岩石渗透率节流毛细管气体流量计量测试方法研究.doc

岩石渗透率节流毛细管气体流量计量测试方法研究
杨明杰 潘昊 程仙梅
（大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆，163712）
摘要：岩石气体渗透率是油田勘探开发最重要的基础数据之一。本文介绍了国内外岩石渗透率测试气体流量计量技术的现状，针对低渗透储层油气藏勘探开发过程中岩石渗透率测试存在的问题，开发研制了一套节流毛细管气体流量计量自动测定装置，建立了岩石渗透率节流毛细管P-Q回归测试方法。该测试方法计量气体通过岩石的能力速度快，测试精度高，自动化程度高，是岩石渗透率测试技术的重大突破。本文介绍的节流毛细管气体流量计量装置已获国家实用新型发明专利，专利号为：ZL-01278258.0。
主题词：节流毛细管 气体流量 计量 岩石渗透率
Abstract：Rock gas permeability is one of the most important essential parameters in the oil field exploration and development. In this paper the present technical status of rock permeability testing technique on gas flow measurement at home and abroad is introduced. Aiming at the open question of rock permeability measurement in the exploration and development course of hydrocarbon reservoir of low permeability, we have worked out a suite of automatic metering device of throttling capillary gas flow, and set up throttling capillary P-Q regression testing approach of rock permeability. This approch, which is swift in measuring the ability of gas passing through rock, and of high measuring accuracy, is a great breakthrough in measuring and testing techniques of rock permeability. The throttling capillary gas flow metering device introduced in this paper has been granted the patent of invention of utility model of China，the patent number is ZL-01278258.0.

Key words：Throttling capillary gas flow measure rock permeability

引 言
气体在一定压力差下通过多孔隙岩石介质的能力称为岩石气体渗透率，气体流量的计量遵循达西渗流定律。
二十世纪九十年代以来，国内油田的勘探开发进入到一个新的阶段。渗透率<10×10-3μm2，孔隙度<1%，储量丰度<50×104t/km2的“三低”油气藏相继投入勘探开发。就岩石渗透率测试技术而言，气体通过岩石能力的准确、快速计量是其技术难点。为了适应低渗透储层研究的需要，我们在传统岩石渗透率气体流量计量技术的基础上，发展了节流毛细管气体流量计量技术，采用测试压力P与测试流量Q线性回归的方法，建立了新的岩石气体渗透率测试工艺，大大提高了岩石气体渗透率分析工作效率和分析质量。所研制的节流毛细管气体流量计量装置已获国家实用新型发明专利，其技术方法也已于2002年4月申请了国家发明专利。
一、岩石渗透率测试气体流量计量技术发展概况
在油田勘探开发工作中，对于岩石气体渗透率气体流量测量方法的研究已有半个多世纪的历史[1]。
20世纪40年代前，西方石油公司采用水银压力计、水柱压力计与节流阀组合在一起的技术测量一定压差下气体通过岩石的能力。
20世纪60年代，美国岩心公司继续沿用水银压力计、水柱压力计，唯一变化是气体流量计量首次采用压力表，通过压力差值的变化反映气体流量的变化。
20世纪80年代，国内外研究人员对前苏联皂沫流量计量的方法进行了改进。主要改进点是在皂沫流量计的流量管上下两个刻度位置焊接两组直径1mm的白金丝，采用电秒表计量气体流量。
20世纪90年代，国内四川石油管理局勘探开发研究院在岩石渗透率测定上，采用气体流量计、压力表、微型高压计量泵组合装置测定一定压力差下通过岩石的气体流量。
从上述介绍中不难看出，传统的岩石渗透率测试气体流量计量大多使用水银压力计或皂沫流量计，必须采用人工肉眼观察水银柱、水柱液面高度变化并予以记录，或者使用人工读秒的方法记录气体通过皂沫流量管时间，这种气体流量计量方法不仅操作繁琐，而且人为误差大。
二、低渗透储层岩石渗透率测试气体流量计量技术存在的问题
低孔、低渗、低丰度即所谓“三低”油气藏的勘探开发是目前油田勘探开发工作的技术难点。由于这类储层岩性胶结十分致密，给岩石物性参数测试带来很大困难。在以往的低渗透储层岩石渗透率测试工作中，国内外大多使用经典测试法，即使用皂沫流量计计量气体通过岩石的能力，这种气体流量计量方法主要存在以下问题：
1、岩石渗透性的大小与气体通过岩心流量成正比，反映在皂沫流量计的气体流量计量上就是：岩石渗透性越好，单位体积内气体流速越快；岩石渗透性越差，气流速度越慢。根据岩石渗透率测试公式1：
（1）
式中： K——岩样渗透率 10-3μm2
Q——气体流量 cm3/s
μ——气体粘度 mPa·s
L——岩样长度 cm
A——岩样截面积 cm2
ΔP——测试岩样前后两端面压力差 MPa
岩石渗透性越大，岩心测试端面两端的压差越小，反之则越大。皂沫流量计在计量特低渗岩心通过气体能力时需要相当长的时间才能稳定下来，传统测试方法既缺少促进气体流量稳定的装置，又缺少能够稳定显示压力差变化的精密仪表，这就使得分析人员每测一块低渗透样品都要花上几个小时的时间，劳动强度大，工作效率低。
2、由于气体流量的计量使用的是皂沫流量计，计量皂沫通过流量管的时间仍采用最原始的手工秒表计时，这种流量计量方法一是人为误差大，二是分析人员的劳动强度大。由于气体流量计量方法落后，这就使得岩石渗透率测试工作变得繁琐，费工、费力、费时。
3、人工采集的数据还必须手工换算成国际通用单位，不仅速度慢，差错率也高，急需实现流量数据采集计算的微机化[2]。
基于上述3方面原因，我们在传统岩石渗透率测试技术上发展了节流毛细管气体流量计量技术，提高“三低”油气藏渗透率分析工作效率和分析质量，满足油田勘探开发的需要。
三、岩石渗透率测试节流毛细管气体流量计量自动测定装置
节流毛细管气体流量计量自动测定装置由节流毛细管、压力传感器、数字显示器和微机组成[3]，具体构成是在选定的节流毛细管两端各加装一套压力传感器和显示器并与计算机相联。
图1是节流毛细管气体流量计的立体剖视图
节流毛细管为一内径0.05~0.07mm，长度40~70mm不等的玻璃管。测定气体通过岩石的流量时需将节流毛细管安装在橡胶套筒内，其结构见图1。
节流毛细管测量系统测定一定压力差下岩石允许气体通过的能力时，必须保证测量气体全部经由玻璃毛细管的内孔流出，无气体渗漏。在图1中，将密封垫圈套在玻璃毛细管外径较大的一端，装入橡胶套筒的外套中，压帽与外套通过螺纹连接，压紧密封圈，通入气体即可测样。
四、节流毛细管气体流量计量测定原理及方法
本项测试技术是基于以下原理完成测量装置的组装的。
采用皂沫流量计测量气体通过岩石的能力是岩石渗透率测试的经典方法，本装置在气体流量计量上以皂沫流量计为母体，采用P（压力）与Q（流量）回归技术，使用节流毛细管代替皂沫流量计。具体工艺流程及测试原理如下：
1、使用皂沫流量计测量一批岩石样品，可以得到该批样品在一定压力差下的气体流量数据，即每一块样品都有P-Q值相对应。
2、换用节流毛细管，再测皂沫流量计测过的同一批岩样，此时可以视该样品的流量Q为已知，这时被测样品通过压力传感器在数字显示器上会显示一个压力数字值（P），一批样品就可以得到节流毛细管测试条件下的压力P与流量Q的对应关系。
由于使用节流毛细管计量气体通过岩石孔隙流量时存在气体滑脱效应，不同渗透率测量段的岩石样品应选用不同内孔径的节流毛细管。在空气渗透率0.0001×10-3μm2~5000×10-3μm2段上，我们选取了4级节流毛细管。图2是选取2级节流毛细管做的P-Q回归曲线。

图2 2级毛细管P-Q回归曲线

3、做P-Q回归曲线，使用国家二级标准物质（固定渗透率值的标样）校正回归曲线，然后再建立一条标准P-Q对应曲线，测试样品分析结果的重现性及相对误差。表1是节流毛细管法测试的稳定性与重现性，表2是人工皂沫流量计法与毛细管法数据结果比对。
表1 节流毛细管法测试的稳定性与重现性
样号
渗透率 10-3μm2
标准偏差
4月18
5月9上午
5月9下午
1-5-1
0.0276
0.0299
0.0332
0.0375
0.0265
0.0292
0.0345
0.0398
0.0261
0.0287
0.0328
0.0392
0.0008
0.0006
0.0009
0.0012
2-1-2
0.0307
0.0337
0.0378
0.0451
0.0289
0.0355
0.0408
0.0475
0.0311
0.0346
0.0402
0.0468
0.0011
0.0009
0.0016
0.0012
1-4-1
0.0626
0.0690
0.0777
0.0888
0.0609
0.0665
0.070
0.0864
0.0616
0.0656
0.0747
0.0865
0.0008
0.0018
0.0020
0.0013
2-5-2
0.0705
0.0781
0.0878
0.1009
0.0676
0.0740
0.0852
0.0978
0.0671
0.0746
0.0848
0.0987
0.0018
0.0022
0.0016
0.0016
1-2-3
0.2388
0.2553
0.2915
0.3356
0.2345
0.2548
0.2766
0.3060
0.2383
0.2608
0.2909
0.3281
0.0024
0.0033
0.0084
0.0154
1-1-3
0.3908
0.4515
0.4664
0.5172
0.3873
0.4210
0.4596
0.5096
0.3900
0.4250
0.4706
0.5232
0.0018
0.0166
0.0055
0.0068
2-1-5
0.7192
0.7718
0.8439
0.9233
0.7172
0.7665
0.8333
0.9086
0.7147
0.7666
0.8294
0.9079
0.0022
0.0030
0.0075
0.0087
2-5-4
0.9372
0.9960
1.0768
1.1648
0.9322
0.9974
1.0715
1.1679
0.9195
0.9868
1.0626
1.1573
0.0091
0.0057
0.0072
0.0054

表2 人工皂沫流量计法与毛细管法数据结果比对
样号
长度
cm
直径
cm
大气压
kPa
温度
℃
粘度
最大压力
Mpa
最大示值
测量值
毛管流量
ml/s
渗透率
10-3μm2
人工流量
ml/s
渗透率
10-3μm2
相对偏差
毛管法
相关系数
人工法
相关系数
1-5-1
9.88
6.90
99
16.5
0.0179
0.5
199
192.29
0.09312
0.0265
0.0915
0.0260
0.88
0.998
0.965

9.88
6.90
99
16.5
0.0179
0.45
179.1
172.89
0.08553
0.0292
0.0807
0.0275
2.91

2-1-2
9.99
6.80
99
16.5
0.0179
0.5
199
191.21
0.09667
0.0289
0.107
0.0320
-0.90
0.994
0.991

9.99
6.80
99
16.5
0.0179
0.45
179.1
171.85
0.09895
0.0355
0.094
0.0337
2.57

1-4-1
9.82
6.93
99
16.5
0.0179
0.5
199
183.19
0.19994
0.0609
0.202
0.0615
-0.51
0.998
0.989

9.82
6.93
99
16.5
0.0179
0.45
179.1
164.81
0.18273
0.0665
0.1779
0.0648
1.34

2-5-2
10.09
6.83
99
16.5
0.0179
0.5
199
182.45
0.20854
0.0676
0.2141
0.0694
-1.32
0.999
0.998

10.09
6.83
99
16.5
0.0179
0.45
179.1
164.11
0.19082
0.0740
0.1855
0.0719
1.41

1-2-3
10.28
6.72
98.85
16
0.0179
0.5
199
195.38
0.7728
0.2345
0.771
0.2339
0.12
1.000
0.966

10.28
6.72
98.85
16
0.0179
0.45
179.1
175.98
0.70274
0.2548
0.653
0.2367
3.67

1-1-3
10.46
6.95
98.85
16
0.0179
0.5
199
190.77
1.28813
0.3873
1.335
0.4014
-1.79
1.000
0.996

10.46
6.95
98.85
16
0.0179
0.45
179.1
172.04
1.17483
0.4210
1.139
0.4081
1.55

2-1-5
10.20
6.90
98.85
16
0.0179
0.5
199
179.53
2.17431
0.7172
2.226
0.7343
-1.17
1.000
0.996

10.20
6.90
98.85
16
0.0179
0.45
179.1
162.67
1.96794
0.7665
1.918
0.7470
1.29

2-5-4
9.42
6.88
98.85
16
0.0179
0.5
199
169.31
2.75565
0.9322
2.825
0.9557
-1.24
1.000
0.977

9.42
6.88
98.85
16
0.0179
0.45
179.1
153.88
2.51287
0.9974
2.441
0.9688
1.45

4、将标准P-Q回归曲线输入计算机，编制相应的数据处理软件，按照P-Q对应关系就可以使用节流毛细管自动测定一定压力差下通过岩石的气体流量。
五、节流毛细管气体流量计量技术的应用效果与结论
节流毛细管气体流量计量测定技术及自动测定装置具有结构简单，操作方便，测试重现性好、测量速度快等优点。它使岩石渗透率测试气体流量计量工作彻底告别了手工操作，测试原理先进。经使用多组国家二级标准物质校验，测试结果具有良好的重现性，测量相对误差控制在SY/T 5336-1996《岩心常规分析方法》标准范围内，能够满足不同规格各类岩石渗透率测试工作的需要。
2001~2002年，使用节流毛细管气体流量计量自动测定装置，我们已完成176口预探井、探明储量井和油田开发效果检查井岩石渗透率检测约2.5万块，分析质量全部达到SY/T 5336-1996《岩心常规分析方法》行业标准规定要求。本项测试技术的主要技术指标为：
测量范围：空气渗透率0.0001×10-3μm2~5000×10-3μm2；
测量误差：当岩石渗透率<10×10-3μm2以下时，相对误差由原来的控制在±10%以内，提高到控制在±5%以内。
岩石渗透率节流毛细管气体流量计量技术在岩石渗透率测试工艺上取得了以下三方面重大突破：
一是在岩石渗透率测试技术上，通过发展节流毛细管测试方法，解决了特致密储层岩心渗透率测试时间长、测试结果重现性差的问题，攻克了特低渗透储层测试工艺技术难题。
二是装置及测试过程实现了自动化，提高了分析质量和工作效率，减少数据手工采集和计算所带来的误差，仪器组装合理，测试方法先进。
三是该项技术是一项创新技术，《节流毛细管气体流量计量自动测定装置》已获国家实用新型专利，专利号为：ZL 01 2 78258.0。岩石渗透率测试节流毛细管P-Q回归测试方法已于2002年4月申请国家方法发明专利，其测试方法在国内居领先地位，具有较好的推广使用价值。
参考文献
[1] 黄福堂编著 《岩心分析手册》[M] 北京：石油工业出版社，1994，67-96
[2] 黄福堂、吴西湖 ECK-Ⅱ型低渗透率自动测定仪研制与试验[J] 《大庆石油地质与开发》，1990（4）
[3] 潘昊、杨明杰等 《节流毛细管气体流量计量自动测定装置》[P] 中国专利：01278258.0，2003-1-1

压帽
密封圈
毛细管
外套

图1 节流毛细管结构
联系人：杨明杰
邮政编码：163712
地址：黑龙江省大庆市让胡路区油田勘探开发研究院中心化验室
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