CN104405377B - 用于实验室内精确模拟岩心带压放置驱替的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于实验室内精确模拟岩心带压放置驱替的方法及其装置。主要为了解决目前在实验室内模拟岩心驱替时岩心在变形过程中的孔隙度易发生变化导致所获得的数据不准确的问题。该方法概括为：通过经验公式计算得出驱替时所需的合理驱替压力，根据孔隙度变化公式来计算保持孔隙度所需的环压和驱替压力，以保持岩心孔隙度不变，并保持岩心驱替过程中环压随驱替压力的变化而变化，使得其压差不变。设计了一个装置具有可调节温度的电加热岩心夹持器，在岩心夹持器出口端加回压阀，保持夹持器内始终有一定的压力，根据经验公式求得合理驱替压力，然后通过环压系统保持夹持器环压与驱替压力的压差不变，确保岩心在变形过程中的孔隙度不变。

Description

用于实验室内精确模拟岩心带压放置驱替的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于实验室内岩心带压放置驱替的方法及其装置，具体涉及一种在油田开发生产中对地层岩心进行更精确模拟实验的方法及装置。

背景技术

在油藏开发工程中，对岩心进行测试驱替实验一般都在实验室内进行。但是经过长时间的实际应用后，发现现有的测试驱替方法存在以下问题：目前实验室内常用的测试驱替方法只是对待测试岩心的一端加压注水和饱和油，加温放置后，然后直接进行测试实验。由此导致：1、在待测试岩心加温放置的过程中没有加压；2、仅对待测试岩心一端加高压可能造成岩心孔隙结构被破坏或者压裂；3、目前实验室内使用的恒温箱不能实现高温，因此也就难以模拟地层温度。以上三方面因素使得目前室内实验所获得的对岩心测试驱替实验的数据误差较大。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种实验室内模拟岩心带压放置驱替的方法及其装置。利用该方法和装置可以在驱替过程中岩心孔隙度保持不变，从而确保所获得的数据真实可靠。

本发明的技术方案是：该种用于实验室内精确模拟岩心带压放置驱替的装置，由第一恒压恒速泵、第二恒压恒速泵、第一活塞容器、第二活塞容器、流量计量器、电加热岩心夹持器、带有压力显示表的第一压力传感器和第二压力传感器、回压阀以及量筒组成。

其中，所述回压阀具有阀座和回压容器腔、进液口、出液口、活塞、弹簧以及弹簧调整旋钮，进液口和出液口位于回压容器腔内的液流通道两端，弹簧推动活塞沿回压容器腔的内腔向上运动，弹簧调整旋钮用于调整弹簧的弹性力。

电加热岩心夹持器具有可封闭岩心的内腔，所述内腔外套有耐高温高压的胶套，所述内腔的两端通过带有密封塞的螺纹连接端封闭，并分别引出与所述内腔相连通的夹持器液流输入管和夹持器液流输出管；在所述两个螺纹连接端之间固定有密封的环形圆筒外壁和环形圆筒内壁；环形圆筒内壁与胶套之间形成第一环套空间，环形圆筒外壁与环形圆筒内壁之间形成第二环套空间，在第二环套空间内置有电加热器，电加热器的调温装置位于环形圆筒外壁之外；经密封处理后贯穿环形圆筒外壁和环形圆筒内壁，固定有一根环压导入管，环压导入管的开口位于第一环套空间内。

第一恒压恒速泵的泵出口端经管路与并联的第一活塞容器和第二活塞容器的活塞驱动力入口端相连；第一活塞容器和第二活塞容器的两个内容物输出端分别经过第一阀门和第二阀门控制通断后经管路汇流至电加热岩心夹持器的夹持器液流输入管，在所述管路进入夹持器液流输入管之前，管路上连接有流量计量器和第三阀门；

第二恒压恒速泵的泵出口端经管路与电加热岩心夹持器上的环压导入管相连接，在所述管路进入环压导入管之前，管路上连接有第一压力传感器和第四阀门；电加热岩心夹持器的夹持器液流输出管经管路与所述回压阀上的进液口相连接，在所述管路进入进液口之前，管路上连接有第二压力传感器和第五阀门；所述回压阀上的出液口与量筒相连接。

一种利用权利要求1中所述装置在实验室内精确模拟岩心带压放置驱替的方法，该方法由如下步骤组成：

第一步，关闭权利要求1中所述装置内的所有阀门，检查装置的密封性；

第二步，调节权利要求1中所述电加热岩心夹持器的温度至接近地层温度，通过温度传感器监测其温度变化，保持其温度始终在地层温度附近；

第三步，向权利要求1中所述装置内第一活塞容器A和第二活塞容器B中分别装入一定量的水和油，使油和水分别充满第一阀门、第二阀门和第三阀门之间的管线；

第四步，通过驱替压力梯度与流速的关系式得驱替压力梯度区间为

(1)

式中：——渗流速度，cm/s；——驱替压力梯度，Mpa/cm；——启动压力梯度，Mpa/cm；a、b、c——二次多项式系数，主要与流度有关，可通过拟合岩心压差—流速实验数据求得；

合理驱替压力为：（2），式中——岩心长度，单位m；

第五步，为保证岩石孔隙度不变，按照岩石弹性变形中孔隙度变化公式，确定出进行驱替实验时的合理环压Pc：

（3）

上式就是岩石弹性变形过程中孔隙度变化公式；

由该式可知孔隙度绝对变化量与孔隙度本身、有效孔隙压缩系数和净围压（Pc—P）有关；

若保持净围压不变，孔隙度也不变；反之，孔隙度将发生变化；因此，通过计算得出驱替压力P，在其合理范围内，随着其不断增大，环压Pc也不断变化，这样就可以保证岩心在合理带压驱替情况下进行试验；

式中：Vp—岩石表观体积，m3；Vb—孔隙体积，m3；Cbp—拟表观体积压缩系数，1/Mpa；Cbc—表观体积压缩系数，1/Mpa；Cpp—有效孔隙压缩系数，1/Mpa；Cr—岩石骨架颗粒体积压缩系数，1/Mpa；Pc—上覆压力（环压），Mpa；P—流体压力（驱替压力），Mpa；

第六步，对位于权利要求1中所述装置内电加热岩心夹持器（6）内的岩心进行饱和油实验，打开第四阀门和第一阀门，启动第二恒压恒速泵向电加热岩心夹持器内的第一环套空间加入环压；

第七步，按照第四步和第五步中所得出的数值，确定出进行驱替实验时保证岩心孔隙度不发生改变的净围压数值；

第八步，启动权利要求1中所述装置中第一恒压恒速泵,调节压力至第四步所获得驱替压力值P的中间值P _中，打开第二活塞容器对应的第二阀门；

第九步，打开权利要求1中所述装置中的回压阀，调节弹簧调整旋钮，使得所述回压阀内的回压值等于由第八步所获得的驱替压力P _中，开始饱和油实验；

第十步，饱和完毕后，整个权利要求1中所述装置不拆卸，关闭第一恒压恒速泵（1）和活塞容器B的阀门，关闭第三阀门和第五阀门，加压放置24h；

第十一步，启动权利要求1中所述装置中的恒速恒压泵，打开第一活塞容器的阀门，打开阀门4和阀门11，开始驱油实验；当驱油实验开始时，驱替压力P取值为中间值P_中，回压阀也调节至P_中，此时压力传感器检测到驱替压力变化，通过与环压传感器检测到的压力进行对比，为保持净围压不变，手动启动恒速恒压泵进行增压，环压Pc为Pc_中；由公式（3）知：若始终保持环压与驱替压力的差值不变，就可保证岩心的孔隙度不变；

因此，调节驱替压力P的值为P_端，回压阀调节至P_端，则环压也在不断调节至Pc_端。此时关闭加热器，保证岩心实验在接近真实地层温度，压力条件下进行；待排出液全部是水时，驱油实验完毕；

第十二步，按照第十一步循环操作，多次调节驱替压力P，环压Pc以及回压阀压力值，进行试验；

第十三步，根据流量计量器的计量结果以及量筒的计量结果，计算每个驱替压力P的试验数据：岩心含油饱和度和孔隙度，渗透率等参数，求其平均值。

本发明具有如下有益效果：通过驱替压力梯度与流速的关系式计算得出岩心驱替时所需的合理驱替压力；在放置、驱替实验时在出口端加回压阀，保持岩心夹持器内压力和环压压力稳定；再根据岩心孔隙度与净围压的关系，保持岩心所受应力不变；调节电加热岩心夹持器的温度接近地层温度，使整个岩心处于接近地层高温高压的实际环境。通过流量计量器精确计量通过流体的量，准确计算岩心的物性参数。应用此方法，可减少岩心驱替时的驱替误差，使得实验环境更接近实际地层情况，获得更准确的实验数据。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明所述电加热岩心夹持器与第二恒压恒速泵连接后的结构示意图；

图3是本发明所述回压阀的结构示意图；

图4是本发明所述电加热岩心夹持器的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1所示，该种用于实验室内精确模拟岩心带压放置驱替的装置，由第一恒压恒速泵1、第二恒压恒速泵9、第一活塞容器 A 、第二活塞容器 B 、流量计量器5、电加热岩心夹持器6、带有压力显示表的第一压力传感器8和第二压力传感器10、回压阀以及量筒17组成。

其中，所述回压阀的结构如图3所示，具有阀座12和回压容器腔13、进液口18、出液口19、活塞 22 、弹簧 23 以及弹簧调整旋钮 20 ，进液口 18 和出液口 19 位于回压容器腔 13 内的液流通道两端，弹簧 23 推动活塞 22 沿回压容器腔 13 的内腔向上运动，弹簧调整旋钮 20 用于调整弹簧 23 的弹性力。具体实现时，可以采用上海禹沪公司的ZZY型自力式压力调节阀，无需外加能源，利用被调介质自身能量为动力源引入执行机构控制阀芯位置，改变两端的压差和流量，使阀前或阀后压力稳定。自力式压力调节阀具有动作灵敏，密封性好，压力设定点波动力小等优点，自力式压力调节阀广泛应用于气体、液体及介质稳压或泄压稳压的自动控制。

电加热岩心夹持器6的结构如图4所示，具有可封闭岩心31的内腔，所述内腔外套有耐高温高压的胶套29，所述内腔的两端通过带有密封塞的螺纹连接端封闭，并分别引出与所述内腔相连通的夹持器液流输入管33和夹持器液流输出管21；在所述两个螺纹连接端之间固定有密封的环形圆筒外壁27和环形圆筒内壁32；环形圆筒内壁32与胶套29之间形成第一环套空间30，环形圆筒外壁27与环形圆筒内壁32之间形成第二环套空间28，在第二环套空间28内置有电加热器26，电加热器26的调温装置25位于环形圆筒外壁27之外；经密封处理后贯穿环形圆筒外壁27和环形圆筒内壁32，固定有一根环压导入管24，环压导入管24的开口位于第一环套空间30内。

第一恒压恒速泵1的泵出口端经管路与并联的第一活塞容器A和第二活塞容器B的活塞驱动力入口端相连；第一活塞容器A和第二活塞容器B的两个内容物输出端分别经过第一阀门2和第二阀门3控制通断后经管路汇流至电加热岩心夹持器6的夹持器液流输入管33，在所述管路进入夹持器液流输入管33之前，管路上连接有流量计量器5和第三阀门4。

如图2所示，第二恒压恒速泵9的泵出口端经管路与电加热岩心夹持器6上的环压导入管24相连接，在所述管路进入环压导入管24之前，管路上连接有第一压力传感器8和第四阀门7；

电加热岩心夹持器6的夹持器液流输出管21经管路与所述回压阀上的进液口18相连接，在所述管路进入进液口18之前，管路上连接有第二压力传感器10和第五阀门11；

所述回压阀上的出液口19与量筒17相连接。

该种利用所述装置在实验室内精确模拟岩心带压放置驱替的方法，由如下步骤组成：

第一步，关闭所述装置内的所有阀门，检查装置的密封性；

第二步，调节电加热岩心夹持器6的温度至接近地层温度，通过温度传感器监测其温度变化，保持其温度始终在地层温度附近；

第三步，向第一活塞容器A和第二活塞容器B中分别装入一定量的水和油，使油和水分别充满第一阀门2、第二阀门3和第三阀门4之间的管线；

第四步，通过驱替压力梯度与流速的关系式，即公式（1）：

（1）

式中：——渗流速度，cm/s；——驱替压力梯度，Mpa/cm；a、b、c——二次多项式系数，主要与流度有关，通过拟合岩心压差—流速实验数据求得。根据岩心压差-流速实验数据拟合二次多项式系数，得出二次多项式系数统计如表1所示：

表1

通过驱替压力梯度与启动压力的关系式，即公式（2）：

（2）

式中：——启动压力梯度，Mpa/cm；

合并（1）式和（2）式，得

（3）

求解（3）式，得

（4）

所以驱替压力梯度区间为

（5）

所以合理驱替压力为：（6），式中——岩心长度，单位m；

第五步，为保证岩心孔隙度不变，按照岩石弹性变形中孔隙度变化公式得：

（7）

则 （8）

又 （9）

（10）

将式（8）、（9）代入（7）式得

（11）

根据Cbc、Cbp、Cpc、Cpp四个压缩系数之间的关系，将式（11）整理得

（12）

上式就是岩石弹性变形过程中孔隙度变化公式。由该式可知孔隙度绝对变化量与孔隙度本身、有效空隙压缩系数和净围压（Pc—P）有关。若保持净围压不变，孔隙度也不变；反之，孔隙度将发生变化。因此，将第五步中的驱替压力P，带入（12）计算合理环压Pc区间。式中：Vp—岩石表观体积，m3；Vb—孔隙体积，m3；Cbp—拟表观体积压缩系数，1/Mpa；Cbc—表观体积压缩系数，1/Mpa；Cpp—有效孔隙压缩系数，1/Mpa；Cr—岩石骨架颗粒体积压缩系数，1/Mpa；Pc—上覆压力（环压），Mpa；P—流体压力（驱替压力），Mpa。

第六步，对位于电加热岩心夹持器（6）内的岩心（31）进行饱和油实验，打开第四阀门（7）和第一阀门（2），启动第二恒压恒速泵（9）向电加热岩心夹持器（6）内的第一环套空间（30）加入环压；

第七步，按照第四步和第五步中所得出的数值，确定出进行驱替实验时保证岩心孔隙度不发生改变的净围压数值。

第八步，启动第一恒压恒速泵（1）,调节压力至第四步所获得驱替压力值P的中间值P _中，打开第二活塞容器（B）对应的第二阀门（3）；

第九步，打开所述回压阀，调节弹簧调整旋钮（20），使得所述回压阀内的回压值等于由第八步所获得的驱替压力P _中，开始饱和油实验；

第十步，饱和完毕后，整个装置不拆卸，关闭恒速恒压泵1和活塞容器B的阀门3，关闭阀门4和阀门11，加压放置24h；

第十一步，启动恒速恒压泵1，打开活塞容器A的阀门2，打开阀门4和阀门11，开始驱油实验。当驱油实验开始时，驱替压力P取值为中间值P_中，回压阀也调节至P_中，此时压力传感器检测到驱替压力变化，通过与环压传感器检测到的压力进行对比，为保持净围压不变，手动启动恒速恒压泵进行增压，环压Pc为Pc_中；由公式（12）知：若始终保持环压与驱替压力的差值不变，就可保证岩心的孔隙度不变。因此，调节驱替压力P的值为P_端，回压阀调节至P_端，则环压也在不断调节至Pc_端。此时关闭加热器，保证岩心实验在接近真实地层温度，压力条件下进行。待排出液全部是水时，驱油实验完毕。

第十二步， 按照第十一步循环操作，多次调节驱替压力P，环压Pc,回压阀压力值，进行试验。

第十三步，根据流量计量器的计量结果以及量筒的计量结果，计算每个驱替压力P的试验数据：岩心含油饱和度和孔隙度，渗透率等参数，求其平均值。

下面按照上述实施方案给出实验实例：

按照上述步骤连接实验装置，人造均质，2.5cm×2.5cm×50cm，有效渗透率为500mD。，测量岩心的孔渗数据。

第一步，关闭权利要求1中所述装置内的所有阀门，检查装置的密封性；

第二步，调节电加热岩心夹持器 6 的温度至接近地层温度，通过温度传感器监测其温度变化，保持其温度始终在地层温度附近；

第三步，向第一活塞容器 A 和第二活塞容器 B 中分别装入一定量的水和油，使油和水分别充满第一阀门 2 、第二阀门 3 和第三阀门 4 之间的管线；

第四步，通过驱替压力梯度与流速的关系式，即公式（1）：

（1）

式中：——渗流速度，cm/s；——驱替压力梯度，Mpa/cm；a、b、c——二次多项式系数，主要与流度有关，通过拟合岩心压差—流速实验数据求得。根据岩心压差-流速实验数据拟合二次多项式系数，得出二次多项式系数统计表如下：

通过驱替压力梯度与启动压力的关系式，即公式（2）：

（2）

式中：——启动压力梯度，Mpa/cm；

合并（1）式和（2）式，得

（3）

求解（3）式，得

（4）

所以驱替压力梯度区间为

（5）

所以合理驱替压力为：（6），式中——岩心长度，单位m；

所以合理驱替压力为；式中——岩心长度，m。

第五步，为保证岩石空隙度不变，按照岩石弹性变形中孔隙度变化公式得：

（7）

则 （8）

又 （9）

（10）

将式（8）、（9）代入（7）式得

（11）

根据Cbc、Cbp、Cpc、Cpp四个压缩系数之间的关系，将式（11）整理得

（12）

由上述步骤计算得岩心体积为，驱动压力，则计算得出合理环压。由上式可知孔隙度绝对变化量与孔隙度本身、有效空隙压缩系数和净围压（Pc—P）有关。若保持净围压不变，孔隙度也不变；反之，孔隙度将发生变化。因此，通过计算得出驱替压力，在其合理范围内；环压，这样就可以保证岩心在合理带压驱替情况下进行试验。

第七步，按照第五步和第六步中所得出的数值，确定出进行驱替实验时保证岩心孔隙度不发生改变的净围压数值为4.8Mpa。

第八步，启动第一恒压恒速泵1,调节压力至第五步所获得驱替压力值P范围内，打开第二活塞容器 B 对应的第二阀门3；

第九步，打开所述回压阀，调节弹簧调整旋钮20，使得所述回压阀内的回压等于由第七步所获得的净围压，开始饱和油实验；

第十步，饱和完毕后，整个装置不拆卸，关闭恒速恒压泵1和活塞容器B的阀门3，关闭阀门4和阀门11，加压放置24h，此时使岩心压力值与计算压力值一致；

第十一步，启动恒速恒压泵1，打开活塞容器A的阀门2，打开阀门4和阀门11，开始驱油实验。当驱油实验开始时，驱替压力P取值为中间值，回压阀也调节至，此时压力传感器检测到驱替压力变化，通过与环压传感器检测到的压力进行对比，为保持净围压不变，手动启动恒速恒压泵进行增压，环压Pc为；由公式（12）知：若始终保持环压与驱替压力的差值不变，就可保证岩心的孔隙度不变。因此，调节驱替压力P的值为，回压阀调节至，则环压也在不断调节至。此时关闭加热器，保证岩心实验在接近真实地层温度，压力条件下进行。待排出液全部是水时，驱油实验完毕。

第十二步，按照第十一步循环操作，多次调节驱替压力P，环压Pc,回压阀压力值，进行试验。

第十三步，根据流量计量器的计量结果以及量筒的计量结果，计算岩心渗透率和孔隙度等参数。为测得更精确的孔渗数据，按照上述实验步骤和操作方法做多组实验，求得其实验的平均渗透率0.0051um²和孔隙度0.15数据。而其它室内实验测得渗透率为0.0045um²，孔隙度为0.13，误差为11.76%，13.33%，该实验方法和装置测得实验数据更精确可靠。

Claims (1)

1.一种在实验室内精确模拟岩心带压放置驱替的方法，该方法由如下步骤组成：

第一步，关闭模拟岩心带压放置驱替装置内的所有阀门，检查装置的密封性；

第二步，调节模拟岩心带压放置驱替装置内电加热岩心夹持器(6)的温度至接近地层温度，通过温度传感器监测其温度变化，保持其温度始终在地层温度附近；

第三步，向模拟岩心带压放置驱替装置内第一活塞容器(A)和第二活塞容器(B)中分别装入一定量的水和油，使油和水分别充满第一阀门(2)、第二阀门(3)和第三阀门(4)之间的管线；

第四步，通过驱替压力梯度与流速的关系式得驱替压力梯度区间为

$\frac{\frac{K}{\mathrm{\μ}}-b-\sqrt{{\[b-\frac{K}{\mathrm{\μ}}\]}^2-4a\[c+\frac{K}{\mathrm{\μ}}G\]}}{2a}\≤\mathrm{\Δ}p\≤\frac{\frac{K}{\mathrm{\μ}}-b+\sqrt{{\[b-\frac{K}{\mathrm{\μ}}\]}^2-4a\[c+\frac{K}{\mathrm{\μ}}G\]}}{2a}---\left(1\right)$

式中：K-岩心渗透率，10^-3μm²；μ-流体粘度，mpa·s；△p-驱替压力梯度，Mpa/cm；G-启动压力梯度，Mpa/cm；a、b、c-二次多项式系数，主要与流度有关，可通过拟合岩心压差—流速实验数据求得；

合理驱替压力为：p＝△p·l(2)，式中l-岩心长度，单位m；

第五步，为保证岩石孔隙度不变，按照岩石弹性变形中孔隙度变化公式，确定出进行驱替实验时的合理环压Pc：

上式就是岩石弹性变形过程中孔隙度变化公式；

由该式可知孔隙度绝对变化量与孔隙度本身、有效孔隙压缩系数和净围压(Pc-P)有关；

若保持净围压不变，孔隙度也不变；反之，孔隙度将发生变化；因此，通过计算得出驱替压力P，在其合理范围内，随着其不断增大，环压Pc也不断变化，这样就可以保证岩心在合理带压驱替情况下进行试验；

式中：Cpp—有效孔隙压缩系数，1/Mpa；Cr—岩石骨架颗粒体积压缩系数，1/Mpa；Pc—上覆压力，Mpa；P—流体压力，Mpa；

第六步，对位于模拟岩心带压放置驱替装置内电加热岩心夹持器(6)内的岩心(31)进行饱和油实验，打开第四阀门(7)和第一阀门(2)，启动第二恒压恒速泵(9)向电加热岩心夹持器(6)内的第一环套空间(30)加入环压；

第七步，按照第四步和第五步中所得出的数值，确定出进行驱替实验时保证岩心孔隙度不发生改变的净围压数值(p_c-p)；

第八步，启动模拟岩心带压放置驱替装置中第一恒压恒速泵(1),调节压力至第四步所获得驱替压力值P的中间值P_中，打开第二活塞容器(B)对应的第二阀门(3)；

第九步，打开模拟岩心带压放置驱替装置中的回压阀，调节弹簧调整旋钮(20)，使得所述回压阀内的回压值等于由第八步所获得的驱替压力P_中，开始饱和油实验；

第十步，饱和完毕后，整个模拟岩心带压放置驱替装置不拆卸，关闭第一恒压恒速泵(1)和活塞容器B的阀门，关闭第三阀门(4)和第五阀门(11)，加压放置24h；

第十一步，启动模拟岩心带压放置驱替装置中的第一恒压恒速泵，打开第一活塞容器(A)的阀门，打开第三阀门(4)和第五阀门(11)，开始驱油实验；当驱油实验开始时，驱替压力P取值为中间值P_中，回压阀也调节至P_中，此时压力传感器检测到驱替压力变化，通过与环压传感器检测到的压力进行对比，为保持净围压不变，手动启动第二恒压恒速泵进行增压，环压Pc为Pc_中；由公式(3)知：若始终保持环压与驱替压力的差值不变，就可保证岩心的孔隙度不变；

因此，调节驱替压力P的值为P_端，回压阀调节至P_端，则环压也在不断调节至Pc_端，此时关闭加热器，保证岩心实验在接近真实地层温度，压力条件下进行；待排出液全部是水时，驱油实验完毕；

第十二步，按照第十一步循环操作，多次调节驱替压力P，环压Pc以及回压阀压力值，进行试验；

第十三步，根据流量计量器的计量结果以及量筒的计量结果，计算每个驱替压力P的试验数据，包括岩心含油饱和度、孔隙度和渗透率参数，求其平均值。