于调节围压；

第二高压注入泵连接岩心夹持器第一入口，通过第一阀门连接第一耐压活塞容器上部腔体，通过第二阀门连接第一耐压活塞容器下部腔体，用于提供压力并向岩心样品注入实验流体；

微压差计连接在岩心夹持器第一入口及出口之间，用于测量压差；

第一耐压活塞容器上部腔体还通过第四阀门连接岩心夹持器出口；

微流量计连接在第一耐压活塞容器上部腔体及岩心夹持器出口之间，用于测量流量，包括第一耐压容器、第二耐压容器、高压微流量泵、耐压毛细管、电阻测量装置及第六阀门；

第一耐压容器内容置有测量流体，第一耐压容器一端通过第三阀门连接岩心夹持器出口，第一耐压容器另一端连接耐压毛细管首端；

第二耐压容器内容置有气体，第二耐压容器一端连接第一耐压活塞容器上部腔体，第二耐压容器另一端通过第六阀门连接耐压毛细管首端；

耐压毛细管尾端连接高压微流量泵，通过第五阀门连接第一耐压活塞容器上部腔体；

电阻测量装置通过信号线连接在耐压毛细管两端。

基于上述致密岩心视渗透率测试装置，本申请还提供一种致密岩心视渗透率测试方法，包括：

将岩心样品装入岩心夹持器中，通过第一高压注入泵调节围压；

开启第四阀门及第五阀门，控制第二高压注入泵施加压力，以使岩心夹持器内岩心样品注入实验流体，待微压差计测得压差稳定后停止第二高压注入泵施压；

开启第一阀门及第二阀门，控制第二高压注入泵施加压力，以使装置内压力至实验压力；

关闭第一阀门、第二阀门及第四阀门，开启第三阀门，控制第二高压注入泵以阶梯升压的方式注入实验流体，第一耐压容器内的测量流体会在压力作用下逐渐流入耐压毛细管，每次升压稳定后记录微压差计测得的压差及电阻测量装置测得的电阻值，根据电阻值计算流量，根据压差及流量计算视渗透率；

当测量流体充满耐压毛细管后，关闭第三阀门及第五阀门，开启第四阀门及第六阀门，启动高压微流量泵，使测量流体退回耐压毛细管首端，待电阻测量装置所测电阻值为初始电阻值时关闭第四阀门、第六阀门及高压微流量泵，开启第三阀门及第五阀门。

通过本申请提供的致密岩心视渗透率测试装置及方法，能够实现高压下非稳定微流量及微压差的连续实时测量，进而能够实现致密岩心视渗透率的连续测量，更进一步的，实现致密岩心视渗透率的曲线测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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他的附图。

图1为本申请一实施例的致密岩心视渗透率测试装置的结构图；

图2为本申请另一实施例的致密岩心视渗透率测试装置的结构图；

图3为本申请一实施例的致密岩心视渗透率测试方法的流程图；

图4为本申请一实施例的数据分析过程示意图；

图5为本申请一实施例致密岩心渗流压力梯度与流速的关系图；

图6为本申请一实施例不同流速下致密岩心视渗透率的实测曲线图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，图1为本申请实施例的致密岩心视渗透率测试装置的结构图。本实施例除了可适用于致密岩心外，还适用于其他类型岩心的测量。通过该致密岩心视渗透率测试装置能够实现高压下非稳定微流量的连续实时测量，进而能够实现致密岩心视渗透率的连续测量。

具体的，致密岩心视渗透率测试装置包括：岩心夹持器1、第一高压注入泵2、第二高压注入泵3、微压差计4、第一耐压活塞容器5、微流量计、第一阀门6、第二阀门7、第三阀门8、第四阀门9及第五阀门10，其中，第一耐压活塞容器5通过活塞分为上部腔体及下部腔体，第一耐压活塞容器上部腔体装有气体，第二耐压活塞容器下部腔体装有泵压传递液体。

岩心夹持器1用于容纳岩心样品，以便模拟油藏高压环境下密封岩心样品，详细的说，岩心样品与岩心夹持器的内侧壁紧贴，岩心夹持器1有两个入口(第一入口及第二入口)及一个出口。

第一高压注入泵2连接岩心夹持器1第二入口，用于对岩心样品施加围压。

第二高压注入泵3连接岩心夹持器1第一入口，用于提供压力向岩心样品注入实验流体，并使岩心夹持器两端压力至实验压力(该实验压力可根据实际的致密性岩心油藏压力设定)。

第二高压注入泵3还通过第一阀门6连接第一耐压活塞容器上部腔体，通过第二阀门7连接第一耐压活塞容器下部腔体。

微压差计4连接在岩心夹持器1第一入口及出口之间，用于测量压差，即岩心夹持器两端的压差。

第一耐压活塞容器上部腔体还通过第四阀门9连接岩心夹持器1出口。

微流量计连接在第一耐压活塞容器上部腔体及岩心夹持器1出口之间，用于测量流量，包括第一耐压容器11、第二耐压容器12、高压微流量泵13、耐压毛细管14、电阻测量装置15及第六阀门16。

第一耐压容器11内容置有测量流体，第一耐压容器一端通过第三阀门8连接岩心夹持器1出口，第一耐压容器另一端连接耐压毛细管14首端。

第二耐压容器12内容置有气体，第二耐压容器一端连接第一耐压活塞容器上部腔体，第二耐压容器另一端通过第六阀门16连接耐压毛细管14首端。

耐压毛细管14尾端连接高压微流量泵13，通过第五阀门10连接第一耐压活塞容器上部腔体。实施时，耐压毛细管14尾端还可通过第五阀门和第四阀门与岩心夹持器尾端相连。

电阻测量装置15通过信号线连接在耐压毛细管14两端，用于测量耐压毛细管内测量流体与预置的非导电流体组成的综合电阻值，该综合电阻值能够反实验流体流过致密岩心样本的流量。

一些实施方式中，致密岩心视渗透率测试装置还包括计算机17，连接第一高压注入泵2、第二高压注入泵3、微压差计4、第一阀门6、第二阀门7、高压微流量泵13、电阻测量装置15、第三阀门8、第四阀门9、第五阀门10和第六阀门16，用于控制阀门、泵的开启及关闭，监测微压差计测得的压差及电阻测量装置测得的电阻值。

详细的说，第一耐压活塞容器上部腔体内气体用于稳定实验压力。其原理是通过气体的可压缩性来保持实验压力的平稳，防止管路切换导致压力波动过大。上部腔体还可用作回收腔，用于回收实验液体及测量流体。

通过开启第四阀门9能够接入第一耐压活塞容器5，第一耐压活塞容器5作为返回罐，用于回收实验流体。通过开启第五阀门10能够使耐压毛细管14尾端压力与岩心夹持器1相同。

通过开启第一阀门6及第二阀门7能够实现对岩心夹持器两端同时加压，使装置内压力调整至实验压力。通过关闭第一阀门6及第二阀门7能够结束对岩心夹持器两端共同加压，以便利用第二高压注入泵实现对岩心夹持器首端单独加压。

通过关闭第四阀门9、开启第三阀门8能够接入微流量计。

通过关闭第三阀门8及第五阀门10能够关闭微流量计。通过开启第四阀门9及第六阀门16能够保证实验继续，同时能够利用开启高压微流量泵13使耐压毛细管内的测量流体退回耐压毛细管首端，从耐压毛细管退出的测量流体可能会进入第二耐压容器内或留在管路中。待电阻测量装置所测电阻值为初始电阻值时，关闭第四阀门9、第六阀门16及高压微流量泵13能够结束调整耐压毛细管内的液体。待电阻测量装置所测电阻值为初始电阻值时，开启第三阀门8及第五阀门10能够重新接入微流量计。

一些实施方式中，实验流体包括但不限于油、水、聚合物液体，测量流体为不同于实验流体的导电液体。耐压毛细管为绝缘耐压毛细管，管的直径可根据测量范围进行选择。耐压毛细管内设置有一段与测量流体不相溶的非导电预置流体。

一些实施方式中，第一耐压容器及第二耐压容器竖直设置。以便利用重力分异，使测量流体在下，气体在上，从而隔绝气体与测量流体。

如图2所示，本申请另一实施例中，致密岩心视渗透率测试装置还包括第二耐压活塞容器18，竖直放置，为缸体结构，通过活塞分为上部腔体及下部腔体，第二耐压活塞容器上部腔体内装有实验流体，第二耐压活塞容器下部腔体内装有泵压传递液体。第二耐压活塞容器18上部腔体连接岩心夹持器1第一入口，第二耐压活塞容器18下部腔体连接第二高压注入泵3，接收第二高压注入泵3注入的泵压传递液体，经过压力传递使第二耐压活塞容器上部腔体内的实验流体流入岩心样品。

第一阀门6连接在第二耐压活塞容器上部腔体与第一耐压活塞容器上部腔体之间，第二阀门7连接在第二耐压活塞容器下部腔体与第一耐压活塞容器下部腔体之间。

复请参阅图2，致密岩心视渗透率测试装置还包括恒温箱19，恒温箱19内容置有岩心夹持器1、第一耐压容器11、第二耐压容器12、耐压毛细管14，用于模拟地层温度。实施时，第三阀门8及第六阀门16也设置在恒温箱中。

如图3所示，图3为本申请实施例的致密岩心视渗透率测试方法的流程图。该致密岩心视渗透率测试方法适用于前述任一实施例所述的致密岩心视渗透率测试装置。在方法实施之前，各阀门处于关闭状态，各阀门的开启或关闭可由人控制或由控制器实现。

本实施例的致密岩心视渗透率测试方法考虑了低速非线性渗流区流速对致密岩心渗透率的影响，能够实现高压下非稳定微流量的连续实时测量，进而能够实现致密岩心视渗透率的连续测量。具体的，包括：

步骤301：将岩心样品装入岩心夹持器中，通过第一高压注入泵调节围压。第一高压注入泵时刻调节围压，使围压一直保持在设定围压。

步骤302：开启第四阀门及第五阀门，控制第二高压注入泵施加压力，以使岩心夹持器内岩心样品注入实验流体，待微压差计测得压差稳定后停止第二高压注入泵施压。

本步骤中，通过开启第四阀门能够接入第一耐压活塞容器，第一耐压活塞容器作为返回罐，用于回收实验流体。通过开启第五阀门能够使耐压毛细管尾端压力与岩心夹持器相同。

步骤303：开启第一阀门及第二阀门，控制第二高压注入泵施加压力，以使装置内压力至实验压力。

本步骤中，通过开启第一阀门及第二阀门能够实现岩心夹持器首尾两端共同加压，使装置内压力调整至实验压力。

步骤304：关闭第一阀门、第二阀门及第四阀门，开启第三阀门，控制第二高压注入泵以阶梯升压的方式注入实验流体，第一耐压容器内的测量流体会在压力作用下逐渐流入耐压毛细管，每次升压稳定后记录微压差计测得的压差及电阻测量装置测得的电阻值，根据电阻值计算流量，根据压差及流量计算视渗透率。

本步骤中，所谓阶梯升压即在一个压力下保持一定时间后，压力快速上升至另一压力后，在该压力保持一定时间后继续上升，保持，上升，保持，持续这个过程。一压力保持的时间由电阻测量装置所测综合电阻值而定，当所测综合电阻值平稳变换后，升至下一压力。

通过关闭第一阀门及第二阀门能够结束岩心夹持器两端共同加压，以便单独给岩心夹持器首端加压。通过关闭第四阀门、开启第三阀门能够接入微流量计，第二高压注入泵注入的压力促使岩心夹持器内的实验流体流动，进而推动第一耐压容器内的测量流体逐渐流入耐压毛细管内。本步骤中，第一耐压活塞容器作为返回罐，用于回收测量流体。

步骤305：当测量流体充满耐压毛细管后，关闭第三阀门及第五阀门，开启第四阀门及第六阀门，启动高压微流量泵，使测量流体退回耐压毛细管首端，非导电液体注入耐压毛细管内，待电阻测量装置所测电阻值为初始电阻值时关闭第四阀门、第六阀门及高压微流量泵，开启第三阀门及第五阀门。

本步骤中，通过关闭第三阀门及第五阀门能够关闭微流量计。通过开启第四阀门能够保证实验继续，通过开启第六阀门能够使第二耐压容器回收从耐压毛细管内退回的测量流体，第二耐压容器内的空气被压缩，由于第二耐压容器与第二耐压活塞容器相连，因此，不会产生大的压缩。待电阻测量装置所测电阻值为初始电阻值时，关闭第四阀门、第六阀门及高压微流量泵能够结束调整耐压毛细管内的液体。待电阻测量装置所测电阻值为初始电阻值时，开启第三阀门及第五阀门能够重新接入微流量计。

进一步的，上述步骤302之前还包括将恒温箱的温度调整至设计温度，以便模拟致密岩心地层温度。实施时，设置温度后需静置一段时间，直至恒温箱内各个仪器温度稳定在所需测量温度后，进行下一步骤。

进一步的，上述步骤302中控制第二高压注入泵施加压力，以使岩心夹持器内岩心样品注入实验流体进一步包括：

控制第二高压注入泵向第二耐压活塞容器下部腔体注入泵压传递液体，经过压力传递使第二耐压活塞容器上部腔体内的实验流体流入岩心样品。

进一步的，上述步骤304中，通过如下公式计算流量：

qt＝a'(ht-hi0)/(ti-ti0)，ht＝-art+b；

其中，qt为t时刻的流量；a'为耐压毛细管的横截面积；hi0为耐压毛细管的初始液位；ht为t时刻的液位；ti为测量时刻；ti0为第i次初始液位对应的时刻；rt为电阻测量装置t时刻测得的电阻值；a和b为常数。

通过如下公式计算视渗透率：

其中，k为视渗透率；qt为t时刻的流量；μ为测试介质粘度；l为岩心长度；a为岩心过流截面积；δpt为微压差计t时刻测得的压差。

一些实施例中，致密岩心视渗透率测试方法还包括对上述致密岩心视渗透率测试方法测得数据的分析过程，如图4所示，包括：

步骤401：根据流量计算流速，根据压差计算压力梯度。

具体的，通过如下公式计算流速：

其中，vt为t时刻的流速；a为岩心过流截面积；qt为t时刻的流量。

通过如下公式计算压力梯度：

其中，gt为t时刻的压力梯度；δpt为微压差计t时刻测得的压差；l为岩石长度。

步骤402：根据流速及压力梯度拟合流速与压力梯度的关系，流速与压力梯度的关系可用流速与压力梯度的曲线表示，如图5所示，空心圆圈为实验数据(即根据记录的压差及电阻值计算得到的数据)，流速与压力梯度成正比关系。

实施时，可通过最小二乘法拟合曲线，本申请对具体的拟合方法不做限定。

步骤403：根据流速与压力梯度的关系确定流速为0时对应的压力梯度为启动压力梯度，如图5所示，竖直虚线对应的横坐标值为启动压力梯度。

进一步的，复请参阅图4，除了计算启动压力梯度外还包括：

步骤404：根据流速及视渗透率拟合流速与视渗透率的关系，流速与视渗透率的关系可用流速与视渗透率曲线表示，如图6所示，黑色圆圈为实验数据。

实施时，可通过最小二乘法拟合曲线，本申请对具体的拟合方法不做限定。

步骤405：根据流速与视渗透率的关系确定流速趋向0时对应的视渗透率为启动渗透率(如图6中的k0)，流速趋向无穷(足够大)时对应的视渗透率为极限渗透率(如图6中的k∞)。

步骤406：根据流速与视渗透率的关系确定视渗透率的衰减系数。视渗透率的衰减系数表征视渗透率随流速(或压力梯度)的降低而衰减的快慢。

步骤407：根据岩心渗透理论，得到致密岩心视渗透率的计算公式为：

其中，k为视渗透率；k∞为极限渗透率；k0为启动渗透率；c为视渗透率的衰减系数；g为压力梯度；g0为启动压力梯度。

本申请提供的致密岩心视渗透率测试方法能够实现常温常压-高温高压环境下致密岩心气(或液)视渗透率的准确测量和各种因素影响下的致密岩心的渗流特性的定量化研究。其压力范围为0.1mpa～80mpa，温度范围在0～200℃，流量测量范围为10nl/min～5ml/min。

本申请实施例还提供一种存储介质，比如rom/ram、磁碟、光盘等，该存储介质中包括存储的程序，程序运行时控制存储介质所在设备执行上述任一实施例所述的致密岩心视渗透率测试方法的步骤。

本申请实施例还提供一种处理器，该处理器用于运行程序，程序运行时执行上述任一实施例所述致密岩心视渗透率测试方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请方法实施例可提供为计算机程序产品。本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。