[發明專利]瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置及方法

有效

• 申請號: 201410182874.3
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103969165B
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 馮夏庭;陳天宇;張希巍;李元輝;楊成祥;金長宇;孔瑞
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于巖石工程和非常規油氣藏工程領域，特別涉及瞬態穩態同時測試致密巖石滲透率的裝置及方法。

背景技術

隨著常規油氣藏資源儲量的日益衰減，非常規油氣藏資源作為一種重要的戰略性補充能源，其勘探和開發制約著中國未來經濟的快速發展。我國非常規油氣藏資源主要包括頁巖氣、致密砂巖氣、煤層氣和深部致密油氣藏，其中頁巖氣儲量超過常規天然氣，致密砂巖氣、煤層氣儲量均與頁巖氣儲量相當。十二五規劃中明確要求2015年頁巖氣產量達到65億立方米，然而由于中國含氣頁巖的基礎理論研究仍十分匱乏，目前，除了四川盆地處于頁巖氣開發初期，其他區塊并未實現大規模的商業開采。致密砂巖氣和煤層氣雖然已進入開發階段，但其產氣量低、衰減快，遠未能達到與常規天然氣相當的商業開發產量。造成目前非常規天然氣開發瓶頸的重要原因之一在于缺乏適用于非常規天然氣儲層巖石試驗研究的測試裝置和方法，從而導致非常規天然氣開發方案設計和開采技術出現偏差。

非常規天然氣儲層巖石滲透率是其評價、選區、勘探和開發方案設計所需要的重要參數之一。非常規天然氣儲層與常規天然氣儲層相比具有獨有的特點：非常規天然氣儲層巖石較為致密，孔隙度、滲透率都比常規儲層巖石低。含氣頁巖孔隙度小于6％，滲透率范圍為10μD-0.1nD。致密砂巖氣儲層巖石孔隙度小于10％，滲透率多小于0.1mD。非常規天然氣儲層致密巖石滲透率的準確測量成為制約非常規天然氣勘探開發的關鍵問題之一。

在非常規天然氣開采過程中，氣體通過孔隙和裂隙通道運移至井筒，氣體壓力沿儲層到井筒逐漸降低，其滲透的最大壓差為儲層壓力與井筒壓力的差值。由于非常規天然氣儲層高埋深的特點，非常規天然氣井存在一段氣柱，使得氣體出口處的井底壓力大于大氣壓。因此，致密巖石滲透率測定需在一定背壓條件下進行，現有的致密巖石穩態法滲透率測定中，由于并未考慮到現場實際情況和以及現有設備的限制，氣體低壓端均直接連通大氣，其低壓端壓力即為大氣壓。根據實際生產情況，非常規天然氣儲層致密巖石滲透率測定的合理氣體壓力高壓端應采用致密巖石儲層壓力，低壓端則應采用氣井井底壓力，可見低壓端采用大氣壓的測量方式偏離了工程實際，使得所測得的致密巖石滲透率出現偏差。

在實際的非常規天然氣開采過程中，隨著排采降壓的不斷進行，孔隙流體壓力的變化引起儲層巖石有效應力的改變，導致巖石骨架發生改變，即引起應力場和變形場的變化；另一方面頁巖氣藏骨架的變形場、應力場的變化又將導致頁巖孔隙度、滲透率等滲流物性參數的變化，進一步影響孔隙、裂隙流體在巖石內的運移。非常規天然氣儲層巖石的滲透性能是上述應力場、變形場、滲流場之間的動態耦合作用的結果。中國非常規天然氣儲層埋深大，多位于地下500-3500m，且經歷了復雜的地質改造作用，使得儲層巖石處于復雜的應力狀態中。綜上，非常規天然氣儲層巖石滲透率的準確測量必須要提供符合工程實際的偏應力環境，而目前的非常規天然氣儲層巖石滲透率測試方法中所提供的應力環境多為靜水壓力環境。

高埋深使得非常規天然氣儲層處于一定的溫度環境中，埋深越大，其儲層溫度越高。高溫環境使得儲層巖石骨架膨脹，骨架之間的孔隙和微裂隙被壓縮，滲透率降低；同時又會使得儲層中的氣體分子活躍。穩態法測試非常規天然氣儲層巖石滲透率時，試樣出口端流量非常小，必須具有高精度的恒溫環境才可以保證流量測定的準確度。綜上，非常規天然氣儲層巖石滲透率的準確測量必須要為試樣和測試氣體同時提供符合工程實際的恒溫環境。

目前致密巖石滲透率的測試系統未實現注入氣體的加溫，只實現了對試樣進行加溫。在測試中，溫度的波動會導致注氣壓力不穩定，使得瞬態法壓力測試和穩態法流量測試出現誤差，進而影響致密巖石滲透率測定的準確性。致密巖石的出口端流量非常微小，利用穩態法測試致密巖石滲透率時，需測得能夠實時準確的測量出口氣體流量，現有的滲透率測定常采用排水法人工記錄讀數，該方法將氣體收集裝置暴露在空氣中，導致溫度波動對氣體收集產生影響；且人工記錄誤差較大，無法實現準確的實時動態流量測定。

現有的測試系統對試樣的加熱或通過將整個三軸腔室置入恒溫水浴加溫，或通過加溫三軸腔室的液壓油對試樣加溫，這兩種方法均要經過很長時間的熱傳導才可以使試樣達到恒定的溫度，而如何確保和判斷試樣達到指定溫度這個問題并未得到解決。另外，對于滲透測試所用氣體加溫后，必須等待氣體達到熱平衡后才可以開始測試，而如何判斷其達到熱平衡狀態，目前更未有過相關報道。