巖樣三向滲透率測定方法實驗研究

鮑云杰1,2曹婷婷1,2翟怡1，2

(1.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所， 無錫 214151；2. 中國石油化工集團公司 油氣成藏重點實驗室，無錫 214126)

摘要：受巖石樣品夾持器形狀結(jié)構(gòu)的限制，巖樣必須加工成規(guī)則圓柱狀才能測定滲透率。這種巖樣外形的限制性要求，使得同一樣品測定三個方向的滲透率難以實現(xiàn)。本文提出了一種巖樣三向滲透率測定方法，這種方法通過使用巖心分析測試用過渡套(ZL201120152706.1)以及一種巖樣三向滲透率的檢測方法及其檢測系統(tǒng)(201210400962.7)，利用過渡套外圓內(nèi)方的結(jié)構(gòu)特點，將正方體巖樣按照標(biāo)注好的方向先后放入過渡套中，再分別進行三個方向的滲透率測試，從而得到同一樣品三個方向的滲透率數(shù)據(jù)。9塊泥巖、泥灰?guī)r樣品實驗表明，樣品滲透率各向異性顯著，這種方法的應(yīng)用不僅能夠節(jié)省樣品，減少工作量，還能提高樣品滲透率各向異性信息的可比性，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：巖樣；三向滲透率；測定方法

作者簡介：鮑云杰，男，高級工程師，從事儲層評價與測試分析研究工作，E-mail：byj2006@sina.com。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.01.021

收稿日期：2014-06-01

Three-dimensional permeability method for determination of rock sample.BaoYunjie1,2,CaoTingting1,2，ZhaiYi1，2(1.WuxiInstituteofPetroleumGeology,PetroleumExploration&ProductionResearchInstitute,Wuxi214151,China;2.KeyLaboratoryofPetroleumAccumulationMechanism,Sinopec,Wuxi214126,China)

Abstract:According to this method, the cube rock samples can be put into the transition units followed the marked direction in accordance with the structural characteristics of the transition units, and then the permeability test will be carried out in three directions respectively. After that, the three-dimensional permeability datas of the same sample can be obtained. Nine rock samples, including shale and marlstone, are selected to test the experiment, the result shows a significant anisotropic permeability. This method has the advances of saving samples, reducing the workload, improving the comparability of anisotropic permeability, can be applied well in the future.

Key words：rock sample; three-dimensional permeability; determination method

1前 言

在油氣地質(zhì)勘探和開發(fā)領(lǐng)域，滲透率是一項重要的參數(shù)。在實驗室，通常是在巖樣上鉆取標(biāo)準(zhǔn)巖心柱，以滲透率測定儀測定巖心柱滲透率，為油氣勘探和開發(fā)工作提供依據(jù)。由于地層的滲透率具有各向異性的特點，而這種特性對于油氣田的勘探和開發(fā)具有特殊意義，故有時在獲得巖心后，在鉆取巖心柱時，會因研究需要，在巖心上鉆取軸向巖心柱和徑向巖心柱，并分別標(biāo)注方向測試，最后得到通常所稱的垂向滲透率和水平滲透率，以便為地層滲透性研究提供更多信息。

劉月田等建立了用于測量地層平面內(nèi)各向異性滲透率的方法[1]。通過測量巖心外側(cè)表面不同方向的最大和最小流量，確定最大和最小滲透率主方向，并申報了發(fā)明專利-“各向異性滲透率的測試方法及裝置”。周涌沂等開展了巖石方向滲透率的確定方法研究[2]，推導(dǎo)了一種新的具有代表性和普遍性的方向滲透率計算模型。這一模型可用于計算平面內(nèi)任意方向上的滲透率大小。其應(yīng)用基礎(chǔ)與條件是：一要有巖樣實測的一個平面三個方向的滲透率及其方位角數(shù)據(jù)；二是確定最大、最小滲透率及其方位角的方法，只適用于正反兩個滲透率相等或相近的情形。孫東生等在儲層巖心三個互相垂直的方向上取樣，研究儲層滲透率的各向異性[3]。鄭新衛(wèi)等研究了巖心垂向及側(cè)向滲透率的測定方法[4]。這些研究工作促進了滲透率測定和分析技術(shù)的發(fā)展。

上述技術(shù)方法與需求相比，尚存在一定的不足。這些方法的應(yīng)用基礎(chǔ)，都是要獲得規(guī)則圓柱狀樣品，甚至需要全巖心樣品。但在當(dāng)前泥巖、頁巖的滲透率分析測試工作量越來越多的情況下，由于泥巖、頁巖具有性脆、頁理發(fā)育等特點，鉆取巖心柱(或取心)過程中經(jīng)常發(fā)生破裂現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆取巖心柱樣品的成功率低，而上述方法對巖樣外形的要求，在一定程度上限制了其在更大范圍上的應(yīng)用，也不能滿足各向異性巖樣滲透率測定和研究工作的需要。

2測量方法

巖樣三向滲透率的測定依賴于巖心測試用過渡套[5]，這種過渡套的材料為橡膠，與現(xiàn)用圍壓套(膠套)彈性、強度等物理參數(shù)相同或相近，保證其在裝入樣品后，在圍壓套壓力的作用下包緊巖樣；過渡套是一個軸向通透的、具有外圓內(nèi)方結(jié)構(gòu)特點的圓筒，其通透截面是正方形；過渡套的直徑略小于圍壓套的內(nèi)徑，與以往規(guī)則圓柱狀巖樣的直徑相同。這樣就可以將各種尺寸的立方體巖樣放入其中進行滲透率的測試。當(dāng)改變巖樣方向進行測試時，即可獲得不同方向的滲透率。如圖1所示，當(dāng)將巖樣沿垂向放入過渡套測試時，可以獲得巖樣垂向滲透率?？梢?，這種測量方法用1塊樣品即可測定三個方向的滲透率，樣品用量少，獲得的三向滲透率可比性強，可以為滲透率各向異性研究工作提供豐富信息。

圖1　巖樣三向示意圖

測試方法和流程如下：

(1)以切割、打磨等方式，取得立方體巖樣，巖樣要標(biāo)記方向，如垂向、橫向一、橫向二(相當(dāng)于三維直角坐標(biāo)系的XYZ三軸)；

(2)將立方體巖樣放入其中之后，再將它放入當(dāng)前的圓筒狀巖樣夾持器中，經(jīng)過側(cè)面加壓密封，進行滲透率的測試。

(3)滲透率的計算，當(dāng)測量介質(zhì)為氣體時，以下述公式計算巖樣的滲透率。

Ka=2PaQoμL/A(P12-P22)

Ka為氣體滲透率, mD；Qo為出口氣體流量, mL/s；

Pa為大氣壓力，MPa；μ為氣體粘度,mPa·s；

L為樣品長度，cm；A為樣品端面積，cm2；

P1為入口壓力，MPa；P2為出口壓力,MPa；

其中，樣品長度為巖樣任意一邊的長度；樣品的端面積為任意兩個邊長的乘積。

(4)滲透率的測定

分別按照巖樣標(biāo)記的垂向、橫向一、橫向二三個方向，將巖樣放入圍壓套(過渡套)中，依次測定巖樣三個方向的滲透率。

3實驗與結(jié)果分析

3.1　實驗條件

實驗儀器：無錫惠奧GDS-90F型氣體滲透率測定儀。

實驗樣品：選取鉆井巖心或露頭樣品，加工成16*16*16mm的立方體狀，并標(biāo)注好方向，以便測定數(shù)據(jù)的比對分析。

過渡套：直徑25mm，長度16mm，中間通透部分為正方體，長度為16mm，截面為16*16mm。

圍壓以及測量介質(zhì)入口壓力：圍壓為1.5MPa，測量介質(zhì)入口壓力為0.1～0.2 MPa，與滲透率測定儀測定圓柱狀巖樣工作條件一致。

樣品選擇：通過巖心觀察，選擇9塊具有紋層狀結(jié)構(gòu)、水平層理的樣品進行實驗測試。

3.2　實驗數(shù)據(jù)分析

選取9塊巖石樣品，每個方向測定了3次，計算了平均滲透率，測試結(jié)果見表1。

表1　滲透率測定數(shù)據(jù)表

由表1可見，由過渡套測試立方體狀巖石樣品滲透率是可行的，同一樣品同一方向3次重復(fù)測試結(jié)果具有良好的重復(fù)性，相對誤差在15%以內(nèi)，符合當(dāng)前滲透率測定要求；同一樣品不同方向滲透率具有較大差異，5塊泥巖樣品其橫向滲透率大于垂向滲透率，4塊泥灰?guī)r樣品中有3塊其橫向滲透率大于垂向滲透率。無論是泥巖還是泥灰?guī)r，同一樣品其橫向滲透率差異也較大，反映了這些樣品滲透率各向異性的普遍性，也暗示了開展巖石滲透率多向測試的重要性。

初步實驗表明，本實驗所建立的巖樣三向滲透率測量方法可以依托現(xiàn)有滲透率測定儀進行實施，不需要對現(xiàn)有儀器結(jié)構(gòu)等進行改造，具有良好的可操作性。其應(yīng)用的前提條件是引入過渡套，并且必須將巖樣加工成立方體。

4討論

實驗數(shù)據(jù)顯示，三向滲透率測試方法的重復(fù)性誤差小于15%，符合低滲透巖樣測定要求，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

依托過渡套可以在不改變現(xiàn)有滲透率測定儀夾持器結(jié)構(gòu)的條件下，測定立方體形狀巖樣的三向滲透率，可以提升和擴展現(xiàn)用滲透率測定儀的功能及其適用范圍。

同一塊樣品在其互為90度夾角的三個方向滲透率具有較大差異，反映了巖石樣品滲透率各向異性的普遍性，也暗示了開展巖石滲透率多向測試的必要性。

參考文獻

[1] 劉月田，郭分喬，涂斌，等.全巖心非均勻徑向滲流各向異性滲透率測定方法[J].石油學(xué)報，2005，26(6)：66-68.

[2] 周涌沂，王端平.巖石方向滲透率的確定方法研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2005，24(4)：21-24.

[3] 孫東生，李阿偉，王紅才，等.低滲砂巖儲層滲透率各向異性規(guī)律的實驗研究[J].地球物理學(xué)進展，2012，27(3)：1101-1106.

[4] 鄭新衛(wèi)，劉新華，馬天游，等.全直徑巖心孔滲分析技術(shù)[J].錄井工程，2013，24(2)：27-30.

[5] 鮑云杰，俞凌杰，李志明.非圓柱狀巖樣滲透率測定方法實驗研究[J].分析儀器，2014，(4)：76-78.