高溫高壓非穩(wěn)態(tài)氣水相滲測(cè)試裝置及方法

張廣東，吳 錚，李釔池，陳一健，楊青松，2，潘 毅

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.中海石油湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引 言

高溫高壓氣藏氣水相滲曲線是氣田開發(fā)的必要參數(shù)，由于實(shí)驗(yàn)溫度、壓力與實(shí)際氣藏條件更接近，測(cè)得的氣水相滲曲線更能代表地下真實(shí)的氣水兩相滲流情況，高溫高壓氣水相滲曲線越來(lái)越受到氣田開發(fā)的重視。由于穩(wěn)態(tài)法測(cè)試氣水相滲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此，高溫高壓氣水相滲曲線多采用非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法。國(guó)外對(duì)高溫高壓氣水相滲實(shí)驗(yàn)研究較早，1965年Edmondsons[1]使用貝雷亞砂巖開展了不同溫度下的油水相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)。此后，Miller和Ramey[2]探討了溫度對(duì)松散砂和固結(jié)砂油水相對(duì)滲透率的影響，Gawish[3]等進(jìn)行了高溫高壓氣水相滲實(shí)驗(yàn)研究。中國(guó)學(xué)者也對(duì)氣水相滲做了大量研究：2007年易敏[4]等將回壓閥引入到非穩(wěn)態(tài)水驅(qū)氣相對(duì)滲透率測(cè)試中，進(jìn)行了高溫高壓條件下的氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)；鐘曉和杜建芬[5]通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外非穩(wěn)態(tài)氣水相滲的實(shí)驗(yàn)裝置含2個(gè)BPR回壓控制器，溫度可達(dá)93.3 ℃，壓力可達(dá)34.54 MPa；方建龍[6]、汪周華[7]等分別進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)高溫高壓氣水相滲實(shí)驗(yàn)研究，最高實(shí)驗(yàn)溫度達(dá)到160.0 ℃、最高實(shí)驗(yàn)壓力達(dá)到116.0 MPa，實(shí)驗(yàn)裝置采用回壓閥控制回壓，但回壓閥容易產(chǎn)生回壓波動(dòng)，導(dǎo)致氣水分離裝置被壓力彈開，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣水兩相在巖石中反應(yīng)劇烈，若巖心中出現(xiàn)顆粒運(yùn)移，顆粒進(jìn)入回壓閥也容易造成回壓閥失控或壓力控制薄片損壞，造成實(shí)驗(yàn)失敗。為克服上述缺點(diǎn)，提出了一種基于電容法測(cè)定高溫高壓非穩(wěn)態(tài)氣水相滲裝置及方法，該裝置及方法可以滿足實(shí)驗(yàn)溫度200.0 ℃，流體壓力80.00 MPa條件下的氣水相滲測(cè)試。

1 高溫高壓非穩(wěn)態(tài)氣水相滲裝置的研制

高溫高壓非穩(wěn)態(tài)氣水相滲測(cè)試的主要難點(diǎn)在于回壓閥壓力控制的穩(wěn)定性及氣水量檢測(cè)的準(zhǔn)確性。為克服回壓閥壓力波動(dòng)易造成實(shí)驗(yàn)失敗的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于電容法的液位計(jì)量計(jì)，通過(guò)測(cè)定液位計(jì)讀數(shù)，并根據(jù)其與電容轉(zhuǎn)換關(guān)系來(lái)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)水量[8]，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)量高溫高壓條件下的產(chǎn)水量。同時(shí)，利用電動(dòng)渦輪計(jì)量泵進(jìn)行流體壓力控制和高壓下氣量檢測(cè)，具有回壓控制更穩(wěn)定、不受巖心顆粒運(yùn)移影響的顯著優(yōu)勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括高溫高壓巖心夾持器、電容式液位計(jì)量計(jì)、電動(dòng)渦輪計(jì)量泵、圍壓泵、高溫高壓反應(yīng)釜、低摩阻中間容器、閥門和管線等。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 非穩(wěn)態(tài)法相滲測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 The experimental flow chart of relative permeability test with unsteady state method

(1) 高溫高壓巖心夾持器：最高溫度為200.0 ℃，最高壓力為200.00 MPa。

(2) 電容式液位計(jì)量計(jì)(圖2)：最高溫度為200.0 ℃，最高壓力為80.00 MPa；液位計(jì)讀數(shù)精度為0.1 mL。每次實(shí)驗(yàn)需根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件重新標(biāo)定。為驗(yàn)證電容式液位計(jì)量計(jì)的適用性，采用質(zhì)量濃度分別為0、20 000、100 000、200 000 mg/L的氯化鈣溶液進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3、4)可知，水量與電容、液位計(jì)讀數(shù)均呈良好的線性關(guān)系，測(cè)試誤差小于1%，表明電容式液位計(jì)量裝置可滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖2 電容式液位計(jì)量計(jì)Fig.2 Capacitive liquid meter

圖3 智能儀表電容與水量變化關(guān)系Fig.3 The relationship between intelligent instrumentcapacitance and water volume change

(3) 在高溫高壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，電容受地層水礦化度、氣體在水中溶解度等參數(shù)影響，因此，在不同溫度及壓力條件下，不同礦化度的地層水與氣體混合溶液所使用的校正公式不同，需要進(jìn)行重新標(biāo)定。

(4) 此次實(shí)驗(yàn)使用電動(dòng)渦輪計(jì)量泵：最高壓力為130.00 MPa，體積為500 mL，壓力精度為0.01 MPa。

2 高溫高壓非穩(wěn)態(tài)氣水相滲測(cè)量步驟

(1) 將巖心切割磨平，測(cè)定巖心直徑、長(zhǎng)度、基礎(chǔ)孔滲參數(shù)，配制模擬地層水和實(shí)驗(yàn)氣體。

(2) 采用高溫高壓反應(yīng)釜在實(shí)驗(yàn)條件下配制飽和實(shí)驗(yàn)氣體的地層水，采用該水樣對(duì)電容式液位計(jì)量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，獲取該條件下電容與水量的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，將電容式液位計(jì)量計(jì)液面調(diào)整到原始零點(diǎn)位置。

圖4 液位計(jì)讀數(shù)與水量變化關(guān)系Fig.4 The relationship between liquid gaugereading and water volume change

(3) 在實(shí)驗(yàn)條件下，將配制好的飽和水蒸汽的實(shí)驗(yàn)氣體和飽和實(shí)驗(yàn)氣體的地層水轉(zhuǎn)入中間容器備用。

(4) 按實(shí)驗(yàn)流程連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，抽真空，利用計(jì)量泵驅(qū)替水樣至巖心中建立含水條件，采用逐級(jí)飽和法加壓使裝置內(nèi)達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)壓力，此過(guò)程中始終保持圍壓、出口壓力高于流體壓力2.00 MPa以上，利用加熱裝置使巖心升溫至模擬地層溫度，待整個(gè)系統(tǒng)溫度壓力達(dá)到穩(wěn)定。

(5) 采用飽和水蒸汽的實(shí)驗(yàn)氣體進(jìn)行恒壓驅(qū)替，記錄驅(qū)替過(guò)程中2臺(tái)泵的體積和壓力值，以及電容式液體計(jì)讀數(shù)。

(6) 待采集系統(tǒng)中電容讀數(shù)穩(wěn)定后結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，使用電容法測(cè)得的液體體積作為出口端產(chǎn)液量，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法”(GB/T28912—2012)[12]數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用以上實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了某區(qū)高溫高壓氣藏的氣水相滲曲線[9]，分析實(shí)驗(yàn)流體壓力、實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)氣水相滲曲線的影響。

3.1 流體壓力對(duì)氣水相滲的影響

為分析實(shí)驗(yàn)流體壓力對(duì)相滲曲線影響，利用模擬氣(70%甲烷+30%氮?dú)?和模擬地層水(礦化度為12 000 mg/L)為介質(zhì)，采用恒壓法測(cè)定實(shí)驗(yàn)流體壓力分別為70.00、50.00、30.00和10.00 MPa條件下的氣水相滲曲線[10]。實(shí)驗(yàn)巖心的物性參數(shù)如表1所示，結(jié)果如圖5所示。

表1 巖心物性參數(shù)Table 1 Core physical parameters

圖5 不同實(shí)驗(yàn)壓力下巖心的氣水相滲曲線Fig.5 The gas-water permeability curves of cores under different experimental pressures

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地層壓力下降對(duì)氣水相滲曲線具有較大影響。在圍壓一定的條件下，隨著實(shí)驗(yàn)流體壓力的下降，巖心所受有效應(yīng)力增加，氣相相對(duì)滲透率與水相相對(duì)滲透率減小，束縛水飽和度變大，氣水兩相共滲區(qū)變窄，等滲點(diǎn)向含水飽和度增大方向平移。巖心滲透率越高，兩相共滲區(qū)越寬，氣相相對(duì)滲透率越高，氣體流動(dòng)能力更強(qiáng)。因此，氣田開發(fā)不同階段滲流規(guī)律不同，應(yīng)該采用不同氣水相滲進(jìn)行描述。

3.2 實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)氣水相滲的影響

為分析實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)相滲曲線的影響，利用模擬氣(70%甲烷+30%氮?dú)?和模擬地層水(礦化度為12 000 mg/L)為介質(zhì)，測(cè)定實(shí)驗(yàn)流體壓力為70.00 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為180.0、160.0、130.0、100.0 ℃條件下的氣水相滲曲線[11]。實(shí)驗(yàn)巖心的基礎(chǔ)參數(shù)如表2所示，結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)巖心氣水相滲曲線影響Fig.6 The influence of experimental temperature on core gas-water relative permeability curve

表2 巖心物性參數(shù)Table 2 The list of core physical parameters

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同條件下，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的上升，氣相相對(duì)滲透率與水相相對(duì)滲透率增大，氣水兩相共滲區(qū)變大，束縛水飽和度降低，氣相相對(duì)滲透率曲線與水相相對(duì)滲透率曲線均向左上方移動(dòng)。這是由于高溫高壓條件下氣水互溶導(dǎo)致黏度比降低，降低了氣水流動(dòng)阻力，儲(chǔ)層中氣水滲流受孔隙結(jié)構(gòu)、黏度比、界面張力等因素影響，溫度升高可降低黏度比以及界面張力，從而使氣水更易從儲(chǔ)層中產(chǎn)出。

4 結(jié) 論

(1) 自主研制了高溫高壓電容式液位計(jì)量計(jì)，分別將最高實(shí)驗(yàn)溫度和實(shí)驗(yàn)壓力提高到200.0 ℃和80.00 MPa，可實(shí)現(xiàn)高溫高壓產(chǎn)水量的直接計(jì)量，計(jì)量精度為0.01 mL，穩(wěn)定性好，可為高溫高壓氣藏開發(fā)提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

(2) 將高溫高壓電容液位計(jì)量計(jì)引入到非穩(wěn)態(tài)氣水相滲測(cè)試裝置中，構(gòu)建了高溫高壓氣水相滲測(cè)試新流程，探索了一種直接在高溫高壓條件下監(jiān)測(cè)產(chǎn)水量的新思路。該流程可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)水量的精確計(jì)量和壓力的穩(wěn)定控制，解決了回壓閥高溫高壓條件下壓力波動(dòng)引起實(shí)驗(yàn)誤差的問題。

(3) 相同條件下，實(shí)驗(yàn)溫度升高，束縛水飽和度減小，氣水共滲區(qū)域變寬；實(shí)驗(yàn)流體壓力降低，束縛水飽和度變大，氣相相對(duì)滲透率變小；地層壓力下降對(duì)氣水相滲曲線具有較大影響。