室內(nèi)巖心滲透率測定方法現(xiàn)狀

盧德義

（西安石油大學(xué)，陜西西安710065）

專論與綜述

室內(nèi)巖心滲透率測定方法現(xiàn)狀

盧德義

（西安石油大學(xué)，陜西西安710065）

確定地層巖石的滲透率作為油氣田開發(fā)的一個(gè)重要的基礎(chǔ)內(nèi)容。當(dāng)前，國內(nèi)外對低滲、特低滲油氣儲層的研究與開發(fā)還存在一些技術(shù)上的限制。例如對致密儲層滲透率的測定就是非常規(guī)油氣田開發(fā)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

滲透率；測量方法；優(yōu)缺點(diǎn)；影響因素

準(zhǔn)確測定巖石滲透率是油氣田開發(fā)領(lǐng)域研究油氣藏類型不可或缺的一部分。通常對儲層滲透率的測量過程為：先對鉆穿該儲層的井?dāng)噙M(jìn)行取心，把巖心帶到實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行二次鉆取，通常鉆成圓柱狀，再把其放入特定的滲透率測量儀器中進(jìn)行測量。不同類型的巖石，其滲透率變化范圍很大。隨著國內(nèi)外科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先后有多位科研工作者發(fā)明了多種巖心滲透率測試儀器與技術(shù)，筆者通過實(shí)際操作與調(diào)研，歸納總結(jié)了當(dāng)前的幾種測量技術(shù)，分析了各自的測量原理、范圍、優(yōu)缺點(diǎn)，希望可以具有一定的借鑒作用（見表1）。

表1 國內(nèi)儲層滲透率分級表

1 穩(wěn)態(tài)測量法

穩(wěn)態(tài)測量法的實(shí)驗(yàn)步驟：把巖心柱固定在特制的夾持器中，在夾持器內(nèi)部裝有密封氟膠耐壓皮套，用來加圍壓，目的是模擬巖心在地層中的受力狀態(tài)；巖心被圍壓夾緊后，對巖心柱兩端連接的裝有氣體的活塞容器進(jìn)行加壓，用氣體在巖心兩端建立合適的壓差，直到氣體流動(dòng)平穩(wěn)時(shí)，由壓力表和氣體流量計(jì)讀出測量巖心兩端壓力與氣體的流量。結(jié)合地面標(biāo)準(zhǔn)壓力、平均氣體黏度以及巖心端面面積和巖心長度，利用達(dá)西定律計(jì)算出氣測滲透率[1]。實(shí)驗(yàn)要多次測試取算術(shù)平均值，以降低實(shí)驗(yàn)誤差。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是相對可靠，不足是操作比較復(fù)雜，測量所需要的時(shí)間長而且數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性受到多種因素影響。對于滲透率比較低的巖心樣品，需要很長的時(shí)間氣體流動(dòng)才能平穩(wěn)[2]，此外，低滲巖石微小流量的測量是很困難的，存在較大的誤差。故穩(wěn)態(tài)法主要適用于測量滲透率k>10-3μm2的巖石（見圖1）。

圖1 穩(wěn)態(tài)法滲透率測量方法實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

2 瞬時(shí)壓力脈沖法

測量原理是把巖樣裝在壓力容器中，由容器上的壓力傳感器記錄壓力容器中巖心兩端的瞬時(shí)壓力變化來測量滲透率。其測量過程為：（1）把巖心樣品放入夾持器中，再對巖心施加一定的軸向與徑向壓力，目的是為了模擬巖心在地層中所處的環(huán)境；（2）向夾持器和與其左右兩端相連的特定體積的腔室中通入一定壓力的氮?dú)?，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系壓力達(dá)到平衡狀態(tài)；（3）再把上游腔室和夾持器的閥門關(guān)掉，把上游腔室的壓力增加到某一特定值，待其壓力達(dá)到穩(wěn)定后，打開閥門，連續(xù)監(jiān)測，記錄巖心樣品兩端容器內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)；（4）用已知壓力與滲透率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型對測得的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到巖心樣品的滲透率。

瞬態(tài)壓力脈沖法的優(yōu)點(diǎn)（見圖2）：測量時(shí)間短，測試結(jié)果比較精確，而且能夠模擬所測的巖心在其所取地層中的受力狀態(tài)，為測量在原始應(yīng)力作用條件下的致密、低滲巖石的滲透率提供了一種有效方法。此方法要求實(shí)驗(yàn)裝置的密閉性良好，傳感器精度高，以及對巖樣制備要求也較高。由于高滲巖石的孔隙度大，氣壓平衡過程太快，測量時(shí)間過短，以至于無法測量巖樣兩端的壓力變化過程。所以，對于滲透性高的巖石，瞬態(tài)壓力脈沖法不適于測量，只適用于測量滲透率低于0.1× 10-3μm2的巖樣[3]。

圖2 瞬時(shí)壓力脈沖原理圖

3 孔隙壓力振蕩法

孔隙壓力振蕩法的測量過程為：首先把巖樣裝入夾持器中，施加模擬地層條件的圍壓；接著，在巖樣的左端面施加特定的正弦振蕩壓力，其頻率和振幅都已知；然后在巖樣的右端面接收到相位延遲和振幅減小的壓力響應(yīng)，并記錄右端面壓力響應(yīng)參數(shù)；最后待振蕩狀態(tài)趨于穩(wěn)定時(shí)，由下游壓力波的振幅衰減和相移來推導(dǎo)計(jì)算滲透率。

孔隙壓力振蕩法的優(yōu)點(diǎn)是測試時(shí)間短，測定范圍大，其滲透率測試范圍在10-3μm2～10 μm2，適應(yīng)性強(qiáng)，可進(jìn)行連續(xù)的測量，反應(yīng)測量滲透率的變化過程。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理過程較為繁瑣，需考慮許多影響因素，并在測量時(shí)將參數(shù)控制在合理的范圍[4]（見圖3）。

圖3 孔隙壓力振蕩法原理圖

4 核磁共振法

核磁共振法的測量原理是把巖心樣品放入特定核磁儀器中進(jìn)行掃描，測得巖心的T2分布以及其他相關(guān)參數(shù)。T2分布就相當(dāng)于對巖心樣品孔隙大小的表征，對于所測樣品來說小孔隙組分對的T2值較小，大孔隙組分對應(yīng)的T2值較大[5]。所以，巖樣滲透率能夠由核磁共振儀所測得的T2分布進(jìn)行估算?；贜MR（核磁共振）巖心實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)的滲透率預(yù)測模型，目前應(yīng)用比較廣泛的NMR滲透率根據(jù)模型主要有兩種，分別是SDR模型和Coates模型，另外還有其他以兩者為基礎(chǔ)所改進(jìn)擴(kuò)展模型。SDR模型的原理是應(yīng)用T2的幾何平均值作為特征時(shí)間，并根據(jù)巖心滲透率與電阻率二者之間的關(guān)系，推導(dǎo)出了SDR的滲透率、NMR孔隙度、特征時(shí)間三者之間的關(guān)系式，有研究人員對結(jié)果進(jìn)行分析與擬合，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法推導(dǎo)，建立了SDR擴(kuò)展模型。Coates模型的推導(dǎo)和原理也類似于SDR模型，它是從物理意義上采用NMR孔隙度和束縛水體積與可動(dòng)水體積之比推導(dǎo)出的關(guān)系式來計(jì)算Coates滲透率。并且之后又有人推算出Coates模型的擴(kuò)展模型[6]。

核磁共振法優(yōu)點(diǎn)是在相應(yīng)模型的基礎(chǔ)上測量時(shí)間短，結(jié)果較精確，還有待進(jìn)一步發(fā)展。但是操作比較復(fù)雜，設(shè)備價(jià)格昂貴。

5 脫氣測試法

脫氣法是對巖心樣品在脫氣過程中進(jìn)行監(jiān)測，在監(jiān)測的過程中，用記錄實(shí)驗(yàn)過程中氣體的產(chǎn)量數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)來取得所測巖樣的滲透率。實(shí)驗(yàn)的操作原理為：在一定壓力條件下向裝有樣品的壓力容器中注入氣體（通常為甲烷或者氦氣）。樣品一端與給定的真空容器相連。等到系統(tǒng)壓力平衡后，打開壓力容器一端，氣體便會(huì)從打開端溢出，此時(shí)連續(xù)測量壓力變化數(shù)據(jù)[7]。最后代入相關(guān)公式求得不同壓力時(shí)巖樣滲透率，再求取平均值。

脫氣法主要是在開采頁巖氣過程中，測量儲層頁巖的含氣量，同時(shí)附加的可以測出巖樣滲透率的大小。相對于其他的滲透率測試方法，脫氣滲透率測試方法測試精度較低，而且要在現(xiàn)場密閉條件下進(jìn)行取心。

6 壓汞法

壓汞法測試滲透率是指利用壓汞毛管壓力數(shù)據(jù)建立預(yù)測模型對滲透率進(jìn)行預(yù)測。壓汞預(yù)測模型的基礎(chǔ)方程是壓汞毛管力方程，該方程是由Washburn[8]在1921年首次提出。在利用壓汞毛管壓力曲線預(yù)測滲透率時(shí)，當(dāng)前主要存在有兩種基礎(chǔ)理論。這就是滲流理論和Poiseuille理論。滲流理論認(rèn)為流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)過程受一個(gè)或幾個(gè)特征尺度控制。Poiseuille理論則將多孔介質(zhì)解釋為具有不同孔隙半徑的微觀模型。相關(guān)具體計(jì)算方法與原理已經(jīng)有學(xué)者詳細(xì)論述，這里不再贅述。

利用壓汞法對巖樣滲透率預(yù)測主要受巖石樣品類型的影響較大，不同類型巖石樣品滲透率預(yù)測結(jié)果存在著較大的差異。不過，可以把壓汞法作為一種室內(nèi)滲透率測試方法的輔助工具，對滲透率大小變化的趨勢進(jìn)行預(yù)測。

7 巖石復(fù)電阻率法

復(fù)電阻率測量巖心滲透率的原理是先把巖樣放入電測儀器中測出它的電導(dǎo)和介電響應(yīng)，通過兩者分別與所激發(fā)的自由電荷移動(dòng)和孔隙顆粒介面上的極化現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)性，在巖心的復(fù)電阻率和巖心孔隙度之間建立聯(lián)系[9]，再把巖心的孔隙度與巖心的滲透率和Kozeny-Carman模型[10]建立起聯(lián)系。如此就可以在巖心的復(fù)電阻率與滲透率之間建立一種關(guān)聯(lián)方程。這種方法雖然可以測得滲透率但是運(yùn)算比較費(fèi)時(shí)，運(yùn)算因子過多導(dǎo)致準(zhǔn)確性不高。

8 CMS-300巖心自動(dòng)測量系統(tǒng)

CMS-300是由美國巖心公司研發(fā)并生產(chǎn)的巖心自動(dòng)測定儀器，該儀器主要由：計(jì)算機(jī)中央處理系統(tǒng)、巖樣夾持器、環(huán)壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、氦氣系統(tǒng)五大部分組成。其測量原理以非穩(wěn)態(tài)法為基礎(chǔ)。測量時(shí)在巖心夾持器中裝入巖心，在夾持器中充入氦氣到某一初始壓力，然后打開夾持器另一端閥門，此閥門連接大氣，氦氣由巖心一端流入從另一端流出到大氣，在這個(gè)過程中測定流過巖樣的氣體流速與壓力降，再根據(jù)壓力變化率來計(jì)算克氏滲透率，該儀器操作十分簡單，自動(dòng)化程度非常高，一次可以同時(shí)測量18塊巖樣，測量效率高，測量范圍廣，精度高，同時(shí)還可以得出巖樣的孔隙度值[11]。不足之處就是此系統(tǒng)價(jià)格昂貴，一臺約300萬人民幣，還有該系統(tǒng)以氦氣作為測量氣體，測量成本較高。

9 結(jié)論

（1）通常的穩(wěn)態(tài)測量方法不適用于低滲巖心滲透率的測量。

（2）瞬時(shí)脈沖法與壓力振蕩法都屬于非穩(wěn)態(tài)的方法，測量相對快速精確。是目前應(yīng)用比較廣的特低滲透率測量方法。

（3）CMS-300巖心自動(dòng)測量系統(tǒng)是一套全自動(dòng)智能化設(shè)備，它可對特低滲的巖樣進(jìn)行氣體滲透率的測量，是目前效率最高，應(yīng)用最廣的巖心滲透率測量儀器。

（4）其他方法可以作為輔助方法，操作起來不太方便，還有待進(jìn)一步研究。

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Current situation of core permeability measuring methods in laboratory

LU Deyi
（Xi＇an Shiyou University，Xi＇an Shanxi 710065，China）

To determine the formation rock permeability as an important basic content of oil and gas field development.At present,for the low permeability and ultra-low permeability reservoirs at Domestic and overseas researches,the researches and exploitation still exist some technical limitations.Such as tight reservoir permeability measurements are the key points and difficulties in research of unconventional oil and gas field development.

permeability；method of measurement；the advantages and disadvantages；influence factors

TE311

A

1673-5285（2017）02-0001-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.02.001

2016－12-25