1、第18卷第1期儀器儀表學報V o l.1811997年2月CH I N ESE JOU RNAL O F SC IEN T IF I C I N STRUM EN T Feb11997 TPT1型非穩態巖石孔滲參數測定儀3高家碧蒲正剛易敏(西南石油學院四川南充6370000引言作者在文獻1的基礎上進一步進行了以下研究:1研究了非穩態中高滲透率巖石滲透率的測試方法及理論。2將中高滲透率原理和方法兼容于已研究的低滲透測量系統中,使滲透率測定上限由原來的10-3m2擴展到1m2。3增加巖石孔隙度的測定。4研制出了非穩態巖石孔滲參數測定儀,其工作性能穩定可靠,智能化程度高,目前已應用于生產單位,效果良

2、好。1測試理論與方法111低滲透(10-4m2-10-9m2巖石滲透率測試理論1112中高滲透率測試理論非穩態滲透率測試的基本思想如圖1所示,圖中的主要部件是一個充滿氮氣的壓力容器,壓力傳感器和一個巖芯夾持器。當把氣體作為流動介質時,由于氣體的滑脫現象,使得處于巖芯夾持器中的巖石的視測滲透率大于絕對滲透率,按照K linkenberg的關系2,一個巖芯的滲透率既隨空間x(樣品長度方向變化又隨時間t變化,其視測滲透率是空間x和時間t的點函數,即:K(x,t=K11+B P(x,t+P a(1式中K視測滲透率K1絕對滲透率B滑脫因子P a大氣壓力P巖石孔隙流體壓力如果圖1容器中充滿具有一定壓力P&

3、lt;115M P a的氣體,打開閥門1,氣體穿過巖芯,而且容器的入口壓力隨之降低,開始時壓力下降迅速,然后愈來愈慢。由于在室溫和低壓條件下,氮19953氣的壓縮因子接近于1,氮氣可以視為理想氣體,在初始壓力P 0的作用下,氮氣流動的體積流量為Q 0= P 0(t (-dn dt =-V t (t R T dP 0 dt (2 1壓力傳感器2容器3閥門4巖芯5巖芯夾持器圖1非穩態巖石孔滲參數測定儀原理圖其中M 氣體質量氣體密度V t 氣體流動速率n 單位體積分子數R 普適氣體恒量T 絕對溫度而密度(t =P 0t (R T (3得Q 0(t =-V t P 0(t (dP 0 dt (4假定在

4、任一時刻穿過巖芯的流體速度為一常數,當氣體通過巖芯流動時,氣體膨脹,則有Q (x ,t =Q 0(t P 0(t P (x ,t =-V t P (x ,t (dP 0 dt (5將方程(1方程(5代入一維達西方程3,則有-V t P 0(t P (x ,t =(l K 1A (1+B P (x ,t P (x ,t t (6將方程(6按樣品長度積分再除以(P 1-P 0 2有-2V t P 1(t L K 1A (P 0-P 1=P 1-P 0+2B(7式中A 為樣品橫切面積。令Y (P 0=V t P 0(t P 0(8m =K 1A 21026310-2L (9i =2(Pa +B m(

5、10則Y (P 0=i +m P 0(t (11方程(11為一直線方程,其斜率和截距分別為m 和i 。方程(9,(10,(11為非穩態滲透率測試基本方程。只要測出壓力P 0(t 隨時間變化,作出該曲線的Y (P 0-P 0曲線,求出該曲線的i 和m ,由方程(9便可以確定絕對滲透率,方程(10確定滑脫因子B 。113孔隙度測試理論在實驗室條件下,如果已知圖2系統的標準體積V 1,在給定的壓力P 1狀態下等溫膨脹到一個新的平衡狀態V 2和P 2,根據理想氣體狀態方程4和巖石孔隙度的表達式2=(P 1-P 2V 1-(P 0-P 2V 2AL (P 2-P 0(12式中巖石孔隙度V 1巖樣上流容積

6、體積V 2巖樣下流容積體積P 1、P 2系統始末狀態壓力P 0測試前系統平衡壓力利用方程(9,(10,(11和(12以及原來低滲透瞬時脈沖壓力理論1設計研制了樣機。601儀器儀表學報第18卷2測定儀基本結構儀器基本參數設計使其有以下測量范圍:滲透率為10-9-1m 2,孔隙度<100%,重復性為0108,工作介質為氮氣(或空氣,工作壓力<15M Pa ,圍壓<60M Pa ,測量精度<10%。圖3儀器基本結構方框圖儀器基本流程結構設計如圖2所示。圖中1高低壓計量泵,2巖芯夾持器,3圍壓傳感器,4連通閥,5下流壓力傳感器,6下流脈沖容器,7圍壓顯示器,8上流壓力顯示器,9

7、下流壓力顯示器,10計算機,11氮氣瓶,12上流脈沖容器,13上流壓力傳感器,14脈沖閥,15高低壓換向閥,1618高、中、低滲透率量程閥,1921高、中、低滲透率量程擴展容器。圖中巖芯夾持器2通過管線、閥門與高低壓計量泵1相連。由高低壓計量泵1提供孔隙介質壓力。在巖芯夾持器2側面安裝了圍壓傳感器3用以測量圍壓的變化,在上流脈沖容器12上安裝了上流壓力傳感器13用以測量上流壓力的變化,下流脈沖容器6上安裝了下流壓力傳感器5用以測量下流壓力的變化,上述三個傳感器將采集到的信號轉換為標準信號,分別送顯示器789顯示,并送計算機進行計算和控制,最后輸出測量結果。對于中高滲透率巖芯的測量按圖安裝了擴展

8、容器19、20、21以測定不同范圍的巖石滲透率的巖石使用。儀器基本結構如圖3所示。測試的壓力信號經巖樣上下流壓力傳感器,轉換成電壓信號經放大后輸出0-5V 的標準信號。再經模擬開關,A D 轉換后的數字信號進入計算機。采樣頻率由計算機按程序設定的采樣時間決定,采樣結果由計算機轉換成壓力值,并計算出結果。由相應的測量控制軟件動態顯示測量過程中的壓力值,并給出相關的操作提示。最后可選用打印機,顯示器或繪圖儀輸出總的測量結果,并繪出上下流壓力衰變曲線。701第1期T PT -1型非穩態巖石孔滲參數測定儀3對比及可靠性測試為了對儀器的性能進行全面評價,將該儀器與美國C M S300型滲透率測試儀進行了

9、對比實驗。對比結果列于表1,儀器的重復性測試結果列于表2。表1對比測試結果巖樣編號孔隙度(%滲透率(m2CM S300T PT1相對誤差CM S300T PT1相對誤差L510351906102213%117911705102% L5111413141300123%410041487160% L560511051405188%510951334171% R1495810071901125%415441344190% R151017190171273151%515251284140%表2重復性測試結果樣品號測量次數R54R42R1459K(m2%K(m2%K(m2%14180310-510164

10、2129310-441844132310-5719824183310-5101632130310-441904135310-5719934182310-5101722125310-441994136310-5719244185310-5101702128310-441804132310-5718654184310-5101692131310-441854133310-57179平均值4182310-5101692129310-441904134310-57191重復性010201040107010701020107表1說明我們研制的儀器與美國的C M S300型滲透率測試儀測試結果對比誤差很小。表2反映了該儀器的可靠程度。其性能完全達到設計要求,能夠滿足現場實驗的需要。4結束語T PT1型非穩態孔滲測定儀的研制成功,填補了國內在此類儀器的空白。除上述介紹外,該儀器還能自動檢測氣體泄漏和壓力傳感器工作情況,操作方便,每一步操作都有相應的漢字提示,可自動生成報表和斷電保存所有巖樣的孔滲參數以及其它相關數據。參考文獻1高家碧,孫良田,王章瑞,儀器儀表學報,1991,V o l.12,N o.4,3652葛家理,油氣層滲流力學,石油工業出版社,19823D avid L ou is F r